毕业论文-基于MATLABSIMULINK短路故障仿真及分析.doc

. . 山东农业大学毕 业 论 文基于MATLAB/SIMULINK短路故障仿真及分析 院 部 机械与电子工程学院 专业班级 电气工程及其自动化3班 届 次 2015届 学生姓名 学 号 指导教师 二一五年六月六日装订线. . . 目 录摘要IIAbstractII1 引言11.1 MATLAB/Simulink概述11.1.1 MATLAB简介及特点11.1.2 SIMULINK简介及特点31.2 电力系统仿真概述41.3 基于MATLAB/Simulink电力系统仿真的发展趋势72 三相短路故障仿真分析92.1 电力系统故障简述92.2 仿真实例112.2.1 实例仿真摘要112.2.2 仿真模型建立122.2.3 三相短路故障仿真及结论分析213 同步发电机机端短路故障仿真分析273.1 暂态过程仿真及分析273.2 其它故障仿真分析294 结束语30参考文献31致谢32iContentsSummaryIIAbstractII1 Introduction11.1 MATLAB/ Simulink Outline11.1.1 MATLAB Introduction and Features11.1.2 Simulink Introduction and Features31.2 Overview of Power System Simulation41.3 Based on the development trend of MATLAB / Simulink Power System Simulation72 Simulation and Analysis9 2.1 Power System Fault Description9 2.2 Simulation examples112.2.1 The simulation summary 112.2.2 Simulation Model122.2.3 Phase short circuit fault simulation analysis and conclusions213 Synchronous Generator short-circuit fault simulation273.1 Transient Simulation and Analysis273.2 Other fault simulation analysis294 Conclusion30References31Acknowledgements32ii基于MATLAB/SIMULINK短路故障仿真及分析周光泉(山东农业大学 机械与电子工程学院 山东泰安 271018)摘要:随着电力系统的规模不断增大，很多大型电力科研试验很难以进行。采用传统的方法进行仿真计算工作量大也不直观。MATLAB具有强大的数值计算功能和开放灵活的可视化应用界面，在科学技术和工程的各个领域应用都非常的广泛。因此MATLAB的出现给电力系统仿真带来了新的方法和手段。电力系统仿真是将电力系统中的各环节组成部分等进行数字化建模，以达到模拟实际电力系统运行状况的目的。本文对实例进行仿真，对结果进行分析，以期能够说明MATLAB在电力系统仿真中的应用。关键词:电力系统 仿真 MATLAB 分析 应用Based on MATLAB / SIMULINK Power System Simulation and Application Overview Guangquan Zhou(Mechanical and Electronic Engineering, Shandong Agricultural University, Taian 271018)Abstract With the increasing scale power systems, many large power is difficult to carry out scientific research and experiments. Using the traditional method simulation workload is not intuitive. MATLAB has powerful numerical computing and visualization applications open and flexible interface, application in various fields of science, technology and engineering are very broad. Therefore, the emergence of MATLAB power system simulation brings new methods and means. Power system simulation