MatLabЛабораторная работа МТЗ+АПВ

Лабораторная работа № 4

Цель: Изучить пакет MATLAB/Simulink; изучить переходные процессы в электрических системах, где присутствуют такие элементы релейной защиты и автоматики как МТЗ и АПВ.

В ходе данной лабораторной работы будет использован компьютерный пакет MATLAB. Как понятно из названия основное назначение этой программы – математические вычисления. Однако на этом возможности программы не заканчиваются. С помощью MATLAB можно решать такие задачи как численный анализ, визуализация и обработка данных, разработка алгоритмов на языках С, С++ и Fortran, построение 2D и 3D графиков, 3D моделирование, создание виртуальной реальности. Кроме того, в MATLAB есть программа-вкладка Simulink предназначенная для моделирования, симуляции и анализа динамических систем. Simulink представляет из себя обычное windows-окно с рабочем полем, на котором можно моделировать свою схему. Для облегчения работы пользователя в Simulink есть библиотеки готовых элементов. Например, такие как Electrical Sources Library – библиотека генераторов электрических сигналов, Elements Library - библиотека линейных и нелинейных электрических элементов, Power Electronics Library – библиотека элементов электроники, Machines Library – библиотека электрических машин, Measurements Library – библиотека измерительных приборов, Electric Drives Library – библиотека электрических двигателей, Flexible AC Transmission Systems (FACTS) Library – библиотека преобразователей переменного тока, Distributed Resources (DR) Library – библиотека турбин, Extras Library – библиотека дополнительных элементов, Demos Library – библиотека примеров.

Рабочее задание

1) Изучить пакет MATLAB/Simulink/SimPowerSystems.

2) создать модель МТЗ+АПВ 2-х кратного действия (Рис. 1).

3) снять осциллограммы при различной длительности КЗ (4 осциллограммы).

4) Самостоятельно создать простую модель трехфазной цепи, включающей трехфазный генератор, трансформатор, линию электропередачи, нагрузку. Включить в цепь измерители тока, осциллограф. Создавая короткие замыкания в различных частях модели сети, наблюдать токи короткого замыкания.

Рис. 1. Модель МТЗ+АПВ 2-х кратного действия.

Указания к выполнению рабочего задания

Запускаем MATLAB. Заходим в меню File (файл), подводим стрелку мыши к New (новый), в появившейся вкладке выбираем Model (модель). Сохраняем только что созданный документ под именем МТZ_APV2. Если в меню File пункт New без вкладки следует Workspace (рабочее пространство) переключить на Current Directory (текущая директория).



Рис. 2. Переключаем Workspace на Current Directory.

Для запуска библиотеки на панели инструментов нажимаем кнопку Library Browser или заходим в меню View (вид) и выбираем пункт Library Browser. В появившемся окне открываем библиотеку SimPowerSystems и выбираем Electrical Sources. Кликаем правой кнопкой по объекту AC Voltage Sources (источник синусоидального напряжения) и нажимаем Add to МТZ_APV2 (добавить к МТZ_APV2). В окне МТZ_APV2 задаём параметры вставленного объекта. Для этого щёлкаем по нему 2 раза. Появляется окно Block Parameters: AC Voltage Sources (параметры данного блока). В окне ввода Peak amplitude (V) (значение амплитуды в вольтах) набираем 10, в окне Frequency (Hz) (частота в герцах) набираем 50, в окне Measurements (единица измерения) выбираем Voltage (вольты). Остальные параметры оставляем по умолчанию и нажимаем OK. Далее вставляем заземление. Для этого возвращаемся к окну Simulink Library Browser, выбираем блок Elements и добавляем элемент Ground (заземление). В окне МТZ_APV2 соединяем элементы друг с другом. Для этого подводим стрелку мыши к нижнему выводу источника ЭДС и, нажав левую кнопку, тянем провод до заземления.

