基于MATLAB的輸電線路故障仿真分析.doc

本科生畢業(yè)論文 設(shè)計(jì) 題題 目目 基于基于 MATLABMATLAB 的輸電線路故障仿真分析的輸電線路故障仿真分析 學(xué)生姓名 張宏亮 學(xué) 號(hào) 20131393061 學(xué) 院 信息與控制學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師 余莉 二 一七二 一七 年年 五五 月二十五日月二十五日 目 錄 1 緒論 2 1 1 短路故障 2 1 2 論文的主要工作 3 2 仿真軟件 3 2 1 MATLAB 簡(jiǎn)介 3 2 2 SIMULINK簡(jiǎn)介 4 3 電力系統(tǒng)故障計(jì)算的基本原理 5 3 1 短路計(jì)算的基本原則和方法 5 3 2 短路電流計(jì)算 6 3 2 1 計(jì)算的基本步驟 6 3 2 2 短路計(jì)算 6 4 模型與仿真 7 4 1 算例 7 4 2 三相短路系統(tǒng)仿真模型及各模塊參數(shù)設(shè)置 7 4 2 1 三相電壓電流測(cè)量模塊 8 4 2 2 變壓器模塊 9 4 2 3 三相線路模塊 10 4 2 4 三相電源模塊 10 4 2 5 三相線路故障模塊 11 4 2 6 并聯(lián) RLC 負(fù)荷模塊 11 4 3 仿真結(jié)果與分析 11 5 設(shè)計(jì)總結(jié) 14 參考文獻(xiàn) 15 致謝 16 基于 MATLAB 的輸電線路故障仿真分析 張宏亮 南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院 江蘇 南京 210044 摘要 本文介紹了 MATLAB 的基本操作以及輸電線路故障分析方法 對(duì)電力系統(tǒng)范圍內(nèi)的主 要故障內(nèi)容搭建了體系仿真模型 并且例舉說(shuō)明了輸電線路故障問(wèn)題 尤其是各種類型的 短路 在運(yùn)行和參考了這些仿真案例的情況下 對(duì)仿真的結(jié)果做了深度分析 通過(guò)對(duì)仿真 結(jié)果與故障計(jì)算所得的結(jié)果比較得出結(jié)論 通過(guò)這些仿真案例驗(yàn)證了基于 MATLAB 的輸電線 路仿真是能夠運(yùn)行的 以 MATLAB 為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)能夠很容易的對(duì)各種短路故障進(jìn) 行分析 關(guān)鍵詞 MATLAB 仿真研究 故障 1 Simulation analysis of transmission line fault based on MATLAB Zhang Hong Liang School of Information and Control NUIST Nanjing 210044 China Abstract This paper introduces the basic MATLAB operation and transmission line fault analysis method the main content of the fault on the power system within the scope of the build system simulation model and illustrates the problems of transmission line especially the various types of short circuit In the case of running and referring to these simulation cases the depth analysis of the simulation results is made By comparing the simulation results with the results obtained by fault calculation the conclusions are drawn The simulation results show that the transmission line simulation based on MATLAB is able to operate and the computer simulation technology based on MATLAB can easily analyze all kinds of short circuit faults Key words MATLAB simulation study fault 2 1 緒論 1 1 短路故障 電力系統(tǒng)指的是電能生產(chǎn) 變換 傳輸 分配和使用的各種電氣設(shè)備按照一定的技術(shù) 要求有機(jī)的組合成的一個(gè)聯(lián)合系統(tǒng) 一般將電能通過(guò)的設(shè)備稱為一次設(shè)備 例如發(fā)電機(jī) 斷路器 變壓器 輸電線路 電動(dòng)機(jī)及其他電力設(shè)備等等 1 對(duì)一次設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視 測(cè) 量 保護(hù)和控制的設(shè)備 通常稱作二次設(shè)備 由于一年內(nèi)四季用電的負(fù)荷不同 一般冬季 和夏季的用電量比春秋季大 一星期內(nèi)工作日的負(fù)荷比周末的大 一天中也有高低之分 電力系統(tǒng)中的一些設(shè)備隨時(shí)都可能會(huì)因?yàn)榻^緣材料的老化 刮風(fēng)下雨等的自然災(zāi)害及其他 的原因出現(xiàn)故障而退出系統(tǒng)的運(yùn)行 2 所以針對(duì)這些問(wèn)題我們就要進(jìn)行電力系統(tǒng)的故障 分析 電力系統(tǒng)故障分析就是研究電力系統(tǒng)發(fā)生故障的原因 現(xiàn)象 后果及發(fā)生故障后所 要采取的應(yīng)對(duì)措施 從而將故障引起的損失降低到最小 3 為了能夠獲得性能高 質(zhì)量 好的電力系統(tǒng)產(chǎn)品 通常要完成電力系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn) 以往的許多試驗(yàn)多應(yīng)用實(shí)體的物理模 