is the purpose of the various aspects of the power system and other components of digital modeling to achieve simulate the actual operating conditions of the power system. In this paper, examples of simulation results were analyzed, in order to be able to explain MATLAB Applications in Power System Simulation.Keywords: Power systems; Simulation; MATLAB; Analysis; ApplicationII1 引言 MATLAB是当前国际认可的优秀科技应用软件之一，它以矩阵运算为基础，把计算可视化程序设计融合到交互的工作环境中，可实现工程计算，算法研究，建模和仿真，数据分析及可视化，科学和工程绘图，应用程序开发等功能。Simulink是MATLAB所提供的一个集成环境，它是用来对动态系统进行建模，仿真和分析的。它是一种结合了框图界面和交互仿真功能的，具有非线性动态系统仿真功能的出色工具1。 为支撑社会经济的不断发展，电力工业的发展也非常迅速，重要表现之一就是电力系统的规模不断扩大，这就大大增加了许多大型电力科研试验的进行。一方面是很容易受系统的规模和复杂性的限制；二是一般从系统的安全性角度来讲是不允许进行这些实验的2。综合上述两种情况，科研人员寻求一种最接近电力系统实际运行状况的高精确度的数字化仿真工具是非常必要也非常重要的，目前比较常用的电力系统仿真工具有邦纳维尔电力局开发的BPA程序和EMPT程序，曼尼拖巴高压直流研究中心开发的PSCAD/EMTDC程序以及中国电力科学研究院开发的电力系统分析综合程序PSASP等。1998年，Mathworks公司推出电力系统模块集（Power System Block）后，这样的功能逐渐被电力系统研究人员所接受并使用，使得MATLAB/SIMULINK在电力系统领域的应用日趋完善。1.1 MATLAB/Simulink概述1.1.1 MATLAB简介及特点MATLAB是由英文单词Matri和Laboratory的前3个字母组成。是1984年由Mathworks软件公司开发，并将MATLAB正式推向市场。在之后二十多年的发展和竞争中，MATLAB不断升级出新的版本，现在最常用的版本是7.0版，运行环境也从早期的DOS环境下运行到如今可以在包括Windows,UNIX及Mac OSX等多个操作平台上运行，目前，MALAB已经成为国际上最流行的科学计算与工程计算的软件工具，也正因为此很多人称它为“第四代”计算机语言，在国内外高校和研究部门正扮演着异常重要的角色。在大学里，它是用于初等和高等数学，自然科学和工程学的标准数学工具；在工业界，它是非常高效的研究，开发和分析的工具。随着科技的发展，许多工程师对MATLAB进行了不间断的完善，使其从一个简单的矩阵分析软件逐渐发展成为一个具有极高通用性，并且带有众多实用工具的运算操作平台3。MATLAB为一个交互式系统，基本数据单元是数组，但是这个数组不要求固定的大小，因此可以让用户解决许多技术上的计算问题，特别是实际运行过程当中那些包含矩阵和矢量运算的较为复杂的问题。MATLAB的指令表达使用较为方便，其与数学，工程中常用的习惯形式是十分相似的，而与C，Fortran等高级语言相比，MATLAB的语法规则使用起来就显得更简练，在表达上也与工程习惯更为贴切。正因为如此，人们感觉用MATLAB语言编写程序的过程就犹如在便签上书写公式和求解的过程，因此，MATLAB有被称为“便笺式”的科学工程计算语言的美誉4。除了这些之外，其开放性也是MATLAB最重要和最受人欢迎的特点之一。并且除了内部函数以外，所有的MATLAB主要文件以及各工具箱文件全部都是可以读写可以更改的源文件，这是因为工具箱实际上是由一组复杂的MATLAB函数（M文件）组成，它扩展了MATLAB的功能，因此用户在用来解决特定的问题时仅可以通过对源文件的修改和加入自己编写的文件来构建新的专用工具箱就可以了。MATLAB的整个系统主要由五大部分组成5：（1）MATLAB开发环境 开发环境实际上是一组实用工具，用户通过利用这些工具可以使用MATLAB函数和文件，而在这其中的大多数工具都是图形用户的接口(它包括MATLAB桌面和命令窗口，命令的历史记录以及用来查看帮助的浏览器，工作间，文件和搜索路径)。（2）MATLAB数学函数库 包括许多基本函数和复杂函数。（3）MATLAB语言 这是一个高级的矩阵数组编程语言，带有流程控制语句，以及函数，数据结构，输入输出和面向对象编程的众多特点。