基于Matlab的船舶電力系統(tǒng)電流保護協(xié)調(diào)性分析軟件設(shè)計

曾憲敏，曾祥君，畢大強，張芳，王良秀

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基于Matlab的船舶電力系統(tǒng)電流保護協(xié)調(diào)性分析軟件設(shè)計

曾憲敏1，曾祥君1，畢大強2，張芳1，王良秀3

（1.智能電網(wǎng)運行與控制湖南省重點實驗室，長沙理工大學(xué)，湖南長沙 410076；2.電力系統(tǒng)國家重點實驗室，清華大學(xué)電機系，北京 100084；3. 中國船舶重工集團公司第七O四研究所，上海 200031）

利用Matlab/Simulink仿真工具箱和友好的圖形用戶界面GUI，實現(xiàn)船舶電力系統(tǒng)電流保護協(xié)調(diào)性分析軟件的設(shè)計。其界面能顯示不同位置電流繼電器的保護整定值及動作時間等參數(shù)，并可按用戶要求繪制和調(diào)試上下級保護以及電流三段保護配合曲線。界面中的繼電器參數(shù)可直接傳遞給Simulink中相應(yīng)繼電器，方便直觀地對系統(tǒng)上下級保護和電流三段保護之間的協(xié)調(diào)性進行分析。仿真算例驗證了軟件的保護協(xié)調(diào)性分析功能。

船舶電力 Matlab GUI Simulink 電流保護配合

0 引言

隨著船舶電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式日趨復(fù)雜、電壓等級提高、設(shè)備趨向大容量化，對供電可靠性的要求越來越高，從而船舶電力系統(tǒng)保護及協(xié)調(diào)性分析顯得越來越重要[1-2]。保護協(xié)調(diào)性分析是驗證保護動作順序是否正確、保護是否具有選擇性的方法、上下級保護的配合是否合適。保護協(xié)調(diào)配合復(fù)雜，傳統(tǒng)人工整定效率比較低?？紤]到Matlab/simulink在船舶電力系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用，本文利用Matlab GUI設(shè)計了中壓船舶電力系統(tǒng)電流保護協(xié)調(diào)性分析軟件，并結(jié)合實際系統(tǒng)Simulink模型對該軟件進行仿真。

1 電流保護協(xié)調(diào)性分析軟件的設(shè)計

1.1 軟件設(shè)計基本流程

該軟件設(shè)計流程如圖1所示，首先按軟件需要選擇控件，完成界面布局；然后給控件加入自定義的初始化函數(shù)，實現(xiàn)其功能；再整定各個繼電器參數(shù)，繪制保護配合曲線；最后通過Simulink模型實現(xiàn)聯(lián)合仿真驗證。

圖1 電流保護協(xié)調(diào)性分析軟件設(shè)計流程圖

1.2 GUI界面設(shè)計實現(xiàn)

在Matlab環(huán)境下,要設(shè)計一個界面友好的計算機仿真軟件,設(shè)計過程主要包括兩大部分：1)GUI界面設(shè)計；2)回調(diào)程序的設(shè)計[3]。GUI通常包含三個主要的部分：窗口系統(tǒng)、圖形對象和應(yīng)用程序接口[4]。GUI是個樹狀的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 GUI的基本結(jié)構(gòu)

GUI界面設(shè)計主要包括控件擺放和屬性設(shè)置。打開GUI 后，系統(tǒng)會自動生成fig以及m文件，如常用的界面資源文件和后臺代碼文件，關(guān)于事件處理的代碼可以在m文件中編寫[5]。

按中壓船舶電力系統(tǒng)電流保護協(xié)調(diào)性分析軟件需求，將相應(yīng)控件合理布局在GUI界面上，通過設(shè)置每個控件的屬性，可以控制控件的外形、功能及效果。

圖3是基于Matlab圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境GUI開發(fā)出來的仿真界面，中壓船舶電力系統(tǒng)電流保護協(xié)調(diào)性分析軟件界面圖。

