基于MATLAB的電力系統(tǒng)短路故障的仿真報(bào)告

1、 電力系統(tǒng)建模及仿真課程設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告課題名稱(chēng) 基于matlab的電力系統(tǒng)短路故障的仿真與分析 姓 名 學(xué) 號(hào) 院 系 班 級(jí) 指導(dǎo)教師 摘 要基于matlab最重要的組件之一simulink中的電力元件庫(kù)（simpowersystems）構(gòu)建電力系統(tǒng)仿真模型，在matlab的平臺(tái)下仿真電力系統(tǒng)為工程設(shè)計(jì)和維修提供依據(jù)重要的依據(jù)，同時(shí)也為電力研究帶來(lái)大大的便利，利用simulink中的畫(huà)圖工具搭建電力系統(tǒng)模型也是進(jìn)行電力系統(tǒng)故障分析的常用方法，它讓電力研究者從大量繁瑣的理論分析及復(fù)雜的矩陣計(jì)算中解脫出來(lái)，讓龐大的電力系統(tǒng)很直觀的呈現(xiàn)在研究者的面前，從而將龐大的電力網(wǎng)搬進(jìn)了辦公室，為研究帶來(lái)了巨大

2、的便利。簡(jiǎn)要介紹了電力系統(tǒng)模型和matlab/ simulink中simpowersystems (電力系統(tǒng)元件庫(kù)) 的主要功能. simpowersystems 是專(zhuān)門(mén)為電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的仿真分析軟件,在對(duì)其基本元件進(jìn)行介紹后,在仿真平臺(tái)上,通過(guò)對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單的電力系統(tǒng)輸電線(xiàn)路的短路故障進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、分析,得到了理想的仿真效果.關(guān)鍵詞： matlab simpowersystems 短路電流計(jì)算 仿真simulation and analysis of power system short circuit faultbased on matlababstract: the article desc

3、ribes the basic characteristics of matlab /simulink and the basic method and process of applying matlab in the simulation of power system. matlab simpowersystems block set is used to build a model of single-machine infinity-bus system and simulate various fault of power system. the results show that

4、 the simulation waveform is in line with theoretical analysis and matlab is a valid tool for the simulation of power system fault. by the contrast and analysis of different short circuit faults, we can obtain a result that the three-phase short circuit fault is the worst situation in the faults of p

5、ower system. so this situation should be avoided as far as possible in manufacture. also, by the contrast and analysis of the fault resolution time, we know that clearing the short circuit fault on a minimal time is one way to guarantee the power system running regularly and reduce the loss.摘 要21 引言

6、42 電力系統(tǒng)模型4短路產(chǎn)生的原因有很多，主要有以下幾個(gè)方面：5短路的危害5短路故障分析的內(nèi)容和目的63 電力系統(tǒng)仿真模型的建立與分析63.1 電力系統(tǒng)仿真模型73.2 仿真參數(shù)設(shè)置83.3 仿真結(jié)果分析113.3.1a.b.c三相短路113.3.2 a相接地短路133.3.3 a,b兩相短路163.3.4 a,b 兩相接地短路194 結(jié)論225 參考文獻(xiàn)226 心得體會(huì)231 引言為了保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的功能和質(zhì)量，在設(shè)計(jì)、分析和研究時(shí)必須保證系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。現(xiàn)代電力系統(tǒng)是一個(gè)超高壓、大容量和跨區(qū)域的巨大的聯(lián)合系統(tǒng)，電力系統(tǒng)事故具有突發(fā)性強(qiáng)、維持時(shí)間短、復(fù)雜程度高、破壞力大的特點(diǎn)，因而使

7、得事后對(duì)故障原因分析、查找變得尤其困難。由于在實(shí)際系統(tǒng)上進(jìn)行試驗(yàn)和研究比較困難，因此借助各種電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真軟件電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究已成為有效途徑之一。電力系統(tǒng)仿真軟件有很多，當(dāng)今比較流行的主要有emtp(electromagnetic transients program)仿真程序，美國(guó)電力公司(pti)開(kāi)發(fā)的pss/e(power system simulator for engineering)，mathworks公司開(kāi)發(fā)的matlab中所包含的電力系統(tǒng)工具箱(power system toolbox)，以及中國(guó)電力科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)的仿真軟件psasp(power system analy

