微機繼電保護(hù)實驗報告

1、 本科實驗報告課程名稱：微機繼電保護(hù)實驗項目：電力系統(tǒng)繼電保護(hù)仿真實驗實驗地點：電力系統(tǒng)仿真實驗室專業(yè)班級：電氣1200學(xué)號：0000000000學(xué)生：000000指導(dǎo)教師：0000002015年 12 月 2 日一、實驗背景微機繼電保護(hù)指的是以數(shù)字式計算機(包括微型機)為基礎(chǔ)而構(gòu)成的繼電保護(hù)。眾所周知，傳統(tǒng)的繼電器是由硬件實現(xiàn)的，直接將模擬信號引入保護(hù)裝置，實現(xiàn)幅值、相位、比率的判斷，從而實現(xiàn)保護(hù)功能。而微機保護(hù)則是由硬件和軟件共同實現(xiàn)，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)過某種運算求出電流、電壓的幅值、相位、比值等，并與整定值進(jìn)行比較，以決定是否發(fā)出跳閘命令。繼電保護(hù)的種類很多，按保護(hù)對象分有元件

2、保護(hù)、線路保護(hù)等；按保護(hù)原理分有差動保護(hù)、距離保護(hù)和電壓、電流保護(hù)等。然而，不管哪一類保護(hù)的算法，其核心問題歸根結(jié)底不外乎是算出可表征被保護(hù)對象運行特點的物理量，如電壓、電流等的有效值和相位以及視在阻抗等，或者算出它們的序分量、或基波分量、或某次諧波分量的大小和相位等。有了這些基本電氣量的計算值，就可以很容易地構(gòu)成各種不同原理的保護(hù)?；旧峡梢哉f，只要找出任何能夠區(qū)分正常與短路的特征量，微機保護(hù)就可以予以實現(xiàn)。由此，微機保護(hù)算法就成為了電力系統(tǒng)微機保護(hù)研究的重點,微機保護(hù)不同功能的實現(xiàn),主要依靠其軟件算法來完成。微機保護(hù)的其中一個基本問題便是尋找適當(dāng)?shù)乃惴?對采集的電氣量進(jìn)行運算，得到跳閘信號

3、，實現(xiàn)微機保護(hù)的功能。微機保護(hù)算法眾多，但各種算法間存在著差異，對微機保護(hù)算法的綜合性能進(jìn)行分析,確定特定場合下如何合理的進(jìn)行選擇,并在此基礎(chǔ)上對其進(jìn)行補償與改進(jìn),對進(jìn)一步提高微機保護(hù)的選擇性、速動性、靈敏性和可靠性,滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的要求具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義。目前已提出的算法有很多種，本次實驗將著重討論基本電氣量的算法，主要介紹突變量電流算法、半周期積分算法、傅里葉級數(shù)算法。二、實驗?zāi)康?.了解目前電力系統(tǒng)微機保護(hù)的研究現(xiàn)狀、發(fā)展前景以及一些電力系統(tǒng)微機保護(hù)裝置。2.具體分析幾種典型的微機保護(hù)算法的基本原理。3.針對線路保護(hù)的保護(hù)原理和保護(hù)配置，選擇典型的電力系統(tǒng)模型，在MATLAB軟件搭建

4、仿真模型，對微機保護(hù)算法進(jìn)行程序編寫。4.對仿真結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析。三、實驗容1、采用MATLAB軟件搭建電力系統(tǒng)仿真模型2、采用MATLAB軟件編寫突變量電流算法3、采用MATLAB軟件編寫半周積分算法4、采用MATLAB軟件編寫傅里葉級數(shù)算法算法四、實驗步驟1.突變量電流算法、半周積分算法、傅里葉級數(shù)算法簡介1.1突變量電流算法繼電保護(hù)裝置的啟動元件用于反應(yīng)電力系統(tǒng)中的擾動或故障。微機保護(hù)裝置中的啟動元件是由軟件來實現(xiàn)的。它的工作原理目前一般采用反映兩相電流差的突變量，其公式為（1）其中（2）公式中N一個工頻周期的采樣點數(shù)、當(dāng)前時刻的采樣值、一周前對應(yīng)時刻的采樣值、兩周前對應(yīng)時刻的采樣值以為

5、例，正常運行時、的值近似相等，所以，啟動元件不動作，如圖1所示。圖1 系統(tǒng)正常運行時采樣值比較電力系統(tǒng)正常運行但頻率發(fā)生變化偏離50Hz時，則、的值將不相等，。這是因為采樣時按時間間隔進(jìn)行的，頻率變化時，和兩采樣值將不是相差一個周期的采樣值，于是-、-將出現(xiàn)差值，且差值接近相等。此時仍然為零或很小。系統(tǒng)發(fā)生故障時，由于故障電流增大，于是將增大，為故障前電流，故-反映出由于故障電流產(chǎn)生的突變量電流，-仍接近為零，從而反映了故障電流的突變量，如圖2所示。圖2 故障后電流的突變1.2半周積分法半周積分算法的依據(jù)是一個正弦量在任意半個周期絕對值的積分為一個常數(shù)S，即（3）積分值S與積分起點的初相角無關(guān)

