基于MATLABSimulink電力系統(tǒng)短路故障分析與仿真

1、 基于MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)短路故障分析與仿真摘要：MATLAB有強大的運算繪圖能力，給用戶提供了各種領域的工具箱，而且編程語法簡單易學。論文對電力系統(tǒng)的短路故障做了簡要介紹并對短路故障的過程進行了理論分析和MATLAB軟件在電力系統(tǒng)中的應用，介紹了MatlabSimulink的基本特點及利用MATLAB進行電力系統(tǒng)仿真分析的基本方法和步驟。在仿真平臺上，以單機無窮大系統(tǒng)為建模對象，通過選擇模塊，參數(shù)設置，以及連線，對電力系統(tǒng)的多種故障進行仿真分析。關鍵詞：MATLAB、短路故障、仿真、電力系統(tǒng)Abstract：MATLAB has powerful operation abi

2、lity to draw, toolkit provides users with a variety of fields, and easy to learn programming grammar. Paper to give a brief introduction of fault of the power system and the process of fault are analyzed in theory and the application of MATLAB software in power system, this paper introduces the basi

3、c characteristics of MATLAB/Simulink and MATLAB power system simulation analysis of the basic methods and steps. On the simulation platform, with single - infinity system for modeling object, by selecting module, parameter Settings, as well as the attachment, a variety of fault simulation analysis o

4、f power system.Keyword:MATLAB;Fault analysis;Simulation;Power System;引言4第一章： 課程設計任務書41.1設計目的：41.2原始資料：41.3設計內(nèi)容及要求：5第二章：電力系統(tǒng)短路故障仿真分析62.1元件參數(shù)標幺值計算：62.2等值電路:11第三章 ：電力系統(tǒng)仿真模型的構建123.1MATLAB簡介:123.2電力元件設計:123.2.1 三相電源:123.2.2 變壓器元件:143.2.3輸電線路:153.3電力系統(tǒng)模型的搭建:16第四章：模型仿真運行224.1建立仿真模型：224.2 仿真結果與分析：23第五章: 總結2

5、7參考文獻27附錄：Simulink仿真模型28引言 隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電力系統(tǒng)規(guī)劃、運行和控制的復雜性亦日益增加，電力系統(tǒng)的生產(chǎn)和研究中仿真軟件的應用也越來越廣泛?，F(xiàn)在，我們主要使用的電力系統(tǒng)仿真軟件有：EMTP程序，用于電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)計算，電力系統(tǒng)暫態(tài)過電壓分析，暫態(tài)保護裝置的綜合選擇等。PSCADEMTDC程序，典型應用是計算電力系統(tǒng)遭受擾動或參數(shù)變化時，參數(shù)隨時間變化的規(guī)律。PSASP，其功能主要有穩(wěn)態(tài)分析、故障分析和機電暫態(tài)分析。 還有MathWorks公司開發(fā)的MATLAB軟件。在MATLAB中，電力系統(tǒng)模型可以在Simulink環(huán)境下直接搭建，也可以進行封裝和自定義模塊庫，充

6、分顯現(xiàn)了其仿真平臺的優(yōu)越性。更重要的是，MATLAB提供了豐富的工具箱資源，以及大量的實用模塊，使我們可以更加深入地研究電力系統(tǒng)的行為特性。第一章： 課程設計任務書1.1設計目的：本課程設計是高校工科電氣類相關專業(yè)的一門專業(yè)實踐課。其目的是：1進一步提高收集資料、專業(yè)制圖、綜述撰寫能力；2通過設計掌握基本專業(yè)理論、專業(yè)知識、工程計算方法、工程應用能力及基本設計能力；3培養(yǎng)理論設計與實際應用相結合的能力，開發(fā)獨立思維和見解的能力；4培養(yǎng)獨立分析和尋求并解決工程實際問題的工作能力； 5為畢業(yè)設計和實際工作打下堅實的基礎。1.2原始資料：取基值S=120MV.A，V=V，各發(fā)電機電壓標幺值E1=1.

