基于MATLAB的微机保护算法仿真

本 科 毕 业 设 计(论文)题 目：基于 MATLAB 的微机保护算法仿真学生姓名： 学 号：05843420专业班级：电气工程及其自动化 1 班指导教师： 中国石油大学(华东)本科毕业设计(论文)基于 MATLAB 的微机保护算法仿真摘 要基于 MATLAB 软件，运用 Simulink 工具完成一种继电保护微机保护数据采集和处理系统。主要基于两点法、突变量算法、对称分量选相法等传统的微机保护算法，搭建 MATLAB 的仿真模型，根据采集的输入电气量的采样数据进行分析、运算和判断，以实现相应的继电保护功能。本文对 MATLAB 软件如何应用于微机保护做了详细说明，并运用 MATLAB 的动态仿真工具对电力系统中的故障以及微机保护的算法进行了仿真分析，说明了 MATLAB 在微机继电保护中应用的可行性。同时 本文对工程中常用微机保护算法进行了原理层面的分析，并运用模型对各种算法的性能进行了仿真和研究，有很重要的现实意义。关键词：MATLAB；微机保护；算法；采样数据中国石油大学(华东)本科毕业设计(论文)Microcomputer protection algorithm based on MATLAB simulationAbstractBased on MATLAB software, using Simulink tools perform one computer protection relay data acquisition and processing systems. Mainly based on two-point method, the amount of mutation algorithms, symmetric phase selector and other traditional computer protection algorithms to build MATLAB simulation model, based on the amount of collected samples of the input electrical data analysis, calculation and judgment, in order to achieve the corresponding relay protection. In this paper, MATLAB software how to apply a detailed description of computer protection, and the use of MATLAB dynamic simulation tool for power system failures and computer protection algorithms for the simulation analysis, illustrates the application of MATLAB in the feasibility of relay protection . This paper also commonly used in engineering computer protection algorithms theory level of analysis, and the use of models for the performance of various algorithms and simulation studies, there is a very important practical significance.Keywords：MATLAB；Microcomputer Protection；Algorithm; Sampling Data中国石油大学(华东)本科毕业设计(论文)目 录第 1 章 引言 .1第 2 章 微机保护的基本理论知识 .42.1 微机保护系统简介 .42.2 微机保护的算法 .62.2.1 两点乘积法 .62.2.3 对称分量选相法 .9第 3 章 设计的主体内容 .133.1 典型电力系统设计 .133.1.1 输电线路型号及长度选择 .133.1.2 电源和变压器型号选择 .143.1.3 变压器具体参数计算 .143.2 微机保护部分设计 .163.2.1 两点法作为保护算法 .173.2.2 突作量电流算法作为保护算法 .193.2.3 对称分量选相法作为保护算法 .19第 4 章 结果分析与讨论 .21致 谢 .25参考文献 .26第 1 章 引言1第 1 章 引言微机保护是用微型计算机构成的继电保护，是电力系统继电保护的发展方向，它具有高可靠性，高选择性，高灵敏度，微机保护装置硬件包括微处理器(单片机)为核心，配以输入、输出通道，人机接口和通讯接口等。