電氣工程工程及其自動(dòng)化畢業(yè)論文

四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）電力系統(tǒng)的研究學(xué) 生：李俊學(xué) 號(hào) 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班 級(jí)：電氣 20153指導(dǎo)教師：李琦四川理工學(xué)院自動(dòng)化與電子信息學(xué)院二 O 一五年六月2電力系統(tǒng)的研究摘要隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模日益龐大和復(fù)雜，出現(xiàn)的各種故障，會(huì)給發(fā)電廠以及用戶和電廠內(nèi)的多種動(dòng)力設(shè)備的安全帶來(lái)威脅，并有可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)事故的擴(kuò)大，從技術(shù)和安全上考慮直接進(jìn)行電力試驗(yàn)可能性很小，迫切要求運(yùn)用電力仿真來(lái)解決這些問(wèn)題，依據(jù)電網(wǎng)用電供電系統(tǒng)電路模型要求，因此，論文利用MATLAB的動(dòng)態(tài)仿真軟件Simulink搭建了單機(jī)無(wú)窮大電力系統(tǒng)的仿真模型，能夠滿足電網(wǎng)可能遇到的多種故障方面運(yùn)行的需要。 論文以MATLAB R2009b電力系統(tǒng)工具箱為平臺(tái)，通過(guò)SimPowerSyetem 搭建了電力系統(tǒng)運(yùn)行中常見(jiàn)的單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)得到了在該系統(tǒng)發(fā)生各種短路接地故障并故障切除的仿真結(jié)果。 本文做的主要工作有： （1）Simulink下單機(jī)無(wú)窮大仿真系統(tǒng)的搭建（2）系統(tǒng)故障仿真測(cè)試分析 通過(guò)實(shí)例說(shuō)明，若將該方法應(yīng)用到電力系統(tǒng)短路故障的診斷中，快速實(shí)現(xiàn)故障的自動(dòng)診斷、檢測(cè)，對(duì)于提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有十分重要的意義。關(guān)鍵詞 電力系統(tǒng)；暫態(tài)穩(wěn)定；MATLAB；單機(jī)無(wú)窮大；3The Electric ofDistributed SystemABSTRACTWith the rapid development of power industry, the scale of power system is increasingly large and complex, all kinds of fault, to power plants and power plants and users in a variety of power equipment safety threat, and is likely to lead to the expansion of power system accident, from the technical and safety considering direct electricity experiment was carried out on the possibility is very small, urge electric power simulation are used to solve these problems, according to the power supply system of power grid power circuit model, as a result, paper use MATLAB dynamic simulation software Simulink has set up a simulation model for the single - infinite power system, can satisfy the needs of the running of a fault may encounter a variety of ways. Paper R2009b with MATLAB toolbox power system as a platform, through SimPowerSyetem set up power system in the operation of the common single - infinity system model, design the various kinds of short-circuit ground fault occurs in the system and simulation results of fault removed. The main work is : (1) Building this simulation system of single - infinite under Simulink (2) Fault simulation test analysis of system Through examples, if this method to the power system fault diagnosis, fast fault detection and diagnosis, automatic for improving the stability of power system has important significance. keywords： Singleinfinite；SimPowerSyetem；Short circuit faults；Wavelet transform4目錄緒論. 1 第一章 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性概述. 1 1.1 電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性. 1 1.2 電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性. 1 第二章 基于 MATLAB的電力系統(tǒng)仿真 . 3 2.1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的控制. 3 2.2 MATLAB及SimPowerSystem簡(jiǎn)介 . 3 2.3 配電網(wǎng)的故障現(xiàn)狀及分析. 4 2.4 暫態(tài)穩(wěn)定仿真流程. 5 第三章 單機(jī) 無(wú)窮大暫態(tài)穩(wěn)定仿真分析. 5 3.1 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析. 6 3.1.1 引起電力系統(tǒng)大擾動(dòng)的原因. 6 3.1.2 定性分析. 6 3.1.3 提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的措施. 8 3.2 單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)原理 . 