基于Matlab的电力系统故障分析与仿真毕业论文毕业设计

毕业设计论文课题名称基于MATLAB的电力系统故障分析与仿真学生姓名学号系、年级专业电气工程系06级电气工程及其自动化指导教师职称副教授2010年6月1日毕业设计（论文）I摘要本次设计介绍了电力系统故障分析方法及MATLAB/SIMULINK的基本特点。通过算例对电力系统故障进行分析计算。然后对算例，运用MATLAB/SIMULINK进行电力系统故障仿真，得出仿真结果。并将电力系统故障的分析计算结果与MATLAB仿真的分析结果进行比较，从而得出结论。结果表明运用MATLAB对电力系统故障进行分析与仿真，能够准确直观地考察电力系统故障的动态特性，验证了MATLAB在电力系统仿真中的强大功能。关键词电力系统；故障；MATLAB；仿真毕业设计（论文）IIABSTRACTTHISDESIGNFORELECTRICPOWERSYSTEMISINTRODUCEDINFAULTANALYSISMETHODANDTHEBASICCHARACTERISTICSOFTHEMATLAB/SIMULINKTHROUGHANEXAMPLEOFPOWERSYSTEMFAULTANALYSISTHENFOREXAMPLE,USINGMATLAB/SIMULINKPOWERSYSTEMFAULTSIMULATION,SIMULATIONRESULTSANDWILLPOWERSYSTEMMALFUNCTIONOFTHEANALYSISANDCALCULATIONOFTHERESULTSOFTHEANALYSISANDMATLABSIMULATIONRESULTSWERECOMPARED,THUSDRAWSTHECONCLUSIONRESULTSSHOWTHATUSINGMATLABFORPOWERSYSTEMFAULTANALYSISANDSIMULATION,CANACCURATEINTUITIVELYINVESTIGATIONPOWERSYSTEMMALFUNCTIONOFTHEDYNAMICCHARACTERISTICSANDVERIFIEDINPOWERSYSTEMSIMULATIONOFMATLABKEYWORDSELECTRICSYSTEMFAULTMATLABSIMULATION目录摘要IABSTRACTII1引言111电力系统故障分析的基本知识112电力系统故障分析及诊断技术213本论文的主要工作32仿真软件521MATLAB简介522SIMULINK简介73电力系统故障计算931短路计算的基本原则和规定932短路点的选择原则与确定1033短路电流计算114电力系统故障仿真1441概述1442电力系统各元件的仿真模型1443电力系统故障仿真1944仿真结果分析295结论31参考文献33致谢34毕业设计（论文）11引言11电力系统故障分析的基本知识111故障概述短路是电力系统的严重故障。所谓短路，是指一切不正常的相与相之间或相与地（对于中性点接地的系统）发生系统通路的情况。电力系统在运行中，相与相之间或相与地（或中性线）之间发生非正常连接（即短路）时流过的电流。其值可远远大于额定电流，并取决于短路点距电源的电气距离。例如，在发电机端发生短路时，流过发电机的短路电流最大瞬时值可达额定电流的1015倍。大容量电力系统中，短路电流可达数万安。这会对电力系统的正常运行造成严重影响和后果1。供电网络中发生短路时,很大的短路电流会使电器设备过热或受电动力作用而遭到损坏,同时使网络内的电压大大降低,因而破坏了网络内用电设备的正常工作为了消除或减轻短路的后果,就需要计算短路电流,以正确地选择电器设备、设计继电保护和选用限制短路电流的元件。112故障类型三相系统中发生的短路有4种基本类型三相短路，两相短路，单相对地短路和两相对地短路。其中，除三相短路时，三相回路依旧对称，因而又称对称短路外，其余三类均属不对称短路。在中性点接地的电力网络中，以一相对地的短路故障最多，约占全部故障的90。在中性点非直接接地的电力网络中，短路故障主要是各种相间短路。表11给出这几种短路的简略记号。表11短路的简略记号短路类型示意图代表符号三相短路二相短路单相短路二相短路接地3F2F1F11F113故障概率运行经验指出，架空输电线是电力系统中比较薄弱的环节，发生短路的几率最高，毕业设计（论文）2我国某电力系统多年统计出在不同范围内发生短路故障的相对次数列出如表12。表12不同范围能发生短路故障几率线路范围发生几率在110KV线路上容量为6000KW以上的发电机110KV变压器110KV母线780756580表13110KV线路上各种类型短路故障几率短路类型发生几率三相短路二相短路二相短路接地单相短路54883从表13中的数字中可以看出单相短路几率占压倒性多数，国外的运行经验也证明了这一点。三相短路的几率是很小的，但这并不说明三相短路无关紧要，相反对三相短路应该加以重视，因为三相短路的情况最严重，有时为了最后论断电力系统在短路情况下工作的可能性，他起着决定性的作用。此外，研究三相短路之所以重要，还由于我们在分析计算不对称短路时，往往把不对称短路看成某种假定的三相短路来处理2。