基于MATLAB的電力系統(tǒng)短路故障分析與仿真

1、畢業(yè)論文基于MATLAB的電力系統(tǒng)短路故障分析與仿真院部機(jī)械與電子工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化i屆次2015屆學(xué)生姓名學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師目錄摘要IAbstractII1引言11.1課題研究的背景11.2課題研究的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀12短路故障分析12.1近年來(lái)短路故障12.2短路的定義及其分類22.3短路故障產(chǎn)生的原因及危害42.4預(yù)防措施42.5短路故障的分析診斷方法53仿真與建模63.1仿真工具簡(jiǎn)介63.1.1 MATLAB的特點(diǎn)63.1.2 Simulink簡(jiǎn)介73.1.3 SPS（SimPowerSystems）83.1.4 GUI（圖形用戶界面）83.2模型的建立83.2.1 無(wú)限大電源系統(tǒng)

2、短路故障仿真模型83.2.2 仿真參數(shù)的設(shè)置94 仿真結(jié)果分析164.1 三相短路分析164.2 單相短路分析（以A相短路為例）184.3 兩相短路（以A、B相短路為例）224.4 兩相接地短路（以A、B相短路為例）255 結(jié)論286前景與展望28參考文獻(xiàn)29致謝30ContentsAbstractII1 Introduction11.1 Projectbackgroundtothestudy11.2 Theresearchsituationathomeandabroad12 Analysisofshort-circuitfault12.1 Short-circuitfaultinrecent

3、years12.2 Definitionandclassificationofshort-circuitfault22.3 Causesanddamageofshort-circuitfault42.4 Precautionarymeasures42.5 Methodtoanalysisanddiagnosisofshort-circuitfault53 Simulationandmodeling63.1 Introductiontosimulationtools63.1.1 FeaturesofMATLAB63.1.2 Introductiontosimulink73.1.3 SPS(Sim

4、PowerSystems)83.1.4 GUI(GraphicalUserInterfaces)83.2 Establishmentofthemodel83.2.1 Infinitepowersystemshort-circuitfaultsimulationmodel83.2.2 Simulationparametersettings94 Simulationanalysis164.1Analysisofthree-phaseshort-circuit164.2 Analysisofsingle-phaseshortcircuit184.3 Analysisoftwo-phaseshortc

5、ircuit224.4 Analysisoftwo-phaseshortcircuittoground255 Conclusions286 Outlookandprospect28References29Acknowledgement30ii基于MATLAB的電力系統(tǒng)短路故障分析與仿真劉繼文（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院泰安271018）摘要：短路是電力系統(tǒng)中最容易發(fā)生的故障，每年因短路而引發(fā)的電氣事故不計(jì)其數(shù)。本文詳細(xì)介紹了短路故障產(chǎn)生的原因以及危害等，并重點(diǎn)介紹了Simulink仿真工具在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。利用電力系統(tǒng)工具箱SPS和Simulink模塊可以對(duì)電力系統(tǒng)故障進(jìn)行仿真。在仿真平

6、臺(tái)上，以無(wú)限大電源系統(tǒng)為建模對(duì)象，經(jīng)過(guò)模塊選擇，連線，參數(shù)設(shè)置等步驟，對(duì)電力系統(tǒng)可能出現(xiàn)的三相短路、單相短路、兩相短路以及兩相接地短路幾種故障進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，波形與理論分析基本一致，由此說(shuō)明MATLAB在電力系統(tǒng)仿真研究中具有重要的實(shí)用價(jià)值1。關(guān)鍵詞：短路電力系統(tǒng)MATLAB故障仿真IAnalysisandSimulationofShortCircuitFaultinPowerSystemBasedonMATLABJiwenLiu(collegeofmechanicalandelectronicengineering,ShandongAgriculturalUniversity,Tai

7、an,271018)Abstract：Shortcircuitismostlikelytooccurinpowersystemfault,therearecountlesselectricalaccidentseachyearduetoshortcircuits.Thispaperexpoundsthecausesoffaultsandhazards,andfocusesontheapplicationofSimulinksimulationtoolsinpowersystem.PSBandSimulinkToolboxmodulescanuseelectricpowersystemsimul

8、ationforpowersystemfailures.Onthesimulationplatform,withinfinitepowersourcesystemformodelingobjectsthroughmoduleselection,connection,stepssuchasparametersettings,onpossiblethree-phaseshortcircuit,single-phasepowersystemshortcircuit,two-phaseshortcircuitfaultsimulationoftwo-phaseshortcircuittoground.