9 第四章Simulink下SimPowerSystem模型應(yīng)用 . 12 4.1 仿真模型的搭建. 12 4.2 運(yùn)行效果仿真圖. 13 4.21 改變故障模塊中的短路類(lèi)型. 13 4.22 改變系統(tǒng)中的元件參數(shù)(改變線路的電阻). 17 4.3 加入電容補(bǔ)償器后的的仿真圖. 18 4.4 小結(jié). 22 第五章 結(jié)論和展望. 22 參考文獻(xiàn). 24 致 謝. 25四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）5緒論隨著電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，系統(tǒng)發(fā)生故障的影響也越來(lái)越大，尤其大區(qū)域聯(lián)網(wǎng)背景下的電力系統(tǒng)故障將會(huì)給經(jīng)濟(jì)、社會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失，因此保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行是電力生產(chǎn)的首要任務(wù)。電力系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)， 一方面，它必須時(shí)刻保證可靠的電能質(zhì)量；另一方面，它又處于不斷的擾動(dòng)之中，擾動(dòng)發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、類(lèi)型、嚴(yán)重程度均具有較大的隨機(jī)性。當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生后，一旦發(fā)生穩(wěn)定性問(wèn)題，系統(tǒng)可能會(huì)在幾秒內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重后果。對(duì)于系統(tǒng)某一特定的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，以及對(duì)于某一特定的擾動(dòng)，如果在擾動(dòng)后系統(tǒng)能達(dá)到一個(gè)可以接受的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，則系統(tǒng)運(yùn)行處于暫態(tài)穩(wěn)定。在電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)等工作中都要進(jìn)行大量的暫態(tài)穩(wěn)定分析。通過(guò)暫態(tài)穩(wěn)定分析，可以看到各種穩(wěn)定措施的效果以及穩(wěn)定控制的性能。因此，通過(guò)時(shí)域仿真來(lái)驗(yàn)證電力系統(tǒng)在某一狀態(tài)時(shí)是否穩(wěn)定，具有重要的理論和實(shí)際意義。第一章 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性概述1.1 電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)受到小干擾后，不發(fā)生自發(fā)震蕩或非周期性失步，自動(dòng)恢復(fù)到初始運(yùn)行狀態(tài)的能力。電力系統(tǒng)幾乎時(shí)時(shí)刻刻都受到小的干擾。例如：系統(tǒng)中負(fù)荷的小變化；又如架空輸電線路因擺動(dòng)引起的線間距離（影響線路電抗）的微小變化等等。因此，電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題實(shí)際就是確定系統(tǒng)的某個(gè)運(yùn)行穩(wěn)態(tài)能否保持的問(wèn)題。1.2 電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在某個(gè)運(yùn)行情況下突然受到較大擾動(dòng)后，能否經(jīng)過(guò)暫態(tài)過(guò)程達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)或恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。這里所謂的大干擾，一般是指短路故障、突然斷開(kāi)線路或減小發(fā)電機(jī)出力等。如果受到大的干擾后仍能達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，則電力系統(tǒng)在這種情況下是暫態(tài)穩(wěn)定的。反之，如果系統(tǒng)受到大的干擾后不能再建立穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，而是各發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子間一直有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，相對(duì)角不斷的變化，因而系統(tǒng)的功率、電流和電壓都不斷震蕩，以致整個(gè)系統(tǒng)不再能繼續(xù)運(yùn)行下去，則稱(chēng)為系統(tǒng)在這種運(yùn)行情況下不能保持暫態(tài)穩(wěn)定。李俊：電力系統(tǒng)的研究6引起電力系統(tǒng)大擾動(dòng)的原因很多，歸納起來(lái)，主要有以下幾種。1、引起電力系統(tǒng)大擾動(dòng)的主要原因（1）負(fù)荷的突然變化。如切除或投入大容量的用戶引起較大的擾動(dòng)。 （2）切除或投入系統(tǒng)的主要元件。如切除或投入較大容量的發(fā)電機(jī)、變壓器和較重要的線路引起的大的擾動(dòng)。 （3）電力系統(tǒng)的短路故障。它對(duì)電力系統(tǒng)的擾動(dòng)最為嚴(yán)重。在短路故障中，其中以三相短路最為危險(xiǎn)，引起電力系統(tǒng)的擾動(dòng)最大，于是系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性常常遭到破壞。但此種嚴(yán)重故障發(fā)生的次數(shù)最少，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在高壓電力系統(tǒng)中發(fā)生三相短路的次數(shù)一般占總短路次數(shù)的6%7%左右。 兩相接地短路和兩相短路對(duì)于電力系統(tǒng)的擾動(dòng)也較大，其中兩相接地短路的危害程度僅次于三相短路。但在一般的高壓系統(tǒng)中發(fā)生這兩種短路的次為23%24%左右，比三相短路發(fā)生的次數(shù)要多。