微机保护算法综合仿真及习题.docx
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微机保护算法综合仿真及习题
微机保护算法综合仿真及习题
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第一部分微机保护算法综合仿真方法
第一节概述
我们在电力系统微机保护原理课程中已经学习了数字滤波器和保护算法的设计方法。
但是,这些方法都是理论上的,而且往往都作了一些假设和简化处理。
例如,在设计FIR滤波器时采用某种窗函数对冲激响应h(t)进行截断处理,在采用富氏算法时假设信号是周期性的等等。
这些理论上设计出来的滤波器和保护算法在电力系统各种复杂故障情况下,尤其是在考虑电力系统故障暂态的情况下,其性能是否能满足要求,还需要进行更多更深入的研究.
由于不可能在真实的电力系统中去制造短路故障以考核所设计的滤波器和保护算法的正确性和有效性,所以,通常的做法是首先进行仿真研究,成功后再在动模系统上进行实验考核,考核通过后即可送国家质量检测中心进行检测.可见,仿真研究是设计微机保护必须进行的重要工作之一。
电力系统故障暂态仿真常用电力系统电磁暂态仿真程序(EMTP)进行.EMTP可用以完成电力系统各种元件、线路故障的暂态仿真,应用十分广泛。
但是,在需要对暂态故障电流电压数据进行进一步研究分析时,往往需要借助其它分析软件,而且很多时候还需要对故障电流电压数据的格式进行转换,使用上不是很方便。
而利用MATLAB软件包进行电力系统故障仿真、数字滤波器设计及微机保护算法仿真则非常简单.例如,MATLAB6。
5软件包自带电力系统电磁暂态仿真程序,即电力系统工具箱SimPowerSystems,利用它完成电力系统故障暂态仿真后,进行微机保护算法综合仿真时可以直接调用暂态故障电流电压仿真数据。
进行电力系统故障暂态仿真和微机保护算法综合仿真的方法和步骤如下:
(1)根据原始电力系统的接线与系统参数,建立电力系统故障暂态仿真模型。
(2)利用MATLAB软件包自带的电力系统工具箱SimPowerSystems完成电力系统故障暂态仿真后,得到暂态故障电流电压数据.
(3)编制微机保护数字滤波器和保护算法的综合仿真程序,通过对暂态故障电流电压数据的滤波处理和保护算法运算,研究分析数字滤波器与保护算法的基本性能.
第二节电力系统工具箱设计基础
一、电力系统工具箱概述
电力系统工具箱是MATLAB环境下的电力系统仿真工具,其仿真文件类型为。
mdl。
电力系统工具箱为用户提供了很方便的图形化功能模块。
功能模块运行于MATLAB的Simulink模拟工具环境,可通过用鼠标点击、拖拽等简单操作实现仿真功能模块的选取、连接等功能,使得用户可以迅速方便地连接一个电力系统仿真模拟系统,从而简化电力系统仿真模拟设计流程,减轻设计负担.
电力系统工具箱的功能模块库包含了典型的电力系统仿真功能模块,如电力变压器、输电线路、发电机及各种电力电子元件等。
用户可利用图形化功能模块库迅速完成自己的电力系统故障暂态仿真工作。
所有这些仿真功能模块都带有自己的帮助文件,用以描述模块的功能、参数、属性设置方法及基本使用方法。
三、电力系统模块库的几类基本模块
下面以表格的形式给出了电力系统模块库中的模块功能简介,从而使用户可以对电力系统模块库的一些主要模块有一个初步的认识。
如表1至表9所示,这些表中的模块名和模块库中的模块图标下的名称一致.
