线路继电保护整定计算的MATLAB仿真.docx
《线路继电保护整定计算的MATLAB仿真.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《线路继电保护整定计算的MATLAB仿真.docx（42页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
目 录
1引言 1
2MATLAB及其模块介绍 2
2.1MATLAB编程基础 2
2.2M文件及M函数 3
2.3SIMULINK介绍 3
2.4S-FUNCTION简介 5
3线路继电保护的基本原理 8
3.1整定基本要求 8
3.2保护整定原则 10
4线路继电保护仿真 18
4.1保护仿真软件概述 18
4.2仿真设计步骤 19
4.3线路单相自动重合闸电流保护仿真 19
4.4线路三段式电流保护仿真 27
5仿真结果分析 36
5.1线路单相自动重合闸电流保护仿真结果分析 36
5.2线路三段式电流保护仿真结果分析 37
6总结 38
致 谢 40
参考文献 41
毕业论文
1引言
本设计的题目是线路继电保护整定计算的MATLAB仿真，包括对电力系统线路整定计算仿真和故障仿真的研究。
输电线路是电力系统中的重要电气设备。
不同地区、不同类型的发电和配电设备都是通过它连接起来的，构成电力系统网络。
它的安全运行直接关系到电力系统发电、供电和配电的稳定运行。
随着现代电力系统继电保护的日益发展采用计算机仿真方法来分析研究电力系统继电保护是解决此类工程问题的一种有效手段。
MATLAB语言是目前国际上流行的一种演算纸式的编程语言，它具有强大的矩阵分析与运算功能，并且是一个开放的环境。
其中SIMULINK就是为MATLAB开发的一种优秀的控制系统仿真工具软件，它具有模块化、可重载、可封装、面向结构图编程及可视化等特点，可大大提高系统仿真的效率和可靠性。
我们可以利用工具箱中的元件模型，结合电力系统中的基本原理，搭建输电线路模型，继而设置各种电力系统故障进行分析和调试，以期为电力系统线路故障故障仿真提供有力根据。
在线路继电保护整定计算仿真方面，我们使用了SimuLink和SimPowerSystems工具箱，它常用于电力系统各个方面的仿真。
例如MATLAB 被用于发电机、变压器、线路和负荷等元件的建模和仿真，在输电线路研究中，有利用Matlab对输电线路进行故障定位数字仿真的研究。
在继电保护仿真中也应用到了Matlab，如基于Matlab 开发平台的继电保护仿真系统。
本设计主要针对线路的继电保护——三段式电流保护和零序电流保护进行仿真研究。
利用MATLAB和线路继电保护的内容，使用SimuLink和SimPowerSystems工具箱，搭建了一个线路整定计算和故障仿真模型。
在系统中设定不同的故障点，分别进行了相应的仿真，且与线路的整定计算值相配合，做到有选择性的动作，对仿真结果进行分析。
本文第1部分为前言，介绍了本次设计的主要思路。
第2部分介绍了Matlab基础和在设计中所用到知识。
第3部分是线路继电保护的基本原理等基础理论知识。
第4部分中对线路继电保护仿真中的模型构成、参数设定及故障发生时保护装置的动作情况作了详细说明。
并介绍了所设计的线路继电保护仿真与整定计算值的配合。
第5部分对仿真实验的结果进行了分析，不同层面做出分析，对于在整个设计过程的不同阶段也做出具体分析。
在本文的第6部分中总结了此次设计并给出了结论。
其中包括致谢词，参考文献等。
此次毕业设计在张龙斌老师的指导下完成。
2Matlab及其模块介绍
本章简单介绍了此次设计用到的Matlab知识，首先介绍Matlab软件编程基础知识，再对计算机实现线路继电保护整定计算仿真设计中用到的仿真模块的来源、功能、参数等进行介绍。
2.1MATLAB编程基础
2.1.1变量和数学运算
首先从Matlab数学运算开始说明。
例如要计算1+2+3及1×10+2×10+3×10这两个算式，接在提示符号>>之后的是要键入的算式，Matlab将计算的结果以ans显示。
2.1.2数组和数据
Matlab的运算事实上是以数组（array）及矩阵（matrix）方式在做运算，而这两者在
Matlab的基本运算性质上是不同的，数组强调元素对元素的运算，而矩阵则采用线性代数的运算方式。
在声明一个变量为数组或是矩阵时，如果是要个别输入元素，需要用中括号将元素置于其中。
数组由一维元素构成，而矩阵由多维元素组成。
在介绍矩阵运算之前首先介绍几个特殊的矩阵。
