第7章-MATLAB在微机继电保护中的应用实例

第7章MATLAB在微机继电保护中的应用实例7.1简单数字滤波器的MATLAB辅助设计和分析方法7.2微机继电保护算法的MATLAB辅助设计和分析方法7.3输电线路距离保护的建模与仿真7.4Simulink在变压器微机继电保护中的应用举例7.5输电线路故障行波仿真举例7.1简单数字滤波器的MATLAB辅助设计和分析方法7.1.1减法滤波器(差分滤波器)简介7.1.2减法滤波器设计分析举例7.1.1减法滤波器(差分滤波器)简介图7-1减法滤波器幅频特性图7-2滤波器的幅频特性图7-3滤波效果的仿真波形7.2微机继电保护算法的MATLAB辅助设计和分析方法7.2.1基于正弦函数模型的微机继电保护算法7.2.2全波傅里叶算法7.2.1基于正弦函数模型的微机继电保护算法1.两点乘积算法简介2.两点乘积法计算举例1.两点乘积算法简介图7-4两点乘积算法采样示意图图7-5例7-􀰊2电路图图7-6利用两点乘积法计算得到的输入信号有效值、相位差及电路的电阻、电抗7.2.2全波傅里叶算法1.全波傅里叶算法简介2.全波傅里叶算法的频率特性分析3.利用全波傅里叶算法计算信号幅值的算例1.全波傅里叶算法简介图7-7在不同初相角情况下全波傅里叶算法的幅频特性图7-8利用全波傅里叶算法计算输入信号的幅值图形7.3输电线路距离保护的建模与仿真7.3.1方向阻抗继电器的数学模型7.3.2方向阻抗继电器的仿真模型7.3.3仿真结果7.3.1方向阻抗继电器的数学模型1)用幅值比较方式分析图7-9a，继电器能够起动(即测量阻抗ZJ位于圆内)的条件是2)用相位比较方式分析图7-9b，当ZJ位于圆周上时，阻抗ZJ与(ZJ-Zset)之间的相位差为θ=90°；当ZJ位于圆内时，θ＞90°；当ZJ位于圆外时，θ＜90°。1)继电器的测量阻抗正比于短路点到保护安装地点之间的距离。2)继电器的测量阻抗应与故障类型无关，也就是保护范围不随故障类型而变化。图7-9方向阻抗继电器的特性a)幅值比较方式分析b)相位比较方式分析表7-1阻抗继电器采用不同接线方式时，接入的电压和电流关系7.3.2方向阻抗继电器的仿真模型1.电力系统Simulink仿真模型2.“0°接线”的方向阻抗继电器模块构造3.“相电压和具有K30补偿的相电流接线”的方向阻抗继电器模块构造图7-10方向阻抗继电器仿真所用的电力系统接线图7-11电力系统Simulink仿真模型图7-12电源EM的参数设置图7-13输电线路的参数设置图7-14三相电压电流测量模块UM的参数设置图7-15采用“0°接线”的方向阻抗继电器模块图7-16子系统“U_convert”的组成图7-17设置整定阻抗界面图7-18“0°接线”用相位比较方式构成方向阻抗继电器的模块图7-19采用“相电压和具有K3图7-20继电器模块的内部结构表7-2采用“0°接线”时的仿真计算结果表故障类型过渡电阻正方向出口故障近保护范围末端故障保护范围外部故障A相B相C相A相B相C相A相B相C相三相短路0-177．8-177．8-177．8-178．2-178．2-178．2-2-2-210-95．17-95．17-95．17-23．6-23．6-23．6-0．1-0．1-0．120-86．9-86．9-86．9-3．8-3．8-3．811．811．811．8AB相短路0-177．886．3-60．9-178．267．711．3-264．115．210-95．17121．1-28．8-23．663．116．1053．521．720-86．9129．3-12．35-3．853．921．211．844．926．9表7-2采用“0°接线”时的仿真计算结果表A相接地0121．338．8-104．860．738．822．557．833．82010175．638．8-64．251．238．819．942．233．82020-165．738．8-40．642．738．821．436．133．824．6表7-3采用“相电压和具有K3故障类型过渡电阻正方向出口故障近保护范围末端故障保护范围外部故障A相B相C相A相B相C相A相B相C相三相短路0-177．9-177．9-177．9-178．9-178．9-178．9-1．0-1．0-1．010-97．8-97．8-97．8-28．9-28．9-28．9-8．9-8．9-8．920-88．7-88．7-88．7-10．0-10．0-10．03．13．13．1表7-3采用“相电压和具有K3故障类型过渡电阻正方向出口故障近保护范围末端故障保护范围外部故障A相B相C相A相B相C相A相B相C相AB相短路0-91．277．735．0-19．3100．235．0-8．689．635．910-66．516235．1-9．285．835．00．343．63520-50．7-158．135．10．337．535．09．222．835．1A相接地0-174．6-35．050．1-148．324．546．2-8．4730．142．310-98．1-7．267．6-37．027．347．2-1232．741．820-92．17．274．4-18．73046．7-0．734．540．37.4Simulink在变压器微机继电保护中的应用举例7.4.1变压器仿真模型构建7.4.2变压器空载合闸时励磁涌流的仿真7.4.3变压器保护区内、外故障时比率制动的仿真7.4.4变压器绕组内部故障的简单仿真图7-21具有双侧电源的双绕组变压器电力系统图7-22IaIbIcContinuouspowerguiABCabcUNABCabcUMABCabcTScope1ABCabcQF2ABCabcQF1ABCLoad5MW1Mvar1ABCLoad5MW1MvarIabc_MFromABCABCFault2ABCABCFault1ABCENABCEM图7-23电源EM的参数设置图7-24变压器T的参数设置图7-25UM模块的参数设置7.4.2变压器空载合闸时励磁涌流的仿真1)包含很大成分的非周期分量，往往使涌流偏于时间轴的一侧。