力系统短路故障分析与仿真.doc

2014 年 4月 17日基于MATLAB/Simulink电力系统短路故障分析与仿真摘 要：本文介绍了MATLAB软件在电力系统中的应用，以及利用动态仿真工具Simulink和电力系统工具箱PSD进行仿真的基本方法。介绍了MatlabSimulink的基本特点及应用Matlab进行电力系统仿真分析的基本方法和步骤。通过算例对电力系统短路故障进行分析计算。然后运用MatlabSimulink对算例进行故障仿真，得出仿真结果。结果表明计算结果与仿真结果差别不大，运用Matlab对电力系统短路故障进行分析与仿真，能够准确直观地考察电力系统短路故障的动态特性，验证了Matlab在电力系统仿真中的强大功能。关键词：短路故障；仿真；短路电流计算Abstract：This paper introduces the applications of MATLAB in power system analysis, and the basic simulation method of taking use of Simulink and PSD. The Matlab/Simulink basic features and application of Matlab basic method and steps of the simulation of power system.First analysis and calculation of power system short-circuit fault, and then use Matlab/Simulink to power system short-circuit fault analysis and calculation of results with the results of Matlab simulation and analysis so as to arrive at conclusions.It shows that using Matlab power system short-circuit fault analysis and simulation can accurately and visually inspect the dynamic characteristics of power system short-circuit fault analysis and verified in power system simulation of Matlab.Keyword:Fault analysis;Simulation;Calculation of short-circuit current目录绪论4设计目的4原始资料4设计内容和要求5总体设计6元件参数标幺值计算及等值电路6基于MATLAB/Simulink的电力系统仿真模型的构建10模型仿真运行 20仿真模型的建立20仿真结果及分析21总结24参考文献24附录25一、绪论随着电力工业的发展，电力系统规划、运行和控制的复杂性亦日益增加，电力系统的生产和研究中仿真软件的应用也越来越广泛。现在，我们主要使用的电力系统仿真软件有：EMTP程序，用于电力系统电磁暂态计算，电力系统暂态过电压分析，暂态保护装置的综合选择等。PSCADEMTDC程序，典型应用是计算电力系统遭受扰动或参数变化时，参数随时间变化的规律。PSASP，其功能主要有稳态分析、故障分析和机电暂态分析。 还有MathWorks公司开发的MATLAB软件。在MATLAB中，电力系统模型可以在Simulink环境下直接搭建，也可以进行封装和自定义模块库，充分显现了其仿真平台的优越性。更重要的是，MATLAB提供了丰富的工具箱资源，以及大量的实用模块，使我们可以更加深入地研究电力系统的行为特性。1.设计目的本课程设计是高校工科电气类相关专业的一门专业实践课。其目的是：1进一步提高收集资料、专业制图、综述撰写能力；2通过设计掌握基本专业理论、专业知识、工程计算方法、工程应用能力及基本设计能力；3培养理论设计与实际应用相结合的能力，开发独立思维和见解的能力；4培养独立分析和寻求并解决工程实际问题的工作能力； 5为毕业设计和实际工作打下坚实的基础。2.原始资料（二）：【学号尾数为双号的同学】取基值S=120MV.A，V=V，各发电机电压标幺值E1=1.0，对于线路：=0.4，对于负载：，所需变压器及线路参数如图2所示已给出。