6、，因為畫有斷面線的兩塊面積顯然是相等的，如圖3所示。式（3）的積分可以用梯形法則近似求出：（4）式中：第次采樣值：每個周期的采樣點數(shù)：時的采樣值：時的采樣值：采樣間隔圖4所示，只要采樣率足夠高，用梯形法則近似積分的誤差可以做到很小。圖3半周期積分法原理示意圖圖4用梯形法近似半周期積分示意圖求出S值后，應(yīng)用式（3）即可求得有效值1.3傅里葉級數(shù)算法傅里葉級數(shù)算法（簡稱傅氏算法）的基本思路來自傅里葉級數(shù)，算法本身具有濾波作用。它假定被采樣的模擬信號是一個周期性的時間函數(shù)，除基波外還含有不衰減的直流分量和各次諧波，可表示為（5）式中、分別為直流、基波和各次諧波的正弦項和余弦相得振幅，其中、。由于各次

7、諧波的相位可能是任意值的，所以，把它們分解成有任意振幅的正弦項和余弦項之和。、分別為基波分量的正、余弦項的振幅，為直流分量的值。根據(jù)傅氏級數(shù)的原理，可以求出、分別為（6）（7）由積分過程可以知道，基波分量正、余弦項的振幅、已經(jīng)消除了直流分量和整次諧波分量的影響。于是中的基波分量為（8）合并正弦、余弦項，可寫為（9）式中：基波分量的有效值：時基波分量的相角將用角公式展開可得：（10）（11）用復(fù)數(shù)表示為（12）因此，可根據(jù)、，求出有效值和相角為（13）（14）用微機處理時，式（13）和式（14）的積分可以用梯形法則求得：（15）（16）式中：基波信號的一周期采樣點數(shù)；：第次采樣點數(shù)；、：分別為和

8、時的采樣值。2.使用MATLAB軟件搭建電力系統(tǒng)仿真模型2.1MATLAB/Simulink仿真軟件在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用介紹MATLAB/Simulink軟件是由美國Math Works 公司開發(fā)的著名的動態(tài)仿真系統(tǒng)，它是MATLAB的一個附加組件，為用戶提供了一個建模與仿真的工作平臺。它能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模與仿真的模塊集成，而且可以根據(jù)設(shè)計和使用的要求對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高建模與仿真的效率。MATLAB/Simulink軟件提供了多個學(xué)科的仿真系統(tǒng)工具箱，和一些常用工具箱模塊，用戶可以根據(jù)需要方便地選用合適的工具箱進(jìn)行系統(tǒng)的建模與仿真分析。對于電力系統(tǒng)而言就有專門的工具箱模塊庫SimPowerS

9、ystem供用戶使用，其功能強大，包含的電氣元件種類多，處理函數(shù)模塊豐富，為電力系統(tǒng)的仿真與研究提供了很大的便利，是電氣工程專業(yè)必不可少的研發(fā)工具。在SimPowerSystem模塊庫中，包括10類模塊庫，即電源元件庫（Electrical Sources）、線路元件庫（Element）、電力電子元件庫（Power Electronics）、電機元件庫（Machines）、連接器元件庫（Connctors）、電路測量模塊元件庫（Measurements）、附加元件庫（Extras）、演示教程（Demos）、電力圖形用戶分析界面（Powergui）、電力系統(tǒng)元件庫（Powerlip-modles

10、）。正是這些豐富的模塊庫使得電力系統(tǒng)的仿真變得方便、快捷，并且科學(xué)精確。本實驗選用MATLAB/Simulink軟件作為電力系統(tǒng)微機保護(hù)仿真的平臺。2.2使用MATLAB軟件搭建電力系統(tǒng)故障暫態(tài)仿真模型圖5給出了一個實際簡單電力系統(tǒng)模型，以此來建立電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真模型。G圖5系統(tǒng)模型打開MATLAB后，點擊Simulink庫，進(jìn)入Simulink庫界面后，點擊“File”彈出菜單欄，選擇“New”“Model”，打開建立新模型窗口，將建立電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真模型所需的仿真模塊由模塊庫中拷貝后粘貼到新模型窗口，或按住所需模塊拖至新模型窗口，再按圖5所示的系統(tǒng)模型連接關(guān)系進(jìn)行連接。在建立電力系統(tǒng)仿真模

