电气装备仿真报告

1 绪论

配电网在实际的应用中具有十分重要的地位，它直接面向用电的企业和个体用户，承担着连接输电系统和客户端用电荷载的重任。配电网的工作情况往往直接影响到整个电力系统的运行状态，对电网的运行效率起着决定性的作用。在配电网中，馈线自动化（FA）主要通过网络的重构迅速隔离故障并恢复非故障区的供电服务，提高配网系统的可靠性和安全运行水平。馈线自动化（FA）模式主要包括集中式FA、智能分布式FA和就地型FA 3种模式，其中就地型FA因其控制逻辑仅依据本地的电气信息，不需要与配电自动化主站或其它配电自动化终端通信就可以完成FA功能，该模式因不受地理环境条件限制、配置灵活、易于实施且可靠性高等特。从目前的应用情况来看，这种方法已经成为了最主要的应用模式。

2 原理

F

表1展示了不同类型的馈线自动化的概念、优缺点，其中就地重合器模式FA根据判据不同又可分为电压时间型 FA、自适应综合型 FA、电压电流型 FA 三种。本实验先对电压时间型FA的原理进行描述，然后在Simulink搭建一个双端供电的简单电力系统，在该电力系统中实现电压时间型FA的仿真演示。

电压时间型 FA 是通过开关“无压分闸、来电延时合闸”的工作特性，配合变电站出线开关二次合闸来实现，一次合闸隔离故障区间，二次合闸恢复非故障段供电。下面通过实例（图1、图2）来说明其工作原理：

l  线路正常供电

l  F1 点发生故障，变电站出线断路器 CB1 检测到线路故障，保护动作跳闸，系统所有电压型开关均因失压而分闸。

l  0.5s 后，变电站出线开关 CB1、CB2 第一次重合闸。

l  CB1合闸后分段开关 F001 单侧得压延时0.3S合闸。

l  F001合闸后，分段开关F002合闸。因合闸于故障点，CB1 再次保护动作跳闸, 同时， 开关 F002 因合闸后立即跳闸而闭锁合闸。

l  CB2与CB1同时合闸，分段开关F101单侧得压延时合闸后使得该线路断路器逐步合闸。

l  合闸到F003时，因为重合于故障点，CB1 再次保护动作跳闸, 同时，开关 F002 因合闸后立即跳闸而闭锁合闸。

l  重复前述过程，CB1、CB2再此开始合闸并使线路逐步恢复供电，当合闸到故障点时，由于断该断路器第一轮合闸时被判断位于故障处而被闭锁。

l  这时系统就不会重合于故障，恢复供电的同时完成了故障的定位。

3 Simulink仿真

3.1 主电路结构展示

3.1.1 简图

3.1.2 详图

图 2 主电路详图

.2整定值采集

图 3 电压测量观察模块

设定在F1点发生三相接地短路，测量电路如上，结果如下表：

表 2 电压测量结论

3.3电压采集模块搭建

由图1可知，主电路存在两类断路器。靠近电源的CB1、CB2断路器只需要采集距离最近的线路侧电压值（V_001、V_101）作为动作依据即可，而线路上的断路器总是能采集到其两端的电压值作为动作依据。

针对单侧判断的断路器，本实验将获得电压与表1中相应整定值进行比较，将判断结果向后输出，如下图所示：

图 4 单侧判断

针对双侧判断的断路器不同于图4，本实验将采集的两处电压值经比较后作“或处理”。原因是该断路器不论哪侧发生故障，经过判断都可以将跳闸命令成功输出。如下图所示：

图 5 双侧判断

3.4 单侧电压判断断路器控制逻辑

3.4.1 失压分闸

如图4所示，电压输入后与整定值比较，正常运行时电压大于整定值，比较后输出逻辑值0，switch模块选择下方输入的常数1输出，断路器保持合闸，系统正常运行；故障发生后电压小于整定值，比较后输出逻辑值1，switch模块选择上方输入常数0输出，断路器立即跳闸切除故障。

3.4.2 延时后自动合闸

故障分短时故障与永久故障，但不论发生的是永久故障还是短时故障，断路器在断开之后都不能立即合闸。若在短时故障切除断路器后立即合闸，一是有可能故障还在持续，合闸后产生冲击；二是故障消失后绝缘及断路器机构还未复位。若在永久故障切除后立即重合，则短路器将合于故障。

同时，在失压分闸后系统所有断路器都已断开，电压采集并判断的结果将一直认为系统应该跳闸，即使故障是短时故障。所以要设置延时自动合闸功能，这一延时在断路器收到跳闸信号时启动，到达预设时间后发出合闸信号，将CB1、CB2合闸。

此时由于全系统其余断路器皆是断开状态，系统并不会重合与故障，这样一来即可躲过短时故障的合于故障冲击，也可以将系统非故障区的短路器合闸，从而恢复供电。实现方式如图6所示：

