《基于MATLAB的35kV變電站短路故障仿真探究》7000字【論文】

基于MATLAB的35kV變電站短路故障仿真研究目錄摘要 ]。從古比雪夫到莫斯科修建了一條400kV的超高壓線路，以實(shí)現(xiàn)快速便捷的輸電。從那以后，美國和蘇聯(lián)相繼進(jìn)行了爭奪，將傳輸電壓水平從500kV增加到1000kV。同樣地，隨著輸電線電壓水平的提高，變電站也相應(yīng)的具有相應(yīng)的電壓水平[6]，變電站電壓水平的提高對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了更高的要求。數(shù)字化變電站和智能變電站技術(shù)的相應(yīng)發(fā)展，這些技術(shù)逐步應(yīng)用于35kV變電站，目前，即使在第三世界國家，尼日利亞上個(gè)世紀(jì)根據(jù)國家的需求，在變電站技術(shù)方面發(fā)展非常迅速[7]，35kV變電站一般設(shè)置在配電網(wǎng)的終端，許多生產(chǎn)廠家和高精度電子公司對(duì)電能質(zhì)量提出了更高的要求。對(duì)于電源質(zhì)量而言，電源可靠性的要求是要單個(gè)故障不能影響用戶整體的正常使用。第2章35kV變電站短路故障基本理論2.1小電流接地系統(tǒng)35kV變電站通常為小電流接地系統(tǒng)。對(duì)于小電流接地系統(tǒng)，中性點(diǎn)接地方式可細(xì)分為：中性點(diǎn)不接地、消弧線圈接地和電阻接地。對(duì)于大電流接地系統(tǒng)，這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)接地發(fā)生單相故障時(shí)，它實(shí)際上可以減小故障電流，故障點(diǎn)的電流不會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的電壓對(duì)稱性造成重大破壞，因此在發(fā)生短路的情況下，系統(tǒng)可以繼續(xù)工作[8]。根據(jù)中國國家電網(wǎng)公司配電網(wǎng)的規(guī)定，如果架空線出現(xiàn)單相接地短路，系統(tǒng)仍然可以運(yùn)行兩小時(shí)，我們必須在兩小時(shí)內(nèi)排除并處理這些故障[9]，我國配電系統(tǒng)大多采用裸鋁導(dǎo)線，極易受到外界環(huán)境的影響，如下雨時(shí)，劃傷電纜分支容易導(dǎo)致接地[10]，由于電桿一般沿線路布置，樹木和樹枝容易引起單相接地故障，總之，早期配電系統(tǒng)中的單相短路故障出現(xiàn)的頻率還是非常普遍的，所以系統(tǒng)中允許存在短期缺陷，可以避免因短期故障而跳閘，可以避免停電[11]。但是，在我國城市配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不斷發(fā)展之下，在大多數(shù)城市，能源分配系統(tǒng)和所有新線路都被電纜堵塞，甚至連航空公司也基本上被隔離，這從根本上消除了外部環(huán)境對(duì)線路運(yùn)行造成的干擾。降低因外部小干擾而引起的短期誤差。但是，當(dāng)發(fā)生單相故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生非常大的容量電流，導(dǎo)致系統(tǒng)中性點(diǎn)過電壓[12]。對(duì)于架空線路來說，不會(huì)產(chǎn)生太大的電容性電流，并且接地電壓的增加也不會(huì)對(duì)其線路產(chǎn)生重大的影響。但是，對(duì)于電纜線路的幾種情況，首先是接地電流過大，會(huì)導(dǎo)致過載，容易損壞設(shè)備的絕緣。因此，在配電系統(tǒng)中，接地故障期間產(chǎn)生的電容電流通常通過消弧線圈的接地類型或通過電阻器的接地類型來限制。根據(jù)國家有關(guān)變電站正常運(yùn)行的法律法規(guī)，35kV系統(tǒng)單相接地故障時(shí)，最大凝結(jié)電流不得超過12A，10kV系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地容量的最大電流不能超過20A。