电流保护matlab仿真毕业设计

目录1引言12 MATLAB及其模块介绍22MATLAB编程基础22.2 M文件及M函数32.3 SIMULINK 介绍32.4 S-FUNCTION 简介53线路继电保护的基本原理83.1整定基本要求83.2保护整定原则104线路继电保护仿真184.1保护仿真软件概述184.2仿真设计步骤194.3线路单相自动重合闸电流保护仿真194.4线路三段式电流保护仿真275仿真结果分析365.1线路单相自动重合闸电流保护仿真结果分析365.2线路三段式电流保护仿真结果分析376 总结38致 谢40参考文献411引言本设计的题目是线路继电保护整定计算的MATLAB仿真，包括对电力系统线路整定计 算仿真和故障仿真的研究。输电线路是电力系统中的重要电气设备。不同地区、不同类型的发电和配电设备都是通 过它连接起来的，构成电力系统网络。它的安全运行直接关系到电力系统发电、供电和配电 的稳定运行。随着现代电力系统继电保护的日益发展采用计算机仿真方法来分析研究电力系 统继电保护是解决此类工程问题的一种有效手段。MATLAB语言是目前国际上流行的一种 演算纸式的编程语言，它具有强大的矩阵分析与运算功能，并且是一个开放的环境。其中 SIMULINK就是为MATLAB开发的一种优秀的控制系统仿真工具软件，它具有模块化、可 重载、可封装、面向结构图编程及可视化等特点，可大大提高系统仿真的效率和可靠性。我 们可以利用工具箱中的元件模型，结合电力系统中的基本原理，搭建输电线路模型，继而设 置各种电力系统故障进行分析和调试，以期为电力系统线路故障故障仿真提供有力根据。在线路继电保护整定计算仿真方面，我们使用了 SimuLink和SimPowerSystems工具箱， 它常用于电力系统各个方面的仿真。例如MATLAB被用于发电机、变压器、线路和负荷等 元件的建模和仿真，在输电线路研究中，有利用Matlab对输电线路进行故障定位数字仿真 的研究。在继电保护仿真中也应用到了Matlab，如基于Matlab开发平台的继电保护仿真系 统。本设计主要针对线路的继电保护一一三段式电流保护和零序电流保护进行仿真研究。利 用MATLAB和线路继电保护的内容，使用SimuLink和SimPowerSystems工具箱，搭建了 一个线路整定计算和故障仿真模型。在系统中设定不同的故障点，分别进行了相应的仿真， 且与线路的整定计算值相配合，做到有选择性的动作，对仿真结果进行分析。本文第1部分为前言，介绍了本次设计的主要思路。第2部分介绍了 Matlab基础和在设计中所用到知识。第3部分是线路继电保护的基本原理等基础理论知识。第4部分中对线路继电保护仿真中的模型构成、参数设定及故障发生时保护装置的动作 情况作了详细说明。并介绍了所设计的线路继电保护仿真与整定计算值的配合。第5部分对仿真实验的结果进行了分析，不同层面做出分析，对于在整个设计过程的不 同阶段也做出具体分析。在本文的第6部分中总结了此次设计并给出了结论。其中包括致谢词，参考文献等。此次毕业设计在张龙斌老师的指导下完成。2 Matlab及其模块介绍本章简单介绍了此次设计用到的Matlab知识，首先介绍Matlab软件编程基础知识， 再对计算机实现线路继电保护整定计算仿真设计中用到的仿真模块的来源、功能、参数等进 行介绍。2.1 MATLAB编程基础2.1.1变量和数学运算首先从Matlab数学运算开始说明。例如要计算1+2+3及1x10+2x10+3x10这两个算式， 接在提示符号之后的是要键入的算式，Matlab将计算的结果以ans显示。2.1.2数组和数据Matlab的运算事实上是以数组（array）及矩阵（matrix）方式在做运算，而这两者在 Matlab的基本运算性质上是不同的，数组强调元素对元素的运算，而矩阵则采用线性代数 的运算方式。在声明一个变量为数组或是矩阵时，如果是要个别输入元素，需要用中括号将元素置于 其中。数组由一维元素构成，而矩阵由多维元素组成。在介绍矩阵运算之前首先介绍几个特殊的矩阵Zeros函数生成元素皆为0的矩阵；ones 函数生成元素皆为1的矩阵，eye生成一个单位矩阵，之所以称为eye是取其发音与原来单 位矩阵符号I相同，而又避免与复数定义中的虚部所用的符号i混淆，所以改以eye替代。上述三个函数的使用语法都相似，如zeros （m）可以产生一个mxm的正方矩阵，而 zeros （m，n）产生的是mxn的矩阵。也可以使用这三个函数将一个mxn矩阵原来元素全 部取代成为0，1或是单位矩阵的值，不过要加上size指令来指出其矩阵大小是mxn，所以 语法为：zeros(size(A)其中A为原来的矩阵2.2 M文件及M函数Matlab程序大致分为两类：M脚本文件（M-Script）和M函数（M-Function），它们均是 普通的ASCII码构成的文件。M脚本文件中包含一组有Matlab语言所支持的语句，它类似DOS下的批处理文件。它的 执行方式很简单，用户只需在Matlab的提示符下输入该M文件的文件名，这样Matlab就会自 动执行该M文件中的各条语句，并将结果直接返回到Matlab工作空间。使用M函数格式变成 是Matlab程序设计的主流。