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1、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目 录第一部分 MATLAB基础- 3 -1.1 MATLAB简介- 3 -1.2 MATLAB的基本界面- 3 -1.2.1 MATLAB的主窗口- 3 -1.2.2 MATLAB的主窗口- 3 -1.3 SIMULINK仿真工具简介- 4 -1.3.1 SIMULINK的启动- 4 -1.3.2 SIMULINK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
2、- 17 -第一部分 MATLAB基础1.1 MATLAB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。1.2 MATLAB的基本界面1.2.1 MATLAB的主窗口1.启动MAT
3、LAB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1-1 MATLAB桌面 1.2.2 MATLAB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。 图1-2 MATLAB的主窗口的菜单和功能按钮1.3 SIMULINK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(Aero
4、space Blockset）、通信模块库(Communication Blockset)、神经网络模块库(Neural Network Blockset)、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(Electriial Sources)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
5、力设备元件，附加子库(Extra Library)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(Power Electronics)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
6、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Power System Blockset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。1.3.1 SIMULINK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。图1-3 SIMULINK的库浏览器（2） 在MATLAB的工具栏中，单击simulin
7、k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。1.3.2 SIMULINK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）、Non
8、linear（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Electrical Sources（电源模块库）、Elements（元件模块库）、Power Electronics（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
9、（附加模块库）和Demos（演示模块库）。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
10、真模型建立： 启动MATLAB，进入SIMULINK后新建文档，运用Power System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。（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
11、间段可通过Transition Times来设置，设置为0.060.12S。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 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0.060.12S，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
12、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0.060.12S，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0.060.12S，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
13、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0.060.12S，观察并分析故障点三相电压、电流波形。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
14、。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：1.仿真模型的建立图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，傅立叶元件、测量元件、示波器等。从SimPowersystem模块库中找出各模块，组合连接。2.主要模块参数设置及功能：（1）三相电源模块模拟三相电源。线电压设置为110kV；A相的相位角设置参数为0；频率设置参数为50Hz，内部连接方式设置为Yg，星形连接；电源的内部电阻设置参数为3；电源内部电感设置参数为4H。（2）断路器模块断路器的起始状态设置为closed，闭合状态A、B、C开关不设置触发，即前面不打勾；开、断时间的外部控制需要用到，在前面打勾。（3）三相故障模块。此模块是一个可以通过外部或内部信号来控制开和闭合时间的三相断路器，可以模拟相间和接地短路状态。通过对参数的设置，可以选择故障类型、控制信号、开关状态等。设置起始状态为闭合，故障时间为0.40.8S。（4）傅立叶滤波模块此模块应用全波傅立叶算法，用于提取幅值和相角。 （5）继电器模块 当输入信号达到动作值时
