电力系统继电保护实验指导书-(精简版)-2011.doc

电力系统继电保护实验指导书实验一 同步发电机出口短路的MATLAB仿真分析实验二 双端电源高压输电线路短路故障的MATLAB仿真分析实验三 三段式电流保护综合实验附录1：微机线路保护装置参数整定操作电气工程教研室2011-8-28实验一 同步发电机出口短路的MATLAB仿真分析同步发电机是电力系统中的重要元件，同步电机是由多个由磁耦合关系的绕组构成，同步电机的突然短路的暂态过程要比恒定电压源电路复杂很多，所产生的冲击电流可能达到额定电流的十几倍。对电机本身和相关的电气设备都可能产生严重的影响。1. 实验原理同步电机突然短路电路模型如下图1-1 所示。使用简化的同步电机，三相并联PLC负载，通过三相电路短路发生器实现同步电机的三相短路，再用示波器观察同步发电机在发生三相短路时的暂态过程。 图1-1 实验原理图2电路各元件的选取、参数设置2.1同步发电机的选取，设置打开Matlab仿真软件，在命令窗口中输入“Simulink”在弹出的窗口中将简化同步电机（Simplified Synchronous Machine）添加到“模型编辑窗口”重命名为“SM”双击设置其参数设置为如图1-2： 图1-3 PM 图1-2 SM2.2 常数发生器的选取、设置将常数发生器（Constant）拖放到当前仿真窗口双击参数设置如图1-3 ，用于发电机功率输入，并重命名为PM；再选取一常数发生器，参数设如图1-4 ，用于发电机电压输入。20 图1-4 VLLrms 图1-5 V-I2.3三相电压-电流测量元件选取、设置 在测量元件库中选择三相-电流测量元件（Three-Phase V-I Measurment），复制粘贴到仿真窗口中，双击设置参数如图1-5 2.4三相并联负载的选取、设置在线路元件库中选择三相并联PLC负载元件复制粘贴到电路图中，双击设置其参数如图1-6 并重命名为Load。2.5短路发生器的选取、设置将三相电路故障发生器拖放到电路图中，部分参数设置如图1-72.6示波器、选择器及三相序信号分析器的选取在元件库中拖入两个选择器（Selector）一个用于电流电路选择，一个用于电压电路选择；四个示波器（Scope）分别用于观察电流、电压、序分量电流幅值、序分量电流相角；一个序信号分析器。2.7仿真参数设置将以上电器电气连接起来，在“Simulation选项卡下选择Simulation Parameters”将参数设置为：起始时间0S 停止时间0.5S Solver Options：Type Variable-Step Ode15s(stiff/NDF) 图 1-6 Load 图1-73、实验要求3.1 按照所给出的系统结构和系统参数，利用MATALAB软件对同步发电机出口三相短路过程进行仿真，并对仿真结果进行分析。3.2 改变系统参数，对发电机出口两相短路进行仿真分析。4、参考文献吴天明，等，MATLAB电力系统设计与分析，国防工业出版社，2004年第1版。P412P430。实验二 双端电源高压输电线路短路故障的MATLAB仿真分析1. 实验原理电力系统中，大多数故障是由于输电线路短路引起的。在发生短路故障的情况下，电力系统从一种状态剧烈变化到另一种状态，产生复杂的暂态过程。仿真的电力系统暂态过程以高压输电线路故障暂态为分析对象 ,涉及的故障类型有: 单相接地短路、两相接地短路、三相接地短路。建立双端恒定电压源高压输电线路的电路模型如图2-1所示。图2-1 双端恒定电压源高压输电线路的电路模型使用理想三相电压源作电路的供给电源，分布参数输电线路 （Distributed Parameter Line）作为输电线路，输电线路Line1长度为100km，输电线路Line2长度为200km。使用三相断路开关元件（There Phase Breaker）作为故障发生器。使用万用表（Multimeter）测量系统的电气参数，并用示波器显示出波形。通过仿真模型中的序量分析器可以得到故障点所在相的电压各序量的有效值及其相位。2.