MATLAB/Simulink 辅助“电力系统继电保护原理”教学的探索

诸葛致，郭振威

（桂林电子科技大学，广西 桂林541000）

本文以三段式电流保护为例，介绍应用MATLAB/Simulink 进行“电力系统继电保护原理”辅助教学。教学目的主要有3 个：①学习电力系统继电保护MATLAB/Simulink 模型构建与电力系统故障保护仿真分析方法；②深刻理解电网电流保护三段式配置的基本方法；③掌握电流保护各段保护的定值整定以及三段之间的定值配合。

1 三段式电流保护原理构成

三段式电流保护由电流Ⅰ段保护（电流速断保护）、电流Ⅱ段保护（限时电流速断保护）和电流Ⅲ段保护（定时限过电流保护）构成。线路三段式电流保护模型可以分为以下4 部分[1]。

电流速断保护：当在本保护范围内发生接地故障时，保护瞬间启动并将故障切除，它不能保护线路全长，保护范围仅为线路的一部分；它将测量变换的电流值与继电器的预先整定电流值进行比较，如果测量值小于整定值，输出0，反之输出1。电流Ⅰ段是瞬时动作，输出的跳闸信号在经过保护固有延时，然后经过保护出口模块，最终将跳闸信号传送给断路器的外部控制端。

限时电流速断保护：当在本保护范围内发生接地故障时，保护瞬时启动但是在一定延时后才跳闸清除故障。它的保护范围是整条线路，其动作原理与电流Ⅰ段保护相同，延时时间不同，在灵敏度满足的情况下，取0.5 s 的延迟时间[2]。

定时限过电流保护：当在本保护范围内发生接地故障时，保护启动后经过一定的动作延时，才切除故障，本段保护范围覆盖本线路的全部，也能保护下级相邻整条线路。

保护动作出口：主要由常数、加法器、非门和使能子系统构成。这部分主要功能是保持保护模块的动作行为。该部分的作用是在单侧电源系中，在不同的线路位置模拟故障，模拟线路发生不同故障时保护动作的情况，将电流速断保护、限时电流速断保护和定时限过电流保护的输出信号相或。

2 三段式电流保护MATLAB/Simulink 建模[3]

2.1 三段式电流保护系统模型

为了加强学生对于单侧电源系统上下级保护单元电流保护的整定配合原理的理解，以图1 所示的单侧电源110 kV 供电系统电流保护2 与电流保护3 仿真为例展开讨论。

图1 单侧电源三相供电系统

在MATLAB/Simulink 平台下，单侧电源三相供电系统建模如图2 所示，为了易于理解，本文以单相电流保护为例展开论述。

图2 单侧电源三相供电系统Simulink 模型

2.2 三段式电流保护Simulink 建模

在本系统中，保护3 配有三段式电流保护，由电流保护Ⅰ段、电流保护Ⅱ段与电流保护Ⅲ段构成；保护2配有两段式电流保护，由电流保护Ⅰ段和电流保护Ⅲ段构成。三段式电流保护动作逻辑Simulink 模型如图3所示。由图3 可见，电流保护Ⅰ段、电流保护Ⅱ段或电流保护Ⅲ段任意一段电流保护动作，都会使对应的断路器2 或者断路器3 跳闸。

图3 三段式电流保护动作逻辑Simulink 模型

电流保护Ⅰ段Simulink 建模如图4 所示。如果检测到的故障电流启动继电器Relay，经过固有延时后，故障仍然存在，发出对应的跳闸命令；否则继电器Relay返回，不发出跳闸命令。

图4 电流保护Ⅰ段Simulink 模型

电流保护II 段Simulink 建模如图5 所示。如果检测到的故障电流启动继电器Relay，经过整定的动作时限后，故障仍然存在，发出对应的跳闸命令；否则继电器Relay 返回，不发出跳闸命令。

图5 电流保护Ⅱ段Simulink 模型

电流保护III 段Simulink 建模如图6 所示。如果检测到的电流启动继电器Relay，经过整定的动作时限后，故障仍然存在，发出对应的跳闸命令；否则继电器Relay 返回，不发出跳闸命令。

图6 电流保护Ⅲ段Simulink 模型

3 三段式电流保护仿真整定设置

电流保护Ⅰ段的整定主要是继电器Relay 动作电流值的计算与设置。保护3 电流Ⅰ段动作值应该大于母线B 在最大运行方式下的三相短路的电流值；保护2 电流Ⅰ段动作值应该大于母线C 在最大运行方式下的三相短路的电流值。

电流保护Ⅱ段的整定主要是继电器Relay 动作电流以及延时继电器Transport Delay 值的计算与设置。保护3 电流Ⅱ段动作值应该大于保护2 电流Ⅰ段动作值，与进行配合整定；保护3 电流Ⅱ段动作时间比保护2 电流Ⅰ段动作时间高1 个时间级差Δt，本案例取Δt=0.5 s。

电流保护Ⅲ段的整定工作主要是继电器Relay 动作电流以及延时继电器Transport Delay 值的计算与设置。保护3 电流Ⅲ段动作值根据AB 线路上的最大负荷150 A 进行整定；保护3 电流Ⅲ段动作时间比保护2 的电流Ⅲ段动作时间高1 个时间级差Δt。保护2 电流Ⅲ段动作值根据BC 线路上的最大负荷100 A 进行整定；保护2 电流Ⅲ段动作时间为1 s。

4 三段式电流保护仿真分析

根据所给定的系统模型，计算保护的整定值，整定设置各继电器的参数。根据线路三段式保护的原理以及各段保护之间的配合，改变线路参数来模拟改变故障位置，分析波形，观察各段保护动作情况；改变故障模块参数来模拟故障类型，分析波形，观察保护动作情况。

当线路AB 发生接地短路时，保护3 电流三段的动作情况如图7 所示，（a）（b）（c）分别是电流Ⅰ段、电流Ⅱ段和电流Ⅲ段动作情况，各子图第一行波形为检测到的电流。

由图7 电流三段动作情况分析可知，线路AB 发生接地短路时，保护3 电流Ⅰ段出口动作跳闸；电流Ⅱ段和电流Ⅲ段启动后，因为整定延时，来不及出口动作发信号，故障就已经被电流Ⅰ段出口跳闸切除，故此时，电流Ⅱ段和电流Ⅲ段返回。

图7 电流保护三段动作情况

5 总结

在“电力系统继电保护课原理”课程教学过程中，引入MATLAB/Simulink 辅助工具，通过让学生根据继电保护基本原理搭建仿真模型，在仿真实践中验证基本原理，可以加深学生对于保护原理实践运行情况的理解，极大促进继电保护教学开展，有利于培养学生的动手实践能力与创新思维精神。