基于matlab-simulink的變壓器微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)仿真研究

1、<p>　　基于MATLAB/SIMULINK的變壓器微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)仿真研究</p><p>　　摘 要 介紹了變壓器微機(jī)保護(hù)的基本原理，重點(diǎn)分析了作為變壓器主保護(hù)之一的差動(dòng)保護(hù)原理和差動(dòng)回路里的不平衡電流問題。在此基礎(chǔ)上，利用 MATLAB/Simulink 里的 powersystem模塊庫，搭建了變壓器故障以及差動(dòng)保護(hù)、過電流保護(hù)、接地保護(hù)的仿真模型，仿真分析其保護(hù)出口與故障波形均與理論分析一致，證

2、明了仿真模型的正確性與有效性，研究中所搭建的變壓器故障和保護(hù)模型以及所采用的仿真分析方法，具有較強(qiáng)的通用性和廣泛的工程應(yīng)用價(jià)值。</p><p>　　關(guān)鍵詞 MATLAB/Simulink, 變壓器, 微機(jī)保護(hù), 仿真分析</p><p><b>　　1 前言</b></p><p>　　電力變壓器是電力系統(tǒng)中十分重要的電氣設(shè)備，一旦發(fā)生故障，

3、將給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)重的后果,在現(xiàn)代供電力系統(tǒng)中，對(duì)于變壓器的保護(hù)，微機(jī)保護(hù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢應(yīng)用越來越普及。</p><p>　　目前對(duì)于變壓器微機(jī)保護(hù)的研究比較前沿的理論很多，如將數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用于差動(dòng)保護(hù)中，傅式算法實(shí)現(xiàn)及其改進(jìn)算法，也有國外學(xué)者將專家系統(tǒng)，模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能方法引入變壓器微機(jī)保護(hù)的研究中。變壓器微機(jī)保護(hù)由主保護(hù)和后備保護(hù)構(gòu)成。主保護(hù)主要是由差動(dòng)保護(hù)來完成的，防止外部短路時(shí)

4、的不平衡電流以及防止勵(lì)磁涌流所致的誤動(dòng)。防止外部短路時(shí)的不平衡電流造成的誤動(dòng)，本文中采用動(dòng)作可靠的比率制動(dòng)方法。防止勵(lì)磁涌流導(dǎo)致的誤動(dòng)作，則采用二次諧波制動(dòng)的方法，二次諧波制動(dòng)技術(shù)制動(dòng)可靠，是防止勵(lì)磁涌流引起的保護(hù)誤動(dòng)作的一個(gè)實(shí)用的解決方案。</p><p>　　2 變壓器差動(dòng)保護(hù)原理</p><p>　　變壓器縱差保護(hù)是變壓器繞組故障時(shí)變壓器的主保護(hù)，差動(dòng)保護(hù)的保護(hù)區(qū)是構(gòu)成差動(dòng)保護(hù)的各側(cè)

5、電流互感器之間所包圍的部分。變壓器差動(dòng)保護(hù)涉及有電磁感應(yīng)關(guān)系的各側(cè)電流，其構(gòu)成原理是磁勢平衡原理。以雙繞組變壓器為例，如果兩側(cè)電流 、 都以流入變壓器為正方向，則正常運(yùn)行或外部故障時(shí)根據(jù)磁勢平衡原理有：</p><p><b>　　(1)</b></p><p>　　式中： 、 是變壓一次側(cè)和二次側(cè)繞組匝數(shù)， 是勵(lì)磁電流。</p><p>　　

6、下面通過對(duì)外部短路和內(nèi)部短路兩種情況的分析闡述變壓器縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的基本原理：</p><p><b>　?。?）外部短路</b></p><p>　　如果變壓器各側(cè)以流入變壓器的電流為正方向，如圖1（a）所示發(fā)生外部短路時(shí)流過變壓器的短路電流是從上往下流的，流入差動(dòng)繼電器中的電流為 ，即 =0，此時(shí)差動(dòng)繼電器不動(dòng)作。</p><p><b