12电力系统故障诊断技术早在1982年8月，美国电力研究所EPRI便开始了火电站设备早期故障检测的工作，经过此后10多年的努力，在电站性能监测和诊断方面，EPRI一直处于领先地位。此外，美国西屋公司也在1976年开始了电站在线计算机诊断工作，并在1980年投入了一个小型的电机诊断系统，1981年进行电站人工智能故障诊断专家系统的研究，1984年应用于现场,到1990年己发展成为大型电站在线监测诊断系统AID,即汽轮发电机组智能化故障诊断专家系统。我国在故障诊断技术方面的研究起步较晚，开始于20世纪70年代末，落后于国外至少2030年的历史，基本上是在引进国外先进技术基础上进行消化、吸收而发展起来的。第一阶段为起步阶段，从1979年至1990年大约用了10年时间。这个阶段的特点是认识设备诊断技术的重要性，设备诊断技术的基础理论研究十分活跃，这个阶段以快速傅里叶变换、谱分析、信号处理等技术为基础，以设备状态监测为技术目标。第二阶段为发展阶段，毕业设计（论文）3从1991年开始至90年代末以我国工业的建设迅速发展为背景，以现代化管理的需要为前提，出现了诊断技术迅速发展的局面。这个阶段以故障分类、模式识别、智能化专家系统及其计算故障树计算、模糊逻辑计算、神经网络计算、基因计算等为基础，全方位开展了设备的故障诊断研究，从理论和生产应用上形成了具有我国特点的故障诊断理论，研制出了可与国际接轨的大型设备状态监测与故障诊断系统。电力系统故障诊断是近年来十分活跃的研究课题之一。传统型的研究是在建立被诊断系统网络拓扑结构模型的基础上，根据发生故障时系统结构和参数变化，导致系统潮流的变化，进而根据潮流计算的变化判断出故障，多用传统的数学方法，采用单一的集中求解，因系统规模、复杂程度和不确定因素等的限制难以适应目前电力系统的这样一个日趋复杂的分布式大系统的故障诊断问题发展趋势，系统故障诊断难以达到理想的效果。因此，目前研究电力系统故障诊断的方法主要是采用的智能化方法。近几十年来，故障诊断技术得到了深入广泛的研究，提出了众多可行的方法，概括起来即可可分为三大类基于解析模型的方法，在了解诊断对象数学模型的基础上，按一定的数学方法对被测信息进行处理判断，可分为状态估计法、等价空间法和参数估计法等。基于解析模型的故障诊断方法是最早发展起来的，其主要思想是通过构造观测器估计出系统输出，然后将它与输出的测量值作比较，从中获得故障信息。由于建模的困难与模型本身的误差以及各种不可预见的因素如系统发生故障时，不仅可能引起模型参数的变化，还可能引起模型结构的变化，而且这种变化是不确定的，大大地影响了其诊断的准确性。基于信号处理的方法，利用信号模型，如相关函数、频谱、自回归滑动平均、小波变换等，直接分析可测信号，提取诸如方差、幅值、频率等特征值，从而检测出故障。这种方法由于不需要建立对象的解析数学模型，实现简单，在工程上具有广泛的应用，但这种方法只有当故障发展到相当程度并影响到外部特征时才有效，而且只能对故障范围做出粗略的判断，大多数情况下不能直接定位故障。基于知识的诊断方法。这类方法的主要优点是不依赖于具体的数学模型，而且克服了基于信号处理故障诊断方法的缺点，引入了诊断对象的许多信息，具有较为丰富的、灵活的知识表达和问题求解能力，它可以充分发挥人类专家在诊断中根据感觉、知识、经验所进行的推理判断的能力，并可适合于各种场合的故障判别。基于知识的故障诊断方法由于其本身具有的优点已经成为故障诊断领域中的一个主要方法，它不仅可以进行离线的故障诊断，还可以用于在线的故障诊断与故障处理。在电力系统中，毕业设计（论文）4这类方法的开发研究也是最为引人瞩目的一类课题，国内外也有大量的文献介绍基于知识的诊断方法在电网络故障诊断中的应用。近年来，一般报警信息的处理和常见简单故障的诊断问题已经得到较好的解决。随着电网建设的发展、计算机技术和网络技术以及数学和智能科学理论的发展，不断有新的电网故障诊断方法出现，但是从电力系统故障诊断理论与方法研究和应用的深度、广度可以清晰地看到，其研究仍停留在理论和模型的探索阶段，基本上没有非常成功的成型实用系统，实用化方面一直未有太大的发展。从发表的文献来看，电网故障诊断系统大多依托于调度端或变电站内，分别利用调度SCADA系统的实时信息或站内综合百动化系统收集的信息来实现；随着系统、计算机和网络技术的发展，以及故障录波专用网络的建设，后来又发展了基于故障录波信息的故障诊断系统。此系统的建设，对故障后所有相关的故障信息，例如保护装置信息、录波器信息、雷电定位信息、监控装置信息等，进行采集、传输、存储和处理，为电网故障处理提供了信息支持。这些宝贵的信息为新的电网故障诊断方法提供了基础，大大拓展了电网故障诊断的研究方向。因此，在电网故障诊断理论的实用化过程中，必须充分重视信息的收集与整理工作，包括用于故障诊断的数据仓库的构建、故障综合信息的预处理和诊断知识的提取等。13本论文的主要工作基于三相短路的重要性，本次设计以三相短路为例进行分析仿真。毕业设计（论文）52仿真软件21MATLAB的简介MATLAB和MATHEMATICA、MAPLE并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATHWORK也吸收了像MAPLE等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。