微机保护算法综合仿真教程

1、第一部分 微机保护算法综合仿真方法第一节 概述我们在电力系统微机保护原理课程中已经学习了数字滤波器和保护算法的设计方法。但是，这些方法都是理论上的，而且往往都作了一些假设和简化处理。例如，在设计FIR滤波器时采用某种窗函数对冲激响应h(t)进行截断处理，在采用富氏算法时假设信号是周期性的等等。这些理论上设计出来的滤波器和保护算法在电力系统各种复杂故障情况下，尤其是在考虑电力系统故障暂态的情况下，其性能是否能满足要求，还需要进行更多更深入的研究。由于不可能在真实的电力系统中去制造短路故障以考核所设计的滤波器和保护算法的正确性和有效性，所以，通常的做法是首先进行仿真研究，成功后再在动模系统上进行实

2、验考核，考核通过后即可送国家质量检测中心进行检测。可见，仿真研究是设计微机保护必须进行的重要工作之一。电力系统故障暂态仿真常用电力系统电磁暂态仿真程序（EMTP）进行。EMTP可用以完成电力系统各种元件、线路故障的暂态仿真，应用十分广泛。但是，在需要对暂态故障电流电压数据进行进一步研究分析时，往往需要借助其它分析软件，而且很多时候还需要对故障电流电压数据的格式进行转换，使用上不是很方便。而利用MATLAB软件包进行电力系统故障仿真、数字滤波器设计及微机保护算法仿真则非常简单。例如，MATLAB 6.5软件包自带电力系统电磁暂态仿真程序，即电力系统工具箱SimPowerSystems，利用它完成

3、电力系统故障暂态仿真后，进行微机保护算法综合仿真时可以直接调用暂态故障电流电压仿真数据。进行电力系统故障暂态仿真和微机保护算法综合仿真的方法和步骤如下：（1）根据原始电力系统的接线与系统参数，建立电力系统故障暂态仿真模型。（2）利用MATLAB软件包自带的电力系统工具箱SimPowerSystems完成电力系统故障暂态仿真后，得到暂态故障电流电压数据。（3）编制微机保护数字滤波器和保护算法的综合仿真程序，通过对暂态故障电流电压数据的滤波处理和保护算法运算，研究分析数字滤波器与保护算法的基本性能。第二节 电力系统工具箱设计基础 一、电力系统工具箱概述电力系统工具箱是MATLAB环境下的电力系统仿

4、真工具，其仿真文件类型为.mdl。电力系统工具箱为用户提供了很方便的图形化功能模块。功能模块运行于MATLAB的Simulink模拟工具环境，可通过用鼠标点击、拖拽等简单操作实现仿真功能模块的选取、连接等功能，使得用户可以迅速方便地连接一个电力系统仿真模拟系统，从而简化电力系统仿真模拟设计流程，减轻设计负担。电力系统工具箱的功能模块库包含了典型的电力系统仿真功能模块，如电力变压器、输电线路、发电机及各种电力电子元件等。用户可利用图形化功能模块库迅速完成自己的电力系统故障暂态仿真工作。所有这些仿真功能模块都带有自己的帮助文件，用以描述模块的功能、参数、属性设置方法及基本使用方法。 二、电力系统工

5、具箱基本操作下面将以电力系统模块库（Power System Blockset）为例介绍电力系统工具箱的基本操作方法。1、 启动MATLABMATLAB命令窗口如图1所示。单击命令窗口中的“Browse for folder”按钮，在MATLAB命令窗口中设置当前的工作路径，则MATLAB中的.m文件与电力系统工具箱中进行的电力系统故障暂态仿真模型的仿真结果均可保存于所设置的当前路径中。图1 MATLAB命令窗2、 启动电力系统工具箱模拟工作环境在MATLAB命令窗口执行：Simulink，或单击“Start/Simulink/Library Browser”菜单，即可出现Simulink的模

6、块库浏览器（见图2）。图2 Simulink的模块库浏览器在图2所示的模块库浏览器的左下方窗口中，利用下滑块可以找到电力系统模块库SimPowerSystems，单击其前面的，可出现电力系统模块库浏览器（见图3）。在电力系统模块库浏览器中选择需要的功能模块，就可以完成相应的电力系统仿真系统的建模工作。图3 电力系统模块库浏览器在MATLAB命令窗口执行：powerlib，也可出现电力系统模块库浏览器的另外一种形式，如图4所示。图4 powerlib模块窗口单击图3中工具条左边的图标（建立新模型），就会弹出如图5所示的“建立新模型”窗口。打开已经存在的模型文件也有几种方式：1）在MATLAB命令

