电力系统仿真：电力系统保护仿真_18.电力系统保护案例分析

18. 电力系统保护案例分析

18.1 案例背景介绍

在电力系统中，保护装置的正确配置和动作对于系统的安全运行至关重要。电力系统保护仿真不仅可以帮助我们验证保护装置的性能，还可以在实际系统中发现潜在的问题。本节将通过具体的案例来分析电力系统保护的仿真过程，探讨保护装置的配置、动作时间和故障识别等方面的关键问题。

18.2 案例1：输电线路保护仿真

18.2.1 仿真目的

输电线路保护是电力系统保护的重要组成部分，本案例将通过仿真来验证输电线路保护装置的动作性能。主要目标包括：

• 验证保护装置的灵敏度和可靠性。
• 分析保护装置的动作时间。
• 检查保护装置在不同故障类型下的响应。

18.2.2 仿真模型

我们将使用MATLAB/Simulink中的SimPowerSystems工具箱来构建输电线路保护的仿真模型。具体步骤如下：

1. 建立输电线路模型：使用SimPowerSystems中的输电线路模块。
2. 配置保护装置：使用继电器模块来配置过电流保护和距离保护。
3. 设置故障：通过故障模块来模拟不同类型的故障。
4. 仿真和结果分析：运行仿真并分析保护装置的动作时间和故障识别情况。

18.2.3 仿真步骤

1. 建立输电线路模型：

   % 创建新的Simulink模型
   new_system('TransmissionLineProtection');
   open_system('TransmissionLineProtection');
   
   % 添加输电线路模块
   add_block('powerlib/Elements/AC Line', 'TransmissionLineProtection/Transmission Line');
   

2. 配置保护装置：

   % 添加过电流继电器模块
   add_block('powerlib/Elements/Overcurrent Relay', 'TransmissionLineProtection/Overcurrent Relay');
   
   % 配置过电流继电器参数
   set_param('TransmissionLineProtection/Overcurrent Relay', 'Iact', '1000', 'Tms', '0.1');
   

   % 添加距离继电器模块
   add_block('powerlib/Elements/Distance Relay', 'TransmissionLineProtection/Distance Relay');
   
   % 配置距离继电器参数
   set_param('TransmissionLineProtection/Distance Relay', 'Zact', '100', 'Tms', '0.1');
   

3. 设置故障：

   % 添加故障模块
   add_block('powerlib/Elements/Three-Phase Fault', 'TransmissionLineProtection/Fault');
   
   % 配置故障参数
   set_param('TransmissionLineProtection/Fault', 'phaseA', '1', 'phaseB', '1', 'phaseC', '1', 'Time', '0.1');
   

4. 仿真和结果分析：

   % 配置仿真参数
   set_param('TransmissionLineProtection', 'StopTime', '0.5', 'Solver', 'ode23t');
   
   % 运行仿真
   sim('TransmissionLineProtection');
   
   % 获取仿真结果
   out = get_param('TransmissionLineProtection', 'SimulationData');
   

   % 分析保护装置的动作时间
   % 读取过电流继电器的动作时间
   overcurrent_trip_time = out.logs(1).signals.values;
   
   % 读取距离继电器的动作时间
   distance_trip_time = out.logs(2).signals.values;
   
   % 绘制结果
   figure;
   subplot(2,1,1);
   plot(overcurrent_trip_time(:,1), overcurrent_trip_time(:,2));
   title('Overcurrent Relay Trip Time');
   xlabel('Time (s)');
   ylabel('Tripped (1/0)');
   
   subplot(2,1,2);
   plot(distance_trip_time(:,1), distance_trip_time(:,2));
   title('Distance Relay Trip Time');
   xlabel('Time (s)');
   ylabel('Tripped (1/0)');
   

18.3 案例2：变压器保护仿真

18.3.1 仿真目的

变压器保护是电力系统保护的另一个重要方面。本案例将通过仿真来验证变压器保护装置的动作性能。主要目标包括：

• 验证差动保护的灵敏度和可靠性。
• 分析保护装置的动作时间。
• 检查保护装置在不同故障类型下的响应。

18.3.2 仿真模型

我们将使用MATLAB/Simulink中的SimPowerSystems工具箱来构建变压器保护的仿真模型。具体步骤如下：

1. 建立变压器模型：使用SimPowerSystems中的变压器模块。
2. 配置保护装置：使用差动继电器模块来配置差动保护。
3. 设置故障：通过故障模块来模拟不同类型的故障。
4. 仿真和结果分析：运行仿真并分析保护装置的动作时间和故障识别情况。