圖中1區(qū)顯示各個繼電器的名稱，其命名方式為‘relay+數(shù)字’，該名字必須與Simulink模型中相應(yīng)繼電器的名稱一致，以實現(xiàn)GUI與Simulink中相應(yīng)繼電器的參數(shù)傳遞；2區(qū)的加減按鈕用于選擇繼電器的個數(shù)，圖示是選擇了兩個繼電器；3區(qū)是繼電器電流三段保護的一些參數(shù)，用戶只需要用鼠標、鍵盤就可以隨意更改這些參數(shù)，卻并不需要更改內(nèi)部程序[6]；4區(qū)和5區(qū)是用于更改圖形界面的Y軸和X軸的最大值；6區(qū)是反時限曲線參數(shù)Tp的最小值，是軟件自動計算的結(jié)果，用于輸入Tp的參考值。

圖3 電流保護協(xié)調(diào)性分析軟件界面圖

參數(shù)設(shè)定好后繪圖，坐標軸上顯示所選用的繼電器的動態(tài)仿真比較曲線。再通過“數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊imulink”按鈕把繼電器參數(shù)傳遞到Simulink仿真模型中，進行仿真驗證。

1.3 保護動作反時限特性曲線

反時限過電流保護是動作時限與被保護線路中電流大小有關(guān)的一種保護，當電流大時保護的動作時限短，而電流小時動作時限長[7]。其動作特性曲線如圖4所示。軟件中可以選擇設(shè)置不同規(guī)范的反時限曲線。

圖4 反時限過電流保護的動作特性曲線

從圖3 中的GUI界面可以看出，每個繼電器都包含瞬時電流速斷保護、短延時電流速斷保護和反時限過電流保護。其中反時限過電流保護動作特性曲線可在IEC60255規(guī)范的3種曲線（IEC255-3-A、IEC255-3-B、IEC255-3-C）和ANSI規(guī)范的5中曲線（ANSI-A、ANSI-B、ANSI-C、ANSI-D、ANSI-E）之間任意選擇，圖3中曲線類型處各繼電器統(tǒng)一選擇一般反時限（IEC255-3-A）做實驗驗證。

1.4 GUI界面控件回調(diào)程序的設(shè)計

完成了GUI界面控件布局之后，再通過編寫各個控件的回調(diào)程序來實現(xiàn)控件的功能，回調(diào)程序是圖形界面最重要的部分。M文件給回調(diào)函數(shù)的運行提供了一個框架（在GUI中激活控件以實現(xiàn)它的功能）。該軟件界面使用了pushbuttons、radiobutton、popupmenus和slider四種控件，使用這四種控件時系統(tǒng)會自動生成以下語句：

1）Function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)

2）function radiobutton8_Callback(hObject, eventdata, handles)

3）function popupmenu3_Callback(hObject, eventdata, handles)

4）function slider12_Callback(hObject, eventdata, handles)

其中pushbutton1、radiobutton8、popupmenu3和slider12為控件的Tag（標簽）屬性值，數(shù)字是該控件的一個編號。hObject就是當前要執(zhí)行Callback的元件（例如，pushbutton等），eventdata這是Matlab保留的一個參數(shù)，handles就是當前figure的句柄。在上述語句下面編寫當前控件的回調(diào)函數(shù)，就可以實現(xiàn)控件需要實現(xiàn)的功能。當用鼠標或鍵盤操作控件時，被認為是觸發(fā)，回調(diào)程序必須響應(yīng)[8]。Callback是其中的一種回調(diào)方式，根據(jù)需要可選擇其他回調(diào)方式，如ButtonDownFcn，CreateFcn等[9]。

2 仿真驗證

2.1 Simulink搭建的船舶電力系統(tǒng)模型

參照船舶電力系統(tǒng)設(shè)備的一些參數(shù)，設(shè)計一個簡單的AC 6.3KV、50Hz中壓船舶電力系統(tǒng)，用于對電流保護協(xié)調(diào)性分析軟件進行仿真驗證。總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中station1是一個6.25 MVA、6.3 kV、50 Hz的三相交流同步發(fā)電機，relay20和relay21是與圖3中1區(qū)相對應(yīng)的兩個繼電器，線路末端是兩個等效負荷。在0.5 s時設(shè)置了一個三相短路故障[10]。