Zeros函数生成元素皆为0 的矩阵；
ones函数生成元素皆为1的矩阵，eye生成一个单位矩阵，之所以称为eye是取其发音与原来单位矩阵符号Ⅰ相同，而又避免与复数定义中的虚部所用的符号i混淆，所以改以eye替代。
上述三个函数的使用语法都相似，如zeros（m）可以产生一个m×m的正方矩阵，而zeros（m，n）产生的是m×n的矩阵。
也可以使用这三个函数将一个m×n矩阵原来元素全部取代成为0，1或是单位矩阵的值，不过要加上size指令来指出其矩阵大小是m×n，所
以语法为：
zeros（size（A））其中A为原来的矩阵
2.2M文件及M函数
Matlab程序大致分为两类：
M脚本文件（M-Script）和M函数（M-Function），它们均是普通的ASCII码构成的文件。
M脚本文件中包含一组有Matlab语言所支持的语句，它类似DOS下的批处理文件。
它的执行方式很简单，用户只需在Matlab的提示符下输入该M文件的文件名，这样Matlab就会自动执行该M文件中的各条语句，并将结果直接返回到Matlab工作空间。
使用M函数格式变成是Matlab程序设计的主流。
Matlab的M函数是有function语句引导的，其基本格式如下：
Function[返回变量列表]=函数名（输入变量列表）
注释说明语句段，由%一道
输入、返回变量格式的检测函数体语句
这里输入和返回变量的实际个数分别有nargin和nargout两个Matlab的保留变量来给出。
只要进入该函数，Matlab就将自动生成这两个变量，不论是佛直接使用这两个变量。
如果返回变量多于一个，则应该用方括号括起来。
输入变量和返回变量之间用括号分隔。
注释语句段的每行语句都应该由百分号引导，百分号后面的内容不执行，只起注释作用。
用户采用help命令则可以显示出来注释语句段的内容。
此外、标准的变量树木检测也是必要的。
如果输入或返回变量格式不正确，则应该给出相应的提示。
另外，因为Matlab是一中注释性语言，所以即使在某个或某些函数中存在语法错误，如果没执行到该语句时可能就不会发现该错误，这在严格的程序设计中是不容许的。
要检查某目录中所有的M函数语法错误，首先应该用cd命令进入该目录，然后运行pcode*命令进行伪代码转换。
因为该命令会将Matlab函数转换成伪代码，而在转换过程中该程序将自动翻译每一条语句，所以一旦发现有语法错误，将会停止翻译，给出错误信息。
改正了该语法错误后，再重新执行pcode命令，直到没有错误为止。
这样会保证目录下所有的程序不含有语法错误。
2.3SIMULINK介绍
Simulink是以工具库的形式挂接在Matlab上的，不能独立运行，只能在Matlab环境中运行。
Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散或两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样速率的多速率系统。
Simulink是由模块库、模型构造及指令分析、演示程序等几部分组成。
Simulink提供了用方框图进行建模的图形接口。
模块框图是动态系统的图形显示，由一组称为模块的图标组成，模块之间采用连线联接。
每个模块代表了动态系统的某个单元，并且产生一定的输出。
模块之间的连线表明模块的输入端口与输出端口之间的信号连结。
模块的类型决定了模块输出与输入、状态和时间之间的关系。
一个模块框图可以根据需要包含任何类型的模块。
模块代表了动态系统的某个功能单元，每个模块一般包括一组输入、状态和一组输出等几个部分。
Simulink模块的基本特点是参数化的，许多模块都具有独立的属性对话框，在对话框中用户可以定义模块的各种参数。
Simulink包含Sinks（输出方式）、Source（输入源）、Continuous（连续环节）、Nonlinear（非线性）、Discrete（离散环节）、Signals&System（信号与系统）、Math（数学模块）和Functions&Tables（函数和查询表）等子模型库。
SIMULINK在诸如CommunicationToolbox，NonlinearControlDesignBlockset，PowerSystemBlockset等工具箱的配合下，还可以完成对诸如通行系统、非线性控制系统、电力系统的建模、分析和仿真。
设计中使用的模块
本设计中共使用了位于Simpowersystems模块库，和Simulink模块库中的29个不同的模块。
