畢業(yè)論文-基于MATLABSIMULINK短路故障仿真及分析.doc

. . 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)畢 業(yè) 論 文基于MATLAB/SIMULINK短路故障仿真及分析 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3班 屆 次 2015屆 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 二一五年六月六日裝訂線. . . 目 錄摘要IIAbstractII1 引言11.1 MATLAB/Simulink概述11.1.1 MATLAB簡(jiǎn)介及特點(diǎn)11.1.2 SIMULINK簡(jiǎn)介及特點(diǎn)31.2 電力系統(tǒng)仿真概述41.3 基于MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)仿真的發(fā)展趨勢(shì)72 三相短路故障仿真分析92.1 電力系統(tǒng)故障簡(jiǎn)述92.2 仿真實(shí)例112.2.1 實(shí)例仿真摘要112.2.2 仿真模型建立122.2.3 三相短路故障仿真及結(jié)論分析213 同步發(fā)電機(jī)機(jī)端短路故障仿真分析273.1 暫態(tài)過程仿真及分析273.2 其它故障仿真分析294 結(jié)束語30參考文獻(xiàn)31致謝32iContentsSummaryIIAbstractII1 Introduction11.1 MATLAB/ Simulink Outline11.1.1 MATLAB Introduction and Features11.1.2 Simulink Introduction and Features31.2 Overview of Power System Simulation41.3 Based on the development trend of MATLAB / Simulink Power System Simulation72 Simulation and Analysis9 2.1 Power System Fault Description9 2.2 Simulation examples112.2.1 The simulation summary 112.2.2 Simulation Model122.2.3 Phase short circuit fault simulation analysis and conclusions213 Synchronous Generator short-circuit fault simulation273.1 Transient Simulation and Analysis273.2 Other fault simulation analysis294 Conclusion30References31Acknowledgements32ii基于MATLAB/SIMULINK短路故障仿真及分析周光泉(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院 山東泰安 271018)摘要:隨著電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷增大，很多大型電力科研試驗(yàn)很難以進(jìn)行。采用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行仿真計(jì)算工作量大也不直觀。MATLAB具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能和開放靈活的可視化應(yīng)用界面，在科學(xué)技術(shù)和工程的各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用都非常的廣泛。因此MATLAB的出現(xiàn)給電力系統(tǒng)仿真帶來了新的方法和手段。電力系統(tǒng)仿真是將電力系統(tǒng)中的各環(huán)節(jié)組成部分等進(jìn)行數(shù)字化建模，以達(dá)到模擬實(shí)際電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況的目的。本文對(duì)實(shí)例進(jìn)行仿真，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，以期能夠說明MATLAB在電力系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:電力系統(tǒng) 仿真 MATLAB 分析 應(yīng)用Based on MATLAB / SIMULINK Power System Simulation and Application Overview Guangquan Zhou(Mechanical and Electronic Engineering, Shandong Agricultural University, Taian 271018)Abstract With the increasing scale power systems, many large power is difficult to carry out scientific research and experiments. Using the traditional method simulation workload is not intuitive. MATLAB has powerful numerical computing and visualization applications open and flexible interface, application in various fields of science, technology and engineering are very broad. Therefore, the emergence of MATLAB power system simulation brings new methods and means. Power system simulation is the purpose of the various aspects of the power system and other components of digital modeling to achieve simulate the actual operating conditions of the power system. In this paper, examples of simulation results were analyzed, in order to be able to explain MATLAB Applications in Power System Simulation.Keywords: Power systems; Simulation; MATLAB; Analysis; ApplicationII1 引言 MATLAB是當(dāng)前國(guó)際認(rèn)可的優(yōu)秀科技應(yīng)用軟件之一，它以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)，把計(jì)算可視化程序設(shè)計(jì)融合到交互的工作環(huán)境中，可實(shí)現(xiàn)工程計(jì)算，算法研究，建模和仿真，數(shù)據(jù)分析及可視化，科學(xué)和工程繪圖，應(yīng)用程序開發(fā)等功能。Simulink是MATLAB所提供的一個(gè)集成環(huán)境，它是用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模，仿真和分析的。