基于Matlab 的電力系統(tǒng)繼電保護仿真分析

毛世昕，李捍東

（貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴州貴陽 550025）

在當(dāng)今高速發(fā)展的社會中，電力行業(yè)變得越來越成熟，規(guī)模和投資也越來越大。出于人員安全和可操作性的考慮，有很多時候不能在實地進行仿真。同時隨著科學(xué)經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，國家對于電能質(zhì)量的要求越來越高，為了達到高效的電能質(zhì)量，設(shè)計出更加復(fù)雜的電氣元件和設(shè)備與之配合，這就導(dǎo)致了特殊供電的增多，元器件的成本增加，電力系統(tǒng)的實地構(gòu)建和仿真因此變得越來越困難，并且實地進行仿真可能會使元器件受到損害，從而提高成本，增加國家的財政支出，同時效率不高[1]，因此對電力系統(tǒng)進行軟件仿真可以防范于未然，在沒有投入運行之前就能檢查出電力系統(tǒng)中存在的一些問題，然后加以改正，這樣既保證了人民的生命財產(chǎn)安全，又使國家節(jié)約了一大筆開支，不再過多需要人為實地操作，更多地是依靠先進的軟件，這也是電力系統(tǒng)現(xiàn)代化的一種體現(xiàn)。該文利用Matlab 軟件的Simulink 來對三機九節(jié)點電力系統(tǒng)進行建模和仿真，通過節(jié)點的PQ 值和電壓電流，研究系統(tǒng)的正常運行和保護。

1 差動保護和電流保護理論

1.1 變壓器差動保護

差動保護是一種依據(jù)被保護電氣設(shè)備進出線兩端電流差值的變化構(gòu)成的對電氣設(shè)備的保護裝置，流入差動繼電器的不平衡電流和變壓器外部故障時的穿越電流成正相關(guān)[2-4]，利用這個特性，在差動繼電器中引入一個能夠反映變壓器穿越電流大小的制動電流，使得繼電器的動作電流可以根據(jù)制動電流進行自動調(diào)整。Izd為制動電流，Icd為差動電流，Icdqd為差動電流啟動值。根據(jù)不同的Izd，動作電流Iop有不同的判定依據(jù)：

1.2 三段式電流保護

由無時限電流速斷，帶時限電流速斷和定時限過電流保護相互配合構(gòu)成的一整套保護裝置成為三段式電流保護。無時限電流速斷保護是靠動作電流的整定獲得選擇性；時限電流速斷和過電流保護是靠上、下級保護的動作電流和動作時間的配合獲得選擇性。

無時限電流速斷接線簡單、動作可靠、切除故障快，但不能保護線路全長，保護范圍受到系統(tǒng)運行方式變化的影響較大。速斷保護是一種短路保護，為了使速斷保護動作具有選擇性，一般電力系統(tǒng)中速斷保護都帶有一定的時限，定時限過流保護的目的是保護回路不過載，與限時速斷保護的區(qū)別在于整定的電流相對較小，而時限相對較長。

電流速斷保護的動作電流為：

其中下級線路首端短路時的最大短路電流Ik.c.max可靠系數(shù)=1.2～1.3，最小保護要求大于被保護全長的15%～20%。

限時電流速斷保護的動作電流為：

定時限過電流保護動作電流為：

其中自啟動系數(shù)Kss（數(shù)值大于1），可靠系數(shù)（采用1.15～1.25），引入繼電器的返回系數(shù)Kre（采用0.85～0.95），最大負(fù)荷電流IL.max。

相關(guān)研究人員在對軋鋼加熱溫度控制的研究中發(fā)現(xiàn)，設(shè)備的轉(zhuǎn)換率偏低是一個很大的問題。具體來說，參與燃燒的空氣和燃料的比例不能合理的控制，將會造成燃燒效率低下。如空氣使用量較大，煙氣量將會增加，當(dāng)空氣被排除爐外時，會帶走很多的熱量，降低轉(zhuǎn)換率；如空氣使用量不足，燃料得不到充分的燃燒，也將造成轉(zhuǎn)換率低。同時，空氣量不足，大量燃?xì)怆S煙氣排出爐外，不僅造成能源浪費，還將造成環(huán)境污染。

2 算例及模型搭建

該文采用的算例是美國西部電網(wǎng)WSCC 三機九節(jié)點算例[5-6]，該系統(tǒng)包括16.5 kV、18 kV 和13.8 kV三臺發(fā)電機，每臺發(fā)電機配有一個三繞組變壓器，用六條線路將三臺發(fā)電機連接成為系統(tǒng)，并在線路上設(shè)置負(fù)荷，并在線路上設(shè)置負(fù)荷[5-6]，如圖1 所示。

