基于matlab-simulink的變壓器微機保護系統(tǒng)仿真研究

1、<p>　　基于MATLAB/SIMULINK的變壓器微機保護系統(tǒng)仿真研究</p><p>　　摘 要 介紹了變壓器微機保護的基本原理，重點分析了作為變壓器主保護之一的差動保護原理和差動回路里的不平衡電流問題。在此基礎上，利用 MATLAB/Simulink 里的 powersystem模塊庫，搭建了變壓器故障以及差動保護、過電流保護、接地保護的仿真模型，仿真分析其保護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模型以及所采用的仿真分析方法，具有較強的通用性和廣泛的工程應用價值。</p><p>　　關鍵詞 MATLAB/Simulink, 變壓器, 微機保護, 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備，一旦發(fā)生故障，

3、將給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來嚴重的后果,在現(xiàn)代供電力系統(tǒng)中，對于變壓器的保護，微機保護以其獨特的優(yōu)勢應用越來越普及。</p><p>　　目前對于變壓器微機保護的研究比較前沿的理論很多，如將數(shù)字信號處理技術應用于差動保護中，傅式算法實現(xiàn)及其改進算法，也有國外學者將專家系統(tǒng)，模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡等人工智能方法引入變壓器微機保護的研究中。變壓器微機保護由主保護和后備保護構成。主保護主要是由差動保護來完成的，防止外部短路時

4、的不平衡電流以及防止勵磁涌流所致的誤動。防止外部短路時的不平衡電流造成的誤動，本文中采用動作可靠的比率制動方法。防止勵磁涌流導致的誤動作，則采用二次諧波制動的方法，二次諧波制動技術制動可靠，是防止勵磁涌流引起的保護誤動作的一個實用的解決方案。</p><p>　　2 變壓器差動保護原理</p><p>　　變壓器縱差保護是變壓器繞組故障時變壓器的主保護，差動保護的保護區(qū)是構成差動保護的各側

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

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

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

8、護原理接線圖</p><p>　　3 變壓器差動保護建模與仿真</p><p>　　3.1 勵磁涌流建模與仿真</p><p>　　仿真模型中的電源、變壓器、負載參數(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,一次側電壓10000V，繞組阻抗8 10-4Ω，繞組電

9、抗8.4883 10-5H,二次側電壓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。負載：有功功率1MW,感性功率100var，容性功率100var。</p><p>　　搭建的勵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間，三相變壓器的副邊繞組開路（即空載），設置三相斷路器在0.02s 時合閘，相當于變壓器空載投入運行，此時變

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

11、;<p>　　(c) C相勵磁涌流FFT 分析</p><p>　　圖4 變壓器勵磁涌流 FFT 分析</p><p>　　通過圖4所示變壓器勵磁涌流 FFT 分析可知，勵磁涌流包含有很大成分的非周期分量，使涌流偏于時間軸的一側。由于勵磁涌流可達額定電流的6~8倍，包含有大量的高次諧波分量，并以二次諧波為主，因此對縱差動保護的影響很大。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間常數(shù)等因素有關。</p><p>　　3.2 三相變壓器差動保護仿真分析</p><p>　　數(shù)字式變壓器微機差動保護一般由啟動元件、諧波制動元件、差動元件、差動速斷元件組成。<

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

14、中含有大量的暫態(tài)分量（非整次諧波、非周期分量等），不利于保護的判斷，因此微機繼電保護裝置中必須有濾波算法消除這些分量的影響。微機保護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產(chǎn)生的勵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成制動原理，其判據(jù)如下：</p><p><b>　?。?）</b></p&

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

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

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

18、><p>　　圖6 區(qū)外故障時保護裝置動作信號</p><p>　　3.2.2區(qū)內(nèi)故障及保護</p><p>　　設置三相故障1為三相短路，故障時間設置為 0.1~0.2s， 三相短路故障電流如圖7（a）、（b）所示，動作信號如圖8所示</p><p>　?。╝） 一次側電流 （b） 二次側電流<

19、;/p><p>　　圖7 區(qū)內(nèi)故障時變壓器一、二次電流</p><p>　　圖8 區(qū)內(nèi)故障時保護裝置動作信號</p><p>　　從圖7，圖8中仿真曲線可以看出，變壓差動保護中，區(qū)外故障時，保護裝置不動作，而區(qū)內(nèi)故障時，保護裝置發(fā)出動作信號，保護裝置動作。</p><p>　　此外，本文也對變壓器的過流保護、接地保護進行了建模與仿真分析，仿真分

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

21、并運用 MATLAB/Simulink軟件搭建了變壓器故障和保護的仿真模型，對變壓器各種故障和保護進行了深入的仿真分析， 重點分析了作為變壓器主保護之一的差動保護原理、影響差動保護誤動的主要原因和相應的解決方法。 同時也利用 MATLAB/Simulink仿真平臺，建立了變壓器差動保護、過流保護以及接地保護的故障仿真模型，仿真結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</b></p><p>　　[1] 王帥、卓俊帆、曹祖亮、張雙平.幾種電力系統(tǒng)微機保護算法淺析[J]. 電氣開關，2010，1～4</p><p>　　[2] 方輝洋.電力系統(tǒng)變壓器微機保護的研究[D]：湖南大學碩士學位論文. 湖南：湖南大學，2009</p><p>　　[3] 戴道勇.電力變壓器微機保護系統(tǒng)的研究[D]：安徽理工大學碩士學

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

24、差動保護及勵磁涌流識別技術的研究[D]：華北電力大學碩士生論文. 北京：華北電力大學，2006</p><p>　　[7] 賀家李主編.電力系統(tǒng)機電保護原理[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仿真與應用[M]. 西安：西安電子科技大學出版社，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)設計與分析[M].第3版. 北京：國防工業(yè)出版社，2010(7).251～294</p><p>　　[11] 張遠.電力

26、變壓器繼電保護動作行為仿真分析系統(tǒng)[D]：湖南大學碩士學位論文. 湖南：湖南大學,2012</p><p>　　[12] 張明君、王延平、梅彥平編著. 電力系統(tǒng)繼電保護[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)公司繼電保護培訓教材[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[M]. 第2版. 北京：北京大學出版社，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)微機繼電保護[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)微機繼電保護[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