基于MATLAB的电力系统故障分析与仿真(毕业论文毕业设计).doc

毕毕业业 设设计计 论论文文 基于基于 MATLABMATLAB 的电力系统故障分析与仿真的电力系统故障分析与仿真 学学 号 号 姓姓 名 名 专专 业 业 电气工程及其自动化 系系 别 别 指导教师 指导教师 二 一三年六月 毕毕业业 设设计计 论论文文 基于基于 MATLABMATLAB 的电力系统故障分析与仿真的电力系统故障分析与仿真 学学 号 号 姓姓 名 名 专专 业 业 电气工程及其自动化 系系 别 别 指导教师 指导教师 二 一三年六月 北京交通大学毕业设计 论文 成绩评议北京交通大学毕业设计 论文 成绩评议 题目 基于 MATLAB 的电力系统故障分析与仿真 系别 专业 电气工程及其自动化 姓名 学号 指导教师建议成绩 84 评阅教师建议成绩 86 答辩小组建议成绩 82 总成绩 84 答辩委员会主席签字 年 月 日 北京交通大学毕业设计 论文 任务书北京交通大学毕业设计 论文 任务书 姓名学号专业电气工程及其自动化 设计 论文 题目基于 MATLAb 的电力系统故障分析与仿真 题目 性质 设计 论文 题目 来源 教学 科研 生产 其他 指导教师职 称工作单位备注 教授北京交通大学 毕业设计 论文 的内容和要求 内容 内容 本论文主要是对典型的电力系统故障进行理论分析 分为三相短路 单相接地短路 两相短路 两相接地短路四种我们熟知的短路情况 并且对其模型进行仿真分析 MATLAB的功能很强大 大大节省了建模的时间 因为它软件本身提供了一个三相短路故 障器 可以设置短路的所有情况 要求 要求 1 能对四种短路情况进行理论分析 2 掌握MATLAB Simulink中各个电力系统元件建模的参数 并对其进行仿真 毕业设计 论文 主要参考资料 1 夏道止 电力系统分析 第二版 M 北京 中国电力出版社 2011 2 李光琦 电力系统暂态分析 第三版 M 北京 中国电力出版社 2007 1 3 于群 MATLAB Simulink 电力系统建模与仿真 M 北京 机械工业出版社 2011 毕业设计 论文 应完成的工作 1 熟悉短路计算的基本方程 2 计算使用的数学模型及程序开发 3 建立描述电力系统运行状态的数学模型 4 确定解算数学模型的方法 5 制定程序框图及分析 6 用 MATLAB 对其进行仿真 进度安排 第 1 2 周 论文前期调研 借阅或下载与论文相关的资料 复习电力系统分析 电力系统故障分析等专业知识 第 3 周 完成开题报告 word 文档 第 4 周 通过前期调研 完成论文第一章 第二章 第 5 6 周 完成四种短路情况的理论分析 写出论文第三章 第 7 8 9 周 建立描述电力系统运行状态的数学模型 写出第四章部分初稿 第 10 11 周 撰写毕业论文初稿 第 12 周 修改毕业论文 第 13 周 完善论文 准备答辩 指导教师签字 日期 年 月 日 系意见 日期 签字 系 盖章 日期 年 月 日 北京交通大学毕业设计 论文 开题报告北京交通大学毕业设计 论文 开题报告 姓名学号专业电气工程及其自动化 设计 论文 题目基于 MATLAB 的电力系统故障分析与仿真 1 毕业设计 论文 的目的及意义 含国内外的研究现状分析 一 目的 本设计目的是对电力系统的故障进行分析 并对算例运用 Matlab 软件的 Simulink 工 具搭建电力系统故障模型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 从而得出是否具有一致性的结论 同时也 验证 Matlab 在电力系统仿真中是否具有真正作用 二 意义 电力系统故障分析是关系到电力系统安全稳定运行的重要问题 国内外从 20 世纪 80 年代起已经进行了大量的研究工作 提出了多种故障分析技术和方法 但实际系统中该问 题并未很好地解决 随着电力系统规模日趋庞大 结构更加复杂 对电力系统故障诊断提 出了更高的要求 目前 国内外提出了许多电力系统故障诊断的技术和方法 主要有专家 系统 人工神经网络 优化技术 Petri 网络 模糊集理论 粗糙集理论 多代理技术 针 对电力系统运行实际情况 从技术和安全上考虑无法进行实际故障实验 因此开展电力系 统系统仿真与故障分析工作具有重要实践指导价值 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 在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 仿真程序 用于电力系统电磁 暂态计算 电力系统暂态过电压分析等 PSCAD EMTDC 程序 应用是计算电力系统遭受 扰动和参数变化时 参数随时间变化的规律 以及中国电科院开发的仿真软件 PSASP 其 功能主要有稳态分析 故障分析和机电暂态分析 还有 Math works 公司开发的 MATlAB 软件 MATLAB 自身的特点使它获得了对应的应用学科 特别是对边缘学科和交叉学科 