MATLAB距离保护仿真
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距离保护是指利用阻抗元件来反应短路故障的保护装置。 是反应故障点至保护安装处之间的距离，并根 据该距离的 大小确定动作时限的一种继电保护装置。 据该距离的大小 确定动作时限的一种继电保护装置。短路 点越靠近保护安 装处，其测量阻抗就越小，则保护的时限就越短，反之，短 路点越远，其测量阻抗就越大，则保护动作时限就越长。
利用MATLAB进行的距离保护仿真
20099003 蔡松林 20099007 李文强 20099008 李云祥 20099010 孟大维 20099012 王春林
三段式距离保护的配置
距离保护Ⅰ段（方向阻抗继电器）
三
主保护
段 距保护Ⅱ段（方向阻抗继电器）
式
距离保护III段（采用偏移特性阻抗继电器）
后备保护
根据测量阻抗的构成方式不同可以分： （1）相间距离保护 （2）接地距离保护
Page 4
相间距离保护采用的测量电压是相间电压，测量电流也 为相间电流，能够反应相间短路、两相接地短路和三相短路 故障，但不能反应单相接地故障。其测量阻抗为：
Z m1
UA UB IA IB
Zm2
UB UC IB IC
电压测量值
相间保护
或
门
电流测量值
接地保护
Page 13
接地距离保护和相间距离保护只是所选取的测量电压和 测量电流不同，其基本结构类似，结构框图如图5所示。
测量 电压
测量 电流
基波 傅里 叶变
换
保护 程序 S函
数
躲开 暂态 时间
继电 器动 作保 持
动作 出口
图5 保护结构框图
Page 14
如图6所示，用三相电流相加得到零序电流，再将三相电 压和三相电流以及所得到的零序电流分别经过基波傅里叶变 换模块后输入到S函数中，经过接地保护程序的处理后输出动 作信号，再将信号躲过暂态时间以及经过继电器保持后输出。
图6 接地距离保护模块内部结构 Page 15
基波傅里叶变换模块的作用是滤除故障时测量电气量中的谐波分量， 只保留基波分量。再送入S函数模块，S函数模块会调用相应的保护程序，在 保护程序中将测量电气量的基波分量进行运算得到测量阻抗，将测量阻抗与 整定值比较，当满足动作方程时，程序就输出信号0，跳闸；当不满足动作 方程时就输出信号1，不动作。S函数中的程序在仿真运行过程中是不断循环 执行的，因此具有实时性，保护输出信号能随着输入电气量的改变而实时的 改变。保护程序的输出信号输入到躲开暂态时间模块，因为当刚开始发生故 障，有很大的暂态分量，暂态分量大约持续0.03s，而保护的整定都是按照 故障后稳态分量计算的，暂态分量会使保护误动，因此设计一个模块使得保 护模块能够躲开故障发生后的0.03s这段时间，只有当躲过这段时间后才开 放保护，该模块的设计方法是将保护动作信号延时0.03s后再与原动作信号 相或实现的。最后动作信号还要经过继电器动作保持模块，因为当保护发出 动作信号使得断路器跳闸断开电路后，保护程序会根据所测的电气量的变化 又发出合闸信号，使得断路器又重新合上，为了防止断路器因故障断开后又 突然合上，就采用动作保持模块，该模块的设计是用一个继电器及其辅助电 路实现的。
Page 9
图2 距离保护仿真模型
Page 10
开始
程序初始化设定采样时间 及输入输出变量个数
初始化函数
循
环
执
行
直 到
计算测量阻抗
动态更新函数
仿
真
结
束
距离保护判定
输出函数
输出
保护程序流程图
Page 11
距离保护模块构建
三段式距离保护子系统的内部构成如图3所示，分别 由距离Ⅰ段，距离Ⅱ段，距离Ⅲ段构成，距离Ⅱ段输出信 号延时0.05s，距离Ⅲ段输出信号延时0.1s，再将各段的 动作信号经过点乘模块之后得到最终的断路器动作信号。
式中： K 是补偿系数，
K Baidu Nhomakorabea0 Z1 3Z1
Page 6
保护动作判据采用全阻抗圆特性，其动作方程为：
Zm Zset
相间距离保护和接地距离保护的整定值相同。将相间 距离保护和接地距离保护组合在一起构成总的距离保护模 块，能够反应保护范围内各种类型的短路故障。
设定不同的整定值会得到不同的保护范围，因此可以 将三个整定值不同的距离保护模块构成三段式距离保护， 实现本线路的主保护和下级线路的后备保护。
Page 8
