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外文文献翻译
题 目 基于Matlab/Simulink的距离保护动态仿真系统
Matlab/Simulink Based Dynamic SimulationSystem
for Distance Protection
基于Matlab/Simulink的距离保护动态仿真系统
XU Ming,GAO Houlei,YAN Chao
（School of Electrical Engineering,Shandong University,Jinan 250061,China）
摘要：为了观察距离保护的运行过程，本文设计了一个基于Matlab/Simulink的微机距离保护动态仿真系统，该系统采用模块化设计，由故障暂态计算、启动、傅立叶算法、选相、阻抗计算等模块组成。对影响距离继电器运行的主要因素进行了仿真，仿真结果表明，该系统能够在不同的运行条件下演示距离保护的动态特性。
关键词：距离保护，动态模拟，MATLAB/Simulink，阻抗跟踪。
随着现代电网的不断发展，继电保护越来越重要。观察其内部动态过程并对各种继电保护算法进行了分析，多年来对保护仿真进行了研究[1-4]。在继电器仿真中，电力系统建模和继电器模块化是其中的两个重要组成部分。电力系统建模一直采用电磁暂态程序和C、FORTRAN等高级局域网的继电模型来实现。
电力系统模型与继电保护模型的相互作用是保护仿真中的一个重要问题。基于所采用的交互方案，继电器仿真可分为闭环仿真和开环仿真。在闭环仿真中，将继电器跳闸信号反馈给控制系统模型的断路器。在开环方法中，不考虑反馈。
在集成数学计算、可视化和强大的语言以提供灵活的技术计算环境的过程中，Matlab已成为工程应用的重要仿真工具[5-7]。其时域解算器Simulink提供了优秀的图形用户界面和模块，允许用户轻松构建系统模型，同时进行大规模模拟测试。
利用Simulink的开放式结构，可以快速开发保护继电器算法程序或保护继电器模型。此外，电力系统模块集（PSB）是Simulink的最新扩展之一，它可以提供类似EMTP的计算，允许在相同环境中对电力系统及其控制进行建模。Matlab、Simulink和PSB的结合使用户能够高精度地建模和模拟实时电力和保护系统。本文介绍了一种基于MATLAB的距离保护闭环仿真系统的设计与实现。
1 距离保护工作原理
距离继电器使用在继电器位置采集的电压和电流来计算从继电器点到故障点的线路的表观阻抗。将计算出的表观阻抗z与设定阻抗zset进行比较，确定故障是内部故障还是外部故障。在正常运行期间，阻抗通常大于zset。如果表观阻抗小于zset，则说明保护线路可能发生了故障。在故障条件下，距离继电器使电路通电，使相关断路器跳闸，以将故障线路与系统的其余部分隔离[8]。
图1显示了距离保护的工作原理。保护线路发生故障时，启动元件启动保护装置或故障计算程序。作为距离保护中心的测量元件，计算故障点和继电器点之间的线路阻抗。时间延迟元件根据测量元件的结果确定不同的时间延迟。输出元素执行保护决策。
图1 距离保护工作原理
2 仿真系统配置
本文根据距离保护的工作原理和基本配置，设计了距离保护动态仿真系统。如图2所示，仿真系统由电磁暂态计算模块PTamp;CT组成。模块、数据读取模块、U、amp;、I显示模块、启动模块、傅立叶算法模块、选相模块、阻抗计算模块、阻抗比较模块等。在该闭环仿真中，将继电器跳闸信号反馈给控制系统的断路器模型。这种闭环仿真方法大大提高了仿真精度，使电力系统与保护系统之间的动态交互仿真成为可能。
图2 基于微处理器的距离保护动态仿真系统
2.1 基于PSB的故障暂态计算
PSB的设计目的是提供一种现代的设计工具，允许用户快速、轻松地建立模拟电力系统的模型。块集使用Simulink环境，允许使用简单的单击和拖动过程构建模型。
这些库包含典型电力设备的模型，如变压器、线路、机器和电力电子设备。这些模型的有效性是魁北克电力系统测试与仿真实验室的经验。位于加拿大基北美大型水电站的公用设施。
Matlab及其时域求解器Simulink创建了一个友好、开放的系统。新型号和新的电力设备库可能只是添加到这个包。在这种开发环境下，我们可以完成各种电力系统仿真[5-7]。
2.2 PT与CT模块
电压互感器和电流互感器在电力系统与保护之间的联系中起着重要的作用。仪表变压器的输出直接送入继电器。仪表变压器的暂态响应直接影响继电器的工作性能，尤其是CT饱和时。该模块建立了不同类型的电流互感器模型和电流互感器模型，能够正确反映电流互感器的非线性特性和电流互感器的暂态特性。[9]
2.3启动模块
距离保护装置中的启动元件在保护线路发生故障时启动保护装置或故障计算程序。本模块采用的启动元件类型有：电流元件、阻抗元件、负序元件、零序元件和电流突变性元件。
2.4 傅立叶算法模块
在保护方案中，傅立叶算法是计算基频相量最常用的算法。为了研究不同算法对距离保护的影响，可以在傅立叶模块中选择全周期傅立叶算法、半周期傅立叶算法和改进的傅立叶算法。
2.5 相位选择模块
可靠的高速选相器是保证快速线路保护运行速度和安全的关键元件。本方案的故障选相原则为：序电流选择、序电压选择、模块化故障选相、频率故障选相和行波启动选相。本文采用模块化故障分量理论，原理清晰，速度快。由于每个模块之间都是无关的，因此可以计算出独立的网络来获得每个模块化的故障分量。等效源来自断层边界条件。
2.6 阻抗计算模块
阻抗计算模块的主要功能是测量故障点与保护装置之间的线路阻抗。测量阻抗元件的输入包括三相电压和三相电流的矢量、选相元件的结果和零序补偿系数。输出是测量阻抗。