型 試驗(yàn)流程繁瑣 成本居高不下 效果也不甚理想 其變通性不佳 電力體系數(shù)字仿真 是運(yùn)用電腦軟件模擬電力體系故障產(chǎn)生后電氣量的波動(dòng)特性 模擬繼電保護(hù)設(shè)備的處置以 及動(dòng)作的流程 有著穩(wěn)定性強(qiáng) 成本低 能夠反復(fù)試驗(yàn) 脫離環(huán)境約束 研發(fā)時(shí)間短等優(yōu) 勢(shì) 通過(guò)對(duì)各類相異的繼電保護(hù)技術(shù)的仿真 并輔以軟件的協(xié)助 可以快速排查出設(shè)施運(yùn) 轉(zhuǎn)時(shí)的故障并第一時(shí)間處理 4 而 MATLAB 為核心的電力體系故障仿真是其中使用頻率較 高的技術(shù) 電力系統(tǒng)發(fā)生的故障有很多 一般是某一處發(fā)生短路或者斷相 復(fù)雜的會(huì)是多 個(gè)地方發(fā)生短路 通常短路是最危險(xiǎn)的故障 故障和不正常運(yùn)行狀態(tài)都有可能在電力系統(tǒng)中引發(fā)事故 事故是指電力系統(tǒng)的正常工 作狀態(tài)遭到破壞 并對(duì)用戶少送電或送的電能質(zhì)量未達(dá)標(biāo) 更嚴(yán)重的是造成了人身傷亡和 電氣設(shè)備損壞的事件 事故的發(fā)生 使危害擴(kuò)大 5 一般是因?yàn)樽匀粸?zāi)害 如臺(tái)風(fēng)造成 架空線路倒桿 遭受雷擊等 也有可能是設(shè)備制造存在缺陷或運(yùn)行維護(hù)不當(dāng)而引起 還 有可能由于故障切除緩慢或被錯(cuò)誤的切除 導(dǎo)致故障發(fā)展成為事故 電力系統(tǒng)的所有一次 設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中通常會(huì)因?yàn)榻^緣材料的老化 過(guò)電壓 誤操作 自然災(zāi)害 設(shè)計(jì)制造存 在缺陷等原因會(huì)發(fā)生諸如短路 線路斷裂等故障 6 現(xiàn)在公認(rèn)短路是最危險(xiǎn)的故障 常 見(jiàn)的短路有三相短路 指三相導(dǎo)體間的短路 兩相接地短路 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中 任 意兩相發(fā)生單相接地而產(chǎn)生的短路 兩相短路 三相供配電系統(tǒng)中任意兩相導(dǎo)體間的短 路 單相短路 電力系統(tǒng)中任意一相發(fā)生短路 7 三相短路在現(xiàn)實(shí)生活中造成的損 失和危害是最大的 短路會(huì)給居民 工廠和社會(huì)造成極大地不便和損失 會(huì)產(chǎn)生如下后果 1 短路時(shí)會(huì)有很大的短路電流和電弧 短路電流會(huì)達(dá)到幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)安培 當(dāng)這種大電 流通過(guò)電力設(shè)備時(shí)會(huì)導(dǎo)致其損壞或直接報(bào)廢 2 對(duì)其他的沒(méi)有發(fā)生故障的電力元器件造成損害 擴(kuò)大了事故的影響范圍 加大了損失 嚴(yán)重程度 3 短路時(shí)電壓會(huì)突然降低 而且是大面積的電壓降低 這會(huì)影響大量的用戶正常用電 破壞他們的日常生活或者工廠的產(chǎn)品變?yōu)閺U品 造成極大地?fù)p失 4 破壞了電力系統(tǒng)的平衡 各個(gè)地區(qū)的供電系統(tǒng)會(huì)因此而紊亂 影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行 在電力系統(tǒng)中 故障發(fā)生的幾率是非常小的 表明我們的電力系統(tǒng)還是很穩(wěn)定的 除 了一些特殊原因 大多數(shù)的短路都是由于外力造成的 8 這也導(dǎo)致短路的類型千差萬(wàn)別 3 發(fā)生的時(shí)間 地點(diǎn) 次數(shù)也是不盡相同 通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)表明 在高電壓輸電網(wǎng)中 單相接地短路發(fā)生的概率達(dá)到 85 以上 2008 年國(guó)家電網(wǎng) 220kV 電網(wǎng)共有輸電線路 6434 條 線路總長(zhǎng)度為 193424Km 這些線路上發(fā)生的故障 2407 次 故障發(fā)生率為 1 24 次 100Km 年 表 1 給出了我國(guó) 220kV 電網(wǎng)輸電線路上各種類型故障發(fā)生的次數(shù)及故障百分比 表 1 故障百分比 我們可以從上表 中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看出發(fā)生單相接地短路的次數(shù)和百分比都是最大的 三 相短路發(fā)生故障的概率率是最低的 但是不能因?yàn)槠浒l(fā)生的概率低我們就無(wú)視三相短路 在所有類型的短路中三相短路影響最大 帶來(lái)的危害也是最為嚴(yán)重的 所以我們應(yīng)該重視 每種短路類型 尤其是三相短路 加大對(duì)它的研究 1 2 論文的主要工作 基于短路在電力系統(tǒng)中的危害 尤其是三相短路 所以本文主要對(duì)三相短路進(jìn)行研究 利用 MATLAB 仿真的便利性對(duì)三相短路進(jìn)行直觀的研究分析 得出結(jié)論 從而為防患和解決 三相短路問(wèn)題提供有效的參考數(shù)據(jù)及研究方法 2 仿真軟件 2 1 MATLAB 簡(jiǎn)介 從上個(gè)世紀(jì) 80 年代開(kāi)始 出現(xiàn)了科學(xué)計(jì)算語(yǔ)言 也被稱作數(shù)學(xué)軟件 其中較為流行的 有 MATLAB Mathcad Maple 等等 9 他們的共同特點(diǎn)是效率高 功能多且強(qiáng)大 操作簡(jiǎn) 單易學(xué) 所以在全世界的許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用 經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展及新版本的不斷出 現(xiàn) MATLAB 脫穎而出 