仿真系统参数2.1 仿真内部参数设置选项如图2-2所示，包括仿真起止时间（Simulation time）、求解类型（type）、求解程序（Solver）、最大步长（Max step size）、最小步长（Min step size）、初始步长（Initial step size）、设置相对容许误差限（Relative tolerance）、设置绝对容许误差限（Absolute tolerance）。在变步长算法中，步长大小与信号变化快慢反向相关。容许误差限的作用是控制计算精度。当误差超过容许误差限时会自动修正步长。在迭代的每一步(不妨设是第i次迭代)，程序都会将计算出来的值与期望值相见得出一个误差e(i)，若e(i)满足：e(i)<=max(相对容许误差限*|y(i)|, 绝对容许误差限)，则表明第i次迭代是正确的，否则，程序会自动将步长减小，再来验证上述不等式是否成立。重复上述过程，直到上述不等式成立为止。图2-22.2 理想三相电压源元件，参数设置：线电压有效: 220e3V，A相相角: 0，频率: 50HZ；内部连接方式: Yg型 （表示三相电源Yg型连接，中性点直接接地）;三相电源电阻: 0.312 欧; 三相电源电感: 6.63e-3H。参数设置对话框如图2-3所示 图2-3 理想三相电压源 图2-4 输电线路2.3 输电线路元件，参数设置: 线路相数: 3; 用于电感和电容的频率: 50HZ;单位长度电阻: 0.01273 0.3864;单位长度电感: 0.9377e-3 7.741e -3;单位长度电容: 12.74e-9 4.1264e-3 ;线路1长度: 100km，线路2长度: 200km；不测电气量。参数设置对话框如图2-4所示。2.4 三相断路器元件，参数设置： 断路器电阻：0.001欧 ； 初始状态：open(表示初始状态下断路器打开)； 迟滞电阻：1e6欧; 迟滞电容：inf 转换时间：2/60 8/60（表示在 2/60时闭合，8/60时打开） 测量：电压和电流 参数设置对话框如图2-5所示。 图2-5 三相断路器3、实验要求3.1 按照所给出的系统结构和系统参数，利用MATALAB软件对双端电源高压输电线路单相接地短路故障过程进行仿真，并对仿真结果进行分析。3.2 改变系统参数，对不同短路位置的单相短路故障进行仿真分析。3.3 改变系统参数，对同一短路位置的两相接地短路、三相接地短路进行仿真分析。4、参考文献吴天明，等，MATLAB电力系统设计与分析，国防工业出版社，2004年第1版，P367P405。实验三 三段式电流保护综合实验1 实验目的图3-1 系统等值电路图电力系统输电线路的电流保护一般由三段式保护构成，分别是：电流速断保护（段）、限时电流速断保护（段）、定时限过电流保护（段）。本实验为综合性实验，通过本实验，要达到以下目的。1掌握三段式电流保护各段的工作原理、整定计算、保护构成和保护特点。2掌握三段式电流保护各段保护之间的协调机制和配合原则，并掌握通过保护动作信息推测线路故障位置。2 实验仪器和设备实验设备采用求是的工厂供电系统实训装置，由其提供模拟的电力系统，包括系统运行方式的调节和两级串联输电线路，保护设备采用南自的HAS-531微机线路保护测控装置。微机线路保护装置参数整定的原则及方法另见附录。3 实验内容本实验的一次系统等效电路见图3-1，输电线路WL1和WL2的线路阻抗分别为R2=28和R3=55，d2点、d3点为各自线路末端的短路点，系统电压为100V，系统最大运行方式下，系统阻抗Xsmax为：32。系统最小运行方式下，系统阻抗Xsmin为：35。系统正常运行方式下，系统阻抗Xs为：34。具体实验内容如下：1） 短路电流计算。计算d2点、d3点的三相和两相短路电路。2） 三段式电流保护整定计算。分别对线路WL1和WL2的三段式电流保护进行整定计算。3） 线路WL1保护实验。将电流互感器TA12与微机保护的信号输入端子连接，分别在系统最小，正常，最大方式下，在d2点进行三相短路，测试三段式动作行为，然后在d3进行三相短路，再次测试三段式动作行为。4） 线路WL2保护实验。