基于Simulink的三段比相式距离保护仿真研究

吴成明，鲁月娥，王婷乐

(1.三峡大学电气与新能源学院，湖北　宜昌　443002；2.安徽送变电工程公司，安徽　合肥　230022)



基于Simulink的三段比相式距离保护仿真研究

吴成明1，鲁月娥1，王婷乐2

(1.三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌443002；2.安徽送变电工程公司，安徽合肥230022)

距离保护因其不受系统运行方式的影响，在输电线路保护中得到广泛的应用，对此了解其工作原理并借助计算机做仿真研究显得很有意义。通过查阅相关文献资料并以Matlab软件为仿真平台，对三段比相式距离保护的原理进行了仿真研究。在Matlab环境下建立了阻抗继电器、时间继电器、中间继电器的数学仿真模型，在此基础上搭建了一个110kV输电线路的三段比相式距离保护模型，并结合某一110kV输电线参数完成了输电线距离保护整定值计算，通过Simulink模拟短路来验证模型动作的正确性。通过仿真研究验证了三段比相式距离保护原理的正确性，并得出接地短路和相间短路时的整定方式具有差异性，在仿真模块连接时需要信号类型匹配等结论。

距离保护；Matlab 软件；短路故障；仿真分析

1　引言

在输配电系统中，因距离保护整定计算不受系统运行方式的影响，在线路保护设计中得到了广泛的应用[1]。距离保护按整定原理的不同可分为三段比相式和三段比幅式，其整定值是否正确对电力系统安全起着至关重要的作用，因此在保护装置投入使用前要做严格的实验测试[2]。以往是通过真实物理模型来构建模拟仿真实验室，模拟实验中一般包括发电机、变压器、线路、断路器等，存在占地面积大、投资大、更改实验接线困难、试验系统不完整等缺点。随着计算机技术的快速发展和电力系统专用数字仿真系统的成功研发，借助计算机可方便地观察分析电力系统在各种运行工况及故障情况下的动态行为[3]。文献[4-6]以PSCAD4.2软件为仿真平台，对三段比幅式距离保护原理进行了仿真研究，并分析了影响测量阻抗大小的因素，提出了采用自适应的方法来消除线路串联电容和接地过度电阻的影响，但没有指出具体的模块搭建和参数设置过程。文献[7-9]以Matlab软件为仿真平台，提出了基于线路模型的解微分方程的阻抗算法，构建了单电源仿真系统模型，但没有构建断路器控制回路，不能直观地观察保护动作前后线路电压、电流波形。

Simulink是以工具库的形式挂接在Matlab上的，不能独立运行，只能在Matlab环境中运行。Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散或两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样速率的多速率系统。可对一般的电力电子电路和继电保护进行有效的仿真应用，为继电保护的研究提供良好的仿真分析平台[10]。

2　比相式距离保护的原理及整定原则

距离保护利用短路发生时电压、电流同时变化的特征，通过测量电压与电流的比值来反应故障点距保护安装处的距离[11]，其保护原理如图1所示。

图1　距离保护整定原理图

(1)

对于如图1，可做典型的三段式距离保护整定，具体整定公式如下：

(2)

对于距离保护第三III段的整定，要综合考虑相邻下级线路距离保护的II或III段、相邻下级变压器的电流、电压保护整定情况及按躲过正常运行时最小负荷阻抗整定，综合考虑前面三种情况下的整定值，去其中较小者作为距离保护第III段的整定阻抗。

图2　方向圆特性

由图2可得方向圆特性的绝对值比较动作方程和相位比较动作方程分别如式(3)和式(4)所示：

(3)

(4)

在实际测量模块中是通过测量线路电压和电流来获得测量阻抗，将式(1)代入式(4)即可获得三段比相式距离保护用仿真方程，如式(5)所示。

(5)

将式(2)中的整定值代入式(5)即可获得三段比相式距离保护各段的整定值，由于实际输电线路中大多是三相四线制输电，对于非三单相故障的非故障相不满足式(1)，即在实际仿真中还应做故障类型判断，因110kV及以上的系统，主变中性点直接接地，当发生接地故障时，系统中存在零序电流通路，可通过检查系统是否存在零序电流来判断故障类型。接地短路和相间短路的测量阻抗表达式分别如式(6)和式(7)所示，相间距离保护能够反映相间短路、两相接地短路和三相短路故障,但不能反映单相接地故障。

