基于MATLAB的电力系统短路故障的仿真报告

电力系统建模及仿真课程设计总结报告课题名称 基于MATLAB的电力系统短路故障的仿真与分析 姓 名 学 号 院 系 班 级 指导教师 摘 要基于Matlab最重要的组件之一Simulink中的电力元件库（SimPowerSystems）构建电力系统仿真模型，在Matlab的平台下仿真电力系统为工程设计和维修提供依据重要的依据，同时也为电力研究带来大大的便利，利用Simulink中的画图工具搭建电力系统模型也是进行电力系统故障分析的常用方法，它让电力研究者从大量繁琐的理论分析及复杂的矩阵计算中解脱出来，让庞大的电力系统很直观的呈现在研究者的面前，从而将庞大的电力网搬进了办公室，为研究带来了巨大的便利。简要介绍了电力系统模型和MATLAB/ SIMULINK中SimPowerSystems (电力系统元件库) 的主要功能. SimPowerSystems 是专门为电力系统设计的仿真分析软件,在对其基本元件进行介绍后,在仿真平台上,通过对一个简单的电力系统输电线路的短路故障进行设计、仿真、分析,得到了理想的仿真效果.关键词： Matlab SimPowerSystems 短路电流计算 仿真Simulation and Analysis of Power System Short Circuit FaultBased on MatlabAbstract: The article describes the basic characteristics of Matlab /Simulink and the basic method and process of applying Matlab in the simulation of power system. Matlab SimPowerSystems Block set is used to build a model of single-machine infinity-bus system and simulate various fault of power system. The results show that the simulation waveform is in line with theoretical analysis and Matlab is a valid tool for the simulation of power system fault. By the contrast and analysis of different short circuit faults, we can obtain a result that the three-phase short circuit fault is the worst situation in the faults of power system. So this situation should be avoided as far as possible in manufacture. Also, by the contrast and analysis of the fault resolution time, we know that clearing the short circuit fault on a minimal time is one way to guarantee the power system running regularly and reduce the loss.摘 要21 引言42 电力系统模型4短路产生的原因有很多，主要有以下几个方面：5短路的危害5短路故障分析的内容和目的63 电力系统仿真模型的建立与分析63.1 电力系统仿真模型73.2 仿真参数设置83.3 仿真结果分析113.3.1A.B.C三相短路113.3.2 A相接地短路133.3.3 A,B两相短路163.3.4 A,B 两相接地短路194 结论225 参考文献226 心得体会231 引言为了保证电力系统运行的功能和质量，在设计、分析和研究时必须保证系统的静态和动态特性。现代电力系统是一个超高压、大容量和跨区域的巨大的联合系统，电力系统事故具有突发性强、维持时间短、复杂程度高、破坏力大的特点，因而使得事后对故障原因分析、查找变得尤其困难。由于在实际系统上进行试验和研究比较困难，因此借助各种电力系统动态仿真软件电力系统的设计和研究已成为有效途径之一。