電纜在上海新建配電系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，因此在某些系統(tǒng)中，中性點(diǎn)可以直接接地[13]。在本文研究的35kV短路變電站的建模與仿真中，變電所35/10kV變壓器高壓側(cè)中性點(diǎn)未與大地相連，而10kV中性點(diǎn)通過電弧接地抑制線圈。2.2小電流接地故障種類及概率在本研究中，我們正在處理一個(gè)小電流接地系統(tǒng)，因此我們可以將故障類型劃分為故障四大類。1.具有最大損壞風(fēng)險(xiǎn)的三相短路（K（3））；2.最高頻率出現(xiàn)的單相接地短路（K（1））；3.兩相短路（K（2））；4.兩相接地短路（K（1,1））。在上述四種短路缺陷中，三相短路是發(fā)生概率最低、相對(duì)損傷最大的一種，故障電流很大，可能導(dǎo)致所有線路斷電。單相接地故障是電力系統(tǒng)運(yùn)行期間最常見的故障類型。根據(jù)中國國家電網(wǎng)公司近幾年發(fā)布的線路故障事故統(tǒng)計(jì)，單相接地故障約占總故障的比例高達(dá)67％。第3章基于MATLAB的35kV變電站短路故障仿真模型建立3.1MATLAB簡介為了對(duì)35kV變電站短路故障進(jìn)行建模和仿真，必須使用MATLAB軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，該軟件具有過程數(shù)學(xué)、故障診斷、故障診斷、故障診斷、故障診斷等多種特殊功能，MATLAB能夠成功地對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行廣泛的科學(xué)計(jì)算和技術(shù)操作，不僅功能強(qiáng)大、使用方便，而且采用了傳統(tǒng)的WINDOWS界面。（請(qǐng)參見圖1）。圖1MATLAB軟件操作界面無論是在學(xué)校教育還是在科研領(lǐng)域，MATLAB都深受廣大學(xué)生和科研人員的喜愛，在各個(gè)領(lǐng)域都有著眾多的用戶，正是因?yàn)樗诳蒲械脑S多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。MATLAB軟件本身隨附的程序語句函數(shù)包含超過610個(gè)可以直接調(diào)用的數(shù)學(xué)函數(shù)語句。在MATLAB軟件中，用戶不需要編寫每個(gè)數(shù)學(xué)計(jì)算過程的代碼，直接使用MATLAB軟件程序本身的指令功能，能夠很輕松地解決問題[14]。經(jīng)過這種方法是能夠有效的節(jié)省用戶大量的時(shí)間和精力，而無需在編程已知的數(shù)學(xué)計(jì)算上花費(fèi)大量的時(shí)間和人力，從而增加用戶更多的時(shí)間去思考怎樣解決問題。需要提及的是MATLAB軟件獨(dú)特的數(shù)據(jù)可視化功能。我們可以通過MATLAB軟件進(jìn)行可視化數(shù)據(jù)，從而使仿真的結(jié)果和計(jì)算的結(jié)果較為直觀，并在科學(xué)研究中提供高質(zhì)量的圖像顯示。在不同的領(lǐng)域，會(huì)有各種各樣的仿真軟件，有些復(fù)雜的仿真需要用多種仿真軟件進(jìn)行仿真才能達(dá)到預(yù)期的效果，MATLAB軟件可以將所有的內(nèi)部程序打包連接在一起，用戶可以直接選擇和調(diào)用，因此，許多專家為MATLAB編寫了各種程序工具箱，在MATLAB軟件中，大致可分為：主程序、工具箱和SIMULEINK，仿真控制采用MATLAB軟件SIMULEINK模塊[15]。SIMULINK模塊是一個(gè)圖形模塊仿真系統(tǒng)，用戶可以直接從系統(tǒng)中包含的圖形創(chuàng)建仿真模型，在現(xiàn)有的模型中，不僅可以為線性系統(tǒng)仿真設(shè)置參數(shù)，也可以實(shí)現(xiàn)線性系統(tǒng)的仿真，同時(shí)還可以為非線性系統(tǒng)仿真來設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。