Matlab的M函数是有function语句引导的，其基本格式如下：Function 返回变量列表二函数名（输入变量列表）注释说明语句段，由%一道输入、返回变量格式的检测函数体语句这里输入和返回变量的实际个数分别Wnargin和nargou t两个Matlab的保留变量来给出。 只要进入该函数，Matlab就将自动生成这两个变量，不论是佛直接使用这两个变量。如果返 回变量多于一个，则应该用方括号括起来。输入变量和返回变量之间用括号分隔。注释语句 段的每行语句都应该由百分号引导，百分号后面的内容不执行，只起注释作用。用户采用help 命令则可以显示出来注释语句段的内容。此外、标准的变量树木检测也是必要的。如果输入 或返回变量格式不正确，则应该给出相应的提示。另外，因为Matlab是一中注释性语言，所以即使在某个或某些函数中存在语法错误，如 果没执行到该语句时可能就不会发现该错误，这在严格的程序设计中是不容许的。要检查某 目录中所有的M函数语法错误，首先应该用cd命令进入该目录，然后运行pcode*命令进行伪 代码转换。因为该命令会将Matlab函数转换成伪代码，而在转换过程中该程序将自动翻译每 一条语句，所以一旦发现有语法错误，将会停止翻译，给出错误信息。改正了该语法错误后， 再重新执行pcode命令，直到没有错误为止。这样会保证目录下所有的程序不含有语法错误。2.3 SIMULINK 介绍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。Simulink是由模块库、模型构造及指令分析、演示程序等几部分组成。Simulink提供了 用方框图进行建模的图形接口。模块框图是动态系统的图形显示，由一组称为模块的图标组 成，模块之间采用连线联接。每个模块代表了动态系统的某个单元，并且产生一定的输出。 模块之间的连线表明模块的输入端口与输出端口之间的信号连结。模块的类型决定了模块输 出与输入、状态和时间之间的关系。一个模块框图可以根据需要包含任何类型的模块。模块代表了动态系统的某个功能单元，每个模块一般包括一组输入、状态和一组输出等 几个部分。Simulink模块的基本特点是参数化的，许多模块都具有独立的属性对话框，在对话框中 用户可以定义模块的各种参数。Simulink包含Sinks（输出方式）、Source（输入源）、Continuous （连续环节）、Nonlinear （非线性）、Discrete （离散环节）、Signals & System （信号与系 统）、Math （数学模块）和Functions& Tables （函数和查询表）等子模型库。SIMULINK在 诸口Communication Toolbox， Nonlinear Control Design Blockset， Power System Blockset 等 工具箱的配合下，还可以完成对诸如通行系统、非线性控制系统、电力系统的建模、分析和 仿真。设计中使用的模块本设计中共使用了位于Simpowersystems模块库，和Simulink模块库中的29个不同的模 块。分别为：1）位于 Simpowersystems模 块库中： 断路器模块（break）， 线路模块（Series RLC Branch block）， 电流测量器模块（Current Measurement block）， 交流电压源模块（AC Volatge block）， 三相故障模块（Three-Phase Fault block）， 傅利叶变换模块（Fourier block）， 万用表模块（Multimeter block）， 接地模块（Ground（input/output） block），2）位于Simulink模块库中： 到工作空间模块（To Workspace block）， 输入端口模块（In1 block）， 输出端口模块(Outl block), 示波器模块(Scope block), 常数模块(Constant block), 乘法模块(Product block), 继电器模块(Relay block), 加法模块(SUM block)， 使能子系统模块(Enable Subsystem block)。2.4 S-FUNCTION 简介Simulink为用户提供了许多内置的基本库模块，通过这些模块进行连接而构成系统的 模型。对于那些经常使用的模块进行组合并封装可以构建出重复使用的新模块，但它依然是 基于Simulink原来提供的内置模块。而Simulink s-function是一种强大的对模块库进行扩展 的新工具。2.4.1 S-Function 的概念1) s-function是一个动态系统的计算机语言描述，在MATLAB里，用户可以选择用m 文件编写，也可以用c或mex文件编写，在这里只给大家介绍如何用m文件编写s-function。2) S-function提供了扩展Simulink模块库的有力工具，它采用一种特定的调用语法，使 函数和Simulink解法器进行交互。3) S-function最广泛的用途是定制用户自己的Simulink模块。它的形式十分通用，能够 支持连续系统、离散系统和混合系统。2.4.2 建立 M 文件 S-Function使用模板文件：sfuntmp1. m1) 该模板文件位于MATLAB根目录下toolbox/simulink/blocks目录下。2) 模板文件里s-function的结构十分简单，它只为不同的flag的值指定要相应调用的皿文 件子函数。