它是一種結(jié)合了框圖界面和交互仿真功能的，具有非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真功能的出色工具1。 為支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電力工業(yè)的發(fā)展也非常迅速，重要表現(xiàn)之一就是電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，這就大大增加了許多大型電力科研試驗(yàn)的進(jìn)行。一方面是很容易受系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜性的限制；二是一般從系統(tǒng)的安全性角度來講是不允許進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)的2。綜合上述兩種情況，科研人員尋求一種最接近電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況的高精確度的數(shù)字化仿真工具是非常必要也非常重要的，目前比較常用的電力系統(tǒng)仿真工具有邦納維爾電力局開發(fā)的BPA程序和EMPT程序，曼尼拖巴高壓直流研究中心開發(fā)的PSCAD/EMTDC程序以及中國(guó)電力科學(xué)研究院開發(fā)的電力系統(tǒng)分析綜合程序PSASP等。1998年，Mathworks公司推出電力系統(tǒng)模塊集（Power System Block）后，這樣的功能逐漸被電力系統(tǒng)研究人員所接受并使用，使得MATLAB/SIMULINK在電力系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用日趨完善。1.1 MATLAB/Simulink概述1.1.1 MATLAB簡(jiǎn)介及特點(diǎn)MATLAB是由英文單詞Matri和Laboratory的前3個(gè)字母組成。是1984年由Mathworks軟件公司開發(fā)，并將MATLAB正式推向市場(chǎng)。在之后二十多年的發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)中，MATLAB不斷升級(jí)出新的版本，現(xiàn)在最常用的版本是7.0版，運(yùn)行環(huán)境也從早期的DOS環(huán)境下運(yùn)行到如今可以在包括Windows,UNIX及Mac OSX等多個(gè)操作平臺(tái)上運(yùn)行，目前，MALAB已經(jīng)成為國(guó)際上最流行的科學(xué)計(jì)算與工程計(jì)算的軟件工具，也正因?yàn)榇撕芏嗳朔Q它為“第四代”計(jì)算機(jī)語言，在國(guó)內(nèi)外高校和研究部門正扮演著異常重要的角色。在大學(xué)里，它是用于初等和高等數(shù)學(xué)，自然科學(xué)和工程學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)工具；在工業(yè)界，它是非常高效的研究，開發(fā)和分析的工具。隨著科技的發(fā)展，許多工程師對(duì)MATLAB進(jìn)行了不間斷的完善，使其從一個(gè)簡(jiǎn)單的矩陣分析軟件逐漸發(fā)展成為一個(gè)具有極高通用性，并且?guī)в斜姸鄬?shí)用工具的運(yùn)算操作平臺(tái)3。MATLAB為一個(gè)交互式系統(tǒng)，基本數(shù)據(jù)單元是數(shù)組，但是這個(gè)數(shù)組不要求固定的大小，因此可以讓用戶解決許多技術(shù)上的計(jì)算問題，特別是實(shí)際運(yùn)行過程當(dāng)中那些包含矩陣和矢量運(yùn)算的較為復(fù)雜的問題。MATLAB的指令表達(dá)使用較為方便，其與數(shù)學(xué)，工程中常用的習(xí)慣形式是十分相似的，而與C，F(xiàn)ortran等高級(jí)語言相比，MATLAB的語法規(guī)則使用起來就顯得更簡(jiǎn)練，在表達(dá)上也與工程習(xí)慣更為貼切。正因?yàn)槿绱?，人們感覺用MATLAB語言編寫程序的過程就猶如在便簽上書寫公式和求解的過程，因此，MATLAB有被稱為“便箋式”的科學(xué)工程計(jì)算語言的美譽(yù)4。除了這些之外，其開放性也是MATLAB最重要和最受人歡迎的特點(diǎn)之一。并且除了內(nèi)部函數(shù)以外，所有的MATLAB主要文件以及各工具箱文件全部都是可以讀寫可以更改的源文件，這是因?yàn)楣ぞ呦鋵?shí)際上是由一組復(fù)雜的MATLAB函數(shù)（M文件）組成，它擴(kuò)展了MATLAB的功能，因此用戶在用來解決特定的問題時(shí)僅可以通過對(duì)源文件的修改和加入自己編寫的文件來構(gòu)建新的專用工具箱就可以了。MATLAB的整個(gè)系統(tǒng)主要由五大部分組成5：（1）MATLAB開發(fā)環(huán)境 開發(fā)環(huán)境實(shí)際上是一組實(shí)用工具，用戶通過利用這些工具可以使用MATLAB函數(shù)和文件，而在這其中的大多數(shù)工具都是圖形用戶的接口(它包括MATLAB桌面和命令窗口，命令的歷史記錄以及用來查看幫助的瀏覽器，工作間，文件和搜索路徑)。（2）MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù) 包括許多基本函數(shù)和復(fù)雜函數(shù)。（3）MATLAB語言 這是一個(gè)高級(jí)的矩陣數(shù)組編程語言，帶有流程控制語句，以及函數(shù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，輸入輸出和面向?qū)ο缶幊痰谋姸嗵攸c(diǎn)。（4）圖像處理系統(tǒng)（5）MATLAB應(yīng)用程序接口（API）自從MathWorks公司推出MATLAB后，MATLAB優(yōu)秀的數(shù)值計(jì)算能力和卓越的數(shù)據(jù)可視化能力使得其快速的在眾多數(shù)學(xué)軟件中脫穎而出。而且隨著版本的不斷持續(xù)升級(jí)，它在數(shù)值計(jì)算和符號(hào)計(jì)算功能上不斷得到了一步一步的完善。MATLAB的特點(diǎn)可以大致概括為以下七點(diǎn)：（1）提供了非常便利的開發(fā)環(huán)境。MATLAB為用戶提供了一組可供用戶操作函數(shù)和文件的具有圖形用戶界面的工具，這其中包括有MATLAB主界面，命令窗口，歷史命令，編輯和調(diào)試，在線瀏覽幫助，工作空間，搜索路徑設(shè)置等可視化工具窗口。（2）提供了非常強(qiáng)大的數(shù)學(xué)應(yīng)用功能。MATLAB可以進(jìn)行包括基本函數(shù)，復(fù)雜算法，更高級(jí)的矩陣運(yùn)算等非常豐富的數(shù)學(xué)應(yīng)用功能，特別適合應(yīng)用于矩陣代數(shù)領(lǐng)域。除此之外它還具有眾多高性能數(shù)值計(jì)算的高級(jí)算法，庫(kù)函數(shù)也極其豐富，使用更加方便靈活。（3）編程語言非常簡(jiǎn)易高效。MATLAB為用戶提供了和C語言幾乎一樣多的運(yùn)算符，如果用戶能夠靈活使用MATLAB中的運(yùn)算符，這將使程序變得極為簡(jiǎn)潔明了。MATLAB不但具有結(jié)構(gòu)化的控制語句（如for循環(huán)，while循環(huán)，break語句和if語句）而且具有面向?qū)ο缶幊痰奶匦浴ATLAB程序書寫形式也比較自由，而且可以利用豐富的庫(kù)函數(shù)，以避開復(fù)雜的子程序編程任務(wù)，這就壓縮了所有不必要的編程工作。還有是程序限制也不嚴(yán)格，程序設(shè)計(jì)的時(shí)候給用戶留有的自由度非常大，并且也有很強(qiáng)的用戶自定義函數(shù)的能力。