将电流互感器TA13微机保护的信号输入端子连接，分别在系统最小，正常，最大方式下，在d3进行三相短路，测试三段式动作行为。5） 将线路WL1和WL2合并为一条输电线路，由断路器QF11控制，增设虚拟输电线路WL3,并设其线路阻抗R4=80，见系统等效电路中的虚线部分。然后，重做实验内容1）3）。4 实验原理从继电保护的基本要求出发，强调选择性、速动性、灵敏性、可靠性的协调和统一，突出三段式电流保护的整体配合原则，具体实验原理包括三段式保护各自的动作电流整定原理、动作时限整定原理和灵敏度配合原理。5 实验方法5.1 原有系统保护实验1）短路电流计算。对系统短路电流进行计算，并将结果填入下列短路电流计算表。 表3-1 原有系统的短路计算表d2点短路d3点短路最小运行方式三相短路两相短路正常运行方式三相短路两相短路最大运行方式三相短路两相短路2）三段式电流保护整定计算。对线路WL1和线路WL2的电流保护进行配置并进行整定计算，线路WL1应设置全部3段保护；线路WL2设置电流速断保护（段）和定时限过电流保护（段）。本实验设备中的线路的正常负荷为信号灯，电流较小，在此可假设WL1的正常负荷电流为0.20A。将整定计算结果填入下表。表3-2 原有系统的保护整定计算表动作电流动作时限灵敏度校验线路WL1电流速断保护限时电流速断保护定时限过电流保护线路WL2电流速断保护定时限过电流保护3）线路WL1保护实验。将电流互感器TA12与微机保护的信号输入端子连接，接线图见图6-2。分别在系统最小，正常，最大方式下，在d2点进行三相短路，测试三段式动作行为，然后在d3进行三相短路，再次测试三段式动作行为。并将实验数据记录在表3-3中。 图3-2 线路WL1（断路器QF11）保护实验接线图表3-3 三段式电流保护三相短路实验数据记录表三段都投入段退出段退出d2点短路d3点短路d2点短路d3点短路d2点短路d3点短路最小运行方式动作段数动作时间短路电流/A正常运行方式动作段数动作时间短路电流/A最大运行方式动作段数动作时间短路电流/A说明：如果第一次实验时，不是段保护动作，则应逐步退出段、段保护，重做短路实验，直至三段保护动作。4）线路WL2保护实验。将电流互感器TA12微机保护的信号输入端子连接，接线图见图6-3。分别在系统最小，正常，最大方式下，在d3进行三相短路，测试三段式动作行为。并将实验数据记录在表6-4中。表6-4 三段式电流保护三相短路实验数据记录表三段都投入段退出d2点短路d3点短路d2点短路d3点短路最小运行方式动作段数动作时间短路电流/A正常运行方式动作段数动作时间短路电流/A最大运行方式动作段数动作时间短路电流/A图3-3 线路WL2（断路器QF11）保护实验接线图说明：如果第一次实验时，不是段保护动作，则应逐步退出段、段保护，重做短路实验，直至段保护动作。5.2 系统虚拟拓展后的保护实验1）短路电流计算。对虚拟拓展后的系统短路电流进行计算，并将结果填入下列短路电流计算表。 表 3-5 系统虚拟拓展后的短路计算表d2点短路d3点短路d4点短路最小运行方式三相短路两相短路正常运行方式三相短路两相短路最大运行方式三相短路两相短路2）三段式电流保护整定计算。对虚拟拓展后的线路WL1和线路WL3的电流保护进行配置并进行整定计算，线路WL1应设置全部3段保护；线路WL3设置电流速断保护（段）和定时限过电流保护（段）。本实验设备中的线路的正常负荷为信号灯，电流较小，在此可假设WL1的正常负荷电流为0.15A。WL2的正常负荷电流为0.1A。将整定计算结果填入下表。 表 6-6 系统虚拟拓展后的保护整定计算表动作电流动作时限灵敏度校验线路WL3电流速断保护限时电流速断保护定时限过电流保护3）系统虚拟拓展后的线路WL1保护实验。将电流互感器TA12与微机保护的信号输入端子连接，接线图见图6-2。分别在系统最小，正常，最大方式下，在d2点进行三相短路，测试三段式动作行为，然后在d3进行三相短路，再次测试三段式动作行为。并将实验数据记录在表6-7中（本设备只能进行三相短路实验）。