MATLAB的特点1、此高级语言可用于技术计算2、此开发环境可对代码、文件和数据进行管理3、交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题4、数学函数可用于线性代数、统计、傅立叶分析、筛选、优化以及数值积分等5、二维和三维图形函数可用于可视化数据6、各种工具可用于构建自定义的图形用户界面7、各种函数可将基于MATLAB的算法与外部应用程序和语言（如C、C、FORTRAN、JAVA、COM以及MICROSOFTEXCEL）集成28、不支持大写输入，内核仅仅支持小写MATLAB的优势（1）友好的工作平台和编程环境MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近WINDOWS的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB毕业设计（论文）6提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。（2）简单易用的程序语言MATLAB一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C语言基础上的，因此语法特征与C语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。（3）强大的科学计算机数据处理能力MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。（4）出色的图形处理功能MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），MATLAB同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等,MATLAB也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外新版本的MATLAB还着重在毕业设计（论文）7图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。（5）应用广泛的模块集合工具箱MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。目前，MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（TOOLBOX）家族中有了自己的一席之地。（6）实用的程序接口和发布平台新版本的MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C数学库和图形库，将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C代码。允许用户编写可以和MATLAB进行交互的C或C语言程序。另外，MATLAB网页服务程序还容许在WEB应用中使用自己的MATLAB数学和图形程序。MATLAB的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。工具箱是MATLAB函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。（7）应用软件开发（包括用户界面）在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在输入输出方面，可以直接向EXCEL和HDF5进行连接。22SIMULINK的简介SIMULINK是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。SIMULINK具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点SIMULINK已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于SIMULINK。SIMULINK是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设毕业设计（论文）8计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。SIMULINK可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，SIMULINK提供了一个建立模型方块图的图形用户接口GUI，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。SIMULINK用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，SIMULINK提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。