基于Matlab的变压器差动保护闭环仿真研究

河南工业大学控制系统仿真姓 名： 班 级： 学 号： 成 绩： 2017年6月 25 日设计题目基于Matlab的变压器差动保护闭环仿真研究设计内容和要求应用Matlab建立微机保护仿真系统，并对不同原理的变压器差动保护进行仿真和比较。仿真系统采用积木式结构，根据微机保护的实现原理构建模块，实现保护的闭环仿真，对保护的动作过程进行分析。报告主要章节利用Matlab提供的模块及编程环境，可构建危机保护数字采集系统模型，实现处理数据的算法和保护算法，从而构建危机保护模块。本仿真系统的总体设计框图如图1所示，电力系统的一次系统根据保护的应用环境利用Simulink电力系统工具箱直接搭建，微机保护模块根据保护的实现原理搭建。保护模块的输入信号是来自一次系统的电压互感器（TV）、电流互感器（TA），保护的动作信号使断路器QF动作跳闸，实现保护的闭环仿真。 对微机保护原理的仿真主要实现数据的采集、数据处理基本算法、保护元件模块算法及逻辑出口，下面介绍其实现原理。1.1数据采集系统模块 在Simulink环境下搭建的电气一次系统的电气量已是数字信号，因而数据采集系统构成只需经电压变换、模拟低通滤波器（ALF）、采样/保持（S/H）环节，如图2所示。ALF可直接引用Simulink的模块。图2中的采样/保持模块利用Simulink的子系统进行封装，主要用到触发子系统。设采样频率fs为600Hz，仿真效果如图3、4所示。图3是信号S/H前的波形，是频率为50Hz的正弦波。图4是信号S/H后的波形，每周期采样12点。1.2数据处理基本算法模块 数据处理基本算法主要是通用的算法，如差分滤波算法、傅氏算法、比相算法等，它们主要用于数据处理。这里以实现差分滤波、傅氏算法为例说明。差分滤波和傅氏算法模块如图5所示。其中差分滤波和傅氏分解模块用Simulink的子系统技术，傅氏分解、计算电量有效值相位模块采用Simulink的S-函数的M模块文件（sfuntmpi.m）编程实现。 傅氏算法对衰减的非周期分量敏感，傅氏算法前串上一个一阶差分滤波单元以抑制分周期分量，减小计算误差，其数学模型为y(k)=x(k)-x(k-1),经一阶差分滤波后输入的基波或谐波分量的幅值和相位可能发生变化，应注意补偿。傅氏分解模块分解出的算法中的基波或各次谐波的正弦系数和余弦系数 （第n次谐波），进而在有效值和相位计数模块，按式（2）（3）算出相应电量基波和各次谐波的有效值在利用傅氏算法计算出三相电流或电压分量的正弦和余弦分量系数以后，可 以方便的得到正序、负序和零序分量。基于傅氏算法的虑序算法同样可采用M末班编程实现。1.3保护元件算法及逻辑模块 保护元件算法则是各种保护原理的具体实现，主要完成各保护元件的动作判断。以二次谐波制动比率差动保护为例说明，逻辑框图如图6（a）所示，图中的二次谐波制动元件、比率差动元件按动作方程实现，应用Simulink的工具箱或通过M模块编程，根据保护原理框图搭建就可以实现相应的保护。然后利用Simulink的子系统技术封装成保护模块，如图6（b）所示。 利用二次谐波、波形对称原理识别励磁涌流二构成的变压器常规比率、复合比率、故障分量比率的差动保护均可用类似的方法分别实现保护模块。二、变压器差动保护原理的分析比较保护元件模块是根据其工作原理构建的，这里对常规比率、复合比率、故障分量这3种比率差动保护的工作原理及利用二次谐波、波形对称原理识别励磁涌流的方法进行理论分析，以构建保护元件模块和进行仿真比较。2.1常规和复合比率差动元件 微机变压器差动保护的差动元件均采用分相差动，其动作具有比率制动特性。要实现比率制动特性，差动电流总是被选作保护的动作电流，关键是寻找适当的制动电流。比率差动元件动作方程为：式中为差动保护的差动电流；为制动电流；K为动作特性的斜率；为拐点制动电流值；为最小动作电流。2.1常规和复合比率差动元件 微机变压器差动保护的差动元件均采用分相差动，其动作具有比率制动特性。要实现比率制动特性，差动电流总是被选作保护的动作电流，关键是寻找适当的制动电流。比率差动元件动作方程为：式中为差动保护的差动电流；为制动电流；K为动作特性的斜率；为拐点制动电流值；为最小动作电流。 以双绕组变压器为例，设分别代表高、低压侧电流，且已经过软件相位变换和电流补偿，电流方向：流入变压器为正，流出为负。 在常规比率差动元件中， 。由于电流互感器传变误差、电流补偿数误差、变压器带负荷调节分接头等原因，区内故障时即区内故障时仍带制动量，其灵敏度不会很高，对变压器的内部轻唯故障(如单相高阻接地或小匝数匝间短路)可能检测不出。在复合比率差动元件中，Id的算法和常规比率差动元件一样，但Ir的算法不同，称为复式制动电流，其定义如下：式中。 在内部故障时Id和相差很小，因此制动电流Ir.就很小，而且Id和之差又把两者中的电流补偿的误差因素消除了，从而有可能做到区内故障时无制动量。因此，复式制动电流能有效地提高内部故障保护动作的灵敏度。在外部故障时，虽然随短路电流增大而变大，Id是不平衡电流，比小得多，所以Id，因此制动电流Ir就很大，外部故障时可靠闭锁保护。2.2故障分量比率差动元件 故障分量电流是从故障后电流中减去负荷分量而得到的，可以山它来构成比率差动保护。