表6-7 系统虚拟拓展后三段式电流保护三相短路实验数据记录表三段都投入段退出段退出d2点短路d3点短路d2点短路d3点短路d2点短路d3点短路最小运行方式动作段数动作时间短路电流/A正常运行方式动作段数动作时间短路电流/A最大运行方式动作段数动作时间短路电流/A说明：如果第一次实验时，不是段保护动作，则应逐步退出段、段保护，重做短路实验，直至三段保护动作。6 实验报告要求6.1 详细说明实验内容和实验步骤6.2 认真整理实验记录6.3 比较各项的实验数据，分析其产生的原因附录1：微机线路保护装置参数整定操作装置的面板由LCD显示器、LED指示灯及简易键盘组成。LED 指示灯指示装置的工作状态及保护信号。其中 “24V”指示灯指示装置工作电源是否正常，正常运行时这个灯应常亮。“运行”指示灯指示装置运行状态，正常运行时运行指示灯应有规律地闪动。故障指示灯有3个，其中“事故”和“预告” 指示灯分别表示有未复归的保护信号，“装置故障” 指示灯指示装置通过自检发现有故障。Uab=10.0 kVIa= 300 AIc= 300 Af= 50.00 Hz当保护动作或装置发生故障时，面板上相应的“事故”、“预告”、“装置故障”信号指示灯会亮，并在LCD显示器的最后一行显示保护动作或装置故障的类型。请注意，此时显示的内容不表示事件发生的顺序。若要进一步了解详细情况，可在主菜单中选择“事件记录”来查看事件顺序记录（SOE）。由于装置不可能检出所有的故障，故运行人员应注意LED 指示灯在运行中是否正常，保护及测量CT采样值是否正常。例如，当装置的5V电源故障时，整个装置均不工作，也不会发出信号。这时应采取措施，保证设备正常工作。装置的当地监控功能通过面板上的LCD显示器及简易的键盘操作实现。 01保护投退 02保护定值03事件记录04输入输出05采样数值06实时时钟07电能脉冲08出厂设置09设备信息10退 出LCD显示器为带背光的8×4汉字字符液晶显示模块，简易键盘由“”、“”、“”、“”、“取消”、“确认”及“复归”七个触摸键组成。正常运行时液晶显示器自动循环显示各遥测量及一些保护模拟量的一次值。若需查看未显示的项目，可按“”、“”键选择。需要显示的项目可在“出厂设置”菜单下设定。若需要复归保护动作或装置故障信号，可按下“复归”键，选择“是”后再按“确认”键即可。按下除“”、“”键外的其他键，LCD显示器显示上图所示的主菜单。通过“”、“”键可选择任一种功能，按“确认”键后进入该菜单的功能，按“取消” 键或选择“退出”并按“确认”键后回到自动循环显示界面。速断RLP01 投入速断方向RLP02 退出 保护投退 将光标移至“保护投退”并按“确认”键后，进入保护投退设置功能。保护投退设置的界面如上图所示此时光标位于第1个投退项目即“速断”的投退设置。通过按“”、“”键可选择其它投退项目。当光标位于某一项目时，可通过“”“”键来改变设置。当全部投退项目设置完成后，可按“确认”键来保存这些设置。PASSWORD1：0000按下“确认”键后，进入输入PASSWORD界面，如下图所示。通过按“”、“”键可改变PASSWORD各位数字的值，通过按“”“”键可选择要改变的位。若用户没有修改过PASSWORD，则出厂默认的PASSWORD为1000同0000均可（修改PASSWORD的方法见“保护定值”的使用方法）。当输入正确的PASSWORD后，就将所修改的保护投退设置保存好了。 保护定值 保护定值套数 00：001.00一次电压系数Kv1 01：010.00进入保护定值功能后，即可对装置整定值进行当地修改。本装置可存贮三套定值。“0”号定值为当前使用的定值套号（1、2或3），其余号定值为装置对应于0号定值的本套定值。显示格式如下图。通过“”“”键可选择显示或要修改的定值，按下“”键进入光标所在定值的编辑状态。在编辑状态下，通过“”“”“”“”键可对定值进行编辑。编辑完成后按“确认”键，在核实输入正确的口令后，再按“确认”键后本号定值修改有效，按“取消”键无效。整定值定义及说明详见附录一。注：一次电压、电流系数×10后为实际的一次PT、CT变比。 