电力系统仿真软件有很多，当今比较流行的主要有EMTP(Electromagnetic Transients Program)仿真程序，美国电力公司(PTI)开发的PSS/E(Power System Simulator for Engineering)，MathWorks公司开发的Matlab中所包含的电力系统工具箱(Power System Toolbox)，以及中国电力科学研究院开发的仿真软件PSASP(Power System Analysis Software Package)。由于Matlab具有很良好的开发性、高效的数据仿真分析,特别是信号处理和直观的图形显示功能,且Matlab/Simulink环境下的PSB模型库及Simulink强大的二次开发功能和丰富的工具箱,能快速而准确地对电路及更复杂的电气系统进行仿真、计算。因此，它已成为电力科研工作者和工程技术人员应用它来进行电力系统有关问题的仿真分析和辅助设计的理想工具。12 电力系统模型电力系统中输送和分配电能的部分称为电力网,它包括升降压变压器和各种电压等级的输电线路4 . 动力系统、电力系统和电力网简单示意如图图1-1 动力系统、电力系统和电力网示意图电力系统的运行经验表明，在各种类型的短路中，单相短路占大多数，两相短路较少，三相短路的机会最少。所以我们应对单相短路引起足够的重视，对单相短路的研究是有其重要意义的，所以本章重点就是研究单相短路故障在MATLAB中的运用和分析。短路产生的原因有很多，主要有以下几个方面：（1）.元件损坏例如绝缘材料的自然老化，设计，安装维护不良所带来的设备缺陷发展成短路等，(2).气象条件恶化例如雷击造成的闪络放电或避雷器动作，架空线路由于大风或导线覆冰引起电杆倒塌(3）. 违规操作，例如运行人员带负荷拉刀闸，线路或设备检修后未拆除接地线就加上电压等；(4). 其他，例如挖沟损伤电缆，鸟兽跨接在裸露的载流部分等。短路的危害随着短路类型、发生地点和持续时间的不同，短路的后果可能只破坏局部地区的正常供电，也可能威胁整个系统的安全运行。短路的危险后果一般有以下的几个方面：（1）.短路故障使短路点附近的支路中出现比正常值大许多倍的电流，由于短路电流的电动力效应，导体间将产生很大的机械应力，可能使导体和它们的支架遭到破坏。（2）短路电流使设备发热增加，短路持续时间较长时，设备可能过热以致损坏。（3）. 短路时系统电压大幅度下降，对用户影响很大。系统中最主要的电力负荷是异步电动机，它的电磁转矩同端电压的平方成正比，电压下降时，电动机的电磁转矩显著减小，转速随之下降。当电压大幅度下降时，电动机甚至可能停转，造成产品报废，设备损坏等严重后果。（4）.当短路发生地点离电源不远而持续时间又较长时，并列运行的发电厂可能失去同步，破坏系统稳定，造成大片地区停电。这是短路故障的最严重后果。（5）.发生不对称短路时，不平衡电流能产生足够的磁通在邻近的电路内感应出很大的电动势，这对于架设在高压电力线路附近的通讯线路或铁道讯号系统等会产生严重的影响。短路故障分析的内容和目的短路故障分析的主要内容包括故障后电流的计算、短路容量的计算、故障后系统中各点电压的计算以及其他的一些分析和计算，如故障时线路电流与电压之间的相位关系等。短路电流计算与分析的主要目的在于应用这些计算结果进行继电保护设计和整定值计算，开关电器、串联电抗器、母线、绝缘子等电气设备的设计，制定限制短路电流的措施和稳定性分析等。3 电力系统仿真模型的建立与分析在三相电力系统中,可能发生的短路有:三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路.本文拟定仿真的电力系统中,使用理想三相电压源(3 - Phase Source) 作为电路的供给电源,电压源为Y型连接,中性点不接地;使用分布参数输电线Line1 和Line2 的参数设置相同,Line2 末端为中性点接地; 使用三相短路故障发生器( 32Phase Fault) 进行不同类型短路的设置.(1) 从电源元件库选择三相电源(3-Phase Source)元件，复制后粘贴在电路图中。双击交流电流源元件，在交流电流源元件参数对话框中如下设置：峰值振幅(Peak Amplitude)：110KV 初始相位(Phase)：0 频率(Frequency)：50 内部连接方式（internal connection）:Y测量(Measurements)选项：选择不测量 单击 OK按钮完成对三相电源(3-Phase Source)元件的设置。 (2)从线路元件(Elements)库中选择变压器（双绕组及三绕组）元件，复制后粘贴在电路图中。双击变压器元件，在变压器元件参数对话框中如下设置：容量（Nominal）:根据系统选择频率(Frequency)：50 各绕组参数设置：根据系统选择双绕组内部连接方式（internal connection）:Yn(ABC) D11(abc)三绕组内部连接方式（internal connection） ：Yn(ABC)Y(a2b2c2)D11(a3b3c3)测量(Measurements)选项：选择不测量 单击 OK按钮完成对变压器元件的设置。 （3）从线路元件(Elements)库中选择输电线路（双回线型及单回线型）元件，复制后粘贴在电路图中。双击输电线路元件，在输电线路元件参数对话框中如下设置：频率(Frequency)：50 单位长度阻抗（Resistance per unit length）： 0.01273 0.3864单位长度电感(Inductance per unit length )：0.9337e-3 4.1264e-3单位长度电容(Capacitance per unit length )：12.74e-9 7.751e-9线路长度：根据系统不同决定线路长度(Line Length)：根据系统选择。测量(Measurements)选项：选择不测量 3.1 电力系统仿真模型1、供电系统如图，发电机G1：50MVA、110kV，保持恒定，Y连接；线路L为100km；变压器T为Yn/d接法，SN=10MVA，Uk%=10.5，k=110/11。 电力系统接线图电力系统仿真模型为3.2 仿真参数设置当电路图设计完成后，对其进行仿真，达到观察短路接地电路中暂态变化情况。（1） 在设置的三相电路短路故障发生器，将接地短路时间设置为0.01 0.04之间。根据接地短路发生时间设置仿真参数。（2） 在电路图的菜单选项中，选择仿真菜单，激活仿真参数命令，弹出参数对话框。 根据对暂态过程时间估算，对仿真参数进行如下设置：三相电源：电压初始相位为0，频率为默认50Hz不变，Y型接法输电线路：线路长度100Km，其余参数保持为默认值不变。三相短路故障发生器：A相接地短路，0.01s发生短路，0.04s排除故障仿真参数的设置：起始时间为0s，终止时间为0.1s，变步长，MATLAB 针对刚性系统提供了ode15 s，ode23 s，ode23 t 与ode23 tb 等算法。本文采用ode15算法。仿真参数设置 当电路图设计完成后，对其进行仿真，以达到观察交流电路中暂态变化情况。 (1) 在电路图的菜单选项中，选择仿真(Simulation)菜单，激活仿真参数(Simulation arameters)命令，弹出仿真参数对话框如图3-16所示。 图5-1仿真参数对话框根据对暂态过程时间的估算，对仿真参数进行如下设置。 开始时间(Start time)：0s 停止时间(Stop time)：0.0001s 求解程序类型(Type)选项：可变步长(Variablestep)，ode23(BogackiShampine) 最大步长(Max step size)选项：自动(auto) 最小步长(Min step size)选项：自动(auto) 初始步长(Intial step size)选项：自动(auto) 相对容差(Relative tolerance)选项：1e-3 三相电源参数线路参数 两相变压器参数3.3 仿真结果分析3.3.1A.B.C三相短路 设置完电路图和仿真参数后，下面进行电路仿真。激活仿真按钮，查看仿真波形图。所的A.B.C三相电压波形如下,三相短路时发电机端电压，电流波形 电压波形 电流波形三相短路时(A,B,C三相电压)对比图分析：三相短路时，A,B,C三相电压相等。三相短路时(A,B,C三相电流)对比图分析：在三相故障模块中，勾选Phase A Fault，Phase B Fault，Phase C Fault选项即可实现三相短路模型。三相短路发电机的三相电压波形按正弦规律变化。三相的电流较稳态时有较大增加，而且幅值基本相等。在故障切除后，经过短暂的暂态过程，系统逐渐恢复到故障前状态。故障发生时，三相电流呈正弦规律变化，且幅值相等，故障切除后为0。故障发生时三相电压为0，故障切除后呈正弦规律变化。三相短路时，A,B,C三相电流大小相等，相位互差120度。3.3.2 A相接地短路为例发电机端电压，电流波形 电压波形 电流波形分析：发电机端电压电流波形为正弦波基本没什么变化 A相接地短路为例(A,B,C三相电压)分析：A相接地短路，A相电压在短路一段时间里为零，B,C两相电压升高为线电压，之后A,B,C三相电压恢复正常。A相接地短路为例(A,B,C三相电流)分析：A相接地短路时当输电线路发生A 相接地短路时,B 相、C 相电流没有变化,始终为0. 对于故障相A 相的电流:在稳态时,故障点A 相电流由于三相短路故障发生器处于断开状态,因而电流为0. 在0. 01s 时,三相短路故障发生器闭合,此时电路发生A 相接地短路,A 相短路电流波形发生了尖锐的抖动,大体上仍然呈现正弦规律变化. 在0. 04s时,三相短路故障发生器打开,相当于排除故障,此时故障点A 相电流变化为0. 