圖1 三機九節(jié)點電力系統(tǒng)圖

在Matlab 的Simulink 中依照原始參數(shù)將模型搭建出來，并且計算出線路標(biāo)幺值和有名值，如表1所示。

表1 線路參數(shù)計算結(jié)果表

3 仿真及分析

3.1 變壓器差動保護

由于變壓器一、二次電流及電壓大小不同，相位不同，電流互感器特性差異，電源側(cè)有勵磁電流，都將造成不平衡電流流過繼電器，必須采用相應(yīng)措施消除不平衡電流的影響。

選擇16.5 kV 側(cè)變壓器做差動保護，由于變壓器的發(fā)電機側(cè)為三角形接線，230 kV 側(cè)為星型接線，所以為了消除不平衡電流，星型側(cè)采用兩相電流差，流入該側(cè)的電流增加了倍，所以要除以，將發(fā)電機側(cè)電流通過變比換算到230 kV 進行電流大小的比較。首先模擬區(qū)內(nèi)區(qū)外故障[7-11]，如圖2 和圖3所示。

圖2 區(qū)內(nèi)故障

圖3 區(qū)外故障

在區(qū)內(nèi)故障的時候差動電流大于制動電流，保護正常動作，在區(qū)外故障的時候制動電流大于差動電流，保護不動作，再根據(jù)仿真結(jié)果設(shè)計繼電器動作值，在區(qū)內(nèi)故障時，短路之后第一個峰值5 500 A 左右，考慮一定的裕度，relay元件開啟取值為4 800；在區(qū)外故障時，短路之后第一個峰值接近-5 900 A，考慮一定裕度將relay 的關(guān)斷取值為-6 000，把差動保護模塊在接入故障點以后，對差動保護進行檢查，圖中觀測的信號從上到下分別是16.5 kV側(cè)的電流I1、230 kV 側(cè)電流I2和relay 輸出信號的變化情況。

圖4 區(qū)內(nèi)故障時的差動保護

從5 圖中可以看出，當(dāng)區(qū)外故障發(fā)生后，由于兩者的差值達不到relay 元件關(guān)斷的動作值，輸出信號始終為1，斷路器保持閉合狀態(tài)，說明在區(qū)外故障的時候差動保護可以不誤動。

圖5 區(qū)外故障時的差動保護

綜上，差動保護在區(qū)內(nèi)故障時正常動作，區(qū)外保護時不誤動，差動保護的整體工作正常[12]。

3.2 電流三段式保護

在仿真設(shè)計中，選擇B7 到B9 節(jié)點的這條線路來做三段式電流保護設(shè)計[13]，并檢驗其是否正常工作。

經(jīng)過對故障電流的測量，運用三段式電流保護的方法，選取一、二、三段電流保護值分別為1 620 A，1 346 A，904 A。每段保護對應(yīng)的延時元件設(shè)置延時時間分別為0.001 s、0.5 s、1 s。將動作值代入relay元件之后進行檢驗，圖6～8 中從上到下分別是電流一段、二段、三段保護動作信號以及B1 節(jié)點電流。

圖6 一段保護

由圖6 可以看出，當(dāng)短路故障發(fā)生后，一段保護迅速動作切斷故障，一段保護正常工作，其余兩段保護沒有誤動作。

由圖7 可以看出，當(dāng)短路故障發(fā)生后，二段保護在延時0.5 s 之后動作切斷故障，二段保護正常工作，其余兩段保護沒有誤動作。

圖7 二段保護

三段保護通常指其啟動電流按照躲開最大負(fù)荷電流來整定的一段保護裝置，應(yīng)該最末端保護動作，切除故障，其他保護在故障切除后應(yīng)立即返回。

由圖8 可以看出，當(dāng)短路故障發(fā)生后，三段保護在延時1 s 之后動作切斷故障，三段保護正常工作，其余兩段保護沒有誤動作[14-19]。

圖8 三段保護

綜上，三段式電流保護每段都能正常動作且不會產(chǎn)生誤動或者拒動。

4 結(jié)束語

該文通過Matlab，在Simulink 成功搭建起三機九節(jié)點系統(tǒng)的模型，然后設(shè)計和檢驗了變壓器的差動保護以及輸電線路的三段式電流保護，通過實驗結(jié)果可知，對于變壓器差動保護，在區(qū)內(nèi)故障時正常動作，區(qū)外保護時不誤動，對于線路的三段式電流保護，每段都能正常動作且不會產(chǎn)生誤動或者拒動，能正常配合，證明了設(shè)計的合理性，同時也驗證了兩種保護的有效性，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行以及繼電保護的設(shè)計和運行具有參考作用。當(dāng)然也有算例單一簡單等許多不足之處，在以后的仿真實驗中將會更加嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致地考慮更多復(fù)雜的情況。