分别为：
1）位于Simpowersystems模块库中：
①断路器模块（break），
②线路模块（SeriesRLCBranchblock），
③电流测量器模块（CurrentMeasurementblock），
④交流电压源模块（ACVolatgeblock），
⑤三相故障模块（Three-PhaseFaultblock），
⑥傅利叶变换模块（Fourierblock），
⑦万用表模块（Multimeterblock），
⑧接地模块（Ground（input/output）block），
2）位于Simulink模块库中：
①到工作空间模块（ToWorkspaceblock），
②输入端口模块（In1block），
③输出端口模块（Out1block），
④示波器模块（Scopeblock），
⑤常数模块（Constantblock），
⑥乘法模块（Productblock），
⑦继电器模块（Relayblock），
⑧加法模块（SUMblock），
⑨使能子系统模块（EnableSubsystemblock）。
2.4S-FUNCTION简介
Simulink为用户提供了许多内置的基本库模块，通过这些模块进行连接而构成系统的模型。
对于那些经常使用的模块进行组合并封装可以构建出重复使用的新模块，但它依然是基于Simulink原来提供的内置模块。
而Simulinks-function是一种强大的对模块库进行扩展的新工具。
2.4.1S-Function的概念
1）s-function是一个动态系统的计算机语言描述，在MATLAB里，用户可以选择用m文件编写，也可以用c或mex文件编写，在这里只给大家介绍如何用m文件编写s-function。
2）S-function提供了扩展Simulink模块库的有力工具，它采用一种特定的调用语法，
使函数和Simulink解法器进行交互。
3）S-function最广泛的用途是定制用户自己的Simulink模块。
它的形式十分通用，能够支持连续系统、离散系统和混合系统。
2.4.2建立M文件S-Function
使用模板文件：
sfuntmp1.m
1）该模板文件位于MATLAB根目录下toolbox/simulink/blocks目录下。
2）模板文件里s-function的结构十分简单，它只为不同的flag的值指定要相应调用的m文件子函数。
比如当flag=3时，即模块处于计算输出这个仿真阶段时，相应调用的子函数为sys=mdloutputs（t,x,u）。
3）模板文件使用switch语句来完成这种指定，当然这种结构并不唯一，用户也可以使用if语句来完成同样的功能。
而且在实际运用时，可以根据实际需要来去掉某些值，因为并不是每个模块都需要经过所有的子函数调用。
4）模板文件只是Simulink为方便用户而提供的一种参考格式，并不是编写s-function的语法要求，用户完全可以改变子函数的名称，或者直接把代码写在主函数里，但使用模板文件的好处是，比较方便，而且条理清晰。
5）使用模板编写s-function，用户只需把s-函数名换成期望的函数名称，如果需要额外的输入参量，还需在输入参数列表的后面增加这些参数，因为前面的4个参数是simulink调用s-function时自动传入的。
对于输出参数，最好不做修改。
接下去的工作就是根据所编s-
function要完成的任务，用相应的代码去替代模板里各个子函数的代码即可。
6）Simulink在每个仿真阶段都会对s-function进行调用，在调用时，Simulink会根据所处的仿真阶段为flag传入不同的值，而且还会为sys这个返回参数指定不同的角色，也就是说尽管是相同的sys变量，但在不同的仿真阶段其意义却不相同，这种变化由simulink自动完成。
7）m文件s-function可用的子函数说明如下：
①mdlInitializeSizes：
定义s-function模块的基本特性，包括采样时间、连续或者离散状态的初始条件和sizes数组。
②mdlDerivatives：
计算连续状态变量的微分方程。
③mdlUpdate：
更新离散状态、采样时间和主时间步的要求。
④mdlOutputs：
计算s-function的输出。
⑤mdlGetTimeOfNextVarHit：
计算下一个采样点的绝对时间，这个方法仅仅是在用户在
mdlInitializeSizes里说明了一个可变的离散采样时间。
⑥mdlTerminate：
