基于Matlab的電力系統(tǒng)故障分析與仿真

基于Matlab的電力系統(tǒng)故障分析與仿真摘要：本文介紹了MATLAB軟件在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，以及利用動態(tài)仿真工具Simulink和電力系統(tǒng)工具箱PSD進行仿真的基本方法。在仿真平臺上，以單機—無窮大系統(tǒng)為建模對象，通過選擇模塊，參數(shù)設(shè)置，以及連線，對電力系統(tǒng)的多種故障進行仿真分析。同時，設(shè)計一個GUI圖形界面，將仿真波形清晰地顯示在界面上以便比較和分析。結(jié)果表明，仿真波形基本符合理論分析，說明了MATLAB是電力系統(tǒng)仿真研究的有力工具。關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；仿真；故障；MATLAB；GUIAbstract：ThispaperintroducestheapplicationsofMATLABinpowersystemanalysis,andthebasicsimulationmethodoftakinguseofSimulinkandPSD.OnMATLABsimulationplatform,takeasinglemachine-infinite-bussystemasmodelingobjects,byselectingthemodule,parametersettings,andconnectingmodulestosimulateandanalysevariousfaultofpowersystem.Atthesametime,inordertofacilitatecomparisonandanalysissimulationwaveform,designaGUIforshowingwaveformclearly.Theresultsshowthatthesimulationwaveforminlinewiththeoreticalanalysis,indicatesthatMATLABisapowerfultoolforresearchingsimulationofpowersystem.Keywords：PowerSystem;Simulation;Fault;Matlab;GUI0前言[1,2]隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電力系統(tǒng)規(guī)劃、運行和控制的復(fù)雜性亦日益增加，電力系統(tǒng)的生產(chǎn)和研究中仿真軟件的應(yīng)用也越來越廣泛?，F(xiàn)在，我們主要使用的電力系統(tǒng)仿真軟件有：EMTP程序，用于電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)計算，電力系統(tǒng)暫態(tài)過電壓分析，暫態(tài)保護裝置的綜合選擇等。PSCAD／EMTDC程序，典型應(yīng)用是計算電力系統(tǒng)遭受擾動或參數(shù)變化時，參數(shù)隨時間變化的規(guī)律。PSASP，其功能主要有穩(wěn)態(tài)分析、故障分析和機電暫態(tài)分析。還有MathWorks公司開發(fā)的MATLAB軟件。在MATLAB中，電力系統(tǒng)模型可以在Simulink環(huán)境下直接搭建，也可以進行封裝和自定義模塊庫，充分顯現(xiàn)了其仿真平臺的優(yōu)越性。更重要的是，MATLAB提供了豐富的工具箱資源，以及大量的實用模塊，使我們可以更加深入地研究電力系統(tǒng)的行為特性。本篇論文將在熟練掌握MATLAB軟件的基礎(chǔ)上，對電力系統(tǒng)的故障進行建模、仿真、分析，并且設(shè)計一個GUI圖形用戶界面來反映故障波形。1MATLAB簡介[3]MATLAB有強大的運算繪圖能力，給用戶提供了各種領(lǐng)域的工具箱，而且編程語法簡單易學(xué)。下面簡單介紹一下本次仿真建模中需要用到的工具箱。1）Simulink基本庫，為用戶提供了多種基本模塊。它有兩個顯著功能，即仿真與連接，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真的一個集成環(huán)境。2）PSB(PowerSystemBlock)電力系統(tǒng)模塊庫，涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動和電力系統(tǒng)等電工學(xué)科中常用的基本元件和系統(tǒng)的仿真模型，為電力研究者帶來了更大的便利。它由以下8個子模塊庫組成：電源模塊庫(ElectricalSources)；基本元件模塊庫(Elements)；電力電子模塊庫(PowerElectronics)；電機模塊庫(Machines)；連接模塊庫(Connectors)；測量模塊庫(Measurements)；附加模塊(ExtraLibrary)；電力圖形用戶接口(Powergui)。3）GUI（用戶圖形界面）是程序的圖形化界面。組件、圖象窗口以及回應(yīng)是創(chuàng)建界面所必須的三個基本元素。它提供用戶一個常見的界面，以及一些控件，例如，按鈕，列表框，菜單等。通常，還可以通過編程來實現(xiàn)多種功能。2電力系統(tǒng)故障分析[4]2.1故障基礎(chǔ)知識電力系統(tǒng)的故障一般分為簡單故障和各種復(fù)雜故障。簡單故障是指電力系統(tǒng)正常運行時某一處發(fā)生短路或斷線故障的情況，其又可分為短路故障（橫向故障）和斷線故障（縱向故障），而復(fù)雜故障則是指兩個或兩個以上簡單故障的組合。短路故障有4種類型：三相短路（）、兩相短路（）、單相接地短路（）和兩相短路接地（）；斷線故障分為一相斷線和兩相斷線。其中發(fā)生單相接地短路故障的概率最高，占65%。