8、sis software package)。由于matlab具有很良好的開(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psb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)確地對(duì)電路及更復(fù)雜的電氣系統(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。12 電力系統(tǒng)模型電力系統(tǒng)中輸送和分配電能的部分稱(chēng)為電力網(wǎng),它包括升降壓變壓器和各種電壓等級(jí)的輸電線(xiàn)路4 . 動(dòng)力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)和電力網(wǎng)簡(jiǎn)單示意如圖圖1-1 動(dòng)力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)和電力網(wǎng)示意圖電力系統(tǒng)的運(yùn)行

9、經(jīng)驗(yàn)表明，在各種類(lèi)型的短路中，單相短路占大多數(shù)，兩相短路較少，三相短路的機(jī)會(huì)最少。所以我們應(yīng)對(duì)單相短路引起足夠的重視，對(duì)單相短路的研究是有其重要意義的，所以本章重點(diǎn)就是研究單相短路故障在matlab中的運(yùn)用和分析。短路產(chǎn)生的原因有很多，主要有以下幾個(gè)方面：（1）.元件損壞例如絕緣材料的自然老化，設(shè)計(jì)，安裝維護(hù)不良所帶來(lái)的設(shè)備缺陷發(fā)展成短路等，(2).氣象條件惡化例如雷擊造成的閃絡(luò)放電或避雷器動(dòng)作，架空線(xiàn)路由于大風(fēng)或?qū)Ь€(xiàn)覆冰引起電桿倒塌(3）. 違規(guī)操作，例如運(yùn)行人員帶負(fù)荷拉刀閘，線(xiàn)路或設(shè)備檢修后未拆除接地線(xiàn)就加上電壓等；(4). 其他，例如挖溝損傷電纜，鳥(niǎo)獸跨接在裸露的載流部分等。短路的危害隨

10、著短路類(lèi)型、發(fā)生地點(diǎn)和持續(xù)時(shí)間的不同，短路的后果可能只破壞局部地區(qū)的正常供電，也可能威脅整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。短路的危險(xiǎn)后果一般有以下的幾個(gè)方面：（1）.短路故障使短路點(diǎn)附近的支路中出現(xiàn)比正常值大許多倍的電流，由于短路電流的電動(dòng)力效應(yīng)，導(dǎo)體間將產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力，可能使導(dǎo)體和它們的支架遭到破壞。（2）短路電流使設(shè)備發(fā)熱增加，短路持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，設(shè)備可能過(guò)熱以致?lián)p壞。（3）. 短路時(shí)系統(tǒng)電壓大幅度下降，對(duì)用戶(hù)影響很大。系統(tǒng)中最主要的電力負(fù)荷是異步電動(dòng)機(jī)，它的電磁轉(zhuǎn)矩同端電壓的平方成正比，電壓下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩顯著減小，轉(zhuǎn)速隨之下降。當(dāng)電壓大幅度下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)甚至可能停轉(zhuǎn)，造成產(chǎn)品報(bào)廢，設(shè)備損

11、壞等嚴(yán)重后果。（4）.當(dāng)短路發(fā)生地點(diǎn)離電源不遠(yuǎn)而持續(xù)時(shí)間又較長(zhǎng)時(shí)，并列運(yùn)行的發(fā)電廠可能失去同步，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定，造成大片地區(qū)停電。這是短路故障的最嚴(yán)重后果。（5）.發(fā)生不對(duì)稱(chēng)短路時(shí)，不平衡電流能產(chǎn)生足夠的磁通在鄰近的電路內(nèi)感應(yīng)出很大的電動(dòng)勢(shì)，這對(duì)于架設(shè)在高壓電力線(xiàn)路附近的通訊線(xiàn)路或鐵道訊號(hào)系統(tǒng)等會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。短路故障分析的內(nèi)容和目的短路故障分析的主要內(nèi)容包括故障后電流的計(jì)算、短路容量的計(jì)算、故障后系統(tǒng)中各點(diǎn)電壓的計(jì)算以及其他的一些分析和計(jì)算，如故障時(shí)線(xiàn)路電流與電壓之間的相位關(guān)系等。短路電流計(jì)算與分析的主要目的在于應(yīng)用這些計(jì)算結(jié)果進(jìn)行繼電保護(hù)設(shè)計(jì)和整定值計(jì)算，開(kāi)關(guān)電器、串聯(lián)電抗器、母線(xiàn)、絕緣子