表1ElectricalSourcesLibraryBlocks(电源库模块)
BlockName(模块名)
Purpose(功能)
ACCurrentSource
实现一个正弦型电流源
ACVoltageSource
实现一个正弦型电压源
ControlledCurrentSource
实现一个受控电流源
ControlledVoltageSource
实现一个受控电压源
DCVoltageSource
实现一个直流电压源
表2PowerElectronicsLibraryBlocks(电力电子库模块)
BlockName(模块名)
Purpose(功能)
Diode
实现一个二极管
GTO
实现一个门极可关断的晶闸管
IdealSwitch
实现一个理想开关
IGBT
实现一个绝缘栅双基极管
MOSFET
实现一个金属氧化物半导体场效应管
Thyristor
实现一个晶闸管
表3MeasurementsLibraryBlocks(测量库模块)
BlockName(模块名)
Purpose(功能)
CurrentMeasurement
测量电路中的电流
ImpedanceMeasurement
测量电路中的阻抗(频率的函数)
Multimeter
测量电力系统组合模块的电压和电流
VoltageMeasurement
测量电路中的电压
表4ElementsLibraryBlocks(元件库模块)
BlockName(模块名)
Purpose(功能)
Breaker
实现一个电流过零时开断的断路器
DistributedParametertLine
实现一个N相分布参数输电线路
LinearTranformer
实现一个双绕组或三绕组线性电力变压器
MutualInductance
实现一个两线圈或三线圈耦合的电抗器
ParallelRLCBranch
实现一个并联RLC支路
ParallelRLCLoad
实现一个并联RLC负载
PISectionLine
实现一个集中参数单相输电线路
SaturableTransformer
实现一个双绕组或三绕组可饱和的电力变压器
SeriesRLCBranch
实现一个串联RLC支路
SeriesRLCLoad
实现一个串联RLC负载
SurgeArrester
实现一个金属氧化物避雷器
Three—PhaseTranformer(TwoWinding)
实现一个三相双绕组电力变压器
Three-PhaseTranformer(ThreeWinding)
实现一个三相三绕组电力变压器
表5MachinesLibraryBlocks(电机库模块)
BlockName(模块名)
Purpose(功能)
AsynchronousMachine
动态三相异步电机(感应电机)
DCMachine
他励直流电机
ExcitationSystem
励磁系统
HydraulicTurbineandGovernor
水轮机和调速系统
PermanentMagmetSynchronousMachine
永磁同步电机
SimplifiedSynchronousMachine
简化同步电机
SteamTurbineandGovernor
汽轮机和调速系统
SynchronousMachine
动态三相凸极同步电机
表6Powerlib_extras/ControlBlocksLibraryBlocks(电力系统扩展/控制模块库模块)
BlockName(模块名)
Purpose(功能)
PWMGenerator
脉宽调制脉冲发生器
Synchronized6-PulseGenerator
同步6脉冲发生器
Synchronized6—PulseGenerator
同步12脉冲发生器
3-PhaseProgrammableSource
三相信号源,
Timer
定时器
表7Powerlib_extras/MeasurementsLibraryBlocks(电力系统扩展/测量库模块)
BlockName(模块名)
Purpose(功能)
abc_to_dq0Transformation
实现派克变换从abc到dq0变换
Active&ReactivePower
测量电压电流对的有功和无功
dq0_to_abcTransformation
实现派克变换从dq0到abc变换
Fourier
傅立叶变换
RMS
测量信号的均方根(RMS)
3-PhaseSequenceAnalyzer
测量三相信号的正序、负序和零序分量
Three-PhaseV—IMeasurement
测量三相电压和电流
TotalHarmonicDistortion
测量总谐波失真度
表8Powerlib_extras/Three—PhaseBlocksLibrary(电力系统扩展/三相模块库)
BlockName(模块名)
Purpose(功能)
3—PhaseBreaker
实现电流过零时开断的三相断路器
3-PhaseFault
相间和接地短路故障模块
表9ConnectoesLibraryBlocks(连接器库模块)
BlockName(模块名)
Purpose(功能)
BusBar
母线
Ground
地
Neutral
中性点
为了保存和观察仿真结果,还要用到Simulink的其他模块,例如接收模块(Sinks)。
单击命令窗口中的Simulink按钮,打开Simulink的模块库浏览器。
在模块库浏览器中选择Simulink模块类库,再进一步选择接收模块库Sinks,可观察到相应的各个接收模块。
具体的接收模块及其功能如表10所示。
表10Simulink/Sinks(仿真/接收模块)
BlockName(模块名)
Purpose(功能)
Scope
观测器(示波器)
XYGraph
XY观测器(示波器)
Display
输入信号的数字显示
ToFile
以行格式将时间和输出值写入指定的MAT文件
ToWorkspace
将输出值写入MATLAB主工作区指定的数组或结构
第三节电力系统故障暂态仿真
本节在第二节基础上,更深入地介绍利用电力系统工具箱建立电力系统仿真模型、在Simulink环境中进行电力系统故障暂态仿真的方法,并给出一个具体的仿真算例。
一、仿真模拟参数的设定
1、Solver参数的设定
Solver参数的设定是进行仿真模拟工作前的准备工作,如何设定参数是根据程序设计时的需求而定的,以便Simulink发挥最好的效果。
最基本的参数设定包括起始与终止模拟的时间、模拟的步长大小与Solver的类别等。
进行参数设定可以在已建好的仿真模型窗口下选择Simulation/SimulationParameters,出现如图10所示的仿真参数对话框,其中的选项的意义如下:
(1)Apply:
用于修改参数后的确认,表示将目前改变的参数设定用于接下来的仿真.