7、0，對于線路：=0.4，對于負載：，所需變壓器及線路參數(shù)如圖2所示已給出。圖1. 電力系統(tǒng)接線示意圖1.3設計內(nèi)容及要求：（1）. 手工計算系統(tǒng)模型中各元件的參數(shù)標幺值；（2）. 畫出系統(tǒng)等值簡化電路圖（數(shù)學模型）；（3）. 利用MATLAB/SimPowerSystems工具箱，選擇相關元件放置在合適的位置并按設計要求設置相關參數(shù)，然后連線構建成完整的系統(tǒng)不同短路故障仿真模型；（4）. 加入測量元件并設置不同節(jié)點不同類型的短路，有效設置好仿真參數(shù)后， 選擇合適的仿真步長算法，然后運行系統(tǒng)電路，獲得短路電流仿真計算結果表（即對12個節(jié)點所有短路類型的短路電流列表），記錄并詳細分析仿真結果；用M

8、atlab中Simulink組件的SimPowerSystems工具箱構建設計要求所給的電力系統(tǒng)模型，再在12個不同的母線上設置單相單路、兩相短路、兩相接地短路、三相短路，然后分別運行該系統(tǒng)，通過測量元件獲得各個母線不同短路類型的短路電流。（5）. 利用Matlab所提供的工具，設計電力系統(tǒng)短路故障仿真GUI圖形用戶界面，通過組件的設置，回調函數(shù)的編寫以及最后的運行，把系統(tǒng)模型與圖形界面聯(lián)系起來，有利于故障類型的選擇和波形的查看。（選擇其中某12個節(jié)點設計其不同短路類型的GUI波形界面即可）（6）.撰寫課程設計說明書。注：上述3、4兩步如直接通過MATLAB編寫m程序并調試運行獲得短路電流計算

9、結果也可以。第二章：電力系統(tǒng)短路故障仿真分析2.1元件參數(shù)標幺值計算：取基值S=120MV.A，V=V，各發(fā)電機電壓標幺值E1=1.0，對于線路：=0.4，對于負載：，所需變壓器及線路參數(shù)如圖2所示已給出。 負載標幺值：，發(fā)電機電壓標幺值：E1=1.0變壓器標幺值：YN,d11 1*16MWV.A: YN,d11 2*20MWV.A: YN，d11 4*63MWV.A: YN,d11 2*16MWV.A: YN, Y,d11.2*10MV.A: YN,d11 63MWV.A: YN,d11 2*10MWV.A:線路標幺值： =0.4，40(36,34,32)km: 40(36,34,32)km

10、: 40(36,34,32)km: 140(130,120,100)km: 140(130,120,100)km: 140(130,120,100)km: 80(75,70,62)km: 80(75,70,62)km: 80(75,70,62)km: 70(75,65,60)km: 70(75,65,60)km: 70(75,65,60)km: 30(28,25,20)km: 30(28,25,20)km: 30(28,25,20)km: 2.2等值電路:第3章 ：電力系統(tǒng)仿真模型的構建 基于MATLAB/Simulink的電力系統(tǒng)仿真模型的構建。在Matlab的SimPowerSystems

11、工具箱中利用相關的電力元件搭建仿真模型并運行系統(tǒng)，設置短路點得出訪真結果。3.1MATLAB簡介:MATLAB有強大的運算繪圖能力，給用戶提供了各種領域的工具箱，而且編程語法簡單易學。下面簡單介紹一下一些工具箱。Simulink基本庫，為用戶提供了多種基本模塊。它有兩個顯著功能，即仿真與連接，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真的一個集成環(huán)境。PSB(PowerSystemBlock)電力系統(tǒng)模塊庫，涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動和電力系統(tǒng)等電工學科中常用的基本元件和系統(tǒng)的仿真模型，為電力研究者帶來了更大的便利。它由以下8個子模塊庫組成：電源模塊庫(Electrical Sources)；基本元件模塊庫(

12、Elements)；電力電子模塊庫(Power Electronics)；電機模塊庫(Machines)；連接模塊庫(Connectors)；測量模塊庫(Measurements)；附加模塊(Extra Library)；電力圖形用戶接口(Powergui)。GUI（用戶圖形界面）是程序的圖形化界面。組件、圖象窗口以及回應是創(chuàng)建界面所必須的三個基本元素。它提供用戶一個常見的界面，以及一些控件，例如，按鈕，列表框，菜單等。通常，還可以通過編程來實現(xiàn)多種功3.2電力元件設計:3.2.1 三相電源:1. 元件模型三相電源(3-Phase Source)元件的模型如圖3-1 所示。圖3-1. 三相電源