比如当flag=3时，即模块处于计算输出这个仿真阶段时，相应调用的子函数为 sys=mdloutputs(t,x,u)。3) 模板文件使用switch语句来完成这种指定，当然这种结构并不唯一，用户也可以使用 if语句来完成同样的功能。而且在实际运用时，可以根据实际需要来去掉某些值，因为并不 是每个模块都需要经过所有的子函数调用。4）模板文件只是Simulink为方便用户而提供的一种参考格式，并不是编写s-function的 语法要求，用户完全可以改变子函数的名称，或者直接把代码写在主函数里，但使用模板文 件的好处是，比较方便，而且条理清晰。5）使用模板编写s-function，用户只需把s-函数名换成期望的函数名称，如果需要额外 的输入参量，还需在输入参数列表的后面增加这些参数，因为前面的4个参数是simulink调用 s-function时自动传入的。对于输出参数，最好不做修改。接下去的工作就是根据所编 s-function要完成的任务，用相应的代码去替代模板里各个子函数的代码即可。6）Simulink在每个仿真阶段都会对s-function进行调用，在调用时，Simulink会根据所 处的仿真阶段为1&传入不同的值，而且还会为sys这个返回参数指定不同的角色，也就是说 尽管是相同的sys变量，但在不同的仿真阶段其意义却不相同，这种变化由s imulink自动完成。7）m文件s-function可用的子函数说明如下： mdllnitializeSizes：定义s-function模块的基本特性，包括采样时间、连续或者离散状态的 初始条件和sizes数组。 mdlDerivatives：计算连续状态变量的微分方程。 mdlUpdate：更新离散状态、采样时间和主时间步的要求。 mdlOutputs :计算 s-function 的输出。 mdlGetTimeOfNextVarHit：计算下一个采样点的绝对时间，这个方法仅仅是在用户在 mdlInitializeSizes里说明了一个可变的离散采样时间。 mdlTerminat e：实现仿真任务必须的结束。8）概括说来，建立s-function可以分成两个分离的任务：9）初始化模块特性包括输入输出信号的宽度，离散连续状态的初始条件和采样时间。10）将算法放到合适的s-function子函数中去。定义s-function的初始信息1）为了让Simulink识别出一个m文件s-function，用户必须在s-函数里提供有关s-函数的 说明信息，包括采样时间、连续或者离散状态个数等初始条件。这一部分主要是在 mdlInitializeSizes子 函数里完成。2）Sizes数组是s-function函数信息的载体，它内部的字段意义为：NumContStates :连续状态的个数（状态向量连续部分的宽度） NumDiscStates：离散状态的个数（状态向量离散部分的宽度） NumOutputs:输出变量的个数（输出向量的宽度） Numinputs :输入变量的个数（输入向量的宽度） DirFeedthrough：有无直接馈入 NumSampleTimes：采样时间的个数3）如果字段代表的向量宽度为动态可变，则可以将它们赋值为一1。4）注意DirFeedthrough是一个布尔变量，它的取值只有）和1两种，0表示没有直接馈入, 此时用户在编写mdlOutput s子函数时就要确保子函数的代码里不出现输入变量山1表示有直 接馈入。5）NumSampleTimes表示采样时间的个数，也就是ts变量的行数，与用户对ts的定义有关。6）需要指出的是，由于s-function会忽略端口，所以当有多个输入变量或多个输出变量 时，必须用mux模块或demux模块将多个单一输入合成一个复合输入向量或将一个复合输出 向量分解为多个单一输出。输入和输出参量说明1）S-function默认的4个输入参数为t、x、u和flag，它们的次序不能变动，代表的意义 分别为： t：代表当前的仿真时间，这个输入参数通常用于决定下一个采样时刻，或者在多采样速 率系统中，用来区分不同的采样时刻点，并据此进行不同的处理。 x：表示状态向量，这个参数是必须的，甚至在系统中不存在状态时也是如此。它具有很 灵活的运用。 u：表示输入向量。2）flag:是一个控制在每一个仿真阶段调用哪一个子函数的参数，由Simulink在调用 时自动取值。3）S-function默认的4个返回参数为sys、x0 struts，它们的次序不能变动，代表的意 义分别为： sys：是一个通用的返回参数，它所返回值的意义取决于flag的值。 x0：是初始的状态值（没有状态时是一个空矩阵），这个返回参数只在flag值为0时才 有效，其他时候都会被忽略。 str:这个参数没有什么意义，是MathWorks公司为将来的应用保留的m文件s-function必须把它设为空矩阵。ts：是一个mx2的矩阵，它的两列分别表示采样时间间隔和偏移。2.4.3模块的封装与测试：将该程序以文件名*血存盘，编好S函数后，就可以进行封装和测试了，向模型编 辑窗口中添加S-FUNCTION模块，双击该模块，打开参数设置对话框，在其中输加文件名 和用户定义的参数。选择该模块，按CTRL+M或右键单击该模块。从弹出的快捷菜单中添加 用户定义的变量参数。