论文总字数：17092字

目 录

1 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 继电保护整定软件介绍 1

1.3 继电保护整定软件存在的问题 3

2 继电保护原理基础介绍 4

2.1 继电保护基本要求 4

2.2 三段式电流保护原理 5

2.2.1 单电源系统短路电流特征 5

2.2.2 瞬时电流速断保护 6

2.2.3 限时电流速断保护 6

2.2.4 定时限过电流保护 8

3 三段式电流保护及其仿真设计 8

3.2 单电源系统主电路 9

3.3 启动元件 10

3.4 算法部分 12

3.5 电流比较部分 12

3.6三段式电流保护整定计算 13

4 三段式电流保护仿真结果分析 14

4.1 三段式电流保护仿真模型 14

4.2 三相短路故障仿真 15

4.3 两相短路故障仿真 18

5 结论与展望 20

参考文献 20

致谢 22

基于Matlab的电力系统继电保护仿真研究

赵雨恒

，China

Abstract:This article takes the current protection as the research object.Setting setting value by setting calculation.Analysing the process of three stage current protection by using Matlab.In the case of three-phase short circuit and short circuit,I get the analysis of the short circuit current and short circuit voltage waveform.It’s result is consistent with the result of the whole set calculation.It is concluded that the protective action characteristics of the three stage current protectionIt can selectively remove the fault point in a short time and has great significance for the protection of the power system.

Key words: Instantaneous current quick break protection; Time limit current quick break protection; Time limit over current quick break protection; Setting calculation;

1 绪论

1.1 研究背景与意义

电力系统是通过各型发电机组装置将我们常见的诸如风能、水能、太阳能等一次能源转换为电能，接着由传输、变压、分配等步骤将电能提供给用户。其中包括了电力线路、变压器、发电机以及负荷。所以电力线路的继电保护在系统中的地位是极其重要的。整个电力系统中发输配电的运行稳定也是建立在输电线路安全运行的基础之上的。当电力系统中的某些功能性原件发生故障危及电网的安全运行时，我们需要对其进行研究并提供自动化的解决方案，这样一门学科我们称之为继电保护。^【1,2】继电保护装置可以有不同的分类方法。如果我们按被保护的对象分，可以将继电保护装置分为输电线路保护、发电机保护、变压器保护及其母线保护等。因为本设计我们主要研究线路保护，所以我们从保护动作的原理来说，可以将继电保护分为电压保护，电流保护，距离保护等。在这里，电流三段式保护和距离保护是本设计研究的两大系统。

关于我们研究所用的仿真软件，我们选择Matlab。我们在Matlab中的Simulink可使用SimPowerSystem模块内的各种元件，同时在平时所学的电力系统和继电保护原理知识的基础上来设计该设计的两个电力系统模型，在建模完成后将各个原件模块的参数进行设置，并改变故障模块中的故障方式和接地过渡电阻，来调试继电保护系统以及仿真分析该系统的各种故障状况，最后希望得到与继电保护原理相符合的图形和数据。目前仿真设计是指在线路电流三段式保护，Simulink其中的SimPowerSystems模块成为我们最重要和最频繁使用的模块，所以我们在使用前必须将其中的各个小模块熟悉和掌握，才能更有效地设计搭建系统模型^[3]。

电流三段保护系统是本论文的研究对象。我们在电力输电线路的电流三段式保护原理以及SimPowerSystems的支撑下构造了10KV单电源供电的电流三段式保护仿真模型^[4]。在仿真模型中，通过保持故障线路总长度不变的情况下来设定故障点前后的线路各自的长度来改变故障点的位置，和设改变故障模块的故障类型进行了不同的故障仿真，然后观察保护是否正确动作以及断路器是否正确跳闸，最后对仿真的数据结果进行研究分析得出结论。

1.2 继电保护整定软件介绍

上个世纪末，伴随着高科技领域的一次次重大突破，服务于整定计算的各类软件迎来了发展的春天，围绕这项课题所进行的研发工作正如火如荼的进行着，因而在该领域所取得的进步也堪称飞速。通过对各项研发成果进行整合开发，软件各项性能提升显著，诸如整定速率、功效以及用户体验方面都有了长足的进步。适应了电力市场的需求，并且在保障电网稳定运行的前提下，提升了整个系统的自动化水平^[5]。其中包含了如下所述的各项高新技术:

(1) 数据库技术的应用

在进行整定保护计算的过程中我们需要同时处理海量数据，这本身已对软件的计算能力提出了很高的要求，与此同时软件对数据的存储以及调配也被要求具备极高的稳定性和高效性。伴随着用户对软件功能体验各项要求的逐步提升，像 Oracle、SQL Server、Access 等大中型数据库系统及数据库技术的引入，就能使软件的功能方面能够达到操作人员所提出的要求，为整套系统的高性能运行提供保障，数据库的应用同时也为软件研发领域提供了更为广阔的发展前景 ，为继电保护技术的发展打下良好基础。