成為現(xiàn)在影響最大 使用人數(shù)最多的軟件 MATLAB 是英文 MATrix LABoratory 矩陣實(shí)驗(yàn)室 的縮寫(xiě) 所以說(shuō)矩陣是其最最基本的 數(shù)據(jù)對(duì)象 MATLAB 中的大部分運(yùn)算或命令都是以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)進(jìn)行的 而且 MATLAB 的 矩陣運(yùn)算是定義在復(fù)數(shù)域上的 可以很方便的來(lái)分析電路問(wèn)題 10 MATLAB 是一種用于算 法開(kāi)發(fā) 數(shù)據(jù)可視化 數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境 MATLAB 由一系列工具組成 這些工具方便用戶使用 MATLAB 的函數(shù)和文件 其中許多工具采用的是 圖形用戶界面 包括 MATLAB 桌面和命令窗口 歷史命令窗口 編輯器和調(diào)試器 路徑搜索 和用于用戶瀏覽幫助 工作空間 文件的瀏覽器 隨著 MATLAB 的商業(yè)化以及軟件本身的不 斷升級(jí) MATLAB 的用戶界面也越來(lái)越精致 更加接近 Windows 的標(biāo)準(zhǔn)界面 人機(jī)交互性更 強(qiáng) 操作更簡(jiǎn)單 11 而且新版本的 MATLAB 提供了完整的聯(lián)機(jī)查詢 幫助系統(tǒng) 極大的方 便了用戶的使用 簡(jiǎn)單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng) 程序不必經(jīng)過(guò)編譯就可以 直接運(yùn)行 而且能夠及時(shí)地報(bào)告出現(xiàn)的錯(cuò)誤及進(jìn)行出錯(cuò)原因分析 除了矩陣運(yùn)算 繪制函 數(shù) 數(shù)據(jù)圖像等常用功能外 MATLAB 還可以用來(lái)創(chuàng)建用戶界面及與調(diào)用其它語(yǔ)言 包括 C C 和 FORTRAN 編寫(xiě)的程序 12 盡管 MATLAB 主要用于數(shù)值運(yùn)算 但利用為數(shù)眾多的 附加工具箱 Toolbox 它也適合不同領(lǐng)域的應(yīng)用 例如控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 圖像處理 信號(hào)處理與通訊 金融建模和分析等 另外還有一個(gè)配套軟件包 Simulink 提供了一個(gè)可 視化開(kāi)發(fā)環(huán)境 常用于系統(tǒng)模擬 動(dòng)態(tài) 嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等方面 MATLAB 最早出現(xiàn)在美國(guó) 時(shí)間是 1980 年前后 當(dāng)時(shí)美國(guó)有位很有學(xué)問(wèn)的教授叫 Cleve Moler 他在給學(xué)生講線性代 故障類型三相短路兩相短路兩相短路接地單相接地短路其他故障 故障次數(shù) 2010838219645 故障百分比 0 83 4 49 1 58 91 23 1 86 4 數(shù)課程時(shí) 發(fā)現(xiàn)用當(dāng)時(shí)的高級(jí)語(yǔ)言編程很不方便 于是 Cleve Moler 教授就別寫(xiě)了方便學(xué) 生使用的 簡(jiǎn)單易學(xué)的編程語(yǔ)言 并且命名為 MATLAB 這邊是 MATLAB 最早的雛形 13 以后 MATLAB 版本不斷更新 功能也更加完善 到目前為止 MATLAB 已經(jīng)不在局限于當(dāng)初 的矩陣編程范疇了它已經(jīng)被大家廣泛應(yīng)用于數(shù)學(xué)建模 繪圖 仿真 計(jì)算等其他領(lǐng)域 現(xiàn) 在我們可以看到在許多的大學(xué)課堂上 老師經(jīng)常會(huì)把 MATLAB 當(dāng)做一種高效的輔助教學(xué)工具 比如常見(jiàn)的數(shù)字信號(hào)處理 線性代數(shù) 動(dòng)態(tài)仿真 圖像處理等課程 14 MATLAB 也成為現(xiàn) 在大學(xué)生必不可少的一門(mén)技術(shù) 可見(jiàn) MATLAB 會(huì)在科學(xué)研究和工程應(yīng)用中發(fā)揮越來(lái)越大的 作用 MATLAB 擁有強(qiáng)大的繪圖能力 為用戶提供了一系列的繪圖函數(shù)和繪圖工具 用戶不 需要考慮繪圖的各種細(xì)節(jié) 只需提供所要圖的基本參數(shù) 如正弦函數(shù)只需提供最大值 相 位角 MATLAB 就會(huì)自動(dòng)生成正弦函數(shù)圖像 這類函數(shù)稱為高層繪圖函數(shù) 15 與之相反的 就是低層次繪圖 這類操作是將圖形拆散開(kāi) 每個(gè)圖形元素當(dāng)成獨(dú)立的對(duì)象 這樣在操作 時(shí)每個(gè)部分相互獨(dú)立 互不影響 這種繪圖方法對(duì)用戶要求更高 但給用戶的權(quán)利更大 擁有更多的選擇權(quán) 高層次繪圖操作簡(jiǎn)單 高效 但相對(duì)固話 數(shù)值計(jì)算在科學(xué)研究中有 著非常廣泛的應(yīng)用 相較于其他軟件需要專門(mén)的數(shù)學(xué)知識(shí)和精通編程語(yǔ)言 MATLAB 顯的更 加簡(jiǎn)單方便 往往只需要幾段語(yǔ)句就可以解決問(wèn)題 而且 MATLAB 以前被稱作矩陣實(shí)驗(yàn)室 這樣很多數(shù)值計(jì)算就會(huì)變得很簡(jiǎn)單 因?yàn)榫仃嚂?huì)使復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算變得簡(jiǎn)單高效 MATLAB 所用的算法和國(guó)際算法是一致的 用戶使用起來(lái)也會(huì)是可靠 舒適的 其使用的程序也是 最簡(jiǎn)單易懂高效的 MATLAB 具有順序結(jié)構(gòu) 選擇結(jié)構(gòu) 循環(huán)結(jié)構(gòu) 函數(shù)調(diào)用 變量賦值等 程序語(yǔ)言特征 順序結(jié)構(gòu)是指按照語(yǔ)句的排列順序一次執(zhí)行 