图1. 电力系统接线示意图3.设计内容及要求1. 手工计算系统模型中各元件的参数标幺值；2. 画出系统等值简化电路图（数学模型）；3. 利用MATLAB/SimPowerSystems工具箱，选择相关元件放置在合适的位置并按设计要求设置相关参数，然后连线构建成完整的系统不同短路故障仿真模型；4. 加入测量元件并设置不同节点不同类型的短路，有效设置好仿真参数后，选择合适的仿真步长算法，然后运行系统电路，获得短路电流仿真计算结果表（即对12个节点所有短路类型的短路电流列表），记录并详细分析仿真结果；用Matlab中Simulink组件的SimPowerSystems工具箱构建设计要求所给的电力系统模型，再在12个不同的母线上设置单相单路、两相短路、两相接地短路、三相短路，然后分别运行该系统，通过测量元件获得各个母线不同短路类型的短路电流。5. 利用Matlab所提供的工具，设计电力系统短路故障仿真GUI图形用户界面，通过组件的设置，回调函数的编写以及最后的运行，把系统模型与图形界面联系起来，有利于故障类型的选择和波形的查看。（选择其中某12个节点设计其不同短路类型的GUI波形界面即可）6. 撰写课程设计说明书。注：上述3、4两步如直接通过MATLAB编写m程序并调试运行获得短路电流计算结果也可以。二、总体设计1.元件参数标幺值计算及等值电路：取基值S=120MV.A，V=V，各发电机电压标幺值E1=1.0，对于线路：=0.4，对于负载：，所需变压器及线路参数如图2所示已给出。发电机电压标幺值：E1=1.0负载标幺值：，变压器标幺值：YN,d11 1*16MWV.A: YN,d11 2*20MWV.A: YN，d11 4*63MWV.A: YN,d11 2*16MWV.A: YN, Y,d11.2*10MV.A: YN,d11 63MWV.A: YN,d11 2*10MWV.A:线路标幺值： =0.4，40(36,34,32)km: 40(36,34,32)km: 40(36,34,32)km: 140(130,120,100)km: 140(130,120,100)km: 140(130,120,100)km: 80(75,70,62)km: 80(75,70,62)km: 80(75,70,62)km: 70(75,65,60)km: 70(75,65,60)km: 70(75,65,60)km: 30(28,25,20)km: 30(28,25,20)km: 30(28,25,20)km: 图2. 等值电路2. 基于MATLAB/Simulink的电力系统仿真模型的构建在Matlab的SimPowerSystems工具箱中利用相关的电力元件搭建仿真模型并运行系统，设置短路点得出访真结果。2.1电力元件设计2.1.1 三相电源1. 元件模型三相电源(3-Phase Source)元件的模型如图3-1 所示。图3-1 三相电源2. 功能说明三相电源是电路设计中常见的电路元件。三相电源是电路中最重要的元件，它的运行特性对电力系统的运行状态起决定性的影响。三相电源元件提供了带有串联RL 支路的三相电源。3. 参数设置双击三相电源元件，则弹出三相电源参数设置对话框，如图3-2所示。在三相电源参数设置对话框中包括两个区域，分别是三相电源说明和参数区域。图3-2 三相电源参数设置对话框1) 参数参数中包含7 个选项，分别是相电压(Phase-to-phase rms voltage)、A 相相角(Phaseangle of phase A)、频率(Frequency)、内部连接方式(Internal connection)、短路阻抗值 (Specify impedance using short-circuit level)、三相电源电阻(Source resistance)和三相电源电感(Source inductance)选项。(1) 相电压相电压表征的是三相电源A 相、B 相和C 相的相电压。相电压的单位是伏(V)，本次仿真计算选择相电压为10KV。(2) A 相相角A 相相角表示的是三相电源A 相的相位角。A 相相角的单位是度( )。例如，A相相角是10，则根据三相电源的相角特征得出B 相相角是110，而B 相相角是130，本次仿真计算中选A相相角为0.(3) 频率频率选项表示三相电源的电源频率值。频率的单位是赫兹(Hz)。本次仿真计算选择50Hz。(4) 内部连接方式内部连接方式表征的是三相电源的内部连接方式，如图3-3 所示。