2.2 GUI和Simulink之間參數(shù)傳遞

該軟件是基于GUI和Simulink聯(lián)合仿真實現(xiàn)的。在GUI設(shè)置“＋”，“－”控件來選擇需要進行協(xié)調(diào)分析的繼電器個數(shù)，圖5中包含了繼電器relay20和relay21，以該圖為例驗證軟件的應(yīng)用。首先需要計算兩繼電器的速斷電流整定值和動作時間，短延時電流整定值和延遲時間，以及反時限動作曲線的選擇。在圖3中3區(qū)設(shè)置各個繼電器的參數(shù)，并繪制和調(diào)試兩個繼電器保護配合曲線，然后點擊“數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊imulink”控件，系統(tǒng)會自動打開圖5所示的Simulink模型，并通過該控件的一段子程序來實現(xiàn)GUI和Simulink之間的參數(shù)的一鍵傳遞，并進行仿真驗證分析。

圖5 電流保護協(xié)調(diào)性分析仿真驗證模型圖

2.3 Simulink仿真結(jié)果分析

2.3.1保護不協(xié)調(diào)動作的仿真結(jié)果

按圖3所示的relay20和relay21參數(shù)繪制保護配合曲線圖，兩個保護動作曲線是交叉的。其中每條動作曲線分為三段，右邊直線段、中間直線段和左邊曲線段，分別為瞬時速斷、短延時速斷和反時限電流保護的動作曲線。將數(shù)據(jù)傳遞到Simulink模型，仿真時間設(shè)置為2 s。經(jīng)測定系統(tǒng)短路電流值大于relay20和relay21兩個繼電器的瞬時電流速斷保護整定值，繼電器跳閘時間決定于瞬時電流速斷保護動作時間，所以兩個繼電器的三段保護都應(yīng)該發(fā)出跳閘信號。結(jié)果顯示按照圖3所示的整定值，兩個繼電器的跳閘時間如圖6所示，relay21比relay20先跳閘，上級保護relay20沒有延時動作，這不符合保護選擇性要求，得調(diào)整繼電器的參數(shù)，使各保護能協(xié)調(diào)動作。

2.3.2保護協(xié)調(diào)動作的仿真結(jié)果

調(diào)整圖3中繼電器參數(shù)，結(jié)果如圖7所示，relay21的瞬時電流速斷保護、短延時電流速斷保護、反時限過電流保護分別在故障發(fā)生后0.1、0.3、0.3 s發(fā)跳閘信號，relay20的瞬時電流速斷保護、短延時電流速斷保護、反時限過電流保護分別在故障發(fā)生后0.2、0.4、0.4 s發(fā)跳閘信號。

圖6 relay20和relay21跳閘時間

圖7 保護協(xié)調(diào)動作曲線圖

圖8 relay20電流三段保護的動作時間

圖9 relay21電流三段保護的動作時間

經(jīng)Simulink仿真模型實驗驗證得出，relay20和relay21的三段保護的各自發(fā)跳閘信號的時間如圖8和9所示，由于故障時間設(shè)置為0.5 s，所以測得的兩個繼電器的三段保護各自發(fā)跳閘信號的時間與GUI中設(shè)置值是一致的。

由于實驗用繼電器沒有設(shè)置返回值，所以上下級繼電器都應(yīng)該動作跳閘。由圖5可以看出relay20的動作時間是0.7097，relay21的動作時間是0.6083，為各自瞬時電流速斷動作的時間。顯然relay20比relay21延時動作，符合上下級繼電器保護動作選擇性的要求。

3 結(jié)論

本文提出了基于GUI和Simulink聯(lián)合仿真實現(xiàn)的中壓船舶電力系統(tǒng)電流保護配合分析軟件。該軟件能按用戶需要，繪制和調(diào)試各個繼電器保護配合曲線，并能將GUI中參數(shù)一鍵傳遞到Simulink模型中仿真驗證。這為船舶電力系統(tǒng)中分析與驗證多個電流繼電器之間的整定配合，提高保護的選擇性提供了一種工具。

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Design of a Current Protection Coordination Analysis Software for Shipboard Power System Based on Matlab

Zeng Xianmin1, Zeng Xiangjun1, Bi Daqiang2, Zhang Fang1, Wang Liangxiu3

(1. Changsha University of Science and Technolngy, Changsha 410076, China; 2. Tsinghua University, Beijing 100084, China; 3. No.704 Research Institute, CSIC, Shanghai 200031,China, China)

TM773

A

1003-4862（2014）10-0015-04

2014-01-13

曾憲敏（1989-），男，碩士研究生。研究方向：船舶電力系統(tǒng)保護。