直到最后一個(gè)語(yǔ)句 選擇語(yǔ) 句是根據(jù)給定的條件成立或不成立 分別執(zhí)行不同的語(yǔ)句 循環(huán)是按照給定的條件 重復(fù) 執(zhí)行指定的語(yǔ)句 直到條件不成立為止 所以 MATLAB 可以像 C 語(yǔ)言一樣用來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)程序 而且理解容易 學(xué)起來(lái)特別簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單 2 2 Simulink 簡(jiǎn)介 Simulink 是 MATLAB 中最重要的一部分 在上個(gè)世紀(jì) 90 年代的美國(guó)由 MathWorks 公司 開(kāi)發(fā) 主要用來(lái)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模 系統(tǒng)的仿真和模型的搭建 16 它可以用于系統(tǒng)仿真 也 能用來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)連接 與傳統(tǒng)的仿真相比 它更加的靈活 直觀 Simulink 使用及其方便 在該軟件環(huán)境下 用戶不需要書(shū)寫(xiě)大量的 復(fù)雜的程序 而只要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作 來(lái)構(gòu)造復(fù)雜的系統(tǒng)模型 17 Simulink 擁有內(nèi)容種類繁多的的模塊庫(kù) 并且用戶可以根據(jù) 需要對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)充來(lái)編輯設(shè)置自己仿真時(shí)所要的而系統(tǒng)又沒(méi)提供的模塊 Simulink 的標(biāo)準(zhǔn) 模塊庫(kù)包含了現(xiàn)今科學(xué)研究和工程應(yīng)用中的涉及到的大部分模塊 包括數(shù)學(xué)計(jì)算時(shí)所需的 各種數(shù)學(xué)模塊庫(kù) 進(jìn)行系統(tǒng)仿真的信號(hào)與系統(tǒng)模塊庫(kù) 還有離散系統(tǒng)模塊庫(kù)等等 其中每 個(gè)模塊庫(kù)又包含很多的小模塊 例如數(shù)學(xué)模塊庫(kù)包括 加減運(yùn)算 乘除運(yùn)算 積分 微分運(yùn) 算 三角函數(shù) 絕對(duì)值等 18 模塊是構(gòu)成系統(tǒng)仿真模型的基本單元 用戶可以使用鼠標(biāo) 點(diǎn)擊模塊庫(kù)瀏覽器中 Simulink 前面的 號(hào) 系統(tǒng)就會(huì)彈出模塊庫(kù)下面的各種子模塊 用戶 發(fā)現(xiàn)所需要的模塊庫(kù)后 再用鼠標(biāo)單擊該模塊庫(kù) 這時(shí)會(huì)在右邊的界面彈出相應(yīng)的基本模 塊 選擇所需的模塊 雙擊鼠標(biāo)或者單擊鼠標(biāo)拖住該模塊都可以將其移到編輯窗口 Simulink 模塊庫(kù)還提供搜索功能 當(dāng)用戶不知道自己需要的模塊在哪個(gè)模塊庫(kù)中時(shí) 只要 在搜索欄中輸入該模塊的名稱 點(diǎn)擊搜索即可找到該模塊 在 Simulink 中我們可以對(duì)每個(gè) 模塊進(jìn)行編輯 如復(fù)制與刪除 模塊外形的調(diào)整 模塊名的處理等 19 可以調(diào)整模塊的 大小 方向 顏色 還能夠給模塊添加陰影 模塊名可以修改或者隱藏 例如要改變模塊 5 的顏色 第一步選定該模塊 然后選擇 Format 菜單下的 Foreground Color 命令 選擇模 塊的前景色 即模塊的圖標(biāo) 邊框和顏色 使模塊產(chǎn)生陰影效果 一般在進(jìn)行仿真前 需要設(shè)置必須的仿真參數(shù) 包括各種模塊參數(shù) 仿真的算法 仿 真的時(shí)間等 仿真算法根據(jù)步長(zhǎng)的變化可分為變步長(zhǎng)算法和固定步長(zhǎng)算法 不同的仿真系 統(tǒng)要選擇對(duì)應(yīng)的算法 采用變步長(zhǎng)算法時(shí) 要設(shè)置一定的誤差范圍 采用固定步長(zhǎng)算法時(shí) 要先設(shè)置固定步長(zhǎng) 20 仿真時(shí)間包括開(kāi)始和停止時(shí)間 這里的時(shí)間與現(xiàn)實(shí)的時(shí)間是不同 的 比如設(shè)置的仿真時(shí)間是 5s 采樣步長(zhǎng)定位 0 1 那么就需要執(zhí)行 50 步 設(shè)置完仿真參 數(shù)后點(diǎn)擊 Start 仿真就開(kāi)始了 仿真的結(jié)果可以輸送到示波器上 然后觀察示波器上的圖 形 可以對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析研究 還可以查看仿真后的數(shù)據(jù) 比較分析來(lái)自多次仿真的 多組數(shù)據(jù) 3 電力系統(tǒng)故障計(jì)算的基本原理 3 1 短路計(jì)算的基本原則和方法 電力系統(tǒng)三相短路計(jì)算主要是短路電流周期分量的計(jì)算 因?yàn)橛?jì)算短路電流的周期分 量是確定沖擊電流 短路電流非周期量 短路電流的有效值及短路容量的前提 在電力系 統(tǒng)短路電流的工程計(jì)算中 許多實(shí)際問(wèn)題的解決 如電網(wǎng)設(shè)計(jì)中的電氣設(shè)備選擇 并不需 要十分精確的結(jié)果 于是產(chǎn)生了近似計(jì)算的方法 21 在近似計(jì)算中主要是對(duì)系統(tǒng)元件模 型和標(biāo)么值參數(shù)計(jì)算做了簡(jiǎn)化處理 在元件模型方面 忽略發(fā)電機(jī) 變壓器和輸電線路的 電阻 不計(jì)輸電線路的電容 略去變壓器的勵(lì)磁電流 三相三柱式變壓器的零序等值電路 除外 負(fù)荷忽略不計(jì)或只做近似估計(jì) 在標(biāo)么值參數(shù)計(jì)算方面 在選取各級(jí)平均電壓做 為基準(zhǔn)電壓時(shí) 忽略各元件 電抗器除外 的額定電壓之比 