在Initalzation页中对变量初始化在Documentation页中添加模块的说明 和帮助文档，其具体操作与子系统的封装类似。可以封装该S函数，从而设计出相应的参数输入对话框，选择S函数模块，打开其封装 编辑器，在Parameters页中添加用户定义的变量参数。S函数模块被封装后，双击它，则有模块参数对话框。能有附加参数的一个提示。3线路继电保护的基本原理3.1整定基本要求电力系统运行中，可能发生各种故障和不正常的运行状态，最常见同时也是最危险的故 障是发生各种类型的短路。当系统发生故障或不正常运行状态时，都会危及系统安全，引发 事故，有时还可能造成人身和设备安全事故。电力系统故障一旦发生，必须迅速而有选择性 地切除故障元件，这依赖于继电保护装置的正确动作。而当系统发生不正常运行状态的时候， 应该只发出告警信号，或根据危害程度规定一定的延时再切除故障元件，以免暂短的运行波 动造成不必要的动作和干扰引起的误动。因此，合理地选择保护方式和正确地进行继电保护 整定计算，对保证电力系统的安全运行有非常重要的意义。选择保护方式时，希望全面满足继电保护可靠性、选择性、灵敏性和速动性的四项基本 要求。继电保护的可靠性是指继电保护装置规定的保护范围内发生了它应该动作的故障时， 它不应该拒绝动作，而在任何其他保护不应该动作的情况下，则不应该误动作。继电保护的 选择性则是指首先由故障设备或线路本身的保护切除故障，当故障设备或线路本身的保护或 断路器拒动时，才允许由相邻设备、线路的保护或断路器失灵保护切除故障。为了保证选择 性，对相邻设备和线路有配合要求的保护和同一级保护内有配合要求的两元件，其灵敏系数 和动作时间，在一般情况下应相互配合。继电保护的灵敏性指对于其保护范围内发生故障和 不正常运行状态的反应能力。满足灵敏性要求的保护装置应该是在事先规定的保护范围内故 障时，不论短路点的位置、短路的类型如何，以及短路点是否有过渡电阻，都能敏锐感觉， 正确反应。保护装置的灵敏性，通常用灵敏系数来衡量。继电保护的速动性指发生故障时， 应力求保护装置能迅速动作切除故障。继电保护的整定，主要考虑继电保护的选择性和灵敏 性。对于方向保护，相邻线路的配合动作值和动作时间都要相互配合，以满足选择性和灵敏 性的要求。电力系统的安全运行是一个综合整体，继电保护与电网的接线方式以及调度运行密切相 关。合理的电网结构是电力系统安全稳定运行的基础，继电保护装置能否发挥积极作用，与 电网结构和电力设备的布置是否合理有密切关系，因此必须把它们作为一个有机整体统一考 虑，全面安排，对严重影响继电保护装置保护性能的电网结构和电力设备的布置，应限制使 用。电力系统中的继电保护是按断路器的配置装设的，因此继电保护必须按照断路器分级进 行整定。继电保护的分级是按保护的正方向来划分的，要求按保护的正方向各相邻的上、下 级保护之间实现配合协调，以达到选择性的目的。这是继电保护整定配合的总原则。根据继电保护及安全自动装置技术规程、3110kV电网继电保护装置运行整定规 程、大型发电机变压器继电保护整定计算导则、220500kV电网继电保护装置运行整定 规则、电力系统继电保护来实现的保护原则。继电保护整定原则：3110kV电网的继电保护，应当满足可靠性、选择性、灵敏性及 速动性四项基本要求：3.1.1可靠性可靠性由结构合理、质量优良的继电保护装置和符合规程要求的运行维护与管理来保 证。3.1.2选择性选择性是指：首先由故障设备或线路本身的保护切除故障，当故障设备或线路本身的保 护或断路器拒动时，才允许由相邻元件的保护或断路器失灵保护动作切除故障。3.1.3灵敏性由于有速动性的要求，继电保护的定值应保证在其保护范围内有规定的灵敏系数。3.1.4速动性根据继电保护及安全自动装置技术规程，如线路短路使发电厂厂用母线或重要用户 母线电压低于额定电压的50%60%时，应快速切除故障。因此，继电保护的配置和整定计 算应保证快速的切除各种类型故障。3.2保护整定原则3.2.1三段式电流保护10kV、35kV线路配三段式（阶段式）电流保护整定计算原则：根据继电保护装置整定 的具体规定：3.2.1.1电流速断保护3-1a、按躲过本线路末段最大三相短路电流整定。set，1 K 1 re/.max式中：11 set 4动作电流;Kire/可靠系数，可取1.3；七线路末端最大三相短路电流。b、灵敏度校验：电流速断保护应校核被保护线路出口短路的灵敏系数，在常见运行大方式 下，线路出口（即母线处）三相短路的灵敏系数不小于1时即可投运。c、动作时限：t=100ms。注：（速断保护的动作时间取决于继电器本身固有的动作时间，一般小于10ms。考虑到躲过 线路中避雷器的放电时间为4060ms，一般加装一个动作时间为6080ms的保护出口中间 继电器，一方面提供延时，另一方面扩大触电的容量和数量。）3.2.1.2限时电流速断保护 a、保护线路全长，按躲过下级相邻线路的电流速断最大保护范围整定。为了确保速断保护能准确及时动作3-2/初 D set .1I ii 。= Kii 11 ,set .2relset .1式中：111 set.2启动电流。KI rel可靠系数，可取1.2。Iiset电流速断保护的动作电流。 set .1b、灵敏度校验：K = K .min3-3sen i ii set .2式中：iK min最小运行方式下保护范围内发生金属性短路时故障参数的计算值。