图3-3 内部连接方式内部连接方式有3 种，分别是：Y 型：表示三相电源Y 型连接，中性点不接地。Yn 型：表示三相电源Y 型连接，中性点接过渡电阻或者消弧线圈接地。Yg 型：表示三相电源Y 型连接：中性点直接接地。本次仿真计算中内部连接选择Y型连接。(5) 短路阻抗值短路阻抗值选项用来设定在短路情况下的阻抗数值。本次仿真计算短路阻抗根据系统所给的参数选择。(6) 三相电源电感三相电源电感表示的是三相电源的电感值。三相电源电感的单位是H。2.1.2 变压器元件 在电力系统电路中，变压器元件用来实现各种电路中的变压器。在变压器元件中包括 6 种元件，在本次仿真计算中采用三相变压器（双绕组）元件及三相变压器（三绕组）元件。 1、元件模型，如图3-4所示。图3-4三相变压器（双绕组）元件及三相变压器（三绕组）元件2 、参数设置双击三相变压器（双绕组）元件及三相变压器（三绕组）元件，则弹出参数设置对话框，如图3-5所示。在三相电源参数设置对话框中包括两个区域，分别是三相电源说明和参数区域。 图3-5三相变压器（双绕组）元件及三相变压器（三绕组）元件1) 参数参数包含3个选项，分别是变压器容量及频率（Nomianl Power and frequency）,两(三)个绕组电压、电阻、电感（Winding parameters）, 各相绕组内部连接方式(Internal connection)2.1.3输电线路输电线路有两种包括双回线和单回线。1、元件模型，如图3-6所示图3-6输电线路元件2、 参数设置双击三相输电线路元件，在三相输电线路元件对话框中进行设置，如图3-7所示。 图3-7三相输电线路元件参数设置选项框 1) 参数在输电线路元件对话框中包含 5 种选项，分别是频率(Frequency used for RLC specification)、正序阻抗和零序阻抗(Positive and zero sequence resistances)选项、正序电感和零序电感(Positive and zero sequence inductances)选项、正序电容和零序电容 (Positive and zero sequence capacitances)选项和线路长度(Line section length)选项。 （1） 频率 频率选项用来设置三相型输电线路元件的频率，用来计算参数。 （2） 正序阻抗和零序阻抗 正序阻抗和零序阻抗选项用来设置三相型输电线路元件的正序阻抗和零序阻抗。 （3） 正序电感和零序电感 正序电感和零序电感选项用来设置三相型输电线路元件的正序电感和零序电感。 （4）正序电容和零序电容 正序电容和零序电容选项用来设置三相型输电线路元件的正序电容和零序电容。 （5） 线路长度 线路长度选项用来设置三相型输电线路元件的输电线长度。2.2电力系统模型的搭建 (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。步骤一：将交流电流源元件依次编号G1、G2、G14。 步骤二：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)：10KV 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。步骤一：将交流变压器元件依次编号。 步骤二：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。步骤一：将输电线路元件元件依次编号线路的长度。 步骤二：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：根据系统不同决定在本例中，三相型输电线路元件的参数如下设置： 频率：50正序阻抗和零序阻抗：0.01273 0.3684 正序电感和零序电感：0.9337e-3 4.1264e-3 正序电容和零序电容：12.74e-9 7.751e-9 线路长度(Line Length)：根据系统选择。测量(Measurements)选项：选择不测量 (4) 下面对测量元件进行设计。从电路测量仪器(Measurements)库中选择电流计(Current Measurement)元件，复制后粘贴在电路图中。 将电压计元件名称改为 I，表示对电源电压进行测量。双击电压计元件，在弹出的电压计参数设置对话框中看到，输出的信号为电流幅值。