2022年微机继电保护实验报告 .pdf

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1、本科实验报告课程名称：微机继电保护实验项目：电力系统继电保护仿真实验实验地点：电力系统仿真实验室专业班级：电气 1200 学号： 0000000000 学生：000000 指导教师：000000 2015 年12 月2 日精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 26 页一、实验背景微机继电保护指的是以数字式电脑(包括微型机 )为基础而构成的继电保护。 众所周知，传统的继电器是由硬件实现的， 直接将模拟信号引入保护装置， 实现幅值、相位、比率的判断，从而实现保护功能。而微机保护则是由硬件和软件共同实现，将模拟信号转换为数字信号，经

2、过某种运算求出电流、电压的幅值、相位、比值等，并与整定值进行比较，以决定是否发出跳闸命令。继电保护的种类很多，按保护对象分有元件保护、线路保护等；按保护原理分有差动保护、距离保护和电压、电流保护等。然而，不管哪一类保护的算法，其核心问题归根结底不外乎是算出可表征被保护对象运行特点的物理量，如电压、电流等的有效值和相位以及视在阻抗等，或者算出它们的序分量、或基波分量、或某次谐波分量的大小和相位等。有了这些基本电气量的计算值，就可以很容易地构成各种不同原理的保护。基本上可以说，只要找出任何能够区分正常与短路的特征量，微机保护就可以予以实现。由此，微机保护算法就成为了电力系统微机保护研究的重点,微机

3、保护不同功能的实现,主要依靠其软件算法来完成。微机保护的其中一个基本问题便是寻找适当的算法,对采集的电气量进行运算，得到跳闸信号，实现微机保护的功能。微机保护算法众多，但各种算法间存在着差异，对微机保护算法的综合性能进行分析,确定特定场合下如何合理的进行选择,并在此基础上对其进行补偿与改良 ,对进一步提高微机保护的选择性、速动性、灵敏性和可靠性 ,满足电网安全稳定运行的要求具有现实指导意义。目前已提出的算法有很多种，本次实验将着重讨论基本电气量的算法，主要介绍突变量电流算法、半周期积分算法、傅里叶级数算法。二、实验目的1. 了解目前电力系统微机保护的研究现状、发展前景以及一些电力系统微机保护装

4、置。2. 具体分析几种典型的微机保护算法的基本原理。3. 针对线路保护的保护原理和保护配置，选择典型的电力系统模型，在MATLAB软件搭建仿真模型，对微机保护算法进行程序编写。4. 对仿真结果进行总结分析。三、实验内容1、采用 MATLAB 软件搭建电力系统仿真模型2、采用 MATLAB 软件编写突变量电流算法3、采用 MATLAB 软件编写半周积分算法4、采用 MATLAB 软件编写傅里叶级数算法算法精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 26 页四、实验步骤1.突变量电流算法、半周积分算法、傅里叶级数算法简介突变量电流算法继

5、电保护装置的启动元件用于反应电力系统中的扰动或故障。微机保护装置中的启动元件是由软件来实现的。它的工作原理目前一般采用反映两相电流差的突变量，其公式为()()(2)()()(2)()()(2)ababnab n Nab n Nab nNbcbcnbc nNbc nNbc nNcacanca n Nca n Nca nNIiiiiIiiiiIiiii1其中abnanbnbcnbncncancnaniiiiiiiii2公式中N 一个工频周期内的采样点数ani、bni、cni 当前时刻的采样值()ab nNi、()bc nNi、()ca n Ni一周前对应时刻的采样值(2)ab nNi、(2)bc

6、nNi、(2)ca nNi两周前对应时刻的采样值以abI为例，正常运行时ani、()a n Ni、(2)a nNi的值近似相等，所以0abI，启动元件不动作，如图 1所示。图 1 系统正常运行时采样值比较电力系统正常运行但频率发生变化偏离50Hz 时，则ani、()a n Ni、(2)a nNi的值将不相精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 26 页等， 。这是因为采样时按时间间隔进行的，频率变化时，ani和()a n Ni两采样值将不是相差一个周期的采样值，于是ani-()a n Ni、()a n Ni-(2)a nNi将出