图 6

图6中的A部分就是延时后自动合闸的实现方式，输入1与图4输出1相连得到基于电压的判断结论。

若输入1（此时为正常运行状态），则输入将畅通无阻一路送到B部分的输出1。

若输入0（此时为故障状态需要跳闸），Switch将输出下方结构的逻辑输出。下方结构通过输入0取反得到的1将计数器值加一，以此激活延时模块开始计时，计时大于整定值后AND即可输出1完成合闸命令的输出（进入B部分后面会解释）。

当然，在计时还未大于设定值时，AND输出为0，断路器保持跳闸状态。

3.4.3 避免跳匝后等待合闸期间断路器误动

通过使能的方式，我们可以方便的控制一个子系统，也就是灵活的启用或停用电压采集判断模块。这一点十分必要，在故障切除后的极短时间内系统电压发生波动，可能造成电压采集判断模块做出误判导致断路器误动。解决的方法也很简单，即在切除故障的同时停用电压采集判断模块，这样就不会出现在等待合闸延时期间进行电压判断的情况。

图 7 单侧判断逻辑接线

图6中C部分就是误动的解决办法，由延时合闸的逻辑输出来决定Switch1输出。

正常运行时C部分AND输出逻辑值为0，Switch1输出1使能电压判断子系统进行电压采集判断。

故障状态时，发出切除故障命令后A部分计数器加一，使得AND下端输入逻辑值为1；在等待合闸延时过程中AND上端输入为0，停用该模块；待延时合闸计时结束后AND上端输入为1，这时AND两个输入逻辑皆为1，再次启用电压采集判断模块。

3.4.4合闸于故障后跳闸

由上表的分析可知，当断路器重合于故障时，由于A部分计数器记忆作用使得断路器无法再次跳闸。解决方法有两个：

其一是在完成延时合闸后将计数器重置，将A中Switch输出作为激活延时的信号，延时过后将A中计数器重置。此方法在图14中D部分展示。

其二是图6中B部分结构，B部分通过A中输出的延时合闸高电平激活上半部分结构，在等待跳闸延时的过程中Switch3输出下方逻辑值1，断路器保持合闸。延时结束后，将与Switch3相联的A中输入（就是电压判断结果）作为输出，完成断路器的跳闸。若故障消失，此时输出为1，断路器保持合闸，不会误动。

3.5双侧电压判断短路器（除CB1、2外的断路器）控制逻辑

3.5.1失压分闸

如图5所示，与单侧判断的不同就是其输入电压值分别判断后做“或”处理，并将结果向后传递。

3.5.2单侧来电延时合闸

如图8所示，VL、VR、SWITCH分别与左侧电压判断逻辑输出、右侧电压判断逻辑输出、Switch输出相连。正常运行时，SWITCH可以通过Switch1直接输出使断路器保持合闸。VL、VR输入被取反，只有在该断路器任意一侧电压检测可以合闸时才会激活计数器等结构开始计时，计时结束输出合闸命令。具体逻辑值序列见表4。

图 8 延时合闸

3.5.3 电源侧断路器第二次跳闸后立即跳开所有断路器

假设发生的是永久性故障，故障发生后立即跳开了系统全部断路器，经过设定的延时后，CB1、CB2开始合闸，其余断路器检测到来电也开始按顺序合闸，线路开始逐步恢复供电。但故障点两侧的任意一个断路器合闸后，故障点与系统再次相连，这时需要立即跳开该侧的所有断路器。立即跳开可以减少因重合于故障造成的冲击，也可以方便的将近故障处断路器判断出来进行闭锁，实现故障隔离。

针对本实验搭建结构，只需要辨别何时为重合于永久故障，并在此时将各断路器控制中的计数器进行重置，即可完成目标。下面进行详细解释：

在图8中我们可以发现，控制电压判断信号能否直接输出的关键在于图8中计数器是否被激活，未激活时送到Switch的逻辑值始终为0，这时可以将电压判断结果直接输出。计数器被激活后，输出值不再是电压判断结果，而是上半部分结构逻辑值，这一值在完成延时合闸任务后就不会再改变，也就是说此时断路器被闭锁为合闸状态。

解决的办法如图12左侧所示，将断路器CB1、CB2的控制信号作为自动重置计数器的输入，一旦CB1或CB2（1010）的取反结果（0101）出现第二个高电平就代表此时有断路器合闸于故障，立即重置所有计数器并解锁各断路器。

3.6 合闸后与故障导致快速跳闸的闭锁

图 9

图9展示的是本实验实现故障定位闭锁的结构，图中进行了相关注解。图10为不需闭锁断路器波形，图11为闭锁断路器波形。从波形图可以看出：通道2的值作为闭锁判断的总输出，决定了断路器控制信号是否变为0（即闭锁不允许合闸）。由图9可知通道8为未经闭锁判断的控制信号，对比图10与图11的8通道1到2秒高电平维持时间，图11高电平持续时间极短。靠近故障点断路器控制信号的特点是其合闸后短时间内再此跳闸，其控制信号维持高电平的时间极小，本实验观察测定后认为合闸运行时间小于0.02秒就是应该闭锁禁止再次合闸的情况。