的极强适应能力 并很快成为应用学科计算机辅助分析 设计 仿真已至教学等不可缺少 的基础软件 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 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 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 2 基本内容和技术方案 一 内容 本设计主要是针对典型的电力系统故障进行理论分析 包括三相短路 单相接地短路 两相短路以及两相接地短路四种熟知的短路情况 并且在掌握 MATLAB 软件的基础上 对其相应的电力系统故障进行仿真分析 从而得出结论 二 技术方案 本论文首先对电力系统的故障进行研究 包括故障的分类 故障概率 故障后果 短 路电流计算的规定 短路点选择原则 短路电流计算的基本步骤以及电力系统故障分析计 算 然后根据算例 运用 Matlab Simulink 搭建电力系统故障模型进行电力系统故障仿真 得其出仿真的结果 最终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对 比 从而得出结论 3 主要参考文献 1 夏道止 电力系统分析 第二版 M 北京 中国电力出版社 2011 2 李光琦 电力系统暂态分析 第三版 M 北京 中国电力出版社 2007 1 3 王显平 电力系统故障分析 M 北京 中国电力出版社 2008 5 4 于群 曹娜 MATLAB Simulink 电力系统建模与仿真 M 北京 机械工业出版社 2011 5 陈珩 电力系统稳态分析 M 北京 中国电力出版社 2007 6 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 2003 1 1 6 4 进度安排 第 1 2 周 论文前期调研 借阅或下载与论文相关的资料 复习电力系统分析 电力系统故障分析等专业知识 第 3 周 完成开题报告 word 文档 第 4 周 通过前期调研 完成论文第一章 第二章 第 5 6 周 完成四种短路情况的理论分析 写出论文第三章 第 7 8 9 周 建立描述电力系统运行状态的数学模型 写出第四章部分初稿 第 10 11 周 撰写毕业论文初稿 第 12 周 修改毕业论文 第 13 周 完善论文 准备答辩 5 指导教师意见 同意开题 指导教师签字 日期 年 月 日 6 系意见 签字 系 盖章 日期 年 月 日 北京交通大学毕业设计 论文 指导教师评阅意见北京交通大学毕业设计 论文 指导教师评阅意见 姓名学号专业电气工程及其自动化 指导教师职称教授单位北京交通大学 指导教师职称单位 毕业设计 论文 题目基于 MATLAB 的电力系统故障分析与仿真 指导教师评语 该同学对电力系统的短路故障进行理论分析 并利用 MATLAB simulink 进行仿真 理 论分析充分 仿真结果正确 论文撰写符合规范 可以提交答辩 是否同意答辩 同意 论文成绩 84 指导教师 签名 年 月 日 北京交通大学毕业设计 论文 评阅教师评阅意见北京交通大学毕业设计 论文 评阅教师评阅意见 姓名学号专业电气工程及其自动化 指导教师职称教授单位北京交通大学 指导教师职称单位 毕业设计 论文 题目基于 MATLAB 的电力系统故障分析与仿真 对论文的评语 ooo 同学毕业论文的选题是基于 MATlAB 的电力系统故障分析与仿真 论文探讨了电 力系统故障分析和设计方法 具有一定实用价值 该同学收集的数据资料较翔实 分析和 论证有一定深度 结论正确合理 论文的写作基本规范 存在问题是对存在问题的探讨还 可进一步深入 对存在问题原因的分析还可进一步展开 综上所述 ooo 同学已经掌握了本专业的基础理论和相关专业知识 该同学写作的毕业论 文已经达到本科毕业论文水平 可以提交答辩 是否同意安排论文答辩 同意 论文成绩 84 评阅教师 签名 年 月 日 北京交通大学毕业设计 论文 答辩小组评议意见北京交通大学毕业设计 论文 答辩小组评议意见 姓名学号专业电气工程及其自动化 毕业设计 论文 题目基于 MATLAB 的电力系统故障分析与仿真 答 辩 小 组 成 员 姓 名职 称工作单位备注 组长 答辩小组评语 该同学能对电力系统故障进行仿真 在论文答辩过程中 叙述正确充分 仿真结果正确 对答辩小组提出的问题能够正确回答 答辩情况良好 答辩组长 签名 年 月 日 答辩成绩 84 毕业设计 论文 诚信声明毕业设计 论文 诚信声明 本人声明所呈交的毕业设计 论文 是本人在指导教师的指导下 独立进行研究工作 所取得的成果 除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外 毕业设计 论文 中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料 