13、2. 功能說明三相電源是電路設計中常見的電路元件。三相電源是電路中最重要的元件，它的運行特性對電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)起決定性的影響。三相電源元件提供了帶有串聯(lián)RL 支路的三相電源。3. 參數(shù)設置雙擊三相電源元件，則彈出三相電源參數(shù)設置對話框，如圖3-2所示。在三相電源參數(shù)設置對話框中包括兩個區(qū)域，分別是三相電源說明和參數(shù)區(qū)域。圖3-2. 三相電源參數(shù)設置對話框參數(shù):參數(shù)中包含7 個選項，分別是相電壓(Phase-to-phase rms voltage)、A 相相角(Phaseangle of phase A)、頻率(Frequency)、內(nèi)部連接方式(Internal connection)、短

14、路阻抗值 (Specify impedance using short-circuit level)、三相電源電阻(Source resistance)和三相電源電感(Source inductance)選項。 相電壓(Phase-to-phase rms voltage)相電壓表征的是三相電源A 相、B 相和C 相的相電壓。相電壓的單位是伏(V)，本次仿真計算選擇相電壓為10KV。 頻率(Frequency)頻率選項表示三相電源的電源頻率值。頻率的單位是赫茲(Hz)。本次仿真計算選擇50Hz。A 相相角(Phaseangle of phase A)A 相相角表示的是三相電源A 相的相位角。A

15、 相相角的單位是度( °)。例如，A相相角是10°，則根據(jù)三相電源的相角特征得出B 相相角是110°，而B 相相角是130°，本次仿真計算中選A相相角為0.內(nèi)部連接方式(Internal connection)內(nèi)部連接方式表征的是三相電源的內(nèi)部連接方式，如圖3-3 所示。圖3-3. 內(nèi)部連接方式內(nèi)部連接方式有3 種，分別是：Y 型：表示三相電源Y 型連接，中性點不接地。Yn 型：表示三相電源Y 型連接，中性點接過渡電阻或者消弧線圈接地.Yg 型：表示三相電源Y 型連接：中性點直接接地。 JU本次仿真計算中內(nèi)部連接選擇Y型連接。 三相電源電感(Source

16、 inductance)三相電源電感表示的是三相電源的電感值。三相電源電感的單位是H。短路阻抗值 (Specify impedance using short-circuit level)短路阻抗值選項用來設定在短路情況下的阻抗數(shù)值。本次仿真計算短路阻抗根據(jù)系統(tǒng)所給的參數(shù)選擇。3.2.2 變壓器元件:在電力系統(tǒng)電路中，變壓器元件用來實現(xiàn)各種電路中的變壓器。在變壓器元件中包括 6 種元件，在本次仿真計算中采用三相變壓器（雙繞組）元件及三相變壓器（三繞組）元件。 1、元件模型，如圖3-4所示。圖3-4.三相變壓器（雙繞組）元件及三相變壓器（三繞組）元件2 、參數(shù)設置雙擊三相變壓器（雙繞組）元件及三

17、相變壓器（三繞組）元件，則彈出參數(shù)設置對話框，如圖3-5所示。在三相電源參數(shù)設置對話框中包括兩個區(qū)域，分別是三相電源說明和參數(shù)區(qū)域。 圖3-5 三相變壓器（雙繞組）元件及三相變壓器（三繞組）元件參數(shù):參數(shù)包含3個選項，分別是變壓器容量及頻率（Nomianl Power and frequency）,兩(三)個繞組電壓、電阻、電感（Winding parameters）, 各相繞組內(nèi)部連接方式(Internal connection)3.2.3輸電線路:輸電線路有兩種包括雙回線和單回線：1、元件模型，如圖3-6所示圖3-6. 輸電線路元件2、 參數(shù)設置雙擊三相輸電線路元件，在三相輸電線路元件對話

18、框中進行設置，如圖3-7所示。 圖3-7.三相輸電線路元件參數(shù)設置選項框 參數(shù):在輸電線路元件對話框中包含 5 種選項，分別是頻率(Frequency used for RLC specification)、正序阻抗和零序阻抗(Positive and zero sequence resistances)選項、正序電感和零序電感(Positive and zero sequence inductances)選項、正序電容和零序電容 (Positive and zero sequence capacitances)選項和線路長度(Line section length)選項。 頻率 (Frequ