接地阻抗继电器或相间阻抗继电器的选择取决于选相结果。当发生单相或三相故障时，选择前者，必须考虑零序补偿系数；后者用于发生两相接地故障或相间故障时。
2.7 阻抗比较模块
在该模块中，将计算出的阻抗与所选阻抗进行比较，以区分故障是否位于保护区内。距离继电器的工作特性通常是几何形状的，如圆、直线或它们的组合。然而，在数字继电器中，几乎可以设计任何形状的工作特性。
3模拟和结果
为了评估所提出的基于软件的数字距离继电器的性能，案例数量如下在设计的仿真系统中进行了仿真。
3.1系统模型及模拟案例
为了获得可靠的暂态仿真数据，利用PSB建立了双端供电系统，如图3所示。
图3 双电源系统仿真模型
在该系统中，输电线路长度为100 km；Em=En=220 kV。线路正序阻抗等于0.035 04 J 0.424 15OUOmega;/km，零序阻抗为0.003 54 J 1.143 40Omega;/km。两种电源的电压大小、起始角、频率、输出视在功率和系统阻抗等参数可根据仿真要求进行修改。沿线设置4个故障点，分别为F1（特写位置）、F2、F3、F4，距离M航站楼分别为40km、75km和90km。
评估的距离继电器位于终端M处。区域1的设置被设置为受保护线路阻抗的80%。本文模拟的典型案例如表1所示。
表1 模拟典型案例
3.2内部和外部故障响应
图4（a）显示了表1中情况1的模拟结果。图中清楚地显示了PSB的瞬态计算结果和所设计软件继电器的动态响应过程，包括电压和电流波形、启动响应、相位选择和阻抗比较模块以及测量的阻抗轨迹。案例1中每个模块的响应时间汇总在表2中。
外部故障的模拟结果（表1中的情况2）如图4（b）所示
- 内部故障 （b）外部故障
图4 内部故障和外部故障的动态响应
表2 案例1的动态响应结果
3.3故障电阻的影响
距离继电器有效地测量了继电器位置和故障位置之间的阻抗。如果电阻很低，阻抗与从继电器到故障位置的距离成正比。但如果电阻值较高，故障阻抗估计过程中会产生误差，从而造成距离继电器运行不可靠。图5显示了分别具有1Omega;和20Omega;故障电阻的A相至接地故障的阻抗轨迹（情况1和情况3）。
3.4系统振荡的影响
在功率摆动过程中，整个系统的电压和电流都在发生显著的周期性变化。电压在电源摆动的电气中心下降到零。在这一点上，情况就像三相故障发生在同一点上。因此，它使距离继电器测量的表观阻抗从正常负载区移到跳闸区，从而引起不必要的跳闸。图6显示了设计的继电器在发生功率摆动时的动态响应结果。
图5 不同故障电阻的阻抗轨迹 图6 功率摆动时的阻抗轨迹（）
3.5算法的影响
在数字保护方案中，离散傅立叶变换（DFT）是应用最广泛的算法。全周波离散傅立叶变换可以很容易地消除直流和整数次谐波，并用单周采样计算基频相量。以前的模拟都是基于全周期离散傅立叶变换的。
然而，该算法可能不适用于特高压系统的应用，因为必须在一个周期内做出决定。为了缩短响应时间，提出了半周期离散傅立叶变换，其收敛速度比全周期算法快。但是，半周DFT不能消除故障条件下偶数谐波和衰减直流。图7（a）显示了基于半周DFT的测量阻抗轨迹（其他条件与情况1相同）。
此外，在故障间隔期间，电压和电流信号可能含有严重的谐波和衰减的直流分量。衰减的直流电严重降低了DFT基频信号的精度和收敛速度。为了克服上述问题，人们提出了许多工作，如数字模拟滤波和智能DFT技术[10,11]。参考文献[12]提出了一种新的改进的全周DFT，用于计算故障电流的基频相量。该算法只需要一个周期的采样来衰减衰减直流分量。当衰减直流分量消失时，计算结果与传统的离散傅立叶变换相同。图7（b）显示了采用该算法时测得的阻抗轨迹（其他条件与案例1相同）。
图7 不同算法的阻抗轨迹
4结论
提出了一种基于MATLAB的微机距离保护仿真系统。系统采用PSB作为电力系统仿真工具，采用Simulink作为保护系统仿真工具。详细介绍了系统的设计和构成。本文对故障案例数进行了模拟，并给出了典型的模拟案例。仿真结果表明，该系统能够在不同的运行条件下，演示距离保护的动态行为。
参考文献
[1] Ge Yaozhong. New Types Relaying and Fault Location Theory and Techniques[M] Xirsquo;an Jiaotong University Press, Xirsquo;an, China, 1993(in Chinese).
[2] He Jiali, Guo Zheng. Reliability and dynamic performance simulation of protective relaying[J] Power System Technology, 2004, 28(9):18-22(in Chinese).
[3] McLaren P G, Mustaphi K, Benmouyal G. Software models for relays[J] IEEE Transactions on Power Delivery, 2001, 16(2): 238-245.
[4] Kezunovic M. Automated analysis of protective relay data[C] In: Proceedings of the 18th International Conference on Electricity Distribution
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