7、现差值，且差值接近相等。此时abI仍然为零或很小。系统发生故障时，由于故障电流增大，于是ani将增大，()a n Ni为故障前电流，故ani-()a n Ni反映出由于故障电流产生的突变量电流，()a n Ni-(2)a nNi仍接近为零，从而abI反映了故障电流的突变量，如图2 所示。图 2 故障后电流的突变1.2 半周积分法半周积分算法的依据是一个正弦量在任意半个周期内绝对值的积分为一个常数S，即T20S=2I sin(t+) dt3T20222Isin(t)Idt积分值 S与积分起点的初相角无关， 因为画有断面线的两块面积显然是相等的，如图3所示。式3的积分可以用梯形法则近似求出：20N

8、121122NkskSiiiT4式中ki：第k次采样值N：每个周期的采样点数0i：0k时的采样值精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 26 页2Ni：2Nk时的采样值sT：采样间隔图4所示，只要采样率足够高，用梯形法则近似积分的误差可以做到很小。SS0k2N图3 半周期积分法原理示意图图 4 用梯形法近似半周期积分示意图求出S值后，应用式 3即可求得有效值I=S22傅里叶级数算法傅里叶级数算法 简称傅氏算法 的基本思路来自傅里叶级数， 算法本身具有滤波作用。它假定被采样的模拟信号是一个周期性的时间函数，除基波外还含有不衰减的直

9、流分量和各次谐波，可表示为11100( )sin()(sin)cos(sin)sinnnnnnnnnx tXntXn tXn t110cossinnnnbntant(0,1,2.)n5式中na、nb分别为直流、基波和各次谐波的正弦项和余弦相得振幅，其中sinnnnbX、cosnnnaX。由于各次谐波的相位可能是任意值的，所以，把它们分解成有任意振幅的正弦项和余弦项之和。1a、1b分别为基波分量的正、余弦项的振幅，0b为直流分量的值。根据傅氏级数的原理，可以求出1a、1b分别为1102( )sin()Tax tt dtT6精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - -

10、 - - - -第 5 页，共 26 页1102( )cos()Tbx tt dtT7由积分过程可以知道，基波分量正、余弦项的振幅1a、1b已经消除了直流分量和整次谐波分量的影响。于是( )x t中的基波分量为11111( )sincosxtatbt8合并正弦、余弦项，可写为1111( )2sin()xtXt9式中1X：基波分量的有效值1：t0时基波分量的相角将11sin()t用角公式展开可得：1112cosaX101112sinbX11用复数表示为.1111()2Xajb12因此，可根据1a、1b，求出有效值和相角为2221112 Xab13111btga14用微机处理时，式 13和式 14

11、的积分可以用梯形法则求得：111122sin()NkKaxkNN151101122cos()NknKbxxkxNN16式中精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 26 页N：基波信号的一周期采样点数；kx：第k次采样点数；0 x、Nx：分别为0k和kN时的采样值。2.使用 MATLAB软件搭建电力系统仿真模型仿真软件在电力系统中的应用介绍MATLAB/Simulink软件是由美国Math Works 公司开发的著名的动态仿真系统，它是MATLAB 的一个附加组件，为用户提供了一个建模与仿真的工作平台。它能够实现动态系统建模与仿真

12、的模块集成，而且可以根据设计和使用的要求对系统进行优化，提高建模与仿真的效率。MATLAB/Simulink软件提供了多个学科的仿真系统工具箱，和一些常用工具箱模块，用户可以根据需要方便地选用合适的工具箱进行系统的建模与仿真分析。对于电力系统而言就有专门的工具箱模块库SimPowerSystem供用户使用，其功能强大，包含的电气元件种类多，处理函数模块丰富，为电力系统的仿真与研究提供了很大的便利，是电气工程专业必不可少的研发工具。在 SimPowerSystem模块库中，包括 10 类模块库，即电源元件库Electrical Sources 、线路元件库 Element 、电力电子元件库 Po