9、SimulationresultsshowthatthewaveformanalysisareconsistentwiththetheorythatillustratetheMATLABinsimulationofpowersystemisofsignificantpracticalvalue.Keywords：shortcircuit;powersystem;MATLAB;fault;simulation1引言1.1課題研究的背景隨著電力工業(yè)的迅猛發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模越來(lái)越大，如今已成為世界上覆蓋面最廣、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的人造系統(tǒng)之一。眾所周知，電能的生產(chǎn)、輸送、分配和使用四個(gè)環(huán)節(jié)是同時(shí)進(jìn)行的，即

10、電能不能夠被儲(chǔ)存。因此，如何生產(chǎn)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)的電能以保證電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行成了當(dāng)今值得關(guān)注的課題。正是由于電力系統(tǒng)的特殊復(fù)雜性，許多電力系統(tǒng)故障也隨之發(fā)生，其中以短路故障最為嚴(yán)重。最近幾年，國(guó)內(nèi)外發(fā)生了多次重大停電事故，由此造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也嚴(yán)重影響了人民的正常生產(chǎn)、生活秩序2。因此，研究電力系統(tǒng)中的短路故障問(wèn)題，尤其是短路電流問(wèn)題一直受到電力科技工作者的高度重視3。1.2課題研究的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀基于電力系統(tǒng)的復(fù)雜程度以及從安全性角度考慮，許多電力系統(tǒng)試驗(yàn)已無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室中模擬進(jìn)行。因此，國(guó)內(nèi)外從上世紀(jì)80年代開(kāi)始對(duì)電力系統(tǒng)故障分析做了大量的研究工作，并提出了許多故障診斷方法，但是

11、實(shí)際上并沒(méi)有得到有效的解決?？紤]到電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，從技術(shù)和安全角度來(lái)講，已經(jīng)無(wú)法進(jìn)行科學(xué)的實(shí)驗(yàn)。所以，開(kāi)展電力系統(tǒng)故障仿真就顯得頗具現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。借助于計(jì)算機(jī)，一系列的仿真軟件開(kāi)始誕生。當(dāng)前，我們應(yīng)用的電力系統(tǒng)仿真軟件主要有：（1）PSCAD/EMTDC程序：其功能是研究當(dāng)電力系統(tǒng)遭受擾動(dòng)或者參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，觀察參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律4。（2）EMTP程序：其功能是進(jìn)行電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)計(jì)算，電力系統(tǒng)暫態(tài)保護(hù)裝置的綜合選擇以及電力系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)電壓分析等5。（3）PSASP程序：其功能是進(jìn)行電力系統(tǒng)暫態(tài)分析、穩(wěn)態(tài)分析以及故障分析等。當(dāng)然，除此之外還有MathWorks公司開(kāi)發(fā)的MATLA

12、B應(yīng)用軟件。由于MATLAB具有強(qiáng)大的計(jì)算功能、良好的動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境以及豐富的內(nèi)置工具箱，因此逐漸成為電路、電力電子以及電力系統(tǒng)等模塊的重要仿真工具。2短路故障分析2.1近年來(lái)短路故障我們先來(lái)看幾組數(shù)據(jù)：2000年12月25日21時(shí)35分，河南省洛陽(yáng)市老城區(qū)的東都商廈發(fā)生特大火災(zāi)，正在二、三樓施工的部分民工以及四樓歌舞廳內(nèi)的200多人被大火圍困。經(jīng)有關(guān)部門確認(rèn)，火災(zāi)已造成309人死亡，此次火災(zāi)是由于線路老化而造成短路引起的災(zāi)難6。2005年11月27日21時(shí)22分，黑龍江省龍煤礦業(yè)公司七臺(tái)河分公司東風(fēng)煤礦發(fā)生特大事故，造成171人死亡，48人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)4292.1萬(wàn)元。事故原因是采掘機(jī)

13、電機(jī)短路引起火花，從而引發(fā)瓦斯爆炸。2008年9月20日22時(shí)49分，深圳龍崗區(qū)舞王俱樂(lè)部發(fā)生火災(zāi)，導(dǎo)致44人死亡，64人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)七千萬(wàn)。事故的直接原因是舞臺(tái)照明線路和施放焰火同時(shí)起火引發(fā)的。2015年5月25日19時(shí)55分，河南平頂山市魯山縣城西琴臺(tái)辦事處三里河村一老年康復(fù)中心發(fā)生火災(zāi)，經(jīng)過(guò)搶險(xiǎn)人員全力搶救，共救出44人，其中：38人死亡、4人輕傷、2人重傷，事故原因?yàn)榫€路老化。以上報(bào)道，不是危言聳聽(tīng)，都是發(fā)生的真實(shí)案例。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年全國(guó)電氣火災(zāi)數(shù)量占總火災(zāi)比重為29.9%，但人員傷亡比重為32.5%，經(jīng)濟(jì)損失比重為41.4%。由此可見(jiàn)，電氣火災(zāi)事故往往會(huì)造成更高的人員傷亡

14、和更大的經(jīng)濟(jì)損失。2.2 短路的定義及其分類短路是指不同電位的導(dǎo)電部分包括導(dǎo)電部分對(duì)地之間的低阻性短接。根據(jù)短路發(fā)生的部位不同，短路故障可以分為4種類型：三相短路（KG）、單相接地短路（K（i）、兩相短路（K（2）和兩相接地短路（K（i,i）。三相短路屬于對(duì)稱性短路,而其他形式為不對(duì)稱短路。在電力系統(tǒng)中，發(fā)生單相短路的概率最大，大約能占到故障發(fā)生總數(shù)的65%；而發(fā)生三相短路的概率最小，但是一般情況下，特別是遠(yuǎn)離電源（發(fā)電機(jī)）的工廠供電系統(tǒng)中，三相短路的短路電流最大，因此它造成的危害也最嚴(yán)重。K(3)三相短路是指三相供配電系統(tǒng)三相導(dǎo)體間的短路，如圖2-1所示。A卜L電源_二-B-負(fù)荷圖2-1三相