2)包含大量的高次谐波。3)波形之间出现间断。图7-26示波器模块图7-27示波器模块的参数设置图7-28空载合闸后的三相励磁涌流的波形图7-29利用Powergui模块中的FFTAnalysis对励磁涌流波形进行谐波分析界面图7-30空载合闸时的励磁涌流与短路电流的比较图表7-4不同合闸初相角下空载合闸时励磁涌流谐波分析表合闸初相角α0°30°60°90°励磁涌流（%）A相B相C相A相B相C相A相B相C相A相B相C相直流（DC）58．612010755．311．954．352．752．062．37．354．455．3基波（Fund）100100100100100100100100100100100100表7-4不同合闸初相角下空载合闸时励磁涌流谐波分析表二次谐波（h2）59．31130．675．857．376．284．583．343．755．975．775．6三次谐波（h3）22．25．7347．834．748．663．963．86．728．847．847．4四次谐波（h4）5．21．04．724．152．52441．943．228．653．723．323．5表7-4不同合闸初相角下空载合闸时励磁涌流谐波分析表五次谐波（h5）32．91．88．034．67．022．924．324．231．76．77．5THD63．712．83193．291．893．811611657．988．592．892．6合闸初相角α120°150°180°210°励磁涌流(%)A相B相C相A相B相C相A相B相C相A相B相C相直流（DC）52．062．552．754．555．410．162．452．851．955．518．554．4表7-4不同合闸初相角下空载合闸时励磁涌流谐波分析表基波（Fund）100100100100100100100100100100100100二次谐波（h2）83．143．384．375．575．258．243．283．983．074．764．175．6三次谐波（h3）63．46．963．447．446．733．27．262．863．446．043．947．4四次谐波（h4）42．528．241．122．722．955．128．040．442．722．757．922．7表7-4不同合闸初相角下空载合闸时励磁涌流谐波分析表五次谐波（h5）23．523．322．26．37．233．523．021．33．87．340．56．0THD115．257．2115．392．291．792．956．9114．4115．390．9105．592．3图7-31变压器采用“D11”接线方式时的空载合闸励磁涌流7.4.3变压器保护区内、外故障时比率制动的仿真图7-32变压器保护区内、外故障仿真时增加的运算及示波器模块图7-33变压器保护区内故障时的电流波形图00.10.20.30.40.50.60.70.8-500005000Iam(A)00.10.20.30.40.50.60.70.8-500005000Ian(A)00.10.20.30.40.50.60.70.8-500005000Id(A)00.10.20.30.40.50.60.70.8-500005000Ires(A)t/s图7-34变压器保护区外故障时的电流波形图00.10.20.30.40.50.60.70.8-500005000Iam(A)00.10.20.30.40.50.60.70.8-500005000Ian(A)00.10.20.30.40.50.60.70.8-500005000Id(A)00.10.20.30.40.50.60.70.8-500005000Ires(A)t/s图7-35Ia_mIb_mIc_mIa_nIb_nIc_nIdIresContinuouspowerguiABCabcUNABCabcUM123Transformer_C123Transformer_B123Transformer_ATerminator3Terminator2Terminator1TerminatorScope1ABCabcQF2ABCabcQF1ABCLoad5MW1Mvar1ABCLoad5MW1Mvar0.5GainIabc_NFrom1Iabc_MFromABCABCFault2ABCABCFault1ABCENABCEM图7-36变压器绕组50%处发生两相短路故障时的电流波形00.10.20.30.40.50.60.70.8-500005000IaM(A)00.10.20.30.40.50.60.70.8-500005000IaN(A)00.10.20.30.40.50.60.70.8-500005000Id(A)00.10.20.30.40.50.60.70.8-500005000Ires(A)t/s7.5输电线路故障行波仿真举例7.5.1行波的基本概念7.5.2输电线路故障行波仿真模型的构建7.5.3输电线路故障行波的提取7.5.4仿真结果图7-37利用叠加原理分析故障产生的行波图7-38xingbo.matToFileABCABCThree-PhaseFaultVabcIabcABCabcThree-PhaseV-IMeasurementScopeVScopeILine4Line3ABCE3ABCE2ABCE1Line2Line1图7-39电源E1的参数设置图7-40输电线路line1的参数设置图7-41“ToFile”模块的参数设置7.5.3输电线路故障行波的提取1)提取三相电压和三相电流的暂态量，用故障后一段时段内的三相电压值、电流值减去故障前相应的一时段内的三相电压值、电流值，就得到了三相电压、电流的暂态量。2)利用式(7-32)、式(7-33)将三相电压、电流的暂态量进行Clarke变换变换，得到电压、电流的α,β,0模分量值。3)利用式(7-34)、式(7-35)计算正方向