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基于Simulink的三段比相式距离保护仿真研究

吴成明;鲁月娥;王婷乐

【摘要】距离保护因其不受系统运行方式的影响,在输电线路保护中得到广泛的应

用,对此了解其工作原理并借助计算机做仿真研究显得很有意义.通过查阅相关文献

资料并以Matlab软件为仿真平台,对三段比相式距离保护的原理进行了仿真研究.

在Matlab环境下建立了阻抗继电器、时间继电器、中间继电器的数学仿真模型,

在此基础上搭建了一个110kV输电线路的三段比相式距离保护模型,并结合某一

110kV输电线参数完成了输电线距离保护整定值计算,通过Simulink模拟短路来

验证模型动作的正确性.通过仿真研究验证了三段比相式距离保护原理的正确性,并

得出接地短路和相间短路时的整定方式具有差异性,在仿真模块连接时需要信号类

型匹配等结论.

【期刊名称】《电气开关》

【年(卷),期】2016(054)002

【总页数】6页(P63-68)

【关键词】距离保护;Matlab软件;短路故障;仿真分析

【作者】吴成明;鲁月娥;王婷乐

【作者单位】三峡大学电气与新能源学院,湖北宜昌443002;三峡大学电气与新能

源学院,湖北宜昌443002;安徽送变电工程公司,安徽合肥230022

【正文语种】中文

【中图分类】TM773

在输配电系统中，因距离保护整定计算不受系统运行方式的影响，在线路保护设计

中得到了广泛的应用[1]。距离保护按整定原理的不同可分为三段比相式和三段比

幅式，其整定值是否正确对电力系统安全起着至关重要的作用，因此在保护装置投

入使用前要做严格的实验测试[2]。以往是通过真实物理模型来构建模拟仿真实验

室，模拟实验中一般包括发电机、变压器、线路、断路器等，存在占地面积大、投

资大、更改实验接线困难、试验系统不完整等缺点。随着计算机技术的快速发展和

电力系统专用数字仿真系统的成功研发，借助计算机可方便地观察分析电力系统在

各种运行工况及故障情况下的动态行为[3]。文献[4-6]以PSCAD4.2软件为仿真平

台，对三段比幅式距离保护原理进行了仿真研究，并分析了影响测量阻抗大小的因

素，提出了采用自适应的方法来消除线路串联电容和接地过度电阻的影响，但没有

指出具体的模块搭建和参数设置过程。文献[7-9]以Matlab软件为仿真平台，提

出了基于线路模型的解微分方程的阻抗算法，构建了单电源仿真系统模型，但没有

构建断路器控制回路，不能直观地观察保护动作前后线路电压、电流波形。

Simulink是以工具库的形式挂接在Matlab上的，不能独立运行，只能在Matlab

环境中运行。Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，

它支持连续、离散或两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样速率的多

速率系统。可对一般的电力电子电路和继电保护进行有效的仿真应用，为继电保护

的研究提供良好的仿真分析平台[10]。

距离保护利用短路发生时电压、电流同时变化的特征，通过测量电压与电流的比值

来反应故障点距保护安装处的距离[11]，其保护原理如图1所示。

距离保护中的测量阻抗定义为保护安装处测量电压m与测量电流m之比。当电力

系统发生金属性短路时，Zm变为短路点与保护安装处之间的线路阻抗Zk，对于

具有均匀参数的输电线路，可忽略分布电容和电导，即：

对于如图1，可做典型的三段式距离保护整定，具体整定公式如下：

对于距离保护第三III段的整定，要综合考虑相邻下级线路距离保护的II或III段、

相邻下级变压器的电流、电压保护整定情况及按躲过正常运行时最小负荷阻抗整定，

综合考虑前面三种情况下的整定值，去其中较小者作为距离保护第III段的整定阻

抗。

在实际情况下，由于互感器误差、故障点过渡电阻等因素，继电器实际测量到的

Zm一般并不能严格地落在与Zset相同的直线上，而是落在该直线附近的一个区

域中。该区域是一个阻抗复平面，是一个包括Zset对应线段在内，但在Zset的

方向上不超过Zset的区域，如圆形区域、四边形区域、苹果形区域、橄榄形区域

等。本次仿真选用的阻抗继电器带有方向圆特性，动作区域如图1所示，特性圆

经过坐标原点处，圆心位于Zset处，半径为Zset|。

由图2可得方向圆特性的绝对值比较动作方程和相位比较动作方程分别如式(3)和

式(4)所示：

在实际测量模块中是通过测量线路电压和电流来获得测量阻抗，将式(1)代入式(4)

即可获得三段比相式距离保护用仿真方程，如式(5