7、窗口直接键入模型文件名（不要加扩展名“.mdl”），这要求该文件在当前的路径范围内；2）在菜单上选择：File/Open；3）单击图4或图5所示窗口工具条上的打开图标。图5 建立新模型窗口注意：Simulink相关的几类窗口，如模块库浏览器、模块库、模型等，和仿真结果输出窗口的性质相对独立，不属于MATLAB的图形对象，不能用句柄图形（handlegraphics）的命令设置或修改这类窗口的属性。和其他很多Windows窗口操作的特点类似，在Simulink的模型窗口和模块库窗口的View菜单下选择或取消Toolbar和StatusBar选项，就可以显示或去掉工具条和状态条。在进行仿真的过程中

8、，模型窗口的状态条会显示仿真状态、仿真进度、仿真时间等相关信息。3、 电力系统工具箱功能模块的操作 电力系统工具箱的功能模块是建立电力系统故障暂态仿真模型的基本单元，用适当的方式把各种模块连在一起就能够建立电力系统故障暂态仿真的模型。以下将介绍电力系统工具箱功能模块的操作方法。 （1）选取模块在模块库浏览器窗口中进行操作时，如果要选取单个功能模块，只要用鼠标在模块上单击即可，此时模块库浏览器窗口中的模块注释区显示相应模块的功能描述，如图6所示。在模块库窗口或模型窗口中进行操作时，如果如果要选取单个功能模块，只要用鼠标在模块上单击即可，这时模块的角上出现黑色的小方块，如图7所示。选取多个模块时，

9、在所有模块所占区域的一角按下鼠标左键不放，拖向该区域的对角，在此过程中会出现虚框，当虚框包住了要选的所有模块后，放开鼠标左键，这时在所有被选模块的角上都会出现小黑方块，表示模块都被选中。（2）复制、删除模块1）在不同的窗口之间复制。当我们建立模型时，需要从模块库窗口或者已经存在的模型文件窗口把需要的模块复制到新建模型文件的窗口。要对已经存在的模型进行编辑时，有时也需要从模块库窗口或另一个已经存在的模型文件窗口复制模块。最简单的办法是：用鼠标左键点住要复制的模块（之前要打开源模块和目标模块所在的窗口），按住左键移动鼠标到目标窗口，然后释放左键，该模块就会被复制过来，而源模图6 模块库浏览器窗口中

10、的模块注释区显示相应模块的功能描述示例块不会被删除。这也是从模块库浏览器窗口复制模块到模型文件窗口的唯一方法。图7 在模块库窗口选择模块示意图在模块库窗口或模型窗口中进行操作时，还可以用Edit菜单下的Copy和Paste命令来完成复制和粘贴：先选定要复制的模块，选择Edit菜单下的Copy命令，然后到目标窗口的Edit菜单下选择Paste命令。2）在同一模型窗口内复制。有时一个模型需要多个相同的模块，这时的复制方法如下：用鼠标左键按住要复制的模块，按住左键移动鼠标，同时按下Ctrl键，到适当位置放开鼠标，该模块就被复制到当前位置。更简单的方法是按住鼠标右键移动鼠标。另一种方法是选定要复制的模

11、块，选择Edit菜单下的Copy命令，然后选择Paste命令。这时复制出的模块名称在原名称得基础上又加了编号，这是Simulink相关的所有功能模块操作的约定：每个模型中的模块和名称是一一对应的，相同的模块或不同的模块都不能用同一个名称。3）删除模块。选定模块，选择Edit菜单的Cut（删除到剪贴板）或Clear（彻底删除）命令，或者在模块上单击鼠标右键，在弹出菜单选择Cut或Clear命令。这一操作只能在模型窗口中进行。（3）模块的参数和属性设置几乎所有模块的参数（Parameters）都允许用户进行设置。只要双击要设置的模块，或在模块上按住鼠标右键并在弹出的上下文菜单中选择“Block P

12、roperties”就会弹出参数设置对话框。电力系统工具箱中的另外一些功能模块是由简单功能模块创建的Subsystem复杂功能模块，又称图罩（Mask），则相应在上下文菜单中选择“Mask Properties”就会弹出参数设置对话框。 图8所示的是分布参数线路模块的参数设置对话框，用户可以设置它的相数、频率、线路长度、线路分布参数（单位线路长度的电阻、电容和电感值）等参数。 每个模块都有一个内容相同的属性（Properties）设置对话框，如图9所示。它的打开方式是在模块上按住鼠标右键并在弹出上下文菜单中选择“Block Properties”。该对话框包括如下几项内容： 1）说明（Desc