7、>　?。?）內(nèi)部短路</b></p><p>　　變壓器內(nèi)部發(fā)生短路時(shí)，如圖1（b）所示。這時(shí)電流實(shí)際方向與規(guī)定的正方向一致，且幅值均較大，流入差動(dòng)繼電器的電流就等于短路電流，即 = ，差動(dòng)繼電器可以動(dòng)作切除故障。</p><p>　　(a) 外部短路 （b）內(nèi)部短路</p><p>　　圖1 變壓器縱差保

8、護(hù)原理接線圖</p><p>　　3 變壓器差動(dòng)保護(hù)建模與仿真</p><p>　　3.1 勵(lì)磁涌流建模與仿真</p><p>　　仿真模型中的電源、變壓器、負(fù)載參數(shù)如下：</p><p>　　電源參數(shù)：無窮大功率電源UN=10000V,60HZ。變壓器參數(shù)：SN=250MVA,60HZ,一次側(cè)電壓10000V，繞組阻抗8 10-4Ω，繞組電

9、抗8.4883 10-5H,二次側(cè)電壓400V，繞組阻抗1.28 10-6 Ω, 繞組電抗1.3581 10-7H ，磁阻200Ω，磁抗0.53052H。負(fù)載：有功功率1MW,感性功率100var，容性功率100var。</p><p>　　搭建的勵(lì)磁涌流仿真模型如圖 2所示。該模型由三相斷路器控制開合閘時(shí)間，三相變壓器的副邊繞組開路（即空載），設(shè)置三相斷路器在0.02s 時(shí)合閘，相當(dāng)于變壓器空載投入運(yùn)行，此時(shí)變

10、壓器原邊繞組會(huì)產(chǎn)生較大的勵(lì)磁涌流。設(shè)置總仿真時(shí)間為 0.2s，仿真算法采用 ode23tb。勵(lì)磁涌流的仿真波形如圖3所示。</p><p>　　圖2 勵(lì)磁涌流仿真模型 </p><p>　　圖3 勵(lì)磁涌流仿真波形</p><p>　　(a) A 相勵(lì)磁涌流FFT 分析</p><p>　　(b) B相勵(lì)磁涌流FFT 分析</p>

11、;<p>　　(c) C相勵(lì)磁涌流FFT 分析</p><p>　　圖4 變壓器勵(lì)磁涌流 FFT 分析</p><p>　　通過圖4所示變壓器勵(lì)磁涌流 FFT 分析可知，勵(lì)磁涌流包含有很大成分的非周期分量，使涌流偏于時(shí)間軸的一側(cè)。由于勵(lì)磁涌流可達(dá)額定電流的6~8倍，包含有大量的高次諧波分量，并以二次諧波為主，因此對(duì)縱差動(dòng)保護(hù)的影響很大。一般情況下二次諧波的含量不低于基波分

12、量的15%。波形出現(xiàn)間斷，間斷角 θj 一般大于60°。勵(lì)磁涌流的波形與合閘瞬間電壓的相位、鐵芯中剩磁的大小和方向、變壓器容量的大小、鐵芯材料的性質(zhì)和磁化曲線、變壓器的飽和磁密、合閘回路的阻抗和時(shí)間常數(shù)等因素有關(guān)。</p><p>　　3.2 三相變壓器差動(dòng)保護(hù)仿真分析</p><p>　　數(shù)字式變壓器微機(jī)差動(dòng)保護(hù)一般由啟動(dòng)元件、諧波制動(dòng)元件、差動(dòng)元件、差動(dòng)速斷元件組成。<

13、/p><p><b>　　(a)故障模型</b></p><p><b>　?。╞）保護(hù)模型</b></p><p>　　圖5 差動(dòng)保護(hù)故障與保護(hù)仿真模型</p><p>　　研究中所建立的變壓器故障和保護(hù)裝置模型如圖5所示。一般電力系統(tǒng)繼電保護(hù)是基于電流、電壓基頻分量來實(shí)現(xiàn)。但是由于故障時(shí)電流和電壓量