事件记录 No.00 05-05-26时间15:33:56：128开关变位：开入3 分->合本单元可存贮64次事件记录，其中第0号为最新记录，第1号为上一次记录，依次类推。该记录存放在非易失性存贮器中，具有掉电长期保存功能，事件记录分开关变位、保护动作和装置故障三种类型。事件记录显示格式如下图。其中，No.后为记录号，05-05-26 为该事件发生的日期，即2005年5月26日。15:33:56.128该事件发生的时间，即11时21分22秒525毫秒。通过按“”“”键可选择显示其余的64个事件。当事件类型为保护动作时，可以按“确认”键去查看该保护的动作值，再按“确认”键返回。 输入输出 1开入 2开出选择输入输出菜单后将显示以下内容。通过“”“”键可选择查看开入量还是进行开出操作。当选择开入时，屏幕显示如下：开出FEDCBA9876543210 0000000000000000其中“0”表示输入的开关未闭合，“1”表示输入的开关已闭合，在上图中，第7个和第13个开入量为1，其余为0。开入量0108：000000100916：00001000按“取消” 键可退出并返回上一级菜单。当选择开出时，屏幕显示如下：通过“”“”“”“”键可对开出量进行编辑。“1”对应输出继电器闭合或指示灯亮，“0” 对应输出继电器断开或指示灯灭。编辑完成后按“确认”键，在核实输入正确的口令后，再按“确认”键后，相应的继电器就能出口。 采样数值 0 5.00 5.002 57.76 57.564 57.72 4.996 4.98 5.01在主菜单中选择“采样数值”后屏幕显示以下内容：由于屏幕只能显示4行，需要查看屏幕外的数据时，可通过按“”“”键来选择。其中大部分装置的0通道为A相测量电流，1通道为B相测量电流，2通道为A相测量电压，3通道为B相测量电压，4通道为C相测量电压，5通道为A相保护电流，6通道为B相保护电流，7通道为C相保护电流。812通道在不同类型的装置中各不相同（见采样实时显示）。 实时时钟 本单元具有掉电运行的实时时钟功能，进入实时时钟模块后，LCD显示器将显示装置的实时时钟，如下图所示：通过简易键盘可对时钟进行修正。按“确认”键后进入时钟编辑状态。在编辑状态下，通过“”“”“”“”键可对时钟进行编辑。编辑完成后按“确认”键，在核实输入正确的口令后，再按“确认”键后，修改有效。若此时不想修改时钟，可按“退出”键退出时钟编辑状态。日期 05年05月26日时间 18时16分23秒该时钟也可由通信网统一校时（精确到2ms），以使整个系统保持同一时基。实时时钟主要作为事件顺序记录的时间依据。 电能脉冲 进入电能计量模块后，可对脉冲电度度表脉冲计数进行初值设定，初值设定后，该值将随着电能脉冲的累积而变化，直到下一次重新设定初值。每个装置共安排了2路脉冲计数输入。 出厂设置 出厂设置在装置出厂前以设置完成，用户通常不必更改。出厂设置项目如下表所示：序号代 号名 称整 定 范 围0Kv2二次电压比例系数11.80(12)1Kic二次测量电流比例系数235.50(140)2Kib二次保护电流比例系数14.20(14.8)3Ki0二次零序电流比例系数235.20(14.8)4Kv0二次零序电压比例系数4.75(14.8)5Imp/kWh 1脉冲电能表常数1每千瓦(乏)时脉冲数/10006Imp/kWh 2脉冲电能表常数2每千瓦(乏)时脉冲数/10007Imp/kWh 3脉冲电能表常数3每千瓦(乏)时脉冲数/10008Imp/kWh 4脉冲电能表常数4每千瓦(乏)时脉冲数/10009Inalarm开关量报警设定(2(n-1) )/10010PU0PT零序系数11Disp滚动显示项目选择12Address装置通讯地址024413Baud Rate装置通讯波特率14Realy Check自检出口继电器设置其中，二次电压比例系数、二次测量电流比例系数、二次保护电流比例系数、二次零序电流比例系数、二次零序电压比例系数由二次互感器类型及满量程值确定。开关量报警设定：当某些开入量发生变化时，若需要启动报警信号，可通过设置该项来实现。滚动显示项目选择：选择显示项目时，大部分可按下表的设置值确定，将所选的各项目设置值相加。