（4）图像处理系统（5）MATLAB应用程序接口（API）自从MathWorks公司推出MATLAB后，MATLAB优秀的数值计算能力和卓越的数据可视化能力使得其快速的在众多数学软件中脱颖而出。而且随着版本的不断持续升级，它在数值计算和符号计算功能上不断得到了一步一步的完善。MATLAB的特点可以大致概括为以下七点：（1）提供了非常便利的开发环境。MATLAB为用户提供了一组可供用户操作函数和文件的具有图形用户界面的工具，这其中包括有MATLAB主界面，命令窗口，历史命令，编辑和调试，在线浏览帮助，工作空间，搜索路径设置等可视化工具窗口。（2）提供了非常强大的数学应用功能。MATLAB可以进行包括基本函数，复杂算法，更高级的矩阵运算等非常丰富的数学应用功能，特别适合应用于矩阵代数领域。除此之外它还具有众多高性能数值计算的高级算法，库函数也极其丰富，使用更加方便灵活。（3）编程语言非常简易高效。MATLAB为用户提供了和C语言几乎一样多的运算符，如果用户能够灵活使用MATLAB中的运算符，这将使程序变得极为简洁明了。MATLAB不但具有结构化的控制语句（如for循环，while循环，break语句和if语句）而且具有面向对象编程的特性。MATLAB程序书写形式也比较自由，而且可以利用丰富的库函数，以避开复杂的子程序编程任务，这就压缩了所有不必要的编程工作。还有是程序限制也不严格，程序设计的时候给用户留有的自由度非常大，并且也有很强的用户自定义函数的能力。（4）图形功能非常强大。如果用户想要可视化数据会变得非常简单这得力于MATLAB为用户提供了非常丰富的绘图函数命令。并且如果用户需要在可视化环境下进行比较个性化的图形编辑和设置MATLAB还提供了比较强的编辑图形界面的能力。（5）提供了功能非常强大的工具箱。MATLAB主要包含核心部分和各种可供选择的工具箱两个重要的部分。其中在核心部分中含有几百个重要的核心内部函数。工具箱又分为功能性工具箱和学科性工具箱两大类。功能性工具箱主要是可以用于多种学科，其主要功能是用来扩充其符号运算功能，图示建模仿真功能，文字处理功能以及与硬件实时交互的功能。但是学科性工具箱专业型就比较强。由于这些工具箱都是由相关领域内的资深专家编而成，因此用户在使用时没有必要编写自己学科范围内的基础程序，而直接进行高精尖的研究即可。（6）应用程序接口功能非常强大。用户可以通过使用C或FORTRAN等编程语言进而实现与MATLAB程序的混合编程调用，这是因为MATLAB提供了方便的应用程序接口。MATLAB也具有缺点:在实际应用中和其他高级程序相比来说MATLAB程序的执行速度会比较缓慢。这其中的主要原因是由于MATLAB的程序不用编译等预处理，也不会生成可执行文件，程序为解释执行。 用户如果实际使用过MATLAB，会感觉到其最重要的特征是它拥有解决特定问题的程序组，也就是TOOLBOX(工具箱)。1.1.2 SIMULINK简介及特点dSimulink是MATLAB提供的实现动态系统建模和仿真的一个软件包,它是MATLAB的重要组件之一，是基于框图的仿真平台，具有相对独立的功能和使用方法。Simulink挂接在MATLAB运行环境上，以MATLAB的强大计算功能为基础，进而将利用直观的模块框图进行仿真和计算。Simulink为用户提供了各种仿真工具，尤其是它一直在不断扩展的，内容丰富的模块库，为系统的仿真提供了极大的便利。Simulink的操作非常简便只需用户在Simulink平台上拖拽和链接典型模块就可以绘制仿真对象的模型框图，并对模型进行激活仿真，基于这点使得其广受用户欢迎。而且在Simulink平台上，仿真模型具有很强的可读性，这就有效避免了在MATLAB窗口使用MATLAB命令和函数进行仿真时，需要熟悉大量M函数的麻烦，对广大工程技术人员来说，这是一个非常令人高兴的消息。从它能让用户在图形方式下以付出最小的代价来模拟真实运行的动态系统的角度来讲，Simulink是一种非常有效的仿真工具。Simulink11具有如下许多特点：（1） 可以建立动态系统的模型并进行仿真。SIMULINK的仿真功能主要以图形化的形式来表现，主要是应用于对动态系统运行状况的建模以及对系统控制规律的研究定制。由于它可以支持线性连续离散多变量和混合式系统的结构，使得SIMULINK几乎可用于分析任何一种类型的真实动态系统。（2） 可以以直观的方式进行模型的建立。用户可利用SIMULINK建模方式是可视化的这一优点，以达到迅速的建立动态系统的框图模型的目的。这仅仅需要用户在SIMULINK元件库中选出合适的目的模块，并将其拖放到SIMULINK建模窗口中，之后用鼠标分别点击将其连接起来就可以完成目的了。（3） 可以增添定制模块原件和用户代码。SIMULINK模块库是可以根据用户需求而定制的，能够扩展以包容用户自定义的系统环节模块。