构架在SIMULINK基础之上的其他产品扩展了SIMULINK多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。SIMULINK与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。SIMULINK的特点（1）丰富的可扩充的预定义模块库（2）交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图（3）以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理（4）通过MODELEXPLORER导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码（5）提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成（6）使用EMBEDDEDMATLAB模块在SIMULINK和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法（7）使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式NORMAL,ACCELERATOR,RAPIDACCELERATOR来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型（8）图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为（9）可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据（10）模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。毕业设计（论文）93电力系统故障计算的基本原理31短路计算的基本原则和规定电力系统三相短路计算主要是短路电流周期分量的计算，在给定电源电势时，实际就是稳态交流电路的求解。在电力系统短路电流的工程计算中，许多实际问题的解决（如电网设计中的电气设备选择）并不需要十分精确的结果，于是产生了近似计算的方法。在近似计算中主要是对系统元件模型和标么值参数计算做了简化处理。在元件模型方面，忽略发电机、变压器和输电线路的电阻，不计输电线路的电容，略去变压器的励磁电流（三相三柱式变压器的零序等值电路除外），负荷忽略不计或只做近似估计。在标么值参数计算方面，在选取各级平均电压做为基准电压时，忽略各元件电抗器除外的额定电压之比，即所有变压器的标么变比都等于1。此外，有时还假定所有发电机的电势具有相同的相位，加上所有元件仅用电抗表示，这就避免了复数运算，把短路电流的计算简化为直流电路的求解。短路计算的目的是为了选择导体和电器，并对其进行相关校验。基本假定短路电流实用计算中，采用以下假设条件和原则（1）正常工作时，三相系统对称运行；（2）所有电源的电动势相位角相同；（3）系统中的同步和异步电机为理想电机，不考虑电机饱和、磁滞、涡流及导体集肤效应等影响；转子结构完全对称；定子三相绕组空间相差120电气角；（4）电力系统中各原件的磁路不饱和，即带铁芯的电气设备电抗值不随电流大小变化；（5）电力系统中所有电源都在额定负荷下运行，其中50负荷接在高压母线上，50负荷接在系统侧；（6）同步电机都具有自动调整励磁装置（包括强行励磁）；（7）短路发生在短路电流为最大值的瞬间；（8）不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流；（9）除计算短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻都略去不计；（10）元件的计算参数均取其额定值，不考虑参数的误差和调整范围；（11）输电线路的电容略去不计；（12）用概率统计法制定短路电流运算曲线。毕业设计（论文）10一般规定（1）验算导体和电器动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流，应按本工程的设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划（一般为本期工程建成的510年）。确定短路电流时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式，而不应按仅在仅在切换过程中可能并列运行的接线方式；（2）在电气网络中应考虑具有反馈作用的异步电动机的影响；（3）选择导体和电器时，对不带电抗器回路的计算短路点应选择在正常接线方式时短路电流为最大的地点。对加装电抗器的610KV出线与厂用分支线回路，除其母线和母线隔离开关之间隔板前的引线和套管，计算短路点应选择在电抗器前，其余导体和电器的计算短路点一般选择在电抗器后；（4）导体和电器的动稳定、热稳定和电器的开断电流，一般按三相短路验算。