在Matlab/Simulink中建立仿真模型，如图2所示。保护模 块已经封装成子系统，其输入数据为断路器处的电压电流测量 值，其输出信号送至断路器的控制端，以控制断路器的开合状 态（信号0表示跳闸，信号1表示合闸，断路器初始状态为合 闸）。用故障模块设置短路类型以及故障发生的时间 （t=0.03s）。通过改变故障点两侧线路的长度来改变故障点的 位置，但两侧线路的长度之和始终保持200km不变。仿真起止时 间为0~0.2s，采用变步长、ode23t算法进行仿真。所有模块的 频率均为50Hz。
Page 2
距离保护的时限特性
Z3
Z2
A
B
t
tII3 = tI2＋Δt
tI3
tI2
保护3的Ⅰ段 保护3的Ⅱ段
保护3的Ⅲ段
Z1
C
tIII3 = tIII2＋Δt tIII2
tII2 tI1 l
距离保护的动作时间 t 与保护安装处到故障点 的距离 l 之间的关系称为距离保护的时限特性。
Page 3
距离保护原理
Zm3
UC IC
UA IA
Page 5
接地距离保护采用测量电压为保护安装处的相电压，测 量电流为带有零序电流补偿的相电流，能够反应单相接地故 障、两相接地故障、三相接地故障，但不能反应相间短路故 障。其测量阻抗为：
Z m1
UA IA K 3I0
Zm2
UB IB K 3I0
Zm3
UC IC K 3I0
一段
二段 三段
或 门
或 门
图3 三段式距离保护模块内部结构
Page 12
各段距离保护模块的内部结构一致，只是整定值不同 而已，以距离Ⅰ段为例，其内部结构如图4所示，是由相间 距离保护模块和接地距离保护模块构成，输入的电压电流 测量值经过两个保护模块后得到各自的动作信号再经过点 乘模块得到最终的距离保护Ⅰ段的动作信号。
Page 7
仿真模型的建立
考虑具有两级线路的单端电源110kV单回线输电线路系 统，如图1所示。距离保护安装在线路AB的断路器处，作为
本线路AB的主保护以及下级线路BC的后备保护。
图1 单端电源电力系统 元件参数：电压源的线电压10.5kV，内阻Zg=0.001+j0.0157Ω； 变压器容量31.5MVA，Yn-d11接线，折算到高压侧的阻抗 ZT=1.86+j18.6Ω；两级线路长度均为100km，线路的正序阻抗 z1=(0.05+j0.3)Ω/km，零序阻抗z0=(0.04+j1.2) Ω/km；负荷 容量SLD=1.2+j0.9MVA
利用MATLAB进行的距离保护仿真
20099003 蔡松林 20099007 李文强 20099008 李云祥 20099010 孟大维 20099012 王春林
三段式距离保护的配置
距离保护Ⅰ段（方向阻抗继电器）
三
主保护
段 距保护Ⅱ段（方向阻抗继电器）
式
距离保护III段（采用偏移特性阻抗继电器）
后备保护
根据测量阻抗的构成方式不同可以分： （1）相间距离保护 （2）接地距离保护
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相间距离保护采用的测量电压是相间电压，测量电流也 为相间电流，能够反应相间短路、两相接地短路和三相短路 故障，但不能反应单相接地故障。其测量阻抗为：
Z m1
UA UB IA IB
Zm2
UB UC IB IC
电压测量值
相间保护
或
门
电流测量值
接地保护
Page 13
接地距离保护和相间距离保护只是所选取的测量电压和 测量电流不同，其基本结构类似，结构框图如图5所示。
测量 电压
测量 电流
基波 傅里 叶变
换
保护 程序 S函
数
躲开 暂态 时间
继电 器动 作保 持
动作 出口
图5 保护结构框图
Page 14
如图6所示，用三相电流相加得到零序电流，再将三相电 压和三相电流以及所得到的零序电流分别经过基波傅里叶变 换模块后输入到S函数中，经过接地保护程序的处理后输出动 作信号，再将信号躲过暂态时间以及经过继电器保持后输出。
图6 接地距离保护模块内部结构 Page 15