即所有變壓器的標(biāo)么變比都等 于 1 此外 有時(shí)還假定所有發(fā)電機(jī)的電勢(shì)具有相同的相位 加上所有元件僅用電抗表示 這就避免了復(fù)數(shù)運(yùn)算 把短路電流的計(jì)算簡(jiǎn)化為直流電路的求解 短路容量就是短路電流 的有效值和短路處的正常工作電壓的乘積 短路電流最大可能的瞬時(shí)值稱為短路沖擊電流 通常為了實(shí)際應(yīng)用的方便 在進(jìn)行三相短路計(jì)算時(shí)可以采用一定的簡(jiǎn)化 假設(shè) 及統(tǒng)計(jì)方 法 一般在進(jìn)行短路電流的計(jì)算時(shí) 會(huì)使用近似計(jì)算的方法 22 即把系統(tǒng)中的一些電力 元件模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理 比如不考慮輸電線路的實(shí)際電阻 用電的負(fù)荷做大概的猜 測(cè)等等 還有對(duì)標(biāo)么值的處理 通常默認(rèn)所有變壓器的標(biāo)么變化比都為 1 這些都使得短 路電流的計(jì)算更加的簡(jiǎn)單 方便 在實(shí)際的短路計(jì)算中 為了使計(jì)算更加的簡(jiǎn)單 常做出 以下的假設(shè) 1 認(rèn)為所有的發(fā)電機(jī)的電勢(shì)是相同的 2 不考慮磁路飽和狀態(tài) 系統(tǒng)中所有的參數(shù)不變 3 把三相系統(tǒng)當(dāng)成一個(gè)對(duì)稱的系統(tǒng) 4 不考慮輸電線路的電阻 電容 忽略變壓器的電阻和勵(lì)磁電流 5 用概率統(tǒng)計(jì)法制定短路電流運(yùn)算曲線 6 短路發(fā)生在短路電流為最大值的瞬間 一般方法 1 疊加原理的應(yīng)用 將任意網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)變換 把當(dāng)中的非電源節(jié)點(diǎn)都消去 只保留電源節(jié) 點(diǎn) 則在等值網(wǎng)絡(luò)中 任兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的之路阻抗就是該兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)移阻抗 因此 只要把短路點(diǎn)當(dāng)做電勢(shì)為零的電源節(jié)點(diǎn) 利用疊加原理可得短路電流 6 2 電流分布系數(shù) 電流分布系數(shù)等于短路點(diǎn)的輸入阻抗與該電源對(duì)短路點(diǎn)的轉(zhuǎn)移阻抗之 比 電流分布系數(shù)是說(shuō)明電流分布情況的一種參數(shù) 只與短路點(diǎn)的位置 網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和參 數(shù)有關(guān)系 所有的電流分布系數(shù)之和為 1 3 網(wǎng)絡(luò)的等值變換 等值變換簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)是電力系統(tǒng)短路計(jì)算的最常用的方法 等值變換 要求網(wǎng)絡(luò)未被變換部分的狀態(tài)要保持不變 短路計(jì)算中用的最多的主要有兩種 無(wú)源網(wǎng)絡(luò) 的星型變換和戴維南定理的有源網(wǎng)絡(luò) 3 2 短路電流計(jì)算 3 2 1 計(jì)算的基本步驟 計(jì)算的基本過(guò)程如下 1 選擇短路點(diǎn) 2 畫(huà)出計(jì)算用等值網(wǎng)絡(luò) 利用標(biāo)幺值計(jì)算 3 2 2 短路計(jì)算 1 假設(shè)一個(gè)電力系統(tǒng)三相短路 其中已知參數(shù)如下 SB 900MVA ST 900MVA V 220kV L1 10km L2 L3 110km T1 T2 10 220 X 0 529 km 2 系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)幺值化 X a X G X1 2 100 900 5 29 5 512 X L3 116 38 100 220 0 25 圖 1 系統(tǒng)等值電路圖 3 再將該電路圖三角星化如圖 3 2 圖 2 網(wǎng)絡(luò)三角化星圖 4 將星型圖繼續(xù)簡(jiǎn)化為圖 3 3 得 X 5 X a X 2 X 3 5 512 0 055 0 055 0 054 X ff X 4 X1 0 112 7 圖 3 化簡(jiǎn)合并電路圖 5 最后計(jì)算短路電流 I 8 929 4 模型與仿真 4 1 算例 首先設(shè)計(jì)一個(gè)短路電路 假設(shè)無(wú)窮大功率電源供電系統(tǒng)如圖 4 1 所示 0 2s 時(shí)刻電力 系統(tǒng)在 f 處發(fā)生三相短路故障或者其他的短路情況 T 代表變壓器 S 代表電源 根據(jù)給定 的參數(shù)計(jì)算短路電流 再在 MATLAB 中設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)模型 模擬其短路情況對(duì)其仿真 通過(guò) 示波器觀察電壓 電流在故障前后的變化 與實(shí)際結(jié)果相比較從而得出結(jié)論 在系統(tǒng)中各 個(gè)參數(shù)如下 線路長(zhǎng)度 L 50kM 線路電抗 X 0 4 kM 線路電阻 r 0 17 kM 變壓器的 額定容量 Sn 20MV A 短路電壓 Us 10 5 短路損耗 P 135kW 空載損耗 P1 0 8 空載電 流 Io 0 8A 變比 K 110 11 負(fù)載 S 5MW 高低壓繞組均為 Y 形聯(lián)接 并設(shè)供電點(diǎn)電壓為 110kV L S T f Load 圖 4 無(wú)窮大電源供電系統(tǒng) 計(jì)算 變壓器 T 采用 Three phrase transformer Two Windings 模型 根據(jù)給定的數(shù)據(jù) 變壓器電阻 Rt Ps Un2 Sn2 135x110 x103 20002 4 08 變壓器電抗 Xt Us Un2 Sn 10 5x1102 2000 63 53 變壓器勵(lì)磁電阻 