若发电机出口的两相短路或中性点直接接地系统及自耦变压器等回路中的单相、两相接地短路较三相严重时，则应按严重情况计算。32短路点的选择原则与确定321短路点选择原则短路计算点是指在正常接线方式时，通过电器设备的短路电流为最大的地点。所选的短路点一定要是各种短路类型是最严重的情况，应为只要这样才能得出变压器中性点的最大入地电流，算出后才能进行接地电阻允许值的计算。而且一般不止选择一个短路点，而是通常选择23个分别进行计算，然后将计算结果进行比较。322短路点的选择在该系统中选择了220KV高压侧母线2L与220KV高压侧母线3L之间（如图31）。图31同步发电机三相短路系统算例图毕业设计（论文）1133短路电流计算331计算的基本步骤计算的基本过程如下（1）选择短路点；（2）画出计算用等值网络，利用标幺值计算基准值选取900BSMVA，BAVUU；各种标幺值的计算；各元件的电抗编号；（3）网络化简，求转移电抗BZSX；（4）求相应的计算电抗XJSEJSBSXXS；（31）（5）求短路电流有名值3BAVSIIU；（32）332短路计算（1）假设一个电力系统三相短路，其中已知参数如下900BSMVAMVAST900KVV220KML101KMLL11032KML2204220/1021TTKMX/5290（2）系统参数标幺值化512529590010021XXXGA1202201001958221LLXX2502201003811623LX毕业设计（论文）12图32系统等值电路图（3）再将该电路图三角星化如图33图33网络三角化星图其中02750490120120321211LLLLLXXXXXX05504902201103213132LLLLLXXXXXXX（4）将星型图继续简化为图34得05400550/05505125/325XXXXA112014XXXFF毕业设计（论文）13图34化简合并电路图（5）最后计算短路电流92981FFXI毕业设计（论文）144电力系统故障仿真41概述电力系统仿真主要是对短路类型中的三相短路、两相短路和单相接地短路的电流、机端电压波形进行分析。利用MATLAB软件中的电力系统模块库PSB，建立了同步发电机无穷大系统模型，它对电力系统设备的设计和选用有一定的参考价值。同时电压电流波形可以直观的了解，便于建立系统的观念。42电力系统各元件主要模型421同步发电机（1）、同步发电机的基本方程、参数和等值电路回路电压方程定子回路AAAAAAAAAAIRDTDIREIRU41DTDE，42正电流产生负磁链BBBBBBBBBBIRDTDIREIRU43CCCCCCCCCCIRDTDIREIRU44转子回路FFFFFFFFFIRDTDREIRU（负载反电势）45绕组DDDDDDDDDIRDTDREIRU046绕组QQQQQQQQQIRDTDREIRU047用分块矩阵形式简写为ABCABCSSABCIRU48FDQFDQRRFDQIRU49磁链方程QDFCBAQQQDQFQCQBQADQDDDFDCDBDAFQFDFFFCFBFACQCDCFCCCBCABQBDBFBCBBBAAQADAFACABAAQDFCBAIIIIIILMMMMMMLMMMMMMLMMMMMMLMMMMMMLMMMMMML毕业设计（论文）15结论因同步发电机的凸极使得气隙不均匀和转子同步旋转，LSS可以是周期变化的时变参数，LSR、LRS必然周期变化的时变参数，ABC坐标制的同步发电机基本方程是时变系数微分方程。（2）、同步电机的SIMULINK模型在电机元件库中，同步电机的模型有五个，即两个简化模型，一个实名制下的原理模型，一个标么值下的原理模型和一个标么值下的标准模型。原理模型和标准模型的属性参数的主要参数意义分别讲述如下ROTORTYPE指转子绕组的形式，可选凸极（SALIENTPOLE）或者隐极（ROUND）。INTIALCONDITIONS用于设置电机的初始速度偏差、转子电气角度、线电流幅值、相角及初始励磁电压。SIMULINKSATURATION用于确定转子电磁饱和度、定子铁芯的饱和参数。如果选择了该项参数，则属性参数对话框会增加一栏“SATURATIONPARAMETERS”设置项。在标准模型中，还有两项下拉选项，即D轴时间常数和Q轴时间常数。它们分别用于确定上述时间常数是按转子短路时设置还是按转子开路时设置。同步电机模型的输入端包括两个其一是机械功率（PM）。在发电机模式下，该输入可以是一个正的常数或者参数或者原动机模块的输出；在电动模式下，该输入通常是一个负的常数或者函数。其二是励磁电压（VF）。在发电机模式下，它一般由励磁调节器提供；在电动模式下，它通常是一个常量。同步电机的输出端包括了三相输出端子（A、B、C）和测量端子（M）通过测量端子，可以观测到同步电机的电压、电流、功率、转子等22个物理不变量值3。422三相型线路功能模块（3PHASEPISECTION）三相型线路是构建电力系统模拟输电仿真模型时最常用的功能模块，由电阻、电感和电容构成。其参数设置类似于串、并联RLC支路模块，只是他所设置的电阻、电感和电容值为单位输电线长度时的参数值。