由于有计算机技术的高速发展，微机保护在各行各业中广泛而深入的应用给工程技术带来了深刻的影响。工程师们对其在电力系统的研究和开发是计算机技术在线应用的技术性的革命。毋庸置疑，微机保护的应用与推广早已成为继电保护的发展方向。早在上个世纪 60 年代末，就有人提出了用计算机构成继电保护装置，当时的研究主要是以小型计算机作为基础，目的在于用一台小型计算机来完成多个电气设备乃至整个变电所的保护功能，这一尝试为计算机保护算法和软件的研究的发展奠定了理论基础，在继电保护领域具有非常重要的历史意义。到了 20 世纪 70 年代，大量关于微机保护算法及保护构成的论文相继发表，与此同时，伴随着大规模集成电路技术的发展，同时由微处理器的问世和其成本的逐年降低，计算机保护开始进入到实用阶段，走进了一些工厂和企业，一批性能较强的微机开始相继问世，并快速发展形成产品系列。拿日本来说，1977 年，日本率先投入了一套以微处理机为基础的控制与继电保护装置，1987 年，日本继电保护设备的总产值中已有 70%是微机保护产品。我国的微机保护 1的研究始于 1979 年，可以算得上是后起之秀。目前为止，国内每年生产的微机型线路保护和主设备保护已达数千套，在输电线路保护、元件保护、变电所综合自动化、故障录波和故障测距等领域，微机继电保护都取得了引人瞩目的成果，具有高可靠性、高抗干扰水平和网络通信能力的第三代微机继电保护装置已经在电力系统中投入使用，我国微机继电保护的研究和制造水平都已经达到国际水平。目前，我国电力行业的资产规模已超过 2 万多亿，占整个国有资产总量的四分之一，电力生产直接影响着国民经济的健康发展。电力系统的不断更新和发展，对微机保护不断提出新的更高的要求。同时电子技术、计算机技术和现代通信技术的高速发展，为微机保护的发展提供了源源不断的动力。但是电力系统规模的扩大是一把双刃剑，它在方便了用户的同时，也给电力工程师们提出了一个新的难题：这样一个复杂的、高维数的系统，上哪里去寻找一个能够很好的模拟这个庞然大物的工具呢？第 1 章 引言2MATLAB 的出现解决了工程师们的问题。MATLAB 软件中文名为矩阵实验室，它被誉为“巨人肩上的工具” 。尤其是它拥有的 Simulink 为工程师们提供了动态建模、仿真和分析的集成环境。 Simulink 是 MATLAB 软件的功能扩展和特色的体现，是搭建动态系统模型和进行仿真的软件包。因为它的许多功能是基于 MATLAB 的软件平台的，所以有人把它称作是 MATLAB 的一个工具箱。运用它可以实现系统建模和仿真的环境集成，并且可以根据实际的设计和使用要求，对系统进行修改和优化，从而提高了系统的工作性能，从而达到了高效开发的目的。微机保护是不是像传说中的那么神乎其神呢？是骡子是马，就需要用 MATLAB 来对保护的性能和指标做出评判。本设计的目的便是利用 MATLAB 软件来建立一个较为复杂的电力系统模型，它包括发电、输电、变电、配电等各个电力系统的环节。输电线路的电压等级包含了:220KV、110KV、35KV、6KV，各个电压等级的输电线路采用了不同的保护方式。对于 220KV 电压等级的线路，由于电流保护和距离保护只适用于被保护元件一侧的电气量所构成的判据，所以当故障发生在本线路末端或是相邻线路的始端时，这两类保护就不能进行快速地加以区分，从而只能采取阶段式的配合关系来选择性的切除故障。结果是当线路末端发生故障时，需要段延时来切除故障，这样的延时在220KV 及以上电压等级的输电线路中是无法满足系统稳定性对继电保护快速性的要求的。工程师们经过研究和实践发现，如果同时利用线路两侧的电气量就可以快速而又可靠地区分发生在线路内的短路故障和外部短路故障，从而达到了快速、有选择地切除线路任一点故障的目的。为了达到这一目的，需要快速地把线路这一侧的电气量的信息传到相对那侧去，安装于线路两侧的保护在收到信息后将会对线路两侧的电气量进行比较和分析，联合进行动作，这样的保护方式便是纵联保护。本设计中电压等级220KV 的线路采用纵联保护的方式。电流和电压保护具有简单、经济、可靠的特点，在 35KV 及以下电压等级中广泛应用。