Для работы схемы нам нужен выключатель. Чтобы его добавить возвращаемся в библиотеку элементов и копируем однофазный выключатель Breaker. Соединяем вывод выключателя под номером 1 со свободным концом ЭДС.

Добавляем ЛЭП: из библиотеки элементов добавляем (2 раза) Parallel RLC Branch (ветвь с параллельным сопротивлением, индуктивностью и ёмкостью). Одну копию называем LEP1 (щёлкаем по названию левой кнопкой и вводим LEP1), а вторую LEP2. Щёлкаем 2 раза по LEP1 и задаём параметры: Resistance R (Ohms) (сопротивление R в омах) 100, Capacitance C (F) (ёмкость С в фарадах) 1е-7. Для LEP2 задаём 100 Ом, все остальные параметры по умолчанию.

Добавляем измерительные трансформаторы тока: в окне Simulink Library Browser выбираем Measurements и к МТZ_APV2 добавляем (в количестве 3-х штук) блок Current Measurement. подписываем их TT1, TT2 и TT3 соответственно.

Вставляем узлы связи: из Elements Library добавляем 6 элементов под названием Neutral node 10. Подписываем узлы, кликнув узел 2 раза, и соединяем, как показано на Рис. 1. Соединяем выключатель с TT1.

Для имитации коротких замыканий нам нужен короткозамыкатель. Чтобы не загромождать схему, выполним его в виде блока (Рис. 3). Для этого возвращаемся к окну Simulink Library Browser, в левом окне в блоке Simulink выделяем блок Ports & Subsystems (порты и подсистемы) и в документ МТZ_APV2 перетаскиваем блок Subsystem (подсистема). В документе МТZ_APV2 заходим (щёлкнув 2 раза) в этот блок, выделяем всё, что там есть и удаляем, нажав на Delete. Возвращаемся в МТZ_APV2 и меняем форму блока Subsystem. Для этого выделяем его левой кнопкой, подводим стрелку к любому из углов и левой кнопкой тащим этот угол таким образом, чтобы блок подсистемы приобрёл вид как показано на Рис. 1. Подписываем блок. Из окна МТZ_APV2 копируем узел № 12, выключатель и заземление в подсистему KZ. Далее из библиотеки Simulink/Math Operations перетаскиваем объект Add (блок сложения/вычитания сигналов).

Рис. 3. Имитатор коротких замыканий в виде отдельного блока.

Из библиотеки Simulink/Sources перетаскиваем два объекта под названием Step. Один из этих объектов сделаем таймеров включения (KZ On), а другой таймером отключения короткого замыкания на линии LEP2 (KZ Off). Для этого 2 раза щёлкаем по KZ On и задаём Step time (время шага) равным 0.5 с, нажимаем OK. Для KZ Off Step time 1.3 с, Final value (конечная величина) -1. Далее выделяем оба таймера (через Shift) и нажав Ctrl кликаем по Add. Соединяем все остальные связи. Делаем надпись над схемой: щёлкаем два раза в пустое место над схемой и вводим название (см. Рис. 3). Блок KZ готов. Возвращаемся к окну МТZ_APV2. Из библиотеки Simulink/Ports & Subsystems перетаскиваем блок Atomic Subsystem (простая подсистема) и блок Subsystem. Atomic Subsystem переименовываем в MTZ (развёрнутый блок МТЗ показан на Рис. 4), Subsystem – в APV2.

Рис. 4. Блок МТЗ.