13、ription）：是对该模块在模型中用法的注解。2）优先级（Priority）：规定该模块在模型中相对于其他模块执行的优先顺序。优先级的数值必须是整数或者不输入数值，不输入时系统会自动选取合适的优先级。优先级的数值越小（可以是负整数），优先级越高。 3）标记（Tag）：用户为模块添加的文本格式的标记。4）回调函数（Callbacks）：用户双击模块时调用的（MATLAB）函图8 分布参数线路模块的参数设置对话框 数。 5）模块注释（Black Annotation）：指定在该模块的图标下显示的参数和格式。 （4）模块外形的调整 1）选定模块。用鼠标点住其周围的四个黑方块中的任一个拖动，这时会出

14、现一个虚线的矩形表示新模块的位置，到需要的位置后释放鼠标即可。 图9 分布参数线路模块的属性设置对话框 2）调整模块的方向。选定模块，选取菜单Format下的Rotate Block使模块旋转90，Flip Block使模块旋转180。 3）给模块加阴影。选定模块，选取菜单Format下的Show Drop Shadow使模块产生阴影效果。 （5）模块名的处理 1）确定模块名显示与否。选定模块，选取菜单Format下的Hide Name，模块名就会被隐藏起来，同时Hide Name改为Show Name。选取Show Name就会使模块隐藏的名字显示出来。 2）修改模块名。用鼠标左键单击模块名

15、的区域，这时此处出现编辑状态的光标，在这种状态下能够对模块名随意进行修改。 模块名和模块图标中的字体也可以更改，方法是：选定模块，在菜单Format下选取Font，这时会弹出Set Font对话框，在对话框中选取想要的字体即可。 3）改变模块名的位置。模块名的位置有一定的规律：当模块的接口在左右两侧时，模块名只能位于模块的上下两侧，缺省在下侧；当模块的接口在上下两侧时，模块名只能位于模块的左右两侧，缺省在左侧。因此，模块名只能从原位置移到相对的位置。可以用鼠标拖动模块名到其相对的位置；也可以选定模块，用菜单Format下的Flip Name实现相同的移动。4、 模块的链接前面介绍了模块本身的各

16、种操作。当设置好了各个模块后，还需要把它们按照一定的顺序连接起来，才能组成一个完整的系统模型。下面讨论模块连接的相关问题。1）连接两个模块。这是最基本的情况：从一个模块的输出端连到另一个模块的输入端。方法是：移动鼠标到输出端，鼠标的箭头会变成十字型光标，这时点住鼠标左键，移动鼠标到另一个模块的输入端，当十字箭头出现“重影”时，释放鼠标左键就完成了连接。2）模块间连线的调整。这种调整模块间连线位置的任务可以采用简单拖动的办法来实现。即先把鼠标移到需要的线段位置，按住鼠标左键，移动鼠标到目标位置后，再释放鼠标左键。要把一条直线分成斜线段，调整方法和前一种情况类似，不同之处在于：按住鼠标左键之前要先

17、按下Shift键，出现小黑方块之后，鼠标点住小黑方块移动，移动好后再释放Shift键和鼠标。3）连线的分支。操作时经常会碰到把一个信号输送到不同的模块的情况，这时就需要分支结构的连线。这种情况的步骤是：先连好一条线之后，把鼠标移到支线的起点位置，按下Ctrl键，然后按住鼠标拖到目标模块的输入端，释放鼠标和Ctrl键。5、 连线上反映的信息1）用粗线表示向量。为了能够比较直观地区别各个模块之间传输的数据是向量还是数据，可以选择模型文件菜单Format下的Wide nonscalar Lines选项，这样传输数组的连线就会变粗。如果再选择Format下的Signal Dimension选项，在传输

18、数组的连线上方会显示出通过该连线的数组维数。2）显示数据类型。在连线上可以显示前一个模块输出的数据类型：选择菜单Format下的Port Data Types选项。3）信号标志。为了使模型更加直观、可读性更强，可以给传输的信号做标记。建立信号标记的方法是：双击要做标记的线段，出现一个文本编辑框，在里面输入标记的文本，这样就建立了一个信号标记。信号标记可以随信号的传输在一些模块中进行传递。支持这些传递的模块有Mux、De-mux、Inport、Form、Selector、Subsystem和Enable。要实现信号标记的传递，需要在上面列出的模块输出端建立一个以“”开头的标记。当开始仿真或执行E

19、dit菜单下的Updata Diagram命令时，传输过来的信号标记就会显示出来。三、电力系统模块库的几类基本模块下面以表格的形式给出了电力系统模块库中的模块功能简介，从而使用户可以对电力系统模块库的一些主要模块有一个初步的认识。如表1至表9所示，这些表中的模块名和模块库中的模块图标下的名称一致。表1 Electrical Sources Library Blocks（电源库模块）Block Name（模块名）Purpose（功能）AC Current Source实现一个正弦型电流源AC Voltage Source实现一个正弦型电压源Controlled Current Source实现一