15、短路兩相短路是指三相供配電系統(tǒng)中任意兩相導(dǎo)體間的短路，如圖2-2所示。#示。圖2-3(b)含中性線的單相短兩相接地短路是指中性路不接地系統(tǒng)中任意兩相發(fā)生單相接地而產(chǎn)生的短路，如圖2-4所示。2.3短路故障產(chǎn)生的原因及危害工廠供電系統(tǒng)要不間斷地、正常地對(duì)用電負(fù)荷供電，從而保證工廠生產(chǎn)和生活的正常進(jìn)行。但是，由于種種原因，也會(huì)難免出現(xiàn)故障，進(jìn)而使得電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性運(yùn)行遭到破壞。在實(shí)際生活中，造成短路故障的原因有很多，其中最主要的原因是電氣設(shè)備載流部分的相間絕緣或者相地絕緣遭到破壞，例如：（1）設(shè)備被過(guò)電壓（包括雷電過(guò)電壓）擊穿7；（2）設(shè)備長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行、絕緣自然老化；（3）設(shè)備質(zhì)量低劣、絕緣強(qiáng)度不

16、夠；（4）設(shè)備發(fā)生閃絡(luò)，被正常電壓擊穿；（5）設(shè)備受到外力的作用使絕緣受損而擊穿；（6）老鼠等咬壞線路，或者跨越在線路之間；（7）工作人員誤操作?？傊?，短路故障產(chǎn)生的原因既有客觀因素，也有主觀因素，只要監(jiān)管人員有較強(qiáng)的責(zé)任心，嚴(yán)格執(zhí)行各種規(guī)章制度，以身作則，就可以把短路故障控制在一個(gè)最小的范圍之內(nèi)，從而得到最大效益。短路發(fā)生后，系統(tǒng)中出現(xiàn)的短路電流要比正常負(fù)荷電流大得多。在大電力系統(tǒng)中，短路電流可以達(dá)到幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)安培。短路電流如此之大，所產(chǎn)生的危害也是巨大的：（1）短路電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，產(chǎn)生的熱效應(yīng)會(huì)引起導(dǎo)體或其絕緣受損；（2）導(dǎo)體由于受到電動(dòng)力的沖擊而變形，甚至損壞；（3）短路會(huì)引起電網(wǎng)中

17、電壓降低，并且越靠近短路點(diǎn)，電壓下降越多，結(jié)果可能是使部分用戶的供電受到破壞。（4）不對(duì)稱接地短路所引起的不平衡電流所產(chǎn)生的不平衡磁通，會(huì)在鄰近的平行通信線路內(nèi)感應(yīng)出相當(dāng)大的電動(dòng)勢(shì)，造成對(duì)通信系統(tǒng)的干擾，甚至危及設(shè)備和人身的安全8。（5）短路會(huì)破壞發(fā)電機(jī)的同步性，從而造成系統(tǒng)瓦解，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)大片地區(qū)停電。2.4預(yù)防措施預(yù)防短路故障的主要措施是限制短路電流、縮短短路電流的持續(xù)時(shí)間、減少發(fā)生短路的機(jī)會(huì)。具體講就是：（1）為了保證電氣設(shè)備的額定電壓與線路的額定電壓相符，必須進(jìn)行短路電流的計(jì)算，正確選擇及校驗(yàn)電氣設(shè)備。（2）為了確保發(fā)生短路時(shí)迅速將故障切除，減少短路所造成的危害，我們應(yīng)該采用電流速斷

18、保護(hù)裝置，并且要正確選擇熔體的額定電流和繼電保護(hù)的整定值。（3）為了減少雷擊損害，必須在變壓器附近安裝避雷器，在線路和變電站上安裝避雷針。（4）為了限制短路電流，可以采用電抗器增加系統(tǒng)阻抗。（5）為了使非故障部分能繼續(xù)運(yùn)行，需要把故障線路或設(shè)備從電力系統(tǒng)中迅速除掉。（6）要經(jīng)常對(duì)線路、設(shè)備進(jìn)行巡視檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷，并迅速進(jìn)行檢修。線路施工完畢后應(yīng)立即拆除接地線。保證架空線路施工質(zhì)量，加強(qiáng)線路維護(hù)，始終保持線路弧垂一致并符合規(guī)定9。（7）嚴(yán)格執(zhí)行電力系統(tǒng)五防措施，即防止務(wù)分、務(wù)合斷路器；防止帶負(fù)荷分合隔離開(kāi)關(guān)；防止帶電掛接地線；防止帶接地線合隔離開(kāi)關(guān)；防止誤入帶電間隔。（8）為了防止粉塵進(jìn)入電