（4）圖形功能非常強(qiáng)大。如果用戶想要可視化數(shù)據(jù)會(huì)變得非常簡(jiǎn)單這得力于MATLAB為用戶提供了非常豐富的繪圖函數(shù)命令。并且如果用戶需要在可視化環(huán)境下進(jìn)行比較個(gè)性化的圖形編輯和設(shè)置MATLAB還提供了比較強(qiáng)的編輯圖形界面的能力。（5）提供了功能非常強(qiáng)大的工具箱。MATLAB主要包含核心部分和各種可供選擇的工具箱兩個(gè)重要的部分。其中在核心部分中含有幾百個(gè)重要的核心內(nèi)部函數(shù)。工具箱又分為功能性工具箱和學(xué)科性工具箱兩大類。功能性工具箱主要是可以用于多種學(xué)科，其主要功能是用來擴(kuò)充其符號(hào)運(yùn)算功能，圖示建模仿真功能，文字處理功能以及與硬件實(shí)時(shí)交互的功能。但是學(xué)科性工具箱專業(yè)型就比較強(qiáng)。由于這些工具箱都是由相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的資深專家編而成，因此用戶在使用時(shí)沒有必要編寫自己學(xué)科范圍內(nèi)的基礎(chǔ)程序，而直接進(jìn)行高精尖的研究即可。（6）應(yīng)用程序接口功能非常強(qiáng)大。用戶可以通過使用C或FORTRAN等編程語言進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與MATLAB程序的混合編程調(diào)用，這是因?yàn)镸ATLAB提供了方便的應(yīng)用程序接口。MATLAB也具有缺點(diǎn):在實(shí)際應(yīng)用中和其他高級(jí)程序相比來說MATLAB程序的執(zhí)行速度會(huì)比較緩慢。這其中的主要原因是由于MATLAB的程序不用編譯等預(yù)處理，也不會(huì)生成可執(zhí)行文件，程序?yàn)榻忉寛?zhí)行。 用戶如果實(shí)際使用過MATLAB，會(huì)感覺到其最重要的特征是它擁有解決特定問題的程序組，也就是TOOLBOX(工具箱)。1.1.2 SIMULINK簡(jiǎn)介及特點(diǎn)dSimulink是MATLAB提供的實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包,它是MATLAB的重要組件之一，是基于框圖的仿真平臺(tái)，具有相對(duì)獨(dú)立的功能和使用方法。Simulink掛接在MATLAB運(yùn)行環(huán)境上，以MATLAB的強(qiáng)大計(jì)算功能為基礎(chǔ)，進(jìn)而將利用直觀的模塊框圖進(jìn)行仿真和計(jì)算。Simulink為用戶提供了各種仿真工具，尤其是它一直在不斷擴(kuò)展的，內(nèi)容豐富的模塊庫(kù)，為系統(tǒng)的仿真提供了極大的便利。Simulink的操作非常簡(jiǎn)便只需用戶在Simulink平臺(tái)上拖拽和鏈接典型模塊就可以繪制仿真對(duì)象的模型框圖，并對(duì)模型進(jìn)行激活仿真，基于這點(diǎn)使得其廣受用戶歡迎。而且在Simulink平臺(tái)上，仿真模型具有很強(qiáng)的可讀性，這就有效避免了在MATLAB窗口使用MATLAB命令和函數(shù)進(jìn)行仿真時(shí)，需要熟悉大量M函數(shù)的麻煩，對(duì)廣大工程技術(shù)人員來說，這是一個(gè)非常令人高興的消息。從它能讓用戶在圖形方式下以付出最小的代價(jià)來模擬真實(shí)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的角度來講，Simulink是一種非常有效的仿真工具。Simulink11具有如下許多特點(diǎn)：（1） 可以建立動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的模型并進(jìn)行仿真。SIMULINK的仿真功能主要以圖形化的形式來表現(xiàn)，主要是應(yīng)用于對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行狀況的建模以及對(duì)系統(tǒng)控制規(guī)律的研究定制。由于它可以支持線性連續(xù)離散多變量和混合式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使得SIMULINK幾乎可用于分析任何一種類型的真實(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。（2） 可以以直觀的方式進(jìn)行模型的建立。用戶可利用SIMULINK建模方式是可視化的這一優(yōu)點(diǎn)，以達(dá)到迅速的建立動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的框圖模型的目的。這僅僅需要用戶在SIMULINK元件庫(kù)中選出合適的目的模塊，并將其拖放到SIMULINK建模窗口中，之后用鼠標(biāo)分別點(diǎn)擊將其連接起來就可以完成目的了。（3） 可以增添定制模塊原件和用戶代碼。SIMULINK模塊庫(kù)是可以根據(jù)用戶需求而定制的，能夠擴(kuò)展以包容用戶自定義的系統(tǒng)環(huán)節(jié)模塊。當(dāng)然更為自由的是用戶也可以修改已經(jīng)存在的模塊的圖標(biāo)，或者是重新設(shè)定對(duì)話框，甚至是換用其它形式的彈出菜單和復(fù)選框。（4） 可以快速準(zhǔn)確的進(jìn)行設(shè)計(jì)模擬。SIMULINK中預(yù)置的非常出色的積分算法程序給非線性系統(tǒng)仿真帶來了非常高的精確度。而且先進(jìn)的常微分方程求解器既可以用于求解剛性的系統(tǒng)，也可以用于求解非剛性的系統(tǒng)，以及用于求解具有事件觸發(fā)或不連續(xù)狀態(tài)的系統(tǒng)和具有代數(shù)環(huán)的系統(tǒng)。SIMULINK的求解器能確保連續(xù)系統(tǒng)或離散系統(tǒng)的仿真高速準(zhǔn)確的進(jìn)行。同時(shí)，更為用戶著想的是，SIMULINK還為用戶準(zhǔn)備了一個(gè)圖形化的調(diào)試工具，以輔助用戶進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。（5） 可以分層次的表達(dá)復(fù)雜系統(tǒng)。由于SIMULINK的分級(jí)建模能力而使得體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型構(gòu)建也變得簡(jiǎn)單易行。這個(gè)過程就是根據(jù)需要，將各種模塊可以組織成若干子系統(tǒng)。進(jìn)而在此基礎(chǔ)上，整個(gè)系統(tǒng)可以按照用戶自己的意愿采取自頂向下或自底向上的方式搭建。（6） 可以進(jìn)行交互式的仿真分析。在SIMULINK的示波器中用戶可以選擇用動(dòng)畫和圖形顯示仿真運(yùn)行數(shù)據(jù)，并且在運(yùn)行過程中用戶也可以調(diào)整模型參數(shù)進(jìn)行What-if分析，能夠在仿真運(yùn)算進(jìn)行時(shí)監(jiān)視仿真結(jié)果。利用這種交互式的特征可以幫助用戶快速評(píng)估不同的算法，從而不斷調(diào)整進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。由于SIMULINK完全掛接依賴于于MATLAB運(yùn)行環(huán)境之中，并且在SIMULINK下仿真運(yùn)行計(jì)算的結(jié)果可以快速完整的保存到MATLAB的工作空間（Workspace）中，因而就能使用MATLAB所具有的眾多分析，可視化及工具箱工具操作編輯數(shù)據(jù)6。