單相短路在高壓系統(tǒng)中發(fā)生的次數(shù)最多，一般可占70%左右。但單相短路對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)在短路故障中是最小的，其中瞬時(shí)性雷擊單相短路又占單相短路的70%左右，它對(duì)系統(tǒng)的影響就更小了。2、暫態(tài)過(guò)程按時(shí)間分為下面三個(gè)階段（1）起始階段：指故障后約1s內(nèi)的時(shí)間段。在這期間系統(tǒng)中的保護(hù)和自動(dòng)裝置有一系列的動(dòng)作，例如切除故障線路和重合閘、切除發(fā)電機(jī)等。但是在這個(gè)時(shí)間段中發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)還來(lái)不及起到明顯的作用。 （2）中間階段：在起始階段后，大約持續(xù)5s左右的時(shí)間段。在這期間發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)已發(fā)揮作用。 （3）后期階段：中間階段以后的時(shí)間。這時(shí)動(dòng)力設(shè)備中的過(guò)程影響到電力系統(tǒng)的暫態(tài)過(guò)程。另外，系統(tǒng)中還將由于頻率和電壓的下降，發(fā)生自動(dòng)裝置切除部分負(fù)荷等操作。四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）73、暫態(tài)穩(wěn)定的分析方法（1） 暫態(tài)穩(wěn)定性與否和原來(lái)運(yùn)行方式及干擾種類(lèi)有關(guān)。 （2） 系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定過(guò)程是一個(gè)電磁暫態(tài)過(guò)程和機(jī)電暫態(tài)過(guò)程匯合在一起的復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，它們互相作用、互相影響。第 2 章 基于 MATLAB 的電力系統(tǒng)仿真電力系統(tǒng)在運(yùn)行中易受到多種因素的影響而發(fā)生故障，威脅系統(tǒng)的安全可靠性，因此迅速、準(zhǔn)確地探測(cè)出電纜故障并對(duì)其進(jìn)行分析，對(duì)提高供電可靠性、減少故障修復(fù)費(fèi)用及停電損失具有重要理論意義和實(shí)用價(jià)值1。目前，線路保護(hù)已經(jīng)進(jìn)入微機(jī)保護(hù)時(shí)代，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)中的信號(hào)處理仍以分析為主，同時(shí)考慮到電力運(yùn)行實(shí)際情況，在 Matlab/Simulink 平臺(tái)下更好的運(yùn)用仿真手段更突出了現(xiàn)實(shí)意義。2.1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的控制電力系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定控制是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的第一道防線。暫態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在受到大干擾( 如短路故障, 突然增加或減少發(fā)電機(jī)出力、大量負(fù)荷, 突然斷開(kāi)線路等) 后, 各同步發(fā)電機(jī)保持同步運(yùn)行并過(guò)渡到新的或恢復(fù)到原來(lái)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方式的能力, 通常指第一或第二振蕩周期不失步。提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的措施是多樣的, 本文以單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)為例, 主要利用matlb 軟件對(duì)單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)進(jìn)行仿真，對(duì)線路發(fā)生接地短路故障在一定時(shí)間內(nèi)切除后，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化情況,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化又影響了電力系統(tǒng)中電壓、電流和發(fā)電機(jī)電磁功率的變化。通過(guò)仿真參數(shù)來(lái)證明電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定方面的理論。2.2 MATLAB 及 SimPowerSystem 簡(jiǎn)介MATLAB 是 Matrix Laboratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室）的縮寫(xiě)，由 Mathworke 公司開(kāi)發(fā)的一套功能強(qiáng)大的軟件，最早它主要用于科學(xué)計(jì)算。后來(lái)隨著 MATLAB 功能的不斷增強(qiáng)和應(yīng)用的普及，很多領(lǐng)域的專(zhuān)家為 MATLAB 寫(xiě)了專(zhuān)門(mén)的工具箱，用以拓展 MATLAB 的功能，這大大擴(kuò)大了 MATLAB 的應(yīng)用范圍。所以現(xiàn)在的 MATLAB已不僅僅局限與現(xiàn)代控制系統(tǒng)分析和綜合應(yīng)用，它已是一種包羅眾多學(xué)科的功能強(qiáng)大的技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言，是當(dāng)今世界上最優(yōu)秀的數(shù)值計(jì)算軟件之一。它強(qiáng)大的李?。弘娏ο到y(tǒng)的研究8科學(xué)運(yùn)算與可視化功能，簡(jiǎn)單易用，開(kāi)放式可擴(kuò)展環(huán)境，特別是所附帶的 30 多種面向不同領(lǐng)域的工具箱支持，使得它在許多科學(xué)領(lǐng)域中成為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和分析，算法研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)的基本工具和首選平臺(tái)2。2.3 配電網(wǎng)的故障現(xiàn)狀及分析電力系統(tǒng)中壓配電網(wǎng)一般采用不直接接地或經(jīng)消弧線圈接地方式，因其發(fā)生接地故障時(shí)，流過(guò)接地點(diǎn)的電流小，所以稱(chēng)為小電流接地系統(tǒng)。