例如，要显示Uab、Ia、P和f，设置值为0.01+0.64+5.12+20.48=27.24。显示项目设置值显示项目设置值Uab0.01Ic1.28Ubc0.02P2.56Uca0.04Q5.12Ua0.08cos10.24Ub0.16f20.48Uc0.32Ux40.96Ia0.64装置通讯地址：装置通讯地址的设置范围为0244。装置通讯波特率：装置通讯波特率的单位为kbps。例如要设置通讯波特率为9600bps，其设定值为9.60。自检出口继电器设置：设定值为2(n-1)，式中n为第n路开出。例如，某装置有J1、J2、J3、J4共4个开出继电器，自检设定值应为20+21+22+23=15。 设备信息 设备信息将显示装置的一些基本信息，如版本、装置类型及型号，程序存贮器校验码等。 采样实时显示 采样实时显示通道00测量电流Ia （A19,A20）通道06保护电流Ib（A13,A14）通道01测量电流Ic （A21,A22）通道07保护电流Ic（A15,A16）通道02母线电压Ua（A1）通道08零序电流Io（A17,A18）通道03母线电压Ub（A2）通道09零序电压Uo（A5,A6）通道04母线电压Uc（A3）通道10通道05保护电流Ia（A11，A12）通道11 定值清单 定值序号代 号定 值 名 称整 定 范 围01Kv1一次电压比例系数实际变比/1002Ki1一次电流比例系数实际变比/1003Idz0电流速断定值1100A04Idz1限时速断定值1100A05tzd1限时速断延时0.110s06Idz2过电流定值1100A07tzd2过电流延时0.110s08Ch-num重合闸次数1309Idz3重合闸检无流定值020A10tchzd1第一次重合闸延时0.110s11tchzd2第二次重合闸延时0.110s12tchzd3第三次重合闸延时0.110s13tchjszd重合闸后加速延时0.12s14Ch-a检同期允许角度03015Udz1低压闭锁低频定值4299V16fdz1低频减载I频率4549.5Hz17tfzd1低频减载I延时0.199s18df/dt2减载II滑差闭锁值0.33Hz/s19fdz2低频减载II频率4549.5Hz20tfzd2低频减载II延时0.199s21Iodz零序过流定值1100A22Tozd零序过流延时0.110s23Uodz零序电压闭锁5180V24Idz3过负荷定值1100A25Tzd3过负荷延时0.110s263U01PT断线定值090V27Utq同期电压选择RLP22投入时：1：Uab2：Ubc ；3：UcaRLP22退出时：1：Ua2：Ub ；3：Uc283U02母线接地定值090V29tzd3母线接地延时0.110s 保护投退 保护序号代 号保 护 名 称整 定 方 式01RLP1速断投入/退出02RLP 2速断方向投入/退出03RLP 3限时速断投入/退出04RLP 4限时速断后加速投入/退出05RLP 5限时速断方向投入/退出06RLP 6过电流投入/退出07RLP 7过电流后加速投入/退出08RLP 8过电流方向投入/退出09RLP 9过负荷投入/退出10RLP10重合闸投入/退出11RLP11重合闸检无压投入/退出12RLP12重合闸检同期投入/退出13RLP13低频减载I投入/退出14RLP14低频减载II投入/退出15RLP15低压闭锁低频减载投入/退出16RLP16低频减载II滑差闭锁投入/退出17RLP17母接地报警投入/退出18RLP18PT断线报警投入/退出19RLP19合闸不检条件投入/退出20RLP20手合/遥合检无压投入/退出21RLP21手合/遥合检同期投入/退出22RLP22同期电压为线电压投入：同期电压为线电压退出：同期电压为相电压23RLP23零序过流投入/退出24RLP24零序电压闭锁投入/退出25RLP25零序方向投入/退出26RLP26零序方向指向母线投入：零序方向指向母线退出：零序方向指向出线27RLP27零序过流跳闸投入：零序过流跳闸退出：零序过流报警32RLP32录波投入/退出