MATLAB在电力系统三相短路故障分析中的应用.pdf

M A T L A B在电力系统三相短路故障分析中的应用 电子质量 ( 2 0 1 3 第 1 0 期) MATL AB在 电力系统三相短路故 障分析 中的应用 App l i c a t i o n o f M ATLAB i n t he Ana l ys i s o f t h e Th r e e ph a s e Po we r S ys t e m S ho r t Ci r c ui t 高正中， 孟祥杰， 李尧( 山东科技大学 信息与电气工程学院， 山东 青 岛 2 6 6 5 9 0 ) Ga o Z h e n g z ho n g ， Me n g Xi a n g - j i e , L i Y a o(Co l le g e o f I n f o r ma t io n a n d Ele c t r i c a l En s a n e e r i n g ，S h a n d o n g U n i v e r s it y a n d S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， S h and o n g Qi n g d a o 2 6 6 5 9 0 ) 摘 要： 该文借助 M A T L A B功能搭建了电力系统模 并仿真了其三相短路故障， 通过该软件对故障发生 后所得数据波形的分析， 从而说明了 M A T L A B在电力系统研究方面是一个有力的辅助工具， 掌握其使用 方法对电力系统研究具有重要的实际意义。 关键词 ： MA T L AB； 电力 系统 仿真 ； 三相短路故障 中图分类号 ： T P 3 9 1 9 ； T M7 4 3 文献标识码 ： A 文章 编号： 1 0 0 3 0 1 0 7 ( 2 0 1 3 ) 1 0 - 0 0 1 7 0 3 Ab s t r a c t ：I n t h is pa p er wit h t h e aid o f MAT LAB f u n c t ion t o bu il d t h e e l e c t r i c po we r s y s t e m mo d el a nd s i mu I i o n of t h e t h r e e ph a s e s h Or l c i r c u it f a u lt t h r o u gh t h e s o ft wa r e of f a u lt h a p pe n e d a f t e r t h e an a l y s i s of t h e da t a wa v e f or m ，t h us i ll u s t r a t e s t h e MATL AB in t he s t u d y of po we r s y s t e m is a po we rfu l au x i l ia r y t o ol， t o ma s t e r t h e u s e of e le ct r i c p o we r s y s t e ms r e s e a r c h h a s impo rf an t p r a c t ica l s i g n if ic a nc e K e y w or d s ： MAT L AB；po wer s y s t e m s i mu l a t io n； b o lt e d t h r e e -ph a s e f au lt CL C n u mb e r ： T P 3 9 1 9 ： T M7 4 3 Do o u me n t c o d e ： A Ar t i c l eI D： 1 0 0 3 - 0 1 0 7 ( 2 0 1 3 ) 1 0一 o 0 l 7 一 O 3 0引言 M A T L A B因为绘图功能强大和计算能力强， 配以友 好的动态仿真环境， 主要用于数值计算及可视化图形处 理 ， 其优越的开发性 、 数据仿真分析高效的优点越来越 成为从事电力网络系统学习和研究的重要仿真工具。 作 为一款优秀的综合性应用软件 ， 利用其提供的 S i m u l i n k 集成环境 ， 可以方便地对电力系统进行模型的搭建和仿 真1 _。S i m u l i n k 提供 了充足 的子模块库 ， 我们 可以根据相 应模型搭建的需要，从各个子模块库中选用合适的模 块。S i m u l i n k中提供了各种基本模块 ， 它们根据其主要 应用领域和实现功能进行了分类化管理， 给用户查找使 用提供了便利。模块库的数量取决于用户安装 ， 在电力 系统仿真中， 标准 S i mu l i n k 模块库和电力系统模块库是 必不可少的。 本文将通过三相短路实例具体讲解其模块 结 构及应用 。 