基于EMTP和MATLAB的继电保护仿真系统
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该仿真系统可由使用者选择实验项目和流程， 完成实验步骤。 使用者能够通过单步运行来观察保 护动作过程中数字滤波前后的波形对比、中间计算 结果及最终动作结果。
据加载到MATLAB工作平台， 实验者可在下一个界 面看到数据的波形。
图4 故障数据选择界面
3.3 参数设置 实验者在使用本仿真系统时可配置不同的保
值、频率等参数。 用此类似方法，选择需要的控件并 设置各自参数。 建立仿真系统后，在ATP下拉菜单中 选 择 settings 设 置 仿 真 时 间 步 长 和 仿 真 时 间 长 度 ； 在 output选项卡中设置output control中参数。 最后，运 行ATP，生 成 仿 真 结 果 数 据pl4文 件 ，并 将 其 转 换 为 MATLAB可调用的MAT文件。 故障数据生成流程如 图3所示。
文献标志码：A
基于EM TP 和M ATLAB的继电保护仿真系统
杨丽勤，杨晓萍，梁振锋，黄 囤, 张 聪, 魏 盟，王 斌
（西安理工大学 水利水电学院，西安 710048）
Relay Protection SimulatiHale Waihona Puke Baidun System Based on EMTP and MATLAB
YANG LI-qin, YANG Xiao-ping, LIANG Zhen-feng, HUANG Dun, ZHANG Cong, WEI Meng, WANG Bin
微机保护在我国电力系统得到了广泛的应用。 截至2006年底，220 kV及以上系统继电保护微机化
— —— —— —— —— —— —— —— —— ——
基金项目：大学生创新性实验计划（ 081070024） 。
1 EMTP与MATLAB简介
EMTP （Elector-Magnetic Transient Program） 是 电磁暂态程序的简称，它主要是用来研究电力系统
2.2 故障数据的获取 利 用 ATP-EMTP 建 立 的 输 电 线 路 故 障 仿 真 系 统
如图2所示。 在ATP-EMTP窗口中单击右键出现快捷 菜单，选择需要的元件控件，根据实际连接关系连 接元件，并设置其参数。 以建立110 kV单侧电源输 电线路为例。 首先单击右键在快捷菜单中选择 sources子菜单，进一步选择Ac type 14电源控件。 然 后，用左键选中电源控件并拖动到适当位置。 进一 步用左键双击控件图标， 在元件对话框中设置幅
护，且可以给定保护的整定值和设置故障数据的时 间范围。 如图5所示。
3 算例
3.1 故障仿真 仿真系统采用110 kV单侧电源系统，输电线路
采用Π型等值线路模型， 负荷采用星形纯电阻来仿 真。 通过运行ATP-EMTP得到故障仿真数据，将仿真 结果存放于仿真系统软件包。 3.2 故障数据选择
MATLAB是Mathworks 公 司 推 出 的 高 性 能 数 值 计算软件，它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图 形显示于一体，具有界面友好的用户环境。 MATLAB 可以解决实际的工程问题，如自动控制、数字信号 处理、 控制系统、 统计信号处理和图像处理等。 MATLAB最大的特点是易扩展性， 它允许用户自行 建 立 完 成 指 定 功 能 的 M文 件[7-8]。
图3 故障数据生成流程图
2.3 仿真系统的建立 首先建立仿真系统界面。 使用MATLAB的图形
用 户 界 面 设 计 功 能 （GUI）的 向 导 设 计 器 （GUIDE）， 用其控制面板的各种控件来完成界面的设计。 在设 计界面的过 程中，可通过 添加按钮（Push Button）控 件 、坐 标 轴 （Axes）控 件 、单 选 按 钮(Radio Button)、编 辑框（Edit Text）和静态文本（Static Text）控件等来建 立各功能模块，并在其属性编辑器中设置属性。 然 后通过M文件编辑器在界面所对应的M文件中为各 个控件添加回调函数来实现各控件的功能。 例如在 故障类型选择界面中（图4），先添加按钮控件，在属 性编辑器中把它的属性string改为 “三相短路故障” 并设置字体大小位置等属性， 再添加坐标轴（Axes） 控 件 ，并 在 已 添 加 的 按 钮 的 回 调 函 数 中 输 入 picture= imread(‘sanxiangduanlu.jpg’)，读 入 三 相 短 路 故 障 的 ATP-EMTP仿真系统的 图 片 数 据 ，再 输 入 “cla; axes (gca); image(picture);”即可实现点击“三相短路故障” 按钮时显示出相应的ATP-EMTP模型图。 为了实现