19、氣設(shè)備，要及時(shí)清理；為了防止小動(dòng)物進(jìn)入變電站，要加強(qiáng)管理，嚴(yán)格把關(guān)。2.5 短路故障的分析診斷方法電力系統(tǒng)短路故障隨時(shí)都有可能發(fā)生，因此我們要對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)生故障，要迅速作出診斷，確定發(fā)生故障的類型并及時(shí)排除。當(dāng)然，分析短路故障問(wèn)題，還有助于我們進(jìn)行電氣設(shè)備的選擇及校驗(yàn)。目前，我們分析短路故障主要有以下幾種方法。（1）基于專家系統(tǒng)的診斷方法專家系統(tǒng)（expert-system）是根據(jù)專家推理的方法，利用計(jì)算機(jī)模型來(lái)解決問(wèn)題的一種故障診斷方法。按照所用推理策略和故障診斷知識(shí)的不同，專家系統(tǒng)可以分為兩類。第一類是基于啟發(fā)式規(guī)則推理的系統(tǒng)，即把繼電保護(hù)、斷路器的動(dòng)作邏輯以及運(yùn)行人員的診斷

20、經(jīng)驗(yàn)用一定的規(guī)則表示出來(lái)，以此來(lái)形成一個(gè)比較系統(tǒng)的專家知識(shí)庫(kù)。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，能夠立即將故障與知識(shí)庫(kù)中的類型進(jìn)行匹配，這樣就可以迅速判斷故障并及時(shí)排除。這是目前最有效的一種診斷方法，因此它的應(yīng)用范圍比較廣泛。第二類是結(jié)合正、反推理的系統(tǒng)，即把正向推理與反向推理兩種方法混合起來(lái)，首先根據(jù)正向推理建立一定的規(guī)則，然后通過(guò)反向推理進(jìn)行驗(yàn)證，這樣就可以大大減小故障發(fā)生的范圍，從而可以根據(jù)實(shí)際值與理論值的對(duì)比來(lái)計(jì)算可信度10。采用混合推理方法能夠同時(shí)提高該系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)能力與適應(yīng)性。（2）基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷方法基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN-artificial-neural-network）的診斷方法是由美

21、國(guó)Pitts等人率先提出的，它的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段，目前應(yīng)用于電力系統(tǒng)故障診斷的ANN有：基于BP（ackpropagation）算法的前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和基于徑向基函數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。該故障診斷的過(guò)程為：首先根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部表達(dá)，對(duì)輸入樣本進(jìn)行前向計(jì)算；然后比較網(wǎng)絡(luò)的輸出與期望輸出之間的誤差，若誤差滿足條件，則訓(xùn)練結(jié)束；否則，將誤差信號(hào)按原有的通路反向傳播，逐層調(diào)整權(quán)值和閥值，如此反復(fù)，直至滿足誤差精度的要求。（3）基于優(yōu)化技術(shù)的診斷方法基于優(yōu)化技術(shù)（optimization-methods）的診斷方法是一種基于數(shù)學(xué)模型的診斷方法，它的基本思路是將把電力系統(tǒng)的故障診斷問(wèn)題描述成為“0-1”整數(shù)規(guī)劃

22、的問(wèn)題，并構(gòu)造了一種數(shù)學(xué)解析模型，應(yīng)用優(yōu)化技術(shù)來(lái)尋找問(wèn)題的最優(yōu)解。（4）基于Petri網(wǎng)絡(luò)的診斷方法在離散事件系統(tǒng)建模中，Petri網(wǎng)絡(luò)是一種理想的工具，通過(guò)構(gòu)造有向圖組合模型，形成了以矩形運(yùn)算來(lái)描述的嚴(yán)格的數(shù)學(xué)對(duì)象。在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可以把其看做是一個(gè)動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)，并且故障的發(fā)生屬于一個(gè)離散的過(guò)程，通過(guò)各類保護(hù)的動(dòng)作和各級(jí)電壓的變化來(lái)反映故障，將故障切除的過(guò)程看做是一系列活動(dòng)事件的組成，與對(duì)應(yīng)的實(shí)體相聯(lián)系。動(dòng)態(tài)事件主要包括實(shí)體活動(dòng)（例如斷路器、繼電保護(hù)裝置等）和信息流活動(dòng)（例如信號(hào)傳遞、控制指令發(fā)送、各檢測(cè)信號(hào)流等）11。（5）基于粗糙集理論的診斷方法粗糙集理論（rough-set-the

23、ory）是波蘭專家Z.Pawlak在1982年提出的一種新型數(shù)學(xué)工具，對(duì)于處理不確定性和不完整性的問(wèn)題具有重要的實(shí)用價(jià)值12。它能夠有效地分析和處理不一致、不精確、不完整等一系列的不完備數(shù)據(jù)，不需要像其他方法一樣依賴處理問(wèn)題所需的數(shù)據(jù)之外的先驗(yàn)信息，而且它能夠挖掘隱含的知識(shí)，發(fā)現(xiàn)潛在的規(guī)律。鑒于其優(yōu)越性，現(xiàn)在已經(jīng)漸漸稱為發(fā)展的新趨向，而且不少相關(guān)的研究人員已經(jīng)在嘗試把其引人到故障診斷系統(tǒng)中。（6）基于模糊集理論的診斷方法模糊集理論（fuzzy-set-theory）在電力系統(tǒng)故障診斷中分為兩種情況：一種認(rèn)為診斷所依據(jù)的信息正確，但故障與對(duì)應(yīng)的動(dòng)作保護(hù)裝置和斷路器狀態(tài)之間存在不確定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以