iiiset .2保护装置的动作参数值。七 1.31.5。注：灵敏系数大于1的原因是考虑可能会出现一些不利于保护启动的 因素，为使保护仍然能够动作，就要留有一定的裕度。c、 （1）、动作时限：tii2 = ti 1 + At； At=0.30.5。（2）、动作时限：tii2 = tii 1 + At；当灵敏系数不能满足要求时使用此式。式中：tii 1下级限时速断的时限。当校验灵敏度不满足要求时，iiset2 = Kiireli；et1动作时限：tii2= tii 1 + At3.2.1.3定时限过电流保护 a、按躲过最大负荷电流整定。当无事故过负荷电流的时候，采用线路导线的载流量来计算。iiiiset .3 = Kl .max3-4 式中：K IIIrel可靠系数，取1.3;Lax最大负荷电流。b、灵敏度校验：近后备校验1K= K . B. min3-5sen.近 IIII set .3远后备校验IK= K .C .minsen.远 I iii set .3式中：IK min最小运行方式下保护范围内发生金属性短路时故障参数的计算值。III set .3保护装置的动作参数值。近后备保护范围要大于等于1.3-1.5，远后备保护范围要大于等于1.2。c、动作时限：t为从线路末端为零起每向上一级线路就加一个t。3.2.2距离保护A相间距离保护I段：a为了保证保护动作的选择性，当被保护线路无中间分支路时，相间距离保护I段按 躲过本线路末端故障整定，一般可按被保护线路正序阻抗的80%85%计算。Z set = KI rel LAB3-6式中：ZIet距离保护I段的整定阻抗；KIrel可靠系数，取0.80.85；彳本线路的正序阻抗，LA,是线路茬高度。动作时限：t=0s。b单回线送变压器终端方式，送电侧保护深入受端变压器的整定。Zl set = KIrelZKt3-7式中：Ziset距离保护I段的整定阻抗；Kirel可靠系数，取0.80.85；Kiret 1.25.3-9动作时限：tii 1 = At动作时，At=0.30.5。b按保证本线路末端故障，保护的灵敏系数整定。Zii = k Z3-10set im 1式中：km被保护线路末端故障，保护的灵敏度。当线路长度为20km以下时，km不小于1.5；当线路长度为2050km时，km不小于1.4；当线路长度为50km以上时，km不小于1.3。动作时限计算同a。c与相邻变压器的快速保护相配合；Ziiset.1 = E（% +K5 Zt）&11式中：KHrei可靠系数，取0.80.85；ZB被保护线路的阻抗；Z为相邻变压器阻抗。动作时限：t A t.d与相邻线路相间距离II段配合。Z%t广 E（ZKf Z ）3-12式中：K1 e可靠系数，0.80.85；ZB为本线路阻抗；Ke t+At;（2）、保护范围伸出变压器其他各侧母线时，t m+ A t。式中：t为相邻线路重合后不经振荡闭锁的距离II段动作时间；t;为相邻变压器相间短路后备保护动作时间。灵敏度校验：作为近后备时K、理二Z / ZAB 1.5；作为远后备时1.2.b与相邻变压器的电流、电压保护配合整定；Ziii = Kill （Z + K Z ）3-14set .1rel ABb.min min式中：Zmin 电流、电压保护的最小保护范围对应的阻抗值。动作时限：tm = t； + At。tT为相邻变压器相间短路后备保护动作时间。c与相邻线路距离m段配合；Ziii = Kiii （Z + K Ziii ）3-15set .1rel ABb.min set .2式中：K =0.80.85；可靠系数；z$2为相邻线路距离m段动作阻抗。动作时限：t=t+at。tiii为相邻线路距离III段动作时间。d躲过最小负荷阻抗；若采用全阻抗特性，则整定值为1setK_K KL.min-rel ss re式中：Zlmin按实际最不利的系统频率下阻抗元件所见到的事故过负荷最小负荷阻抗（应配 合阻抗元件的实际动作特性进行检查）整定；、可靠系数，一般取1.2-1.25Ks电机自启动系数，取1.5-2.5Ke阻抗测量元件（欠量动作）的返回系数，取1.15-1.25。3.2.3线路重合闸在电力系统故障中，大多数的故障是送电线路的故障。运行经验表明，架空线路故障大 都是一些瞬时性故障，如雷电引起的绝缘子表面闪络，大风引起的碰线，鸟类或是树枝等物 体落在导线上引起的短路等，在线路被继电保护迅速断开以后，电弧立即熄灭，外界的物体 也被电弧烧掉而消失。此时，如果把断开的线路再合上，就能够恢复正常供电。但是，如果 故障是永久性的，如线路倒杆、断线、绝缘子击穿或损坏引起的故障，在线路被继电保护迅 速断开以后，故障仍然存在，即使再合上电源，线路还要被继电保护再次断开，因而就不可 能立即恢复供电了，必须待工作人员检修后才可再次恢复供电。由于送点线路具有以上性质， 所以采用重合闸能够大大提高供电的可靠性，减少线路停电的次数。此外，重合闸可以提高 电力系统并列运行的稳定性，提高传输容量，纠正由于断路器本身的机构不良或误动作而引 起的跳闸。三相一次重合闸的跳、合闸方式为无论本线路发生何种类型的故障，继电保护装置均将 三相断路器跳开，重合闸启动，经预先设置的延时发出重合闸脉冲，将三相短路器一起合上。 若是瞬时性故障，因故障已经消失，重合成功，线路继续运行；若是永久性故障，继电保护 再次动作跳开三相，并且不在重合。