20、个受控电流源Controlled Voltage Source实现一个受控电压源DC Voltage Source实现一个直流电压源表2 Power Electronics Library Blocks（电力电子库模块）Block Name（模块名）Purpose（功能）Diode实现一个二极管GTO实现一个门极可关断的晶闸管Ideal Switch实现一个理想开关IGBT实现一个绝缘栅双基极管MOSFET实现一个金属氧化物半导体场效应管Thyristor实现一个晶闸管表3 Measurements Library Blocks（测量库模块）Block Name（模块名）Purpose（功能）

21、Current Measurement测量电路中的电流Impedance Measurement测量电路中的阻抗（频率的函数）Multimeter测量电力系统组合模块的电压和电流Voltage Measurement测量电路中的电压表4 Elements Library Blocks（元件库模块）Block Name（模块名）Purpose（功能）Breaker实现一个电流过零时开断的断路器Distributed Parametert Line实现一个N相分布参数输电线路Linear Tranformer实现一个双绕组或三绕组线性电力变压器Mutual Inductance实现一个两线圈或三线

22、圈耦合的电抗器Parallel RLC Branch实现一个并联RLC支路Parallel RLC Load实现一个并联RLC负载PI Section Line实现一个集中参数单相输电线路Saturable Transformer实现一个双绕组或三绕组可饱和的电力变压器Series RLC Branch实现一个串联RLC支路Series RLC Load实现一个串联RLC负载Surge Arrester实现一个金属氧化物避雷器Three-Phase Tranformer(Two Winding)实现一个三相双绕组电力变压器Three-Phase Tranformer(Three Winding

23、)实现一个三相三绕组电力变压器表5 Machines Library Blocks（电机库模块）Block Name（模块名）Purpose（功能）Asynchronous Machine动态三相异步电机（感应电机）DC Machine他励直流电机Excitation System励磁系统Hydraulic Turbine and Governor水轮机和调速系统Permanent Magmet Synchronous Machine永磁同步电机Simplified Synchronous Machine简化同步电机Steam Turbine and Governor汽轮机和调速系统Synch

24、ronous Machine动态三相凸极同步电机表6 Powerlib_extras/Control Blocks Library Blocks（电力系统扩展/控制模块库模块）Block Name（模块名）Purpose（功能）PWM Generator脉宽调制脉冲发生器Synchronized 6-Pulse Generator同步6脉冲发生器Synchronized 6-Pulse Generator同步12脉冲发生器3-Phase Programmable Source三相信号源，Timer定时器表7 Powerlib_extras/Measurements Library Blocks

25、（电力系统扩展/测量库模块）Block Name（模块名）Purpose（功能）abc_to_dq0 Transformation实现派克变换从abc到dq0变换Active & Reactive Power测量电压电流对的有功和无功dq0_to_abc Transformation实现派克变换从dq0到abc变换Fourier傅立叶变换RMS测量信号的均方根(RMS)3-Phase Sequence Analyzer测量三相信号的正序、负序和零序分量Three-Phase V-I Measurement测量三相电压和电流Total Harmonic Distortion测量总谐波失真度表8

26、Powerlib_extras/Three-Phase Blocks Library（电力系统扩展/三相模块库）Block Name（模块名）Purpose（功能）3-Phase Breaker实现电流过零时开断的三相断路器3-Phase Fault相间和接地短路故障模块表9 Connectoes Library Blocks（连接器库模块）Block Name（模块名）Purpose（功能）Bus Bar母线Ground地Neutral中性点为了保存和观察仿真结果，还要用到Simulink的其他模块，例如接收模块（Sinks）。单击命令窗口中的Simulink按钮，打开Simulink的模块

27、库浏览器。在模块库浏览器中选择Simulink模块类库，再进一步选择接收模块库Sinks，可观察到相应的各个接收模块。具体的接收模块及其功能如表10所示。表10 Simulink/Sinks（仿真/接收模块）Block Name（模块名）Purpose（功能）Scope观测器（示波器）XY GraphXY观测器（示波器）Display输入信号的数字显示To File以行格式将时间和输出值写入指定的MAT文件To Workspace将输出值写入MATLAB主工作区指定的数组或结构第三节 电力系统故障暂态仿真本节在第二节基础上，更深入地介绍利用电力系统工具箱建立电力系统仿真模型、在Simulink

28、环境中进行电力系统故障暂态仿真的方法，并给出一个具体的仿真算例。一、仿真模拟参数的设定1、Solver参数的设定Solver参数的设定是进行仿真模拟工作前的准备工作，如何设定参数是根据程序设计时的需求而定的，以便Simulink发挥最好的效果。最基本的参数设定包括起始与终止模拟的时间、模拟的步长大小与Solver的类别等。进行参数设定可以在已建好的仿真模型窗口下选择Simulation/Simulation Parameters，出现如图10所示的仿真参数对话框，其中的选项的意义如下：（1）Apply：用于修改参数后的确认，表示将目前改变的参数设定用于接下来的仿真。图10 仿真参数（Solve