24、及用模糊隸屬度對(duì)這種可能性進(jìn)行描述的度量；另一種則認(rèn)為診斷所依據(jù)的報(bào)警信息錯(cuò)誤，而根據(jù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c故障所發(fā)生的動(dòng)作保護(hù)、斷路器狀態(tài)賦予報(bào)警信息的可信度，再由專家系統(tǒng)或ANN給出故障診斷結(jié)果的模糊輸出13。（7）基于多代理系統(tǒng)的診斷方法多代理系統(tǒng)（multi-agentsystem，以下簡(jiǎn)稱MAS）被看做是一種分布式的、智能化的、基于人工的試驗(yàn)平臺(tái)14，當(dāng)某些復(fù)雜的問(wèn)題無(wú)論是在邏輯上或者物理上可以進(jìn)行分解時(shí)，每個(gè)問(wèn)題即子問(wèn)題就會(huì)擁有屬于自己的信息，所以，只有各個(gè)子問(wèn)題相互融合才能求解最終的問(wèn)題。MAS研究的重點(diǎn)在于如何協(xié)調(diào)在邏輯上或物理上分離的、具有不同目標(biāo)的多個(gè)Agent的行為，使其聯(lián)合采取

25、行動(dòng)或求解問(wèn)題，協(xié)調(diào)各自的知識(shí)、希望、意圖、規(guī)劃、行動(dòng)，以對(duì)其信息、資源進(jìn)行合理安排，最大限度地實(shí)現(xiàn)各自的目標(biāo)和總體目標(biāo)，以對(duì)更復(fù)雜、更大規(guī)模的問(wèn)題的解決起到重要作用。MAS是解決大規(guī)模電力系統(tǒng)故障診斷問(wèn)題很有前途的發(fā)展方向。但MAS中各Agent的知識(shí)和行為、協(xié)調(diào)與協(xié)作是有待深入解決的核心問(wèn)題15。3仿真與建模3.1仿真工具簡(jiǎn)介我們?cè)谝灾幸呀?jīng)了解到，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的仿真軟件主要有PSCAD、EMTP以及MATLAB等,由于本文的研究重點(diǎn)是建立在MATLAB的基礎(chǔ)上進(jìn)行電力系統(tǒng)短路故障的仿真，所以以下僅介紹MATLAB仿真工具。311MATLAB的特點(diǎn)MATLAB是matrix和labora

26、tory兩個(gè)單詞的組合，各取前三個(gè)字母組成一個(gè)詞，意為矩陣工廠（矩陣實(shí)驗(yàn)室）。它是由美國(guó)MathWorks公司開(kāi)發(fā)的高級(jí)數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件，主要用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算，是一種高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言，并且適用于交互式環(huán)境，是當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的代表。MATLAB的功能之所以強(qiáng)大，是因?yàn)樗邆湟韵绿攸c(diǎn)：(1) 語(yǔ)言簡(jiǎn)潔，使用靈活，庫(kù)函數(shù)豐富。MATLAB的程序書寫形式自由，由于程序自帶函數(shù)庫(kù)，所以用戶可以根據(jù)自己的要求直接調(diào)用庫(kù)函數(shù)，這樣就不用再書寫復(fù)雜的子程序了，從而可以省略一些不必要的編程任務(wù)。需要指出的是，庫(kù)函數(shù)中的程序都是由該領(lǐng)域的專家編寫的，所以，其可靠性是不容置疑的。(2

27、) 運(yùn)算符豐富。我們都知道，C語(yǔ)言的運(yùn)算符是非常豐富的，而MATLAB是用C語(yǔ)言編寫的，所以，MATLAB的運(yùn)算符也是十分龐大的。靈活運(yùn)用運(yùn)算符將使編程容易很多。(3) 高效性。MATLAB具有結(jié)構(gòu)化的控制語(yǔ)句，比如for循環(huán)、while循環(huán)以及if、else語(yǔ)句等，因此，其語(yǔ)句功能十分強(qiáng)大。(4) 簡(jiǎn)單易學(xué)，適于應(yīng)用。MATLAB不需要用戶具有高深的數(shù)學(xué)功底，也不需要強(qiáng)大的程序設(shè)計(jì)能力，更不需要用戶深刻的了解算法以及編程技巧，初學(xué)者只要肯鉆研，輕松掌握并不是夸夸其談。同時(shí)，MATLAB的程序設(shè)計(jì)并不嚴(yán)格，自由度較大。(5) 可移植性好。編寫好的程序可以進(jìn)行直接拷貝，在不同的計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)中