(6)

(7)

上式中,K是补偿系数,K=(z0-z1)/3z1。距离保护一般由启动、测量、振荡闭锁、电压回路断线闭锁、配合逻辑和出口等几部分组成，其整定逻辑关系如图3所示。

3　仿真模块及系统的搭建

3.1三段比相式距离保护仿真模型的建立

以具有两级线路的单端电源110kV单回线输电线路系统为仿真背景，如图4所示。距离保护安装在线路AB的断路器处,作为本线路AB的主保护以及下级线路BC的后备保护。

其中元件参数为：电压源的线电压10.5kV，内阻Zg=0.001+j0.0157Ω；变压器容量31.5MVA且接线

方式为Ynd11接线，折算到高压侧的阻抗Zt=1.86+j118.6Ω；两级线路长度均为100km，线路的正序阻抗Z1=(0.01273+j0.293)Ω/km，零序阻抗Z0=0.3864+j1.296)Ω/km；负荷容量Sl=1.2+j0.9MVA。

图3　距离保护整定逻辑图

图4　单端电源电力系统

在Matlab/Simulink中建立仿真模型，如图5所示。保护模块已经封装成子系统，其输入数据为断路器处的电压电流测量值，其输出信号送至断路器的控制端，以控制断路器的开合状态(信号0表示跳闸,信号1表示合闸，断路器初始状态为合闸)。用故障模块设置短路类型以及故障发生的时间。通过改变故障点两侧线路的长度来改变故障点的位置，但两侧线路的长度之和始终保持200km不变。仿真起止时间为0～2s。所有模块的频率均为50Hz。

图5　距离保护主系统仿真模型

3.2相位比较阻抗继电器的构建

阻抗继电器一般根据已经导出的幅值比较动作方程和相位比较动作来实现，也可以按照距离保护原理的要求由其他的方式来实现。根据公式(5)、式(6)、式(7)可构建阻抗继电器模块，该模块根据故障类型的不同分为接地阻抗继电器和相间阻抗继电器，其仿真数学模型如图6和图7所示。

图6　接地故障阻抗测量继电器模型

故障类型通过是否检测到零序电流来判断，当检

测到有零序电流是表示为接地故障，否则为相间短路或三相接地故障。通过检查每相的运行电流来判断是否发生故障，将故障类型判断模块和故障是否发生判断模块结合在一起，用于选择及触发相应的阻抗测量继电器，为了保证触发后能使触发信号保持到仿真结束，仿真加入了单稳态触发电路模块，为了保证模块间数据传输类型的统一性，还加入了数据类型转换模块，保护控制系统如图8所示。

图7　相间短路故障测量继电器模型

图8　保护控制系统图

4　仿真结果分析

4.1故障类型选型分析

为了取得零序电流，通常采用三相电流互感器，将测得的电流求和，其值为零序电流的3倍。当检测到有零序电流时，表明系统发生了接地故障，由于系统负荷振荡和互感器本身的误差，会存在不平衡电流，所以在判断比较中采用双值比较器并对测量信号采用带通滤波器滤波。设定总仿真时间为2s，在0.5s时发生A相接地故障和AB相间短路，得到故障前后线路上零序电流波形及使能触发信号如图9和图10所示。

图9　A相接地故障时故障类型判别模块信号输出图

图10　AB相间故障时故障类型判别模块信号输出图

上图中的A图表示电流互感器测得的零序电流波形，由于是瞬间短路时，距离I段保护无延时动作，所以得到的零序电流是一个瞬时脉冲波形。B图表示用于控制接地短路故障阻抗测量继电器动作的逻辑信号(0表示不触发，1表示触发)，C图表示用于控制相间短路故障阻抗测量继电器动作的逻辑信号。由图9和图10可知，A相接地短路时的零序电流较大，AB相间短路时由于互感器测量的误差也会存在一定的不平衡电流。为了保证在断路器跳闸后仍能使断路器获得跳闸信号，采用单稳态触发电路，使跳闸信号保持时间大于整个仿真时间。

