蔡超豪，李賽男，姚俊陽，邢廉欣，劉 晶，李 達(dá)，高 珊，郭 晗

(沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

輸電線路的主保護(hù)有縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)和距離保護(hù)等類型。距離保護(hù)的工作采用阻抗繼電器做測量原件，距離保護(hù)按工作原理又分為比幅式(幅值比較式)和比相式(相位比較式)。阻抗繼電器的動(dòng)作特性一般設(shè)置成圓形或多邊形，其中圓形的一般采用方向阻抗特性，即它的動(dòng)作特性圓是以整定阻抗為直徑且通過坐標(biāo)原點(diǎn)的圓。它具有構(gòu)成簡單、線路正方向短路時(shí)靈敏性高、具有較好的躲負(fù)荷阻抗能力和經(jīng)過渡電阻短路時(shí)躲過渡電阻影響的能力，因此應(yīng)用比較廣泛和成熟。利用MATLAB/Simulink軟件搭建了仿真模型，對被保護(hù)線路和保護(hù)模塊進(jìn)行了參數(shù)設(shè)置(包括保護(hù)整定阻抗、短路類型等)，也對保護(hù)仿真算法等仿真參數(shù)進(jìn)行了設(shè)置。對于各種相間短路，分別在金屬性短路和經(jīng)過渡電阻短路的情況下實(shí)施了仿真運(yùn)行，獲得了所需要的數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上分析了阻抗測量元件的工作情況。

1 阻抗繼電器的工作原理

1.1 方向圓特性

兩個(gè)整定阻抗Zset1=Zset2

動(dòng)作區(qū)：圓內(nèi)

非動(dòng)作區(qū)：圓外

臨界動(dòng)作：圓周上

比相式

(1)

(2)

1.2 相位比較原理的實(shí)現(xiàn)

(3)

1.3 模擬式相位比較阻抗繼電器的實(shí)現(xiàn)

電壓的形成有依靠電路串并聯(lián)連接和用模擬加減法器運(yùn)算兩種方式，此處只討論第一種方式。仍以圓特性的方向阻抗元件為例，比較電壓可由圖2所示的回路連接形成。

圖2 相位比較的電壓形成

(4)

(5)

相位比較阻抗繼電器動(dòng)作條件為

(6)

2 相關(guān)模塊作用

2.1 Continuous——連續(xù)性模塊

①主要用于對連續(xù)系統(tǒng)的建模-微分方程、傳遞函數(shù)、狀態(tài)空間表示等。

②Derivative：輸入信號微分

③Integrator：積分器

④State-Space：線性狀態(tài)空間系統(tǒng)模型

⑤Transport Delay：線性傳遞函數(shù)模型

⑥Zero-Pole：以零極點(diǎn)表示的傳遞函數(shù)模型

⑦M(jìn)emory：存儲(chǔ)上一時(shí)刻的狀態(tài)值

⑧Transport Delay：輸入信號延時(shí)一個(gè)給定時(shí)間再輸出

⑨Variable Transport Delay：輸入信號延時(shí)一個(gè)可變時(shí)間再輸出

2.2 Powergui——電力系統(tǒng)分析工具

為了準(zhǔn)確建立系統(tǒng)模型和進(jìn)行仿真分析，Mathwork在MATLAB中提供了系統(tǒng)模型圖形輸出與仿真工具——Simulink。Simulink中有兩個(gè)明顯的功能：仿真與連接。

①Powergui模塊可以顯示系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)的電流和電壓及電路所有的狀態(tài)變量值。

②執(zhí)行負(fù)載潮流計(jì)算，為了從穩(wěn)態(tài)時(shí)開始仿真可以初始化包括三相電機(jī)在內(nèi)的三相網(wǎng)絡(luò)。

③當(dāng)電路中出現(xiàn)阻抗測量模塊時(shí)，Powergui也可以顯示阻抗隨頻率變化的波形。

④Powergui可以產(chǎn)生擴(kuò)展名為rep的結(jié)果報(bào)告文件。這個(gè)文件包含測量模塊、電源、非線性模塊等系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)值。

2.3 三相可編程電壓源

三相可編程電壓源(Three-Phase Programmable Voltage Source)就是某些功能或參數(shù)可以通過計(jì)算機(jī)軟件編程控制的電源。

①跟蹤功能：即一種通道間聯(lián)動(dòng)的功能。跟蹤功能指所有的輸出同時(shí)被控制，并且通過保持電壓與事先設(shè)定的電壓一致，使它們都服從統(tǒng)一指揮。

②感應(yīng)(SENSE)模式——補(bǔ)償導(dǎo)線本身電阻：在普通模式下，電壓通過導(dǎo)線直接加載在負(fù)載上，從而保持負(fù)載電壓的穩(wěn)定。

③任意波形電源：有些可編程電源有任意波形編輯功能，即產(chǎn)生隨時(shí)間變化的波形。

④調(diào)制某些可編程任意電源有外部調(diào)制功能，利用后面板上的端子，可對兩組輸出進(jìn)行調(diào)制。

2.4 分布參數(shù)線(Distributed Parameters Line)