18.3.3 仿真步骤

1. 建立变压器模型：

   % 创建新的Simulink模型
   new_system('TransformerProtection');
   open_system('TransformerProtection');
   
   % 添加变压器模块
   add_block('powerlib/Elements/Three-Phase Transformer', 'TransformerProtection/Transformer');
   

2. 配置保护装置：

   % 添加差动继电器模块
   add_block('powerlib/Elements/Differential Relay', 'TransformerProtection/Differential Relay');
   
   % 配置差动继电器参数
   set_param('TransformerProtection/Differential Relay', 'Iact', '100', 'Tms', '0.1');
   

3. 设置故障：

   % 添加故障模块
   add_block('powerlib/Elements/Three-Phase Fault', 'TransformerProtection/Fault');
   
   % 配置故障参数
   set_param('TransformerProtection/Fault', 'phaseA', '1', 'phaseB', '1', 'phaseC', '1', 'Time', '0.1');
   

4. 仿真和结果分析：

   % 配置仿真参数
   set_param('TransformerProtection', 'StopTime', '0.5', 'Solver', 'ode23t');
   
   % 运行仿真
   sim('TransformerProtection');
   
   % 获取仿真结果
   out = get_param('TransformerProtection', 'SimulationData');
   

   % 分析差动继电器的动作时间
   % 读取差动继电器的动作时间
   differential_trip_time = out.logs(1).signals.values;
   
   % 绘制结果
   figure;
   plot(differential_trip_time(:,1), differential_trip_time(:,2));
   title('Differential Relay Trip Time');
   xlabel('Time (s)');
   ylabel('Tripped (1/0)');
   

18.4 案例3：微电网保护仿真

18.4.1 仿真目的

微电网保护是分布式发电系统中的一个重要环节。本案例将通过仿真来验证微电网保护装置的动作性能。主要目标包括：

• 验证微电网保护装置的灵敏度和可靠性。
• 分析保护装置的动作时间。
• 检查保护装置在不同故障类型下的响应。

18.4.2 仿真模型

我们将使用MATLAB/Simulink中的SimPowerSystems工具箱来构建微电网保护的仿真模型。具体步骤如下：

1. 建立微电网模型：包括分布式电源、负荷和电网连接部分。
2. 配置保护装置：使用继电器模块来配置过电流保护、距离保护和差动保护。
3. 设置故障：通过故障模块来模拟不同类型的故障。
4. 仿真和结果分析：运行仿真并分析保护装置的动作时间和故障识别情况。

18.4.3 仿真步骤

为了更清晰地展示微电网保护的仿真过程，我们将重复并详细描述每个步骤。

1. 建立微电网模型：

   % 创建新的Simulink模型
   new_system('MicrogridProtection');
   open_system('MicrogridProtection');
   
   % 添加分布式电源模块
   add_block('powerlib/Elements/DC-AC Converter', 'MicrogridProtection/Distributed Power Source');
   
   % 添加负荷模块
   add_block('powerlib/Elements/Three-Phase Load', 'MicrogridProtection/Load');
   
   % 添加电网连接模块
   add_block('powerlib/Sources/Three-Phase Source', 'MicrogridProtection/Grid Source');
   

2. 配置保护装置：

   % 添加过电流继电器模块
   add_block('powerlib/Elements/Overcurrent Relay', 'MicrogridProtection/Overcurrent Relay');
   
   % 配置过电流继电器参数
   set_param('MicrogridProtection/Overcurrent Relay', 'Iact', '500', 'Tms', '0.1');
   

   % 添加距离继电器模块
   add_block('powerlib/Elements/Distance Relay', 'MicrogridProtection/Distance Relay');
   
   % 配置距离继电器参数
   set_param('MicrogridProtection/Distance Relay', 'Zact', '50', 'Tms', '0.1');
   

   % 添加差动继电器模块
   add_block('powerlib/Elements/Differential Relay', 'MicrogridProtection/Differential Relay');
   
   % 配置差动继电器参数
   set_param('MicrogridProtection/Differential Relay', 'Iact', '100', 'Tms', '0.1');
   

3. 设置故障：

   % 添加故障模块
   add_block('powerlib/Elements/Three-Phase Fault', 'MicrogridProtection/Fault');
   
   % 配置故障参数
   set_param('MicrogridProtection/Fault', 'phaseA', '1', 'phaseB', '1', 'phaseC', '1', 'Time', '0.1', 'Duration', '0.1');
   