针对这一问题，许多学者做了大量的研究。 文 献[4-5]提出用硬件实现微机保护实验的方法。 但该 方法依然不能使实验者观察到保护的数据处理和 内部动作过程。 文献[6]提出利用VB和MATLAB作为 开发环境， 建立继电保护的仿真系统。 但利用 MATLAB来实现电力系统故障的仿真， 其仿真结果 没有得到广泛承认。
智能电网
S ma rt Grid
第 25 卷 第 11 期
电网与清洁能源
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将选择的故障数据载入，先给不同类型的故障数据 编号（假设三相短路故障为5号）并建立一个全局变 量global m，当点击“三相短路故障”按键时, 让其变 量m=5。 在用到故障数据时，先输入“global m;”导入 变 量m，然 后 使 用if语 句 找 出 对 应 的 故 障 数 据 （ 如 ： “if m=5 load sanxiangduanlu.mat;end）。 参数设置界面及 功能的制作和上文所示相类似。 在微机保护过程仿 真 中 ， 代 表 仿 真 结 果 的 数 值 的 输 出 使 用 到 了 get 与set 函数。 通过“h=findobj(‘tag’,’对象标签’)”获取输出 文本框对象的句柄 ，再通过“set(h,’string’,输出 值)” 即可实现仿真结果的输出。 对于“单步执行”这一功 能， 使用到了for，if，pause，plot等函数并调用了采样 函数，滤波函数和算法函数，通过函数组合，循环实 现逻辑判断功能。
第 25 卷 第 11 期 2009 年 11 月
文章编号：1674- 3814（ 2009） 11- 0033- 04
电网与清洁能源 Power System and Clean Energy
中图分类号：TM77；TM743
智能电网
S ma rt Grid
Vol.25 No.11 Nov.2009
（Institute of Water Resources and Hydro-Electric Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, Shaanxi Province, China）
ABSTRACT：Focused on the problem that data processing procedure of microprocessor -based protective relaying is invisible, a relay protection simulation system based on EMTP and MATLAB was developed. This system utilized the results of EMTP fault simulation as the experimental data, and established the interface of the simulation system by the graphical user interface (GUI) of MATLAB. The function of microprocessorbased protective relaying might be implemented by setting the attributions of controlers and programming M -files. Then the executable files were formed through compiling. This system had advantages, such as visibility, flexibility and controllability, so it is helpful to finish the microprocessor -based protective relaying experiment. KEY WORDS: microprocessor-basedprotectiverelaying；EMTP; MATLAB; simulation 摘要：针 对 微 机 保 护 实 验 存 在 工 作 过 程 无 法 被 实 验 者 直 接 观 测的问题， 建立了基于EMTP和MATLAB继电保护仿真系统。 该 系 统 采 用 EMTP 故 障 仿 真 的 结 果 作 为 实 验 数 据 。 利 用 MATLAB中的图形用户 界 面 设 计 功 能 （GUI）建 立 仿 真 系 统 的 界面， 并且通过设置控件的属性及编制M文件来实现微机保 护的功能。 最后经过编译形成可执行文件。 该仿真系统具有 可视性、灵活性及可控性等优点，有利于完成微机保护实验。
图2 ATP-EMTP中仿真系统图
2 继电保护仿真系统
2.1 总体结构 基 于EMTP和MATLAB的 继 电 保 护 仿 真 系 统 的
