MATLAB/Simulink 輔助“電力系統(tǒng)繼電保護原理”教學(xué)的探索

諸葛致，郭振威

（桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林541000）

本文以三段式電流保護為例，介紹應(yīng)用MATLAB/Simulink 進行“電力系統(tǒng)繼電保護原理”輔助教學(xué)。教學(xué)目的主要有3 個：①學(xué)習(xí)電力系統(tǒng)繼電保護MATLAB/Simulink 模型構(gòu)建與電力系統(tǒng)故障保護仿真分析方法；②深刻理解電網(wǎng)電流保護三段式配置的基本方法；③掌握電流保護各段保護的定值整定以及三段之間的定值配合。

1 三段式電流保護原理構(gòu)成

三段式電流保護由電流Ⅰ段保護（電流速斷保護）、電流Ⅱ段保護（限時電流速斷保護）和電流Ⅲ段保護（定時限過電流保護）構(gòu)成。線路三段式電流保護模型可以分為以下4 部分[1]。

電流速斷保護：當(dāng)在本保護范圍內(nèi)發(fā)生接地故障時，保護瞬間啟動并將故障切除，它不能保護線路全長，保護范圍僅為線路的一部分；它將測量變換的電流值與繼電器的預(yù)先整定電流值進行比較，如果測量值小于整定值，輸出0，反之輸出1。電流Ⅰ段是瞬時動作，輸出的跳閘信號在經(jīng)過保護固有延時，然后經(jīng)過保護出口模塊，最終將跳閘信號傳送給斷路器的外部控制端。

限時電流速斷保護：當(dāng)在本保護范圍內(nèi)發(fā)生接地故障時，保護瞬時啟動但是在一定延時后才跳閘清除故障。它的保護范圍是整條線路，其動作原理與電流Ⅰ段保護相同，延時時間不同，在靈敏度滿足的情況下，取0.5 s 的延遲時間[2]。

定時限過電流保護：當(dāng)在本保護范圍內(nèi)發(fā)生接地故障時，保護啟動后經(jīng)過一定的動作延時，才切除故障，本段保護范圍覆蓋本線路的全部，也能保護下級相鄰整條線路。

保護動作出口：主要由常數(shù)、加法器、非門和使能子系統(tǒng)構(gòu)成。這部分主要功能是保持保護模塊的動作行為。該部分的作用是在單側(cè)電源系中，在不同的線路位置模擬故障，模擬線路發(fā)生不同故障時保護動作的情況，將電流速斷保護、限時電流速斷保護和定時限過電流保護的輸出信號相或。

2 三段式電流保護MATLAB/Simulink 建模[3]

2.1 三段式電流保護系統(tǒng)模型

為了加強學(xué)生對于單側(cè)電源系統(tǒng)上下級保護單元電流保護的整定配合原理的理解，以圖1 所示的單側(cè)電源110 kV 供電系統(tǒng)電流保護2 與電流保護3 仿真為例展開討論。

圖1 單側(cè)電源三相供電系統(tǒng)

在MATLAB/Simulink 平臺下，單側(cè)電源三相供電系統(tǒng)建模如圖2 所示，為了易于理解，本文以單相電流保護為例展開論述。

圖2 單側(cè)電源三相供電系統(tǒng)Simulink 模型

2.2 三段式電流保護Simulink 建模

在本系統(tǒng)中，保護3 配有三段式電流保護，由電流保護Ⅰ段、電流保護Ⅱ段與電流保護Ⅲ段構(gòu)成；保護2配有兩段式電流保護，由電流保護Ⅰ段和電流保護Ⅲ段構(gòu)成。三段式電流保護動作邏輯Simulink 模型如圖3所示。由圖3 可見，電流保護Ⅰ段、電流保護Ⅱ段或電流保護Ⅲ段任意一段電流保護動作，都會使對應(yīng)的斷路器2 或者斷路器3 跳閘。