29、r）设定对话框（2）OK：确认参数设置的相关操作，并关闭参数设置对话框。（3）Cancel：取消参数设置的相关操作，并关闭参数设置对话框。（4）Help：显示使用方法的说明。（5）Simulation time：为仿真起止时间，不一定等于真正的时间，需要根据程序的大小与复杂程度而定。（6）Solver options（解法器选项）：包括许多选项，其中1）Variable-step（可变步长）：能够在仿真过程中自动修改步长的大小（step sizes）以满足容许误差的设定与零跨越（zero crossing）的需求，一般设定为ode45，但当模型没有表示连续状态（Continuous state

30、）时，就必须选discrete。最大步长（Max step size）的默认值一般为auto。2）Fixed-step（固定步长）：固定步长的大小，不会自动修正步长以满足容许误差的设定与零跨越的需求。其中解法器Solver共有ode5,ode4,ode3,ode2,ode1和discrete六种解法可选，一般采用ode4作为Solver，它等效于ode45。另外ode3等效于ode23。3）Output options：第一个选项为Refineoutput，其Refinefactor最大为4，默认值为1，数值越大则输出越平滑。第二个选项为Produceadditionaloutput，设定其O

31、utputtimes的数值与Refinefactor类似，它能使输出更平滑。第三个选项是Producespecifieldonly，只是在设定的Outputtimes中产生输出。2、工作空间（Workspace）参数的设定在Workspace I/O 标签页内可以设定若干参数，如图11所示。该标签页的主要目的是处理数据的输入/输出。可在Load from workspace中设定两个列向量的变量名称，如图11所示的（t,u）。其中t是时间，而u则是对应该时间的数据值。写出的部分在Save to woekspace中设定，可设定4个变量，分别为Time、States、Output和Final s

32、tate。图11 工作空间（Workspace）窗口设定State后就可以从其他的地方读取状态值，或在得到稳定状态值时，将其保存起来以备下次仿真时使用。只要在Loadinitial及Savefinal中给定变量名称，便可以在下次仿真时通过调用这两个变量来使用。Limit data point to last可以限定存取行数。Decimation为降频的程度，降频系数的默认值为1，表示每一个点都返回状态与输出值；若设为2，则会每隔2个点返回状态与输出值，这些结果会保存起来。3、诊断（Diagnostics）参数的设定诊断（Diagnostics）参数设定窗口如图12所示。它主要用于诊断模型是否精

33、确、效果是否很好，或者在发生某些事件时，设定应采取的措施。图12中白色窗口栏内为程序执行时可能遇到的情况，而Action为情况发生时应执行的操作，这可以由用户选择设定。Con-Sistency checking用于s函数与Simulink Solver连接后的功能验证，有none、warning、error三种选择，一般都选择none，以免影响执行速度。如果选择warning或者error，Simulink会验证输出值、零跨越值、微分值和状态值是否正确。Disable zero crossing detection是复选框，选中该复选框的目的是取消对零跨越的检测。图12 诊断（Diagnost

34、ics）参数设定窗口二、建立电力系统仿真模型1、原始系统参数及模型图13给出了一个实际500kV输电线路模型，MN为故障线路，NR为非故障线路。线路参数为：正序阻抗： （）G图13 系统模型G零序阻抗： （）线路对地正序电容：线路对地零序电容：M、N侧等值系统的参数为： 2、建立电力系统暂态仿真模型打开建立新模型窗口，将建立电力系统暂态仿真模型所需的仿真模块由模块库中拷贝后粘贴到新模型窗口内，再按图13所示的系统模型连接关系进行连接。本系统模型较为简单，在建立电力系统仿真模型时主要用到以下仿真模块：三相分布参数线路模块：Elements Library Blocks/Distributed P

35、arameter Line；三相等值系统模块：3-phase inductive source；三相故障模块：Powerlib_extras/Three-Phase Blocks Library/3-Phase Fault；三相电压电流测量模块：Powerlib_extras/Measurements Library Blocks/Three-Phase V-I Measurement。为了完成微机保护数字滤波器与保护算法的综合仿真，还需要将电力系统暂态仿真得到的暂态故障电流电压数据输出到文件保存，为此还需要用到Simulink模块库中的保存到文件模块（Simulink/Sinks/To Fi