总体结构如图1所示。 该仿真系统设计采用积木式 结构与多视图方法，实验者可以根据实验需要选择 不同的故障数据和功能模块，进而完成不同的实验 仿真。
图1 系统结构图
在本系统中， 界面之间的切换使用到run和eval 函数。 多个界面之间变量的传递使用到了两种方 法 ：一 是 global函 数 ；二 是 将 变 量 存 入 一 个 MAT 文 件 ， 使用时再用load命令将其打开， 这种方法的特点是 能够记录上次运行时该变量的值。
若系统的各功能设计完成后， 若在matlab中运 行无误即可将其编译并在任意一台计算机上执行。 通过 输入“mcc-m 文件 名1.m 文 件 名2.m … ”将M 文件编译完成，生成一个exe可执行文件。
本文首先利用EMTP实现电力系统输电线 路的 故障仿真，获取故障数据，能够得到不同运行方式、 不同故障类型下的故障数据； 然后利用MATLAB建 立微机保护仿真系统，实现保护功能的仿真。 利用 MATLAB的图形用户界面设计功能（GUI）完成 仿真 系统界面的制作， 通过M文件编辑器编制M文件实 现不同保护元件的功能。 实验者通过该系统能够观 察到微机保护的数据处理和保护动作的过程，而且 可以实现不同保护功能和不同算法的实验。
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杨丽勤等：基于 EMTP 和 MATLAB 的继电保护仿真系统
Vol.25 No.11
的 暂 态 过 程 。 ATP -EMTP 程 序 （The Alternative Transients Program） 是目前世界上电磁暂态分析程 序（EMTP)最广泛使用的一个版本。 EMTP程序的基 本功能是进行电力系统仿真计算，典型应用是预测 电力系统在某个扰动(如开关投切或故障)之后感兴 趣的变量随时间变化的规律。 ATP-EMTP的仿真结 果得到了广泛的接受和承认。
关键词：微机保护;EMTP;MATLAB; 仿真系统
0 引言
率达到91.41%[1]。 由于微机保护的功能由软件 来实 现 [2-3]， 因 而 保 护 的 数 据 采 集 、 内 部 逻 辑 、 动 作 过 程 是 不 可 见 的 ， 相 当 于 一 个 “ 黑 匣 子 ”， 用 户 只 能 看 到 保 护的动作结果而无法掌握动作过程，不利于对保护 原理的掌握和动作过程的分析。 目前高校的实验室 主要用模拟式保护来完成实验教学。 传统模拟式保 护靠逻辑布线实现保护功能，实验方式简单、直观， 但不符合继电保护的应用现状。
据加载到MATLAB工作平台， 实验者可在下一个界 面看到数据的波形。
图4 故障数据选择界面
3.3 参数设置 实验者在使用本仿真系统时可配置不同的保
值、频率等参数。 用此类似方法，选择需要的控件并 设置各自参数。 建立仿真系统后，在ATP下拉菜单中 选 择 settings 设 置 仿 真 时 间 步 长 和 仿 真 时 间 长 度 ； 在 output选项卡中设置output control中参数。 最后，运 行ATP，生 成 仿 真 结 果 数 据pl4文 件 ，并 将 其 转 换 为 MATLAB可调用的MAT文件。 故障数据生成流程如 图3所示。
文献标志码：A
基于EM TP 和M ATLAB的继电保护仿真系统
杨丽勤，杨晓萍，梁振锋，黄 囤, 张 聪, 魏 盟，王 斌
（西安理工大学 水利水电学院，西安 710048）
Relay Protection SimulatiHale Waihona Puke Baidun System Based on EMTP and MATLAB
YANG LI-qin, YANG Xiao-ping, LIANG Zhen-feng, HUANG Dun, ZHANG Cong, WEI Meng, WANG Bin
微机保护在我国电力系统得到了广泛的应用。 截至2006年底，220 kV及以上系统继电保护微机化
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基金项目：大学生创新性实验计划（ 081070024） 。
1 EMTP与MATLAB简介
EMTP （Elector-Magnetic Transient Program） 是 电磁暂态程序的简称，它主要是用来研究电力系统
2.2 故障数据的获取 利 用 ATP-EMTP 建 立 的 输 电 线 路 故 障 仿 真 系 统
如图2所示。 在ATP-EMTP窗口中单击右键出现快捷 菜单，选择需要的元件控件，根据实际连接关系连 接元件，并设置其参数。 以建立110 kV单侧电源输 电线路为例。 首先单击右键在快捷菜单中选择 sources子菜单，进一步选择Ac type 14电源控件。 然 后，用左键选中电源控件并拖动到适当位置。 进一 步用左键双击控件图标， 在元件对话框中设置幅