在對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)施的過程中，主要程序模塊和MATLAB軟件中的SIMULINK模塊主要用于對(duì)35kV變電站的短路故障進(jìn)行建模和仿真。M語言主要用來編寫主程序，M語言與其他編程語言有很大的不同，M語言只需要簡單的C語言基礎(chǔ)就可以掌握其語法。M語言是一種基于矩陣的語言模型，SIMULINK模塊通常用于各種仿真領(lǐng)域，在該模塊中，用戶只需設(shè)置仿真模塊和參數(shù)，就可以封裝許多實(shí)際的模型。您可以通過在命令窗口中鍵入命令直接打開模塊，也可以在新版本中創(chuàng)建模擬文件。SIMULINK模塊模擬與其他圖像模擬方法基本相同。首先，為搜索對(duì)象創(chuàng)建相應(yīng)的模擬模塊，然后根據(jù)要觀察的參數(shù)和性能，確定整個(gè)系統(tǒng)的輸入輸出形式；第二是根據(jù)自己的仿真過程設(shè)置參數(shù)，確定模型和參數(shù)后，通過運(yùn)行仿真文件得到仿真結(jié)果，在MATLAB軟件中可以將仿真結(jié)果顯示為數(shù)據(jù)或圖形，最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，在SIMULINK模塊的仿真文件中，可以快速修改各個(gè)部件的參數(shù)，得到仿真結(jié)果，這種交互功能可以讓用戶更快地比較各種參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響。3.2變壓器參數(shù)模塊在此設(shè)計(jì)過程中，35kv變電站短路故障建模和仿真用到的的電源選取的是三相電源，并且三相線電壓設(shè)置為35kv，A相的相角設(shè)為-90，頻率為50Hz，短路電平為100VA，基極電壓為37kv，電抗與電阻比10。（見圖2）圖2電源參數(shù)設(shè)計(jì)本圖主變壓器型號(hào)為35/10kV，采用“三相變壓器”。變壓器接線方式設(shè)置為Y/YN，其它參數(shù)可用其相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，變壓器電阻可以表示為：（1）電抗可以用以下公式表示：（2）漏感主要使用下面所述公式進(jìn)行表達(dá)：（3）勵(lì)磁電阻主要使用下面所述公式進(jìn)行表達(dá)：（4）勵(lì)磁電抗使用下面所述公式表達(dá)為:（5）因此，在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，其變壓器的頻率為50Hz，繞組1：電壓為35kv，R1為0.002，L1為0.08，繞組2：電壓為10kv，R2為0.002，L2為0.08，磁化電阻為0.5，磁化電感為1，連接方式設(shè)置為Y/Yn，參考圖3所示。（a）變壓器各參數(shù)（b）變壓器連接配置圖3變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)3.3線路參數(shù)模塊線路的選取是采用具有分布參數(shù)的傳輸線。設(shè)置線路相數(shù)為3相，頻率為50Hz，單位長度和阻力分別為0.17和0.23，單位長度的感應(yīng)量分別為1.2和5.48，單位長度電容分別為9.697和6，線路長度為15km，如圖4所示。圖4線路參數(shù)設(shè)計(jì)3.4故障模塊該模塊主要用于三相短路故障。在該系統(tǒng)中，該模塊可以用于異常或非異常階段，但也可以指定故障類型、錯(cuò)誤時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，相電壓為35kv，A相的相位角位-90，頻率位50Hz，三相電平為100VA，基極電壓為37kv，電抗與電阻比值為10，如圖5所示，該圖主要是以電力系統(tǒng)A相接地故障作為范例進(jìn)行演示。圖5故障參數(shù)設(shè)計(jì)3.5電壓電流測(cè)量模塊電壓測(cè)量模塊可以觀察接地電壓與電流，故障類型為單相接地，在當(dāng)前測(cè)量框選取yes，圖6所示為其設(shè)計(jì)參數(shù)方法。