实现仿真任务必须的结束。
8）概括说来，建立s-function可以分成两个分离的任务：
9）初始化模块特性包括输入输出信号的宽度，离散连续状态的初始条件和采样时间。
10）将算法放到合适的s-function子函数中去。
定义s-function的初始信息
1）为了让Simulink识别出一个m文件s-function，用户必须在s-函数里提供有关s-函数的说明信息，包括采样时间、连续或者离散状态个数等初始条件。
这一部分主要是在
mdlInitializeSizes子函数里完成。
2）Sizes数组是s-function函数信息的载体，它内部的字段意义为：
①NumContStates：
连续状态的个数（状态向量连续部分的宽度）
②NumDiscStates：
离散状态的个数（状态向量离散部分的宽度）
③NumOutputs：
输出变量的个数（输出向量的宽度）
④NumInputs：
输入变量的个数（输入向量的宽度）
⑤DirFeedthrough：
有无直接馈入
⑥NumSampleTimes：
采样时间的个数
3）如果字段代表的向量宽度为动态可变，则可以将它们赋值为－1。
4）注意DirFeedthrough是一个布尔变量，它的取值只有0和1两种，0表示没有直接馈入，此时用户在编写mdlOutputs子函数时就要确保子函数的代码里不出现输入变量u；1表示有
直接馈入。
5）NumSampleTimes表示采样时间的个数，也就是ts变量的行数，与用户对ts的定义有关。
6）需要指出的是，由于s-function会忽略端口，所以当有多个输入变量或多个输出变量时，必须用mux模块或demux模块将多个单一输入合成一个复合输入向量或将一个复合输出向量分解为多个单一输出。
输入和输出参量说明
1）S-function默认的4个输入参数为t、x、u和flag，它们的次序不能变动，代表的意义分别为：
①t：
代表当前的仿真时间，这个输入参数通常用于决定下一个采样时刻，或者在多采样速率系统中，用来区分不同的采样时刻点，并据此进行不同的处理。
②x：
表示状态向量，这个参数是必须的，甚至在系统中不存在状态时也是如此。
它具有很灵活的运用。
③u：
表示输入向量。
2）flag：
是一个控制在每一个仿真阶段调用哪一个子函数的参数，由Simulink在调用时自动取值。
3）S-function默认的4个返回参数为sys、x0、str和ts，它们的次序不能变动，代表的意义分别为：
①sys：
是一个通用的返回参数，它所返回值的意义取决于flag的值。
②x0：
是初始的状态值（没有状态时是一个空矩阵[]），这个返回参数只在flag值为0时才有效，其他时候都会被忽略。
③str：
这个参数没有什么意义，是MathWorks公司为将来的应用保留的m文件
④s-function必须把它设为空矩阵。
⑤ts：
是一个m×2的矩阵，它的两列分别表示采样时间间隔和偏移。
2.4.3模块的封装与测试：
将该程序以文件名*****.m存盘，编好S函数后，就可以进行封装和测试了，向模型编辑窗口中添加S-FUNCTION模块，双击该模块，打开参数设置对话框，在其中输入M文件名和用户定义的参数。
选择该模块，按CTRL+M或右键单击该模块。
从弹出的快捷菜单中添加用户定义的变量参数。
在Initalzation页中对变量初始化在Documentation页中添加模块的说明和帮助文档，其具体操作与子系统的封装类似。
可以封装该S函数，从而设计出相应的参数输入对话框，选择S函数模块，打开其封装编辑器，在Parameters页中添加用户定义的变量参数。
S函数模块被封装后，双击它，则有模块参数对话框。
能有附加参数的一个提示。
3线路继电保护的基本原理
3.1整定基本要求
电力系统运行中，可能发生各种故障和不正常的运行状态，最常见同时也是最危险的故障是发生各种类型的短路。
当系统发生故障或不正常运行状态时，都会危及系统安全，引发事故，有时还可能造成人身和设备安全事故。
电力系统故障一旦发生，必须迅速而有选择性地切除故障元件，这依赖于继电保护装置的正确动作。
而当系统发生不正常运行状态的时候，应该只发出告警信号，或根据危害程度规定一定的延时再切除故障元件，以免暂短的运行波动造成不必要的动作和干扰引起的误动。
因此，合理地选择保护方式和正确地进行继电保护整定计算，对保证电力系统的安全运行有非常重要的意义。
选择保护方式时，希望全面满足继电保护可靠性、选择性、灵敏性和速动性的四项基本要求。