36、le）。将以上模块由模块库浏览器中拖放到“建立新模型”窗口中。新模型的缺省名为untitled，可保存为其他文件名。本例命名为kk500kv.mdl。下面分别介绍各模块的参数设置及模块的使用方式。（1）三相等值系统模块三相等值系统模块的外形如图14所示，其参数设置窗口如图15所示。要打开三相等值系统模块的参数设置窗口，可以用鼠标左键双击三相等值系统模块。图14 三相等值系统模块外形图(右边被选中的模块)图15 三相等值系统模块的参数设置窗口 参数设置窗口中可设置电压幅值、相位、频率及等值系统阻抗（等值系统阻抗要求分别输入电阻值和电抗对应的电感值）。（2）分布参数线路模块分布参数线路模块的外形如

37、图14所示，其参数设置窗口如图17所示。参数设置窗口中可设置相数、频率、分布参数线路的分布参数（单位线路长度的正序、零序电阻，单位线路长度的正序、零序电抗对应的电感值，单位线路长度的正序、零序电容值。）以及线路长度等参数。由于需要在仿真时改变MN故障线路上故障点的距离，因此MN线路用2段分布参数线路模块来模拟，2段分布参数线路长度之和应为MN线路的长度。（3）三相故障模块三相故障模块连接于MN故障线路上，用于模拟各种不同类型的故障。三相故障模块图16 三相故障模块内部关系图内部的连接关系如图16所示。参数设置窗口中可设置故障类型、相间故障过渡电阻和图17 分布参数线路模块的参数设置窗口接地故障

38、过渡电阻。三相故障模块内部开关的分、合时间可以分别由外部Simulink控制信号（外部控制模式）或内部控制计时器（内部控制模式）控制。三相故障模块的内部开关可分别控制分、合以便模拟各种不同类型的相间故障或接地故障。 当三相故障模块设置为外部控制模式时，模块将显示外部控制输入端com。外部控制信号逻辑0打开开关，外部控制信号逻辑1闭合开关。当三相故障模块设置为内部控制模式时，开关时间与控制状态在参数设置窗口设置。 参数设置窗口中可设置故障类型、相间故障过渡电阻、接地故障过渡电阻等参数。注意：缺省设置为金属性短路，、的阻值为0.001W（仿真算法的要求，金属性短路时、的阻值不能为0）。内部控制模式

39、时三相故障模块的参数设置窗口如图18所示。图中将三相故障模块设置三相接地短路、暂态仿真时间从0.1s开始故障，0.2s结束故障。图18 三相故障模块参数设置窗口（内部控制模式）（4）三相电压电流测量模块 三相电压电流测量模块的作用相当于实际系统中的三相电压、电流互感器的作用。三相电压电流测量模块的外形如图14中左边第二个模块所示，其参数设置窗口如图19所示。 三相电压电流测量模块的参数设置窗口中可设置输出电压电流的基准值。当设置输出电压电流的基准值后，输出电压电流就是标么值，否则输出电压电流就是有名值。（5）保存到文件模块 保存到文件模块的外形如图14中右上角第一个模块所示，其参数设置窗口如图

40、20所示。 保存到文件模块的参数设置窗口中可设置数据文件名、数据文件变量名。Decimation参数取值为n时，数据文件中保存的采样数据为实际采样数据的1/n。采样时间参数用于保证图19 三相电压电流测量模块的参数设置窗口图20 保存到文件模块的参数设置窗口数据文件中保存的数据为给定的等间隔采样值，其间隔为采样时间参数确定的时间。图14中保存到文件模块与Simulink中的Mux模块配合工作。Mux模块位于Simulink/Signal Routing模块库中，用于将向量或标量组合为大的向量。此处使用Mux模块是为了将仿真模型中的MN线路与NR线路两端的三相电压电流测量模块输出信号组合后保存于

41、数据文件中。组合顺序为MN线路的M端、N端与NR线路的N端、R端的三相电压与电流。 数据文件的数据按矩阵形式保存，文件格式为.mat。数据矩阵具有图21所示的形式。t为采样时刻；除第一行外，每一行都是一个输入向量，每个输入向量的采样数据的个数为n个。图21 数据矩阵的形式（6）电力系统暂态仿真模型 按照原始电力系统参数设置各模块的参数并按照原始电力系统模型接线关系对各模块进行连接后，可以得到如图22所示的电力系统暂态仿真模型图。图22 电力系统暂态仿真模型（7）电力系统暂态仿真模型的实际仿真 三相故障模块中的暂态仿真时间被设置为0.1s开始故障，0.2s结束故障，因此在电力系统暂态仿真模型窗口

42、的Simulink菜单下的Simulation Parameters中可设置仿真开始时间为0s，仿真结束时间为0.2s，即00.1s时间段为仿真系统正常运行阶段，0.10.2s时间段为仿真系统故障阶段。 仿真操作既可在MATLAB命令窗口中运行相应的仿真命令完成，也可以直接在电力系统暂态仿真模型窗口执行Simulation菜单下的Start命令完成。更简单的方法是，在暂态仿真模型窗口执行工具条上的图标完成电力系统暂态仿真模型的仿真。第四节 微机保护算法综合仿真 本节利用第三节建立的电力系统仿真模型在Simulink环境中进行电力系统故障暂态仿真所产生的数据文件kbc.mat对微机保护算法进行综