圖6故障參數(shù)設(shè)計(jì)3.6其他參數(shù)設(shè)計(jì)圖7是對(duì)35kV變電站的短路故障進(jìn)行建模和仿真而創(chuàng)建的仿真模型。在模擬文件中，不僅要根據(jù)搜索對(duì)象設(shè)置每個(gè)元素的參數(shù)，還要有整個(gè)仿真的執(zhí)行算法。不一樣的仿真模型文件必須使用不同的仿真算法。在35kV變電站的短路故障中使用MATLAB軟件進(jìn)行建模和仿真中，應(yīng)使用可變步長來快速獲得操作的結(jié)果，如圖7所示：圖7仿真算法參數(shù)設(shè)置3.7零序電流模塊零序保護(hù)主要用于線路接地故障保護(hù)，最典型的接地故障是單相接地。因此，本測(cè)試中的測(cè)試使用單相接地。根據(jù)測(cè)試元素和錯(cuò)誤類型的選擇，該測(cè)試由幾個(gè)子測(cè)試元素組成。3Io：每個(gè)段的零序列設(shè)置值。故障超時(shí)：從輸入故障到退出每個(gè)調(diào)查項(xiàng)目的時(shí)間。一般來說，應(yīng)確保保護(hù)裝置在此時(shí)間內(nèi)可以完成“跳閘→重合閘→永久跳閘”的整個(gè)過程。當(dāng)前調(diào)整乘數(shù)：每個(gè)段的零序調(diào)整值的測(cè)試乘數(shù)。倍數(shù)可以由用戶自由設(shè)置。錯(cuò)誤類型：可以設(shè)置每個(gè)段中必須測(cè)試的錯(cuò)誤類型以及每種錯(cuò)誤類型的錯(cuò)誤方向。設(shè)置逆流測(cè)試參數(shù)：0.8、0.95、1.05、1.2逆流測(cè)試用于分析各個(gè)級(jí)別的逆流保護(hù)的靈敏度和可靠性。I2：每個(gè)段的負(fù)序列值。故障超時(shí)：從輸入故障到退出每個(gè)調(diào)查項(xiàng)目的時(shí)間。通常，應(yīng)確保保護(hù)裝置在此時(shí)間內(nèi)可以完成“跳閘→重合閘→永久跳閘”的整個(gè)過程。當(dāng)前調(diào)整乘數(shù)：每個(gè)部分的負(fù)序調(diào)整值的測(cè)試乘數(shù)。倍數(shù)可以由用戶自由設(shè)置。錯(cuò)誤類型：必須在每個(gè)段中測(cè)試的錯(cuò)誤類型。不同廠家生產(chǎn)的微機(jī)繼電保護(hù)測(cè)試儀的測(cè)試方法相似。電工必須熟悉參數(shù)設(shè)置方法才能達(dá)到測(cè)試精度。3.8總仿真圖在本設(shè)計(jì)中，主要程序模塊和MATLAB軟件中的SIMULINK模塊主要用于對(duì)35kV變電站的短路故障進(jìn)行建模和仿真。該模塊中已經(jīng)封裝了許多針對(duì)用戶的實(shí)用模型，所有用戶需要做的就是創(chuàng)建仿真模塊并設(shè)置參數(shù)。選擇電源參數(shù)模塊、變壓器參數(shù)模塊、線路參數(shù)模塊、故障模塊和電壓電流測(cè)量模塊等，并將它們按順序鏈接在一起，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，通過對(duì)故障模塊設(shè)置A相短路來進(jìn)行運(yùn)行查看形成的波形圖即可獲得結(jié)果。整個(gè)仿真圖如圖8所示：圖8總仿真圖設(shè)計(jì)

第4章基于MATLAB的電力系統(tǒng)單相短路仿真短路故障設(shè)置為A相短路，對(duì)其進(jìn)行仿真。點(diǎn)擊“啟動(dòng)模擬”按鈕來模擬單相接地短路過程。圖9單相接地短路故障線路電壓電流波形圖10單相接地短路故障非故障線路電壓電流的波形圖故障模塊不運(yùn)行的時(shí)間為0.02S。從圖9可以看出，A相故障的相電壓為0，非故障的兩相線的相電壓上升到線電壓。從圖10可以看出，由于A相故障相電流不短路，電流變化不大，非故障線路上的電流不上下浮動(dòng)，因此在單相短路的情況下，不能用電壓和電流來判斷缺陷，圖11和圖12顯示了短路發(fā)生時(shí)故障線路和非故障線路的零序分量波形圖。圖11單相接地短路故障線路零序電流波形圖12單相接地短路故障非故障線路的零序電流波形圖從圖11可以看到故障線路上的零序電流大小為4.5A，從圖12可以看出非故障線路的零序電流的值僅僅為0.7A。