基于Matlab的变压器差动保护闭环仿真研究.doc

河南工业大学 控制系统仿真 姓 名： 班 级： 学 号： 成 绩： 2017年6月 25 日 设计题目 基于Matlab的变压器差动保护闭环仿真研究 设计内容和要求 应用Matlab建立微机保护仿真系统，并对不同原理的变压器差动保护进行仿真和比较。仿真系统采用积木式结构，根据微机保护的实现原理构建模块，实现保护的闭环仿真，对保护的动作过程进行分析。 报告 主要 章节 利用Matlab提供的模块及编程环境，可构建危机保护数字采集系统模型，实现处理数据的算法和保护算法，从而构建危机保护模块。本仿真系统的总体设计框图如图1所示，电力系统的一次系统根据保护的应用环境利用Simulink电力系统工具箱直接搭建，微机保护模块根据保护的实现原理搭建。保护模块的输入信号是来自一次系统的电压互感器（TV）、电流互感器（TA），保护的动作信号使断路器QF动作跳闸，实现保护的闭环仿真。 对微机保护原理的仿真主要实现数据的采集、数据处理基本算法、保护元件模块算法及逻辑出口，下面介绍其实现原理。 1.1数据采集系统模块 在Simulink环境下搭建的电气一次系统的电气量已是数字信号，因而数据采集系统构成只需经电压变换、模拟低通滤波器（ALF）、采样/保持（S/H）环节，如图2所示。 ALF可直接引用Simulink的模块。图2中的采样/保持模块利用Simulink的子系统进行封装，主要用到触发子系统。设采样频率fs为600Hz，仿真效果如图3、4所示。图3是信号S/H前的波形，是频率为50Hz的正弦波。图4是信号S/H后的波形，每周期采样12点。 1.2数据处理基本算法模块 ? 数据处理基本算法主要是通用的算法，如差分滤波算法、傅氏算法、比相算法等，它们主要用于数据处理。这里以实现差分滤波、傅氏算法为例说明。差分滤波和傅氏算法模块如图5所示。其中差分滤波和傅氏分解模块用Simulink的子系统技术，傅氏分解、计算电量有效值相位模块采用Simulink的S-函数的M模块文件（sfuntmpi.m）编程实现。 ? 傅氏算法对衰减的非周期分量敏感，傅氏算法前串上一个一阶差分滤波单元以抑制分周期分量，减小计算误差，其数学模型为?y(k)=x(k)-x(k-1),经一阶差分滤波后输入的基波或谐波分量的幅值和相位可能发生变化，应注意补偿。傅氏分解模块分解出的算法中的基波或各次谐波的正弦系数和余弦系数 （第n次谐波），进而在有效值和相位计数模块，按式（2）（3）算出相应电量基波和各次谐波的有效值 在利用傅氏算法计算出三相电流或电压分量的正弦和余弦分量系数以后，可 以方便的得到正序、负序和零序分量。基于傅氏算法的虑序算法同样可采用M末班编程实现。 1.3保护元件算法及逻辑模块 保护元件算法则是各种保护原理的具体实现，主要完成各保护元件的动作判断。以二次谐波制动比率差动保护为例说明，逻辑框图如图6（a）所示，图中的二次谐波制动元件、比率差动元件按动作方程实现，应用Simulink的工具箱或通过M模块编程，根据保护原理框图搭建就可以实现相应的保护。然后利用Simulink的子系统技术封装成保护模块，如图6（b）所示。 利用二次谐波、波形对称原理识别励磁涌流二构成的变压器常规比率、复合比率、故障分量比率的差动保护均可用类似的方法分别实现保护模块。 二、变压器差动保护原理的分析比较 保护元件模块是根据其工作原理构建的，这里对常规比率、复合比率、故障分量这3种比率差动保护的工作原理及利用二次谐波、波形对称原理识别励磁涌流的方法进行理论分析，以构建保护元件模块和进行仿真比较。 2.1常规和复合比率差动元件 微机变压器差动保护的差动元件均采用分相差动，其动作具有比率制动特性。要实现比率制动特性，差动电流总是被选作保护的动作电流，关键是寻找适当的制动电流。比率差动元件动作方程为： 式中为差动保护的差动电流；为制动电流；K为动作特性的斜率；为拐点制动电流值；为最小动作电流。 2.1常规和复合比率差动元件 微机变压器差动保护的差动元件均采用分相差动，其动作具有比率制动特性。要实现比率制动特性，差动电流总是被选作保护的动作电流，关键是寻找适当的制动电流。比率差动元件动作方程为： 式中为差动保护的差动电流；为制动电流；K为动作特性的斜率；为拐点制动电流值；为最小动作电流。 以双绕组变压器为例，设分别代表高、低压侧电流，且已经过软件相位变换和电流补偿，电流方向：流入变压器为正，流