14、中含有大量的暫態(tài)分量（非整次諧波、非周期分量等），不利于保護(hù)的判斷，因此微機(jī)繼電保護(hù)裝置中必須有濾波算法消除這些分量的影響。微機(jī)保護(hù)中通常采用傅立葉算法。通過 3.1節(jié)仿真可知，三相變壓器空載合閘時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流中含有大量高頻分量，二次諧波含量最多，而在短路電流中二次諧波含量很少，因此可以利用二次諧波的含量來構(gòu)成制動(dòng)原理，其判據(jù)如下：</p><p><b>　?。?）</b></p&

15、gt;<p>　　式中 －表示差動(dòng)電流中的基波分量和二次諧波分量 ， 2－二次諧波制動(dòng)系數(shù)，由變壓器實(shí)際決定，一般取 15%~20%。 差動(dòng)保護(hù)采用兩折線比率制動(dòng)特性的差動(dòng)保護(hù)， 其動(dòng)作方程可表示為：</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　（4）</b></p><p>　

16、　式中 ——差動(dòng)電流 Id= ； /2； 啟動(dòng)電流；</p><p>　　拐點(diǎn)電流； ——分別為變壓器原邊、副邊繞組電流互感器的二次電流</p><p>　　帶比率制動(dòng)特性的差動(dòng)保護(hù)，引入外部短路電流作為制動(dòng)量，使差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作電流隨外部短路電流增大而增大，提高差動(dòng)保護(hù)的可靠性。當(dāng)發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，制動(dòng)電流很小，差動(dòng)電流很大，因此差動(dòng)保護(hù)具有很高的靈敏性。</p><p

17、>　　3.2.1區(qū)外故障及保護(hù)</p><p>　　設(shè)置三相故障2為三相短路，故障時(shí)間設(shè)置為 0.1~0.2s， 三相短路故障電流如圖5（a）、（b）所示，動(dòng)作信號(hào)如圖6所示。</p><p>　?。╝） 一次測電流 （b） 二次側(cè)電流</p><p>　　圖5 區(qū)外故障時(shí)變壓器一、二次電流</p

18、><p>　　圖6 區(qū)外故障時(shí)保護(hù)裝置動(dòng)作信號(hào)</p><p>　　3.2.2區(qū)內(nèi)故障及保護(hù)</p><p>　　設(shè)置三相故障1為三相短路，故障時(shí)間設(shè)置為 0.1~0.2s， 三相短路故障電流如圖7（a）、（b）所示，動(dòng)作信號(hào)如圖8所示</p><p>　?。╝） 一次側(cè)電流 （b） 二次側(cè)電流<

19、;/p><p>　　圖7 區(qū)內(nèi)故障時(shí)變壓器一、二次電流</p><p>　　圖8 區(qū)內(nèi)故障時(shí)保護(hù)裝置動(dòng)作信號(hào)</p><p>　　從圖7，圖8中仿真曲線可以看出，變壓差動(dòng)保護(hù)中，區(qū)外故障時(shí)，保護(hù)裝置不動(dòng)作，而區(qū)內(nèi)故障時(shí)，保護(hù)裝置發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，保護(hù)裝置動(dòng)作。</p><p>　　此外，本文也對(duì)變壓器的過流保護(hù)、接地保護(hù)進(jìn)行了建模與仿真分析，仿真分

20、析結(jié)果與理論吻合，此處不再贅述。</p><p><b>　　4 結(jié)論與展望</b></p><p>　　不斷發(fā)展的電力系統(tǒng)對(duì)電力變壓器保護(hù)提出了更高的要求。微機(jī)保護(hù)和傳統(tǒng)的繼電保護(hù)相比，具有較高的靈活性和可靠性，調(diào)試方便，同時(shí)還增加了故障錄波、故障測距、事件順序記錄、通訊等附加功能，微機(jī)保護(hù)已經(jīng)成為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的發(fā)展方向。本文介紹了變壓器微機(jī)保護(hù)原理及系統(tǒng)構(gòu)成，