因此在型线路功能模块的属性参数对话框中，还需要设置输电线路的长度值。所以，就三相型线路模块而言，在其电感、电阻、电容值的属性参数设置框中，包括（1）频率；（2）正序和零序电阻值；（3）正序和零序电容值；（4）输电线路的长度值。其参数对话框如图41毕业设计（论文）16图41三相型线路模块参数423并联RLC负荷模块（ELEMENTS）并联RLC负荷模块（PARALLELRLCLOAD）提供了一个由电阻、电感、电容并联连接构成的功能模块，也可以通过设置它的电阻、电感和电容的具体值来改变该支路的等效阻抗。其参数对话框如图42所示图42并联RLC负荷模块参数424三相故障模块（3PHASEFAULT）毕业设计（论文）17三相故障模块提供了一种可编程的相间（PHASETOPHASE）和（PHASETOGROUND）故障断路器中。三相故障模块使用了三个独立的断路器，用来模拟各种对地或者相间故障模型。其参数对话框如图43所示图43三相故障模块参数三相故障模块中的断路器的开通和关断时间可以由一个SIMULINK外部信号（外部控制模式）或者内部控制定时器（内部控制模式）来控制。如果不设计接地故障，接地电阻（GROUNDRESISTANCE）RG自动被设置为106。举例说明如下当设置一个A、B相间短路故障模型时，只需要设置A相故障和B相故障属性参数；当设置一个A相接地故障模型时，只需要同时设置A相故障和接地故障属性参数，并且要指定一个小的接地电阻值。需要注意的是如果三相故障模块被设置为外部控制（EXTERNALCONTROL）模式时，在模块的封装图表中就会出现一个控制输入端。连接到这个输入端的控制信号必须是0或者1之类的脉冲信号（其中0表示断开断路器，1表示闭合断路器）。当三相故障模块被设置为内部控制模式（INTERNALCONTROLMODE）时，其开关时间（SWITCHINGTIMES）和开关状态，均在该模块的属性参数对话框中进行设置。425变压器模块（1）变压器模块变压器模块是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级绕组中通有交流电流时，毕业设计（论文）18铁心（或磁心）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁心（或磁心）和绕组组成，绕组有两个或两个以上的绕组，其中介电源的绕组叫初级绕组，其余的绕组叫次级绕组。按电源相数来分，变压器单相、三相和多相几种形式。他的重要特性参数主要有；工作频率变压器铁心损耗与频率有很大的关系，故应根据使用频率来设计和使用，这个频率称工作频率。额定频率在规定的频率和电压下，变压器能长期工作，而不超过规定温升的输出功率。额定电压指在变压器的绕组上所允许施加的电压，工作时不得大于该电压。电压比指变压器初级电压和次级电压的比值，有空载电压比和负载电压比的区别。空载电流变压器次级开路时，初级仍有一定的电流，这部分电流称为空载电流。空载损耗指变压器次级开路时在初级测得的功率损耗。主要损耗是铁心损耗，其次是空载电流在初级绕组铜祖上产生的损耗（铜损），这部分消耗很小。效率指次级功率2P与初级功率1P比值的百分比。通常变压器的额定功率越大，效率就越高。（2）标么值参数系统介绍为了便于工业应用，通常要将有名值转换为标么值，而这需要知道相应绕组的额定功率（PN，单位VA）、额定电压（VN,单位V）以及额定频率（FN,单位HZ）。对每一个绕组，其电阻和电抗的标么值定义如下BASEUPLLR411BASEUPLLL412NNBASEPVR2413NBASEFRL2414式中VN、PN和FN分别为一次绕组的额定电压，额定功率和额定频率。（3）双绕组三相变压器毕业设计（论文）19双绕组三相变压器的两个绕组可以接成多种形式，如星形Y、带中性线的星形YN、星形接地YG、三角形11D（超前星形30）它们可以通过该功能模块。双绕组三相变压器需要设置的主要参数有变压器的额定功率，频率，绕组电压、两个绕组的漏抗和电阻，以及激磁电感和激磁电阻。在该功能模块的属性参数对话框中，还有是否考虑铁芯饱和情况的选项，由“SATURABLECORE”选项完成。当选定了“SATURABLECORE”选项时，该属性参数对话框中便会自动增加一栏饱和特性参数设置栏（SATURATIONCHARATERISTIC）,用于设置该变压器模块的饱和特性。同时还会出现两个复选框“SIMULATEHYSTERESIS”和”SPECIFYINITIALFLUXES”,前者用于决定是否进行磁滞饱和仿真，后者则用于设置初始磁通。43电力系统故障仿真431算例图根据电力系统典型接线，建立一个含故障的电力系统算例图如图31所示。