图10仿真参数(Solver)设定对话框
(2)OK:
确认参数设置的相关操作,并关闭参数设置对话框.
(3)Cancel:
取消参数设置的相关操作,并关闭参数设置对话框.
(4)Help:
显示使用方法的说明。
(5)Simulationtime:
为仿真起止时间,不一定等于真正的时间,需要根据程序的大小与复杂程度而定.
(6)Solveroptions(解法器选项):
包括许多选项,其中
1)Variable-step(可变步长):
能够在仿真过程中自动修改步长的大小(stepsizes)以满足容许误差的设定与零跨越(zerocrossing)的需求,一般设定为ode45,但当模型没有表示连续状态(Continuousstate)时,就必须选discrete。
最大步长(Maxstepsize)的默认值一般为auto。
2)Fixed—step(固定步长):
固定步长的大小,不会自动修正步长以满足容许误差的设定与零跨越的需求。
其中解法器Solver共有ode5,ode4,ode3,ode2,ode1和discrete六种解法可选,一般采用ode4作为Solver,它等效于ode45。
另外ode3等效于ode23。
3)Outputoptions:
第一个选项为Refineoutput,其Refinefactor最大为4,默认值为1,数值越大则输出越平滑.第二个选项为Produceadditionaloutput,设定其Outputtimes的数值与Refinefactor类似,它能使输出更平滑。
第三个选项是Producespecifieldonly,只是在设定的Outputtimes中产生输出。
2、工作空间(Workspace)参数的设定
在WorkspaceI/O标签页内可以设定若干参数,如图11所示。
该标签页的主要目的是处理数据的输入/输出。
可在Loadfromworkspace中设定两个列向量的变量名称,如图11所示的(t,u)。
其中t是时间,而u则是对应该时间的数据值。
写出的部分在Savetowoekspace中设定,可设定4个变量,分别为Time、States、Output和Finalstate。
图11工作空间(Workspace)窗口
设定State后就可以从其他的地方读取状态值,或在得到稳定状态值时,将其保存起来以备下次仿真时使用。
只要在Loadinitial及Savefinal中给定变量名称,便可以在下次仿真时通过调用这两个变量来使用。
Limitdatapointtolast可以限定存取行数。
Decimation为降频的程度,降频系数的默认值为1,表示每一个点都返回状态与输出值;若设为2,则会每隔2个点返回状态与输出值,这些结果会保存起来。
3、诊断(Diagnostics)参数的设定
诊断(Diagnostics)参数设定窗口如图12所示。
它主要用于诊断模型是否精确、效果是否很好,或者在发生某些事件时,设定应采取的措施。
图12中白色窗口栏内为程序执行时可能遇到的情况,而Action为情况发生时应执行的操作,这可以由用户选择设定。
Con—
Sistencychecking用于s函数与SimulinkSolver连接后的功能验证,有none、warning、error三种选择,一般都选择none,以免影响执行速度。
如果选择warning或者error,Simulink会验证输出值、零跨越值、微分值和状态值是否正确。
Disablezerocrossingdetection是复选框,选中该复选框的目的是取消对零跨越的检测。
图12诊断(Diagnostics)参数设定窗口
二、建立电力系统仿真模型
1、原始系统参数及模型
图13给出了一个实际500kV输电线路模型,MN为故障线路,NR为非故障线路。
线路参数为:
正序阻抗:
(
)
零序阻抗:
(
)
线路对地正序电容:
线路对地零序电容:
M、N侧等值系统的参数为:
2、建立电力系统暂态仿真模型
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仿真模块由模块库中拷贝后粘贴到新模型窗口内,再按图13所示的系统模型连接关系进行连接。
本系统模型较为简单,在建立电力系统仿真模型时主要用到以下仿真模块:
三相分布参数线路模块:
ElementsLibraryBlocks/DistributedParameterLine;
三相等值系统模块:
3-phaseinductivesource;
三相故障模块:
Powerlib_extras/Three—PhaseBlocksLibrary/3—PhaseFault;
三相电压电流测量模块:
Powerlib_extras/MeasurementsLibraryBlocks/Three—PhaseV-IMeasurement。
为了完成微机保护数字滤波器与保护算法的综合仿真,还需要将电力系统暂态仿真得到的暂态故障电流电压数据输出到文件保存,为此还需要用到Simulink模块库中的保存到文件模块(Simulink/Sinks/ToFile)。
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kk500kv.mdl。
下面分别介绍各模块的参数设置及模块的使用方式。
(1)三相等值系统模块
三相等值系统模块的外形如图14所示,其参数设置窗口如图15所示.要打开三相等值系统模块的参数设置窗口,可以用鼠标左键双击三相等值系统模块.
