電氣工程工程及其自動化畢業(yè)論文

四川理工學院畢業(yè)設計（論文）電力系統(tǒng)的研究學 生：李俊學 號 業(yè)：電氣工程及其自動化班 級：電氣 20153指導教師：李琦四川理工學院自動化與電子信息學院二 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)模日益龐大和復雜，出現(xiàn)的各種故障，會給發(fā)電廠以及用戶和電廠內(nèi)的多種動力設備的安全帶來威脅，并有可能導致電力系統(tǒng)事故的擴大，從技術和安全上考慮直接進行電力試驗可能性很小，迫切要求運用電力仿真來解決這些問題，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的動態(tài)仿真軟件Simulink搭建了單機無窮大電力系統(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行的需要。 論文以MATLAB R2009b電力系統(tǒng)工具箱為平臺，通過SimPowerSyetem 搭建了電力系統(tǒng)運行中常見的單機無窮大系統(tǒng)模型，設計得到了在該系統(tǒng)發(fā)生各種短路接地故障并故障切除的仿真結果。 本文做的主要工作有： （1）Simulink下單機無窮大仿真系統(tǒng)的搭建（2）系統(tǒng)故障仿真測試分析 通過實例說明，若將該方法應用到電力系統(tǒng)短路故障的診斷中，快速實現(xiàn)故障的自動診斷、檢測，對于提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有十分重要的意義。關鍵詞 電力系統(tǒng)；暫態(tài)穩(wěn)定；MATLAB；單機無窮大；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)定運行的控制. 3 2.2 MATLAB及SimPowerSystem簡介 . 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 無窮大暫態(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 單機無窮大系統(tǒng)原理 . 9 第四章Simulink下SimPowerSystem模型應用 . 12 4.1 仿真模型的搭建. 12 4.2 運行效果仿真圖. 13 4.21 改變故障模塊中的短路類型. 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 加入電容補償器后的的仿真圖. 18 4.4 小結. 22 第五章 結論和展望. 22 參考文獻. 24 致 謝. 25四川理工學院畢業(yè)設計（論文）5緒論隨著電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大，系統(tǒng)發(fā)生故障的影響也越來越大，尤其大區(qū)域聯(lián)網(wǎng)背景下的電力系統(tǒng)故障將會給經(jīng)濟、社會造成重大經(jīng)濟損失，因此保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行是電力生產(chǎn)的首要任務。電力系統(tǒng)是一個復雜的動態(tài)系統(tǒng)， 一方面，它必須時刻保證可靠的電能質量；另一方面，它又處于不斷的擾動之中，擾動發(fā)生的時間、地點、類型、嚴重程度均具有較大的隨機性。當擾動發(fā)生后，一旦發(fā)生穩(wěn)定性問題，系統(tǒng)可能會在幾秒內(nèi)發(fā)生嚴重后果。對于系統(tǒng)某一特定的穩(wěn)定運行狀態(tài)，以及對于某一特定的擾動，如果在擾動后系統(tǒng)能達到一個可以接受的穩(wěn)定運行狀態(tài)，則系統(tǒng)運行處于暫態(tài)穩(wěn)定。在電力系統(tǒng)規(guī)劃、設計等工作中都要進行大量的暫態(tài)穩(wěn)定分析。通過暫態(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，通過時域仿真來驗證電力系統(tǒng)在某一狀態(tài)時是否穩(wěn)定，具有重要的理論和實際意義。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，自動恢復到初始運行狀態(tài)的能力。電力系統(tǒng)幾乎時時刻刻都受到小的干擾。例如：系統(tǒng)中負荷的小變化；又如架空輸電線路因擺動引起的線間距離（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)定問題實際就是確定系統(tǒng)的某個運行穩(wěn)態(tài)能否保持的問題。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)在某個運行情況下突然受到較大擾動后，能否經(jīng)過暫態(tài)過程達到新的穩(wěn)定狀態(tài)或恢復到原來的狀態(tài)。