护，且可以给定保护的整定值和设置故障数据的时 间范围。 如图5所示。
3 算例
3.1 故障仿真 仿真系统采用110 kV单侧电源系统，输电线路
采用Π型等值线路模型， 负荷采用星形纯电阻来仿 真。 通过运行ATP-EMTP得到故障仿真数据，将仿真 结果存放于仿真系统软件包。 3.2 故障数据选择
MATLAB是Mathworks 公 司 推 出 的 高 性 能 数 值 计算软件，它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图 形显示于一体，具有界面友好的用户环境。 MATLAB 可以解决实际的工程问题，如自动控制、数字信号 处理、 控制系统、 统计信号处理和图像处理等。 MATLAB最大的特点是易扩展性， 它允许用户自行 建 立 完 成 指 定 功 能 的 M文 件[7-8]。
图3 故障数据生成流程图
2.3 仿真系统的建立 首先建立仿真系统界面。 使用MATLAB的图形
用 户 界 面 设 计 功 能 （GUI）的 向 导 设 计 器 （GUIDE）， 用其控制面板的各种控件来完成界面的设计。 在设 计界面的过 程中，可通过 添加按钮（Push Button）控 件 、坐 标 轴 （Axes）控 件 、单 选 按 钮(Radio Button)、编 辑框（Edit Text）和静态文本（Static Text）控件等来建 立各功能模块，并在其属性编辑器中设置属性。 然 后通过M文件编辑器在界面所对应的M文件中为各 个控件添加回调函数来实现各控件的功能。 例如在 故障类型选择界面中（图4），先添加按钮控件，在属 性编辑器中把它的属性string改为 “三相短路故障” 并设置字体大小位置等属性， 再添加坐标轴（Axes） 控 件 ，并 在 已 添 加 的 按 钮 的 回 调 函 数 中 输 入 picture= imread(‘sanxiangduanlu.jpg’)，读 入 三 相 短 路 故 障 的 ATP-EMTP仿真系统的 图 片 数 据 ，再 输 入 “cla; axes (gca); image(picture);”即可实现点击“三相短路故障” 按钮时显示出相应的ATP-EMTP模型图。 为了实现
针对这一问题，许多学者做了大量的研究。 文 献[4-5]提出用硬件实现微机保护实验的方法。 但该 方法依然不能使实验者观察到保护的数据处理和 内部动作过程。 文献[6]提出利用VB和MATLAB作为 开发环境， 建立继电保护的仿真系统。 但利用 MATLAB来实现电力系统故障的仿真， 其仿真结果 没有得到广泛承认。
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电网与清洁能源
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将选择的故障数据载入，先给不同类型的故障数据 编号（假设三相短路故障为5号）并建立一个全局变 量global m，当点击“三相短路故障”按键时, 让其变 量m=5。 在用到故障数据时，先输入“global m;”导入 变 量m，然 后 使 用if语 句 找 出 对 应 的 故 障 数 据 （ 如 ： “if m=5 load sanxiangduanlu.mat;end）。 参数设置界面及 功能的制作和上文所示相类似。 在微机保护过程仿 真 中 ， 代 表 仿 真 结 果 的 数 值 的 输 出 使 用 到 了 get 与set 函数。 通过“h=findobj(‘tag’,’对象标签’)”获取输出 文本框对象的句柄 ，再通过“set(h,’string’,输出 值)” 即可实现仿真结果的输出。 对于“单步执行”这一功 能， 使用到了for，if，pause，plot等函数并调用了采样 函数，滤波函数和算法函数，通过函数组合，循环实 现逻辑判断功能。
第 25 卷 第 11 期 2009 年 11 月
文章编号：1674- 3814（ 2009） 11- 0033- 04
电网与清洁能源 Power System and Clean Energy
中图分类号：TM77；TM743
智能电网
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Vol.25 No.11 Nov.2009
（Institute of Water Resources and Hydro-Electric Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, Shaanxi Province, China）