43、合仿真，用以分析微机保护数字滤波器及保护算法的性能。算法综合仿真的内容包括： （1）准备仿真数据文件。使用的数据文件可以用MATLAB电力系统工具箱产生，也可以用EMTP电力系统故障暂态仿真软件或实际电力系统故障录波的数据文件（如果调用EMTP电力系统故障暂态仿真软件或实际电力系统故障录波的数据文件，还需要对其进行数据格式转换）。（2）微机保护数字滤波器与保护算法编程。（3）调用电力系统故障暂态数据文件，对故障数据文件进行数字滤波处理和保护算法计算，并以图形方式显示数字滤波器和保护算法计算的结果。（4）算法仿真结果的误差分析和性能分析。一、准备仿真数据文件 假定需要考察第三节建立的电力系统暂态

44、仿真模型中MN线路在距离M侧42km处发生三相短路故障时微机保护数字滤波和保护算法的性能，则分别设置模拟MN故障线路的两段分布参数线路模块L1、L2的线路长度各为42km和300km（两段分布参数线路长度之和等于MN线路长度）。仿真结果的数据文件名为kbc.mat，数据文件用于保存数据的矩阵变量名为m，三相故障模块被设置为三相短路故障，暂态仿真时间为0.1s开始故障，0.2s结束故障，采样时间（即每工频周期采样12点）。完成电力系统暂态仿真模型的实际仿真后，得到仿真数据文件kbc.mat。 比如，要考察MN线路N端微机保护的数字滤波器及保护算法的性能，需要使用MN故障线路N端的故障暂态电流电压

45、数据。根据保存到文件模块中输出向量的排列顺序（如图21所示），MN故障线路N端的故障暂态电压数据排列在矩阵m的第8行（a相电压）、第9行（b相电压）和第10行（c相电压），而MN故障线路N端的故障暂态电流数据排列在矩阵m的第11行（a相电流）、第12行（b相电流）、第13行（c相电流）。这样，可以编制M文件c8e1.m（如图23所示）获得相应的故障暂态电压电流数据，并绘制电压电流波形图（如图24所示）。获得并分析M端或非故障线路电压电流数据的方法与此类似。图23 M文件c8e1.m图24 MN故障线路N端电压电流波形图关于M文件c8e1.m的说明：第1行，清工作区；第2行，读取数据文件kbc.

46、mat，该文件中存放有保存电压电流数据的矩阵变量m；第3行，将矩阵m转置后，赋给矩阵k，这样，k矩阵的第8列、第9列和第10列分别对应于MN故障线路N端的电压va、vb和vc，k矩阵的第11列、第12列和第13列分别对应于MN故障线路N端的电流ia、ib和ic。K矩阵的第一列为时间（即各采样时刻）；第4行，将k矩阵中的第1列各行的采样时刻值赋给数组t。t=k（：，1）表示将k矩阵中第1列各元的值赋给数组t，符号“：”表示从第1行开始取值一直到第n行；第5行，将k矩阵中的第8列各行的采样值赋给数组va，即读取a相电压；将k矩阵中的第9列各行的采样值赋给数组vb，即读取b相电压；将k矩阵中的第10

47、列各行的采样值赋给数组vc，即读取c相电压；第6行，将k矩阵中的第11列各行的采样值赋给数组ia，即读取a相电流；将k矩阵中的第12列各行的采样值赋给数组ib，即读取b相电流；将k矩阵中的第13列各行的采样值赋给数组ic，即读取c相电流；第7行，创建一个新的图形窗口；第8行，将图形窗口划分为2行1列的2块区域（即上下2块区域），取第一块图形区域（即上面的一块图形区域）；第9行，在第8行创建的第一块图形区域内分别绘制：a相电压va（实线）、b相电压vb（虚线）、c相电压vc（点划线）；第10行，在第9行所绘制的图形上加入：x轴的时间标志及单位t/ms、y轴的电压标志及单位v/V、绘出va/vb/

48、vc的图例；第11行，将图形窗口划分为2行1列的2块区域（即上下2块区域），取第2块图形区域（即下面的一块图形区域）；第12行，在第11行创建的第2块图形区域内分别绘制：a相电流ia（实线）、b相电流ib（虚线）、c相电流ic（点划线）；第13行，在第12行所绘制的图形上加入：x轴的时间标志及单位t/ms、y轴的电流标志及单位i/A、绘出ia/ib/ic的图例。二、微机保护数字滤波器仿真举例以Tukey低通滤波器为例。1、Tukey低通滤波器设计Tukey低通滤波器具有较短的暂态时延，所以在微机距离保护中得到了应用。其设计过程如下：（1）Tukey模拟低通滤波器的冲击响应为 式中，为截止频率。

