利用ATP-EMTP和MATLAB进行继电保护的仿真研究

2010-05-07郭怀德

山东电力高等专科学校学报 2010年5期

王艳郭怀德

西安电力高等专科学校陕西西安 710032

0 引言

电力系统数字仿真就是通过建立适当的数学模型来模拟实际电路的一种研究方法。随着计算机硬件技术和软件技术的不断发展，电力系统仿真软件已成为电力系统工作者进行电力系统规划、保护、调度及故障研究的重要工具。

在我国，随着以三峡工程为代表的一批大型电力建设项目的展开，我国电力系统的发展正面临着大容量、大机组、高电压等级、远距离输电和大电网互联技术等问题的挑战，继电保护也同样的面临许多问题需要解决；另一方面，由于微型机继电保护具有很大的灵活性，因此涌现了许多新的保护原理和装置，这些新原理和新装置都需要验证和试验。

本文根据ATP-EMTP和MATLAB的特点提出了一种仿真研究继电保护的方案。

本文提出的方法特别适合于保护原理的研究，当然也适用于现场的工程技术人员来进行继电保护研究。

1 ATP-EMTP和MATLAB介绍

1.1 ATP-EMTP简介

EMTP是加拿大H.W.Dommel教授首创的电磁暂态分析软件。它具有分析功能多、元件模型全和运算结果精确等优点，对于电网的稳态和暂态都可做仿真分析。它的典型应用是预测电力系统在某个扰动（如开关投切或故障）之后感兴趣的变量随时间变化的规律，将EMTP的稳态分析和暂态分析相结合，可以作为电力系统谐波分析的有力工具。

ATP （The Alternative Transients Program）是EMTP的免费独立版本，是目前世界上电磁暂态分析程序最广泛使用的一个版本，它可以模拟复杂网络和任意结构的控制系统，数学模型广泛。ATP还配备有比TACS更灵活、功能更强的通用描述语言MODELS及图形输入程序ATPDraw。

1.2 MATLAB简介

MATLAB是美国Math Works公司开发的一个功能强大的数学软件包。它集数值分析、矩阵运算及图形绘制等功能于一身，提供了一个高性能的数值计算和图形显示的科学和工程计算软件环境。同时，它还包含有一系列称为工具箱（ToolBox）的涉及许多领域的应用软件模式，如：信号处理、图像处理、控制系统分析、神经网络等，因而称为全世界工程师、科学家及各行各业的专业人员的工具。

2 利用ATP-EMTP和MATLAB进行继电保护的仿真研究

本文提出的仿真研究的方案具体步骤如下：首先，利用ATP-EMTP的图形输入程序ATPDraw，建立电力系统模型及参数；其次，利用ATP-EMTP进行仿真计算；再次，利用第三方提供的PL42MAT程序将ATP-EMTP仿真计算得到的数据文件PL4文件转换成MATLAB可以读写的MAT文件；最后，再利用MATLAB方便的编程功能来仿真继电保护的工作过程。

ATP-EMTP包含有功能强大的TACS和MODELS，能够模拟仿真控制系统的暂态过程和非线性特性的元器件，能方便的建立电力系统的模型和参数，通过计算得到数据文件——PL4文件。

MATLAB与 Basic、Fortran以及 C语言相比较，其语法规则更简单，编程特点更贴近人的思维方式。MATLAB执行效率比一般的高级语言低，但其编程效率要远远高于其它高级语言，并且程序的可读性及可移植性也很好。当使用MATLAB的M文件时，无需研究复杂的算法问题和编写繁琐的程序代码就能设计出功能强大、高效实用的程序和自定义函数。因此掌握了MATLAB的工程技术和研究人员，就可以从繁琐的、重复的程序代码编写中脱身出来，而从更高、更深的层次研究和分析问题。

3 仿真研究实例

电容式电压互感器（CVT）在110kV及以上电压等级的电力系统中被广泛应用于电压的测量以及为继电保护装置提供电压信号，它在短路暂态过程中能否真实传变一次电压，对保护装置的正确动作起着决定性的作用。

利用ATPDraw程序建立CVT的模型如图1所示。图中Ce为等效电容，Lk、Rk分别是补偿电抗器和中间变压器的电感和电阻，Lm、Rm是中间变压器的励磁支路电感和电阻，负载为电感Lb和电阻Rb，Gf、Lf、rf、Rf为阻尼器参数。

图1 CVT等效模型

由于CVT主要用于高压线路上，故仿真计算中采用了500kV、200km的电力系统模型，如图2所示。

图2 仿真用电力系统模型图

设在20ms时线路出口发生短路，CVT瞬态输出电压的波形如图3所示。从图中可以看出，出口接地故障发生后，一次电压立即变为零，而CVT二次侧输出电压则需要经过一个过渡过程后才会降为零。

由于出口故障时计算阻抗很小，计算得到的R和X符号不能正确表明方向，可能使反向出口短路时误动。

在线路保护范围末端发生故障时，CVT一次侧电压和二次侧电压中均含有一个衰减的非周期分量，并且两者的衰减时间不同，一次侧电压非周期分量的衰减时间为几十个毫秒，由一次线路的参数所决定的，而二次侧电压中非周期分量的衰减时间则和图3中二次侧电压中非周期分量的衰减时间基本一致。由于CVT暂态特性的影响，计算得到的阻抗小于整定值，可能使得距离保护发生暂态超越而误动作。