图14三相等值系统模块外形图(右边被选中的模块)
图15三相等值系统模块的参数设置窗口
参数设置窗口中可设置电压幅值、相位、频率及等值系统阻抗(等值系统阻抗要求分别输入电阻值和电抗对应的电感值).
(2)分布参数线路模块
分布参数线路模块的外形如图14所示,其参数设置窗口如图17所示。
参数设置窗口中可设置相数、频率、分布参数线路的分布参数(单位线路长度的正序、零序电阻,单位线路长度的正序、零序电抗对应的电感值,单位线路长度的正序、零序电容值。
)以及线路长度等参数。
由于需要在仿真时改变MN故障线路上故障点的距离,因此MN线路用2段分布参数线路模块来模拟,2段分布参数线路长度之和应为MN线路的长度。
(3)三相故障模块
三相故障模块连接于MN故障线路上,用于模拟各种不同类型的故障.三相故障模块
图16三相故障模块内部关系图
内部的连接关系如图16所示。
参数设置窗口中可设置故障类型、相间故障过渡电阻
和
图17分布参数线路模块的参数设置窗口
接地故障过渡电阻
.三相故障模块内部开关的分、合时间可以分别由外部Simulink控制信号(外部控制模式)或内部控制计时器(内部控制模式)控制.三相故障模块的内部开关可分别控制分、合以便模拟各种不同类型的相间故障或接地故障。
当三相故障模块设置为外部控制模式时,模块将显示外部控制输入端com.外部控制信号逻辑0打开开关,外部控制信号逻辑1闭合开关。
当三相故障模块设置为内部控制模式时,开关时间与控制状态在参数设置窗口设置。
参数设置窗口中可设置故障类型、相间故障过渡电阻
、接地故障过渡电阻
等参数。
注意:
缺省设置为金属性短路,
、
的阻值为0.001Ω(仿真算法的要求,金属性短路时
、
的阻值不能为0).内部控制模式时三相故障模块的参数设置窗口如图18所示。
图中将三相故障模块设置三相接地短路、暂态仿真时间从0。
1s开始故障,0.2s结束故障。
图18三相故障模块参数设置窗口(内部控制模式)
(4)三相电压电流测量模块
三相电压电流测量模块的作用相当于实际系统中的三相电压、电流互感器的作用。
三相电压电流测量模块的外形如图14中左边第二个模块所示,其参数设置窗口如图19所示。
三相电压电流测量模块的参数设置窗口中可设置输出电压电流的基准值。
当设置输出电压电流的基准值后,输出电压电流就是标么值,否则输出电压电流就是有名值。
(5)保存到文件模块
保存到文件模块的外形如图14中右上角第一个模块所示,其参数设置窗口如图20所示。
保存到文件模块的参数设置窗口中可设置数据文件名、数据文件变量名。
Decimation参数取值为n时,数据文件中保存的采样数据为实际采样数据的1/n。
采样时间参数用于保证
图19三相电压电流测量模块的参数设置窗口
图20保存到文件模块的参数设置窗口
数据文件中保存的数据为给定的等间隔采样值,其间隔为采样时间参数确定的时间。
图14中保存到文件模块与Simulink中的Mux模块配合工作.Mux模块位于Simulink/
SignalRouting模块库中,用于将向量或标量组合为大的向量.此处使用Mux模块是为了将仿真模型中的MN线路与NR线路两端的三相电压电流测量模块输出信号组合后保存于数据文件中。
组合顺序为MN线路的M端、N端与NR线路的N端、R端的三相电压与电流。
数据文件的数据按矩阵形式保存,文件格式为.mat。
数据矩阵具有图21所示的形式。
t为采样时刻;除第一行外,每一行都是一个输入向量,每个输入向量的采样数据的个数为n个。