所以，可以從波形圖上快速判斷出缺陷線，從而可以快速地識(shí)別缺陷線。同時(shí)，可以從零序電流波形中找出故障線，同時(shí)也可以判斷出線路中零序電流的大小和方向。從圖11可以看出，零序電流的故障線初始值為正數(shù)，從圖12可以看出，不是故障線的初始值為負(fù)數(shù)。因此，可以根據(jù)零序電流的大小和方向來判斷故障線路，以達(dá)到快速隔離的目的。第5章結(jié)論本文研究了35kV變電站短路故障的建模與仿真。首先，介紹了電網(wǎng)故障的危害。其次，對(duì)35kV變電所電氣元件的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了分析，然后對(duì)35kV變電所的配電網(wǎng)進(jìn)行了建模，采用MATLAB軟件進(jìn)行建模，變壓器的一次側(cè)不接地，利用仿真結(jié)果對(duì)故障線路進(jìn)行評(píng)估，觀察故障前后三相電流、三相電壓和零序電流的變化。對(duì)本文的工作進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)今后35kV變電站的短路缺陷進(jìn)行了分析。在設(shè)計(jì)初期，我感覺我電力系統(tǒng)分析學(xué)習(xí)的還是相對(duì)較好的，才選擇了這個(gè)方向。我認(rèn)為，在35kV變電站中對(duì)短路故障進(jìn)行建模和仿真需要對(duì)電力系統(tǒng)的理論知識(shí)有一定的了解。當(dāng)對(duì)MATLAB有了足夠的了解后，建模和仿真就不會(huì)消耗太多的精力和時(shí)間。但是當(dāng)我開始進(jìn)行論文仿真的時(shí)候，我發(fā)現(xiàn)并沒有想象中的那么簡單，這是因?yàn)槲业牟粔蛑匾暫蛯?duì)MATLAB了解的比較薄弱導(dǎo)致在設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)一些困難。通過MATLAB進(jìn)行仿真可以有力地解決變電站實(shí)際運(yùn)行中遇到的一些問題。因此，在設(shè)計(jì)開始之前，我選擇了在日常生活中常見的短路故障來進(jìn)行仿真。從這次的仿真過程中我學(xué)到了很多的知識(shí)，豐富了很多電力系統(tǒng)上的知識(shí)。本次設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真并不是最終的目的，利用這些仿真過程中的思想解決問題才是真正的目的。同時(shí)，在老師的細(xì)心指導(dǎo)和不斷的幫助下，這次設(shè)計(jì)的35kV變電站短路故障的建模和仿真中經(jīng)過一次次的修改和確認(rèn)已經(jīng)滿足了預(yù)期的目標(biāo)和要求?？墒牵覍?duì)35kV變電站的了解的還微乎其微，并且對(duì)其文獻(xiàn)的查閱能力和仿真能力并不是很高，此外，給出的時(shí)間并不是很長，因此，在此設(shè)計(jì)35kV變電站的建模和仿真上，還是存在很大的改進(jìn)空間和提升的。參考文獻(xiàn)[1]曹煒,高博宇,黃阮明等.考慮開斷順序的斷路器支路短路電流計(jì)算[J].水電能源科學(xué),2021,39(03):180～184.[2]武海燕,張愛軍,劉石川等.內(nèi)蒙古電網(wǎng)短路電流水平分析及限制措施研究[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù),2021,39(01):14～20.[3]劉石川,慕騰,閆桂紅等.特高壓網(wǎng)架背景下內(nèi)蒙古電網(wǎng)限制短路電流措施研究[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù),2021,39(01):37～41.[4]孫汝楊.高速鐵路全電纜電力貫通線相關(guān)研究[J].電氣化鐵道,2021,32(01):29～32+36.[5]尚筱雅,李瑞,劉美華等.基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的電力系統(tǒng)架空線路故障