432模型建立步骤及其参数设置根据含故障的电力系统算例图，建立仿真模型图如图44、图45、图46、所示图44电力系统三相短路系统仿真毕业设计（论文）20图45同步发电机AREA的子系统图46PSS控制系统的子系统毕业设计（论文）21图47无穷大子系统（1）在SIMUINK窗口下的FILE菜单中选择NEW命令创建一个UNTITLED的空白文件窗口；（2）打开SIMPOWERSYSTEMS窗口下的ELEMENTS，将其中的THREEPHASEBREAKER从该模块库中拷贝到UNTITLED窗口，其参数设置如图48图48THREEPHASEBREAKER的参数（3）将其他模块拷贝UNTITLED窗口中，其中DISTRIBUTEDPARAMETERSLINETHREEPHASE的参数分别如下图49毕业设计（论文）22图49DISTRIBUTEDPARAMETERSLINETHREEPHASE的参数（4）建立一个含同步发电机系统AREA创建一个UNTITLED空白文件窗口；在SIMPOWERSYSTEMS下的MACHINES中引入MACHINESMEASUREMENTDEMUX模块和STEAMTURBINEANDGOVERNOR模块以及EXCITATIONSYSTEM模块，并分别命名为MACHINE1MEASUREMENTDEMUX和STG以及EXCITATION其参数如图410、图411和图412图410MACHINESMEASUREMENTDEMUX模块参数图411STEAMTURBINEANDGOVERNOR模块参数毕业设计（论文）23图412EXCITATIONSYSTEM模块参数在SIMPOWERSYSTEMS下的MACHINES中引入MULTIBANDPOWERSYSTEMSTABILIZER模块以及两个GENERICPOWERSYSTEMSTABILIZER分别命名为MBPSS、DELTAWPSSKUNDUR、DELTAPAPSS，其参数如图413和图414将其他模块拷贝其中连接入如图46所示全部选中上图所示的功能模块，用鼠标右键点击所选功能模块中的任意一个功能模块，弹出对话框，点击CREATESUBSYSTEM（创建子系统），点击该子系统模块的名称SUBSYSTERM，将它重新命名为M1TURBINEREGULATORS。图413MULTIBANDPOWERSYSTEMSTABILIZER模块参数毕业设计（论文）24图414GENERICPOWERSYSTEMSTABILIZER模块参数（5）将M1TURBINEREGULATORS系统复制并命名为M2TURBINEREGULATORS；（6）建立励磁发电机的子系统；创建一个空白文件窗口并命名其为AREA1；将M1TURBINEREGULATORS，M2TURBINEREGULATORS拷贝于其中；在SIMPOWERSYSTEMS下的MACHINES中引入两个SYNCHRONOUSMACHINE分别命名为M1900MVA和M2900MVA，其参数设置分别如图415图415SYNCHRONOUSMACHINE模块参数毕业设计（论文）25在SIMEPOWERSYSTEMS下的ELEMENTS中引入两个THREEPHASETRANSFORMER模块，分别命名为T1900MVA29KV/230KV和T2900MVA29KV/230KV其参数设置如图416图416THREEPHASETRANSFORMER模块参数在SIMEPOWERSYSTEMS下的ELEMENTS中引入两个THREEPHASEPISECTIONLINE模块分别命名为25KMAREA1和10KMAREA1其参数设置如图417在SIMEPOWERSYSTEMS下的ELEMENTS中引入两个THREEPHASEPARALLELRLCLOAD模块分别命名为967MW100MVAR187MVAR和200MVAR，其参数分别如图418图417THREEPHASEPISECTIONLINE模块参数毕业设计（论文）26将其他模块引入建立如图45的模型全部选中上图所示的功能模块，用鼠标右键点击所选功能模块中的任意一个功能模块，弹出对话框，点击CREATESUBSYSTEM（创建子系统），点击该子系统模块的名称SUBSYSTERM，将它重新命名为AREA。图418THREEPHASEPARALLELRLCLOAD模块参数（7）建立一个无穷大电网模型；在SIMPOWSYSTEMS模块库的SOURCE中，选一个3PHASESOURCE功能模块，并将其命名为12000MVA110KV，其关键参数的设置方法如图419所示图4193PHASESOURCE功能模块参数在SIMPOWERSYSTEMS模块库中，打开ELEMENT模块库，选中3PHASEPARALLELRLCLOAD功能模块，并将其命名为LOAD500MW，其属性参数设置对话毕业设计（论文）27框如图420图4203PHASEPARALLELRLCLOAD功能模块参数将两个模块如图47连接，并将所有模块封装成一个子系统，并命名为INFINITY。（8）将AREA和INFINITI两个子系统拷入最初建立的UNTITLED空白文件系统，建立如图3的系统；（9）设置POWERGUI的参数STEADYSTATEVOLTAGESANDCURRENTS的参数设置如图421图421STEADYSTATEVOLTAGESANDCURRENTS的参数毕业设计（论文）28INITIALSTATESSETTING选项的参数设置如图422图422INITIALSTATESSETTING选项的参数LOADFLOWANDMACHINEINITIALIZATION选项的参数设置如图423图423LOADFLOWANDMACHINEINITIALIZATION选项的参数毕业设计（论文）29其他设置均为默认设置，不做任何改动（10）将该仿真模型文件保存为LHYMDL。