11、型時主要用到以下仿真模塊如表1所示。MATLAB2014Ra中SimPowerSystems庫在Simscape庫目錄下。表1搭建系統(tǒng)所需模塊模塊名路徑三相等值系統(tǒng)模塊SimPowerSystems /Specialized Technology /Electrical Sources三相雙繞組變壓器模塊SimPowerSystems /Specialized Technology /Elements / Three-Phase Transformer(Two Windings)三相分布參數(shù)線路模塊SimPowerSystems /Specialized Technology /Element

12、s /Distributed Parameter Line三相串聯(lián)負(fù)載模塊SimPowerSystems /Specialized Technology /Elements / Three-Phase Series RLC Load三相故障模塊SimPowerSystems /Specialized Technology /Elements /3-Phase Fault三相電壓電流測量模塊SimPowerSystems /Specialized Technology /Measurements/Three-Phase V-I Measurement電力圖形用戶分析界面SimPowerSyste

13、ms /Specialized Technology /Powergui示波器Simulink/Sinks/ Scope多路分配器模塊Simulink/ monly Used Blocks/ Demux將以上模塊由模塊庫瀏覽器中拖放到“建立新模型”窗口中。新模型的缺省名為untitled，可保存為其他文件名。本例命名為shortcircuit.mdl。仿真模型圖如下圖所示。圖6 仿真模型做出三相接地短路、BC兩相短路三相接地短路IaIbIcV-IBC相短路IaIbIcV-I3、使用MATLAB軟件編寫算法程序3.1準(zhǔn)備仿真數(shù)據(jù)本節(jié)利用上一節(jié)建立的電力系統(tǒng)仿真模型在Simulink環(huán)境中進(jìn)行電力

14、系統(tǒng)故障暫態(tài)仿真所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)對微機保護(hù)算法進(jìn)行綜合仿真，用以分析微機保護(hù)保護(hù)算法的性能。算法綜合仿真的容包括：（1）準(zhǔn)備仿真數(shù)據(jù)。由于設(shè)置了示波器參數(shù)，使用的數(shù)據(jù)可以在MATLAB電力系統(tǒng)仿真運行后自動存入MATLAB主界面的工作區(qū)，可以命令行窗口中調(diào)用數(shù)據(jù)。（注意：此時數(shù)據(jù)為模型系統(tǒng)文件運行結(jié)束后示波器的數(shù)據(jù)。）（2）微機保護(hù)保護(hù)算法編程。（3）調(diào)用電力系統(tǒng)故障暫態(tài)數(shù)據(jù)，對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)算法計算，并以圖形方式顯示保護(hù)算法計算的結(jié)果。3.2突變量電流法突變量電流法算法程序：%突變量算法程序Ts=0.0;Te=0.2;N=200;%仿真起始(start)、結(jié)束(end)時間，一周期采樣點數(shù)f=

15、50; %仿真頻率T=1/f; %一個周期時長ts=T/N; %一個周期采樣間隔ia=Ia.signals.values; %A相電流采樣值ib=Ib.signals.values; %B相電流采樣值iab=ia-ib; %計算得iabn=1:1:2001; %n可從1連續(xù)取至2001t=(n-1)*ts; %使計算值與時間相對應(yīng)Delta_ia=; %定義突變量ia為一個數(shù)組Delta_iab_n=; %定義突變量iab_n為一個數(shù)組Delta_Iab=; %定義突變量Iab為一個數(shù)組for n=401:1:2001 %n從401連續(xù)取至2001Delta_ia(n)=abs(ia(n)-i

16、a(n-N); %計算得數(shù)組ia的值Delta_iab_n(n)=abs(iab(n)-iab(n-N); %計算得數(shù)組iab_n的值Delta_Iab(n)=abs(Delta_iab_n(n)-Delta_iab_n(n-N); %計算得數(shù)組Iab的值endplot(t, Delta_ia,'b-',t, Delta_iab_n,'g-',t, Delta_Iab,'r-.') ;legend('Delta_ia', 'Delta_iab_n', 'Delta_Iab')%畫圖在運行三相接地短路

17、故障仿真結(jié)束后，在MATLAB中運行該程序，得到圖形如下。圖38突變量算法得到的、曲線程序從0.04s開始計算，0.04s0.06s計算值為0，0.06s故障發(fā)生后，突變量急劇變化，幾乎為故障電流的兩倍，足以觸動繼電保護(hù)的啟動元件。請同學(xué)們自行做出兩相相間短路、單相接地短路的突變量變化圖。AB相間短路BC相間短路A相短路B相短路C相短路三相短路在下表中填入各短路類型下0.07s時的、值。表2 各短路類型下0.07s時的、值計算值短路類型AB相短路83.51191.9249.8BC相短路85.69161.3219.1A相短路85.88196.8254.6B相短路85.88196.8254.6三相