13、wer Electronics 、电机元件库 Machines 、连接器元件库 Connctors 、电路测量模块元件库Measurements 、附加元件库 Extras 、演示教程 Demos 、电力图形用户分析界面Powergui 、电力系统元件库 Powerlip-modles 。正是这些丰富的模块库使得电力系统的仿真变得方便、快捷，并且科学精确。本实验选用 MATLAB/Simulink软件作为电力系统微机保护仿真的平台。2.2 使用 MATLAB软件搭建电力系统故障暂态仿真模型图 5 给出了一个实际简单电力系统模型，以此来建立电力系统暂态仿真模型。打开 MATLAB 后，点击 Si

14、mulink 库，进入 Simulink 库界面后，点击“ File”弹出菜单栏，选择“ New”“ Model” ，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GMN100km100 km图5 系统模型RKLoad精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 26 页仿真模块由模块库中拷贝后粘贴到新模型窗口内，或按住所需模块拖至新模型窗口，再按图5 所示的系统模型连接关系进行连接。在建立电力系统仿真模型时主要用到以下仿真模块如表1 所示。 MATLAB2014Ra 中SimPowerSystems 库在 Simscape 库

15、目录下。表 1 搭建系统所需模块模块名路径三相等值系统模块SimPowerSystems /Specialized Technology /Electrical Sources三相双绕组变压器模块SimPowerSystems /Specialized Technology /Elements / Three-Phase Transformer(Two Windings)三相分布参数线路模块SimPowerSystems /Specialized Technology /Elements /Distributed Parameter Line三相串联负载模块SimPowerSystems /S

16、pecialized Technology /Elements / Three-Phase Series RLC Load三相故障模块SimPowerSystems /Specialized Technology /Elements /3-Phase Fault三相电压电流测量模块SimPowerSystems /Specialized Technology /Measurements /Three-Phase V-I Measurement电力图形用户分析界面SimPowerSystems /Specialized Technology /Powergui示波器Simulink/Sinks/

17、 Scope多路分配器模块Simulink/ Commonly Used Blocks/ Demux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。仿真模型图如下列图所示。图 6 仿真模型做出三相接地短路、 BC 两相短路三相接地短路Ia精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 26 页IbIc精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 26 页V-IBC 相短路Ia精选学习资料 - - -

18、- - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 26 页IbIc精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 26 页V-I3、使用 MATLAB软件编写算法程序准备仿真数据本节利用上一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精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 26 页真所产生的数据对微机保护算法进行综合仿真，用以分析微机保护保护算法的性能。算法综合仿真的内容包括：1准备仿真数据。由于设置了示波器

19、参数，使用的数据可以在MATLAB 电力系统仿真运行后自动存入MATLAB 主界面的工作区，可以命令行窗口中调用数据。注意：此时数据为模型系统文件运行结束后示波器的数据。2微机保护保护算法编程。3调用电力系统故障暂态数据，对故障数据进行保护算法计算，并以图形方式显示保护算法计算的结果。突变量电流法突变量电流法算法程序：%突变量算法程序Ts=0.0;Te=0.2;N=200; %仿真起始 (start)、结束 (end)时间，一周期采样点数f=50; %仿真频率T=1/f; %一个周期时长ts=T/N; %一个周期内采样间隔ia=Ia.signals.values; %A 相电流采样值ib=Ib