当然更为自由的是用户也可以修改已经存在的模块的图标，或者是重新设定对话框，甚至是换用其它形式的弹出菜单和复选框。（4） 可以快速准确的进行设计模拟。SIMULINK中预置的非常出色的积分算法程序给非线性系统仿真带来了非常高的精确度。而且先进的常微分方程求解器既可以用于求解刚性的系统，也可以用于求解非刚性的系统，以及用于求解具有事件触发或不连续状态的系统和具有代数环的系统。SIMULINK的求解器能确保连续系统或离散系统的仿真高速准确的进行。同时，更为用户着想的是，SIMULINK还为用户准备了一个图形化的调试工具，以辅助用户进行系统开发。（5） 可以分层次的表达复杂系统。由于SIMULINK的分级建模能力而使得体积庞大，结构复杂的模型构建也变得简单易行。这个过程就是根据需要，将各种模块可以组织成若干子系统。进而在此基础上，整个系统可以按照用户自己的意愿采取自顶向下或自底向上的方式搭建。（6） 可以进行交互式的仿真分析。在SIMULINK的示波器中用户可以选择用动画和图形显示仿真运行数据，并且在运行过程中用户也可以调整模型参数进行What-if分析，能够在仿真运算进行时监视仿真结果。利用这种交互式的特征可以帮助用户快速评估不同的算法，从而不断调整进行参数优化。由于SIMULINK完全挂接依赖于于MATLAB运行环境之中，并且在SIMULINK下仿真运行计算的结果可以快速完整的保存到MATLAB的工作空间（Workspace）中，因而就能使用MATLAB所具有的众多分析，可视化及工具箱工具操作编辑数据6。1.2 电力系统仿真概述 SIMULINK最初是为仿真控制系统而建立的工具箱，用户在使用过程中易编程，易扩展，并且可以成功解决用户在使用MATLAB过程中遇到的，非线性，变系数等其他软件难以解决的问题。Simulink既能够进行连续系统和离散系统的仿真应用，也能够进行线性系统和非线性系统仿真应用。并且SIMULIMK可以支持多种采样频率系统的仿真应用，让不同的系统能以不同的采样频率组合，这样就可以方便用户仿真较大较复杂的系统。因此，不同的科学或工程研究领域根据自己所需要的仿真要求，将MATLAB运行环境作为基础，开发出大量的专业领域内应用性较强的专用仿真程序，并把这些程序以模块的形式放入SIMULINK中，从而形成模块库，方便以后再次应用。这样可以容易看出SIMULINK的模块库本质上就是用MATLAB基本语言编写的应用性较强的子程序集。现在SIMULINK模块库中有3级树状的子目录，在一级目录下包含有SIMULINK最早开发的数学计算工具箱，控制系统工具箱，以及之后开发的信号处理工具（DSP BLOCKS），通信系统工具箱（Comm）等也一并列入了一级子目录模块库中，如果有兴趣只要逐级打开模块库浏览器（SIMULINK LIBRARY BROWSER）的目录，就可以看到这些模块。 从SIMULINK4.1版开始包含电力系统模块库（POWER SYSTEM BLOCKET）。用户在SIMULINK环境下，用电力系统模块库的模块，可以轻松方便的进行RLC电路，电力电子电路，电力系统和电机控制系统等的仿真运行。电力系统模块库SIMPOWERSYSTEMS(即POWER SYSTEM BLOCKET )是建立在SIMULINK标准模块和M语言基础上的一个附加模型库，它可以为电力系统仿真分析提供专用的各种线性与非线性元件和模块，更为重要的是在使用它时完全不需要学习复杂的软件命令，或者编写软件代码，用户只需要专注于物理模型本身，通过拖动连接与实际电路图非常相似的符号，来表示复杂的电力系统即可。图1-1所示为电力系统模块库（POWERLIB）在MATLAB中与其他模块的关系。 MATLAB底层支持平台（M语言，工作空间，图形系统，函数库，API）M语言的集成开发环境DSPPowerlib附加模块库StateflowSimulingk仿真平台（内含基本模）块库）模糊逻辑控制系统神经网络工 具 箱图1-1 电力系统模块与其他模块关系电力系统模块库包含以下几类13:（1） 电源库（electrical source）。（可控的）交/直流电压/电流源。（2） 线路元件库(elements)。包括断路器，分布参数和二形线路，线性和饱和性变压器，互感器，并串联RLC支路和负荷，避雷器等。（3） 电力电子元件库(power electrical)。包括二极管，GT。理想开关，MOSFET，晶闸管等。（4） 机组模型(machines)。包括异步电机，简化同步电机模型，详细同步电机模型，永磁同步电机，励磁系统，调速器等。（5） 应用程序库。包含了三种应用程序。（6） 测量元件(measurments)。电流和电压测量表计和波形显示器。（7） 其他原件(extras library)。如有效值仪表，功率计，六项整流桥，同步脉冲发生器等。（8） 电力图形用户界面（powergui）.通过它来设置系统的状态量及其初始值，并进行稳态潮流计算和分析。