重合闸的启动过程：当短路器由继电保护动作跳闸或其他非手动原因而跳闸后，重合闸 均应启动。一般使用断路器的辅助常开触点或者用合闸位置继电器的触点构成，在正常情况 下，当断路器由合闸位置变为跳闸位置时，马上发出启动指令。重合闸的时间：启动元件发出启动指令后，时间元件开始记时，达到预定的演示后，发 出一个短暂的合闸脉冲命令，这个延时就是重合闸时间，是可以整定的。一次重合闸脉冲：当延时时间到后，它马上发出一个可以合闸脉冲命令，并且开始记时， 准备重合闸的整组复归，在复归时间内即使再有重合闸时间元件发出命令，它也不再发出第 二个合闸命令。它可保证在一次跳闸后有足够的时间合上和再次跳开断路器。自动重合闸与继电保护的配合为了能尽量利用重合闸所提供的条件以加速切除故障，继电保护与之配合时，一般采用 重合闸前加速保护和重合闸后加速保护两种方式，根据不同的线路及其保护配置方式选用。1）重合闸前加速保护重合闸前加速保护一般又简称为“前加速”。它是当任何一条线路上发生故障时，第一 次都有保护瞬时无选择性动作予以切除，重合闸以后保护第二次动作切除故障是由选择性 的。采用前加速保护会使断路器工作条件恶劣，动作次数较多；重合与永久性故障时，故障 切除的时间可能较长；若重合闸或断路器拒绝合闸，则将扩大停电范围，甚至在最末一级线 路上故障时，都会使连接在这条线路上的所有用户停电。2）重合闸后加速保护重合闸后加速保护一般又简称为“后加速”。它是当任线路第一次故障时，保护有选择 性动作，然后进行重合。如果重合于永久故障，则在断路器合闸后，再加速保护动作瞬时切 除故障，而与第一次动作是否带有时限无关。它的优点是第一次有选择性切除故障，不会扩 大停电范围；保证永久性故障能瞬时切除，并仍然是有选择性；与前加速相比，不受网络结 构和负荷条件的限制。综上所述，基于本设计中的线路是简单的单相线路，所以采用重合闸后加速保护。3.2.4零序电流保护(1) 零序电流I段的整定原则：躲过本线路末端单相或两相接地短路时可能出现的最大零序电流11 = KI x 3/3-17set rel 0.max式中：K可靠系数，可取1.2-1.3；(2) 零序电流II段整定原则：按与相邻线路零序电流I段配合整定。了 Ki 了I =-Ii3-18set.2Kset.10.b式中：Kti为可靠系数，可取1.151.2； K0b分支系数；Iet相邻线路零序电流I段整定值。灵敏度校验：K = 3： O.min3-19sen I I：set .2式中：3I0.min线路末端接地短路时流过保护的最小零序电流；保全线有灵敏系数的零序电流定值对本线路末端金属性接地故障的灵敏系数应满足如下要求：a. 20km以下线路，不小于1.5；b. 2050km的线路，不小于1.4；c .50km以上线路，不小于1.3。动作时限：因相间零序电流II段保护定值与相邻线路零序电流保护I段配合，所以II段动作时限比相邻线路零序电流保护I段的动作时限高出一个At即可，可取0.3s。灵敏度不够时，按与相邻线路II段配合来整定。III = KIIIII3-20set .2 rel set .1式中：In相邻线路零序电流I段整定值。set .1动作时限：因相间零序电流I段保护定值与相邻线路零序电流保护I段配合，所以I段动作时限比相邻线路零序电流保护I段的动作时限高出一个At即可，可取0.6s。（3）零序电流保护m的整定原则：按照躲开在下级线路出口处相间短路时出现的最大不平衡电流I来整定unb.maxIm = Km I3-21set rel unb.max式中：K. N1.1灵敏度校验：K =3 0.min3-22senI iiiset .2式中：I0.min线路末端接地短路时流过保护的最小零序电流；七被保护线路末段故障，保护的灵敏系数。当线路长度为20km以下时，七不小于1.5；当线路长度为2050km时，七不小于1.4；当线路长度为50km以上时，七不小于1.3。动作时限：因相间零序电流m段保护定值与相邻线路零序电流保护II段配合，所以m段动作时限比相邻线路零序电流保护II段的动作时限高出一个即可，可取0.6s。灵敏度不够时，按与相邻线路m段配合来整定。IIII = Krel IIII3-23set.2Kset. 10b式中：Km巳1.1，K为分支系数。rel0 b动作时限：因相间零序电流m段保护定值与相邻线路零序电流保护m段配合，所以m段动作时限比相邻线路零序电流保护m段的动作时限高出一个A!即可，可取0.9s。4线路继电保护仿真4.1保护仿真软件概述Matlab是MathWorks公司推出的一套高性能的数值计算和可视化软件。Matlab 7. 0中包 含有Simulink及功能强大的仿真电力系统（SimPowerSystems）模块库，它的功能非常强大， 含有电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等电工科学中常用的基本元件和系统的仿真 模型，建模只需点击和拖拉即可完成。利用MATLAB进行继电保护原理及装置的计算机仿真是 当今高校及科研机构学习研究新型保护装置的重要手段之一。本文根据以上线路继电保护基本原理思路，利用Matlab中的Simulink模块搭建出简单的 一次供电系统，在这基础上搭建线路继电保护模块，继而设置电力系统故障运行所搭建的模 型，调试程序，达到保护按电流三段式原理和零序电流保护原理动作的目的，成功完成线路 继电保护仿真。