基于EMTP和MATLAB的继电保护仿真系统
第25卷第11期2009年11月
电网与清洁能源
Power System and Clean Energy
中图分类号：TM 77；TM 743
Vol.25No.11
Nov.2009文献标志码：A
文章编号：1674-3814（2009）11-0033-04
基于EMTP 和MATLAB 的继电保护仿真系统
杨丽勤，杨晓萍，梁振锋，黄
囤,
张
聪,
魏
盟，王
斌
（西安理工大学水利水电学院，西安
710048）
Relay Protection Simulation System Based on EMTP and MATLAB
YANG LI-qin, YANG Xiao-ping, LIANG Zhen-feng, HUANG Dun, ZHANG Cong, WEI Meng, WANG Bin
（Institute of Water Resources and Hydro-Electric Engineering, Xi ’an University of Technology, Xi ’an 710048, Shaanxi Province, China ）
ABSTRACT ：Focused on the problem that data processing procedure of microprocessor -based protective relaying is invisible, a relay protection simulation system based on EMTP and MATLAB was developed. This system utilized the results of EMTP fault simulation as the experimental data, and established the interface of the simulation system by the graphical user interface (GUI)of MATLAB. The function of microprocessor-based protective relaying might be implemented by setting the attributions of controlers and programming M -files.
Then the
executable files were formed through compiling. This system had advantages, such as visibility, flexibility and controllability, so it is helpful to finish the microprocessor -based protective relaying experiment.
KEY WORDS:microprocessor-basedprotectiverelaying ；EMTP; MATLAB;simulation
针对微机保护实验存在工作过程无法被实验者直接观摘要：
测的问题，建立了基于EMTP 和MATLAB 继电保护仿真系统。该系统采用EMTP 故障仿真的结果作为实验数据。利用
率达到91.41%[1]。由于微机保护的功能由软件来实现[2-3]，因而保护的数据采集、内部逻辑、动作过程是不可见的，相当于一个“黑匣子”，用户只能看到保护的动作结果而无法掌握动作过程，不利于对保护原理的掌握和动作过程的分析。目前高校的实验室主要用模拟式保护来完成实验教学。传统模拟式保护靠逻辑布线实现保护功能，实验方式简单、直观，但不符合继电保护的应用现状。
针对这一问题，许多学者做了大量的研究。文献[4-5]提出用硬件实现微机保护实验的方法。但该方法依然不能使实验者观察到保护的数据处理和内部动作过程。文献[6]提出利用VB 和MATLAB 作为开发环境，建立继电保护的仿真系统。但利用
MATLAB 来实现电力系统故障的仿真，其仿真结果
没有得到广泛承认。
本文首先利用EMTP 实现电力系统输电线路的故障仿真，获取故障数据，能够得到不同运行方式、不同故障类型下的故障数据；然后利用MATLAB 建立微机保护仿真系统，实现保护功能的仿真。利用
MATLAB 中的图形用户界面设计功能（GUI ）建立仿真系统的
界面，并且通过设置控件的属性及编制M 文件来实现微机保护的功能。最后经过编译形成可执行文件。该仿真系统具有可视性、灵活性及可控性等优点，有利于完成微机保护实验。微机保护;EM TP;M ATLAB; 仿真系统关键词：
MATLAB 的图形用户界面设计功能（GUI ）完成仿真