继电保护的可靠性是指继电保护装置规定的保护范围内发生了它应该动作的故障时，它不应该拒绝动作，而在任何其他保护不应该动作的情况下，则不应该误动作。
继电保护的选择性则是指首先由故障设备或线路本身的保护切除故障，当故障设备或线路本身的保护或断路器拒动时，才允许由相邻设备、线路的保护或断路器失灵保护切除故障。
为了保证选择性，对相邻设备和线路有配合要求的保护和同一级保护内有配合要求的两元件，其灵敏系数和动作时间，在一般情况下应相互配合。
继电保护的灵敏性指对于其保护范围内发生故障和不正常运行状态的反应能力。
满足灵敏性要求的保护装置应该是在事先规定的保护范围内故障时，不论短路点的位置、短路的类型如何，以及短路点是否有过渡电阻，都能敏锐感觉，正确反应。
保护装置的灵敏性，通常用灵敏系数来衡量。
继电保护的速动性指发生故障时，应力求保护装置能迅速动作切除故障。
继电保护的整定，主要考虑继电保护的选择性和灵敏性。
对于方向保护，相邻线路的配合动作值和动作时间都要相互配合，以满足选择性和灵敏性的要求。
电力系统的安全运行是一个综合整体，继电保护与电网的接线方式以及调度运行密切相关。
合理的电网结构是电力系统安全稳定运行的基础，继电保护装置能否发挥积极作用，与电网结构和电力设备的布置是否合理有密切关系，因此必须把它们作为一个有机整体统一考虑，全面安排，对严重影响继电保护装置保护性能的电网结构和电力设备的布置，应限制使用。
电力系统中的继电保护是按断路器的配置装设的，因此继电保护必须按照断路器分级进行整定。
继电保护的分级是按保护的正方向来划分的，要求按保护的正方向各相邻的上、下级保护之间实现配合协调，以达到选择性的目的。
这是继电保护整定配合的总原则。
根据《继电保护及安全自动装置技术规程》、《3~110kV电网继电保护装置运行整定规程》、《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》、《220~500kV电网继电保护装置运行整定规则》、《电力系统继电保护》来实现的保护原则。
继电保护整定原则：
3～110kV电网的继电保护，应当满足可靠性、选择性、灵敏性及速动性四项基本要求：
3.1.1可靠性
可靠性由结构合理、质量优良的继电保护装置和符合规程要求的运行维护与管理来保
证。
3.1.2选择性
选择性是指：
首先由故障设备或线路本身的保护切除故障，当故障设备或线路本身的保护或断路器拒动时，才允许由相邻元件的保护或断路器失灵保护动作切除故障。
3.1.3灵敏性
由于有速动性的要求，继电保护的定值应保证在其保护范围内有规定的灵敏系数。
3.1.4速动性
根据《继电保护及安全自动装置技术规程》，如线路短路使发电厂厂用母线或重要用户母线电压低于额定电压的50%~60%时，应快速切除故障。
因此，继电保护的配置和整定计算应保证快速的切除各种类型故障。
3.2保护整定原则
3.2.1三段式电流保护
10kV、35kV线路配三段式（阶段式）电流保护整定计算原则：
根据继电保护装置整定的具体规定：
3.2.1.1电流速断保护
a、按躲过本线路末段最大三相短路电流整定。
IIset,1=KIrel
Ik.max
3-1
式中：
IIset,1动作电流；
KIrel可靠系数，可取1.3；
Ik.max线路末端最大三相短路电流。
b、灵敏度校验：
电流速断保护应校核被保护线路出口短路的灵敏系数，在常见运行大方式下，线路出口（即母线处）三相短路的灵敏系数不小于1时即可投运。
c、动作时限：
t=100ms。
注：
（速断保护的动作时间取决于继电器本身固有的动作时间，一般小于10ms。
考虑到躲过线路中避雷器的放电时间为40~60ms，一般加装一个动作时间为60~80ms的保护出口中间继电器，一方面提供延时，另一方面扩大触电的容量和数量。
）
3.2.1.2限时电流速断保护
a、保护线路全长，按躲过下级相邻线路的电流速断最大保护范围整定。
为了确保速断保护能准确及时动作
IIIset>IIset.1
IIIset.2=KIIrelIIset.1
3-2
式中：
IIIset.2启动电流。
KIIrel可靠系数，可取1.2。
IIset.1电流速断保护的动作电流。
b、灵敏度校验：
K
sen
=IK.min
IIIset.2
3-3
式中：
IK.min最小运行方式下保护范围内发生金属性短路时故障参数的计算值。
IIIset.2保护装置的动作参数值。
Ksen³1.3~1.5。
注：
灵敏系数大于1的原因是考虑可能会出现一些不利于保护
升级会员 