3.3.3 A,B两相短路(以A,B两相短路电压为例) 发电机端电压，电流波形 电压波形 电流波形 待添加的隐藏文字内容3两相短路(以A,B两相短路电压为例) 分析：A,B两相短路时, , A,B电压相等,C相电压正常.两相短路(以A,B两相短路电流为例) 分析：在三相故障模块中，勾选Phase A Fault，Phase B Fault选项即可实现AB两相直接短路模型。A、B两相直接短路发电机的三相电压波形按正弦规律变化A、B两相的电流较稳态时有较大增加，而且幅值基本相等。在故障切除后，经过短暂的暂态过程，系统逐渐恢复到故障前状态。发生故障时，励磁调节系统动作，快速将励磁电压增加至最大电压，以维持机端电压不变；由于在发生不对称故障时系统受到较大的干扰，发电机的机械输入功率和发电机的电磁功率将不再平衡，发电机的转子将不再保持与无穷大电源角速度同步，即相角不断变化，从而引起系统的功率、电压、和电流不断震荡，此时，励磁调节系统也随之不断震荡。B、C两相的电流较稳态时有较大增加，而且幅值基本相等。在故障切除后，经过短暂的暂态过程，系统逐渐恢复到故障前状态。故障相电压降为0，而由于故障处在无穷大电源附近另由于线路参数的选取使得非故障相的电压基本保持不变。三相短路时，A,B,C三相电流大小相等，相位互差120度。3.3.4 A,B 两相接地短路(以A,B两相接地电压为例) 发电机端电压。电流波形 电压波形 电流波形两相接地短路(以A,B两相接地电压为例)分析：A,B两相接地短路时，A,B两相接地电压相等，C相电压为正常。两相接地短路(以A,B两相接地电压为流)分析：:在A 相、B 相发生接地短路时,C 相电流没有变化,始终为0. 对于故障相A 相和故障相B 相电流:在稳态时,故障点A 相、B 相电流由于三相短路故障发生器处于断开状态,因而电流为0. 在0. 01s 时,三相短路故障发生器闭合,此时电路发生A 相、B 相接地短路,故障点A 相电流波形下移,故障点B 相电流波形上升,呈正弦规律变化. 在0. 05s 时,三相短路故障发生器打开,相当于排除故障,此时故障点A 相、B 相电流变化为0. 4 结论在Simulink中建立了电力系统的基本模型并进行了简单短路故障仿真分析。结果表明，Matlab的仿真功能，为电气工作者提供了一种简便、直观、有效的仿真研究方法。通过A相接地短路，两相短路接地，三相短路故障的仿真结果分析，可知，三相短路是电力系统最为严重的短路故障，可能引起电压崩溃，造成大范围的停电，给生产带来不可预计的损失。因此，在实际生产中应该尽量避免此类短路故障的发生。上学期我进行了电力系统分析、MATLAB在电气工程中的应用等专业课程的学习，对运用MATLAB对电力系统故障分析部分的内容有了一定的了解。通过此次课程设计，让我对单相短路故障的分析方面的知识掌握，又进一步得到巩固其次，也学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅，今后的制作应该更轻松，自己也都能扛的起并高质量的完成项目。最后，通过此次课程设计，也锻炼了我们主动去发现问题、分析问题和解决问题的能力，使我收获颇多。5 参考文献1 何仰赞 温增银.电力系统分析M 武汉：华中科技大学出版社 20022 熊信银 张步涵.电力系统工程基础M 武汉：华中科技大学出版社 20033李广凯，李庚银. 电力系统仿真软件综述J. 电气电子教学学报，2005（6）：61-65.4彭建飞，任岷，王树锦. MATLAB在电力系统仿真研究中的应用J. 计算机仿真，2005（6）：193-196.5邱关源 ，罗先觉电路北京：高等教育出版社，20066姚俊，马松辉Simulink建模与仿真 西安：西安电子科技大学出版社， 20026 心得体会 经过一周的电力系统仿真实训，让我更进一步了解Matlab软件，相比较更能熟练的绘图与操作，通过运用MATLAB软件进行的仿真，了解在输电线路上发生各种故障时的系统变化情况。有针对性的改善输电线路所装设的保护装置，使其能够在线路出现故障时迅速做出反应，保证线路安全运行，同时运行人员也可以根据保护装置动作情况很快地判断出故障点所处位置，为线路检修争取宝贵时间并减少因故障而带来的巨大损失。安置在输电线路上的保护装置，当被保护的元件发生故障时，能自动、迅速、有选择的将故障从电力系统中切除，以保证其余部分恢复正常运行，并使故障元件免于继续受伤害。当被保护元件发生异常运行状态时，经一定延时动作于信号，以使值班人员采取措施。 上述问题通过运用MATLAB软件进行的仿真，可以非常清楚，明白的显示出来，让我们能快速发现问题，排除问题，解决故障，所有说我用Matlab软件是非常有体会的，它提高了我们的动手能力也提高了我们分析，解决问题的能力，最后要谢谢我们的指导老师。