4.2故障时断路器动作特性及线路电压、电流波形分析

总的仿真时间设定为2s，图11和图12展示了AB相间短路时，距离I段和距离II的动作情况，图11中输电线路总距离是200km，故障点距离为50km，故障发生时距离I段动作，无延时。图12中输电线路的故障距离为115km，故障发生时距离II段动作，延时0.5s，三段比相式距离保护I、II、III段的整定值按公式(2)和式(5)来整定。

图11　距离I段动作时输电线路上电压、电流及断路器控制信号波形

图12　距离II段动作时输电线路上电压、电流及断路器控制信号波形

图11和图12中A图表示故障前后输电线路上三相电压波形，B图表示故障前后输电线路上三相电流波形，C图表示故障前后线路断路器外部控制端收到的控制信号。由图11A和图12A对比可发现当故障发生瞬间断路器切除故障时，系统电压波动小，有利于系统稳定运行。当故障延时切除时，在延时期间，非故障相电压、电流幅值基本不变，而等延时结束，距离II段切除故障时，输电线路上会带有较大的直流电压分量，对系统稳定运行有较大不利影响。

5　结论

本文利用Matlab所建立的三段比相式距离保护仿真，能够正确反映保护范围内的各种相间故障和接地故障，实现了本线路保护和下级线路的后备保护。仿真结果表明，所建立的保护模型具有实时性和正确性，不仅验证了保护原理，而且通过仿真加深了对保护原理的理解。具体结论总结如下：

(1)三段式距离保护受短路接地过渡电阻和输电线路电容的影响，在仿真模型搭建时应避免其不利影响，输电线路采用集中参数模型，接地故障模型设置成金属性直接接地，有利于保护I、II、III段正确动作。

(2)相间故障阻抗测量继电器不能正确测量单相接地故障电阻，仿真中需要进行故障类型识别，通过零序电流检测模块可有效判断故障类型。

(3)故障发生瞬间立即切除故障，系统电压、电流波动小，有利于系统稳定运行。当故障被延时切除时，系统中会产生较大的直流分量，易烧毁线路和设备。

(4)在本次仿真中，设置的为永久性故障，为了保证线路断路器跳闸后不再重合，通过加入单稳态触发电路，可任意设置跳闸信号保持时间，有效保证了仿真的顺利进行，避免了断路器的不断开合和线路电压、电流的长时间波动。

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The Three-segment Distance Protection of Compared Phase Based on Simulink Simulation

WUCheng-ming1，LUYue-e1，WANGTing-le2

(1.Electrical Engineering and New Energy College,The Three Gorges University,Yichang 443002,China;2.Electricity transmission &transformation facilities of Anhui province,Hefei 230022,China)

Because of distance protection is not influenced by system operation mode,and then it has been widely used in power transmission line protection,so to understand its working principle and with the help of a computer to do simulation research is very meaningful.By consulting relevant literatures and using Matlab software for the simulation platform,the three phase compared the principle of distance protection has carried on the simulation research.The mathematical simulation model of impedance relay,time relay,intermediate relay are established in Matlab environment.And further to built a 110kV transmission line distance protection of compared three phase type model,and combined with completed a 110kV transmission line parameters on transmission line distance protection setting value.Through the Simulink simulation of short circuit to verify the correctness of the model of action.Interphase short circuit and grounding short circuit and alternate with the way of setting are different.Through the simulation to verify the study of three phase compared the correctness of the principle of distance protection,and Conclusion to signal type matches,and the simulation module connection etc.

distance protection;matlab software；short circuit fault；the simulation analysis

TM773

B

2015-09-09

鲁月娥(1989-)，女，汉族，湖北荆门人，硕士研究生，主要从事三维仿真建模和电力系统继电保护仿真研究;

吴成明(1968-)，男，汉族，湖北枝江人，教授，主要从事计算机应用与电力系统仿真;

王婷乐(1990-)，男，汉族，安徽安庆人，硕士研究生，主要从事电力系统运行与控制方面的研究。