12、等電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)，制定限制短路電流的措施和穩(wěn)定性分析等。3 電力系統(tǒng)仿真模型的建立與分析在三相電力系統(tǒng)中,可能發(fā)生的短路有:三相短路、兩相短路、兩相接地短路和單相接地短路.本文擬定仿真的電力系統(tǒng)中,使用理想三相電壓源(3 - phase source) 作為電路的供給電源,電壓源為y型連接,中性點(diǎn)不接地;使用分布參數(shù)輸電線(xiàn)line1 和line2 的參數(shù)設(shè)置相同,line2 末端為中性點(diǎn)接地; 使用三相短路故障發(fā)生器( 32phase fault) 進(jìn)行不同類(lèi)型短路的設(shè)置.(1) 從電源元件庫(kù)選擇三相電源(3-phase source)元件，復(fù)制后粘貼在電路圖中。雙擊交流電流源元件，在交流電流

13、源元件參數(shù)對(duì)話(huà)框中如下設(shè)置：峰值振幅(peak amplitude)：110kv 初始相位(phase)：0 頻率(frequency)：50 內(nèi)部連接方式（internal connection）:y測(cè)量(measurements)選項(xiàng)：選擇不測(cè)量 單擊 ok按鈕完成對(duì)三相電源(3-phase source)元件的設(shè)置。 (2)從線(xiàn)路元件(elements)庫(kù)中選擇變壓器（雙繞組及三繞組）元件，復(fù)制后粘貼在電路圖中。雙擊變壓器元件，在變壓器元件參數(shù)對(duì)話(huà)框中如下設(shè)置：容量（nominal）:根據(jù)系統(tǒng)選擇頻率(frequency)：50 各繞組參數(shù)設(shè)置：根據(jù)系統(tǒng)選擇雙繞組內(nèi)部連接方式（inter

14、nal connection）:yn(abc) d11(abc)三繞組內(nèi)部連接方式（internal connection） ：yn(abc)y(a2b2c2)d11(a3b3c3)測(cè)量(measurements)選項(xiàng)：選擇不測(cè)量 單擊 ok按鈕完成對(duì)變壓器元件的設(shè)置。 （3）從線(xiàn)路元件(elements)庫(kù)中選擇輸電線(xiàn)路（雙回線(xiàn)型及單回線(xiàn)型）元件，復(fù)制后粘貼在電路圖中。雙擊輸電線(xiàn)路元件，在輸電線(xiàn)路元件參數(shù)對(duì)話(huà)框中如下設(shè)置：頻率(frequency)：50 單位長(zhǎng)度阻抗（resistance per unit length）： 0.01273 0.3864單位長(zhǎng)度電感(inductance p

15、er unit length )：0.9337e-3 4.1264e-3單位長(zhǎng)度電容(capacitance per unit length )：12.74e-9 7.751e-9線(xiàn)路長(zhǎng)度：根據(jù)系統(tǒng)不同決定線(xiàn)路長(zhǎng)度(line length)：根據(jù)系統(tǒng)選擇。測(cè)量(measurements)選項(xiàng)：選擇不測(cè)量 3.1 電力系統(tǒng)仿真模型1、供電系統(tǒng)如圖，發(fā)電機(jī)g1：50mva、110kv，保持恒定，y連接；線(xiàn)路l為100km；變壓器t為yn/d接法，sn=10mva，uk%=10.5，k=110/11。 電力系統(tǒng)接線(xiàn)圖電力系統(tǒng)仿真模型為3.2 仿真參數(shù)設(shè)置當(dāng)電路圖設(shè)計(jì)完成后，對(duì)其進(jìn)行仿真，達(dá)到觀察短路

16、接地電路中暫態(tài)變化情況。（1） 在設(shè)置的三相電路短路故障發(fā)生器，將接地短路時(shí)間設(shè)置為0.01 0.04之間。根據(jù)接地短路發(fā)生時(shí)間設(shè)置仿真參數(shù)。（2） 在電路圖的菜單選項(xiàng)中，選擇仿真菜單，激活仿真參數(shù)命令，彈出參數(shù)對(duì)話(huà)框。 根據(jù)對(duì)暫態(tài)過(guò)程時(shí)間估算，對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行如下設(shè)置：三相電源：電壓初始相位為0，頻率為默認(rèn)50hz不變，y型接法輸電線(xiàn)路：線(xiàn)路長(zhǎng)度100km，其余參數(shù)保持為默認(rèn)值不變。三相短路故障發(fā)生器：a相接地短路，0.01s發(fā)生短路，0.04s排除故障仿真參數(shù)的設(shè)置：起始時(shí)間為0s，終止時(shí)間為0.1s，變步長(zhǎng)，matlab 針對(duì)剛性系統(tǒng)提供了ode15 s，ode23 s，ode23 t 與