（9） 演示系统。提供应用实例。图1-2 电力系统模块电力系统模块库（SIMPOWERSYSTEMS）具有以下特点：（1） 让用户可以使用标准电气符号进行电力系统的拓扑图形模型建立和仿真。（2） 该模块库拥有标准的AC和DC电机模型模块，变压器，输电线路，信号和脉冲发生器，HVDC控制，IGBT模块和大量短路故障发生器，接地等设备模型。（3） 该模块可以让用户在仿真时可以使用SIMULINK强有力的变步长积分器和零点穿越检测功能，以得到精度较高的电力系统的仿真计算结果。（4） 用户可以选择利用定步长梯形积分算法进行离散仿真计算，这样的话就可以为快速仿真和实时仿真提供模型离散化方法。充分利用这一特性可以明显提高仿真计算的速度-尤其是针对那些带有电力电子设备的电力系统模型。另外，因为电力系统模型被离散化，因此使用户可用REAL-TIME WORKSHOP生成模型的代码，让仿真的速度得到更近一层的提高。（5） 用户可以利用POWERGUI交互式工具模块修改模型中潮流或电机的初始设置等的初始状态，可以从任何起始条件开始进行仿真分析，例如计算电路的状态空间表达，设定或恢复初始电流/电压状态，电力系统的潮流计算，计算电流和电压的稳态解等。（6） 该模块库为用户提供了可以扩展的电力系统设备模块，如功率电子元件，电力机械，控制测量模块和三项元器件等等。（7） 可以为用户仿真提供大量功能演示模型，也可让用户直接运行仿真或进行案例学习，以便于得到对仿真的初步了解7。仿真的方法与流程：MATLAB中至少有两种独立的方法实现对电力系统的仿真和分析：一种是编程仿真就是应用传统的编程方法进行仿真，即利用MATLAB的编程功能对电力系统进行仿真，MATLAB可轻易再现C或FORTRAN几乎全部的功能，若用户非常熟悉C或FORTRAN，有些情况下更倾向于使用它们，MATLAB也提供了相应的接口，允许相互调用，以方便用户使用。利用MATLAB对系统进行编程仿真首先要构建电网系统，电路或电器元件的动态数学模型。另一种方法是在SIMULINK平台上进行仿真分析即框图式仿真，这种方法是为了解决尽管MATLAB大大提高了编程效率，但仿真计算时仍需要编程这个问题，在这种情况下如果系统的结构是比较复杂的，用户想要通过编程将这样的模型输入计算机仍会显得十分麻烦。SIMULINK是MathWorks公司推出的高性能的动态系统建模与仿真平台，而且已经在各领域得到广泛的应用。在1998年，MathWorks推出了电力系统仿真的专用电力系统工具箱SimPowerSystem(Power System blocket-PSB),用户利用SimPowerSystem与SimMechanics和simulink一起构造包括电力，机械和控制等的完整的电力系统结构框图，并进行仿真，而且非常形象直观从而可以大大减少编程工作量。这样容易对输入输出量化论域，语言变量，隶属函数和控制规则进行修改。当然另一种方式是可以通过存储在workspace的数据进行分析和处理。应用MATLAB进行电力系统仿真的一般步骤有：（1） 用户首先建立系统仿真模型。在SIMULINK环境中，通过鼠标进行操作，只需将构成系统所需的各种元件从相应的模型库中拖放添加到用户窗口，然后对其进行连接以实现物理系统的拓扑结构图，并根据仿真的需要在适当的地方接入测量模块以及显示模块，加入一个POWERGUI模块。（2） 实现模型参数的设置和控制算法。用户在仿真过程中会设置各模块元件的参数，在这个过程中往往会涉及到一些较为复杂的控制算法（如模糊逻辑控制），这时候就需要调用相应的工具箱进行控制器设计，或者通过编写M文件来实现。（3） 进行稳态分析。系统的稳态潮流计算以及初始值设定是通过POWERGUI模块进行的，其中包括3个功能选项：a）机组潮流功能，设置发电机节点的类型，电压和输出功率（或电压角度），进行潮流计算并初始化有关变量（如同步电机的励磁电压等）；b）状态变量设置功能。对计算所需的状态变量的数值分别进行设置，从而可以让用户从任意初始值开始进行下一步的仿真运行；c)稳态功能，主要是方便用户用以查看稳态运行时模型包括电压电流源，状态变量，被测量和非线性环节在内的各种物理量的数值。（4） 进行暂态仿真。首先设置系统扰动方式，如短路，机组输出，或者负荷变化等，然后选择仿真的数值算法和输出方式，然后选择仿真菜单下的开始选项或点击相应的工具按钮启动时域仿真，同时观测有关变量的波形变化，在仿真的任何时刻可以暂停，并能修改参数或算法，然后继续进行仿真。（5） 进行结果分析。用户进行仿真运行计算所得的数据可以得到直接显示，也可以按一定步长存在数组中，并输出到文件，从而可以方便的进行更为深入的时域和频域的分析。1.3 基于MATLAB/Simulink电力系统仿真的发展趋势 从能源方面讲，随着世界上的化石能源日趋枯竭，新能源变革迎来主要内容，这样的趋势让发展利用清洁能源和可再生能源成为世界各国的必然选择。