Открываем MTZ, из библиотеки Simulink/Ports & Subsystems перетаскиваем вход2 In1, подписываем входы и выходы как показано на Рис. 4. Из библиотеки SimPowerSystems/Extra Library/Discrete Measurements (дискретные измерения) добавляем блок Discrete RMS value (блок дискретного измерения среднеквадратической величины). Задаём его параметры: Fundamental frequency (Hz) (основная частота в герцах) 50. Из библиотеки Simulink/Logic and Bit Operations (логические и битовые операции) добавляем блок Compare To Constant (сравнение с константой). Задаём его параметры: Operator (математический оператор) >=, Constant value (значение константы) 20, Output data type mode (тип выходной величины) boolean. Из библиотеки SimPowerSystems/Extra Library/Discrete Control Blocks (дискретные блоки контроля) добавляем блок Discrete On/Off Delay (дискретная задержка по времени), подписываем его, как показано на Рис. 4. Далее открываем этот блок и вводим параметр: Time Delay (задержка по времени) 0.3 с. заходим в библиотеку Simulink Extras/Flip Flops (триггеры), перетаскиваем в MTZ триггер S-R Flip Flop. Открываем триггер и задаём параметр Initial condition (state of Q) равным 1. Устанавливаем все связи, как показано на Рис. 4. Блок МТЗ готов. Возвращаемся к окну МТZ_APV2, заходим в блок APV2 (Рис. 5).

Рис. 5. Блок АПВ 2-х кратного действия.

Подписываем входы и выходы. из библиотеки Simulink/Commonly Used Blocks (общие блоки) добавляем 4 блока под названием Logical Operator (логический оператор). 2 блока превращаем в логический оператор NOT (НЕ), 1 AND-блок превращаем в OR-блок (блок НЕ). Из этой же библиотеки добавляем блоки Unit Delay (задержка на указанный период), Bus Creator (база-собиратель) и Bus Selector (база-селектор). Открываем Unit Delay, задаём Sample time (время периода) 0.01. Открываем Bus Creator, ставим 1 в окне Number of inputs (число вводов). Копируем из блока MTZ блок MTZ Delay и вставляем в окно МТZ_APV2/APV2 в количестве 2-х штук; подписываем их. заходим в библиотеку Simulink Extras/Flip Flops, перетаскиваем в APV2 два S-R триггера. Из библиотеки SimPowerSystems/Extra Library/Control Blocks (блоки контроля) добавляем два блока под названием Monostable (генератор однократных прямоугольных импульсов). Настраиваем блоки: продолжительность импульса Pulse duration (s) задаём 0,15 с. Соединяем все блоки проводами. Открываем Bus Selector, в окне Selected signals удаляем ??? signal2, выделяем signal1 в окне Signals in the bus и нажимаем кнопку Select>> (выбор) затем ОК (Рис. 6). Копируем вместе с проводами две шины Bus Creator и Bus Selector и вставляем в окно МТZ_APV2. В этом окне соединяем все оставшиеся блоки. Заходим в библиотеку Simulink/Sinks и перетаскиваем осциллограф Floating Scope. Открываем осциллограф. В появившемся окне нажимаем кнопку Signal selection (выбор сигнала); выбираем ТТ1, нажимаем Close (закрыть). Щёлкаем правой кнопкой по чёрному экрану осциллографа и нажимаем Axes Properties… (свойства осей). В появившемся окне задаём: Y-min: -50, Y-max: 50. Возвращаемся к окну МТZ_APV2. Задаём время симуляции Simulation stop time 2 с (см. Рис. 7).

Рис. 6. Параметры блока Bus Selector.

Рис. 7. Задаём время симуляции.

В окне Library Browser заходим в SimPowerSystems и копируем блок powergui в МТZ_APV2. После вставки открываем этот блок, выбираем Discretize electrical model (дискретная электрическая модель), задаём Sample time (шаг квантования по времени) 0.0001 с, нажимаем Close. Правой кнопкой щёлкаем по блоку powergui и нажимаем Format (формат)  Show Name (показать имя). Кликаем правой кнопкой по пустому месту. В появившемся контекстном меню нажимаем Configuration Parameters… (параметры конфигурации…) В появившемся окне ставим галочку Automatically handle data transfers between tasks (автоматическое управление переносом информации между задачами), в окне с выпадающим списком под названием Solver (решение) выбираем discrete (no continuous states) (дискретное решение) и нажимаем ОК.