ABSTRACT：Focused on the problem that data processing procedure of microprocessor -based protective relaying is invisible, a relay protection simulation system based on EMTP and MATLAB was developed. This system utilized the results of EMTP fault simulation as the experimental data, and established the interface of the simulation system by the graphical user interface (GUI) of MATLAB. The function of microprocessorbased protective relaying might be implemented by setting the attributions of controlers and programming M -files. Then the executable files were formed through compiling. This system had advantages, such as visibility, flexibility and controllability, so it is helpful to finish the microprocessor -based protective relaying experiment. KEY WORDS: microprocessor-basedprotectiverelaying；EMTP; MATLAB; simulation 摘要：针 对 微 机 保 护 实 验 存 在 工 作 过 程 无 法 被 实 验 者 直 接 观 测的问题， 建立了基于EMTP和MATLAB继电保护仿真系统。 该 系 统 采 用 EMTP 故 障 仿 真 的 结 果 作 为 实 验 数 据 。 利 用 MATLAB中的图形用户 界 面 设 计 功 能 （GUI）建 立 仿 真 系 统 的 界面， 并且通过设置控件的属性及编制M文件来实现微机保 护的功能。 最后经过编译形成可执行文件。 该仿真系统具有 可视性、灵活性及可控性等优点，有利于完成微机保护实验。
图2 ATP-EMTP中仿真系统图
2 继电保护仿真系统
2.1 总体结构 基 于EMTP和MATLAB的 继 电 保 护 仿 真 系 统 的
总体结构如图1所示。 该仿真系统设计采用积木式 结构与多视图方法，实验者可以根据实验需要选择 不同的故障数据和功能模块，进而完成不同的实验 仿真。
图1 系统结构图
在本系统中， 界面之间的切换使用到run和eval 函数。 多个界面之间变量的传递使用到了两种方 法 ：一 是 global函 数 ；二 是 将 变 量 存 入 一 个 MAT 文 件 ， 使用时再用load命令将其打开， 这种方法的特点是 能够记录上次运行时该变量的值。
若系统的各功能设计完成后， 若在matlab中运 行无误即可将其编译并在任意一台计算机上执行。 通过 输入“mcc-m 文件 名1.m 文 件 名2.m … ”将M 文件编译完成，生成一个exe可执行文件。
本文首先利用EMTP实现电力系统输电线 路的 故障仿真，获取故障数据，能够得到不同运行方式、 不同故障类型下的故障数据； 然后利用MATLAB建 立微机保护仿真系统，实现保护功能的仿真。 利用 MATLAB的图形用户界面设计功能（GUI）完成 仿真 系统界面的制作， 通过M文件编辑器编制M文件实 现不同保护元件的功能。 实验者通过该系统能够观 察到微机保护的数据处理和保护动作的过程，而且 可以实现不同保护功能和不同算法的实验。
智能电网
S ma rt Grid
34
杨丽勤等：基于 EMTP 和 MATLAB 的继电保护仿真系统
Vol.25 No.11
的 暂 态 过 程 。 ATP -EMTP 程 序 （The Alternative Transients Program） 是目前世界上电磁暂态分析程 序（EMTP)最广泛使用的一个版本。 EMTP程序的基 本功能是进行电力系统仿真计算，典型应用是预测 电力系统在某个扰动(如开关投切或故障)之后感兴 趣的变量随时间变化的规律。 ATP-EMTP的仿真结 果得到了广泛的接受和承认。
关键词：微机保护;EMTP;MATLAB; 仿真系统
0 引言
率达到91.41%[1]。 由于微机保护的功能由软件 来实 现 [2-3]， 因 而 保 护 的 数 据 采 集 、 内 部 逻 辑 、 动 作 过 程 是 不 可 见 的 ， 相 当 于 一 个 “ 黑 匣 子 ”， 用 户 只 能 看 到 保 护的动作结果而无法掌握动作过程，不利于对保护 原理的掌握和动作过程的分析。 目前高校的实验室 主要用模拟式保护来完成实验教学。 传统模拟式保 护靠逻辑布线实现保护功能，实验方式简单、直观， 但不符合继电保护的应用现状。