此系統(tǒng)中接地故障最高，由于三個(gè)線電壓仍然對(duì)稱(chēng)，不影響負(fù)荷連續(xù)供電，故不必立即跳閘，但接地后非故障相電壓會(huì)升高，長(zhǎng)時(shí)間帶故障運(yùn)行會(huì)影響系統(tǒng)安全，因此需要對(duì)故障時(shí)刻和故障線路進(jìn)行檢測(cè)。另外故障初期接地點(diǎn)常常伴有很大的接地電阻，各次諧波電流分量很小這將影響故障檢測(cè)的靈敏度。因此，需要具有很強(qiáng)的處理微弱信號(hào)能力的數(shù)字信號(hào)處理方法去分析非平穩(wěn)信號(hào)。對(duì)配電網(wǎng)接地短路故障的研究，主要有利用短路后的穩(wěn)態(tài)分量、諧波分量和暫態(tài)分量等幾種方法。利用故障后的穩(wěn)態(tài)分量進(jìn)行故障檢測(cè)，存在的問(wèn)題是接地穩(wěn)態(tài)分量太小常導(dǎo)致選線裝置不能正確動(dòng)作而且該方法要求有一個(gè)持續(xù)的穩(wěn)態(tài)短路過(guò)程因此在發(fā)生間歇性電弧接地時(shí)便不再適用，因此利用能對(duì)突變的微弱的非平穩(wěn)故障信號(hào)進(jìn)行精確處理的小波分析理論,可以很好地分析電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)過(guò)程并提取出故障特征。電力系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定控制是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的第一道防線。暫態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在受到大干擾(如短路故障，突然增加或減少發(fā)電機(jī)出力、大量負(fù)荷，突然斷開(kāi)線路等)后，各同步發(fā)電機(jī)保持同步運(yùn)行并過(guò)渡到新的或恢復(fù)到原來(lái)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方式的能力。通常指第一或第二振蕩周期不失步。提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的措施是多樣的。利用 matlb 軟件對(duì)單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)進(jìn)行仿真，對(duì)線路發(fā)生接地短路故障在一定時(shí)間內(nèi)切除后，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化情況,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化又影響了電力系統(tǒng)中電壓、電流和發(fā)電機(jī)電磁功率的變化。通過(guò)仿真參數(shù)來(lái)證明電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定方面的理論。2.4 暫態(tài)穩(wěn)定仿真流程四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）9由于電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真研究將不能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬得以實(shí)現(xiàn)。因此在判定一個(gè)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性時(shí)，都可以首先在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真研究，它的突出優(yōu)點(diǎn)是可行、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)。Matlab 電力系統(tǒng)工具箱包含的模塊有：Electrical Sources(電源庫(kù))、Elements(元件庫(kù))、PowerElectronics(電力電子元件庫(kù))、Machines(電機(jī)庫(kù))、Connectors(連接器庫(kù))、Measurements(測(cè)量?jī)x器庫(kù))、Extra Library(附加元件庫(kù))、Demos(示例庫(kù))、Powergui(圖形用戶界面 graphical user interface)等。為了研究電力系統(tǒng)的特性，搭建的系統(tǒng)應(yīng)最大限度的再現(xiàn)實(shí)際中的電力系統(tǒng)。利用模塊庫(kù)中封裝好的模塊搭建系統(tǒng)，對(duì)各環(huán)節(jié)元件作了一定的理想化。對(duì)各元件的參數(shù)也作了一定的取舍與簡(jiǎn)化，隨著模塊庫(kù)的不斷更新與完善，利用已有模塊搭建的系統(tǒng)基本能模擬實(shí)際電力系統(tǒng)的特性成為對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、仿真的一個(gè)有力工具。 第 3 章 單機(jī)無(wú)窮大暫態(tài)穩(wěn)定仿真分析電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題是指電力系統(tǒng)運(yùn)行中受到擾動(dòng)后能否保持發(fā)電機(jī)間同步運(yùn)行的問(wèn)題，根據(jù)擾動(dòng)大小所確定的穩(wěn)態(tài)問(wèn)題的性質(zhì)，把它分為靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定。所謂電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性，一般是指電力系統(tǒng)在運(yùn)行中受到微小擾動(dòng)后，獨(dú)立地恢復(fù)到它原來(lái)的運(yùn)行狀態(tài)的能力。電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)在某個(gè)運(yùn)行情況下突然受到大的干擾后，能否經(jīng)過(guò)暫態(tài)過(guò)程達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)或者恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。這里所謂的大干擾，是相對(duì)于小干擾而言的。如果系統(tǒng)受到大的干擾后仍能達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，則系統(tǒng)在這種運(yùn)行情況下是暫態(tài)穩(wěn)定的。反之，如果系統(tǒng)受到大的干擾后不能建立穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，而是各發(fā)電機(jī)組