44仿真结果与分析441仿真结果建立好如图45所示的SIMULINK仿真模型后，将仿真参数设置好便可以执行仿真图422设置，图424图427给出了主要的仿真波形。图424发生三相故障时机端电流波形图425发生三相故障时机端电压波形毕业设计（论文）30图426发生三相故障时短路点的电流波形图427发生三相故障时短路点的电压波形442结果分析（1）、发生三相短路时，机端点仿真结果分析发生三相短路时，电力系统在机端点的仿真结果如图424、图425，包含机端三相电压、电流波形，由图形可以得出以下结论在稳态时，故障相各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，电压为稳定值，在005秒时，三相短路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路，机端短路电流急剧增大；机端各相电压下降。在01S时，三相短路故障发生器打开，相当于排除故障，此时故障点各毕业设计（论文）31相电流迅速下降。（2）、发生三相短路时，故障点仿真结果分析发生三相短路时，电力系统在故障点的仿真结果如图426、图427，包含机端三相电压、电流波形，由图形可以得出以下结论在稳态时，故障相各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，电压为稳定值，在005秒时，三相短路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路，机端短路电流急剧增大；机端各相电压下降为零。在01S时，三相短路故障发生器打开，相当于排除故障，此时故障点各相电流迅速下降为0。（3）、发生三相短路时，机端点和故障点仿真结果比较。电力系统在线路上发生三相短路故障时，由于短路故障发生器处于断开状态所以短路点电流是由零开始迅速增大，而机端电流由一个稳定值急速增大；短路点电压下降为零，而机端电压由于机端与短路点之间存在阻抗所以必定存在压降，所以机端电压不会下降至零。（4）、仿真结果与短路计算结果的比较。在用MATLAB进行电力系统故障仿真得出的短路点电流的标幺值为9，短路点电压为0；而短路计算的电流波形最大值为8929，电压因为短路而为零。两项结果出入相差不大，验证了MATLAB软件仿真的准确性。毕业设计（论文）325结论本文以三相短路为例，介绍了电力系统故障和MATLAB/SIMULINK的基本特点，探索了电力系统故障中最常见的短路计算一些常用的计算方法，和MATLAB应用的基本方法和步骤，在MATLAB软件中电力系统仿真如何应用SIMPOWERSYSTEMS模块库构建电力系统故障的仿真模型并对其仿真结果进行分析，得出一下结果应用MATLAB/SIMULINK进行仿真分析的结果和理论计算的结果相差不大，MATLAB仿真工具是一种很实用的工具。随着计算机仿真技术已成为电力系统研究、规划、设计和运行等各个方面的重要方法和手段，由于MATLAB具有良好的开发性。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SIMPOWERSYSTEMS模型库及SIMULINK强大的二次开发功能和丰富的工具箱，能快速而准确的对电路及更复杂的电力系统进行仿真、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。通过这次论文的撰写，我对电力系统故障以及MATLAB软件有了更深的认识。但由于在校期间学习不扎实，以及实践经验的缺乏，本文肯定有许多多不足之处，恳切希望老师给予批评指正。毕业设计（论文）33参考文献1何仰赞，温增银电力系统分析（第三版）M武汉华中科技大学出版社，2002（5）95962周荣光，电力系统故障分析M北京清华大学出版社，19881233李维波，MATLAB在电气工程中的应用M北京中国电力出版社，200773423434钟麟，王峰MATLAB仿真技术与应用教程M北京国防工业出版社，200484114125韩祯祥，吴国炎等电力系统分析（第二版）M北京浙江大学出版社，19936华智明，岳湖山电力系统稳态计算M重庆重庆大学出版社，19917张钟俊，电力系统电磁暂态过程M北京中国工业出版社，19618李光琦电力系统暂态分析（第二版）M北京水利电力出版社，19959西安交通大学，西北电力设计院，电力工业部西北勘测设计院短路电流实用计算方法M北京电力出版社，198210贺仁睦，电力系统动态方正准确度的研究J电网技术，2000，（12）1411盛义发，邓国扬，王浩宇等同步发电机新型励磁系统的研究J南华大学学报，200311612邓国扬，盛义发基于MATLAB/SIMULINK的电力电子系统的建模与仿真J南华大学学报，20031）1613西安交通大学等六院校，电力系统计算M北京水利电力出版社，199514张森，张正亮MATLAB仿真技术主导