4. 仿真和结果分析：

   % 配置仿真参数
   set_param('MicrogridProtection', 'StopTime', '0.5', 'Solver', 'ode23t');
   
   % 运行仿真
   sim('MicrogridProtection');
   
   % 获取仿真结果
   out = get_param('MicrogridProtection', 'SimulationData');
   

   % 分析保护装置的动作时间
   % 读取过电流继电器的动作时间
   overcurrent_trip_time = out.logs(1).signals.values;
   
   % 读取距离继电器的动作时间
   distance_trip_time = out.logs(2).signals.values;
   
   % 读取差动继电器的动作时间
   differential_trip_time = out.logs(3).signals.values;
   
   % 绘制结果
   figure;
   subplot(3,1,1);
   plot(overcurrent_trip_time(:,1), overcurrent_trip_time(:,2));
   title('Overcurrent Relay Trip Time');
   xlabel('Time (s)');
   ylabel('Tripped (1/0)');
   
   subplot(3,1,2);
   plot(distance_trip_time(:,1), distance_trip_time(:,2));
   title('Distance Relay Trip Time');
   xlabel('Time (s)');
   ylabel('Tripped (1/0)');
   
   subplot(3,1,3);
   plot(differential_trip_time(:,1), differential_trip_time(:,2));
   title('Differential Relay Trip Time');
   xlabel('Time (s)');
   ylabel('Tripped (1/0)');
   

18.5 案例4：分布式发电系统保护仿真

18.5.1 仿真目的

分布式发电系统保护是微电网中的一个重要环节。本案例将通过仿真来验证分布式发电系统保护装置的动作性能。主要目标包括：

• 验证分布式发电系统保护装置的灵敏度和可靠性。
• 分析保护装置的动作时间。
• 检查保护装置在不同故障类型下的响应。

18.5.2 仿真模型

我们将使用MATLAB/Simulink中的SimPowerSystems工具箱来构建分布式发电系统保护的仿真模型。具体步骤如下：

1. 建立分布式发电系统模型：包括光伏逆变器、风力发电机和负荷。
2. 配置保护装置：使用继电器模块来配置过电流保护、电压保护和频率保护。
3. 设置故障：通过故障模块来模拟不同类型的故障。
4. 仿真和结果分析：运行仿真并分析保护装置的动作时间和故障识别情况。

18.5.3 仿真步骤

1. 建立分布式发电系统模型：

   % 创建新的Simulink模型
   new_system('DistributedGenerationProtection');
   open_system('DistributedGenerationProtection');
   
   % 添加光伏逆变器模块
   add_block('powerlib/Elements/Photovoltaic (PV) Panel', 'DistributedGenerationProtection/PV Inverter');
   
   % 添加风力发电机模块
   add_block('powerlib/Elements/Wind Turbine Generator', 'DistributedGenerationProtection/Wind Turbine');
   
   % 添加负荷模块
   add_block('powerlib/Elements/Three-Phase Load', 'DistributedGenerationProtection/Load');
   
   % 配置负荷参数
   set_param('DistributedGenerationProtection/Load', 'Load type', 'Impedance', 'Za', '100', 'Zb', '100', 'Zc', '100');
   

2. 配置保护装置：

   % 添加过电流继电器模块
   add_block('powerlib/Elements/Overcurrent Relay', 'DistributedGenerationProtection/Overcurrent Relay');
   
   % 配置过电流继电器参数
   set_param('DistributedGenerationProtection/Overcurrent Relay', 'Iact', '500', 'Tms', '0.1');
   

   % 添加电压继电器模块
   add_block('powerlib/Elements/Voltage Relay', 'DistributedGenerationProtection/Voltage Relay');
   
   % 配置电压继电器参数
   set_param('DistributedGenerationProtection/Voltage Relay', 'Vact', '0.8*220', 'Tms', '0.1');
   

   % 添加频率继电器模块
   add_block('powerlib/Elements/Frequency Relay', 'DistributedGenerationProtection/Frequency Relay');
   
   % 配置频率继电器参数
   set_param('DistributedGenerationProtection/Frequency Relay', 'Fact', '50', 'Tms', '0.1');
   

3. 设置故障：

   % 添加故障模块
   add_block('powerlib/Elements/Three-Phase Fault', 'DistributedGenerationProtection/Fault');
   
   % 配置故障参数
   set_param('DistributedGenerationProtection/Fault', 'phaseA', '1', 'phaseB', '1', 'phaseC', '1', 'Time', '0.1', 'Duration', '0.1');
   

