MATLAB在三段式电流保护教学中的应用
  一、问题的提出
  电力系统继电保护课程是电气专业非常重要的专业课程，其教学内容主要从分析被保护设备故障状态与正常运行状态的差异着手，并利用这些差异构成各种保护原理，并在此基础上讲述利用不同保护原理构成的保护装置的逻辑图。在教学过程中三段式电流保护在电力系统继电保护课程中占有非常重要的地位，需要详细讲解。为了便于学生通过学习三段式电流保护掌握过电流保护的原理，掌握继电保护中近后备、远后备概念、保护动作时间的配合及保护的“四性”等问题，提出在三段式电流保护教学过程中利用MATLAB进行仿真，分析不同区域故障时各段保护是如何配合动作的。
  二、三段式电流保护的重要性
  电力系统中以电力线路规模巨大，线路保护成为继电保护中的重要组成部分。[1]
  电力线路的电流保护是电力系统继电保护中最基本的保护，也是最重要的保护，它不仅在线路而且在电力设备中都得到普遍应用。
  在电力系统继电保护的教材中，大多都是最先讲三段式电流保护，然后讲其他的保护方式，这除了文中所列上述两个原因外，还因为三段式电流原理简单，可以通过对该部分知识的详细讲授，使学生容易掌握继电保护中保护范围、近后备、远后备、保护动作时间的配合及保护的“四性”等概念，便于后期复杂保护的学习。
  以往该部分知识的讲授是由理论教学与实验相结合完成。理论部分利用板书画图讲解，但这种讲解方式存在浪费时间、不直观等缺点，不利于学生的理解。
  学生实验效果不好。很多高校的继电保护教学实验装置都是直接厂家的插线式教学仪器。学生在做实验的时候只需要按照实验讲义要求插拔相应的线路，完善对应的数据就好了。虽然做实验的时间缩短了，但是学生做完实验后依然不明白实验原理是什么、为什么这么做实验、解决了什么问题。
  利用仿真可以方便设置不同位置的短路点，且在理论教学环节就可以通过仿真结果验证理论，较在实验室方便。
  三、仿真实例
  现以一单电源辐射型输电网络为例进行三段式电流保护的MATLAB仿真，并通过分析仿真结果来讲解保护的相关概念。
  1.实例计算
  单电源辐射型网络如图1所示，其相关相关数据如下标注：
  网络电压等级为10kV，AB线路长10km，BC线路长15km，单位阻抗为Z1=0.4Ω/km，其中=1.25，=1.1，=1.2，=1.5，=0.85，=0.3Ω，=0.2Ω。
  整定计算结果如下：
  （1）电流速断保护。
matlab中fprintf是什么意思  动作值：（KA）;动作时间：t1=0s （在仿真时，为了方便观察将I段动作时间近似设为0.001s）;灵敏性校验：，灵敏性满足要求。
  （2）限时电流速断保。
  动作值：0.82（KA）;动作时间：（在仿真时，为了方便观察将II段动作时间近似设为0.1s）;灵敏性校验：，灵敏性满足要求。
  （3）定时限过电流保护。
  动作值：（KA）;动作时间：（在仿真时，为了方便观察将III段动作时间近似设为0.5s）;灵敏性校验：近后备Ksen近=4.5>1.5，灵敏性满足要求，可做本线路近后备保护;远后备：Ksen=1.87>1.2，灵敏性满足要求，可做下一条线路远后备保护。
  2.SIMULINK介绍
  Simulink是以工具库的形式挂接在MATLAB上的，不能独立运行，只能在MATLAB环境中运行。[2]Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散或两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样速率的多速率系统。
  本设计中共使用了位于Simpowersystems模块库和Simulink模块库中的29 个不同的模块。
  3.三段式电流保护模块系统介绍
  线路三段式电流保护仿真模型可以分为4个部分搭建：
  （1）一次部分：由交流电压源模块（AC Volatge block）、线路模块（Series RLC Branch block）、电流测量器模块（Current Measurement block）、断路器模块（break）、三相故障模块（Three-Phase Fault block）、傅利叶变换模块（Fourier block）等模块组成，如图2所示。图中电流测量器模块（Current Measurement block）相当于保护中电流互感器，通过它将电流引给二次保护;傅利叶变换模块（Fourier block）提取一次电流的模值，其模值端接三段式电流保护[3];三相故障模块（Three-Phase Fault block）设置短路故障，而故障发生时间有时间模块（Timer）控制。
  （2）电流保护各段模块如图3所示。
  电流保护由继电器模块（Relay）和延时模块（Transport Delay）两个部分组成。继电器模块是将经过傅立叶模块变换的电流与通过整定计算确定的继电器设定的电流相比较，若大于预置值则输出1，反之输出0，这个信号再利用Transport Delay延迟模块设置整定时间，因电流Ⅰ段是速断保护，所以这个延迟时间很小（0.01s）。电流II、III段的电流比较及延时所选用的模块及模块参数的设定同电流I段，只是具体参数数值不一样。  　（3）保护出口模块，
如图3所示，该模块的主要功能是将保护模块的动作行为保持，主要由非门（NOT）、加法器（SUM）和常数（constant）、使能子系统模块（Enable Subsystem）构成。由于使能子系统模块的特点是：使能端输入正数或零时，子系统开启;使能端输入负数时，子系统关闭，模块输出端为初始值或保持前一状态。而保护模块中延迟模块的输出为“1”或“0”，因此不能接在使能端上，否则会一直使保护出口模块始终处于使能状态，输出为“1”。由图2可见，如保护模块中延迟模块的输出为“0”，则经非门再与常数-0.5相加后，可是保护出口模块使能端输出为“1”。保护出口模块输出为“0”。
  （4）保护总出口部分。该部分的功能就是将三段保护的输出信号相与，就是当Ⅰ段输出为1，Ⅱ段输出为0，Ⅲ段输出也为0时，经过一个乘法模块，总输出就为0，将断路器跳开。同理，当故障发生在Ⅱ段或是Ⅲ段范围内时保护也是按这个原理动作的。
  四、仿真结果及分析
  （1）模拟电流Ⅰ段保护动作，将三相故障模块设在电流Ⅰ段的范围内，即将线路1的值设置为2Ω，线路0、2分别为0.3、8Ω。
  由图4、图5可以看出线路在0.1s发生了故障，产生一个较大的短路电流，之后经过一个很小的延时0.11s，断路器1跳闸。电流Ⅰ段成功按时动作。
  （2）模拟电流Ⅱ段保护动作，在电流Ⅱ段的范围内设置故障，由于本设计是模拟线路不同段发生故障，所以就可以直接改变线路1的值来模拟线路不同段的故障。将线路1的值设置为4Ω，线路0、2分别为0.3、6。仿真参数同上，执行仿真后仿真结果如图6、图7所示：

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