申请学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切相关责任 本人签名 日期 毕业设计 论文 使用授权书毕业设计 论文 使用授权书 本人完全了解北京交通大学有关保管 使用论文的规定 其中包括 学校有权保管 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件 学校可以采用影印 缩印或其它复制手段复 制并保存论文 学校可允许论文被查阅或借阅 学校可以学术交流为目的 复制赠送和 交换学位论文 学校可以公布学位论文的全部或部分内容 本人签名 日期 I 摘摘 要要 本设计分析了电力系统短路故障的电气特征 并利用 Matlab Simulink 软件对 其进行仿真 进一步研究短路故障的特点 通过算例对电力系统短路故障进行分 析计算 然后运用 Matlab Simulink 对算例进行电力系统短路故障仿真 得出仿真 结果 并将电力系统短路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 Simulink 分析 短路电流计算 II Abstract This introduction to the power syetem short circuit fault analysis method and simulation of Matlab simulink basic features First analysis and calculation of power system short circuit fault and then use Matlab simulink to power system short circuit fault simulation obtain simulation results Compare 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 visually inspect the dynamic characteristics of power system short circuit fault and verified in power system simulation of Matlab Keywords Fault analysis Simulink simulation Calculation of short circuit current III 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 1 1 电力系统故障分析的意义 1 1 2 本论文所做的工作 1 2 仿真软件 2 2 1 MATLAB SIMULINK简介 2 3 电力系统故障分析 7 3 1 故障概述 7 3 2 故障类型 7 3 3 故障概率 8 3 4 短路计算的基本原则和规定 8 3 5 短路点选择原则 10 3 6 短路电流计算的基本步骤 10 3 7 电力系统故障分析计算 10 4 电力系统故障仿真 13 4 1 三相短路系统仿真模型及各模块参数设置 13 4 2 仿真结果分析 19 5 结论 28 参考文献 29 致 谢 31 北京交通大学毕业设计 论文 1 1 1 绪论绪论 1 11 1 电力系统故障分析的意义电力系统故障分析的意义 电力系统发生使对称结构遭受破坏的短路故障 由于短路会产生十分严重的 后果 因而引起了高度重视 除尽量消除导致短路的原因外 还应在短路故障发 生后及时采取措施 尽量减少短路造成的损失 如采用继电保护将故障隔离 在 合适的地点装设电抗器以限制短路电流 采用自动重合闸消除瞬时故障使系统尽 快恢复正常等 这些措施均须建立在故障计算的基础上 在发电厂 变电所以及 整个电力系统的设计工作中 都必须事先进行短路计算 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 确定限制短路电 流的措施 合理配置各种继电保护并整定其参数等的重要依据 因此故障计算对 于电力系统的设计和安全运行具有十分重要的意义 1 21 2 本论文的主要工作本论文的主要工作 本文是典型的电力系统故障分析 根据需要 分为三相短路 单相接地短路 两相短路 两相短路接地模型进行仿真分析 而这是我们熟知的四种短路情况 而 MATLAB SIMULINK 功能的强大 大大节省了建模的时间 因为它软件本身 提供了一个三相短路故障器 可以设置短路的所有情况 北京交通大学毕业设计 论文 2 2 2 仿真软件仿真软件 2 12 1 MatlabMatlab 的简介的简介 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 Microsoft Excel 集成 2 北京交通大学毕业设计 论文 3 8 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 