系统界面的制作，通过M 文件编辑器编制M 文件实现不同保护元件的功能。实验者通过该系统能够观察到微机保护的数据处理和保护动作的过程，而且可以实现不同保护功能和不同算法的实验。
0引言
微机保护在我国电力系统得到了广泛的应用。
1EMTP 与MATLAB 简介
EMTP （Elector-Magnetic Transient Program ）是
截至2006年底，220kV 及以上系统继电保护微机化———————————————————
大学生创新性实验计划（081070024）
。基金项目：
电磁暂态程序的简称，它主要是用来研究电力系统
34
杨丽勤等：基于EM TP 和M ATLAB 的继电保护仿真系统Vol.25No.11
的暂态过程。ATP -EMTP 程序（The Alternative Transients Program ）是目前世界上电磁暂态分析程
序（EMTP) 最广泛使用的一个版本。EMTP 程序的基本功能是进行电力系统仿真计算，典型应用是预测电力系统在某个扰动(如开关投切或故障) 之后感兴趣的变量随时间变化的规律。ATP-EMTP 的仿真结果得到了广泛的接受和承认。
MATLAB 是Mathworks 公司推出的高性能数值
计算软件，它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，具有界面友好的用户环境。MATLAB 可以解决实际的工程问题，如自动控制、数字信号处理、控制系统、统计信号处理和图像处理等。
MATLAB 最大的特点是易扩展性，它允许用户自行
建立完成指定功能的M 文件[7-8]。
2
继电保护仿真系统
2.1
总体结构
基于EMTP 和MATLAB 的继电保护仿真系统的
总体结构如图1所示。该仿真系统设计采用积木式结构与多视图方法，实验者可以根据实验需要选择不同的故障数据和功能模块，进而完成不同的实验仿真。
图1
系统结构图
2.2故障数据的获取
利用ATP-EMTP 建立的输电线路故障仿真系统
如图2所示。在ATP-EMTP 窗口中单击右键出现快捷菜单，选择需要的元件控件，根据实际连接关系连接元件，并设置其参数。以建立110kV 单侧电源输电线路为例。首先单击右键在快捷菜单中选择
sources 子菜单，进一步选择Ac type 14电源控件。然
后，用左键选中电源控件并拖动到适当位置。进一步用左键双击控件图标，在元件对话框中设置幅
值、频率等参数。用此类似方法，选择需要的控件并设置各自参数。建立仿真系统后，在ATP 下拉菜单中选择settings 设置仿真时间步长和仿真时间长度；在
output 选项卡中设置output control 中参数。最后，运
行ATP ，生成仿真结果数据pl4文件，并将其转换为
MATLAB 可调用的MAT 文件。故障数据生成流程如图3所示。
图2ATP-EMTP 中仿真系统图
图3
故障数据生成流程图
2.3仿真系统的建立
首先建立仿真系统界面。使用MATLAB 的图形
用户界面设计功能（GUI ）的向导设计器（GUIDE ），用其控制面板的各种控件来完成界面的设计。在设计界面的过程中，可通过添加按钮（Push Button ）控件、坐标轴（Axes ）控件、单选按钮(RadioButton) 、编辑框（Edit Text ）和静态文本（Static Text ）控件等来建立各功能模块，并在其属性编辑器中设置属性。然
后通过M 文件编辑器在界面所对应的M 文件中为各个控件添加回调函数来实现各控件的功能。例如在故障类型选择界面中（图4），先添加按钮控件，在属性编辑器中把它的属性string 改为“三相短路故障”并设置字体大小位置等属性，再添加坐标轴（Axes ）控件，并在已添加的按钮的回调函数中输入picture=
imread(‘sanxiangduanlu.jpg ’) ，读入三相短路故障的ATP-EMTP 仿真系统的图片数据，再输入“cla; axes (gca);image(picture);”即可实现点击“三相短路故障”
按钮时显示出相应的ATP-EMTP 模型图。
为了实现
第25卷
第11期
电网与清洁能源
35
将选择的故障数据载入，先给不同类型的故障数据编号（假设三相短路故障为5号）并建立一个全局变量global m ，当点击“三相短路故障”按键时, 让其变量m=5。在用到故障数据时，先输入“global m; ”导入变量m ，然后使用if 语句找出对应的故障数据（如：“if
m=5load sanxiangduanlu.mat;end ）。参数设置界面及