1.2 電力系統(tǒng)仿真概述 SIMULINK最初是為仿真控制系統(tǒng)而建立的工具箱，用戶在使用過程中易編程，易擴(kuò)展，并且可以成功解決用戶在使用MATLAB過程中遇到的，非線性，變系數(shù)等其他軟件難以解決的問題。Simulink既能夠進(jìn)行連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的仿真應(yīng)用，也能夠進(jìn)行線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)仿真應(yīng)用。并且SIMULIMK可以支持多種采樣頻率系統(tǒng)的仿真應(yīng)用，讓不同的系統(tǒng)能以不同的采樣頻率組合，這樣就可以方便用戶仿真較大較復(fù)雜的系統(tǒng)。因此，不同的科學(xué)或工程研究領(lǐng)域根據(jù)自己所需要的仿真要求，將MATLAB運(yùn)行環(huán)境作為基礎(chǔ)，開發(fā)出大量的專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用性較強(qiáng)的專用仿真程序，并把這些程序以模塊的形式放入SIMULINK中，從而形成模塊庫(kù)，方便以后再次應(yīng)用。這樣可以容易看出SIMULINK的模塊庫(kù)本質(zhì)上就是用MATLAB基本語言編寫的應(yīng)用性較強(qiáng)的子程序集?，F(xiàn)在SIMULINK模塊庫(kù)中有3級(jí)樹狀的子目錄，在一級(jí)目錄下包含有SIMULINK最早開發(fā)的數(shù)學(xué)計(jì)算工具箱，控制系統(tǒng)工具箱，以及之后開發(fā)的信號(hào)處理工具（DSP BLOCKS），通信系統(tǒng)工具箱（Comm）等也一并列入了一級(jí)子目錄模塊庫(kù)中，如果有興趣只要逐級(jí)打開模塊庫(kù)瀏覽器（SIMULINK LIBRARY BROWSER）的目錄，就可以看到這些模塊。 從SIMULINK4.1版開始包含電力系統(tǒng)模塊庫(kù)（POWER SYSTEM BLOCKET）。用戶在SIMULINK環(huán)境下，用電力系統(tǒng)模塊庫(kù)的模塊，可以輕松方便的進(jìn)行RLC電路，電力電子電路，電力系統(tǒng)和電機(jī)控制系統(tǒng)等的仿真運(yùn)行。電力系統(tǒng)模塊庫(kù)SIMPOWERSYSTEMS(即POWER SYSTEM BLOCKET )是建立在SIMULINK標(biāo)準(zhǔn)模塊和M語言基礎(chǔ)上的一個(gè)附加模型庫(kù)，它可以為電力系統(tǒng)仿真分析提供專用的各種線性與非線性元件和模塊，更為重要的是在使用它時(shí)完全不需要學(xué)習(xí)復(fù)雜的軟件命令，或者編寫軟件代碼，用戶只需要專注于物理模型本身，通過拖動(dòng)連接與實(shí)際電路圖非常相似的符號(hào)，來表示復(fù)雜的電力系統(tǒng)即可。圖1-1所示為電力系統(tǒng)模塊庫(kù)（POWERLIB）在MATLAB中與其他模塊的關(guān)系。 MATLAB底層支持平臺(tái)（M語言，工作空間，圖形系統(tǒng)，函數(shù)庫(kù)，API）M語言的集成開發(fā)環(huán)境DSPPowerlib附加模塊庫(kù)StateflowSimulingk仿真平臺(tái)（內(nèi)含基本模）塊庫(kù)）模糊邏輯控制系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工 具 箱圖1-1 電力系統(tǒng)模塊與其他模塊關(guān)系電力系統(tǒng)模塊庫(kù)包含以下幾類13:（1） 電源庫(kù)（electrical source）。（可控的）交/直流電壓/電流源。（2） 線路元件庫(kù)(elements)。包括斷路器，分布參數(shù)和二形線路，線性和飽和性變壓器，互感器，并串聯(lián)RLC支路和負(fù)荷，避雷器等。（3） 電力電子元件庫(kù)(power electrical)。包括二極管，GT。理想開關(guān)，MOSFET，晶閘管等。（4） 機(jī)組模型(machines)。包括異步電機(jī)，簡(jiǎn)化同步電機(jī)模型，詳細(xì)同步電機(jī)模型，永磁同步電機(jī)，勵(lì)磁系統(tǒng)，調(diào)速器等。（5） 應(yīng)用程序庫(kù)。包含了三種應(yīng)用程序。（6） 測(cè)量元件(measurments)。電流和電壓測(cè)量表計(jì)和波形顯示器。（7） 其他原件(extras library)。如有效值儀表，功率計(jì)，六項(xiàng)整流橋，同步脈沖發(fā)生器等。（8） 電力圖形用戶界面（powergui）.通過它來設(shè)置系統(tǒng)的狀態(tài)量及其初始值，并進(jìn)行穩(wěn)態(tài)潮流計(jì)算和分析。（9） 演示系統(tǒng)。提供應(yīng)用實(shí)例。圖1-2 電力系統(tǒng)模塊電力系統(tǒng)模塊庫(kù)（SIMPOWERSYSTEMS）具有以下特點(diǎn)：（1） 讓用戶可以使用標(biāo)準(zhǔn)電氣符號(hào)進(jìn)行電力系統(tǒng)的拓?fù)鋱D形模型建立和仿真。（2） 該模塊庫(kù)擁有標(biāo)準(zhǔn)的AC和DC電機(jī)模型模塊，變壓器，輸電線路，信號(hào)和脈沖發(fā)生器，HVDC控制，IGBT模塊和大量短路故障發(fā)生器，接地等設(shè)備模型。（3） 該模塊可以讓用戶在仿真時(shí)可以使用SIMULINK強(qiáng)有力的變步長(zhǎng)積分器和零點(diǎn)穿越檢測(cè)功能，以得到精度較高的電力系統(tǒng)的仿真計(jì)算結(jié)果。（4） 用戶可以選擇利用定步長(zhǎng)梯形積分算法進(jìn)行離散仿真計(jì)算，這樣的話就可以為快速仿真和實(shí)時(shí)仿真提供模型離散化方法。充分利用這一特性可以明顯提高仿真計(jì)算的速度-尤其是針對(duì)那些帶有電力電子設(shè)備的電力系統(tǒng)模型。另外，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)模型被離散化，因此使用戶可用REAL-TIME WORKSHOP生成模型的代碼，讓仿真的速度得到更近一層的提高。（5） 用戶可以利用POWERGUI交互式工具模塊修改模型中潮流或電機(jī)的初始設(shè)置等的初始狀態(tài)，可以從任何起始條件開始進(jìn)行仿真分析，例如計(jì)算電路的狀態(tài)空間表達(dá)，設(shè)定或恢復(fù)初始電流/電壓狀態(tài)，電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算，計(jì)算電流和電壓的穩(wěn)態(tài)解等。（6） 該模塊庫(kù)為用戶提供了可以擴(kuò)展的電力系統(tǒng)設(shè)備模塊，如功率電子元件，電力機(jī)械，控制測(cè)量模塊和三項(xiàng)元器件等等。（7） 可以為用戶仿真提供大量功能演示模型，也可讓用戶直接運(yùn)行仿真或進(jìn)行案例學(xué)習(xí)，以便于得到對(duì)仿真的初步了解7。仿真的方法與流程：MATLAB中至少有兩種獨(dú)立的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的仿真和分析：一種是編程仿真就是應(yīng)用傳統(tǒng)的編程方法進(jìn)行仿真，即利用MATLAB的編程功能對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真，MATLAB可輕易再現(xiàn)C或FORTRAN幾乎全部的功能，若用戶非常熟悉C或FORTRAN，有些情況下更傾向于使用它們，MATLAB也提供了相應(yīng)的接口，允許相互調(diào)用，以方便用戶使用。