而我们国家能源变革的目标可以归纳为：将化石能源逐步用可再生能源替换掉，并且不断提高技术以提高化石能源的清洁和高效利用水平，实现可再生能源（水能，风能，太阳能，地热能，生物质能）和核能在一次能源消耗上具有较高的利用率和占有较大的份额。在新能源变革的大形势下，会让电网的使命发生翻天覆地的变化，这样，初步展露头角的智能电网将变成适应新能源变革和承担电网新使命的新一代电网。早在21世纪初，我们国家就曾提出了建设特高压电网的规划，不断努力逐步加以实施并取得较好的成功。而在近两年，我们国家根据国际电力系统发展的最新动向，又在建设特高压电网的基础上进一步提出了建设智能电网的远大目标，形成宏伟蓝图的格局。我国的智能电网的发展是以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展的坚强网架为基础，以通信信息平台为支撑，具有信息化自动化互动化的特征，包含电力系统中的发电输电变电配电用电和调度中各个环节的现代化电网。正是电网顺此发展的同时，其规模不断的扩大，也不断有新能源发电并网，新型电力设备的加入，使得当今的电力系统已经变得日趋复杂，从而让运行人员更加难于对其进行监视和分析更难的是对其进行控制。并且，在近多年来，国内外不断发生着很多大规模的停电事故，2011年巴西“2.4”大停电，印度“7.30”“7.31”大停电事故，以及国内的海南电网2005年“9.26”大停电，河南电网2006年“7.11”事故等等。这些事故之所以发生如何避免安全事故的发生这些都为电网如何更加安全的运行提出了更高的要求，每一次安全事故的发生都会造成很大经济损失和社会影响，都在不断为人们敲响着维护安全运行的警钟。一般来说，如果发生比较大的停电事故，电力系统从第一次元件发生故障到整个系统的彻底崩溃会有较长的过程，在这个期间，如果运行人员能够运用一切得当手段进行正确的故障分析与正确处理，是完全可以避免衍生出大面积的停电事故的。换种说法，就是现在电网缺乏有效的在线监测和预警系统导致不能及时掌握电网运行是否稳定的情况，从而造成衍生出大面积停电事故的最主要的原因就成了能否对故障采取有效的控制措施。这样电力系统规划设计和调度运行的基础就成了电力系统仿真，它有非常广泛的范围，其中涉及到稳态仿真，动态仿真和暂态仿真的各个方面。当我们从电力系统动态过程响应时间与系统仿真时间的关系的角度来看时，可以将其分为非实时仿真和实时仿真；当我们从数据的来源角度来看时，可以将其分为在线仿真和离线仿真。而在这其中，在线仿真是能够实现在线预警和决策支持的非常必要的手段。电力系统仿真涵盖了众多学科领域，其中有电力系统，数学，计算机，通信等。现如今，面对智能电网建设提出的要求，如果想要推动仿真技术在仿真的准确性快速性灵活性等方面的发展，就需要不断引进计算机和通信技术以及数学方法等。具体体现在：（1） 仿真规模要实现更大化，用户可以根据自己的仿真需要对所要运行计算的数据进行粗细程度的适当调整。（2） 当进行仿真计算时，其计算的速度和准确性应该更进一步。（3） 将仿真计算与环境经济等更多相关领域相结合，从而可以使得仿真计算具有更多的功能。（4） 为了能够适应电力系统仿真在智能电网的建设与发展过程中，不断出现的新元件和新设备建模的需要，应该使得仿真建模具备更大的灵活性。（5） 在实际生产过程中，技术及科研人员应该不断加强对电力系统智能建模方法的应用以及对仿真结果的智能化分析。（6） 电网的自愈功能对实时决策控制提出了更高的要求。要求仿真技术能够实时跟踪评价电力系统中各个环节的行为，当系统故障一旦发生时能够立即进行仿真并且快速提供决策控制支持，以防止衍生出大面积停电，能够快速从紧急状态恢复到正常状态。（7） 为了能够适应未来的仿真实验可以对多个异地的试验设备的同步测试，仿真实验应该具备更大的灵活性。（8） 当前科技的进步，计算模式在发生不断地变化，如现已展现的云计算，协同计算等，基于这些未来的仿真计算要求要不断适应这些计算模式的发展。（9） 为了能够提高用户操作的便捷性和仿真系统的使用效率，未来的仿真技术应该能够实现智能人机交互仿真。（10） 仿真过程中必然会融合大量的数据，由此，为了提高仿真分析中对海量数据的整合能力，未来的仿真技术中应有数据融合技术的大量应用。2 三相短路故障仿真分析2.1 电力系统故障简述 电磁暂态过程是电力系统故障引起的，是电力系统故障分析的主要研究方向，目的是搞清楚暂态发生的原因，发展过程及后果。这样就可以让技术人员掌握必要的理论知识以防止电力系统故障，和减少故障损失。电力系统在实际运行中可能发生的故障类别较多，一般理论上将其分为简单故障和复合故障。简单故障指的是电力系统在正常运行过程中某一处发生短路或断相故障，而复合故障是指两个或两个以上简单故障的复合。其中短路故障包括三相短路，单相接地短路，两相短路和两相短路接地；断相故障包括断一相故障和断两相故障。