Rm Un2x103 Po 1102x103 22 5 5x105 變壓器勵(lì)磁電抗 Xm 100Un2 IoSn 100 x1102 1 6 75625 變壓器勵(lì)磁電感 Lm Xm 2 f 240 8H 輸電線路 L 采用 Three Phase series RLC Branch 模型 根據(jù)給定的參數(shù)計(jì)算得 線路電阻 RL L r1 4 08x0 17 8 5 計(jì)算完以上的參數(shù)后 然后就可以利用它們計(jì)算以下參數(shù) 可以首先計(jì)算出在變壓器低壓 母線發(fā)生三相短路故障時(shí)短電流周期分量幅值和沖擊電流的大小 短路電流周期分量的幅值為 Im Um k R RL 2 X XL 2 10 63kA 時(shí)間常數(shù) Ta為 Ta I IL R RL 0 0211s 則短路沖擊電流為 Iim 17 3kA 4 2 三相短路系統(tǒng)仿真模型及各模塊參數(shù)設(shè)置 根據(jù)圖 4 1 再 MATLAB 中設(shè)計(jì)仿真模型如下圖 4 2 可以模擬三相短路 兩相接地短路 及單相接地短路 系統(tǒng)中包括三相電源模塊 為系統(tǒng)提供 110kV 的交流電 三相線路模 塊 模擬實(shí)際線路的電阻 電抗和電感 數(shù)值可以修改 三相電壓電流測(cè)量模塊 采集 8 電壓電流的數(shù)值變化 變壓器模塊 模擬實(shí)際輸電線路中的變壓器 變比 電壓等參數(shù) 都可以設(shè)置 故障發(fā)生器模塊 通過(guò)設(shè)置里面的參數(shù)可以模擬各種類型的短路 23 將各個(gè)模塊按照電力系統(tǒng)連接起來(lái)就構(gòu)成了一個(gè)簡(jiǎn)單的電力系統(tǒng) 仿真的結(jié)果可以通過(guò)示 波器看到 圖 5 電力系統(tǒng)三相短路系統(tǒng)仿真模型 仿真所需的各個(gè)模塊可以在 simulink 模塊庫(kù)中提取 如果沒(méi)有可以下載更多的模塊庫(kù) 下 表是仿真所需的模塊名稱及其選取的路徑 表 2 各模塊選取路徑 4 2 1 三相電壓電流測(cè)量模塊 三相電壓電流測(cè)量模塊是用來(lái)采集變壓器低壓側(cè)的電流和電壓 類似于萬(wàn)用表 但又 比萬(wàn)用表更使用 功能更齊全 24 它可以把測(cè)量到的電壓電流提出來(lái)進(jìn)行下一步的測(cè)量 也可以和其它設(shè)備連接 便于更多的操作 它會(huì)將采集到的電壓和電流自動(dòng)變?yōu)?Simulink 可以識(shí)別的語(yǔ)言 顯示在示波器上面 主要起到一種采集轉(zhuǎn)化作用 它的參數(shù)設(shè)置如圖 4 3 包括是否短路接地 電流是否采集 電壓是否采集等 此處我選擇接地 采集電壓和 電流 模塊名稱選取路徑 三相并聯(lián) RLC 負(fù)荷模塊 5MW SimPower Systems Elements 串聯(lián) RLC 支路 Three PhaseSeries RLC Branch SimPower Systems Elements 雙繞組變壓器模塊 Three PhaseTransformer SimPower Systems Elements 三相故障模塊 Three Phase Fault SimPower Systems Elements 三相故障模塊 Three Phase Fault SimPower Systems Measurements 電力系統(tǒng)用戶截面 Powergui SimPower Systems 9 圖 6 電壓電流測(cè)量模塊參數(shù) 4 2 2 變壓器模塊 變壓器是電力系統(tǒng)中不可或缺的元件 也是最重要的電力元件 在發(fā)電廠中用升壓變 壓器將電壓升高 然后再輸送 這樣可以減少電力輸送過(guò)程中的損耗 在配電環(huán)節(jié)中 用 降壓變壓器把高電壓降低為 220V 的生活用電 變壓器的主要作用就是在輸電線路中升高 或在配電中降低電壓的器件 一般變壓器主要由鐵芯和繞組組成 繞組有兩個(gè)或多個(gè) 還 會(huì)有一些輔助部件如油箱 儲(chǔ)油柜 散熱器 高低壓絕緣套管等等 其中鐵芯是變壓器電 磁感應(yīng)的通路 由硅鋼片疊裝而成 繞組是變壓器的電路部分 分為高低壓繞組及通常說(shuō) 的一 二次繞組 此處選擇的是雙繞組變壓器 因?yàn)樗巧钪谐Ｒ?jiàn)到的 一般變壓器的 參數(shù)主要有六個(gè) 分別是 工作頻率 額定頻率 額定電壓 空載電流 空載損耗 電壓 比 我選的頻率是 50HZ 額定電壓 110KV 變壓器采用標(biāo)么值 雙繞組變壓器模塊的參 數(shù)如下 圖 7 變壓器模塊的參數(shù) 10 4 2 3 三相線路模塊 在實(shí)際的電力系統(tǒng)中輸電線路存在電阻 電抗 電感等 有些計(jì)算可以忽略不計(jì) 但 有些是不可忽視的 對(duì)計(jì)算結(jié)果會(huì)有很大的影響 在仿真模型中選用三相線路模塊可以很 好的模擬實(shí)際系統(tǒng)中的輸電線路 模塊中包含三種參數(shù) 分別對(duì)應(yīng)線路的電阻 電感 電 容 首先第一項(xiàng)選擇 RLC 表示電阻 電感和電容都需要設(shè)置 其次修改下面三項(xiàng)的參數(shù) 參數(shù)設(shè)置如圖 4 5 圖 8 三相線路模塊參數(shù) 4 2 4 三相電源模塊 三相電源是電力系統(tǒng)中很重要的元件 它的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)起到?jīng)Q定 性的作用 三相電源模塊用來(lái)模擬實(shí)際的三相電源供電 可以真實(shí)準(zhǔn)確的模擬實(shí)際狀態(tài) 因?yàn)樵谌嚯娫茨K中可以設(shè)置六個(gè)參數(shù) 跟實(shí)際電源相差無(wú)幾 這六個(gè)參數(shù)分別為 相 電壓 Phase to Phase rms voltage 即三相電源 A 相 B 相和 C 相的相電壓 A 相相角 phase angle of phase A 知道 A 相可以推算出其他相 電源頻率 Frequency 內(nèi) 部連接方式 Internal connection 星型連接或者三角形連接 其中三角形連接方式又 可以分為中性點(diǎn)接地和不接地兩種方式 