第 25 卷第 9 期 2009 年 9 月 电 力 科 学 与 工 程 Electric Power Science and Engineering Vol.25, No.9 Sep., 2009 15 基于 MATLAB 状态流的距离保护仿真建模与分析 原宗辉 1，张艳青 2，孙 蕾 2 （1. 北京朝阳供电公司，北京 100020；2. 华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003） 摘要：为了分析距离保护在线路正常情况下和各种故障情况下的动作行为，以及观察距离保护动态的变化 过程，并分析各种因素对距离保护的影响，对距离保护进行了仿真，设计了基于 MATLAB 状态流的距离 保护动态仿真系统。 关键词：距离保护；MATLAB 状态流；建模；仿真；动作状态 中图分类号：TM732 文献标识码：A 0 引 言 与传统的保护相比，微机保护具有保护完善、 功能齐全、可靠性高、维护少、便于统一管理和调 度等优点，在国内外得到了广泛的应用 [1]。 在目前所用的距离保护装置中，从故障到保护 动作跳闸这段时间内，保护装置的处理过程是不可 见的，在这个过程中装置内部的数据是如何变化的 也是不可见的。为了分析距离保护在线路正常情况 下和各种故障情况下的动作行为，观察距离保护动 态的变化过程，分析各种因素对距离保护的影响， 本文对距离保护进行了仿真，设计了基于 MATLAB 状态流的距离保护动态仿真系统。 1 基于 MATLAB 状态流的距离保护建模 1.1 距离保护动态仿真系统的组成 按照模块化的方法进行设计，将各个元件作为 不同的模块进行单独设计，最后再组合成一个完整 的系统 [2~4]。模型是分别建立的，而各元件都需要 用到短路数据，因此需要传递数据。短路数据先利 用 To Workpace 模块储存到 MATLAB 的 Workpace， 用到数据时利用 From Workpace 模块从 Workpace 得到。仿真结束时需要观察结果，可以直接用 Scope 收稿日期：2009 03 30. 作者简介：原宗辉 (1980 －), 男, 北京朝阳供电公司工程师. 显示波形，也可以在 Workspace 观察，运行后选 中要显示的变量点击曲线波形即可 [5]。 距离保护的所有组成如图 1 所示，其主要包 括：启动元件、测量元件、选相元件、震荡闭锁元 件、电压回路断线元件、出口执行元件。 电压回路断线闭锁 振荡闭锁 选相 信 息 输 入 故 障 启 动 ZⅠ ZⅡ ZⅢ ZⅠ=0 tⅡ tⅢ 跳 单 相 跳 三 相 跳 闸 启动元件 测量元件 时间元件 出口执行元件 图 距离保护方框图 1.2 基于状态流的距离保护仿真结构 状态流集成于 MATLAB 环境下，主要用于开 发和仿真复杂的关系型系统，具有强大的图形设计 和开发功能。状态流图是有限自动机模型的图形化 表示，综合应用状态流 SIMULINK 仿真模块，可 以实现基于混杂自动机模型的混杂系统仿真 [6]。 在同一状态流图形中，同时使用状态流程图符 号和状态传输符号。图 2 示出状态流的简单组成。 状态流图反映状态的变化，状态传输符号反映状态 的变化条件。 在状态内部，可以实现简单的函数运算，也可 

16 电 力 科 学 与 工 程 2009 年 A/ Entry: a=1; during: a++; exit: b=3 [condition] / action; event B 图 状态流示意图 调用 MATLAB 函数或数据。状态间可以进行转移 条件的连接。在两个状态间的带箭头的线表示的是 状态间的传输和跳变，在这条线上可以进行转移条 件的标注。如图 2：condition 就是控制条件，当 满足设定的条件时，就会由一个状态跳转到另一个 状态，否则将一直在开始的状态里运行，一直等到 满足条件。action 和 event 在控制条件满足时，才 会发生。action 定义一个行为，为数据 (data) 形 式，其一般是输出一个变量，来对外面的 Simulink 模块赋值。event 定义一个触发事件，为事件(event) 形式，一般是作为一个复位事件，控制外面的 Simu- link 模块的重置，也可以连接一个函数调用子系统 等。所有变量的属性 (如数据形式或事件形式) 都 可以在状态流变量管理器中进行设定 [7]。 距离保护的动态行为可分为：系统正常运行模 式、启动元件启动后运行模式、振荡运行模式和保 护动作后运行模式。 正常运行模式为模型的初始状态，启动元件不 动作且一直维持；当启动元件动作后，进入启动元 件启动后运行模式；如果发出跳闸信号，就进入保 护动作后运行模式。在正常运行模式时，如果相电 流大于静稳破坏电流且测量阻抗小于 II 段的整定 阻抗，则进入震荡运行模式；如果相电流大于静稳 破坏电流且电流不变，则进入启动元件启动后运行 模式；如果在振荡运行模式时启动元件动作，则进 入启动元件启动后运行模式。原理框图见图 3，仿 真模型如图 4 所示。 图 基于状态流的距离保护原理框图 图 基于状态流的双端电力系统距离保护仿真模型 