功能的制作和上文所示相类似。在微机保护过程仿真中，代表仿真结果的数值的输出使用到了get 与set 函数。通过“h=findobj(‘tag ’, ’对象标签’) ”获取输出文本框对象的句柄，再通过“set(h,’string ’, 输出值) ”即可实现仿真结果的输出。对于“单步执行”这一功能，使用到了for ，if ，pause ，plot 等函数并调用了采样函数，滤波函数和算法函数，通过函数组合，循环实现逻辑判断功能。
在本系统中，界面之间的切换使用到run 和eval 函数。多个界面之间变量的传递使用到了两种方法：一是global 函数；二是将变量存入一个MAT 文件，使用时再用load 命令将其打开，这种方法的特点是能够记录上次运行时该变量的值。
若系统的各功能设计完成后，若在matlab 中运行无误即可将其编译并在任意一台计算机上执行。通过输入“mcc-m 文件名1.m 文件名2.m …”将M 文件编译完成，生成一个exe 可执行文件。
该仿真系统可由使用者选择实验项目和流程，完成实验步骤。使用者能够通过单步运行来观察保护动作过程中数字滤波前后的波形对比、中间计算结果及最终动作结果。
3
算例
3.1
故障仿真
仿真系统采用110kV 单侧电源系统，输电线路
采用Π型等值线路模型，负荷采用星形纯电阻来仿真。通过运行ATP-EMTP 得到故障仿真数据，将仿真结果存放于仿真系统软件包。
3.2故障数据选择
本文所建立的仿真系统为中性点非直接接地
系统，故障类型包括两相短路和三相短路两类。运行方式包括最大、最小和正常运行方式，故障点位置包括距电源侧10%，50%，75%，80%4处。在仿真实验中调入实验所需的数据，如图4所示。仿真系统将自动显示出相应的ATP 模型图，并将所选故障数
据加载到MATLAB 工作平台，实验者可在下一个界面看到数据的波形。
图4
故障数据选择界面
3.3参数设置
实验者在使用本仿真系统时可配置不同的保
护，且可以给定保护的整定值和设置故障数据的时间范围。如图5所示。
图5
参数设置界面
3.4数据处理与故障类型判断
本仿真系统设置有快速判断和单步执行两种
仿真流程。当用户选择快速判断时，系统会根据用户的设置开始循环采样、滤波，求取电流幅值并与整定值比较，判断是否发生故障，得出运行结果并记录故障发生的时间。
在单步执行功能中，用户每点击一次“单步执行”，系统执行一次采样、滤波、计算和判断。设置
本功能的目的是为了实验者可以看到每次循环的
36
杨丽勤等：基于EM TP 和M ATLAB 的继电保护仿真系统Vol.25No.11
图6
单步执行结果截图
[4][5]
李刚，王翠霞，温渤婴．一种新型微机继电保护实验装置的研制[J]．继电器(Relay)，2005，33(22)：16-20.
魏宜华，焦彦军，张新国，等．通用继电保护微机型实验装置的设计[J]．电力系统及其自动化学报，2005，17(3)：
计算结果与整定值的比较结果。当计算结果大于整定值，该段保护便会启动，并且当延时时间达到整定时间时，该段保护动作切除故障，仿真系统停止计算。在此过程中，实验者可以看到故障电流波形的变化规律并且可以看到中间计算结果，见图6。
95-98. [6][7][8]
韩笑，徐曦，陈卓平．基于Matlab 与VB 数据交换的继电保护仿真[J]．电力自动化设备，2006, 26(5)：92-95.
都伟杰，张俊芳，刘鹏，等. 基于MATLAB 的电力系统暂态稳定性仿真研究[J].电网与清洁能源，2009，25(1):17-20.胡青，倪琼. 水电站继电保护系统仿真建模研究[J].电网与清洁能源，2009,25(7):65-69.
4结论
针对继电保护实验的现状及存在问题，本文基
于ATP-EMTP 和MATLAB 设计了微机保护仿真系统。该系统能够用于继电保护实验教学及培训工作，能够弥补现有实验教学或培训装置所存在的不直观、不灵活等的缺点。
———————————————————
收稿日期：2009-08-22。作者简介：
杨丽勤（1986—），女，大学本科，就读于西安理工大学；杨晓萍（1964—），女，博士，副教授，主要从事电力系统及其自动化的教学与研究工作；
梁振锋（1974—），男，硕士，讲师，主要从事电力系统继电保护的教学与研究工作；
黄张魏王
囤（1986—），男，大学本科，就读于西安理工大学；聪（1987—），男，大学本科，就读于西安理工大学；盟（1987—），男，大学本科，就读于西安理工大学；斌（1987—），男，大学本科，就读于西安理工大学。
参考文献
[1][2][3]
国家电力调度通信中心. 国家电网公司继电保护十年发展综述(1997-2006年)[M].北京:中国电力出版社,2009. 杨奇逊, 黄少锋. 微型机继电保护基础[M].3版. 北京:中国电力出版社,2007.
梁振锋，杨晓萍，高立刚，等. 基于LabVIEW 的微机保护仿真[J]．电力系统及其自动化学报，2008，20(4):120-
124.
（编辑李沈）