北京交通大学毕业设计 论文 4 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 北京交通大学毕业设计 论文 5 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 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 北京交通大学毕业设计 论文 6 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Model Explorer 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Embedded Matlab 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 al Accelerator Rapid Accelerator 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 北京交通大学毕业设计 论文 7 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 北京交通大学毕业设计 论文 8 3 3 电力系统故障分析电力系统故障分析 3 13 1 故障概述故障概述 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10 15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 3 23 2 故障类型故障类型 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 1 1 给出这几种短路的简略记号 表表 1 11 1 短路的简略记号短路的简略记号 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 3 F 2 F 1 F 1 1 F 北京交通大学毕业设计 论文 9 3 33 3 故障概率故障概率 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 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 1 2 表表 1 21 2 不同范围能发生短路故障几率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 78 0 7 5 6 5 8 0 表表 1 3 110kV110kV 线路上各种类型短路故障几率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 5 4 8 83 从表 1 3 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 3 43 4 短路计算的基本原则和规定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 北京交通大学毕业设计 论文 10 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 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 北京交通大学毕业设计 论文 11 工程建成的5 10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6 10KV 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 3 53 5 短路点选择原则短路点选择原则 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 因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2 3个分别进行计算 然后将计算结果进行 比较 3 63 6 短路电流计算的基本步骤短路电流计算的基本步骤 在进行短路电流计算前 应根据计算的目的搜集有关资料 如电力系统接线 图 运行方式 各元件的技术数据等 进行计算时 首先作出计算电路图 再根 据计算电路图对各短路点作出等值电路图 然后利用网络简化规则 将等值电路 逐步简化 求出短路回路总电抗 最后根据总电抗可求出短路电流值 3 73 7 电力系统故障分析计算电力系统故障分析计算 算例 假设无穷大功率电源供电系统如图 3 1 所示 0 02s 时刻变压器低压分 母线发生三相短路故障 仿真其短路电流周期分量幅值和冲击电流的大小 线路 北京交通大学毕业设计 论文 12 参数为 变压器的额定容量50LkM 1 0 4xkM 1 0 17rkM 短路电压 