但其保护范围及灵敏度随着运行方式的变化而剧烈变化，因此对电压等级更高的电网是不适用的。为了满足更高电压等级的线路能够快速、有选择的切除故障的要求，需要寻求一种性能更完善的保护方式距离保护。短路故障发生时，电压、电流将同时发生变化，测出电压与电流的比值，这个比值能够很好的反应故障点到保护安装处的距离，当短路点距离小于整定值得时候保护就动作。因此，本设计中 110KV的输电线路采用距离保护的方式。本设计 6KV 线路采用电流保护，保护算法采用两点法。电流速断保护按被保护设第 1 章 引言3备的短路电流整定，一旦短路电流超过整定值，保护装置立即动作，断路器跳闸，一般电流速断保护无时限，无法保护线路全长(目的是避免失去选择性)，因此这种保护存在保护的死区为了克服这个缺陷从而保护线路全长，经常采用带有时限的电流速断保护。它的保护范围不仅包括线路全长，而且深入到相邻线路的无时限保护的那一部分，其动作时限比相邻线路的无时限保护大一个级差保护算法采用两点法。本设计采用微机保护中的三个常用算法：两点法、突变量算法、对称分量选相法来实现保护功能。根据本设计中这三种算法在保护中的实现情况来看，保护的的动作是快速有效又具有良好选择性的。第 2 章 微机保护的基本理论知识4第 2 章 微机保护的基本理论知识2.1 微机保护系统简介定义：微机保护是以微型计算机为基础构成的继电保护，是当今世界电力系统继电保护的优先发展方向(现已基本实现，仍然在不断发展之中)，它具有高可靠性，高选择性，高灵敏度。2.1.1 微机保护的应用及发展总述四十多年来，伴随着计算机技术的高速发展，微机保护也进入了快车道，其应用广泛，深刻影响着科技生产和人类的日常生活等各个方面。有关计算机保护，即计算机技术如何应用于电力系统继电保护中，是工程师们面临的一个重要课题。我国在微机保护方面可以说是后起之秀，1984 年第一套以 6809(CPU)为基础的距离保护样机投入试运行。进入 90 年代，陆续推出了一批成熟的微机保护产品应用于工业生产领域。目前我国在此方面已取得了不俗成就，相信未来微机保护会在国民经济生成生活中发挥更重要的作用。2.1.2 微机保护的基本构成微机保护的基本构成包括硬件和软件两方面，硬件包括：数据采集系统、CPU 主系统、开关量输出、输入系统、外围设备等。软件包括：初始化模块、数据采集管理模块、故障检出模块、故障计算模块、自检模块等等。2.1.3 微机保护技术的特点微机保护之所以能够广泛应用，主要是因为它有以下优点：1.从微机保护中可以获得其他附加功能2.微机保护比普通保护更加灵活，使动作更加迅速3.微机保护具有比常规保护更高的可靠微机保护能够实时地对软硬件进行自我检测，综合分析、判断能力非常强大。它可以在检测出硬件故障的同时发出报警信号并且迅速地闭锁跳闸出口回路。软件的自检功能可以对输入数据进行纠错，可以自动识别和排除干扰。一句话来说，微机保护的可靠性要比传统的保护大大提高了。2.1.4 微机保护的硬件框图 2微机保护的硬件框图如图 2-1 所示。第 2 章 微机保护的基本理论知识5电压形成电压形成L FL FS / HS / HMUXA / D并行接口M P UE P R O MF L A S HR A M串行接口时钟译码逻辑定时器光电隔离出口电路打印机开关量输入开关量输出键盘L C D数据采集系统微机主系统串行通信输入/输出系统来自电流互感器电压互感器图 2-1 微机保护硬件框图一电压形成回路微机保护要实现其保护功能，需要得到来自被保护线路和设备电流互感器、电压互感器上传来的信息，但不幸的是直接从这些互感器取得的二次数值、输入范围不适用于常用的微机保护电路，因此这些信息需要加以降低和变换。在微机保护中，通常要求输入的电压信号为 V 或 V，具体需要有模数转换器来决定。一般来说，电压510变换时采用小型中间变压器。当涉及电流变换时，普遍存在着两种方式，一种采用小型中间变流器，其二次侧需要并联电阻从而取得所需要的电压，另一种采用了电抗变压器。这些变换器不仅有上述功能，还能起到屏蔽和隔离的作用，从而大大提高了保护的可靠性。二采样保持电路与模拟低通滤波器 31.采样保持器(S/H )采样就是把连续变化的模拟量进行离散化，过程如图 2-2 所示。第 2 章 微机保护的基本理论知识6图 2-2 信号采样图2.模拟低通滤波器(ALF)根据奈奎斯特采样定理，采样信号的频率 必须大于 ( 为被采样信号的频fsf02率)。对于微机保护，故障发生瞬间，电压、电流可能含有高频分量，采样前需要用低通