20、.signals.values; %B 相电流采样值iab=ia-ib; %计算得 iabn=1:1:2001; %n 可从 1 连续取至 2001t=(n-1)*ts; %使计算值与时间相对应Delta_ia=; %定义突变量 ia 为一个数组Delta_iab_n=; %定义突变量 iab_n 为一个数组Delta_Iab=; %定义突变量 Iab 为一个数组for n=401:1:2001 %n 从 401 连续取至 2001Delta_ia(n)=abs(ia(n)-ia(n-N); %计算得数组 ia 内的值Delta_iab_n(n)=abs(iab(n)-iab(n-N); %计

21、算得数组 iab_n 内的值Delta_Iab(n)=abs(Delta_iab_n(n)- Delta_iab_n(n-N); %计算得数组 Iab 内的值endplot(t, Delta_ia,b-,t, Delta_iab_n,g-,t, Delta_Iab,r-.) ; legend(Delta_ia, Delta_iab_n, Delta_Iab) %画图在运行三相接地短路故障仿真结束后，在MATLAB 中运行该程序，得到图形如下。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 26 页图 38 突变量算法得到的abi、ab

22、I、ai曲线程序从开始计算，内计算值为0，故障发生后，突变量急剧变化，几乎为故障电流的两倍，足以触动继电保护的启动元件。请同学们自行做出两相相间短路、单相接地短路的突变量变化图。AB 相间短路精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 26 页BC 相间短路A 相短路B 相短路精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 26 页C 相短路三相短路精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 26 页在下表中

23、填入各短路类型下0.07s时的abi、abI、ai 值。表 2 各短路类型下时的abi、abI、ai值计算值短路类型()ababnab n Niii()()(2)ababnab n Nab nNab nNIiiii()aana n NiiiAB 相短路BC 相短路A 相短路B 相短路三相短路半周积分法m=floor(n-st)/16)-1; 一周期采样点数为64，每隔 16个点计算的半周积分法算法程序：%半周积分法Ts=0.0;Te=0.2;N=128; %仿真起始 (start)、结束 (end)时间，一个周期内采样点数f=50; %仿真频率T=1/f; %一个周期时长ts=T/N; %仿真

24、步长、采样间隔ia=Ia.signals.values; %A 相电流采样值精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 26 页n=floor(N*0.2/T+1); %计算得时刻所对应的Ia 序列值个数st=(0.05-T/2)/T*N+1; %起始计算点m=(n-st-N/2)/16+1; %每隔 16 个点向前计算得半周积分，从开始计算至需要计算的次数A=; %定义半周积分值 A 为一个数组for j=0:1:(m-1); %使 j 从 0 取至 m-1for i=(st+j*16):1:(st+j*16+N/2) %使 i

25、 取半个周期的采样点数N/2S=0; %使 S 初始值为 0S=S+abs(Ia.signals.values(i)*ts; %用矩形法计算半个周期内积分值i=i+1; %使 i 加 1 直至循环结束endA(j+1)=S; %循环所得为半周积分值A 中第 j+1 个元素j=j+1; %使 j 加 1 直至循环结束endplot(st+N/2-1):16:(n-1)*ts,A,*-) %画图输入程序，按下Enter 键后，得到图形如图39。在 MATLAB 命令行窗口输入A，按下Enter 键后，得到半周积分法计算的积分值。图 39 半周积分算法得到的积分值曲线程序从 0.05s开始计算，每次

26、向前计算半个周期即 ，可见 5 计算得半周积分值波动，故障发生后，半周积分量向上攀升，在内震荡剧烈，可以触动继电保护的启动元件，0.12s 故障消失后，半周积分值骤然减小，在内震荡减小。在电力图形用户分析界面Powergui模块的离散系统仿真模型中通过改变采样时间改变采样周期，获得不同采样周期下的A 值，按要求填入下表。并按表2 要求做出两相相间短路、单相接地短路以及三相短路的半周积分量变化图。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 26 页表 2 不同采样周期下短路前后半周积分法计算的A 值一周期采样点数64每隔 8 个点计