4. 仿真和结果分析：

   % 配置仿真参数
   set_param('DistributedGenerationProtection', 'StopTime', '0.5', 'Solver', 'ode23t');
   
   % 运行仿真
   sim('DistributedGenerationProtection');
   
   % 获取仿真结果
   out = get_param('DistributedGenerationProtection', 'SimulationData');
   

   % 分析保护装置的动作时间
   % 读取过电流继电器的动作时间
   overcurrent_trip_time = out.logs(1).signals.values;
   
   % 读取电压继电器的动作时间
   voltage_trip_time = out.logs(2).signals.values;
   
   % 读取频率继电器的动作时间
   frequency_trip_time = out.logs(3).signals.values;
   
   % 绘制结果
   figure;
   subplot(3,1,1);
   plot(overcurrent_trip_time(:,1), overcurrent_trip_time(:,2));
   title('Overcurrent Relay Trip Time');
   xlabel('Time (s)');
   ylabel('Tripped (1/0)');
   
   subplot(3,1,2);
   plot(voltage_trip_time(:,1), voltage_trip_time(:,2));
   title('Voltage Relay Trip Time');
   xlabel('Time (s)');
   ylabel('Tripped (1/0)');
   
   subplot(3,1,3);
   plot(frequency_trip_time(:,1), frequency_trip_time(:,2));
   title('Frequency Relay Trip Time');
   xlabel('Time (s)');
   ylabel('Tripped (1/0)');
   

18.6 案例5：电压跌落保护仿真

18.6.1 仿真目的

电压跌落保护在电力系统中用于防止电压突然下降对系统设备造成损害。本案例将通过仿真来验证电压跌落保护装置的动作性能。主要目标包括：

• 验证电压跌落保护装置的灵敏度和可靠性。
• 分析保护装置的动作时间。
• 检查保护装置在不同电压跌落类型下的响应。

18.6.2 仿真模型

我们将使用MATLAB/Simulink中的SimPowerSystems工具箱来构建电压跌落保护的仿真模型。具体步骤如下：

1. 建立电压跌落模型：包括电压源、负荷和故障模块。
2. 配置保护装置：使用电压继电器模块来配置电压跌落保护。
3. 设置故障：通过故障模块来模拟电压跌落。
4. 仿真和结果分析：运行仿真并分析保护装置的动作时间和电压恢复情况。

18.6.3 仿真步骤

为了更清晰地展示电压跌落保护的仿真过程，我们将重复并详细描述每个步骤。

1. 建立电压跌落模型：

   % 创建新的Simulink模型
   new_system('VoltageSagProtection');
   open_system('VoltageSagProtection');
   
   % 添加电压源模块
   add_block('powerlib/Sources/Three-Phase Source', 'VoltageSagProtection/Voltage Source');
   
   % 配置电压源参数
   set_param('VoltageSagProtection/Voltage Source', 'Peak voltage', '220', 'Frequency', '50');
   
   % 添加负荷模块
   add_block('powerlib/Elements/Three-Phase Load', 'VoltageSagProtection/Load');
   
   % 配置负荷参数
   set_param('VoltageSagProtection/Load', 'Load type', 'Impedance', 'Za', '100', 'Zb', '100', 'Zc', '100');
   

2. 配置保护装置：

   % 添加电压继电器模块
   add_block('powerlib/Elements/Voltage Relay', 'VoltageSagProtection/Voltage Relay');
   
   % 配置电压继电器参数
   set_param('VoltageSagProtection/Voltage Relay', 'Vact', '0.8*220', 'Tms', '0.1');
   

3. 设置故障：

   % 添加故障模块
   add_block('powerlib/Elements/Three-Phase Fault', 'VoltageSagProtection/Fault');
   
   % 配置故障参数
   set_param('VoltageSagProtection/Fault', 'phaseA', '1', 'phaseB', '1', 'phaseC', '1', 'Time', '0.1', 'Duration', '0.1');
   

4. 仿真和结果分析：

   % 配置仿真参数
   set_param('VoltageSagProtection', 'StopTime', '0.5', 'Solver', 'ode23t');
   
   % 运行仿真
   sim('VoltageSagProtection');
   
   % 获取仿真结果
   out = get_param('VoltageSagProtection', 'SimulationData');
   

   % 分析电压继电器的动作时间
   % 读取电压继电器的动作时间
   voltage_trip_time = out.logs(1).signals.values;
   
