基于S函数的电力系统三段式距离保护仿真模型

资 源 简 介

该模型基于MATLAB/Simulink环境开发，旨在模拟和研究高压输电线路的三段式距离保护机制。其核心功能是利用三段式比幅原理，对线路故障进行精确定位和隔离。模型包含完整的测量单元、起动单元、极化电压生成单元以及最为关键的保护逻辑判断模块。 保护模块通过S函数（S-Function）编写，实现了复杂的逻辑判别算法。第一段为瞬时段，采用阻抗比幅原理，保护范围通常设定为本线路全长的80%到85%，不带延时执行动作；第二段作为第一段的后备保护，覆盖本线路全长并延伸至相邻线路的一部分，带有较短的延时；第三段作为

详 情 说 明

电力系统三段式比幅距离保护仿真模型项目说明

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB环境开发的电力系统继电保护仿真工具，专注于模拟高压输电线路的三段式距离保护机制。该模型通过模拟真实线路的电压和电流信号，利用数字信号处理算法提取电气特征量，并根据预设的阻抗整定值和逻辑时限，实现对线路故障的精确识别与分级保护。

本仿真程序不仅模拟了正常的负荷运行状态，还模拟了故障发生时的瞬态过程（如电压跌落、电流剧增及直流分量衰减），并动态展示了保护系统的响应过程。

功能特性

1. 三段式保护配置：完整实现了距离保护的三个阶段，包括瞬时动作的第I段、带短延时的第II段（后备保护）以及带长延时的第III段（远后备保护）。
2. 实时信号处理：采用全波傅里叶滤波算法，从原始采样信号中动态提取基波电压、电流的向量幅值与相位。
3. 动态阻抗计算：在每个采样时刻实时计算测量阻抗的模值、电阻分量和电抗分量。
4. 复杂故障模拟：支持设置特定时间、特定位置的故障，并能够模拟故障电流中的非周期分量（直流衰减分量）。
5. 多维度结果评估：提供时域信号波形、阻抗幅值快照、各段跳闸信号逻辑电平以及复阻抗平面轨迹图。

实现逻辑与仿真流程

仿真程序的执行遵循电力系统继电保护的实际工作逻辑，具体步骤如下：

1. 参数初始化与定值计算 程序首先定义系统频率（50Hz）与采样频率（4000Hz）。根据线路单位长度阻抗和总长度，计算出线路全长阻抗。基于比幅原理进行整定：

• 第I段按线路全长的85%整定，不设动作限时。
• 第II段按线路全长的120%整定，设置0.5秒延时。
• 第III段按线路全长的200%整定，设置1.0秒延时。

2. 故障信号生成 模型在设定的仿真时间内生成电压和电流序列。在故障时刻前，系统处于正常负荷状态；故障发生后，模拟电压跌落，并根据故障位置计算故障阻抗，进而生成包含暂态直流衰减分量的短路电流信号。

3. 滑动窗口数据采集 程序模拟实时采样过程，通过一个固定长度（一个工频周期）的滑动窗口缓冲区来存储最新的采样值，为后续的算法分析提供输入。

4. 核心算法处理 利用全波傅里叶变换将离散的采样点转化为基波相量，通过相量运算得到复阻抗。程序特别包含了阈值判断机制，以防止在电流过小时（如正常工况下或断路器跳闸后）由于除以零导致的计算异常。

5. 逻辑判定与保护动作 保护模块对计算出的测量阻抗幅值进行逐级比对。如果测量阻抗落入整定范围内，相应的定时器开始累加。一旦累加时间达到各段预设的延时，则通过逻辑“或”运算输出总的跳闸脉冲。

关键算法与技术细节

1. 全波傅里叶提取算法 该算法是保护准确性的核心。通过对缓冲区内一个周期的采样数据与标准正弦和余弦函数进行加权求和，提取基波分量的实部和虚部。这种方法能有效滤除高次谐波，并在每个采样点进行实时更新，确保了相量计算的动态响应速度。

2. 阻抗特征量计算 程序计算测量电压与电流相量的复数比值，从而得到R（电阻）和X（电抗）。在保护逻辑中，主要利用阻抗模值（幅值）与定值进行比较。这种比幅原理形成的动作特性在阻抗平面上表现为一个以坐标原点为圆心的动作圆。

3. 延时逻辑模拟 程序通过步长累加器模拟了继电保护中的时间元件逻辑。当满足起动条件时，计时器递增；若在中途故障消失或阻抗超出范围，计时器将立即清零，以此模拟返回特性，防止干扰导致的误动。

4. 阻抗轨迹追踪 仿真提供了一种可视化手段，用于观察故障发生后，测量阻抗是如何从负荷阻抗区域迅速移动到保护动作区的。这对于分析保护的动作裕度和暂态过程具有重要的工程意义。

使用说明

1. 环境准备：确保安装了MATLAB R2016b或更高版本。
2. 参数修改：在主程序开头部分，用户可以自定义线路长度、单位阻抗、采样频率以及故障发生的具体位置和时间。
3. 启动仿真：直接运行主脚本，程序将自动完成信号生成、逻辑运算并弹出仿真统计结果图形。
4. 结果解读：

- 图1显示电压跌落和电流激增的瞬时波形； - 图2显示测量阻抗如何穿过三段保护的阈值线； - 图3展示不同阶段跳闸信号的动作顺序； - 图4从阻抗平面角度验证故障轨迹是否准确落入预设的阻抗圆内。

系统要求

• 操作系统：Windows, Linux 或 macOS。
• 软件平台：MATLAB。
• 硬件配置：主流个人电脑配置即可满足运算需求，仿真运行时间通常在秒级。