49、 （2）将其离散化，有 考虑计算方便，取，有 可得冲激响应序列为 （3）于是，所设计的Tukey数字低通滤波器的差分方程为2、编程仿真Tukey数字低通滤波器的仿真程序如下（文件名为c8e2.m）：c8e2.m1 clear2 close all3 load kbc.mat;4 k=m;5 t0=k(:,1);t=t0;tmax=max(t);tmin=min(t);6 x y=size(k);7 T=0.02;N=round(x*T)/(tmax-tmin);8 m=k(:,8:13);9 %Tukey低通滤波器10 a=1;b=0 1 3 4 3 1 0; %可使用不同滤波器考察滤波效果1

50、1 m=filter(b,a,m)/4; %实现差分方程输出12 va=m(:,1);vb=m(:,2);vc=m(:,3);13 ia=m(:,4);ib=m(:,5);ic=m(:,6);14 figure15 subplot(211);16 plot(t,va,k,t,vb,k:,t,vc,k-.);17 xlable(t/ms);ylable(v/V);legend(va,vb,vc);18 subplot(212);19 plot(t,ia,k,t,ib,k:,t,ic,k-.);20 xlable(t/ms);ylable(i/A);legend(ia,ib,ic); 图25给出了

51、前面例子中N侧电压电流经Tukey低通滤波处理后的波形。可见，经过低通滤波后，N侧电压电流信号中的高次谐波被滤掉了，与图24比较波形平滑了许多。图25 MN故障线路N端电压电流经Tukey低通滤波后的波形图关于M文件c8e2.m的说明：第1行，清工作区。第2行，关闭所有窗口。第3行，读取数据文件kbc.mat，该文件中存放有保存电压电流数据的矩阵变量m。第4行，将矩阵m转置后，赋给矩阵k，这样，k矩阵的第8列、第9列和第10列分别对应于MN故障线路N端的电压va、vb和vc，k矩阵的第11列、第12列和第13列分别对应于MN故障线路N端的电流ia、ib和ic。K矩阵的第一列为时间（即各采样时刻

52、）。第5行，将k矩阵中的第1列各行的采样时刻值赋给数组t。t0=k（：，1）表示将k矩阵中第1列各元的值赋给数组t0，符号“：”表示从第1行开始取值一直到第n行；该行还将数组t中各元素的最大值赋给tmax，最小值赋给tmin。第6行，将k矩阵的行数赋给x，将k矩阵的列数赋给y。第8行，将k矩阵的第813列赋给新的矩阵m。则m矩阵的第1列为va，第2列为vb，第3列为vc，第4列为ia，第5列为ib，第6列为ic。第10行，给tukey低通滤波器的单位冲击响应系数b赋值（比实际值扩大了4倍）。第11行，将m矩阵中每一列信号经tukey低通滤波后（实际经差分滤波），输出给新的矩阵m。因此，现在的矩

53、阵m的第1列至第6列分别为经过滤波后的va,vb,vc,ia,ib,ic。剩下的各行与c8e1.m基本相同，不再说明。三、微机保护算法综合仿真如果要考察第三节建立的电力系统暂态仿真模型中MN故障线路M端保护安装出口近区42km处两相短路故障时微机保护算法的性能，则分别设置模拟MN故障线路的两段分布参数线路模块L1和L2的线路长度分别为42km和300km（两段分布参数线路长度之和等于MN故障线路的长度）。仿真数据文件名为kbc、数据文件变量名为m，三相故障模块被设置为BC两相短路故障，暂态仿真时间为0.1s开始故障，0.2s结束故障，采样时间间隔为，即每工频周期采样12点（对应工频频率为50H

54、z）。保存到文件模块采样时间参数与三相故障模块采样时间参数相同。完成电力系统暂态仿真模型的实际仿真后，得到仿真数据文件k2.mat。1、微机距离保护R-L模型算法综合仿真C8e4.m1 clear2 close all3 load kbc.mat;4 k=m;5 t0=k(:,1);t=t0;tmax=max(t);tmin=min(t);6 x y=size(k);7 T=0.02;N=round(x*T)/(tmax-tmin);8 m=k(:,2:7);9 va=m(:,1);vb=m(:,2);vc=m(:,3);10 ia=m(:,4);ib=m(:,5);ic=m(:,6);11 figure12 subplot(221);13 plot(t,va,k,t,vb,k:,t,vc,k-.);%绘制三相电压波形图14 xlable(t/ms);ylable(v/V);legend(va,vb,vc);%标注横坐标和纵坐标量