19、ency used for RLC specification頻率選項用來設置三相型輸電線路元件的頻率，用來計算參數(shù)。 正序阻抗和零序阻抗 (Positive and zero sequence resistances)正序阻抗和零序阻抗選項用來設置三相型輸電線路元件的正序阻抗和零序阻抗。 正序電感和零序電感 (Positive and zero sequence inductances)正序電感和零序電感選項用來設置三相型輸電線路元件的正序電感和零序電感。 正序電容和零序電容 (Positive and zero sequence capacitances)正序電容和零序電容選項用來設置三相

20、型輸電線路元件的正序電容和零序電容。 線路長度 (Line section length)線路長度選項用來設置三相型輸電線路元件的輸電線長度。3.3電力系統(tǒng)模型的搭建:一、從電源元件庫選擇三相電源(3-Phase Source)元件，復制后粘貼在電路圖中。步驟：將交流電流源元件依次編號G1、G2、G14。 步驟：雙擊交流電流源元件，在交流電流源元件參數(shù)對話框中如下設置： 初始相位(Phase)：0頻率(Frequency)：50內(nèi)部連接方式（internal connection）:Y測量(Measurements)選項：選擇不測量峰值振幅(Peak Amplitude)：10KV 單擊 OK

21、按鈕完成對三相電源(3-Phase Source)元件的設置。 二、從線路元件(Elements)庫中選擇變壓器（雙繞組及三繞組）元件，復制后粘貼在電路圖中。步驟：將交流變壓器元件依次編號。 步驟：雙擊變壓器元件，在變壓器元件參數(shù)對話框中如下設置： 容量（Nominal）:根據(jù)系統(tǒng)選擇頻率(Frequency)：50各繞組參數(shù)設置：根據(jù)系統(tǒng)選擇雙繞組內(nèi)部連接方式（internal connection）:Yn(ABC) D11(abc)三繞組內(nèi)部連接方式（internal connection） ：Yn(ABC)Y(a2b2c2)D11(a3b3c3)測量(Measurements)選項：選擇

22、不測量 單擊 OK按鈕完成對變壓器元件的設置。 三、從線路元件(Elements)庫中選擇輸電線路（雙回線型及單回線型）元件，復制后粘貼在電路圖中。步驟：將輸電線路元件元件依次編號線路的長度。 步驟：雙擊輸電線路元件，在輸電線路元件參數(shù)對話框中如下設置：頻率(Frequency)：50單位長度阻抗（Resistance per unit length）：0.01273 0.3864單位長度電感(Inductance per unit length )：0.9337e-3 4.1264e-3單位長度電容(Capacitance per unit length )：12.74e-97.751e-9

23、線路長度：根據(jù)系統(tǒng)不同決定在本例中，三相型輸電線路元件的參數(shù)如下設置： 頻率：50正序阻抗和零序阻抗：0.012730.3684正序電感和零序電感：0.9337e-34.1264e-3正序電容和零序電容：12.74e-97.751e-9線路長度(Line Length)：根據(jù)系統(tǒng)選擇測量(Measurements)選項：選擇不測量 四、 下面對測量元件進行設計。從電路測量儀器(Measurements)庫中選擇電流計(Current Measurement)元件，復制后粘貼在電路圖中。 將電壓計元件名稱改為 I，表示對電源電壓進行測量。雙擊電壓計元件，在彈出的電壓計參數(shù)設置對話框中看到，輸出的

24、信號為電流幅值。五、選擇接地(Ground)元件、節(jié)點等，進行合理放置，如圖 3-8 所示（陰影部分表示含有子系統(tǒng)）。圖 3-8 系統(tǒng)所需的各元件各子系統(tǒng)詳細連圖4*15MW發(fā)電機子系統(tǒng)如圖2-9所示圖3-9. 4*15MW發(fā)電機子系統(tǒng)2*20MW三相雙繞組變壓器如圖2-10所示圖3-10. 2*20MW三相雙繞組變壓器子系統(tǒng)4*63MW三相雙繞組變壓器如圖2-11所示圖3-11. 4*63MW三相雙繞組變壓器子系統(tǒng)3*12MW發(fā)電機子系統(tǒng)如圖2-12所示圖3-12 .3*12MW發(fā)電機子系統(tǒng)63MW發(fā)電機變壓器子系統(tǒng)如圖2-13所示圖3-13 .63MW發(fā)電機變壓器子系統(tǒng)2*10MW三相雙繞