在本次設(shè)計中，對這六種故障都進行了建模仿真，由于單相接地短路故障發(fā)生的幾率最高，因此本文將該故障作為典型例子來分析建模仿真過程。2.2單相短路接地故障分析假設(shè)系統(tǒng)短路前空載，短路模擬圖如圖1所示。圖1單相接地短路(1)當(dāng)系統(tǒng)中的f點發(fā)生單相（A相）直接短路接地故障時，其短路點的邊界條件為A相在短路點f的對地電壓為零，B相和C相從短路點流出的電流為零，即：(1)將式子（1）轉(zhuǎn)換成各個序分量之間的關(guān)系。對于，有如下關(guān)系：接地電阻默認(rèn)值為10E6歐姆；兩相短路接地故障需在兩相短路故障設(shè)置的基礎(chǔ)上多加一個接地選項，并將接地電阻設(shè)置為0.001；三相短路故障的設(shè)置就是將A、B、C三相全部選中。斷線故障是用三相斷路器來模擬的，斷路器的初始狀態(tài)設(shè)為閉合，某相發(fā)生斷線故障時就選擇改變與該相相連的斷路器狀態(tài)，使之打開。4GUI圖形界面設(shè)計[5]前面部分簡單說明了仿真建模的過程，為了能把最后的仿真波形同時顯示在一個界面中以便比較和分析，設(shè)計一個圖形界面，不僅能隨意地選擇故障類型進行仿真，讓波形全部顯示出來，而且還能單獨查看各相的電壓電流波形圖。要實現(xiàn)這樣的功能需要在界面對應(yīng)M文件中編輯相應(yīng)的函數(shù)，使界面和仿真模型聯(lián)系起來。下面簡單介紹GUI圖形界面的設(shè)計過程。在MATLAB提供的GUIDE環(huán)境下，將所需的組件拖入到空白界面，有坐標(biāo)軸，按鈕，靜態(tài)文本框，列表框以及單選按鈕，然后排列整齊。選中任意一個組件，雙擊，便可以在彈出的屬性查看器窗口查看或者修改組件的屬性，如，顏色，字體，名稱等等。接下來打開系統(tǒng)自動生成的與當(dāng)前界面相對應(yīng)的M文件，開始在相應(yīng)的組件回調(diào)函數(shù)名下編寫程序，使組件在界面運行時通過程序響應(yīng)一定得功能。程序的編寫是一個大工程，在這就不多說，介紹一些簡單的繪圖指令，如下：axes(handles.axes1);%指定要畫圖的坐標(biāo)軸sim（’ag’）;%實現(xiàn)與模型ag相連的功能，并使模型開始仿真plot（tout，Ua）;%實現(xiàn)畫圖功能，tout是橫軸的數(shù)據(jù)，Ua是縱軸的數(shù)據(jù)xlabel('時間/s');%給橫軸加標(biāo)簽ylabel('電流/A');%給縱軸加標(biāo)簽title('故障點A相電壓');%給坐標(biāo)軸加上標(biāo)題gridon;%添加網(wǎng)格完成組件回調(diào)函數(shù)的編寫就可以運行M文件了，若出現(xiàn)問題，回到MATLAB主窗口查看報錯信息，進行修改。下圖5顯示的是在GUI界面上的單相接地短路故障的仿真波形圖。圖5單相接地短路波形同樣，其余故障的波形圖都可以通過選擇listbox1里的故障類型，點擊開始仿真后與MATLAB里相應(yīng)的的故障模型相連。仿真結(jié)束，波形顯示在GUI界面上。需要單獨查看波形時，選擇listbox2中的查看選項，就會彈出一個大的Figure圖表框顯示波形，如圖6。圖6單獨查看故障點A相電壓波形5結(jié)果分析分析圖5所示的波形，仿真開始時，系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)，電壓電流波形都按正弦波變化，當(dāng)A相0.13s接地短路時，可以觀察到A相對地電壓劇降為零，B、C兩非故障相電壓沒有發(fā)生變化。再觀察電流，在故障發(fā)生前，A、B、C三相的對地電流都為0，A相接地短路以后，電流迅速增大，Ib和Ic保持原樣。再往后看，電壓序分量和電流序分量都是輸出的峰值，在系統(tǒng)正常運行時，電壓只有正序分量，電流為零。當(dāng)出現(xiàn)故障時，也就是在0.13到0.25秒，電壓和電流出現(xiàn)現(xiàn)了負序和零序分量。經(jīng)過第二章的理論分析，故障時正序、負序和零序電流是相等的，因此三條線在坐標(biāo)軸上被覆蓋了，只有最后一條零序分量的圖線。理論上A相的電流值是等于3倍的序分量，由圖可見，故障電流Ia峰值大約為4500安培，零序電流分量大約為1500安培，是Ia的三分之一，說明仿真波形圖是正確的。故障切除后，系統(tǒng)中仍然只有正序分量，從電壓序分量可以看出。因此圖5的波形是符合理論分析的。兩相短路，兩相短路接地，三相短路，一相斷線和相斷線的波形圖經(jīng)理論分析也均符合實際。6結(jié)束語在本篇論文當(dāng)中，以一個簡單的單機—無窮大系統(tǒng)為建模對象，在MATLAB中建立了電力系統(tǒng)的基本模型。整個建模的過程中，介紹了MATLAB在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。在建模初期，會遇到一些參數(shù)設(shè)置上的困難，通過不斷地調(diào)整初始參數(shù)最終完成仿真。為了能更好的顯示系統(tǒng)波形，方便分析，設(shè)置了一個GUI圖形用戶界面，通過組件的設(shè)置，回調(diào)函數(shù)的編寫以及最后的運行，把系統(tǒng)模型與圖形界面聯(lián)系起來，有利于故障類型的選擇和波形的查看。在對故障模型進行仿真的時候，可以體會到MATLAB強大的仿真能力，為電氣工作者提供了簡便、直觀、有效地仿真仿真研究方法。參考文獻[1]彭建飛，任岷，王樹錦.MATLAB在電力系統(tǒng)仿真研究中的應(yīng)用[J].計算機仿真，2005（6）：193-196.[2]李廣凱，李庚銀.電力系統(tǒng)仿真軟件綜述[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2005（6）：61-