MATLAB的距离保护仿真--

利用MATLAB进行的距离保护仿真20099003蔡松林20099007李文强20099008李云祥20099010孟大维20099012王春林Page2距离保护Ⅰ段（方向阻抗继电器）后备保护三段式三段式距离保护的配置距保护Ⅱ段（方向阻抗继电器）距离保护III段（采用偏移特性阻抗继电器）主保护Page3距离保护的时限特性距离保护的动作时间t与保护安装处到故障点的距离l之间的关系称为距离保护的时限特性。=tI2＋Δt=tIII2＋ΔtAB321ZZZCtI3tII3tIII3tI2tII2tI1tIII2保护3的Ⅰ段保护3的Ⅱ段保护3的Ⅲ段ltPage4距离保护原理距离保护是指利用阻抗元件来反应短路故障的保护装置。是反应故障点至保护安装处之间的距离，并根据该距离的大小确定动作时限的一种继电保护装置。据该距离的大小确定动作时限的一种继电保护装置。短路点越靠近保护安装处，其测量阻抗就越小，则保护的时限就越短，反之，短路点越远，其测量阻抗就越大，则保护动作时限就越长。根据测量阻抗的构成方式不同可以分：（1）相间距离保护（2）接地距离保护Page5相间距离保护采用的测量电压是相间电压，测量电流也为相间电流，能够反应相间短路、两相接地短路和三相短路故障，但不能反应单相接地故障。其测量阻抗为：ACACCBCBBABAIIUUZIIUUZIIUUZ3m2m1mPage6接地距离保护采用测量电压为保护安装处的相电压，测量电流为带有零序电流补偿的相电流，能够反应单相接地故障、两相接地故障、三相接地故障，但不能反应相间短路故障。其测量阻抗为：式中：是补偿系数，K1103ZZZK03m02m01m333IKIUZIKIUZIKIUZCCBBAAPage7保护动作判据采用全阻抗圆特性，其动作方程为：相间距离保护和接地距离保护的整定值相同。将相间距离保护和接地距离保护组合在一起构成总的距离保护模块，能够反应保护范围内各种类型的短路故障。设定不同的整定值会得到不同的保护范围，因此可以将三个整定值不同的距离保护模块构成三段式距离保护，实现本线路的主保护和下级线路的后备保护。setmZZPage8仿真模型的建立考虑具有两级线路的单端电源110kV单回线输电线路系统，如图1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。图1单端电源电力系统元件参数：电压源的线电压10.5kV，内阻Zg=0.001+j0.0157Ω；变压器容量31.5MVA，Yn-d11接线，折算到高压侧的阻抗ZT=1.86+j18.6Ω；两级线路长度均为100km，线路的正序阻抗z1=(0.05+j0.3)Ω/km，零序阻抗z0=(0.04+j1.2)Ω/km；负荷容量SLD=1.2+j0.9MVAPage9在Matlab/Simulink中建立仿真模型，如图2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（t=0.03s）。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0~0.2s，采用变步长、ode23t算法进行仿真。所有模块的频率均为50Hz。Page10图2距离保护仿真模型Page11开始程序初始化设定采样时间及输入输出变量个数距离保护判定计算测量阻抗输出动态更新函数初始化函数输出函数循环执行直到仿真结束保护程序流程图Page12距离保护模块构建三段式距离保护子系统的内部构成如图3所示，分别由距离Ⅰ段，距离Ⅱ段，距离Ⅲ段构成，距离Ⅱ段输出信号延时0.05s，距离Ⅲ段输出信号延时0.1s，再将各段的动作信号经过点乘模块之后得到最终的断路器动作信号。图3三段式距离保护模块内部结构或门或门一段三段二段Page13各段距离保护模块的内部结构一致，只是整定值不同而已，以距离Ⅰ段为例，其内部结构如图4所示，是由相间距离保护模块和接地距离保护模块构成，输入的电压电流测量值经过两个保护模块后得到各自的动作信号再经过点乘模块得到最终的距离保护Ⅰ段的动作信号。相间保护接地保护电流测量值电压测量值或门Page14接地距离保护和相间距离保护只是所选取的测量电压和测量电流不同，其基本结构类似，结构框图如图5所示。测量电压测量电流基波傅里叶变换保护程序S函数躲开暂态时间继电器动作保持动作出口图5保护结构框图Page15图6接地距离保护模块内部结构如图6所示，用三相电流相加得到零序电流，再将三相电压和三相电流以及所得到的零序电流分别经过基波傅里叶变换模块后输入到S函数中，经过接地保护程序的处理后输出动作信号，再将信号躲过暂态时间以及经过继电器保持后输出。Page16基波傅里叶变换模块的作用是滤除故障时测量电气量中的谐波分量，只保留基波分量。再送入S函数模块，S函数模块会调用相应的保护程序，在保护程序中将测量电气量的基波分量进行运算得到测量阻抗，将测量阻抗与整定值比较，当满足动作方程时，程序就输出信号0，跳闸；当不满足动作方程时就输出信号1，不动作。S函数中的程序在仿真运行过程中是不断循环执行的，因此具有实时性，保护输出信号能随着输入电气量的改变而实时的改变。保护程序的输出信号输入到躲开暂态时间模块，因为当刚开始发生故障，有很大的暂态分量，暂态分量大约持续0.03s，而保护的整定都是按照故障后稳态分量计算的，暂态分量会使保护误动，因此设计一个模块使得保护模块能够躲开故障发生后的0.03s这段时间，只有当躲过这段时间后才开放保护，该模块的设计方法是将保护动作信号延时0.03s后再与原动作信号相或实现的。最后动作信号还要经过继电器动作保持模块，因为当保护发出动作信号使得断路器跳闸断开电路后，保护程序会根据所测的电气量的变化又发出合闸信号，使得断路器又重新合上，为了防止断路器因故障断开后又突然合上，就采用动作保持模块，该模块的设计是用一个继电器及其辅助电路实现的。Page17距离保护算法以及S函数程序编写整定计算1.距离Ⅰ段：按躲过本线路末端短路时的测量阻抗整定5.2525.485.01relsetjZLZKZABABII4.444.7)85.0(8.0)(relrelsetjZZZKZKZBCABBCAB2.距离Ⅱ段：与下级线路的距离Ⅰ段配合其中0.85~0.8KIrel其中0.8KIIrelPage18则2576347525.15.12.1min.ressrelmin.setjZKKKZZLL3.距离Ⅲ段：按躲过正常运行时的最小负荷阻抗整定最小负荷阻抗为：4.5796j5.78182min.LDLDACLSVZZPage19仿真结果调节故障点的位置仿真得到距离保护各段的保护范围为：Ⅰ段能保护80km内的各种故障，Ⅱ段能保护150km，Ⅲ段能保护本级以及下级线路全长。各段中的相间距离保护对于范围内的单相接地故障不会误动，而接地距离保护对于范围内的相间短路也不会误动作。以130km处发生两相相间短路为例，此时故障发生在Ⅰ段范围外，距离Ⅰ段应该不动作，而距离Ⅱ段和距离Ⅲ段分别延时0.05s和0.1s动作，并且这两段距离保护模块内所包含的相间距离动作而接地距离不会动作。仿真结果如图8所示。Page20图8130km处相间短路时距离各段动作图Page21图9距离Ⅱ段内的相间和接地保护动作图Page22距离Ⅱ段保护模块内部的相间距离和接地距离模块的动作如图9，是在延时模块前的动作信号，可以看出在相间短路时由相间距离保护动作而接地距离保护不会动作。