17、ode23 tb 等算法。本文采用ode15算法。仿真參數(shù)設(shè)置 當(dāng)電路圖設(shè)計(jì)完成后，對(duì)其進(jìn)行仿真，以達(dá)到觀察交流電路中暫態(tài)變化情況。 (1) 在電路圖的菜單選項(xiàng)中，選擇仿真(simulation)菜單，激活仿真參數(shù)(simulation arameters)命令，彈出仿真參數(shù)對(duì)話(huà)框如圖3-16所示。 圖5-1仿真參數(shù)對(duì)話(huà)框根據(jù)對(duì)暫態(tài)過(guò)程時(shí)間的估算，對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行如下設(shè)置。 開(kāi)始時(shí)間(start time)：0s 停止時(shí)間(stop time)：0.0001s 求解程序類(lèi)型(type)選項(xiàng)：可變步長(zhǎng)(variablestep)，ode23(bogackishampine) 最大步長(zhǎng)(max st

18、ep size)選項(xiàng)：自動(dòng)(auto) 最小步長(zhǎng)(min step size)選項(xiàng)：自動(dòng)(auto) 初始步長(zhǎng)(intial step size)選項(xiàng)：自動(dòng)(auto) 相對(duì)容差(relative tolerance)選項(xiàng)：1e-3 三相電源參數(shù)線(xiàn)路參數(shù) 兩相變壓器參數(shù)3.3 仿真結(jié)果分析3.3.1a.b.c三相短路 設(shè)置完電路圖和仿真參數(shù)后，下面進(jìn)行電路仿真。激活仿真按鈕，查看仿真波形圖。所的a.b.c三相電壓波形如下,三相短路時(shí)發(fā)電機(jī)端電壓，電流波形 電壓波形 電流波形三相短路時(shí)(a,b,c三相電壓)對(duì)比圖分析：三相短路時(shí)，a,b,c三相電壓相等。三相短路時(shí)(a,b,c三相電流)對(duì)比圖分析

19、：在三相故障模塊中，勾選phase a fault，phase b fault，phase c fault選項(xiàng)即可實(shí)現(xiàn)三相短路模型。三相短路發(fā)電機(jī)的三相電壓波形按正弦規(guī)律變化。三相的電流較穩(wěn)態(tài)時(shí)有較大增加，而且幅值基本相等。在故障切除后，經(jīng)過(guò)短暫的暫態(tài)過(guò)程，系統(tǒng)逐漸恢復(fù)到故障前狀態(tài)。故障發(fā)生時(shí)，三相電流呈正弦規(guī)律變化，且幅值相等，故障切除后為0。故障發(fā)生時(shí)三相電壓為0，故障切除后呈正弦規(guī)律變化。三相短路時(shí)，a,b,c三相電流大小相等，相位互差120度。3.3.2 a相接地短路為例發(fā)電機(jī)端電壓，電流波形 電壓波形 電流波形分析：發(fā)電機(jī)端電壓電流波形為正弦波基本沒(méi)什么變化 a相接地短路為例(a,b

20、,c三相電壓)分析：a相接地短路，a相電壓在短路一段時(shí)間里為零，b,c兩相電壓升高為線(xiàn)電壓，之后a,b,c三相電壓恢復(fù)正常。a相接地短路為例(a,b,c三相電流)分析：a相接地短路時(shí)當(dāng)輸電線(xiàn)路發(fā)生a 相接地短路時(shí),b 相、c 相電流沒(méi)有變化,始終為0. 對(duì)于故障相a 相的電流:在穩(wěn)態(tài)時(shí),故障點(diǎn)a 相電流由于三相短路故障發(fā)生器處于斷開(kāi)狀態(tài),因而電流為0. 在0. 01s 時(shí),三相短路故障發(fā)生器閉合,此時(shí)電路發(fā)生a 相接地短路,a 相短路電流波形發(fā)生了尖銳的抖動(dòng),大體上仍然呈現(xiàn)正弦規(guī)律變化. 在0. 04s時(shí),三相短路故障發(fā)生器打開(kāi),相當(dāng)于排除故障,此時(shí)故障點(diǎn)a 相電流變化為0. 3.3.3 a,