短路损耗 空载损耗20 N SMVA s U 135 s PkW 空载电流 变比 负载 高低压0 8 o I 0 8 o I 110 11 T k 5SMW 绕组均为 Y 形联接 并设供电点电压为 110kV 其对应的 Simulink 仿真模型如图 4 1 所示 L S T f Load 图图 3 13 1 计算 变压器 T 采用 Three phrase transformer Two Windings 模型 根据给定 的数据 变压器的电阻为 33 2 22 1010 110 20000 T N N s PU R S 变压器的电抗为 33 2 2 100 1010 10 5 110 100 20000 T N N s X UU S 则变压器的漏感 30 202 63 53 2 3 14 50 2 LHHxf 变压器的励磁电阻为 335 2 o P 2 22 10 110 105 5 10 m N U R 变压器的励磁电抗为 33 2 1002 100 110 0 8 2000 1010 N N m o U IS x 变压器的励磁电感为 北京交通大学毕业设计 论文 13 36 240 8 75625 214 50 2 m m HHLxf 输电线路 L 采用 Three Phase series RLC Branch 模型 根据给定的参数计 算可得 1 0 17 L Rrl LL1 X LH 0 064H 20 2 3 14 0 4 50 L XXl 得到以上的电力系统参数后 可以首先计算出在变压器低压母线发生三相短路故 障时短电流周期分量幅值和冲击电流的大小 短路电流周期分量的幅值为 m LL m 22 Uk I 22 RR X X A 2 110 3 10 2 08 8 5 63 5 20 10 63 A k 时间常数为 a T aT T 3 10 L 0 202 0 064 4 08 8 5 0 0211 LTL LRRss 则短路冲击电流为 0 01 0 0211 3 11 11 622517 3 immm ieIIkA 北京交通大学毕业设计 论文 14 4 4 电力系统故障仿真电力系统故障仿真 4 14 1 三相短路系统仿真模型及各模块参数设置三相短路系统仿真模型及各模块参数设置 图图 4 14 1 电力系统三相短路系统仿真模型电力系统三相短路系统仿真模型 一 三相电源模块 一 三相电源模块 三相电源原件是电力系统设计中最常见的电路原件 也是最重要的原件 其 运行特性对电力系统的运行状态起到决定性的作用 三相电源原件提供了带有串 联 RL 支路的三相电源 三相电源模块参数设置包含 7 个选项 分别是相电压 Phase to Phase rms voltage 表征的是三相电源 A 相 B 相和 C 相的相电压 A 想相角 phase angle of phase A 单位是度 degrees 频率 Frequency 内部连接方式 Internal connection 短路阻抗值 Specity impedance using short circuit level 用来设定 在短路情况下的阻抗数值 三相电源电阻 Source resistance 三相电源电感 北京交通大学毕业设计 论文 15 其中 内部链接方式有 3 种 分别是 Y 型 表示中性点不接地 Yn 型 表示 中性点接地电阻或消弧线圈接地 Yg 型 表示中性点直接接地 图图 4 24 2 三相电源模块的参数三相电源模块的参数 二 并联 二 并联 RLCRLC 负荷模块负荷模块 并联 RLC 负荷模块 Parallel RLC Load 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 北京交通大学毕业设计 论文 16 图图 4 34 3 负载模块的参数负载模块的参数 三 三相线路模块 三 三相线路模块 图图 4 44 4 三相线路模块参数三相线路模块参数 四 三相变压器模块 四 三相变压器模块 1 变压器模块 北京交通大学毕业设计 论文 17 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 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 指次级功率与初级功率比值的百分比 通常变压器的额定功率 2 P 1 P 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 P 单位VA 额定电压 V 单位V 以及额定频率 f 单 nnn 位Hz 对每一个绕组 其电阻和电抗的标么值定义如下 base up L L R 4 1 base up L L L 4 2 北京交通大学毕业设计 论文 18 n n base P V R 2 4 3 n base f R L 2 4 4 式中 V P和f分别为一次绕组的额定电压 额定功率和额定频率 nnn 3 双绕组三相变压器 