电力变压器微机差动保护仿真与分析系统

资 源 简 介

该项目致力于利用MATLAB/Simulink环境构建高度仿真的电力变压器差动保护模型，旨在模拟电力系统运行中可能出现的各种复杂工况并验证保护算法的有效性。其核心功能涵盖了从信号采集到动作出口的全过程： 建立了精细化的三相电力变压器数学模型，支持Yd11或Yn/d1等多种接线方式，并自动实现变压器两侧电流的相位补偿与零序电流滤除，以消除接线组别导致的虚假差流。 实现了先进的信号处理模块，采用离散傅里叶变换（DFT）算法实时提取基波分量及高次谐波分量，确保计算精度。 核心逻辑集成了二次谐波制动技术，通过检测

详 情 说 明

电力变压器微机差动保护仿真与特性分析系统

项目介绍

本项目是一个基于数值计算和算法模拟的电力变压器保护分析系统。系统通过建立精细的数学模型，模拟电力系统在正常运行、内部故障、励磁涌流及外部故障伴随CT饱和等多种工况。其核心目标是验证微机差动保护算法在复杂电磁环境下的动作可靠性与选择性，为电力系统继电保护的参数整定分析提供直观的仿真依据。

功能特性

1. 变压器物理特性建模：支持典型的三相电力变压器参数配置，包括额定容量、电压等级及CT变比设置。
2. 相位补偿与电流校正：针对Yd11接线组别，通过矩阵变换自动补偿变压器两侧因接线方式产生的电流相位差，并实现零序电流的滤除。
3. 动态信号提取：利用滑窗离散傅里叶变换算法（DFT），实时计算差流与制动电流的基波有效值及特定高次谐波分量。
4. 复合型保护逻辑：集成差动速断保护、多段式比率差动保护以及二次谐波制动逻辑，全面覆盖变压器主保护的需求。
5. 工况模拟分析：能够复现励磁涌流的非对称性衰减特征，以及CT饱和导致的电流波形畸变。
6. 可视化交互分析：动态生成电流波形、谐波比例曲线、动作信号脉冲以及差动特性曲线轨迹图。

核心实现逻辑与算法说明

1. 信号仿真逻辑

系统根据设定的采样频率（4000Hz）生成离散时间序列。针对不同的仿真场景，系统采用不同的数学模型生成原始信号：

• 正常运行：生成相位差为30度（针对d11接线）的小幅值平衡三相电流。
• 内部故障：模拟在故障时刻发生的单相接地短路，突变产生高倍率故障电流。
• 励磁涌流：采用包含基波、二次谐波、三次谐波及直流偏置的分量模型，并叠加指数衰减因子，模拟空载合闸时的电磁暂态。
• CT饱和：通过对外部故障时的二次侧电流进行硬削顶处理，模拟电流互感器进入饱和区后的波形失真。

2. 相位与电流补偿

考虑到变压器Y/d接线导致的两侧电流相位偏移和低压侧循环电流问题，系统通过软件算法对高压侧电流进行补偿计算，计算公式为：I_comp = (I_a - I_b) / sqrt(3)。此逻辑能够有效消除外部正常运行时的虚假差流。

3. 离散傅里叶变换（DFT）算法

系统采用一个周波数周期（20ms）的滑动窗口，对采样点序列进行基波和二次谐波的解析计算：

• 利用正弦和余弦正交基函数与窗口数据加权求和，提取电流的实部与虚部。
• 计算基波相量，进而得到基波有效值，用于差动和制动电流计算。
• 提取二次谐波分量，用于后续的涌流判据逻辑。

4. 保护判断准则

系统的动作判据由三部分构成：

• 差动速断：当差流有效值超过设定的高定值时，不经任何制动条件直接输出跳闸信号，确保严重区内故障的极速切除。
• 比率制动：采用三段式折线特性，包括最小启动段、低斜率制动段和高斜率制动段。制动阈值随制动电流（两侧电流有效值平均数）的变化动态调整，以应对不平衡电流和CT误差的影响。
• 二次谐波制动：实时识别差流中二次谐波与基波的比例。若比例高于设定阈值（如15%），系统判定为励磁涌流并闭锁比率差动保护，防止误动作。

关键算法细节分析

• 差流计算：采用流入变压器的电流矢量和。
• 制动电流计算：采用两侧基波电流有效值之和的二分之一，提高了定值整定的精确性。
• 动态轨迹映射：系统将实时的制动电流与差电流坐标点映射到二维平面图中，通过观察坐标点相对于折线特性的位置（上方为动作区，下方为制动区），直观展示保护的动作行为。

使用方法

1. 初始化环境：启动MATLAB仿真环境。
2. 参数配置：在脚本的代码块中，根据需要调整工况选择变量（如设置单相故障、涌流或饱和情形）。
3. 运行仿真：执行主程序，系统将自动开始离散时间步进计算。
4. 结果判读：

- 观察命令窗口输出的动作时间统计信息。 - 分析弹出的图形窗口，检查原始波形是否符合物理特性。 - 检查二次谐波含量是否有效抑制了涌流期间的跳闸逻辑。 - 查看差动特性曲线上的实时轨迹点，确认轨迹点在故障时刻是否准确穿入动作区。

系统要求

• 软件平台：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 计算能力：支持多线程或快速矩阵运算的个人电脑。
• 核心依赖：无需外部专用工具箱，基于MATLAB内建的矩阵运算和信号处理函数实现。