28、可以順利執(zhí)行。(6) 圖形功能強(qiáng)大。在MATLAB里，數(shù)據(jù)的可視化非常簡(jiǎn)單，具有較強(qiáng)的圖形編輯能力。(7) 可擴(kuò)展性。MATLAB包含功能強(qiáng)大的工具箱，可以分為功能性工具箱和科學(xué)性工具箱兩類。功能性工具箱主要用來(lái)擴(kuò)充其符號(hào)計(jì)算功能、文字處理功能、圖示建模仿真功能以及與硬件實(shí)時(shí)交互功能15。學(xué)科性工具箱是專業(yè)性比較強(qiáng)的，如controltoolbox,signalprocessingtoolbox,communicationtoolbox等。這些工具箱都是專業(yè)人士編寫好的，用戶可以直接使用，無(wú)需自己再去編寫。(8) 開(kāi)放的源程序。除了自帶的函數(shù)外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都可以進(jìn)行

29、讀寫操作，用戶可根據(jù)源文件進(jìn)行修改，這樣可以成為自己的工具箱。3.1.2 Simulink簡(jiǎn)介Simulink是MATLAB軟件中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATALB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，同時(shí)是一個(gè)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的軟件包，憑借其強(qiáng)大的功能被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制以及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以對(duì)各種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的交互環(huán)境進(jìn)行建模、分析和仿真，其中包括連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)，也可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或者兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率的系統(tǒng)。Simulink提供了一種通過(guò)鼠標(biāo)

30、拖拽來(lái)建立系統(tǒng)框圖模型的圖形交互平臺(tái)。Simulink庫(kù)里有豐富的各種功能模塊，用戶可以根據(jù)自己的需要迅速地創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI)，這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)就能夠完成，它提供了一種更快捷、更直接的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。同時(shí)Simulink還集成了Stateflow,用來(lái)建模和仿真復(fù)雜事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的邏輯行為。Simulink由模塊庫(kù)、模型構(gòu)造及分析指令、演示程序三部分構(gòu)成。在Simulink環(huán)境中，對(duì)于由微分方程或者查分方程描寫的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，用戶無(wú)需編寫文本形式的程序，而只要通過(guò)一些簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)操作就可以形象地建立

31、所期望的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行仿真和分析研究。運(yùn)行Simulink有三種方式：(1) 在MATLAB的命令窗口鍵入simulink指令，敲擊回車即可；(2) 點(diǎn)擊MATLAB工具條上的simulink快捷鍵圖標(biāo)；(3) 在MATLAB菜單中，執(zhí)行FileNewModel操作，會(huì)彈出新建立的模型窗口，名為untitled。3.1.3 SPS(SimPowerSystems)在Simulink窗口中，我們可以很清楚的看到，有一個(gè)專門為電氣仿真所建立的窗口,即SimPowerSystems。用戶可以應(yīng)用SPS模塊方便地進(jìn)行電力系統(tǒng)分析、仿真、數(shù)值處理和設(shè)計(jì)，根據(jù)自己所建立的數(shù)學(xué)模型和具體的模擬要求，從模塊

32、庫(kù)中選擇合適的模塊并組合在一起，直接對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析和計(jì)算16。SPS涵蓋了電路、電力電子、電力系統(tǒng)和電氣傳動(dòng)等電氣學(xué)科中常用的基本元件和系統(tǒng)的仿真模型，為電力研究者帶來(lái)了很大的便利。它由以下8個(gè)子模塊庫(kù)組成：電源元件庫(kù)(ElectricalSources)；基本線路元件庫(kù)(Elements)；附加元件庫(kù)(ExtraLibrary)；電機(jī)元件庫(kù)(Machines)；測(cè)量元件庫(kù)(Measurements)；相位元件庫(kù)(PhasorElements)；電力電子元件庫(kù)(PowerElectronics)；電力系統(tǒng)分析元件模型(Powergui)。3.1.4GUI(圖形用戶界面)GUI是Graphi

33、calUserInterfaces的簡(jiǎn)稱，通常是一種包含多種圖形對(duì)象的界面，典型的圖形界面包括圖形顯示、功能按鈕控件以及用戶自定義的功能菜單等。為了讓界面實(shí)現(xiàn)各種功能，用戶需要對(duì)各個(gè)圖形對(duì)象進(jìn)行布局和事件編程。這樣，當(dāng)用戶激活對(duì)應(yīng)的GUI對(duì)象時(shí)，就能執(zhí)行相應(yīng)的事件行為。最后，必須保存和發(fā)布自己創(chuàng)建的GUI,使得用戶可以應(yīng)用GUI對(duì)象。GUI中最重要的三種方法是:使用M文件創(chuàng)建GUI對(duì)象，使用GUIDE創(chuàng)建GUI對(duì)象和標(biāo)準(zhǔn)菜單的定制。3.2模型的建立3.2.1無(wú)限大電源系統(tǒng)短路故障仿真模型電力系統(tǒng)是由發(fā)電機(jī)、變壓器、電力線路和電力用戶等組成的整體，是集生產(chǎn)、輸送、分配和消費(fèi)電能的統(tǒng)一系統(tǒng)。除此之