其中短路故障示意图如下8：短路种类示意图符号三相短路两相短路 单相短路接地两相短路接地图2-1 短路故障类型对于整个的电力系统来说，在运行过程当中，由于方方面面的原因，出现故障是在所难免的，而在使得电力系统在正常运行时遭到破坏，以上的短路故障是在破坏电力系统正常运行的故障中危害最大且最为常见的故障，有以下几个方面是短路故障的主要不利影响：（1） 当发生短路故障时短路点附近的支路中会出现数倍于额定电流的短路故障电流,根据导体间的电动力与电流额定平方成正比，从而如果导体中有短路电流流过时，在导体间就会有比较大的电动力产生，进而产生非常大的机械应力，如果不及时进行处理就会破坏导体和它们的支架。（2） 当发生短路故障时，较大的故障电流会使一次设备的发热增加，在这种情况下如果短路的持续时间比较长时，设备就可能由于过热以致损坏甚至使用寿命会缩短。此时，电气设备可能会由于短路点产生的电弧而被烧坏。（3） 当发生短路故障时，如果短路点离电源不远而且会持续时间较长，短路故障有可能使得并列运行的发电厂失去同步，从而会破坏电力系统的稳定运行，引发重大的系统事故，进而导致大面积的停电。（4） 当发生短路故障时，短路故障会使得电压大幅度下降，使得电压跌落，这将导致产生的是电能的质量问题：电能质量问题会导致很多要求比较高的技术行业不能进行正常的生产而此时会给产业造成比较大的经济损失。更为重要的是，如果故障是发生在一条母线带多负载出线的配电网中，只要其中有任意一个负载上发生短路故障，这都会导致母线电压跌落，这样就会使整个所有的负载的电能质量受到影响。（5） 当发生短路故障时，不对称短路故障产生的不平衡电流将会导致产生不平衡磁通，会在附近与其平行的线路中（如通信线路，铁道信号线路）感应出比较高的电动势，从而会干扰通信线路正常的通信，严重时会危及设备和人身安全。（6） 当发生短路故障时，高于数倍额定电流的故障电流会经过杆塔或通过其他接地方式流入大地，在这种情况下会形成跨步电压，严重危及附近人员的人身安全和附近重要设备的安全9。因此，在发电厂，变电站以及整个电力系统的设计和运行工作当中都必须事先进行短路计算和仿真，以此作为合理选择电气接线，选用有足够热稳定度和动稳定度的电气设备及载流导体的基准，也是正确确定限制短路电流的措施的重要保障，在电力系统中合理的配置各种继电保护并整定其参数等的重要依据。由以上论述看来，短路故障问题是电力技术方面的基本问题之一，为此，要保障系统安全稳定运行掌握短路发生以后的物理过程，以及对短路过程的仿真计算方法是非常必要的，对仿真结果进行分析得出结论用于实际生产运行是非常必要的10。在本章中，主要进行的任务是对电力系统中短路故障进行建模和仿真，得出波形结果进行分析。2.2 仿真实例2.2.1 实例仿真摘要 在进行电力系统特性研究时，在MATLAB环境下搭建的电力系统模型应该能够最大限度地再现实际情况中的电力系统。通常，如果利用模块库中封装好的模块进行系统搭建，这些模块都对各个环节进行了一定程度的理想化，对各元件的参数也做了一定的取舍与简化。所以，如果想要对特殊的电力系统进行仿真，就需要建立数学模型，进行M文件的编写，从底层做起11。在MATLAB的不断发展过程中，模块库也在不断进行着更新与完善，使得用户应用非常方便，用户只要利用已有的模块对系统仿真进行模块的搭建连接12，就基本能够模拟实际的电力系统的特性，从而使其成为对电力系统进行分析设计仿真的有力工具。本次仿真实例主要是对最典型的电力系统进行建模仿真，通过对故障类型的不断更改控制，得出示波器中的不同波形即得到仿真结果，然后对仿真的结果进行分析，得出结论及对实际生产中的影响。本次仿真实例中主要是对单机无穷大系统进行建模，对三相短路故障进行仿真，对得出的故障电流，故障电压进行分析，还对故障电流的正序负序零序分量进行相序分析。从本次所建系统模型中，还可以对发电机机端发生三相短路故障进行仿真并得出结果进行分析。2.2.2 仿真模型建立首先对短路电流进行理论分析。在此以单机无穷大系统为例说明三相短路电流的计算方法，即认为单机无穷大系统为功率无穷大，频率恒定，电压恒定的系统。LTf图2-1 单机无穷大供电系统短路电流的计算方法有多种，一般用标幺值法较为普遍。这种方法简便快捷，而且可以对得出的结果直接进行分析。电力系统中各种电气设备如发电机，变压器，电抗器的阻抗参数均是以其本身额定值为基准值的标幺值或百分值给出的，而这样就要求在进行电力系统计算时，必须取统一的基准值，因此要求将原来的以本身额定值为基准值的阻抗标幺值换算到统一的基准值。在计算过程中，一般选定基准容量和基准电压在工程设计当中通常取=100 , =，其中是短路点的短路计算电压。基准电流： (2.1)基准电抗为： (2.2)（1） 在电力系统中的电抗标幺值： (2.3)（2） 在电力系统中电力变压器的电抗标幺值： (2.4) （3） 在电力系统中电力线路的电抗标幺值： (2.5)三相短路电流周期分量有效值的标幺值： (2.6)由此可得三相短路电流周期分量的有效值为： (2.7)求得后，可求：（1）(其中为短路点短路电流周期分量有效值)。