第 9 期 原宗辉, 等 基于 MATLAB 状态流的距离保护仿真建模与分析 17 2 距离保护仿真 双端电力系统距离保护仿真模型如图 4。为了 简化系统，线路只有电感，总长为 1 000 km。当 两端的电源相角同相位时，线路中的负荷电流为 零，改变两端电源的相位可以改变负荷电流的大 小。Three-Phase V-I measurement 模块充当了从 SimPowerSystems 系统到 Simulink 系统的接口， 将测量到的电压、电流信号转变成 Simulink 信号， 相当于实际系统中的电压、电流互感器。Three- Phase Fault 模块可以模拟三相的各种故障，当设 定某种故障时，运行仿真可以得到短路电流和短路 障发生后波动较小，而序分量比相选相元件故障后 波动很大，要经过一个半工频周期才能正确选相。 振荡闭锁元件在故障后能迅速开放保护，使保护能 正确做出判断，保护Ⅰ段迅速正确动作，保护Ⅱ 段、Ⅲ段可靠不动作。 （2）线路发生相间故障的动态仿真 在图 4 所示双端电力系统负荷电流为零的情况 下，在 0.1 s 线路 900 km 处发生 AB 相接地短路， AB 两相电流突变到 700 A，而 C 相电流保持不变， 电流不平衡。 由图 6 可知，启动元件在故障发生后能快速正 确动作，模分量选相元件和序分量比相选相元件均 能正确动作；但是模分量选相元件比较稳定，故障 电压，这是其他元件需要的数据，但是先经过了一 发生后波动较小，而序分量比相选相元件故障后波 个三相滤波器用来消除衰减的直流分量，因为付氏 变换只能滤除恒定的直流分量和高次谐波分量。 （1）线路发生单相接地故障的动态仿真 在图 4 所示双端电力系统负荷电流为零的情况 下，在 0.1 s 线路 300 km 处发生 A 相接地短路， A 相电流突变到 2 000 A，而 BC 两相电流很小， 电流不平衡。 由图 5 可知，启动元件在故障发生后能快速正 确地动作，模分量选相元件和序分量比相选相元件 均能正确动作；但是模分量选相元件比较稳定，故 动很大，要经过一个半工频周期才能正确选相。振 荡闭锁元件在故障后能迅速开放保护，使保护能正 确做出判断，保护Ⅱ段经过 0.5 s 延时后正确动作， 保护Ⅰ段、Ⅲ段可靠不动作。 （3）系统发生震荡时仿真 利用图 4 所示的双端电力系统很难模拟系统振 荡，设计如图 7 所示的模型模拟系统振荡得到测量 阻抗。 由图 8 可知，系统振荡时，振荡闭锁元件输出 为 0，将保护的Ⅰ段Ⅱ段闭锁，防止保护的误动作。 1.5 1.0 0.5 出 输 0.0 0 1.5 1.0 0.5 出 输 0.0 0 10 8 6 4 2 0 0 1 t/s 2 1 t/s 2 （a）启动元件状态 （b）模分量选相元件状态 1.5 1.0 0.5 10 8 6 4 2 0 1 0 0 1 t/s （c）序分量比相选相元件状态 1 t/s 0.0 0 2 1 t/s 1 0 2 1 t/s （d）振荡闭锁元件状态 （e）保护 段动作曲线 （f）保护Ⅱ、Ⅲ段动作曲线 图 相接地时距离保护各元件动作状态 2 2 

18 出 输 1.5 1.0 0.5 0.0 0 1.5 1.0 0.5 出 输 0.0 0 Ramp 电 力 科 学 与 工 程 2009 年 10 8 6 4 2 0 0 2 1 t/s 10 8 6 4 2 0 0 1 t/s 1 t/s 2 （a）启动元件状态 （b）模分量选相元件状态 （c）序分量比相选相元件状态 0.5 0.0 0.5 0 2 1 t/s 1 0.8 0.6 0.4 0.2 1 t/s 0 0 2 1 t/s （d）振荡闭锁元件状态 （e）保护Ⅰ、Ⅲ段动作曲线 （f）保护Ⅱ段动作曲线 图 两相接地时距离保护各元件动作状态 2 2 i Constant3 atan 0.5 Gain1 Trigonometrio Function 0.5 Gain x Divide + x i Divide1 Constant4 程中时两者的相位变化不定，所以序分量比相选相 元件要等系统达到稳定状态时才能正确做出判断。 三段式阻抗元件当系统发生故障时具有选择性，当 故障在Ⅰ段范围内，Ⅰ段准确快速动作，Ⅱ段、Ⅲ 段可靠不动作；同样当故障在Ⅱ段范围内，Ⅱ段准 确快速动作，Ⅰ段、Ⅲ段可靠不动作，当反方向发 生故障时，保护可靠不动作。 参考文献： [1] 许正亚. 输电线路新型距离保护 [M]. 北京: 中国水利水 电出版社, 2002. [2] 罗钰玲, 吕铁民. 电力系统微机继电保护 [M]. 北京: 人 民邮电出版社, 2005. [3] 高峰. 微机距离保护动态仿真系统的研究 [D]. 济南: 山 东大学硕士学位论文, 2005. [4] 米增强, 赵洪山, 王海萍, 等. 数字保护继电器的抽象建 模方法研究 [J]. 中国电机工程学报, 2005，(25): 51-56. [5] Sidhu T S, Baltazar D S, Palomino R M, et al. A new approach for calculating zone-2 setting of distance relays and its use in an adaptive protection system [J]. Power De- livery, IEEE Transactions, 2004,19 (1): 70-77. [6] 贾秋玲, 袁冬莉. 基于 MATLAB.x/Simulink/Stateflow 系 统仿真、分析及设计 [M]. 西安: 西北工业大学出版社, 2006. [7] 赵晓华, 陈阳舟. 基于 Matlab 状态流的混杂系统仿真设 0.5 0.0 出 输 0.5 0 图 模拟系统振荡 1 t/s 2 图 系统振荡时振荡闭锁元件的动作状态 3 结 论 模型中设计了两种不同原理的选相元件。由仿 真结果可知：模分量选相元件受影响较小，可以迅 速做出判断。序分量比相选相元件受暂态过程影响 很大，因为序分量比相选相元件需要比较短路稳定 计 [J]. 计算机仿真, 2005,22 (7)：206-210. 状态时正序分量和负序分量的相位，当处于暂态过 （下转第 44 页） 

