电力系统继电保护仿真实验指导书(试用稿)

电力系统继电保护实验指导书张艳肖编适用于12级电气工程及其自动化专业西安交通大学城市学院二○一五年三月-2-目录第一部分MATLAB基础...................................................................................-3-1.1MATLAB简介..........................................................................................-3-1.2MATLAB的基本界面...........................................................................-3-1.2.1MATLAB的主窗口......................................................................-3-1.2.2MATLAB的主窗口.......................................................................-3-1.3SIMULINK仿真工具简介....................................................................-4-1.3.1SIMULINK的启动........................................................................-4-1.3.2SIMULINK的库浏览器说明........................................................-5-第二部分仿真实验内容..................................................................................-6-实验一电力系统故障....................................................................................-6-实验二电流速断保护....................................................................................-9-实验三三段式电流保护..............................................................................-13-实验四线路自动重合闸电流保护..............................................................-17--3-第一部分MATLAB基础1.1MATLAB简介MATLAB是一种适用于工程应用各领域分析设计与复杂计算的科学计算软件，由美国Mathworks公司于1984年正式推出，1988年推出3.X(DOS)版本，1992年推出4.X(Windows)版本；1997年推出5.1(Windows)版本，2000年下半年，Mathworks公司推出了MATLAB6.0版本。随着版本升级，内容不断的扩充，功能更加强大。MATLAB在国内外的大学中，特别是数值计算应用最广的电气信息类学科中，已成为每个学生都应掌握的工具。1.2MATLAB的基本界面1.2.1MATLAB的主窗口1.启动MATLAB启动MATLAB的方法有很多，下面是最常用的方法。（1）双击系统桌面的MATLAB图标；（2）从桌面“开始”→“程序”→“MATLAB”。启动MATLAB后，如图1-1所示。图1-1MATLAB桌面1.2.2MATLAB的主窗口MATLAB的主窗口包含有6个下拉菜单和10个功能按钮，用来进行整体的环境参数的设置，如图1-2所示。-4-图1-2MATLAB的主窗口的菜单和功能按钮1.3SIMULINK仿真工具简介Simulink是Mathworks公司开发的MATLAB仿真工具之一，其主要功能是实现动态系统建模、仿真与分析。Simulink下有很多专用功能模块，如航空航天模块库(AerospaceBlockset）、通信模块库(CommunicationBlockset)、神经网络模块库(NeuralNetworkBlockset)、电力系统模块库(SimpowerSystems)等。其中电力系统模块库对用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等过程的仿真分析。功能强大的SimpowerSystems和Simulink同时使用将使一些复杂的、非线性的系统建模与仿真变得非常容易。它包括7个子模块库：电源(ElectriialSources)子库里有单/三相交流电压源、单相电流源、直流电压源、受控源等，元件子库(Elements)有各种支路、负载和开关、变压器等主要电力设备元件，附加子库(ExtraLibrary)汉纳有各种附加的控制、测量模块和特殊变压器等模块，电机子库(Machines)有异步、同步、控制等各种电机，测量子库(Measurement)含有电压电流和阻抗等测量元件，电力电子子库(PowerElectronics)里有Gto、IGBT、Mosfet、Thyristor各种电力电子元器件等。利用SIMULINK对系统进行仿真与分析,在进入虚拟实验环境后,不需要书写代码,只需使用鼠标拖动库中的功能模块并将它们连接起来,按照实验要求修改各元器件的参数。通过虚拟实验环境建立实验仿真电路模型,可使一些枯燥的电路变得有趣味,复杂的波形变得形象生动,使得各种复杂的能量转换过程比较直观地呈现在学生面前。