這里所謂的大干擾，一般是指短路故障、突然斷開線路或減小發(fā)電機出力等。如果受到大的干擾后仍能達到穩(wěn)定運行，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)運行狀態(tài)，而是各發(fā)電機組轉子間一直有相對運動，相對角不斷的變化，因而系統(tǒng)的功率、電流和電壓都不斷震蕩，以致整個系統(tǒng)不再能繼續(xù)運行下去，則稱為系統(tǒng)在這種運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)大擾動的原因很多，歸納起來，主要有以下幾種。1、引起電力系統(tǒng)大擾動的主要原因（1）負荷的突然變化。如切除或投入大容量的用戶引起較大的擾動。 （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、變壓器和較重要的線路引起的大的擾動。 （3）電力系統(tǒng)的短路故障。它對電力系統(tǒng)的擾動最為嚴重。在短路故障中，其中以三相短路最為危險，引起電力系統(tǒng)的擾動最大，于是系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性常常遭到破壞。但此種嚴重故障發(fā)生的次數(shù)最少，據(jù)統(tǒng)計，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于電力系統(tǒng)的擾動也較大，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。但單相短路對系統(tǒng)的擾動在短路故障中是最小的，其中瞬時性雷擊單相短路又占單相短路的70%左右，它對系統(tǒng)的影響就更小了。2、暫態(tài)過程按時間分為下面三個階段（1）起始階段：指故障后約1s內(nèi)的時間段。在這期間系統(tǒng)中的保護和自動裝置有一系列的動作，例如切除故障線路和重合閘、切除發(fā)電機等。但是在這個時間段中發(fā)電機的調(diào)節(jié)系統(tǒng)還來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左右的時間段。在這期間發(fā)電機組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)已發(fā)揮作用。 （3）后期階段：中間階段以后的時間。這時動力設備中的過程影響到電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程。另外，系統(tǒng)中還將由于頻率和電壓的下降，發(fā)生自動裝置切除部分負荷等操作。四川理工學院畢業(yè)設計（論文）73、暫態(tài)穩(wěn)定的分析方法（1） 暫態(tài)穩(wěn)定性與否和原來運行方式及干擾種類有關。 （2） 系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定過程是一個電磁暫態(tài)過程和機電暫態(tài)過程匯合在一起的復雜的運動過程，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、準確地探測出電纜故障并對其進行分析，對提高供電可靠性、減少故障修復費用及停電損失具有重要理論意義和實用價值1。目前，線路保護已經(jīng)進入微機保護時代，電力系統(tǒng)繼電保護中的信號處理仍以分析為主，同時考慮到電力運行實際情況，在 Matlab/Simulink 平臺下更好的運用仿真手段更突出了現(xiàn)實意義。2.1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的控制電力系統(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)電機出力、大量負荷, 突然斷開線路等) 后, 各同步發(fā)電機保持同步運行并過渡到新的或恢復到原來穩(wěn)態(tài)運行方式的能力, 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, 本文以單機無窮大系統(tǒng)為例, 主要利用matlb 軟件對單機無窮大系統(tǒng)進行仿真，對線路發(fā)生接地短路故障在一定時間內(nèi)切除后，發(fā)電機的轉速隨時間的變化情況,發(fā)電機轉速的變化又影響了電力系統(tǒng)中電壓、電流和發(fā)電機電磁功率的變化。通過仿真參數(shù)來證明電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定方面的理論。2.2 MATLAB 及 SimPowerSystem 簡介MATLAB 是 Matrix Laboratory（矩陣實驗室）的縮寫，由 Mathworke 公司開發(fā)的一套功能強大的軟件，最早它主要用于科學計算。后來隨著 MATLAB 功能的不斷增強和應用的普及，很多領域的專家為 MATLAB 寫了專門的工具箱，用以拓展 MATLAB 的功能，這大大擴大了 MATLAB 的應用范圍。