利用MATLAB對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編程仿真首先要構(gòu)建電網(wǎng)系統(tǒng)，電路或電器元件的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。另一種方法是在SIMULINK平臺(tái)上進(jìn)行仿真分析即框圖式仿真，這種方法是為了解決盡管MATLAB大大提高了編程效率，但仿真計(jì)算時(shí)仍需要編程這個(gè)問題，在這種情況下如果系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是比較復(fù)雜的，用戶想要通過編程將這樣的模型輸入計(jì)算機(jī)仍會(huì)顯得十分麻煩。SIMULINK是MathWorks公司推出的高性能的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模與仿真平臺(tái)，而且已經(jīng)在各領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。在1998年，MathWorks推出了電力系統(tǒng)仿真的專用電力系統(tǒng)工具箱SimPowerSystem(Power System blocket-PSB),用戶利用SimPowerSystem與SimMechanics和simulink一起構(gòu)造包括電力，機(jī)械和控制等的完整的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，并進(jìn)行仿真，而且非常形象直觀從而可以大大減少編程工作量。這樣容易對(duì)輸入輸出量化論域，語言變量，隸屬函數(shù)和控制規(guī)則進(jìn)行修改。當(dāng)然另一種方式是可以通過存儲(chǔ)在workspace的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。應(yīng)用MATLAB進(jìn)行電力系統(tǒng)仿真的一般步驟有：（1） 用戶首先建立系統(tǒng)仿真模型。在SIMULINK環(huán)境中，通過鼠標(biāo)進(jìn)行操作，只需將構(gòu)成系統(tǒng)所需的各種元件從相應(yīng)的模型庫(kù)中拖放添加到用戶窗口，然后對(duì)其進(jìn)行連接以實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，并根據(jù)仿真的需要在適當(dāng)?shù)牡胤浇尤霚y(cè)量模塊以及顯示模塊，加入一個(gè)POWERGUI模塊。（2） 實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)的設(shè)置和控制算法。用戶在仿真過程中會(huì)設(shè)置各模塊元件的參數(shù)，在這個(gè)過程中往往會(huì)涉及到一些較為復(fù)雜的控制算法（如模糊邏輯控制），這時(shí)候就需要調(diào)用相應(yīng)的工具箱進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，或者通過編寫M文件來實(shí)現(xiàn)。（3） 進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析。系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)潮流計(jì)算以及初始值設(shè)定是通過POWERGUI模塊進(jìn)行的，其中包括3個(gè)功能選項(xiàng)：a）機(jī)組潮流功能，設(shè)置發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的類型，電壓和輸出功率（或電壓角度），進(jìn)行潮流計(jì)算并初始化有關(guān)變量（如同步電機(jī)的勵(lì)磁電壓等）；b）狀態(tài)變量設(shè)置功能。對(duì)計(jì)算所需的狀態(tài)變量的數(shù)值分別進(jìn)行設(shè)置，從而可以讓用戶從任意初始值開始進(jìn)行下一步的仿真運(yùn)行；c)穩(wěn)態(tài)功能，主要是方便用戶用以查看穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)模型包括電壓電流源，狀態(tài)變量，被測(cè)量和非線性環(huán)節(jié)在內(nèi)的各種物理量的數(shù)值。（4） 進(jìn)行暫態(tài)仿真。首先設(shè)置系統(tǒng)擾動(dòng)方式，如短路，機(jī)組輸出，或者負(fù)荷變化等，然后選擇仿真的數(shù)值算法和輸出方式，然后選擇仿真菜單下的開始選項(xiàng)或點(diǎn)擊相應(yīng)的工具按鈕啟動(dòng)時(shí)域仿真，同時(shí)觀測(cè)有關(guān)變量的波形變化，在仿真的任何時(shí)刻可以暫停，并能修改參數(shù)或算法，然后繼續(xù)進(jìn)行仿真。（5） 進(jìn)行結(jié)果分析。用戶進(jìn)行仿真運(yùn)行計(jì)算所得的數(shù)據(jù)可以得到直接顯示，也可以按一定步長(zhǎng)存在數(shù)組中，并輸出到文件，從而可以方便的進(jìn)行更為深入的時(shí)域和頻域的分析。1.3 基于MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)仿真的發(fā)展趨勢(shì) 從能源方面講，隨著世界上的化石能源日趨枯竭，新能源變革迎來主要內(nèi)容，這樣的趨勢(shì)讓發(fā)展利用清潔能源和可再生能源成為世界各國(guó)的必然選擇。而我們國(guó)家能源變革的目標(biāo)可以歸納為：將化石能源逐步用可再生能源替換掉，并且不斷提高技術(shù)以提高化石能源的清潔和高效利用水平，實(shí)現(xiàn)可再生能源（水能，風(fēng)能，太陽(yáng)能，地?zé)崮?，生物質(zhì)能）和核能在一次能源消耗上具有較高的利用率和占有較大的份額。在新能源變革的大形勢(shì)下，會(huì)讓電網(wǎng)的使命發(fā)生翻天覆地的變化，這樣，初步展露頭角的智能電網(wǎng)將變成適應(yīng)新能源變革和承擔(dān)電網(wǎng)新使命的新一代電網(wǎng)。早在21世紀(jì)初，我們國(guó)家就曾提出了建設(shè)特高壓電網(wǎng)的規(guī)劃，不斷努力逐步加以實(shí)施并取得較好的成功。而在近兩年，我們國(guó)家根據(jù)國(guó)際電力系統(tǒng)發(fā)展的最新動(dòng)向，又在建設(shè)特高壓電網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了建設(shè)智能電網(wǎng)的遠(yuǎn)大目標(biāo)，形成宏偉藍(lán)圖的格局。我國(guó)的智能電網(wǎng)的發(fā)展是以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)網(wǎng)架為基礎(chǔ)，以通信信息平臺(tái)為支撐，具有信息化自動(dòng)化互動(dòng)化的特征，包含電力系統(tǒng)中的發(fā)電輸電變電配電用電和調(diào)度中各個(gè)環(huán)節(jié)的現(xiàn)代化電網(wǎng)。正是電網(wǎng)順此發(fā)展的同時(shí)，其規(guī)模不斷的擴(kuò)大，也不斷有新能源發(fā)電并網(wǎng)，新型電力設(shè)備的加入，使得當(dāng)今的電力系統(tǒng)已經(jīng)變得日趨復(fù)雜，從而讓運(yùn)行人員更加難于對(duì)其進(jìn)行監(jiān)視和分析更難的是對(duì)其進(jìn)行控制。