4.2仿真设计步骤第一步，利用Simulink中的SimPowerSystems工具箱构建一个简单的单电源供电系统， 并在Matlab环境中调试成功。第二步，根据线路三段式电流保护和自动重合闸保护原理构建线路继电保护模块，并结 合前面搭建的供电系统进行调试。再与整定值进行配合，使保护能有选择性的动作满足实际 要求。第三步，根据所学的电力系统基本知识和线路继电保护知识，对仿真的结果（数据、图 像、波形等）进行分析，检测实际仿真结果是否与理论知识一致，最后达到保护按实际情况 有选择性的快速切除故障。4.3线路单相自动重合闸电流保护仿真图中以单侧电源线路为例，在线路的不同段可分别设置故障发生器，并设置线路重合闸 电流保护。所建仿真模型如图4-1所示。1 Ohm1 Ohm13DVED Hzllsa-dPmag nitde signal0.1 HT hJ?s-Phsse FaultRelay Tkanmpmt*DeleyB -Time r1m保护模块重合闸模块RelsylC&nstantl-D.5n Outl / HOT 1Cendant执行模块 +A lnJbDt-Lan st antiEnmaid SubsiemTTanspcrt Del明En-abled Lioal&ubs-5tenn 口咋回田 保护出口模块Enabled Trsnscsn Su hasten 1 Delay1C：Enstant2Ensi?l&dG-ubsystem2rdultim-ter后加速模块图4-1线路单相自动重合闸电流保护模型该模型各个模块参数设置如下：（只需双击模块即可实现修改参数）1） “交流电压源”模块实际为一个单相电源模块（AC Volatge Source block），通过设定该模块的参数来模拟单电源系统。其参数如下表4-1所示。表4-1交流电压源模块参数表交流电压源模块参数单电源系统Peak amplitude (V)100Phase (deg)0Frequency(Hz)50Sample time0MeasurementsNone2）断路器模块“breaker”参数如表4-2所示。表4-2断路器模块参数表断路器模块参数BreakBreakers resistance Ron(ohms)0.01Initial state1Snubbers resistance Rs(ohms)1e6Snubbers capacitance Cs(F)infExternal control of switching timesMeasurementsBranch volatge and current3）线路模块参数如表4-3所示表4-3线路模块参数表线路模块参数Line 1 300 kmResistance(Ohms)1Inductance(H/km)0.1Capacitance(H/km)infSet the initinal capacitor volatgeCapacitor initinal volatge (V)0Set the initinal inductor currentInductor initinal current0MeasurementsNone4）故障模块参数如表4-4所示。表4-4故障模块参数表故障模块参数Three-phase FaultPhase A FaultEPhase B FaultPhase C FaultFault resistances Ron (ohms)0.001Ground Fault0Ground resistances Rg(ohms)0.001External control of fault timingEInitinal status of fault0 0 1Snubbers resistances Rp (ohms)1e6Snubbers Capacitance Cp (ohms)infMeasurementsFault Voltages and currents5）定时器模块参数如表4-5所示。表4-5定时器模块参数表定时器模块参数TimerTime (s)0 0.3Amplitude0 16）继电器模块参数如表4-6所示。表4-6继电器模块参数表继电器模块参数RelaySwitch on point3Switch off point2Output when on1Output when off0Enable zero crossing detection0Sample time (-1 for inherited)-17）电流测量模块如表4-7所示。表4-7电流测量模块参数表电流测量模块参数Current MeasurementOutput signalMagnitude4.3.1 “单相自动重合闸”电流保护模块子系统（Subsystem） 单相自动重合闸电流保护模型可以分为6个部分：（1）测量模块，由万用表（Multimeter）采集流过图4-1中线路首端断路器模块的电流， 从而得到电流的采样值。（2）保护模块，模块主要由傅立叶变换模块（Fourier）、继电器（Realy）、延迟模块 （Transport Delay,本例中设入延时值为0.05s）,其主要功能是将经傅立叶变换后的零序电流幅 值与定值相比较，一旦大于定值，才经延时输出为“0”。