三相電源電阻 Source resistance 三相電源 電感 利用三相電源模塊可以模擬現(xiàn)實(shí)中各種類型的供電電源 此處頻率 50HZ 相角 0 11 圖 9 三相電源模塊參數(shù) 4 2 5 三相線路故障模塊 三相線路故障模塊是用來(lái)模擬故障點(diǎn)發(fā)生的故障類型 模擬各種常見(jiàn)的相見(jiàn)故障 其 中的斷路器的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間可以由一個(gè) Simulink 外部信號(hào) 外部控制模式 或者內(nèi)部 控制定時(shí)器 內(nèi)部控制模式 來(lái)控制 參數(shù)界面有多種選擇項(xiàng) 上面代表 A B C 三相 選擇任意一相表示某一相短路 選擇兩相即代表兩相短路 下面有個(gè)接地選項(xiàng) 選中即表 示是接地短路 否則為不接地短路 再下面可以設(shè)置故障發(fā)生的時(shí)間 故障恢復(fù)的時(shí)間等 等 如 0 1 0 2 0 3 表示 0 1 0 2 是系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài) 0 2 0 3 是系統(tǒng)故障狀態(tài) 當(dāng)我 們沒(méi)有設(shè)置接地故障時(shí) 系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)默認(rèn)接地電阻 Ground resistance Rg為 106 可 以看出故障模擬器用起來(lái)比實(shí)物模型方便高效 參數(shù)設(shè)置如下圖 4 7 圖 10 三相線路故障模塊參數(shù) 4 2 6 并聯(lián) RLC 負(fù)荷模塊 并聯(lián) RLC 負(fù)荷模塊 Parallel RLC Load 是由電阻 電感 電容并聯(lián)連接構(gòu)成的 也 是其三要素 所以要想改變?cè)撃K的值 只需要設(shè)置它的電阻 電感 電容三者中的任意 一個(gè)數(shù)值 圖 11 并聯(lián) RLC 負(fù)荷模塊參數(shù) 4 3 仿真結(jié)果與分析 在電力系統(tǒng)短路分析時(shí) 主要是觀察三相短路 兩相短路 兩相接地短路及單相接地 短路的電壓和電流的變化 進(jìn)而得出結(jié)論 12 1 三相短路 在仿真模型中打開(kāi)故障發(fā)生器的參數(shù)界面 選中 A B C 三相 再在接地選項(xiàng)前打鉤 即表示故障發(fā)生器將模擬三相短路 轉(zhuǎn)換時(shí)間設(shè)置為 0 1 0 2 0 3 其中 0 1 0 2 系統(tǒng) 處于正常運(yùn)行狀態(tài) 0 2 時(shí)系統(tǒng)發(fā)生故障 即 0 2 0 3 是故障狀態(tài) 0 3 之后系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定 狀態(tài) 此時(shí)系統(tǒng)模型已經(jīng)為三相短路故障模型 點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕 仿真即開(kāi)始 仿真結(jié)束后 雙擊示波器 Scope 就可以看到電壓 電流的波形 如下圖所示 圖 12 三相短路電壓 電流 圖的上部分是電壓波形 下部分是電流波形 其中黃色代表 A 相 紅色代表 B 相 藍(lán) 色代表 C 相 從圖的上半部可以看出 在 0 1 0 2 的時(shí)間里系統(tǒng)是正常運(yùn)行的 A B C 三相的電壓都很大 并且也很均勻穩(wěn)定 在 0 2 0 3 系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障一段時(shí)間內(nèi) A B C 三相的電壓迅速下降到零 再看圖的下半部 在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí) A B C 三相的 電流均勻穩(wěn)定 在 0 2 0 3 這段時(shí)間里系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障 此時(shí) A B C 三相的電流 發(fā)生劇烈的變化 急劇的增大 由于三相電路相電流存在相位差 所以波形上升或者下降 這也是符合實(shí)際認(rèn)知的 2 單相接地短路 在仿真模型中打開(kāi)故障發(fā)生器的參數(shù)界面 選中 A 相 再在接地選項(xiàng)前打鉤 即表示 故障發(fā)生器將模擬 A 相短路 轉(zhuǎn)換時(shí)間設(shè)置為 0 1 0 2 0 3 其中 0 1 0 2 系統(tǒng)處于正 常運(yùn)行狀態(tài) 0 2 時(shí)系統(tǒng)發(fā)生故障 即 0 2 0 3 是故障狀態(tài) 0 3 之后系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài) 此時(shí)系統(tǒng)模型已經(jīng)為 A 相短路故障模型 點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕 仿真即開(kāi)始 仿真結(jié)束后 雙擊 示波器 Scope 就可以看到電壓 電流的波形 如下圖所示 13 圖 13 單相接地短路電壓 電流 圖的上部分是電壓波形 下部分是電流波形 其中黃色代表 A 相 紅色代表 B 相 藍(lán) 色代表 C 相 從圖的上半部可以看出 正常運(yùn)行時(shí) A B C 三相的電壓都是出于穩(wěn)定狀態(tài) 的 在 0 2 處時(shí)發(fā)生故障 此時(shí) A 相由于接地短路電壓降為零 B C 兩相的電壓急劇上升 再看圖的下半部 正常運(yùn)行時(shí)各相電流穩(wěn)定均勻 發(fā)生故障時(shí)短路點(diǎn)的 A 相電流急劇上升 B C 兩相的電流發(fā)生輕微的抖動(dòng) 然后在 0 3 處 故障切除 系統(tǒng)又回歸穩(wěn)定 3 兩相接地短路 在仿真模型中打開(kāi)故障發(fā)生器的參數(shù)界面 選中 A B 兩相 再在接地選項(xiàng)前打鉤 即 表示故障發(fā)生器將模擬 