并且，在近多年來，國(guó)內(nèi)外不斷發(fā)生著很多大規(guī)模的停電事故，2011年巴西“2.4”大停電，印度“7.30”“7.31”大停電事故，以及國(guó)內(nèi)的海南電網(wǎng)2005年“9.26”大停電，河南電網(wǎng)2006年“7.11”事故等等。這些事故之所以發(fā)生如何避免安全事故的發(fā)生這些都為電網(wǎng)如何更加安全的運(yùn)行提出了更高的要求，每一次安全事故的發(fā)生都會(huì)造成很大經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響，都在不斷為人們敲響著維護(hù)安全運(yùn)行的警鐘。一般來說，如果發(fā)生比較大的停電事故，電力系統(tǒng)從第一次元件發(fā)生故障到整個(gè)系統(tǒng)的徹底崩潰會(huì)有較長(zhǎng)的過程，在這個(gè)期間，如果運(yùn)行人員能夠運(yùn)用一切得當(dāng)手段進(jìn)行正確的故障分析與正確處理，是完全可以避免衍生出大面積的停電事故的。換種說法，就是現(xiàn)在電網(wǎng)缺乏有效的在線監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)導(dǎo)致不能及時(shí)掌握電網(wǎng)運(yùn)行是否穩(wěn)定的情況，從而造成衍生出大面積停電事故的最主要的原因就成了能否對(duì)故障采取有效的控制措施。這樣電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)和調(diào)度運(yùn)行的基礎(chǔ)就成了電力系統(tǒng)仿真，它有非常廣泛的范圍，其中涉及到穩(wěn)態(tài)仿真，動(dòng)態(tài)仿真和暫態(tài)仿真的各個(gè)方面。當(dāng)我們從電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程響應(yīng)時(shí)間與系統(tǒng)仿真時(shí)間的關(guān)系的角度來看時(shí)，可以將其分為非實(shí)時(shí)仿真和實(shí)時(shí)仿真；當(dāng)我們從數(shù)據(jù)的來源角度來看時(shí)，可以將其分為在線仿真和離線仿真。而在這其中，在線仿真是能夠?qū)崿F(xiàn)在線預(yù)警和決策支持的非常必要的手段。電力系統(tǒng)仿真涵蓋了眾多學(xué)科領(lǐng)域，其中有電力系統(tǒng)，數(shù)學(xué)，計(jì)算機(jī)，通信等。現(xiàn)如今，面對(duì)智能電網(wǎng)建設(shè)提出的要求，如果想要推動(dòng)仿真技術(shù)在仿真的準(zhǔn)確性快速性靈活性等方面的發(fā)展，就需要不斷引進(jìn)計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)以及數(shù)學(xué)方法等。具體體現(xiàn)在：（1） 仿真規(guī)模要實(shí)現(xiàn)更大化，用戶可以根據(jù)自己的仿真需要對(duì)所要運(yùn)行計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行粗細(xì)程度的適當(dāng)調(diào)整。（2） 當(dāng)進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，其計(jì)算的速度和準(zhǔn)確性應(yīng)該更進(jìn)一步。（3） 將仿真計(jì)算與環(huán)境經(jīng)濟(jì)等更多相關(guān)領(lǐng)域相結(jié)合，從而可以使得仿真計(jì)算具有更多的功能。（4） 為了能夠適應(yīng)電力系統(tǒng)仿真在智能電網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展過程中，不斷出現(xiàn)的新元件和新設(shè)備建模的需要，應(yīng)該使得仿真建模具備更大的靈活性。（5） 在實(shí)際生產(chǎn)過程中，技術(shù)及科研人員應(yīng)該不斷加強(qiáng)對(duì)電力系統(tǒng)智能建模方法的應(yīng)用以及對(duì)仿真結(jié)果的智能化分析。（6） 電網(wǎng)的自愈功能對(duì)實(shí)時(shí)決策控制提出了更高的要求。要求仿真技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)跟蹤評(píng)價(jià)電力系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的行為，當(dāng)系統(tǒng)故障一旦發(fā)生時(shí)能夠立即進(jìn)行仿真并且快速提供決策控制支持，以防止衍生出大面積停電，能夠快速?gòu)木o急狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)。（7） 為了能夠適應(yīng)未來的仿真實(shí)驗(yàn)可以對(duì)多個(gè)異地的試驗(yàn)設(shè)備的同步測(cè)試，仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)該具備更大的靈活性。（8） 當(dāng)前科技的進(jìn)步，計(jì)算模式在發(fā)生不斷地變化，如現(xiàn)已展現(xiàn)的云計(jì)算，協(xié)同計(jì)算等，基于這些未來的仿真計(jì)算要求要不斷適應(yīng)這些計(jì)算模式的發(fā)展。（9） 為了能夠提高用戶操作的便捷性和仿真系統(tǒng)的使用效率，未來的仿真技術(shù)應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)智能人機(jī)交互仿真。（10） 仿真過程中必然會(huì)融合大量的數(shù)據(jù)，由此，為了提高仿真分析中對(duì)海量數(shù)據(jù)的整合能力，未來的仿真技術(shù)中應(yīng)有數(shù)據(jù)融合技術(shù)的大量應(yīng)用。2 三相短路故障仿真分析2.1 電力系統(tǒng)故障簡(jiǎn)述 電磁暫態(tài)過程是電力系統(tǒng)故障引起的，是電力系統(tǒng)故障分析的主要研究方向，目的是搞清楚暫態(tài)發(fā)生的原因，發(fā)展過程及后果。這樣就可以讓技術(shù)人員掌握必要的理論知識(shí)以防止電力系統(tǒng)故障，和減少故障損失。電力系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中可能發(fā)生的故障類別較多，一般理論上將其分為簡(jiǎn)單故障和復(fù)合故障。簡(jiǎn)單故障指的是電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行過程中某一處發(fā)生短路或斷相故障，而復(fù)合故障是指兩個(gè)或兩個(gè)以上簡(jiǎn)單故障的復(fù)合。其中短路故障包括三相短路，單相接地短路，兩相短路和兩相短路接地；斷相故障包括斷一相故障和斷兩相故障。