44 电 力 科 学 与 工 程 2009 年 电力营销管理设计 [J]. 继电器, 2008,36（4）: 37-41. [8] 赵建保. 利用电力负荷管理系统进行线损分析 [J]. 电力 [7] 杨琨. 无线电力负荷控制和管理系统的发展方向 [J]. 四 需求侧管理, 2008,（3）: 66-67. 川电力技术, 2001,（4）: 53-54. Design of Distribution Automation System Based on McWiLL Technology Tong Dali1, Shi Qingmei2, Zhao Lin1, Sun Yi1 （1. School of Electric and Electronic Engineering; 2. School of Mathematical and Physical Science, North China Electric Power University, Beijing 102206, China） Abstract: According to the characters of distribution automation network and its requests to the technology of communication, the solution of constructing distribution automation system based on McWiLL technology was proposed. Combined with the features and advantages of the technology of McWiLL wireless communication，the distribution automation network architecture based on McWiLL was designed, and the architecture was introduced. The configuration and functions of the central station and the communications server were described in detail, as well as the design of meter-reading terminal. The system can not only provide the functions of automated services such as load management and control, remote copied, analysis of line loss and so on, but also be able to provide the value-added services of voice and video. Above all, it has good value of application and promotion. Key words: McWiLL; distribution automation; central station; communication server （上接第 18 页） Distance Protection Model Simulation and Analyses Based on MATLAB/ Stateflow Yuan Zonghui1, Zhang Yanqing2, Sun Lei2 (1. Beijing Chaoyang Power Supply Company, Beijing 100020, China; 2. School of Electrical and Electronic En- gineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China) Abstract: Protection interior treatment is invisible on distance protection moving process in the present application, as well as the changes of internal data.To analyze distance protection moving behavior at non-fault state and different kinds of fault states and observe distance protection dynamic procedure, this paper designed distance protection dynamic simulation system on the bases of MATLAB/Stateflow, and simulated the dynamic model on different working conditions. The simulation result proclaimed that the distance protection simulation model can reflect the distance protection behavior rightly. Key words: distance protection; MATLAB/Stateflow; modeling; simulation; action state