A B 兩相接地短路 轉(zhuǎn)換時(shí)間設(shè)置為 0 1 0 2 0 3 其中 0 1 0 2 系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài) 0 2 時(shí)系統(tǒng)發(fā)生故障 即 0 2 0 3 是故障狀態(tài) 0 3 之后系統(tǒng)恢復(fù) 穩(wěn)定狀態(tài) 時(shí)系統(tǒng)模型已經(jīng)為 A B 兩相接地短路故障模型 點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕 仿真即開(kāi)始 仿真結(jié)束后 雙擊示波器 Scope 就可以看到電壓 電流的波形 如下圖所示 圖 14 兩相接地短路電壓 電流 14 圖的上部分是電壓波形 下部分是電流波形 其中黃色代表 A 相 紅色代表 B 相 藍(lán) 色代表 C 相 從圖的上半部中可以看出 在 0 1 0 2 時(shí)系統(tǒng)正常運(yùn)行 A B C 三相的電 壓的波形都穩(wěn)定均勻變化 在發(fā)生 AB 兩相接地短路后 A B 兩相的電壓迅速下降為零 C 相的電壓變大 再看圖的下半部分 正常運(yùn)行時(shí) A B C 三相電流穩(wěn)定均勻變化 在 0 2 時(shí)刻發(fā)生兩相接地短路 此時(shí) A B 兩相的電流急劇增大 C 相電流基本保持不變的 在 0 3 處時(shí) 故障解除 系統(tǒng)又出于穩(wěn)定狀態(tài) 4 兩相短路 在仿真模型中打開(kāi)故障發(fā)生器的參數(shù)界面 選中 A B 兩相 不要選擇接地項(xiàng) 即表示 故障發(fā)生器將模擬 A B 兩相短路 轉(zhuǎn)換時(shí)間設(shè)置為 0 1 0 2 0 3 其中 0 1 0 2 系統(tǒng)處 于正常運(yùn)行狀態(tài) 0 2 時(shí)系統(tǒng)發(fā)生故障 即 0 2 0 3 是故障狀態(tài) 0 3 之后系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定狀 態(tài) 此時(shí)系統(tǒng)模型已經(jīng)為 A B 兩相短路故障模型 點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕 仿真即開(kāi)始 仿真結(jié)束 后 雙擊示波器 Scope 就可以看到電壓 電流的波形 如下圖所示 圖 15 兩相短路電壓 電流 圖的上部分是電壓波形 下部分是電流波形 其中黃色代表 A 相 紅色代表 B 相 藍(lán) 色代表 C 相 從圖的上半部中可以看出 在 0 1 0 2 這段時(shí)間里 系統(tǒng)正常運(yùn)行 A B C 三相的電壓的波形穩(wěn)定且均勻變化 在 0 2 0 3 故障期間 AB 兩相由于兩相短路 所以電壓降低 C 相電壓增大 再看電流部分 正常運(yùn)行時(shí)都是穩(wěn)定的 在 0 3 時(shí)刻發(fā)生 故障 A B 兩相電流急劇增大 C 相電流發(fā)生輕微波動(dòng) 在 0 3 處時(shí) 故障解除 系統(tǒng)又 出于穩(wěn)定狀態(tài) 5 設(shè)計(jì)總結(jié) 本文首先介紹了電力系統(tǒng) 包括其定義 內(nèi)容等的一些基本知識(shí) 其中重點(diǎn)介紹電力 系統(tǒng)故障 尤其是各種類型的短路及他們發(fā)生的概率大小和危害嚴(yán)重性 也包括短路電流 的分析和計(jì)算方法 然后又介紹了仿真軟件 Matlab Simulink 的發(fā)展歷程 使用方法和他 們的一些基本特點(diǎn) 以及如何在 MATLAB 中選取電力元件來(lái)搭建電力系統(tǒng)模型并對(duì)其進(jìn)行仿 15 真 然后觀察示波器 對(duì)結(jié)果分析研究得出結(jié)論 現(xiàn)在科技日新月異 尤其是互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算 機(jī)的迅速發(fā)展 使得以前很難解決的問(wèn)題或?qū)嶒?yàn)都可以借助計(jì)算機(jī)來(lái)解決 隨著計(jì)算機(jī)仿 真技術(shù)已成為電力系統(tǒng)研究 規(guī)劃 設(shè)計(jì)和運(yùn)行等各個(gè)方面的重要方法和手段 由于 Matlab 具有良好的開(kāi)發(fā)性 高效的數(shù)據(jù)仿真分析 特別是信號(hào)處理和直觀的圖形顯示功能 且 Matlab simulink 環(huán)境下的 SimPowerSystems 模型庫(kù)及 Simulink 強(qiáng)大的二次開(kāi)發(fā)功能和 豐富的工具箱 能快速而準(zhǔn)確的對(duì)電路及更復(fù)雜的電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真 計(jì)算 因此 它已 成為電力科研工作者和工程技術(shù)人員應(yīng)用它來(lái)進(jìn)行電力系統(tǒng)有關(guān)問(wèn)題的仿真分析和輔助設(shè) 計(jì)的理想工具 電力系統(tǒng)故障仿真如果依靠物理實(shí)驗(yàn) 往往損失大 效果不理想 而且實(shí) 驗(yàn)的直觀性也較差 運(yùn)用 MATLAB 仿真軟件來(lái)進(jìn)行電力系統(tǒng)故障分析 尤其是借助 Simulink 搭建的仿真模型 可以直觀的 準(zhǔn)確的看到故障發(fā)生的前因后果及故障時(shí)的狀態(tài) 相較傳統(tǒng)的物理模型 MATLAB 顯的尤為高效 經(jīng)濟(jì) 所以現(xiàn)在 MATLAB 已經(jīng)成為我們用來(lái) 分析解決電力系統(tǒng)問(wèn)題的有力幫手 通過(guò)本次論文 首先熟悉了仿真軟件 MATLAB 的基本知識(shí) 對(duì)其一些操作通過(guò)練習(xí)也已 將基本掌了 例如如何打開(kāi) simulink 模塊庫(kù) 如何在庫(kù)中尋找模塊 如何將其拖置操作界 面等等 其次是三相短路問(wèn)題 通過(guò)仿真可以直觀的觀察波形的變化 有了更形象的理解 但由于平時(shí)在校期間沒(méi)有經(jīng)常的使用