其中短路故障示意圖如下8：短路種類示意圖符號(hào)三相短路兩相短路 單相短路接地兩相短路接地圖2-1 短路故障類型對(duì)于整個(gè)的電力系統(tǒng)來說，在運(yùn)行過程當(dāng)中，由于方方面面的原因，出現(xiàn)故障是在所難免的，而在使得電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)遭到破壞，以上的短路故障是在破壞電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的故障中危害最大且最為常見的故障，有以下幾個(gè)方面是短路故障的主要不利影響：（1） 當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)短路點(diǎn)附近的支路中會(huì)出現(xiàn)數(shù)倍于額定電流的短路故障電流,根據(jù)導(dǎo)體間的電動(dòng)力與電流額定平方成正比，從而如果導(dǎo)體中有短路電流流過時(shí)，在導(dǎo)體間就會(huì)有比較大的電動(dòng)力產(chǎn)生，進(jìn)而產(chǎn)生非常大的機(jī)械應(yīng)力，如果不及時(shí)進(jìn)行處理就會(huì)破壞導(dǎo)體和它們的支架。（2） 當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，較大的故障電流會(huì)使一次設(shè)備的發(fā)熱增加，在這種情況下如果短路的持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)時(shí)，設(shè)備就可能由于過熱以致?lián)p壞甚至使用壽命會(huì)縮短。此時(shí)，電氣設(shè)備可能會(huì)由于短路點(diǎn)產(chǎn)生的電弧而被燒壞。（3） 當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，如果短路點(diǎn)離電源不遠(yuǎn)而且會(huì)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，短路故障有可能使得并列運(yùn)行的發(fā)電廠失去同步，從而會(huì)破壞電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，引發(fā)重大的系統(tǒng)事故，進(jìn)而導(dǎo)致大面積的停電。（4） 當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，短路故障會(huì)使得電壓大幅度下降，使得電壓跌落，這將導(dǎo)致產(chǎn)生的是電能的質(zhì)量問題：電能質(zhì)量問題會(huì)導(dǎo)致很多要求比較高的技術(shù)行業(yè)不能進(jìn)行正常的生產(chǎn)而此時(shí)會(huì)給產(chǎn)業(yè)造成比較大的經(jīng)濟(jì)損失。更為重要的是，如果故障是發(fā)生在一條母線帶多負(fù)載出線的配電網(wǎng)中，只要其中有任意一個(gè)負(fù)載上發(fā)生短路故障，這都會(huì)導(dǎo)致母線電壓跌落，這樣就會(huì)使整個(gè)所有的負(fù)載的電能質(zhì)量受到影響。（5） 當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，不對(duì)稱短路故障產(chǎn)生的不平衡電流將會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生不平衡磁通，會(huì)在附近與其平行的線路中（如通信線路，鐵道信號(hào)線路）感應(yīng)出比較高的電動(dòng)勢(shì)，從而會(huì)干擾通信線路正常的通信，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及設(shè)備和人身安全。（6） 當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，高于數(shù)倍額定電流的故障電流會(huì)經(jīng)過桿塔或通過其他接地方式流入大地，在這種情況下會(huì)形成跨步電壓，嚴(yán)重危及附近人員的人身安全和附近重要設(shè)備的安全9。因此，在發(fā)電廠，變電站以及整個(gè)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行工作當(dāng)中都必須事先進(jìn)行短路計(jì)算和仿真，以此作為合理選擇電氣接線，選用有足夠熱穩(wěn)定度和動(dòng)穩(wěn)定度的電氣設(shè)備及載流導(dǎo)體的基準(zhǔn)，也是正確確定限制短路電流的措施的重要保障，在電力系統(tǒng)中合理的配置各種繼電保護(hù)并整定其參數(shù)等的重要依據(jù)。由以上論述看來，短路故障問題是電力技術(shù)方面的基本問題之一，為此，要保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行掌握短路發(fā)生以后的物理過程，以及對(duì)短路過程的仿真計(jì)算方法是非常必要的，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析得出結(jié)論用于實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行是非常必要的10。在本章中，主要進(jìn)行的任務(wù)是對(duì)電力系統(tǒng)中短路故障進(jìn)行建模和仿真，得出波形結(jié)果進(jìn)行分析。2.2 仿真實(shí)例2.2.1 實(shí)例仿真摘要 在進(jìn)行電力系統(tǒng)特性研究時(shí)，在MATLAB環(huán)境下搭建的電力系統(tǒng)模型應(yīng)該能夠最大限度地再現(xiàn)實(shí)際情況中的電力系統(tǒng)。通常，如果利用模塊庫(kù)中封裝好的模塊進(jìn)行系統(tǒng)搭建，這些模塊都對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了一定程度的理想化，對(duì)各元件的參數(shù)也做了一定的取舍與簡(jiǎn)化。所以，如果想要對(duì)特殊的電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真，就需要建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行M文件的編寫，從底層做起11。在MATLAB的不斷發(fā)展過程中，模塊庫(kù)也在不斷進(jìn)行著更新與完善，使得用戶應(yīng)用非常方便，用戶只要利用已有的模塊對(duì)系統(tǒng)仿真進(jìn)行模塊的搭建連接12，就基本能夠模擬實(shí)際的電力系統(tǒng)的特性，從而使其成為對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)仿真的有力工具。本次仿真實(shí)例主要是對(duì)最典型的電力系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，通過對(duì)故障類型的不斷更改控制，得出示波器中的不同波形即得到仿真結(jié)果，然后對(duì)仿真的結(jié)果進(jìn)行分析，得出結(jié)論及對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中的影響。本次仿真實(shí)例中主要是對(duì)單機(jī)無窮大系統(tǒng)進(jìn)行建模，對(duì)三相短路故障進(jìn)行仿真，對(duì)得出的故障電流，故障電壓進(jìn)行分析，還對(duì)故障電流的正序負(fù)序零序分量進(jìn)行相序分析。從本次所建系統(tǒng)模型中，還可以對(duì)發(fā)電機(jī)機(jī)端發(fā)生三相短路故障進(jìn)行仿真并得出結(jié)果進(jìn)行分析。2.2.2 仿真模型建立首先對(duì)短路電流進(jìn)行理論分析。在此以單機(jī)無窮大系統(tǒng)為例說明三相短路電流的計(jì)算方法，即認(rèn)為單機(jī)無窮大系統(tǒng)為功率無窮大，頻率恒定，電壓恒定的系統(tǒng)。LTf圖2-1 單機(jī)無窮大供電系統(tǒng)短路電流的計(jì)算方法有多種，一般用標(biāo)幺值法較為普遍。