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 超前星形 30 它们可以通过该功能模块 11 D 图图 4 54 5 变压器模块的参数变压器模块的参数 五 三相 五 三相电压电流测量模块电压电流测量模块 三相电压电流测量模块 Three PhaseV I Measurement 将在变压器低压侧测 量到的电压 电流信号转变成 Simulink 信号 相当于电压 电流互感器的作用 北京交通大学毕业设计 论文 19 图图 4 64 6 三相电压电流测量模块的参数三相电压电流测量模块的参数 六 三相故障模块 六 三相故障模块 三相故障模块提供了一种可编程的相间 phase to phase 和 phase to ground 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 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 Ground resistance Rg 自动被设置为 10 6 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 External control 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 internal control mode 时 其开 关时间 switching times 和开关状态 均在该模块的属性参数对话框中进行设置 北京交通大学毕业设计 论文 20 4 24 2 仿真结果分析仿真结果分析 对供电系统变压器低压侧电路的短路进行分析 主要分析单相接地短路 两相接地短路 两相短路及三相短路的电压和电流的变化 一一 三相短路分析三相短路分析 将三相短路故障发生器元件 Three PhaseFault 中 故障相选择 的 A B C 三相故障全部选中 转换时 Transitiontimes s 设置为 0 02 0 1 对应的状态 转换 Transiti onst atus 设置为 1 0 其中 1 表示闭合 0 表示断开 在三相电压 电流测量模块 Three PhaseV IMeasure ment 中选择相电压和电流作为测量电气量 运行仿真 双击 Scope 可以得到高压供电系统变压器低压侧母线的三相短路故 障电压波形如图所示 从图 4 8 中可以看出 在 0 02 时刻之前 0 1 时刻之后系统处于稳态下 各 相电压都很大 在 0 02 时刻发生短路故障后 各相电压均快速降低 符合实际 电力系统发生短路故障电压降低的特征 运行仿真后 双击 Scope1 可以得到高压供电系统变压器低压侧母线的三相 短路故障电流波形如 4 9 图所示 由图可以得到以下结论 在稳态时 供电系统 各相电流由于三相短路故障未发生 因而三相电流都为 0A 在 0 02 时刻 高压 供电系统变压器低压侧电路发生三相短路故障 A B C 三相电流均发生剧烈变 化 由于三相电路相电流之间存在相位差 因而故障点各相电流波形上升或者下 降 在 0 1 时刻 切除三相短路故障 A B C 三相电流迅速衰减为 0A 最后处 于稳定状态 为了得到仿真图中的准确数值 以三相短路的 A 相为例 可以在 MATLAB 的主命令窗口中输入下列命令来显示故障相的电流数据 从得到的大量 A 相电 流数据中 可以发现短路电流周期分量的幅值为 10 64kA 短路冲击电流为 17 39kA 同理可得 B C 两相故障的电流值 仿真波形的数值与理论计算值相比 存在一定的误差 这主要是由电源模块的内阻造成的 可以通过更改电源模块的 北京交通大学毕业设计 论文 21 内阻值来缩小仿真值与理论值的误差 图图 4 74 7 三相故障模块参数 三相短路 三相故障模块参数 三相短路 北京交通大学毕业设计 论文 22 图图 4 84 8 ABCABC 三相短路电压三相短路电压 图图 4 94 9 ABCABC 三相短路电流三相短路电流 二 二 两相接地短路分析两相接地短路分析 将三相短路故障发生器元件 Three PhaseFault 中 故障相选择 的 A B C 三相故障选中 A B 两相 转换时间 Transitiontimes s 设置为 0 02 0 1 对应的 状态转换 Transitionstatus 设置为 1 0 其中 1 表示闭合 0 表示断开 在三相电 压电流测量模块 Three PhaseV IMeasure ment 中选择相电压和电流作为测量电 气量 运行仿真 双击 Scope 可以得到供电系统变压器低压侧母线的两相接地短路 故障电压波形如图 4 11 所示 从图中可以看出 在 0 02 时刻之前 系统处于稳 态 A B C 三相电压波形稳定且均匀变化 在 0 02 时刻发生 A B 两相发生接 地短路故障 A B 两相电压快速降为 0 C 相电压发生抖动 电压值变大 在 0 1 时刻切除