25、組變壓器子系統(tǒng)如圖3-14所示圖3-14 2*10MW三相雙繞組變壓器子系統(tǒng)2*25MW發(fā)電機子系統(tǒng)如圖3-15所示圖3-15. 2*25MW發(fā)電機子系統(tǒng)第四章：模型仿真運行4.1建立仿真模型： 圖4-1.系統(tǒng)仿真模型 圖中，短路故障是用三相故障元件來模擬的，在該模塊的參數(shù)設置中選擇A項以及接地故障(Ground Fault)，并將故障電阻和接地電阻都設為0.001（很小，但不能為零）。故障時間段可通過Transition times來安排故障起始時間和切除時間分別為0.13和0.25。其余模塊的參數(shù)設置都要根據(jù)系統(tǒng)要求進行適當修改，在此不再作過多敘述。對上述模型進行仿真前，需要選擇仿真步長的

26、算法，由于電力系統(tǒng)是帶發(fā)電機的剛性系統(tǒng)，因此算法ode15s，ode23tb適合采用，仿真停止時間設定為0.4秒。經(jīng)過一系列選擇，設置后，就可以對系統(tǒng)開始仿真了。 其余三種短路故障的模型與圖4相同，唯一需要修改的地方則是三相故障元件的設置。當要對兩相（假設B、C兩相）短路故障進行仿真時，只需選擇B相和C相，此時接地電阻默認值為10E6歐姆；兩相短路接地故障需在兩相短路故障設置的基礎上多加一個接地選項，并將接地電阻設置為0.001；三相短路故障的設置就是將A、B、C三相全部選中。斷線故障是用三相斷路器來模擬的，斷路器的初始狀態(tài)設為閉合，某相發(fā)生斷線故障時就選擇改變與該相相連的斷路器狀態(tài)，使之打開

27、。4.2 仿真結果與分析： 本文以node1為例介紹仿真結果并對各個故障進行分析，測量A相接地短路時A、B、C相電壓電流；A、B兩相短路時A、B、C各相電壓電流；A、B兩相接地短路時各相電壓電流；A、B、C三相短路時各相電壓電流，并對其進行分析。圖4-2.A相接地短路時故障點電壓電流波形 由圖4-2所示的波形可以發(fā)現(xiàn)，仿真開始時，系統(tǒng)工作在穩(wěn)定狀態(tài)，三相電壓、電流對稱，都按正弦波變化，當A相013 8接地短路時，A相對地電壓劇降為零，B，C兩非故障相電壓基本沒有發(fā)生變化；再觀察電流，在故障發(fā)生前，三相的對地電流都為0，單相接地短路以后，A相電流迅速增大為短路電流，占相和C相電流則保持原樣故障后

28、三相電壓、電流不再對稱，說明單相接地短路為不對稱短路故障切除后。三相電壓電流經(jīng)暫態(tài)后達到新的穩(wěn)定狀態(tài)圖4-3 .A、B兩相短路時故障點電壓電流波形圖4-4 A、B兩相接地短路時故障點電壓電流波形圖4-5 A、B、C三相短路時故障點電壓電流波形 改變A相接地短路元件參數(shù)為三相短路，得到線路三相短路時故障點的電壓、電流波形，如圖4-5所示。故障之前，系統(tǒng)工作在穩(wěn)定狀態(tài)，三相電壓、電流對稱，在013 S時發(fā)生三相短路，三相電壓為O V，三相電流迅速上升為短路電流，并保持為三相對稱，說明三相短路為對稱性短路。故障切除后，三相電壓電流最終達到新的穩(wěn)態(tài)，并重新恢復三相對稱運行的工作狀態(tài)。 以上仿真分析結果

29、符合實際，且兩相短路、兩相短路接地的波形圖經(jīng)理論分析也均符合實際。分別對node1node2的不同短路類型進行跟蹤測量，可得到相對應的短路電流。列表如下: 短路類型 節(jié)點編號單相短路（KA）兩相短路(KA)兩相短路接地(KA)三相短路(KA)node10.380.400.350.48node22.793.253.222.43node33.255.466.466.23node41.791.531.521.72node516.5513.4619.2726.62node64.937.864.964.88node72.453.933.224.46node85.494.176.165.15node92.463.954.434.84node101.231.491.481.57node110.830.750.930.69node120.290.570.560.43第五章: 總結 本論文介紹了電力系統(tǒng)