所以現(xiàn)在的 MATLAB已不僅僅局限與現(xiàn)代控制系統(tǒng)分析和綜合應用，它已是一種包羅眾多學科的功能強大的技術計算語言，是當今世界上最優(yōu)秀的數(shù)值計算軟件之一。它強大的李俊：電力系統(tǒng)的研究8科學運算與可視化功能，簡單易用，開放式可擴展環(huán)境，特別是所附帶的 30 多種面向不同領域的工具箱支持，使得它在許多科學領域中成為計算機輔助設計和分析，算法研究和應用開發(fā)的基本工具和首選平臺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，流過接地點的電流小，所以稱為小電流接地系統(tǒng)。此系統(tǒng)中接地故障最高，由于三個線電壓仍然對稱，不影響負荷連續(xù)供電，故不必立即跳閘，但接地后非故障相電壓會升高，長時間帶故障運行會影響系統(tǒng)安全，因此需要對故障時刻和故障線路進行檢測。另外故障初期接地點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的靈敏度。因此，需要具有很強的處理微弱信號能力的數(shù)字信號處理方法去分析非平穩(wěn)信號。對配電網(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)分量進行故障檢測，存在的問題是接地穩(wěn)態(tài)分量太小常導致選線裝置不能正確動作而且該方法要求有一個持續(xù)的穩(wěn)態(tài)短路過程因此在發(fā)生間歇性電弧接地時便不再適用，因此利用能對突變的微弱的非平穩(wěn)故障信號進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)電機出力、大量負荷，突然斷開線路等)后，各同步發(fā)電機保持同步運行并過渡到新的或恢復到原來穩(wěn)態(tài)運行方式的能力。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 軟件對單機無窮大系統(tǒng)進行仿真，對線路發(fā)生接地短路故障在一定時間內(nèi)切除后，發(fā)電機的轉速隨時間的變化情況,發(fā)電機轉速的變化又影響了電力系統(tǒng)中電壓、電流和發(fā)電機電磁功率的變化。通過仿真參數(shù)來證明電力系統(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院畢業(yè)設計（論文）9由于電力系統(tǒng)的動態(tài)仿真研究將不能在實驗室進行的電力系統(tǒng)運行模擬得以實現(xiàn)。因此在判定一個電力系統(tǒng)設計的可行性時，都可以首先在計算機上進行動態(tài)仿真研究，它的突出優(yōu)點是可行、簡便、經(jīng)濟。Matlab 電力系統(tǒng)工具箱包含的模塊有：Electrical Sources(電源庫)、Elements(元件庫)、PowerElectronics(電力電子元件庫)、Machines(電機庫)、Connectors(連接器庫)、Measurements(測量儀器庫)、Extra Library(附加元件庫)、Demos(示例庫)、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)應最大限度的再現(xiàn)實際中的電力系統(tǒng)。利用模塊庫中封裝好的模塊搭建系統(tǒng)，對各環(huán)節(jié)元件作了一定的理想化。對各元件的參數(shù)也作了一定的取舍與簡化，隨著模塊庫的不斷更新與完善，利用已有模塊搭建的系統(tǒng)基本能模擬實際電力系統(tǒng)的特性成為對電力系統(tǒng)進行分析、設計、仿真的一個有力工具。 第 3 章 單機無窮大暫態(tài)穩(wěn)定仿真分析電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題是指電力系統(tǒng)運行中受到擾動后能否保持發(fā)電機間同步運行的問題，根據(jù)擾動大小所確定的穩(wěn)態(tài)問題的性質，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)在運行中受到微小擾動后，獨立地恢復到它原來的運行狀態(tài)的能力。電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)在某個運行情況下突然受到大的干擾后，能否經(jīng)過暫態(tài)過程達到新的穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)或者恢復到原來的狀態(tài)。這里所謂的大干擾，是相對于小干擾而言的。如果系統(tǒng)受到大的干擾后仍能達到穩(wěn)定運行，則系統(tǒng)在這種運行情況下是暫態(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)運行狀態(tài)，而是各發(fā)電機組