（5）选择接地(Ground)元件、节点等，进行合理放置，如图 3-8 所示（阴影部分表示含有子系统）。图 3-8 系统所需的各元件各子系统详细连图1）4*15MW发电机子系统如图3-9所示图3-9 4*15MW发电机子系统2）2*20MW三相双绕组变压器如图3-10所示图3-10 2*20MW三相双绕组变压器子系统3）4*63MW三相双绕组变压器如图3-11所示图3-11 4*63MW三相双绕组变压器子系统4）3*12MW发电机子系统如图3-12所示图3-12 3*12MW发电机子系统5）63MW发电机变压器子系统如图3-13所示图3-13 63MW发电机变压器子系统5）2*10MW三相双绕组变压器子系统如图3-14所示图3-14 2*10MW三相双绕组变压器子系统6）2*25MW发电机子系统如图3-15所示图3-15 2*25MW发电机子系统三、模型仿真运行3.1仿真模型建立：图3.系统仿真模型图中，短路故障是用三相故障元件来模拟的，在该模块的参数设置中选择A项以及接地故障(Ground Fault)，并将故障电阻和接地电阻都设为0.001（很小，但不能为零）。故障时间段可通过Transition times来安排故障起始时间和切除时间分别为0.13和0.25。其余模块的参数设置都要根据系统要求进行适当修改，在此不再作过多叙述。对上述模型进行仿真前，需要选择仿真步长的算法，由于电力系统是带发电机的刚性系统，因此算法ode15s，ode23tb适合采用，仿真停止时间设定为0.4秒。经过一系列选择，设置后，就可以对系统开始仿真了。其余三种短路故障的模型与图4相同，唯一需要修改的地方则是三相故障元件的设置。当要对两相（假设B、C两相）短路故障进行仿真时，只需选择B相和C相，此时接地电阻默认值为10E6欧姆；两相短路接地故障需在两相短路故障设置的基础上多加一个接地选项，并将接地电阻设置为0.001；三相短路故障的设置就是将A、B、C三相全部选中。断线故障是用三相断路器来模拟的，断路器的初始状态设为闭合，某相发生断线故障时就选择改变与该相相连的断路器状态，使之打开。3.2 仿真结果及分析：本文以node1为例介绍仿真结果并对各个故障进行分析，测量A相接地短路时A、B、C相电压电流；A、B两相短路时A、B、C各相电压电流；A、B两相接地短路时各相电压电流；A、B、C三相短路时各相电压电流，并对其进行分析。（a）故障点A相电流（b）故障点A相电压（c）故障点B、C相电压电流图4.A相接地短路时故障点电压电流波形由图4所示的波形可以发现，仿真开始时，系统工作在稳定状态，三相电压、电流对称，都按正弦波变化，当A相013 8接地短路时，A相对地电压剧降为零，B，C两非故障相电压基本没有发生变化；再观察电流，在故障发生前，三相的对地电流都为0，单相接地短路以后，A相电流迅速增大为短路电流，占相和C相电流则保持原样故障后三相电压、电流不再对称，说明单相接地短路为不对称短路故障切除后。三相电压电流经暂态后达到新的稳定状态（a）A、B两相短路时A相电压电流 （b）A、B两相短路时B相电压电流（c）A、B两相短路时C相电压电流图5.A、B两相短路时故障点电压电流波形（a）A、B两相接地短路时A相电压电流 （b）A、B两相接地短路时B相电压电流（c）A、B两相接地短路时C相电压电流图6.A、B两相接地短路时故障点电压电流波形（a）A、B、C三相短路时A相电压电流 （b）A、B、C三相短路时B相电压电流 （c）A、B、C三相短路时C相电压电流图7.A、B、C三相短路时故障点电压电流波形改变A相接地短路元件参数为三相短路，得到线路三相短路时故障点的电压、电流波形，如图7所示。故障之前，系统工作在稳定状态，三相电压、电流对称，在013 S时发生三相短路，三相电压为O V，三相电流迅速上升为短路电流，并保持为三相对称，说明三相短路为对称性短路。故障切除后，三相电压电流最终达到新的稳态，并重新恢复三相对称运行的工作状态。以上仿真分析结果符合实际，且两相短路、两相短路接地的波形图经理论分析也均符合实际。四、总结 本论文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，得出了以下结论：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仿真工具室一种很实用的工具。 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总要方法和手段，由于M