以下采用Matlab来仿真电力电子技术课程中的传统实验,和传统的硬件实验对比,此实验方法有很大优越性。在SIMULINK仿真环境下，运用PowerSystemBlockset的各种元件模型建立电力电子电路的仿真模型，并对其进行仿真研究。1.3.1SIMULINK的启动启动SIMULINK有以下三种方法：（1）在MATLAB的命令窗口中输入“simulink”，按Enter键，就可以打开SIMULINK的库浏览器，如图1-3所示。-5-图1-3SIMULINK的库浏览器（2）在MATLAB的工具栏中，单击simulink按钮，也可以可以打开SIMULINK的库浏览器。（3）单击MATLAB的发布窗口中simulink文件夹，单击simulink按钮，也可以可以打开SIMULINK的库浏览器。1.3.2SIMULINK的库浏览器说明在图1-3的SIMULINK的库浏览器中，在界面的上方是标题栏、菜单栏、常用按钮及关键字填写栏。在关键字填写栏可以输入要查找的模块的关键字，按Enter键，就可以查找相应功能模块。SIMULINK提供了多个基本模块库，有Continuous（连续系统模块库）、Discret（离散系统模块库）、Functions&Tables（函数与表模块库）、Math（数学运算模块库）、Nonlinear（非线性系统模块库）、Signals&Systems（信号与系统模块库）、Sinks（输出模块库）、Sources（输入源模块库）、Subsystems（子系统模块库）、SimPowerSystems（电力系统模块库）等标准模块库。本实验用到最多的就是SimPowerSystems（电力系统模块库），该工具箱包含有ElectricalSources（电源模块库）、Elements（元件模块库）、PowerElectronics（电力电子器件模块库）、Machines（电动机模块库）、Connectors（连接器模块库）、Measurements（测量模块库）、Extras（附加模块库）和Demos（演示模块库）。-6-第二部分仿真实验内容实验一电力系统故障一、实验目的1.对电力系统中各种短路现象的认识2.掌握各种短路故障的电压电流分布特点3.仿真波形分析二、实验内容电力系统中，大多数故障都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。各种类型的短路包括三相短路、两相短路、两相短路接地和单相接地短路。电力系统的运行经验表明，在各种类型的短路中，单相短路占大多数。1.模型的建立发电机G：50MW，13.8kV，保持恒定，Y连接，变压器T：13.8/220kV，线路L：100km，负荷：50MVA仿真模型建立：启动MATLAB，进入SIMULINK后新建文档，运用PowerSystem中的各种元件模型建立仿真模型，如图1-1所示。双击各模块，在出现的对话框内设置相应的参数。图2-1仿真模型2.仿真参数设计（1）发电机参数设置发电机额定容量为500MVA，额定电压为13.8KV，额定频率为60HZ，Yg连接，其他值采用默认值。-7-（2）三相负荷参数设置额定容量为50MVA。（3）三相变压器参数设置额定频率为50HZ，一次侧电压13.8KV，二次侧电压220KV，其他值采用默认值。（4）三相输电线路参数设置线路长100KM。（5）故障模块参数设置短路故障是用三相故障元件来模拟，故障时间段可通过TransitionTimes来设置，设置为0.06～0.12S。其余的短路故障模型可以通过修改三相故障模块的参数设置来实现，将在以下仿真过程中进行设置。图2-2三相交流电源图2-3三相负载图2-4测量元件图2-5变压器-8-图2-6输电线路图2-7三相故障模块三、实验报告1.正常运行时，观察并分析三相电压、电流波形。2.单相接地短路故障分析将三相电路短路故障发生器中的“故障相选择”选择A相故障，并选择故障相接地选项，故障时间设置为0.06～0.12S，观察并分析A相接地短路故障点三相电压、电流波形。同理，也可设置B或C相单相接地短路，观察并分析故障点三相电压、电流波形。3.两相短路接地故障分析将三相电路短路故障发生器中的“故障相选择”选择A相和B相故障，并选择故障相接地选项，故障时间设置为0.06～0.12S，观察并分析A相和B相接地故障点三相电压、电流波形。同理，也可设置B相和C相，C相和A相两相接地短路，观察并分析故障点三相电压、电流波形，线路电压、电流波形分析。4.两相短路故障分析将三相电路短路故障发生器中的“故障相选择”选择A相和B相故障，故障时间设置为0.06～0.12S，观察并分析A相和B相短路故障点三相电压、电流波形。同理，也可设置B相和C相，C相和A相两相短路，观察并分析故障点三相电压、电流波形，线路电压、电流波形分析。5.三相短路接地故障分析将三相电路短路故障发生器中的“故障相选择”的三相故障3个都选中，故障时间设置为0.06～0.12S，观察并分析故障点三相电压、电流波形。-9-实验二电流速断保护一、实验目的1.掌握电流速断保护的工作原理、整定计算、保护构成和保护特点。2.掌握相间短路时，电流速断保护的动作时间。二、实验内容电流保护原理：当线路发生故障时，线路中的电流会骤然增大，当电流大于保护的整定值时，电流保护动作切除故障，这种反映电流幅值升高而动作的保护装置叫过电流保护。电流保护分为：电流速断保护、限时电流速断保护和定时限过电流保护，称为电流三段式保护。对于单侧电源供电线路，在每回线路的电源侧均安装有电流速断保护。当输电线路上发生短路时，动作电流按躲过被保护线路末端短路时的最大短路电流整定。使其保护范围限制在被保护线路的内部，保证了选择性，可以瞬间切除故障。流过保护安装地点的短路路电流：kSkEEIKKZZZ1.仿真模型的建立12AB12k1图3-1单侧电源网络以一个110kV系统为例进行模型搭建。模型的基本元件有：电源、断路器、三相负载、继电器、三相负载、继电器，以及用来仿真故障的三相故障模型，傅立叶