廣東理工學(xué)院電氣工程系 唐東成

MATLAB在繼電保護(hù)教學(xué)中的應(yīng)用

廣東理工學(xué)院電氣工程系 唐東成

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)是電氣工程專業(yè)一門重要的專業(yè)課程，在教學(xué)過程中既要注重理論教學(xué)，又要增加相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。開展實(shí)踐教學(xué)可加深對(duì)理論的理解，有利于掌握繼電保護(hù)技術(shù)。實(shí)踐教學(xué)主要利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行模擬，也可利用MATLAB進(jìn)行仿真。本文以MATLAB仿真軟件示范繼電保護(hù)重合閘技術(shù)的數(shù)字仿真技術(shù)的在教學(xué)中的應(yīng)用。

繼電保護(hù)；MATLAB；教學(xué)

0 引言

電保護(hù)是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行必不可少的組成部分，其任務(wù)是在電力系統(tǒng)任一點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，快速、準(zhǔn)確地將故障元件隔離，確保電氣設(shè)備和電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，最大限度地減少故障造成的危害和損失。掌握好繼電保護(hù)的原理和技術(shù)，是對(duì)各級(jí)各類電氣工程技術(shù)人員的基本要求[1]。為提高應(yīng)用型本科高校更加重視學(xué)生的應(yīng)用和實(shí)踐能力，培養(yǎng)實(shí)用型人才，在教育教學(xué)環(huán)節(jié)中增加不同形式的實(shí)踐環(huán)節(jié)是非常必要的。實(shí)踐表明，課程中選用MATLAB作為電力系統(tǒng)仿真的分析軟件，可以激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，提高了課堂的活躍度，培養(yǎng)學(xué)生合作處理問題、獨(dú)立分析解決問題的能力，教學(xué)質(zhì)量較以往得到了提升[2]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)和理論教學(xué)是高校教學(xué)中居于同等重要地位的兩個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。它們互為基礎(chǔ)、相互依存、相互轉(zhuǎn)化，具有很強(qiáng)的相關(guān)性[3]。本文采用MATLAB仿真技術(shù)建立教學(xué)情境，使學(xué)生在模擬電力系統(tǒng)情境下，整定計(jì)算繼電保護(hù)裝置參數(shù)、觀察繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作行為。

1 MATLAB仿真軟件簡(jiǎn)介

MATLAB是一種適用于工程應(yīng)用各領(lǐng)域分析設(shè)計(jì)與復(fù)雜計(jì)算的科學(xué)計(jì)算軟件， MATLAB在國(guó)內(nèi)外的大學(xué)中，特別是數(shù)值計(jì)算應(yīng)用最廣的電氣信息類學(xué)科中，已成為每個(gè)學(xué)生都應(yīng)掌握的工具。其中Simulink是Mathworks公司開發(fā)的MATLAB仿真工具之一，其主要功能是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真與分析。

利用SIMULINK對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真與分析, 在進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境后, 不需要書寫代碼, 只需使用鼠標(biāo)拖動(dòng)庫(kù)中的功能模塊并將它們連接起來, 按照實(shí)驗(yàn)要求修改各元器件的參數(shù)。通過虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境建立實(shí)驗(yàn)仿真電路模型, 可使一些枯燥的電路變得有趣味, 復(fù)雜的波形變得形象生動(dòng), 使得各種復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換過程比較直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前。以下采用MATLAB來仿真繼電保護(hù)課程中的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn), 和傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)對(duì)比, 此實(shí)驗(yàn)方法有很大優(yōu)越性。

2 MATLAB在繼電保護(hù)教學(xué)中的應(yīng)用

本文以重合閘技術(shù)教學(xué)為例，介紹MATLAB在繼電保護(hù)教學(xué)中的應(yīng)用。

在電力系統(tǒng)中，輸電(配電）線路，特別是架空線路是發(fā)生故障幾率最多的元件。因此，如何提高輸電線路工作可靠性，對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要的意義。在輸電線路的故障中，約有90%以上是瞬時(shí)性故障。對(duì)于瞬時(shí)性故障，如在線路故障被斷開以后，把斷開的斷路器再次合上，就能恢復(fù)供電，從而減少停電時(shí)間，提高供電可靠性。由運(yùn)行人員手動(dòng)合閘，固然也能實(shí)現(xiàn)上述目的，但停電時(shí)間過長(zhǎng)，用戶電動(dòng)機(jī)多數(shù)已經(jīng)停轉(zhuǎn)，效果很差。為此，在輸電線路中廣泛采用了自動(dòng)重合閘裝置（簡(jiǎn)稱ARC裝置）。通常自動(dòng)重合閘與繼電保護(hù)進(jìn)行配合，這樣可加快切除故障，提高供電可靠性，對(duì)保持系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定有利。自動(dòng)重合閘與繼電保護(hù)的配合，主要有重合閘前加速和重合閘后加速保護(hù)。

前加速：重合閘前加速就是當(dāng)線路上（包括鄰線及以外的線路）發(fā)生故障時(shí)，靠近電源側(cè)的保護(hù)首先瞬時(shí)無選擇性動(dòng)作跳閘，而后借住ARC來糾正這種非選擇性動(dòng)作。當(dāng)重合于故障時(shí)，無選擇性的保護(hù)自動(dòng)解除，保護(hù)按原有選擇性要求動(dòng)作。