习惯上常用“”表示故障分量。 与式(1)相似，故障分量比率差动元件的动作方程如下：当下标L表示正常负荷分量，则式（6）中 比较式（6）（7）可见，常规和故障分量比率差动保护的工作原理的动作量相同，主要不同之处表现在制动量上。对内部轻微故障，故障电流可能比负 荷电流小。对常规比率差动元件中的制动量为式（6）中的Ir。 仿真分析为比较不同原理的变压器差动保护，构建了以下5个保护模块进行仿真和比较:常规二次谐波制动比率差动保护(模块A)、二次谐波制动复式比率差动保护(模块B)、波形对称识别原理的复式比率差动保护(模块C)、二次谐波制动故障分量比率差动保护(模块D)、波形对称识别原理的故障分量比率差动保护(模块E)。 构建好保护模块后，就可按图1的设计思想实现保护的闭环仿真。在相应模块中设置各保护元件的整定值，差动保护主要的整定值有:电流平衡调整系数、最小动作电流、拐点制动电流、比率制动系数、二次谐波制动系数、波形对称识别原理的固定常数和比例系数等。 利用Simulink的电力系统模块集可以方便地设置各种故障，仿真的故障类型有:单相接地短路、两相短路、两相接地短路、三相短路、三相接地短路。根据需要可以设置高阻接地、有短路故障同时变压器出现励磁涌流，可任意设置变压器汕箱外部故障的发生地点、发生时间、保护拒动等。利用Simulink的Display和Scope模块记录显示仿真结果。 三、结语 在分析继电保护性能时，会涉及保护算法、数据窗长度、滤波处理、保护元件动作特性等。仿真表明，基于Matlab开发的微机保护闭环仿真系统，可对不同原理保护进行精确的定量分析和仿真试验，以研究故障时保护内部各元件动态行为，这对于在系统的特殊工况下分析、评估继电保护动作行为非常必要。四 、参考文献 1贺家李，郭征.继电保护可靠性与动态性能仿真J。电网技术，2004，28(9)：18-22。 2刘为雄，蔡泽祥，邹俊雄.模块化的电力系统继电保护图形数据一体化设计J。电力自动化设备，2003，23(11)：51-53。 以双绕组变压器为例，设分别代表高、低压侧电流，且已经过软件相位变换和电流补偿，电流方向：流入变压器为正，流出为负。 在常规比率差动元件中， 。由于电流互感器传变误差、电流补偿数误差、变压器带负荷调节分接头等原因，区内故障时即区内故障时仍带制动量，其灵敏度不会很高，对变压器的内部轻唯故障(如单相高阻接地或小匝数匝间短路)可能检测不出。在复合比率差动元件中，Id的算法和常规比率差动元件一样，但Ir的算法不同，称为复式制动电流，其定义如下：式中。在内部故障时Id和相差很小，因此制动电流Ir.就很小，而且Id和之差又把两者中的电流补偿的误差因素消除了，从而有可能做到区内故障时无制动量。因此，复式制动电流能有效地提高内部故障保护动作的灵敏度。在外部故障时，虽然随短路电流增大而变大，Id是不平衡电流，比小得多，所以Id，因此制动电流Ir就很大，外部故障时可靠闭锁保护。2.2故障分量比率差动元件 故障分量电流是从故障后电流中减去负荷分量而得到的，可以山它来构成比率差动保护。习惯上常用“”表示故障分量。 与式(1)相似，故障分量比率差动元件的动作方程如下：当下标L表示正常负荷分量，则式（6）中 比较式（6）（7）可见，常规和故障分量比率差动保护的工作原理的动作量相同，主要不同之处表现在制动量上。对内部轻微故障，故障电流可能比负 荷电流小。对常规比率差动元件中的制动量为式（6）中的Ir。仿真分析为比较不同原理的变压器差动保护，构建了以下5个保护模块进行仿真和比较:常规二次谐波制动比率差动保护(模块A)、二次谐波制动复式比率差动保护(模块B)、波形对称识别原理的复式比率差动保护(模块C)、二次谐波制动故障分量比率差动保护(模块D)、波形对称识别原理的故障分量比率差动保护(模块E)。 构建好保护模块后，就可按图1的设计思想实现保护的闭环仿真。在相应模块中设置各保护元件的整定值，差动保护主要的整定值有:电流平衡调整系数、最小动作电流、拐点制动电流、比率制动系数、二次谐波制动系数、波形对称识别原理的固定常数和比例系数等。利用Simulink的电力系统模块集可以方便地设置各种故障，仿真的故障类型有:单相接地短路、两相短路、两相接地短路、三相短路、三相接地短路。根据需要可以设置高阻接地、有短路故障同时变压器出现励磁涌流，可任意设置变压器汕箱外部故障的发生地点、发生时间、保护拒动等。利用Simulink的Display和Scope模块记录显示仿真结果。 三、结语 在分析继电保护性能时，会涉及保护算法、数据窗长度、滤波处理、保护元件动作特性等。仿真表明，基于Matlab开发的微机保护闭环仿真系统，可对不同原理保护进行精确的定量分析和仿真试验，以研究故障时保护内部各元件动态行为，这对于在系统的特殊工况下分析、评估继电保护动作行为非常必要。四参考文献1贺家李，郭征.继电保护可靠性与动态性能仿真J。电网技术，2004，28(9)：18-22。2刘为雄，蔡泽祥，邹俊雄.模块化的电力系统继电保护图形数据一体化设计J。电力自动化设备，2003，23(11)：51-53。 3赵志华。图形化编程与继电保护装置开发J.电力自动化设备，2004，24(2)：70-72。 4吴大明，谢小竹，彭彬。Matlab电力系统设计与分析M ，北京：国防工业出版社，2004。