教學式保護電驛模擬平台在Matlab/Simulink下實現電驛協會會刊18期電驛協會會刊18期教學式保護電驛模擬平台在Matlab/Simulink下實現教學式保護電驛模擬平台在Matlab/Simulink下實現辜志承、張源吉、楊明達*、沈混源、廖文彬、許文興國立台灣科技大學電機系聖約翰技術學院電機系*摘要：傳統的保護電驛若做實際量測或實驗要花費大量的人力、物力、時間，不是一般人所能負擔，幾乎都是利用套裝軟体來模擬，如(EMTP/ATP、ETAP…)，但因這些軟體功能不夠強大，只能用在純電力方面模擬，不能完全模擬所需要的結果，為了改善上面的缺點，利用Matlab/Simulink使用者圖型界面來模擬，其功能已完全取代EMTP/ATP，另外使用者可搭配數位訊號處理、通訊、傅立葉、小波轉換等數學領域方面的，相護搭配使用，而且使用者容易上手模擬，和容易擴充自已領域所作的平台方塊(以下稱block)。本文建構了電驛的平台有瞬時過電電驛50、延時過電流電驛51、過電壓電驛59、交流方向性過流電驛67、差動電驛87…等等，依照各不同電驛功能設計出不同的電驛block，以後只要使用者在發電機、變壓器、輸電線等需要用到電驛的block，只要在Matlab/Simulink底下拖曳出來使用，就可以直接使用來模擬各種電驛跳脫前後的波形、比流器飽合對電驛的影響、諧波對電驛的影響等等…。一、前言一般保護電驛的成員包含了電驛(Relay)、斷路器(Breaker)、比流器(CT)及比壓器(PT)三部份，如圖1所示，在實際運用的情況會下，比流器會考慮到飽和問題[1-2]，以往因比流器飽合模擬不易實現，所以部份期刊、論文幾乎都忽略此部分，比壓器要考慮到電壓調整率的問題，而電驛在實用上就會有諧調、誤動作、參數計算設定考量[3]，以下就介紹各電驛成員的製作及設定，再以例子模擬此電路。現在使用的模擬軟體都是利用使用者圖形輸入界面來輸入參數，本套模擬所開發的模擬平台軟體也不例外，使用者只要把設計好的電路圖畫好，依次輸入電路元件(block)的參數再設定模擬的時間長度和演算法種類，即可模擬[4]。而模擬的難度在於參數的設定值，可依實際大小輸入或假設值輸入[5]。圖1保護電驛系統基本架構圖二、CT及PT的設定一般保護電驛其輸入量為電流及電壓，除少數如溫度或壓力等電驛外，其CT及PT的功能是將高電壓及強電流降為低電壓(額定120V)小電流(額定5A)。(a)PT設定一般電力變壓器的等效電路和比壓器的基本設計原理相同，由於比壓器在運轉時激磁電流很小，故可將等效電路中的激磁阻抗予以忽略，如圖2所示，模擬時需設定的參數有額定功率(Pn)、頻率(Fn)、一、二次側電壓(V1、V2)及一、二次側阻抗(ZH、ZL)，依比壓器的種類可自行設定不同參數值，通常結果為二次側電壓的相角稍為落後一次側，且幅值也較小於一次側，而比壓器的性能一般要考慮的是電壓調整率，其二次側電壓為VEF=VCD-IL(ZH/n2+ZL)…………………(1)圖2比壓器化簡後的等效電路(b)CT設定在比流器的場合中，由於激磁電流值較高，故其等效電路中的激磁阻抗不可予以忽略圖3所示，模擬時需設定的參數有額定功率(P)、頻率(F)、一、二次測電壓(V1、V2)、一、二次測阻抗(ZH、ZL)及激磁電感和電阻(LM、RM)，而激磁電感是利用點對點描述的方法，如圖4所示，非線性電感元件利用點對點描述，依序輸入點1、2、3、4ψ-I激磁曲線，使用者所收集的資料一般都是V-I曲線，利用公式求出相對應的ψ-I激磁曲線，其輸入點數不限。圖3比流器化簡後的等效電路圖4非線性電感元件利用點對點描述(c)比流器飽合模擬以下做一個比流器飽合的模擬，圖5是在Matlab/simulin底下所設計的比流器飽合電路圖，電源為120KV(rms)、60HZ、CT比率2000/5、25VA、負載burden=1，負載用戶69.3MVAR、1kA(rms)、Q=100，磁通設定10pu發生飽合，模擬時breaker投入在t=1.25/60s和t=1/60s時，計算後t=1.25/60s時無直流成份(無直流飽合)，t=1/60s時含最大直流成份(發生直流飽合)；圖6是比流器飽合參數設定，依所選用的比流器設定參數，若有任何問題，在block底下有一個help按鍵，可幫助你解決參數設定的問題；圖7在t=1.25/60s開關投入時依計算後無直流成份圖7上圖是I1/400和V2波形圖(在此V2=I2波形，因為Burden=1)I2=1000X5/2000=2.5A(有效值)=(最大值)圖7下圖是每標么磁通波形圖Flux=如圖8是在t=1/60s開關投入，計算後含最大直流成份，圖