27、算半周积分128每隔 16 个点计算半周积分256每隔 32 个点计算半周积分短路发生时刻前最小值后最大值前最小值后最大值前最小值后最大值面积AB 相短路A 相短路4592三相短路AB 相间短路64 点128 点精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 26 页256 点A 相接地短路64 点精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 26 页128 点256 点精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，

28、共 26 页三相短路64 点128 点精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页，共 26 页256 点傅里叶算法精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页，共 26 页一周期采样点数为200 的傅里叶算法程序：t=Ia.time; N=200;f=50; %仿真频率T=1/f; %一个周期时长ts=T/N; %一个周期内采样间隔i=1:N;%输入信号为 Iasubplot(221); %画 2 行 2 列图，此图为第 1 个plot(t,Ia.signals.values)

29、;legend( 原始数据 );xlabel(t/s);ylabel(A);% 画出输入信号为Ia%计算基波电流幅值hs(i)=sin(2*pi*i/N); %傅里叶滤波系数hc(i)=cos(2*pi*i/N);ys=filter(hs,1,Ia.signals.values); %正弦幅值yc=filter(hc,1,Ia.signals.values); %余弦幅值ym=2*sqrt(ys.2+yc.2)/N;subplot(222); %在 2 行 2 列图中此图为第 2 个plot(t,ym);legend(基波幅值 );xlabel(t/s);ylabel(A); %画出输入信号

30、Ia 基波幅值图%计算 3 次谐波电流幅值hs3(i)=sin(3*2*pi*i/N);% 傅里叶滤波系数hc3(i)=cos(3*2*pi*i/N);ys3=filter(hs3,1,Ia.signals.values);% 正弦幅值yc3=filter(hc3,1,Ia.signals.values);%余弦幅值ym3=2*sqrt(ys3.2+yc3.2)/N;subplot(223); %在 2 行 2 列图中此图为第 3 个plot(t,ym3);legend(3 次谐波幅值 );xlabel(t/s);ylabel(A); % 画出输入信号 Ia 三次谐波幅值图%计算 5 次谐波电

31、流幅值hs5(i)=sin(5*2*pi*i/N);% 傅里叶滤波系数hc5(i)=cos(5*2*pi*i/N);ys5=filter(hs5,1,Ia.signals.values);% 正弦幅值yc5=filter(hc5,1,Ia.signals.values);%余弦幅值ym5=2*sqrt(ys5.2+yc5.2)/N;subplot(224); %在 2 行 2 列图中此图为第 4 个plot(t,ym5);legend(5 次谐波幅值 );xlabel(t/s);ylabel(A) % 画出输入信号 Ia 五次谐波幅值图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳

32、总结 - - - - - - -第 24 页，共 26 页在运行三相接地短路故障仿真结束后，在MATLAB 中运行该程序，得到图形如下。图 40 傅里叶算法得到的基波、3 次谐波、 5 次谐波计算值曲线由图可见，计算可见基波幅值稳定，3 次、5 次谐波为零，故障发生后，基波、3次谐波、5 次谐波幅值急剧变化，在内震荡剧烈，可以触动继电保护的启动元件，之后震荡减小，0.12s 故障消失后，基波、 3 次谐波、 5 次谐波幅值又有较大震荡，但过后小幅震荡，趋于平缓，其中基波幅值趋于稳定，3 次谐波、 5 次谐波幅值逐渐趋于0。请自选一种短路类型，在电力图形用户分析界面Powergui模块的离散系统仿真模型中通过改变采样时间改变采样周期，获得不同采样周期下同一时刻波形图，并得出其基波、谐波幅值，填入下表。表 3 傅里叶算法得到的基波、3 次谐波、 5 次谐波幅值一周期采样点数时刻 s64256基波3 次谐波5 次谐波基波3 次谐波5 次谐波5166217BC 两相短路接地64 点精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 25 页，共 26 页256 点精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 26 页，共 26 页