图 10 闭锁模块各点波形（F001）

图 11闭锁模块各点波形（F002）

下面结合图10/11进行详细分析：计数1用来接收第一个控制信号的上升沿（就是第二次合闸开始时刻计数器加一），计数2用来接收控制信号的第二个下降沿（就是合于故障导致跳闸时刻计数器输出值为二）。计数1和计数2配合，计数1用来激活计时1并将其与定值0.02S比较。计时2的作用是在计数2部分输出1（就是第二次跳闸时刻）开始计时，这一计时的目的是使AND1的输出仅在第二次跳闸到计时2设定时间内保持高电平，也就是我们只在跳闸后的0.0005s内将计时1部分结果输出。换言之，我们在合于故障跳闸后的极短时间内将合闸运行时间与定值0.02比较，若小于定值则输出0表示此断路器需要闭锁。同时，由于Switch2下侧通过记忆模块将输出反馈回输入，使得在AND1输出低电平时也能保持计时1部分判断结果，实现闭锁。

3.7 各模块中计数器、计时器复位问题

图 12 计数器重置结构（双侧判断）

图12是针对双侧检测断路器的重置结构，需要搭配图13右侧结构，原因是我们并不能预知故障点。两侧开始合闸后合到故障点的时间并不一致，也就无法确定双侧判断断路器要接受的重置信号来自CB1还是CB2，该结构通过判断来电方向决定采用哪一侧的重置信号。

图 13 计数器重置结构（单侧判断）

图14为针对单侧判断断路器的重置方式，是前文中提到的合于故障跳闸的另一种解决方法。此结构对比图6中B部分的优点是结构简单，可以清晰快捷的将计数器重置，输出正确结果。

基本逻辑是：故障发生后第一次跳闸，使能信号变为0；延时合闸后使能信号变为1，开始计时；计时结束输出高电平将计数器重置；等待的延时是让前方电压判断模块判断此时系统状态。若未合于故障则输入端值为1这时下方结构不再影响输出值，延时极短时间后将计数器重置，下方结构回到初始状态，等待下次故障。若合于故障，则继续输出下方结构的结果暂时保持合闸，但延时过后计数器被重置，下方结构输出0，并不会使断路器拒动。

图 14 计时器模块

在各断路器的控制逻辑结构中使用了不少的计时器模块合计数器模块，计数器模块的重置在前面已经介绍。对于计时器的重置，如图10所示，仅需在Enable模块对话框中勾选“reset”即可自行复位。

3.8 搭建模型全貌

3.9模型运行结果展示

3.9.1单侧判断断路器运行波形

3.9.2双侧判断断路器运行波形

3.9.3 各电压测量波形

图 23 最左侧靠近电源2

图 24 最左侧靠近电源1

3.9.4 各断路器控制信号

图 25

3.10小结

先看图25，左右侧由上至下代表从CB1出发的所有断路器按顺序排列，左上为CB1右下为CB2。值得一提的是为了展示的方便，本实验将合闸的延时等参数设置得较小，没有严格按照技术手册案例进行延时的设置。

在1秒时刻发生故障，全线断路器因失压而跳闸。跳闸的0.2秒后CB1、CB2开始合闸，系统从两端电源处开始合闸。对左侧线路而言， F002在合闸后导致CB1、F001、F002全部跳闸，说明故障在F002左侧。F002极短的合闸运行时间使得其自身被闭锁，在第二轮合闸使将不允许其合闸。同样，对右侧而言，F003合闸后同样使右侧线路全线跳闸，F003极短的合闸运行时间将其自身闭锁。经过两侧线路分别按延时合闸、故障跳闸后将故障定位并将故障两侧断路器闭锁，实现了故障隔离与非故障线路区间的供电恢复。

图23、24清楚的展示了上述过程的三相电压波形，显然本实验成功利用Simulink搭建模型，展示了电压时间型FA工作过程。

4 结语

第一次接触Simulink软件，开始的时候我是不敢相信作为初学者的我能完成本次仿真实验任务。万事开头难，好在这已经是大四下学期了，我可以有更多的时间来学习Simulink。不出意外的话这份报告是本科四年除毕业设计外的最后一份作业了，这就使得这份报告对我来说意义非凡。我希望给大学生活画上一个完美的句号，所以在这次仿真实验任务中我有很多自己的思考，很多结构和功能实现方式可能不是最优，在此领域研究多年的老师您看来可能是简陋。但希望老师不要介意，因为这是一名普通学生一步步脚踏实地做出来的成果，在完成任务的过程中我收获很多满足感，我想这就是学习的意义。总之，深度不够诚意来凑，感谢老师能够读到这里，祝老师工作顺心，万事如意。