电力变压器继电保护动作行为仿真分析系统

近年来，随着基于MATLAB的电力变压器继电保护建模与仿真分析系统的逐步开发与完善，对确保整个电力系统中变压器的稳定、安全运行，都有着重要的意义。该文结合实际工作经验，探讨和研究了一种基于MATLAB软件，所开发设计的可实现多种电力变压器继电保护行为的仿真分析系统。

电力变压器是电力系统中非常重要的供电元件，其故障的发生对整个电力系统的正常运行和供电可靠性都会带来严重的影响。同时，电力变压器尤其是大容量的变压器也是十分贵重的元件，必须根据变压器的容量及重要性装设性能优异、工作可靠的继电保护装置。然而据相关资料统计，在2007～2013年期间，我国电力变压器纵差保护共动作1464次，其中误动作或拒动作449次，动作正确率只有69.3%，其继电保护正确率远低于发电机保护和线路保护。因此，有必要加强对电力变压器继电保护动作行为的建模与仿真分析。本文在综合分析电力变压器继电保护特点的基础上，主要探讨和研究了如何利用仿真分析系统，以实现对变压器多种继电保护行为的仿真分析。

一、MATLAB软件简介

MATLAB是目前国际公认的优秀科技应用软件之一，它是以矩阵运算为基础，将计算可视化程序设计融合到交互的工作环境当中，可实现工程计算、算法研究、数据分析、建模和仿真、程序开发等多种功能。随着科技的逐步发展，MATLAB软件也正逐步得以完善，并逐渐发展为一个具有极高通用性，并附带有多种实用工具的运算操作平台。

Simulink则是MATLAB所提供的用于对动态系统进行建模、仿真和分析的集成环境，也是结合了框图界面与交互仿真功能的非线性动态系统仿真工具。Simulink可提供多种仿真工具，尤其是其不断扩展的、内容丰富的模块库，不仅能够进行线性和非线性系统的仿真，而且支持多种采样频率系统的放逐者，使不同的系统能以不同的采样频率组合，这样就可以仿真较大和较复杂的系统，这也为电力变压器继电保护动作行为的建模与仿真提供了极大的便利。

本文所分析的变压器继电保护动作行为仿真系统，即主要是采用的Simulink模块对系统进行建模与仿真，整个系统的操作简单，人机界面友好，仿真结果准确、直观，能充分满足对变压器继电保护的故障分析、试验研究、培训教学等多方面的用途。

二、仿真分析系统软件功能概述

本文所分析的电力变压器继电保护动作行为仿真分析系统软件，是基于MATLAB软件中的Simulink模块构建出各类变压器故障模型，并以Simulink模块建模仿真出的故障数据波形与GUI界面相结合，共同构建得到的一款人机界面友好、操作简便的电力变压器继电保护分析软件。

在差动保护分析系统界面中科可实现由GUI界面提供的“参数录入”，使数据信息能够传递到Simulink差动保护模型的变压器参数当中。其中，电力变压器参数主要可通过相关计算软件所得出，再将参数值输入到“保护整定”中，以实现对变压器差动保护动作值的整定。界面中的“故障类型”则主要包括了变压器短路的各类故障情况，例如内部三相短路、内部各两相线路间短路、内部A相接地故障、绕组之间的短路故障等等。当完成了各项参数的录入工作以后，即可点击界面中的“开始仿真”按钮，分析系统即可根据编程得到具体分析结果，并根据变压器的各类短路故障类型进行分析，以判断变压器差动保护动作是否正确。

三、仿真分析系统中模型构建与仿真分析

电源采用“Three-phase soure”模型，电源EN与电源EM的电势相位差10°，其它设置基本相同；变压器T采用“Three-phase transformer”模型，并选种饱和铁芯，为了简化仿真，可设定变压器两侧的绕组接线方式相同，电压等级也相同；三相电压电流测量模块UM、UN将在变压器两侧测量得到的电压、电流信号转变为Simulink信号，相当于电压、电流互感器的作用；三相断路器模型QF1和QF2分别用于控制变压器的投入，故障模块Fault1和Fault2则分别用于仿真变压器保护区内故障和区外故障。

变压器差动保护的建模与仿真。变压器空载合闸时励磁涌流的仿真。仿真分析系统利用图3中模型分析三相变压器空载合闸过程时，设置三相断路器模块QF1的切换时间为0s，仿真时间为0.5s，仿真算法为Ode23t。三相断路器模块QF2、故障模块Fault1和Fault2在仿真中均不动作（设置其切换时间不大于仿真时间即可）。为了观察变压器合闸时的励磁涌流，系统在图3中所示的模型中添加了示波器模块，为了便于对励磁涌流进行谐波分析，示波器模块的参数应进行相应设置。

将电源EM的A相位初相位设置为0°后运行仿真，即可得到变压器空载合闸后的三相励磁涌流的波形。对仿真结果分析可知，可以明显观测得到变压器励磁涌流具有以下特点：包含有很大成分的非周期分量，往往使涌流偏于时间轴的一侧；包含有大量的高次谐波；波形之间容易出现间断。仿真分析系统为了有效比较合闸时励磁涌流与短路电流的大小，设置有故障模块Fault1，使电路在0.25～0.45s之间发生三相短路，再进行运行仿真，即可得出：在本次仿真中，A相空载合闸时的励磁涌流峰值相比短路电流要稍小，而B、C相空载合闸时的励磁涌流峰值要比短路电流大。通过仿真分析，可实现对变压器差动保护中短路故障电流和励磁涌流的有效区分。

变压器绕组内部故障的仿真。如果只是利用图3中的模型，是无法进行变压器绕组内部故障仿真的，为了有效解决这一问题，可将图3中的三相变压器模型改变为三个单相变压器，并在系统变压器属性框中选中“三绕组变压器”，从而构建出具有一个初级绕组、两个次级绕组的单相变压器（两个次级绕组首尾相连，当作一个次级使用）。初级绕组和次级绕组可按照三相变压器的接线组别进行连接，次级绕组的额定电压、电阻和电感的参数可灵活调整以便进行变压器内部故障的仿真，故障点可设置于两个次级绕组的连接线上，也可设置于绕组首段，新的仿真模型如。

经过这样设置处理后，即可进行变压器内部整个绕组的单相接地、两相短路、两相接地短路、三相短路等故障的仿真分析。在分析过程中，可设置两个次级绕组的参数相同，并设置三相断路器模块QF1、QF2的切换时间均为0s，故障模块为Fault1，使电路在0.3s～0.5s之间发生AB相间短路，故障模块Fault2不动作，再运行仿真，即可得到变压器绕组50%处发生两相短路故障时的电流波形图。

本文结合实际工作经验，探讨和研究了一种基于MATLAB软件，所开发设计的可实现多种电力变压器继电保护行为的仿真分析系统，并利用MATLAB软件中的Simulink模块，主要构建出了变压器差动保护中的各类仿真模型，并对各个保护模型在不同故障类型下进行了仿真与分析，通过仿真所得出的结果也与继电保护的实际理论相一致，这也证实了该系统建模与仿真的正确性。

（作者单位：国网四川省电力公司技能培训中心）

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