(2)图形化操作技术的研究

随着时代的进步，人们不再满足于过去纯数据或纯文字的用户体验，依托图形化操作技术，软件图形功能逐步改善，使管理人员在使用软件时更能清楚、直观的了解所需要进行的操作步骤。依托图形化操作技术能够帮助搭建其单独的体系和模块，如图形化系统、图形显示和编辑系统、坐标定位系统、组件抓取系统及图形打印及管理系统等相关配套模块。伴随着图形化技术的日益进步，计算机保护整定保护软件正朝着清晰、明确，功能日益完善人机界面更加友好的方向发展着^[6]。

(3)人工智能相关技术的应用

进入21世纪，人工智能技术得到社会越来越广泛的关注，并已经应用于我们日常生活的方方面面。大到智能家电小到智能手机，人工智能技术随处可见。这依赖于人工智能充分渗透到了机器人、计算机系统、控制系统、仿真系统等各门学科之中，并展现了很好的前景。人工智能相关技术在整定保护计算软件的应用也逐步走进了人们的视野。例如，为了使计算过程更为高效稳定，计算结论更为精确，我们引用了ANN也就是人工神经网络来对计算方法进行优化。同时我们还可以利用专家系统来拟化定值选择这一决策流程，完成了由人脑决策向人工智能的转换，是整个计算过程更为稳定，不受外界因素干扰。可在一定程度上降低大规模复杂环网的计算问题，也能很方便的实现自适应保护。依靠人工智能技术在继电保护领域的应用及拓展，极大的提高了软件自身的稳定性和灵敏性 ，这使得软件在实际应用中更具可操作性。

(4)自适应继电保护技术的应用

电力系统的运行过程中会出现多种多样的故障情况，自适应控制可以通过建立与之相对应的数据模型，对电网的运行过程进行分析与评估，抽取相关数据总结扰动经验，不断地在在线辨识和调整模型的参数的运行过程中，使模型逐渐达到完善。自适应继电保护技术在上世纪末被提出并展开研究，这项技术让我们可以通过针对电力系统运行过程中所发生的状态变化以及故障情况作出实时分析，并进行在线优化，电网运行趋于平稳。使保护装置在各种情况下都可以更充分地发挥其性能并达到最佳的保护效果。经过实际的应用，和一般的继电保护设备相比，具有自适应继电保护技术的装置在灵敏性、速动性、可靠性及选择性方面都展现出巨大优势。这项技术的引用很大程度上减少了人力成本，提升了电网整体运行的高效性和稳定性。因而自适应保护技术的研究已成为继电保护研究领域的重要组成部分。

(6)基于Web技术的继电保护整定计算

随着 Internet/Intranet技术在电力系统中的普遍应用，Web技术已经越来越多的融入到了应用系统的开发之中，并通过客户端技术和服务端技术这两大类技术来充分展现系统的信息内容。因此，依托Web技术的继电保护系统.实现了继电保护设备及相关数据、定值单信息、管理组信息等多种信息进行联网分析，并在对电力系统进行动态调整时将信息进行实时公布。

随着科学技术的不断进步，越来越多的技术被应用于继电保护研究这项课题中来。每一项技术的应用，都使得继电保护整定软件向着直观化，联网花，智能化方向逐步发展。因而新一代整定保护软件的研究具有不可限量的未来。

1.3 继电保护整定软件存在的问题

上世纪末，伴随着我国国家电网的日益发展，为保证电网的稳定运行，继电保护整定计算相关方面的研究深受重视，因而到目前在这一领域我国也取得了突飞猛进式的进展。计算机整定软件的飞速发展推动着电力系统的自动化以及网络化^[9]。相比较于早期的整定软件，新一代软件在功能和交互体验上都有着显著的提升，但在较广范围的推广过程中暴露出了诸多问题。其原因可大致归结于以下几方面：

(1)软件程序的通用性不强

因为早期的基础设置和原理结构考量不充分并且在设计中没有使用广泛接受的程序设计语言及运行支撑环境，这样就极易导致软件针对不同情境下的适应性极低。同时操作人员的差异性也会影响对数值的选择与判断，进而影响到最终的整定结果。如果完全按照一种方式或者习惯进行设计，就会使软件在使用的时候就缺少了一定的通用性。如果程序设计者对程序应用环境的考虑不足，也将导致程序的实用性极低，针对细微变化就需要重新开发。沿用性下降造成不必要的损耗以及代码资源的浪费及冗余。

(2)软件程序的可维护性不强

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