34、外，電力系統(tǒng)還包括由繼電保護(hù)裝置、電力通信裝置、安全自動(dòng)裝置、調(diào)度自動(dòng)化裝置以及通過(guò)機(jī)械或電的方式聯(lián)入電力系統(tǒng)中的設(shè)備(如發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、調(diào)速器等)等構(gòu)成的輔助系統(tǒng)，通常我們稱之為二次系統(tǒng)，以保證電力系統(tǒng)的安全與可靠運(yùn)行。電力網(wǎng)絡(luò)是電力系統(tǒng)中輸送、變換和分配電能的一部分，輸電網(wǎng)9絡(luò)一般是電力系統(tǒng)中最高電壓等級(jí)的電網(wǎng)，是電力系統(tǒng)的主要網(wǎng)絡(luò)Ml。同時(shí)，輸電線路還有聯(lián)絡(luò)相鄰電力系統(tǒng)和聯(lián)系相鄰樞紐變電所的作用。而配電網(wǎng)是將電能從樞紐變電所分配到配電變電所后，再向用戶供電的電力網(wǎng)絡(luò)。因此，基于上述理論，本文以單機(jī)無(wú)窮大電源系統(tǒng)作為仿真模型，如圖3-1所示。電源容量設(shè)為5000MVA，發(fā)電機(jī)端電壓為5

35、00KV；線路L的長(zhǎng)度為200km,；變壓器采用雙繞組變壓器，接法為Y/Yg,變比為500/121，容量設(shè)為100MVA，短路損耗100KW,空載損耗25KW，空載電流10%=0.8,短路電壓百分?jǐn)?shù)為10.5%,在0.04s時(shí)刻變壓器低壓母線發(fā)生短路故障，0.08s時(shí)刻故障切除。圖3-1系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖依據(jù)系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖，我們可以在MATLAB中執(zhí)行simulink命令，新建一個(gè)名為“fangzhen，啲文件，進(jìn)而在simulink庫(kù)中找到我們所需要的元件，通過(guò)鼠標(biāo)拖拽的方式建立如圖3-2所示的仿真模型。當(dāng)然，在圖3-2中，還加了一些測(cè)量顯示元件，如萬(wàn)用表“Multimeter“Scope等。他VImF

36、xnhclarii圖3-2單機(jī)無(wú)限大電源系統(tǒng)短路故障仿真模型圖3.2.2仿真參數(shù)的設(shè)置（1）電源#電源采用“Three-phaseSource”，峰值振幅(PeakAmplitude)設(shè)為500KV；初始相位(Phase)設(shè)為0；頻率(Frequency)設(shè)為50Hz；內(nèi)部連接方式(internalconnection)選擇Y接;其他參數(shù)不變，如圖4-3所示。D呂BlackParameters!5000MVAB500KVThreePhasSDurseJaa-Ek)(lank)-ThreE-phasevc-ltagesciLrseinseerleswithELbTanoh.Ph且se七召一口ha

37、wexzasv-o-ltageV)i3phase-sh&it-gitcurtle-velatbasevnltae(A.:0KCancelHelpApply圖3-3電源模塊參數(shù)設(shè)置(2)線路線路采用“DistributedParametersLine”分布參數(shù)輸電線路，頻率(Frequency)設(shè)為50Hz，長(zhǎng)度(Linelength)設(shè)為200(km)，其他參數(shù)不變，如圖3-4所示。piBlockParameters:DistributedParametersLimeDistxihutedPaxazieteTsLineIziulEventspa:ra2Zi&七mr呂fi-Ljand.C1ine

38、ToD-s-delsazDple-七已a(bǔ)ndztdplusth旨thzr已已一oi且siK-i?ia5e-Eymetricallin已ynuzdoe-sorslzipIfe-nterssq.uenDepaxhtdeizEHE；a.NzHHatrdga.skD-nntEare-ccaputcriasfs11lows:1二1/30(Vs-十Vb十2SVcV2=1/3e(Vs.+aS$Vb+a&VcVO=172(Vs.*T+氐wheie:a-bVc二nnp-utpIlheotea_tEpe-cifiedfieau-encya=ezp(jS2pi/3j=1+120deg.c=-c-ZDple-zape

39、zat-DTrheinputcentainsthe-已Gt-DiizEdsi：rLa.l口thethre-e-VaVfrVgsinus口icL且21elnaleOutputotiban吐tws-give-rssec；tively1:扎注sanitude(uakvalue-)an吐hase-CdeETeesoftheEpecifledseaiienDe-ccircnent(s)FottheEixstcycleofSLiDulatioiijthe-nuputwarehe-ldDonsi:ant七召the-valuesspecifledbytheE-ojaneterInitialIniut.Funi