18、短路398.3191.9249.83.3半周積分法m=floor(n-st)/16)-1; 一周期采樣點數(shù)為64，每隔16個點計算的半周積分法算法程序：%半周積分法Ts=0.0;Te=0.2;N=128; %仿真起始(start)、結(jié)束(end)時間，一個周期采樣點數(shù)f=50; %仿真頻率T=1/f; %一個周期時長ts=T/N; %仿真步長、采樣間隔ia=Ia.signals.values; %A相電流采樣值n=floor(N*0.2/T+1); %計算得0.2s時刻所對應(yīng)的Ia序列值個數(shù)st=(0.05-T/2)/T*N+1; %起始計算點m=(n-st-N/2)/16+1;%每隔16個點

19、向前計算得半周積分，從0.05s開始計算至0.2s需要計算的次數(shù)A=;%定義半周積分值A(chǔ)為一個數(shù)組for j=0:1:(m-1); %使j從0取至（m-1）for i=(st+j*16):1:(st+j*16+N/2) %使i取半個周期的采樣點數(shù)N/2S=0; %使S初始值為0 S=S+abs(Ia.signals.values(i)*ts; %用矩形法計算半個周期積分值 i=i+1; %使i加1直至循環(huán)結(jié)束 end A(j+1)=S; %循環(huán)所得為半周積分值A(chǔ)中第j+1個元素 j=j+1; %使j加1直至循環(huán)結(jié)束endplot(st+N/2-1):16:(n-1)*ts,A,'*-&

20、#39;)%畫圖輸入程序，按下Enter鍵后，得到圖形如圖39。在MATLAB命令行窗口輸入A，按下Enter鍵后，得到半周積分法計算的積分值。圖39半周積分算法得到的積分值曲線程序從0.05s開始計算，每次向前計算半個周期（即0.01s），可見0.05s0.06s計算得半周積分值波動，0.06s故障發(fā)生后，半周積分量向上攀升，在0.06s0.12s震蕩劇烈，可以觸動繼電保護(hù)的啟動元件，0.12s 故障消失后，半周積分值驟然減小，在0.12s0.2s震蕩減小。在電力圖形用戶分析界面（Powergui）模塊的離散系統(tǒng)仿真模型過改變采樣時間改變采樣周期，獲得不同采樣周期下的A值，按要求填入下表。并

21、按表2要求做出兩相相間短路、單相接地短路以及三相短路的半周積分量變化圖。表2 不同采樣周期下短路前后半周積分法計算的A值一周期采樣點數(shù)64（每隔8個點計算半周積分）128（每隔16個點計算半周積分）256（每隔32個點計算半周積分）短路發(fā)生時刻0.06s前（最小值）0.06s后（最大值）0.06s前（最小值）0.06s后（最大值）0.06s前（最小值）0.06s后（最大值）面積AB相短路0.022360.14070.0014250.082440.00072330.04166A相短路0.022360.026270.0014250.045920.00072330.02297三相短路0.022360

22、.17730.0014250.088370.00072330.04401AB相間短路64點128點256點A相接地短路64點128點256點三相短路64點128點256點3.4傅里葉算法一周期采樣點數(shù)為200的傅里葉算法程序：t=Ia.time;N=200;f=50; %仿真頻率T=1/f; %一個周期時長ts=T/N; %一個周期采樣間隔i=1:N;%輸入信號為Iasubplot(221); %畫2行2列圖，此圖為第1個plot(t,Ia.signals.values);legend('原始數(shù)據(jù)');xlabel('t/s');ylabel('A

23、9;);%畫出輸入信號為Ia%計算基波電流幅值hs(i)=sin(2*pi*i/N);%傅里葉濾波系數(shù)hc(i)=cos(2*pi*i/N);ys=filter(hs,1,Ia.signals.values);%正弦幅值yc=filter(hc,1,Ia.signals.values);%余弦幅值ym=2*sqrt(ys.2+yc.2)/N;subplot(222); %在2行2列圖中此圖為第2個plot(t,ym);legend('基波幅值');xlabel('t/s');ylabel('A'); %畫出輸入信號Ia基波幅值圖%計算3次諧波電流

24、幅值hs3(i)=sin(3*2*pi*i/N);%傅里葉濾波系數(shù)hc3(i)=cos(3*2*pi*i/N);ys3=filter(hs3,1,Ia.signals.values);%正弦幅值yc3=filter(hc3,1,Ia.signals.values);%余弦幅值ym3=2*sqrt(ys3.2+yc3.2)/N;subplot(223); %在2行2列圖中此圖為第3個plot(t,ym3);legend('3次諧波幅值');xlabel('t/s');ylabel('A'); %畫出輸入信號Ia三次諧波幅值圖%計算5次諧波電流幅值hs5(i)=sin(5*2*pi*i/N);%傅里葉濾波系數(shù)hc5(i)=cos(5*2*pi*i/N);ys5=filter(hs5,1,Ia.signals