图21数据矩阵的形式
(6)电力系统暂态仿真模型
按照原始电力系统参数设置各模块的参数并按照原始电力系统模型接线关系对各模块进行连接后,可以得到如图22所示的电力系统暂态仿真模型图。
图22电力系统暂态仿真模型
(7)电力系统暂态仿真模型的实际仿真
三相故障模块中的暂态仿真时间被设置为0。
1s开始故障,0.2s结束故障,因此在电力系统暂态仿真模型窗口的Simulink菜单下的SimulationParameters中可设置仿真开始时间为0s,仿真结束时间为0。
2s,即0~0。
1s时间段为仿真系统正常运行阶段,0。
1~0.2s时间段为仿真系统故障阶段。
仿真操作既可在MATLAB命令窗口中运行相应的仿真命令完成,也可以直接在电力系统暂态仿真模型窗口执行Simulation菜单下的Start命令完成。
更简单的方法是,在暂态仿真模型窗口执行工具条上的图标
完成电力系统暂态仿真模型的仿真。
第四节微机保护算法综合仿真
本节利用第三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真所产生的数据文件kbc.mat对微机保护算法进行综合仿真,用以分析微机保护数字滤波器及保护算法的性能.
算法综合仿真的内容包括:
(1)准备仿真数据文件.使用的数据文件可以用MATLAB电力系统工具箱产生,也可以用EMTP电力系统故障暂态仿真软件或实际电力系统故障录波的数据文件(如果调用EMTP电力系统故障暂态仿真软件或实际电力系统故障录波的数据文件,还需要对其进行数据格式转换)。
(2)微机保护数字滤波器与保护算法编程。
(3)调用电力系统故障暂态数据文件,对故障数据文件进行数字滤波处理和保护算法计算,并以图形方式显示数字滤波器和保护算法计算的结果。
(4)算法仿真结果的误差分析和性能分析。
一、准备仿真数据文件
假定需要考察第三节建立的电力系统暂态仿真模型中MN线路在距离M侧42km处发生三相短路故障时微机保护数字滤波和保护算法的性能,则分别设置模拟MN故障线路的两段分布参数线路模块L1、L2的线路长度各为42km和300km(两段分布参数线路长度之和等于MN线路长度)。
仿真结果的数据文件名为kbc.mat,数据文件用于保存数据的矩阵变量名为m,三相故障模块被设置为三相短路故障,暂态仿真时间为0.1s开始故障,0。
2s结束故障,采样时间
(即每工频周期采样12点)。
完成电力系统暂态仿真模型的实际仿真后,得到仿真数据文件kbc.mat.
比如,要考察MN线路N端微机保护的数字滤波器及保护算法的性能,需要使用MN故障线路N端的故障暂态电流电压数据。
根据保存到文件模块中输出向量的排列顺序(如图21所示),MN故障线路N端的故障暂态电压数据排列在矩阵m的第8行(a相电压)、第9行(b相电压)和第10行(c相电压),而MN故障线路N端的故障暂态电流数据排列在矩阵m的第11行(a相电流)、第12行(b相电流)、第13行(c相电流)。
这样,可以编制M文件c8e1.m(如图23所示)获得相应的故障暂态电压电流数据,并绘制电压电流波形图(如图24所示)。
获得并分析M端或非故障线路电压电流数据的方法与此类似。
图23M文件c8e1。
m
图24MN故障线路N端电压电流波形图
关于M文件c8e1.m的说明:
第1行,清工作区;
第2行,读取数据文件kbc。
mat,该文件中
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