分布參數(shù)電路是指在高頻工作下,傳輸線的分布參數(shù)效應(yīng)不能被忽略，其電氣特性由單位線長上的分布電感、分布電容、分布電阻和分布電導(dǎo)來描述，這時(shí)傳輸線已與串聯(lián)電感和電阻、并聯(lián)電容和電導(dǎo)融為一體，利用傳輸線的分布參數(shù)特性所組成的電路就稱為分布參數(shù)電路，以這區(qū)別于由集總參數(shù)元件組成的集總參數(shù)電路。

3 比相式阻抗繼電器MATLAB仿真分析

3.1 仿真模型搭建和相關(guān)參數(shù)設(shè)置

1)電力系統(tǒng)Simulink仿真模型

方向阻抗繼電器仿真所用的電力系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3 方向阻抗繼電器仿真所用的電力系統(tǒng)模型

在圖4中，電源采用“THREE-powergui”模型，參數(shù)設(shè)置如圖5所示。電源與電源電勢相位差60°，其他設(shè)置相同。

圖4 電力系統(tǒng)Simulink仿真模型

圖5 電源的參數(shù)設(shè)置

輸電線路總長為300 km，參數(shù)設(shè)置如圖6所示。

圖6 輸電線路的參數(shù)設(shè)置

2)“0°接線”的方向阻抗繼電器模塊構(gòu)造

采用“0°接線”的方向阻抗繼電器模塊如圖7所示。

圖7 采用“0°接線”的方向阻抗繼電器模塊

打開繼電器模塊，可以看到用相位比較方式構(gòu)成方向阻抗繼電器的模塊如圖8所示，在模塊“0°接線”中應(yīng)用的數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊組的“求和”、“叉乘”和“復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)換”等模塊。

3.2 仿真結(jié)果分析

為了比較以上兩種方向阻抗繼電器的動(dòng)作性能，對如圖4所示的300 km長的500 kV超高壓線路進(jìn)行了三相短路、AB相短路仿真。故障點(diǎn)選取為保護(hù)范圍內(nèi)的正方向出口5 km處、近保護(hù)范圍末端225 km處和保護(hù)范圍外部230 km處等各點(diǎn)，過渡電阻從0變化到20 Ω(步長為10 Ω)，各相阻抗繼電器的相位(單位：度)仿真結(jié)果見表1。

圖8 “0°接線”用相位比較方式構(gòu)成方向阻抗繼電器模塊

故障類型過渡電阻正方向出口5 km處故障A相B相C相200 km處短路A相B相C相220 km處短路A相B相C相三相短路0.01-1.120.31-0.88-4.462.89-3.78-26.8512-20.841064.9465.8167.01-4.8453.381-3.746-15.454.93-23.492087.4689.6288.25-4.833.3-3.73-28.9113.08-17.51AB相短路0.01-1.68-62.3059.65-6.23-102.1-167.3-43-104.00-164.410-1.002-61.9859.95-5.729-105.9172.5-52-109.00-169.420-0.84-6260-5.598-106.2-172.8-54.1-136.2-171,1故障類型過渡電阻225 km處短路(保護(hù)區(qū)末端)A相B相C相230 km處短路(保護(hù)區(qū)外)A相B相C相三相短路0.01-123.184.3-46.5-151.1170.2-166.310-12277.6-42.3-152.2169.1-162.420-134.459.2-52.61-168.2165.5-138.4AB相短路0.01-125.2-104.5-162.38-157.3-106.2-164.410-132.6-110.2-169.3-158.6-111.5-169.120-134.3-111.5-169.5-154.1-111.4-167.5

保護(hù)的動(dòng)作邊界為-90°～90°，如果保護(hù)測量元件的測量角度在該范圍內(nèi)，測量元件動(dòng)作。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格得出，在正方向保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)生各種相間短路時(shí)，考慮過渡電阻為0～20 Ω，該保護(hù)的測量元件比相式阻抗繼電器均能正確動(dòng)作。在接近保護(hù)范圍末端短路情況下，保護(hù)的測量元件工作情況在一定程度上受過渡電阻影響。在保護(hù)區(qū)范圍外短路故障時(shí)，該保護(hù)均可靠不動(dòng)作。通過以上仿真可以看出，利用Matlab/Simulink分析軟件可以使人們對繼電器的動(dòng)作特性有一個(gè)直觀、定量的深刻認(rèn)識(shí)，對如何提高繼電保護(hù)的性能提供新的研究思路。

4 結(jié) 語

通過搭建仿真模型對比相式阻抗繼電器進(jìn)行了研究，獲得了正確可靠的仿真數(shù)據(jù)，證實(shí)了該元件的工作原理，分析了工作性能，為將該元件應(yīng)用于實(shí)際保護(hù)裝置提供了分析方法和數(shù)據(jù)，采用MATLAB/Simulink的分析方法具有一定的創(chuàng)新性。

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