后加速：重合閘后加速保護(hù)就是當(dāng)線路上發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)首先按有選擇性的方式動(dòng)作跳閘。當(dāng)ARC動(dòng)作重合于永久性故障上時(shí)，保護(hù)得到加速，快速切除故障，與第一次切除故障是否帶有時(shí)限無關(guān)。若發(fā)生的故障是瞬時(shí)性的，則重合成功，恢復(fù)供電；若故障是永久性的，保護(hù)再次動(dòng)作使斷路器跳閘。

為了加深對(duì)重合閘技術(shù)的理解，本文以A相線路自動(dòng)重合閘電流保護(hù)為例建立電力系統(tǒng)仿真模型，并依次搭建電力系統(tǒng)模型、電流保護(hù)模型和重合閘機(jī)構(gòu)模型。并對(duì)模型主要參數(shù)進(jìn)行了配置。如圖1所示。圖中電源模塊主要參數(shù)為：電壓110KV，50Hz，電源等效電阻3Ω，等效電感為4H；三相并聯(lián)負(fù)載主要參數(shù)：用功功率10MW，無功功率0.01Mvar。

圖1 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)仿真模塊

搭建子系統(tǒng)模塊包括：電流保護(hù)模型和重合閘機(jī)構(gòu)模型，如圖2所示，其中傅立葉模塊主要參數(shù)為：頻率50Hz；延時(shí)模塊：10ms（可根據(jù)電流保護(hù)時(shí)限整定原則來進(jìn)行整定）；Relay模塊：該模塊主要模擬繼電特性，其動(dòng)作值可根據(jù)電流I段保護(hù)整定原則來整定。

圖2 子系統(tǒng)仿真模塊

圖3 重合閘模塊

圖4 重合閘后加速模塊

圖3、圖4為重合閘模塊、重合閘后加速模塊。這兩個(gè)模塊建立在子系統(tǒng)模塊內(nèi)。單側(cè)電源系統(tǒng)中，主要對(duì)重合閘裝置重合時(shí)間進(jìn)行整定。時(shí)間整定可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算。

式中，tch為重合閘整定時(shí)間；txh為消弧及去游離時(shí)間，該值大小與電壓等級(jí)有關(guān)；ty為裕度時(shí)間，一般取0.1s～0.15s；th為斷路器合閘時(shí)間。

重合閘后加速模塊需要與電流保護(hù)配合，后加速模塊的Relay模塊參數(shù)與電流保護(hù)中Relay模塊參數(shù)相同。

3 實(shí)驗(yàn)分析

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)生可用MATLAB搭建上述模型，并根據(jù)所給的系統(tǒng)參數(shù)分析計(jì)算出電流保護(hù)模塊、重合閘模塊以及后加速模塊的動(dòng)作整定值，時(shí)間整定值。用此模型驗(yàn)證重合閘裝置在永久故障和瞬時(shí)故障下的動(dòng)作情況。

（1）永久故障

在0.4s發(fā)生永久性接地故障，在設(shè)置完故障模塊參數(shù)后，執(zhí)行仿真，分析重合閘模塊動(dòng)作情況，如圖5所示。出現(xiàn)永久故障后，重合閘裝置經(jīng)過短暫時(shí)間后斷路器重合，但此時(shí)線路故障并沒有消失，故重合閘加速保護(hù)，重合不成功，這樣可以減小永久故障對(duì)系統(tǒng)造成的影響。

圖5 A相永久性接地故障下線路電流波形

（2）瞬時(shí)性故障

本線路設(shè)置的在0.4s～0.5s發(fā)生瞬時(shí)性接地故障。重合閘模塊動(dòng)作情況，如圖6所示。當(dāng)出現(xiàn)瞬時(shí)故障后，保護(hù)裝置動(dòng)作跳閘，經(jīng)過一段時(shí)間后故障消失，故障消失后重合閘裝置重合，此時(shí)重合成功，線路恢復(fù)供電。

圖6 A相瞬時(shí)性接地故障下線路電流波形

4 結(jié)論

利用MATLAB仿真能良好的輔助繼電保護(hù)中的教學(xué),并且可以加深學(xué)生對(duì)繼電保護(hù)課程的理解，提高教學(xué)質(zhì)量。采用MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)具有較大的靈活性，在教學(xué)中還可彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)的不足。豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容。

[1]許明,高厚磊,侯梅毅,梁景芳.數(shù)字仿真技術(shù)在繼電保護(hù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(15):104-109.

[2]顧艷.基于繼電保護(hù)本科教學(xué)的探索與研討[J].電子世界,2013,17:163.

[3]梁國(guó)艷.應(yīng)用型本科院校繼電保護(hù)教學(xué)改革的探索與思考[J].中國(guó)電力教育,2010(10):67-68.

唐東成（1987—），男，湖南邵陽(yáng)人，碩士，研究方向：復(fù)雜系統(tǒng)分析與控制。