（2）1000KVA及以下的电力变压器，二次侧或在低压电路发生三相短路故障时： （3）高压电路发生三相短路时： ，。以上仅介绍了三相短路故障电流的周期分量有效值计算方法，其他种类短路电流的计算方法均可由此推出。如果能够对单机无穷大功率电源供电系统三相短路故障的暂态过程进行理论分析，对下面将要进行的波形分析时会显得更为直观。RL图2-2 三相短路故障分析该无穷大功率电源供电的三相对称系统，短路发生前处于稳定状态。假设a相电流为 （2.8） (2.9) 假设t=0s时刻f点发生三相短路故障。显然此时电路被分成两个左右独立回路。由于无限大电源供电的三相电路，其阻抗由短路故障发生前的突然减小短路故障发生后的为。由于短路后的电路仍然是三相对称的，依据对称关系可以得到a,b,c相短路全电流的表达式 (2.10) (2.11) (2.12)式中，为短路电流的稳态分量的幅值10。 由上可见，短路故障发生至稳态时，三相中的稳态电流为三个幅值相等，相角相差120的交流电流，而它的幅值大小决定于电源电压幅值和短路回路的总阻抗。 本次仿真实例所建立模型如图2-3所示：5负载5负载无穷大电源Line 2Line 1230/13.8 变压器f图2-3 单机无穷大系统通过对模型进行分析，得出本次仿真要使用到的模块有:标准电压源，测量仪器，三相故障原件，发电机组，三相变压器，输电线路，负载，同步发电机模块，励磁系统模块和水轮机调速器模块。按照如图2-3所示模型图进行连接得到如下的框图仿真图：图2-4 系统仿真图 参数设置如下图：无穷大电源V=220,变压器选择双绕组三相变压器，变比设置为230 /13.8，高压绕组采用星型接地，低压绕组采用三角形接法。线路均采用串联RLC支路，线路1长220KM，线路2长200KM,x=0.4/KM,r=0.17/KM。发电机选择转子类型为凸极，容量为200MVA。频率为50其中未列参数均采用模块默认值。或在仿真过程中对参数进行适当修改，以保证得出尽量准确的数据和结论。图2-5 三相电源设置图图2-6 变压器设置图图2-7 传输线参数设置图图2-8 同步电机参数设置图图2-9 Powergui模块Powergui是Simulink为电力系统仿真提供的图形用户分析界面。Powergui利用Simulink功能连接不同的电器元件，是分析电力系统模型的有效图形化用户接口工具。图2-10 三项并联RLC负荷模块图2-11 励磁模块参数设置电机励磁模块参数设置如图2-11所示，其中调节器的增益值应为300，励磁器增益为0.01，时间为0.2s：衰减增益为0.001，时间常数为0.1s。故障模拟可通过三相故障原件更改故障类型，选择三相故障进行模拟实验。而要注意将故障电阻和接地电阻分别设置为0.001s（很小，但不为0）.设置故障时间段为:故障发生时间为0.1s，故障切除时间为0.3s。设置方式如下图所示：图2-12 三相故障模块使用图特别注意，本次仿真是针对电力系统是带发电机的刚性系统，故采用ode15s的算法。其中将仿真进行的时间段设置为0.5s。2.2.3 三相短路故障仿真及结论分析11 设置三相故障模块为三相短路故障（即故障相选择A，B，C三相以及接地相）,故障点如图2-3中f点所示。通过示波器得出的图像如下：在万用表M中选择故障点A,B,C 三相故障相电流作为测量量。激活仿真按钮，就可以得到故障点三相电流波形图如下图所示:(a) 故障电流(b) 故障电流(c) 故障电流图2-12（a,b,c） 故障电流，由此，可分析得出如下结论：在该系统稳态运行时，故障点A,B,C相电流由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，因而短路故障电流为0A。在0.1s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生三相短路故障，故障点A,B,C相电流发生明显变化。由于闭合时有初始输入量和初始状态量作用于系统之中，因而造成了故障A相电流波形上移，故障B相电流波形下移，故障电流C相波形上移，在0.1s-0.3s的暂态过程中，稳态电流为三个幅值相等，相角相差的交流电流。在0.3s时，三相电路短路故障发生器打开，相当于故障排除。此时，故障电流下降为零。在万用表元件M1中选择故障点A,B,C三相故障相相电压作为测量量。激活仿真按钮，则得到故障点三相相电压波形图如下所示。(a)故障电压(b)故障电压(c)故障电压图2-13(a,b,c) 故障电压,由此可得出如下结论：在稳态时，故障点三相电压由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，相当于没有发生任何故障