基于MATLAB的距離保護仿真

摘要：本文闡述了如何利用Matlab中的Simulink及SPS工具箱建立線路的距離保護仿真模型，并用S函數編制相間距離保護和接地距離保護算法程序，構建相應的保護模塊，實現了三段式距離保護。仿真結果表明，所建立的三段式距離保護模型能夠正確反應在保護區內的不同類型的短路故障并發出動作信號使斷路器跳閘實現輸電線路的保護功能。

關鍵詞：Matlab；S函數；仿真；距離保護

Distance protection simulation based on Matlab

ABSTRACT: This paper established a distance protection simulation model of transmission line by using Simulink and SimPowerSystem toolbox in Matlab. We programed the distance protection of phase faults and earth faults by using S-Fuction and created relevant protection models to build distance protection. The simulation results show that the three-stage distance protection model we created can response to all kinds of faults within protection zones correctly and send correct signal to the breaker of the line.

KEY WORDS：Matlab; S-Function; Simulink; distance protection

0 引言

Matlab軟件中的SimPowerSystem工具箱是基于Simulink發展起來的電力系統仿真工具箱，里面有許多可用于電力系統仿真的元件模塊庫，這些模塊以圖形的形式表示電力系統設備的數學模型。用戶可以通過搭積木的方式建立所需仿真模型，可以設計并封裝自己所需的模塊，也可以用S函數將程序與Simulink解法器進行交互實現用程序控制電力系統模型的功能，最后還可以將仿真結果導入Matlab工作空間以分析仿真結果。其靈活性、方便性及實時準確性為電力系統的仿真驗證提供了平臺，極大地方便了電力系統的分析設計。

本文通過Simulink及SPS建立了輸電線路的三段式距離保護仿真模型，用S函數編寫相間距離保護和接地距離保護程序，設置了三段式距離保護作為本線路全長的主保護以及下級線路的后備保護。仿真模型能夠直觀動態地觀察故障后保護模塊內部的動作情況，從而實現對繼電保護動作效果的檢驗。這種方法容易推廣到其它保護中，尤其是實現新保護原理的仿真，具有一定的推廣價值。

1 仿真模型的建立

考慮具有兩級線路的單端電源110kV單回線輸電線路系統，如圖1所示。距離保護安裝在線路AB的斷路器處，作為本線路AB的主保護以及下級線路BC的后備保護。

圖1 單端電源電力系統

系統的各個元件參數為：電壓源的線電壓10.5kV，內阻Zg=0.001+j0.0157Ω；變壓器容量31.5MVA， Yg-d11接線，折算到高壓側的阻抗ZT=1.86+j18.6Ω；兩級線路長度均為100km，線路的正序阻抗z1=(0.05+j0.3)Ω/km，零序阻抗z0=(0.04+j1.2) Ω/km；負荷容量SLD=1.2+j0.9MVA。

在Matlab/Simulink中建立仿真模型，如圖2所示。保護模塊已經封裝成子系統，其輸入數據為斷路器處的電壓電流測量值，其輸出信號送至斷路器的控制端，以控制斷路器的開合狀態(信號0表示跳閘，信號1表示合閘，斷路器初始狀態為合閘)。用故障模塊設置短路類型以及故障發生的時間(t=0.03s)。通過改變故障點兩側線路的長度來改變故障點的位置，但兩側線路的長度之和始終保持200km不變。仿真起止時間為0~0.2s，采用變步長、ode23t算法進行仿真。所有模塊的頻率均為50Hz。

圖2 距離保護仿真模型

2 保護模塊的構建

2.1 距離保護原理

根據測量阻抗的構成方式不同可以分別構成相間距離保護和接地距離保護。

相間距離保護采用的測量電壓是相間電壓，測量電流也為相間電流，能夠反應相間短路、兩相接地短路和三相短路故障，但不能反應單相接地故障。其測量阻抗為：

(1)

接地距離保護采用測量電壓為保護安裝處的相電壓，測量電流為帶有零序電流補償的相電流，能夠反應單相接地故障、兩相接地故障、三相接地故