這種方法簡(jiǎn)便快捷，而且可以對(duì)得出的結(jié)果直接進(jìn)行分析。電力系統(tǒng)中各種電氣設(shè)備如發(fā)電機(jī)，變壓器，電抗器的阻抗參數(shù)均是以其本身額定值為基準(zhǔn)值的標(biāo)幺值或百分值給出的，而這樣就要求在進(jìn)行電力系統(tǒng)計(jì)算時(shí)，必須取統(tǒng)一的基準(zhǔn)值，因此要求將原來的以本身額定值為基準(zhǔn)值的阻抗標(biāo)幺值換算到統(tǒng)一的基準(zhǔn)值。在計(jì)算過程中，一般選定基準(zhǔn)容量和基準(zhǔn)電壓在工程設(shè)計(jì)當(dāng)中通常取=100 , =，其中是短路點(diǎn)的短路計(jì)算電壓。基準(zhǔn)電流： (2.1)基準(zhǔn)電抗為： (2.2)（1） 在電力系統(tǒng)中的電抗標(biāo)幺值： (2.3)（2） 在電力系統(tǒng)中電力變壓器的電抗標(biāo)幺值： (2.4) （3） 在電力系統(tǒng)中電力線路的電抗標(biāo)幺值： (2.5)三相短路電流周期分量有效值的標(biāo)幺值： (2.6)由此可得三相短路電流周期分量的有效值為： (2.7)求得后，可求：（1）(其中為短路點(diǎn)短路電流周期分量有效值)。（2）1000KVA及以下的電力變壓器，二次側(cè)或在低壓電路發(fā)生三相短路故障時(shí)： （3）高壓電路發(fā)生三相短路時(shí)： ，。以上僅介紹了三相短路故障電流的周期分量有效值計(jì)算方法，其他種類短路電流的計(jì)算方法均可由此推出。如果能夠?qū)螜C(jī)無窮大功率電源供電系統(tǒng)三相短路故障的暫態(tài)過程進(jìn)行理論分析，對(duì)下面將要進(jìn)行的波形分析時(shí)會(huì)顯得更為直觀。RL圖2-2 三相短路故障分析該無窮大功率電源供電的三相對(duì)稱系統(tǒng)，短路發(fā)生前處于穩(wěn)定狀態(tài)。假設(shè)a相電流為 （2.8） (2.9) 假設(shè)t=0s時(shí)刻f點(diǎn)發(fā)生三相短路故障。顯然此時(shí)電路被分成兩個(gè)左右獨(dú)立回路。由于無限大電源供電的三相電路，其阻抗由短路故障發(fā)生前的突然減小短路故障發(fā)生后的為。由于短路后的電路仍然是三相對(duì)稱的，依據(jù)對(duì)稱關(guān)系可以得到a,b,c相短路全電流的表達(dá)式 (2.10) (2.11) (2.12)式中，為短路電流的穩(wěn)態(tài)分量的幅值10。 由上可見，短路故障發(fā)生至穩(wěn)態(tài)時(shí)，三相中的穩(wěn)態(tài)電流為三個(gè)幅值相等，相角相差120的交流電流，而它的幅值大小決定于電源電壓幅值和短路回路的總阻抗。 本次仿真實(shí)例所建立模型如圖2-3所示：5負(fù)載5負(fù)載無窮大電源Line 2Line 1230/13.8 變壓器f圖2-3 單機(jī)無窮大系統(tǒng)通過對(duì)模型進(jìn)行分析，得出本次仿真要使用到的模塊有:標(biāo)準(zhǔn)電壓源，測(cè)量?jī)x器，三相故障原件，發(fā)電機(jī)組，三相變壓器，輸電線路，負(fù)載，同步發(fā)電機(jī)模塊，勵(lì)磁系統(tǒng)模塊和水輪機(jī)調(diào)速器模塊。按照如圖2-3所示模型圖進(jìn)行連接得到如下的框圖仿真圖：圖2-4 系統(tǒng)仿真圖 參數(shù)設(shè)置如下圖：無窮大電源V=220,變壓器選擇雙繞組三相變壓器，變比設(shè)置為230 /13.8，高壓繞組采用星型接地，低壓繞組采用三角形接法。線路均采用串聯(lián)RLC支路，線路1長(zhǎng)220KM，線路2長(zhǎng)200KM,x=0.4/KM,r=0.17/KM。發(fā)電機(jī)選擇轉(zhuǎn)子類型為凸極，容量為200MVA。頻率為50其中未列參數(shù)均采用模塊默認(rèn)值。或在仿真過程中對(duì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)修改，以保證得出盡量準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和結(jié)論。圖2-5 三相電源設(shè)置圖圖2-6 變壓器設(shè)置圖圖2-7 傳輸線參數(shù)設(shè)置圖圖2-8 同步電機(jī)參數(shù)設(shè)置圖圖2-9 Powergui模塊Powergui是Simulink為電力系統(tǒng)仿真提供的圖形用戶分析界面。Powergui利用Simulink功能連接不同的電器元件，是分析電力系統(tǒng)模型的有效圖形化用戶接口工具。圖2-10 三項(xiàng)并聯(lián)RLC負(fù)荷模塊圖2-11 勵(lì)磁模塊參數(shù)設(shè)置電機(jī)勵(lì)磁模塊參數(shù)設(shè)置如圖2-11所示，其中調(diào)節(jié)器的增益值應(yīng)為300，勵(lì)磁器增益為0.01，時(shí)間為0.2s：衰減增益為0.001，時(shí)間常數(shù)為0.1s。故障模擬可通過三相故障原件更改故障類型，選擇三相故障進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。而要注意將故障電阻和接地電阻分別設(shè)置為0.001s（很小，但不為0）.設(shè)置故障時(shí)間段為:故障發(fā)生時(shí)間為0.1s，故障切除時(shí)間為0.3s。設(shè)置方式如下圖所示：圖2-12 三相故障模塊使用圖特別注意，本次仿真是針對(duì)電力系統(tǒng)是帶發(fā)電機(jī)的剛性系統(tǒng)，故采用ode15s的算法。其中將仿真進(jìn)行的時(shí)間段設(shè)置為0.5s。2.2.3 三相短路故障仿真及結(jié)論分析11 設(shè)置三相故障模塊為三相短路故障（即故障相選擇A，B，C三相以及接地相）,故障點(diǎn)如圖2-3中f點(diǎn)所示。通過示波器得出的圖像如下：在萬用表M中選擇故障點(diǎn)A,B,C 三相故障相電流作為測(cè)量量。激活仿真按鈕，就可以得到故障點(diǎn)三相電流波形圖如下圖所示:(a) 故障電流(b) 故障電流(c) 故障電流圖2-12（a,b,c） 故障電流，由此，可分析得出如下結(jié)論：在該系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，故障點(diǎn)A,B,C相電流由于三相電路短路故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài)，因而短路故障電流為0A。在0.1s時(shí)，三相電路短路故障發(fā)生器閉合，此時(shí)電路發(fā)生三相短路故障，故障點(diǎn)A,B,C相電流發(fā)生明顯變化。由于閉合時(shí)有初始輸入量和初始狀態(tài)量作用于系統(tǒng)之中，因而造成了故障A相電流波形上移，故障B相電流波形下移，故障電流C相波形上移，在0.1s-0.3s的暫態(tài)過程中，穩(wěn)態(tài)電流為三個(gè)幅值相等，相角相差的交流電流。在0.3s時(shí)，三相電路短路故障發(fā)生器打開，相當(dāng)于故障排除。此時(shí)，故障電流下降為零。在萬用表元件M1中選擇故障點(diǎn)A,B,C三相故障相相電壓作為測(cè)量量。激活仿真按鈕，則得到故障點(diǎn)三相相電壓波形圖如下所示。(a)故障電壓(b)故障電壓(c)故障電壓圖2-13(a,b,c) 故障電壓,由此可得出如下結(jié)論：在穩(wěn)態(tài)時(shí)，故障點(diǎn)三相電壓由于三相電路短路故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài)，相當(dāng)于沒有發(fā)生任何故障