40、ane-iitalfrequencyHz:C：=lticelKelp蟲pply圖3-8相序分析儀參數(shù)設(shè)置(7) 其他參數(shù)設(shè)置打開(kāi)仿真參數(shù)對(duì)話框(SimulinkConfigurationParameters),“Starttime”設(shè)為0,“Stoptime”設(shè)為0.2；求解程序類型選項(xiàng)選擇“ode23tb(Bogacki-Shampine)”，其他參數(shù)不變，女口圖3-9所示。15ttlConfigurationParameters:fangzhen/Configurationselect:：-SolderDatEInrxTtiiTJcrzh-OptlirlzatioaSiZiUlE.ti3-

41、ILtl343t=xtti=.s.cj5ti?ptizis.O.2DiasJio-5tics廠So-lvexopticnsi!-jazrpls-Jis:-3c.t口i.七苫:C-cm&r3cn:hCcnn&DtivitT:k-Cczpa:ibilitTf*-HodelKtrerezclng卜Kar飾ai善lncdEnwn.i-Mc-delR=ftr-sn-cins.F-R-salT:iBdnwHetoon?04aaiaiaanqiedibherwjpniTKfcQ圖4-3三相短路發(fā)電機(jī)端電流波形通過(guò)更改萬(wàn)用表中的測(cè)量元素，可以得到故障點(diǎn)的電流波形，如圖4-4所示。短路發(fā)生前，系統(tǒng)屬于開(kāi)路狀態(tài)，

42、故障點(diǎn)的電流顯然為0；0.04s發(fā)生短路，三相電流大小相等,相位互差120。，很漂亮的三相電流波形；當(dāng)0.08s切除故障后，又恢復(fù)最初的開(kāi)路狀態(tài)，電流又逐漸減小為0。圖4-4三相短路故障點(diǎn)的電流波形4.2單相短路分析（以A相短路為例）（1）電壓分析勾選“PhaseAFat*項(xiàng)，以此來(lái)模擬A相短路的過(guò)程。首先得到發(fā)電機(jī)端電壓波形,如圖4-5所示。可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)端電壓的波形基本沒(méi)有變化，但是經(jīng)過(guò)無(wú)限放大，A相的電壓幅值有所降低，變化并不明顯。圖4-5單相短路發(fā)電機(jī)端電壓波形再來(lái)看故障點(diǎn)的電壓，如圖4-6,故障前，三相電壓波形對(duì)稱，0.04s發(fā)生A相接地短路，則A相電壓瞬間降為0,由于電源采用Y接

43、線方式，所以可以知道非故障相的相電壓立即變?yōu)榫€電壓，故幅值瞬間增大，而相位并無(wú)變化。0.08s故障切除后，故障點(diǎn)的三相電壓又恢復(fù)初始狀態(tài)。FI&EdkrtwIhprtToohDfisliiiCipW&即H出T*o0.02o.uwo.oeo.i0J2o.u0.16o.n02圖4-6單相短路故障處電壓波形(2)電流分析觀察圖4-7,可以發(fā)現(xiàn)，故障發(fā)生時(shí)發(fā)電機(jī)端的電流也無(wú)明顯變化，所以可以得出結(jié)論，單相短路對(duì)發(fā)電機(jī)端電流基本沒(méi)有影響。19HhEdtyiwru-riTcsinLiDp：空ndowHas忑右|打屈用AiaE3BA-if圖4-7單相短路發(fā)電機(jī)端電流波形再來(lái)觀察一下故障點(diǎn)的三相電流，如圖4-

44、8所示。故障發(fā)生前，電路處于開(kāi)路狀態(tài),三相電流均為0；0.04s時(shí)刻發(fā)生單相接地短路故障，非故障處電流依然等于0，而接地相即A相電流瞬間增大，通過(guò)更改故障切除時(shí)間，可以發(fā)現(xiàn)，A相的電流波形逐漸下移，最終會(huì)處于一個(gè)對(duì)稱的狀態(tài)；0.08s故障切除后，A相電流逐漸恢復(fù)至0。在仿真模型中，我們用了三個(gè)相序分析儀，分別測(cè)量正序、負(fù)序、零序的幅值和相序,得到如圖4-9所示的波形。2(a)正序(b)負(fù)序(c)零序圖4-9單相短路故障處各序分量的電流波形23觀察圖像，很明顯三序分量的幅值波形完全相同，在0.040.08s即故障發(fā)生期間,它們的相位完全相同，由此我們可以驗(yàn)證結(jié)論，當(dāng)發(fā)生單相接地短路故障時(shí)，有(4.1)I二I二If(1)f(2)f(0)4.3兩相短路(以A、B相短路為例)(1)電壓分析勾選“PhaseAFault”“PhaseB選項(xiàng)i,lt以此來(lái)模擬A、B兩相短路的過(guò)程。先來(lái)看一下發(fā)電機(jī)端電壓波形，如圖4-10。在0.04s發(fā)生故障時(shí)，C相電壓保持不變，A、B兩相電壓瞬間降低，隨后按正弦規(guī)律變化；0.08s時(shí)刻故障切除，C相電壓依然不受影響，而A、B兩相的變化規(guī)律相同，最終趨于穩(wěn)態(tài)，即恢復(fù)初始狀態(tài)。4-10兩相短路發(fā)電機(jī)端