   % 读取电压源的电压波形
   voltage_waveform = out.logs(2).signals.values;
   
   % 绘制结果
   figure;
   subplot(2,1,1);
   plot(voltage_waveform(:,1), voltage_waveform(:,2:4));
   title('Three-Phase Voltage Waveform');
   xlabel('Time (s)');
   ylabel('Voltage (V)');
   legend('Phase A', 'Phase B', 'Phase C');
   
   subplot(2,1,2);
   plot(voltage_trip_time(:,1), voltage_trip_time(:,2));
   title('Voltage Relay Trip Time');
   xlabel('Time (s)');
   ylabel('Tripped (1/0)');
   

18.7 案例6：频率保护仿真

18.7.1 仿真目的

频率保护在电力系统中用于防止系统频率超过安全范围。本案例将通过仿真来验证频率保护装置的动作性能。主要目标包括：

• 验证频率保护装置的灵敏度和可靠性。
• 分析保护装置的动作时间。
• 检查保护装置在不同频率异常类型下的响应。

18.7.2 仿真模型

我们将使用MATLAB/Simulink中的SimPowerSystems工具箱来构建频率保护的仿真模型。具体步骤如下：

1. 建立频率模型：使用SimPowerSystems中的发电机和负荷模块。
2. 配置保护装置：使用频率继电器模块来配置频率保护。
3. 设置故障：通过故障模块来模拟频率异常。
4. 仿真和结果分析：运行仿真并分析保护装置的动作时间和频率恢复情况。

18.7.3 仿真步骤

1. 建立频率模型：

   % 创建新的Simulink模型
   new_system('FrequencyProtection');
   open_system('FrequencyProtection');
   
   % 添加发电机模块
   add_block('powerlib/Elements/Synchronous Machine', 'FrequencyProtection/Generator');
   
   % 配置发电机参数
   set_param('FrequencyProtection/Generator', 'Type', 'Generator', 'Nominal power', '1000', 'Nominal voltage', '220', 'Nominal frequency', '50');
   
   % 添加负荷模块
   add_block('powerlib/Elements/Three-Phase Load', 'FrequencyProtection/Load');
   
   % 配置负荷参数
   set_param('FrequencyProtection/Load', 'Load type', 'Impedance', 'Za', '100', 'Zb', '100', 'Zc', '100');
   

2. 配置保护装置：

   % 添加频率继电器模块
   add_block('powerlib/Elements/Frequency Relay', 'FrequencyProtection/Frequency Relay');
   
   % 配置频率继电器参数
   set_param('FrequencyProtection/Frequency Relay', 'Fact', '50', 'Tms', '0.1');
   

3. 设置故障：

   % 添加负荷变化模块
   add_block('powerlib/Elements/Three-Phase Programmable Voltage Source', 'FrequencyProtection/Programmable Load');
   
   % 配置负荷变化参数
   set_param('FrequencyProtection/Programmable Load', 'Magnitude', '[100 200]', 'Frequency', '[50 45]', 'Time', '[0 0.1]');
   

4. 仿真和结果分析：

   % 配置仿真参数
   set_param('FrequencyProtection', 'StopTime', '0.5', 'Solver', 'ode23t');
   
   % 运行仿真
   sim('FrequencyProtection');
   
   % 获取仿真结果
   out = get_param('FrequencyProtection', 'SimulationData');
   

   % 分析频率继电器的动作时间
   % 读取频率继电器的动作时间
   frequency_trip_time = out.logs(1).signals.values;
   
   % 读取发电机的频率波形
   frequency_waveform = out.logs(2).signals.values;
   
   % 绘制结果
   figure;
   subplot(2,1,1);
   plot(frequency_waveform(:,1), frequency_waveform(:,2));
   title('Generator Frequency Waveform');
   xlabel('Time (s)');
   ylabel('Frequency (Hz)');
   
   subplot(2,1,2);
   plot(frequency_trip_time(:,1), frequency_trip_time(:,2));
   title('Frequency Relay Trip Time');
   xlabel('Time (s)');
   ylabel('Tripped (1/0)');
   

18.8 总结

通过以上案例分析，我们可以看到电力系统保护仿真是一个非常重要的工具，可以帮助我们验证保护装置的性能，分析动作时间，检查故障识别情况，并发现潜在的问题。无论是输电线路保护、变压器保护、微电网保护、分布式发电系统保护还是频率保护，仿真都能提供 valuable 的见解和数据，从而确保电力系统的安全和可靠运行。