基波傅里叶变换模块的作用是滤除故障时测量电气量中的谐波分量， 只保留基波分量。再送入S函数模块，S函数模块会调用相应的保护程序，在 保护程序中将测量电气量的基波分量进行运算得到测量阻抗，将测量阻抗与 整定值比较，当满足动作方程时，程序就输出信号0，跳闸；当不满足动作 方程时就输出信号1，不动作。S函数中的程序在仿真运行过程中是不断循环 执行的，因此具有实时性，保护输出信号能随着输入电气量的改变而实时的 改变。保护程序的输出信号输入到躲开暂态时间模块，因为当刚开始发生故 障，有很大的暂态分量，暂态分量大约持续0.03s，而保护的整定都是按照 故障后稳态分量计算的，暂态分量会使保护误动，因此设计一个模块使得保 护模块能够躲开故障发生后的0.03s这段时间，只有当躲过这段时间后才开 放保护，该模块的设计方法是将保护动作信号延时0.03s后再与原动作信号 相或实现的。最后动作信号还要经过继电器动作保持模块，因为当保护发出 动作信号使得断路器跳闸断开电路后，保护程序会根据所测的电气量的变化 又发出合闸信号，使得断路器又重新合上，为了防止断路器因故障断开后又 突然合上，就采用动作保持模块，该模块的设计是用一个继电器及其辅助电 路实现的。
Page 9
图2 距离保护仿真模型
Page 10
开始
程序初始化设定采样时间 及输入输出变量个数
初始化函数
循
环
执
行
直 到
计算测量阻抗
动态更新函数
仿
真
结
束
距离保护判定
输出函数
输出
保护程序流程图
Page 11
距离保护模块构建
三段式距离保护子系统的内部构成如图3所示，分别 由距离Ⅰ段，距离Ⅱ段，距离Ⅲ段构成，距离Ⅱ段输出信 号延时0.05s，距离Ⅲ段输出信号延时0.1s，再将各段的 动作信号经过点乘模块之后得到最终的断路器动作信号。
式中： K 是补偿系数，
K Baidu Nhomakorabea0 Z1 3Z1
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保护动作判据采用全阻抗圆特性，其动作方程为：
Zm Zset
相间距离保护和接地距离保护的整定值相同。将相间 距离保护和接地距离保护组合在一起构成总的距离保护模 块，能够反应保护范围内各种类型的短路故障。
设定不同的整定值会得到不同的保护范围，因此可以 将三个整定值不同的距离保护模块构成三段式距离保护， 实现本线路的主保护和下级线路的后备保护。
Page 8
在Matlab/Simulink中建立仿真模型，如图2所示。保护模 块已经封装成子系统，其输入数据为断路器处的电压电流测量 值，其输出信号送至断路器的控制端，以控制断路器的开合状 态（信号0表示跳闸，信号1表示合闸，断路器初始状态为合 闸）。用故障模块设置短路类型以及故障发生的时间 （t=0.03s）。通过改变故障点两侧线路的长度来改变故障点的 位置，但两侧线路的长度之和始终保持200km不变。仿真起止时 间为0~0.2s，采用变步长、ode23t算法进行仿真。所有模块的 频率均为50Hz。
Page 2
距离保护的时限特性
Z3
Z2
A
B
t
tII3 = tI2＋Δt
tI3
tI2
保护3的Ⅰ段 保护3的Ⅱ段
保护3的Ⅲ段
Z1
C
tIII3 = tIII2＋Δt tIII2
tII2 tI1 l
距离保护的动作时间 t 与保护安装处到故障点 的距离 l 之间的关系称为距离保护的时限特性。
Page 3
距离保护原理
Zm3
UC IC
UA IA
Page 5
接地距离保护采用测量电压为保护安装处的相电压，测 量电流为带有零序电流补偿的相电流，能够反应单相接地故 障、两相接地故障、三相接地故障，但不能反应相间短路故 障。其测量阻抗为：
Z m1
UA IA K 3I0
Zm2
UB IB K 3I0
Zm3
UC IC K 3I0
一段
二段 三段
或 门
或 门
图3 三段式距离保护模块内部结构
Page 12
各段距离保护模块的内部结构一致，只是整定值不同 而已，以距离Ⅰ段为例，其内部结构如图4所示，是由相间 距离保护模块和接地距离保护模块构成，输入的电压电流 测量值经过两个保护模块后得到各自的动作信号再经过点 乘模块得到最终的距离保护Ⅰ段的动作信号。
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仿真模型的建立
考虑具有两级线路的单端电源110kV单回线输电线路系 统，如图1所示。距离保护安装在线路AB的断路器处，作为
本线路AB的主保护以及下级线路BC的后备保护。
图1 单端电源电力系统 元件参数：电压源的线电压10.5kV，内阻Zg=0.001+j0.0157Ω； 变压器容量31.5MVA，Yn-d11接线，折算到高压侧的阻抗 ZT=1.86+j18.6Ω；两级线路长度均为100km，线路的正序阻抗 z1=(0.05+j0.3)Ω/km，零序阻抗z0=(0.04+j1.2) Ω/km；负荷 容量SLD=1.2+j0.9MVA