21、b兩相短路(以a,b兩相短路電壓為例) 發(fā)電機(jī)端電壓，電流波形 電壓波形 電流波形 待添加的隱藏文字內(nèi)容3兩相短路(以a,b兩相短路電壓為例) 分析：a,b兩相短路時(shí), , a,b電壓相等,c相電壓正常.兩相短路(以a,b兩相短路電流為例) 分析：在三相故障模塊中，勾選phase a fault，phase b fault選項(xiàng)即可實(shí)現(xiàn)ab兩相直接短路模型。a、b兩相直接短路發(fā)電機(jī)的三相電壓波形按正弦規(guī)律變化a、b兩相的電流較穩(wěn)態(tài)時(shí)有較大增加，而且幅值基本相等。在故障切除后，經(jīng)過(guò)短暫的暫態(tài)過(guò)程，系統(tǒng)逐漸恢復(fù)到故障前狀態(tài)。發(fā)生故障時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)作，快速將勵(lì)磁電壓增加至最大電壓，以維持機(jī)端電壓不

22、變；由于在發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)系統(tǒng)受到較大的干擾，發(fā)電機(jī)的機(jī)械輸入功率和發(fā)電機(jī)的電磁功率將不再平衡，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子將不再保持與無(wú)窮大電源角速度同步，即相角不斷變化，從而引起系統(tǒng)的功率、電壓、和電流不斷震蕩，此時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)也隨之不斷震蕩。b、c兩相的電流較穩(wěn)態(tài)時(shí)有較大增加，而且幅值基本相等。在故障切除后，經(jīng)過(guò)短暫的暫態(tài)過(guò)程，系統(tǒng)逐漸恢復(fù)到故障前狀態(tài)。故障相電壓降為0，而由于故障處在無(wú)窮大電源附近另由于線(xiàn)路參數(shù)的選取使得非故障相的電壓基本保持不變。三相短路時(shí)，a,b,c三相電流大小相等，相位互差120度。3.3.4 a,b 兩相接地短路(以a,b兩相接地電壓為例) 發(fā)電機(jī)端電壓。電流波形 電壓波形

23、電流波形兩相接地短路(以a,b兩相接地電壓為例)分析：a,b兩相接地短路時(shí)，a,b兩相接地電壓相等，c相電壓為正常。兩相接地短路(以a,b兩相接地電壓為流)分析：:在a 相、b 相發(fā)生接地短路時(shí),c 相電流沒(méi)有變化,始終為0. 對(duì)于故障相a 相和故障相b 相電流:在穩(wěn)態(tài)時(shí),故障點(diǎn)a 相、b 相電流由于三相短路故障發(fā)生器處于斷開(kāi)狀態(tài),因而電流為0. 在0. 01s 時(shí),三相短路故障發(fā)生器閉合,此時(shí)電路發(fā)生a 相、b 相接地短路,故障點(diǎn)a 相電流波形下移,故障點(diǎn)b 相電流波形上升,呈正弦規(guī)律變化. 在0. 05s 時(shí),三相短路故障發(fā)生器打開(kāi),相當(dāng)于排除故障,此時(shí)故障點(diǎn)a 相、b 相電流變化為0.

24、4 結(jié)論在simulink中建立了電力系統(tǒng)的基本模型并進(jìn)行了簡(jiǎn)單短路故障仿真分析。結(jié)果表明，matlab的仿真功能，為電氣工作者提供了一種簡(jiǎn)便、直觀、有效的仿真研究方法。通過(guò)a相接地短路，兩相短路接地，三相短路故障的仿真結(jié)果分析，可知，三相短路是電力系統(tǒng)最為嚴(yán)重的短路故障，可能引起電壓崩潰，造成大范圍的停電，給生產(chǎn)帶來(lái)不可預(yù)計(jì)的損失。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該盡量避免此類(lèi)短路故障的發(fā)生。上學(xué)期我進(jìn)行了電力系統(tǒng)分析、matlab在電氣工程中的應(yīng)用等專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)，對(duì)運(yùn)用matlab對(duì)電力系統(tǒng)故障分析部分的內(nèi)容有了一定的了解。通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，讓我對(duì)單相短路故障的分析方面的知識(shí)掌握，又進(jìn)一步得到鞏固其次，也學(xué)到了很多課內(nèi)學(xué)不到