21、并運(yùn)用 MATLAB/Simulink軟件搭建了變壓器故障和保護(hù)的仿真模型，對(duì)變壓器各種故障和保護(hù)進(jìn)行了深入的仿真分析， 重點(diǎn)分析了作為變壓器主保護(hù)之一的差動(dòng)保護(hù)原理、影響差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的主要原因和相應(yīng)的解決方法。 同時(shí)也利用 MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)，建立了變壓器差動(dòng)保護(hù)、過流保護(hù)以及接地保護(hù)的故障仿真模型，仿真結(jié)果證明了所建立的仿真模型的正確性與有效性。</p><p><b>　　參

22、考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 王帥、卓俊帆、曹祖亮、張雙平.幾種電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)算法淺析[J]. 電氣開關(guān)，2010，1～4</p><p>　　[2] 方輝洋.電力系統(tǒng)變壓器微機(jī)保護(hù)的研究[D]：湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文. 湖南：湖南大學(xué)，2009</p><p>　　[3] 戴道勇.電力變壓器微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的研究[D]：安徽理工大學(xué)碩士學(xué)

23、位論文. 安徽：安徽理工大學(xué)，2008</p><p>　　[4] 賀家李、李永麗、李斌、陳超英編著.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理與實(shí)用技術(shù)[M]. 北京：中國電力出版社，2009. 336～338</p><p>　　[5] 烏云高娃.變壓器勵(lì)磁涌流的分析與控制研究[D]：武漢大學(xué)博士生論文. 武漢： 武漢大學(xué)，2009（4）</p><p>　　[6] 李鳳榮.變壓器縱

24、差動(dòng)保護(hù)及勵(lì)磁涌流識(shí)別技術(shù)的研究[D]：華北電力大學(xué)碩士生論文. 北京：華北電力大學(xué)，2006</p><p>　　[7] 賀家李主編.電力系統(tǒng)機(jī)電保護(hù)原理[M].第四版. 北京：中國電力出版社.，2010. 257-287</p><p>　　[8] 王晶、翁國慶、張有兵編著.電力系統(tǒng)的MATLAB/SMULIN仿真與應(yīng)用[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008（11）. 187

25、～223</p><p>　　[9] 于群、曹娜編著.MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013（1）. 124～171</p><p>　　[10] 吳天明、趙新力、劉建存編著.MATLAB電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析[M].第3版. 北京：國防工業(yè)出版社，2010(7).251～294</p><p>　　[11] 張遠(yuǎn).電力

26、變壓器繼電保護(hù)動(dòng)作行為仿真分析系統(tǒng)[D]：湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文. 湖南：湖南大學(xué),2012</p><p>　　[12] 張明君、王延平、梅彥平編著. 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)[M]. 北京：人民郵電出版社，2012（6）. 224～226</p><p>　　[13] 國家電力調(diào)度通信中心編著.國家電網(wǎng)公司繼電保護(hù)培訓(xùn)教材[M]. 北京：中國電力出版社，2009. 390～396</p&g

27、t;<p>　　[14] 馬永翔主編. 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)[M]. 第2版. 北京：北京大學(xué)出版社，2013（1）. </p><p><b>　　193～195</b></p><p>　　[15] 周睿、王群京、李國麗.變壓器匝間短路研究分析[J]. 科園.2012,41～42</p><p>　　[16] 許建安編著. 電力系

28、統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)[M].第二版. 北京：中國水利水電出版社. 2008. </p><p><b>　　168～175</b></p><p>　　[17] 李鑫蕊、楊珺、梁雪編著. 電力系統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)[M]. 北京：人民郵電出版社，2013（10）. 170～171</p><p>　　Abstract According to the p

29、rinciple of transformer microcomputer protection,  the differential relay principle is analyzed as one of the major transformer protections, and the unbalanced current in the differential circuit is analyzed too.

30、 Based on this, using the SPS module in the MATLAB/Simulink, the simulation models of transformer faults and the differential protection, over current protection and earth- fault protection are constructed. According