1供电系统仿真模型建立 由于电力系统本身非常庞大，运行方式十分复杂， 所以电力系统故障一般较为严重 ， 而危害最严重的故障 是 三相短路故 障 ， 电气设 备设 置足够的热稳定度 和动稳 定度及合理配置继电保护并整定其参数 、 限制短路电流 都需要根据三相短路的数据整定 。 所以， 本文以无穷大 功率电源供 电系统三相短路故障进行仿真具有非常重 要 的意义 。 另外 ， 电力系统设计 ， 发 电厂 、 变电站的运行 ， 电气接线合理选择都可以从 MA T L A B仿真中获得重要 依 据 - 1 1无穷大功率 电源供 电系统三相短路仿真 本文介绍电路发生三相短路 的暂态过程 ， 然后 应用 M A T L A B进行仿真。 无穷大功率电源是指电源电压幅值 和频率均为恒定值，是一种相对理想的状态 。假定在 0 0 2 s 时刻，三相短路故障发生处母线位于变压器低压 侧 ，仿真得到其冲击电流大小以及电流的周期分量幅 值 。线 路参 数设 置为 ，线路 L = 5 0 k m， XI = 0 4 1 k m， R1 = 0 1 7 f U k m； 变压器的额定容量值 S n = 2 0 M V A， 短路 电压大小 U s = l O 5 ，空载损耗 AP o = 2 2 k W，短路损耗 = 1 3 5 k W ， 变 压器 变 比 = 1 1 0 1 1 ， 变压 器 空 载 电流 0 = 0 8 ， 高低压侧绕组均采用常用的 Y形联结 ； 并设供 电点电压为 1 1 0 k V t 1 。搭建其仿真模型， 如图 l 所示。 基金项 目： 本论 文的研究工作受山东省高校科技计划基金项 目资助( 编号 ： J 1 2 L NI 3 ) 作者简介 ： 高正中( 1 9 7 l 一 ) ， 男 ， 副教授 ， 硕士 ， 从事智能仪器与仪表技术 ， P L C与工厂 自动化等工作 孟祥杰( 1 9 8 6 一 ) ， 男， 硕士研究生 ， 研究方 向为电力系统运行与控制。 1 7 电子质量 ( 2 0 1 3 第 1 0 期) M A T L A B 在电力系统三相短路故障分析中的应甬 5 v 图 1无穷大功率电源供 电系统三相短路故障的仿真图 1 2参数设置 ( 1 ) 变压器 T采用如图 1 所示的模型 ， 根据给定的数 据， 计算折算到 1 l O k V侧的参数如下 ： 变压器的电阻 为： Rr = 1 0 3 =4 0 8Q 3 变压器 的电抗 为 ： 产 l 0 L6 3 - 53 则变压器 的漏感为 ： L x l 2 n 2 0 2 H 变压器的励磁 电阻为 ： R m 盖 = 5 -5 变压器的励磁电抗为： l 0 _j _ 7 5 6 2 51 变压器 的励磁 电感 为 ： L m = X ( 2 1 T fi= 2 4 0 8 H ( 2 ) 输电线 ， J 采用如图 1 所示的模型， 根据给定的参 数计算可得： RL ： r 1 1 =8 5Q L = l l = 2 0n L | - XL | 2 f = 0 0 6 4 H ( 3 ) 为了将变压器低压侧准确测量到的电压 、 电流信 号转换成 S i m u l i n k 信号， 需要设置三相电压电流测量模 块 ， 此模块相当于电压 、 电流互感器的作用。仿真时， 故 障点的故障类型参数采用三相线路故障模块来设置l 3 l。 ( 4 ) 仿真参数的对话框， 仿真起始时间设置为 0 s ， 终 止时间设置为O 2 s ， 其他参数设置为默认设置。 2仿真结果及分析 2 1理论值计算 根据前面搭建 的电力 系统模型中各模块所设参 1 8 数 ， 按照仿真设置 ， 当模型中所设故障点发生i相短路 故障时，通过计算得到冲击电流大小以及电流周期分 量幅值。 L： L 一：1 0 6 3 k A 、 ( ) + ) 时间常数 为 ： =( + L L ) ( R R = 0 0 2 1 l s 则短路 冲击 电流为 ： l= ( 1 + e m 皿 “ ) I m = 1 7 3 k A 在三相短路故障模块中输入短路故障时刻发生在 0 0 2 S ， 点击运行 ， 对模型进行仿真， 在示波器中查看得到 的三相短路故障时的电流波形， 如图 2 所示。 2 2仿真结果 比较 根据实例及给定数据推算所得， 上述的冲击电流大 小和电流周期分量幅值分别为 1 7 3 k A和 1 0 6 3 k A， 这是 理论上计算的准确量。而我们根据数据搭建模型仿真 后， 可以通过示波器中所得到的冲击电流 ， 即图2中的 最高瞬时 电流处 的电流值 ， 经过放大后很清楚地看 到冲 击 电 流值 为 1 7 3 3 k A，而短 路 电 流周 期 分 量 值 为 1 0 5 8 k A 。 所以， 通过模型得到的冲击电流值以及短路电 流周 期分量值分别 和其对应 的理论值 间的误差 为 0 1 7 和 0 4 7 ，这充分说 明了 S i m u l i n k