（3）保护出口模块，该模块的主要功能是将保护模块的动作行为保持，主要由非门 （NOT）、加法器（SUM）和常数（constant）、使能子系统模块（Enable Subsystem）构成。由于使能 子系统模块的特点是：使能端输入正数或零时，子系统开启；使能端输入负数时，子系统关 闭，模块输出端为初始值或保持前一状态。而保护模块中延迟模块的输出为“1 ”或“ 0”， 因此不能接在使能端上，否则会一直使保护出口模块始终处于使能状态，输出为“1”。由图 4-1可见，如保护模块中延迟模块的输出为“0”，则经非门再与常数-0.5相加后，可是保护出 口模块使能端输出为“1”。保护出口模块输出为“0”。（4）重合闸模块，主要功能是在第一次判断线路发生故障跳闸后，经过一段时间实现 断路器重合。主要由非门，一个常数发生器（发出-0.5），加法器、使能子系统、延迟模块（Transport Delay本例中设入延时值为0.3s）组成。如保护模块输出为0，则经整定延时后， 重合闸使能出口模块输出为“1”。（5）后加速模块，主要功能是判断断路器重合后故障是否存在。如故障依然存在，则发 出跳闸命令并不再重合；如故障解除，则保持合闸状态。主要由非门（NOT）、加法器（SUM） 和常数（constant）、使能子系统模块（Enable Subsystem模块构成。后加速模块的逻辑功能基 本等同于保护模块和保护出口模块的功能合成，不同的是后加速模块是在重合闸后启动的， 另外，该模块要实现加速跳闸的功能，因此在本例中设定延时值为0.01s。（6）执行模块，将（2）、（3）、（4）部分的波形相加，最终形成正确的断路器控制波形。 注意在一个采样点，还有子系统命名问题，不能重复。4.3.2系统中的小模块介绍1）基波傅立叶变换傅立叶模块的作用是输出各相电流的基波和幅值，从而输入S-FUNCTION模块中使运 算中通过公式A+ jB = I*cosj + jI*sinj，把电流变换成复数形式进行运算。如图4-3所示。CDOutlK)Out2DiscreteFc-u rier图4-2基波傅立叶变换2）继电器模块图4-3继电器模块参数设置图它的功能就跟实际的继电器一样，当输入值大于预先设置的定值时，输出为“1”，即动 作；当输入值小于预先设置的定值时，继电器返回，输出为“0”。其参数设置如图4-3所示。3）延迟模块它的功能就是将输入信号延迟一个时间，这个时间可以根据时间情况来设置。其参数设置如图4-4所示。图4-4延迟模块参数设置图它的功能就是对输入的信号值取反，输入是“1”，输出则为“0”；输入是“0”，输出 则为“1”。4.3.3设置故障与仿真结果因为本仿真是对线路发生接地故障时，断路器跳闸继而再重合闸，所以就在线路的中点 设置了一个接地故障，具体又分为永久性和瞬时性接地故障：1）永久性接地故障本设计设置的是线路在0.3s发生永久性接地故障，在设置完仿真参数后，执行仿真， 仿真结果是：线路在0.3s之前是正常运行的有一个线路电流，在0.3s发生永久性接地故障， 电路电流突然变大，在经过保护的0.05s延时后跳闸，经过0.1s延时后，重合闸动作，断路 器重合，又经过0.08s延时后，重合闸后加速，之后重合不成功，断路器跳开，不在重合。 仿真波形如下图4-5所示：图4-5永久性接地故障仿真波形图2）瞬时性接地故障本设计设置的是线路在0.3s发生瞬时性接地故障，在设置完仿真参数后，执行仿真， 仿真结果是：线路在0.3s之前是正常运行的有一个线路电流，在0.3s发生永久性接地故障， 电路电流突然变大，在经过保护的0.05s延时后跳闸，经过0.1s延时后，重合闸动作，断路 器重合，又经过0.01s延时后，重合闸后加速，之后重合成功。仿真波形如下图4-6所示：图4-6瞬时性接地故障仿真波形图图4-7重合闸后加速模块各信号波形图4.4线路三段式电流保护仿真本设计是根据继电保护中线路三段式电流保护的原理，模拟单侧电源系统中，线路发生 故障是保护的动作情况，并对其进行数字、波形仿真。这里当然涉及到了三段式电流的整定 计算与各段保护之间的配合，如前3.2所述。模型搭建起来之后，我们可以在线路的不同段 可分别设置故障，仿真线路保护中电流速断保护（I段）、限时电流速断保护（II段）和定时 限过电流保护（m段）的动作情况。所建仿真模型如图4-8所示。1 Dhrn1l|in nor电流I段Ens bled LuisalSu&syatmnr； Op-5 ra tarRclayl Transpo-rtDelsyl电流II段Engb-lcd Logicalr=iayfvl Lilti metei-B-M ulti meisl电流III段EnabledOpiatDi2Sut335tem2 Op-EJatEiS图4-8线路三段式电流保护模型4.4.1该模型各个模块参数设置如下：（只需双击模块即可实现修改参数）1） “交流电压源”模块实际为一个单相电源模块（AC Volatge Source block），通过设定 该模块的参数来模拟单电源系统。其参数如下表4-8所示。表4-8交流电压源模块参数表交流电压源模块参数单电源系统Peak amplitude (V)10e3Phase (deg)0Frequency(Hz)50Sample time0Measurements