圖3 三段式電流保護動作邏輯Simulink 模型

電流保護Ⅰ段Simulink 建模如圖4 所示。如果檢測到的故障電流啟動繼電器Relay，經(jīng)過固有延時后，故障仍然存在，發(fā)出對應(yīng)的跳閘命令；否則繼電器Relay返回，不發(fā)出跳閘命令。

圖4 電流保護Ⅰ段Simulink 模型

電流保護II 段Simulink 建模如圖5 所示。如果檢測到的故障電流啟動繼電器Relay，經(jīng)過整定的動作時限后，故障仍然存在，發(fā)出對應(yīng)的跳閘命令；否則繼電器Relay 返回，不發(fā)出跳閘命令。

圖5 電流保護Ⅱ段Simulink 模型

電流保護III 段Simulink 建模如圖6 所示。如果檢測到的電流啟動繼電器Relay，經(jīng)過整定的動作時限后，故障仍然存在，發(fā)出對應(yīng)的跳閘命令；否則繼電器Relay 返回，不發(fā)出跳閘命令。

圖6 電流保護Ⅲ段Simulink 模型

3 三段式電流保護仿真整定設(shè)置

電流保護Ⅰ段的整定主要是繼電器Relay 動作電流值的計算與設(shè)置。保護3 電流Ⅰ段動作值應(yīng)該大于母線B 在最大運行方式下的三相短路的電流值；保護2 電流Ⅰ段動作值應(yīng)該大于母線C 在最大運行方式下的三相短路的電流值。

電流保護Ⅱ段的整定主要是繼電器Relay 動作電流以及延時繼電器Transport Delay 值的計算與設(shè)置。保護3 電流Ⅱ段動作值應(yīng)該大于保護2 電流Ⅰ段動作值，與進行配合整定；保護3 電流Ⅱ段動作時間比保護2 電流Ⅰ段動作時間高1 個時間級差Δt，本案例取Δt=0.5 s。

電流保護Ⅲ段的整定工作主要是繼電器Relay 動作電流以及延時繼電器Transport Delay 值的計算與設(shè)置。保護3 電流Ⅲ段動作值根據(jù)AB 線路上的最大負(fù)荷150 A 進行整定；保護3 電流Ⅲ段動作時間比保護2 的電流Ⅲ段動作時間高1 個時間級差Δt。保護2 電流Ⅲ段動作值根據(jù)BC 線路上的最大負(fù)荷100 A 進行整定；保護2 電流Ⅲ段動作時間為1 s。

4 三段式電流保護仿真分析

根據(jù)所給定的系統(tǒng)模型，計算保護的整定值，整定設(shè)置各繼電器的參數(shù)。根據(jù)線路三段式保護的原理以及各段保護之間的配合，改變線路參數(shù)來模擬改變故障位置，分析波形，觀察各段保護動作情況；改變故障模塊參數(shù)來模擬故障類型，分析波形，觀察保護動作情況。

當(dāng)線路AB 發(fā)生接地短路時，保護3 電流三段的動作情況如圖7 所示，（a）（b）（c）分別是電流Ⅰ段、電流Ⅱ段和電流Ⅲ段動作情況，各子圖第一行波形為檢測到的電流。

由圖7 電流三段動作情況分析可知，線路AB 發(fā)生接地短路時，保護3 電流Ⅰ段出口動作跳閘；電流Ⅱ段和電流Ⅲ段啟動后，因為整定延時，來不及出口動作發(fā)信號，故障就已經(jīng)被電流Ⅰ段出口跳閘切除，故此時，電流Ⅱ段和電流Ⅲ段返回。

圖7 電流保護三段動作情況

5 總結(jié)

在“電力系統(tǒng)繼電保護課原理”課程教學(xué)過程中，引入MATLAB/Simulink 輔助工具，通過讓學(xué)生根據(jù)繼電保護基本原理搭建仿真模型，在仿真實踐中驗證基本原理，可以加深學(xué)生對于保護原理實踐運行情況的理解，極大促進繼電保護教學(xué)開展，有利于培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力與創(chuàng)新思維精神。