基于MATLAB的電力系統(tǒng)短路故障的仿真報告

1、 電力系統(tǒng)建模及仿真課程設計總結報告課題名稱 基于matlab的電力系統(tǒng)短路故障的仿真與分析 姓 名 學 號 院 系 班 級 指導教師 摘 要基于matlab最重要的組件之一simulink中的電力元件庫（simpowersystems）構建電力系統(tǒng)仿真模型，在matlab的平臺下仿真電力系統(tǒng)為工程設計和維修提供依據(jù)重要的依據(jù)，同時也為電力研究帶來大大的便利，利用simulink中的畫圖工具搭建電力系統(tǒng)模型也是進行電力系統(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雜的矩陣計算中解脫出來，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)搬進了辦公室，為研究帶來了巨大

2、的便利。簡要介紹了電力系統(tǒng)模型和matlab/ simulink中simpowersystems (電力系統(tǒng)元件庫) 的主要功能. simpowersystems 是專門為電力系統(tǒng)設計的仿真分析軟件,在對其基本元件進行介紹后,在仿真平臺上,通過對一個簡單的電力系統(tǒng)輸電線路的短路故障進行設計、仿真、分析,得到了理想的仿真效果.關鍵詞： matlab simpowersystems 短路電流計算 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)設置83.3 仿真結果分析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 結論225 參考文獻226 心得體會231 引言為了保證電力系統(tǒng)運行的功能和質(zhì)量，在設計、分析和研究時必須保證系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)是一個超高壓、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、維持時間短、復雜程度高、破壞力大的特點，因而使

7、得事后對故障原因分析、查找變得尤其困難。由于在實際系統(tǒng)上進行試驗和研究比較困難，因此借助各種電力系統(tǒng)動態(tài)仿真軟件電力系統(tǒng)的設計和研究已成為有效途徑之一。電力系統(tǒng)仿真軟件有很多，當今比較流行的主要有emtp(electromagnetic transients program)仿真程序，美國電力公司(pti)開發(fā)的pss/e(power system simulator for engineering)，mathworks公司開發(fā)的matlab中所包含的電力系統(tǒng)工具箱(power system toolbox)，以及中國電力科學研究院開發(fā)的仿真軟件psasp(power system analy

8、sis software package)。由于matlab具有很良好的開發(fā)性、高效的數(shù)據(jù)仿真分析,特別是信號處理和直觀的圖形顯示功能,且matlab/simulink環(huán)境下的psb模型庫及simulink強大的二次開發(fā)功能和豐富的工具箱,能快速而準確地對電路及更復雜的電氣系統(tǒng)進行仿真、計算。因此，它已成為電力科研工作者和工程技術人員應用它來進行電力系統(tǒng)有關問題的仿真分析和輔助設計的理想工具。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為電力網(wǎng),它包括升降壓變壓器和各種電壓等級的輸電線路4 . 動力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)和電力網(wǎng)簡單示意如圖圖1-1 動力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)和電力網(wǎng)示意圖電力系統(tǒng)的運行

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

10、著短路類型、發(fā)生地點和持續(xù)時間的不同，短路的后果可能只破壞局部地區(qū)的正常供電，也可能威脅整個系統(tǒng)的安全運行。短路的危險后果一般有以下的幾個方面：（1）.短路故障使短路點附近的支路中出現(xiàn)比正常值大許多倍的電流，由于短路電流的電動力效應，導體間將產(chǎn)生很大的機械應力，可能使導體和它們的支架遭到破壞。（2）短路電流使設備發(fā)熱增加，短路持續(xù)時間較長時，設備可能過熱以致?lián)p壞。（3）. 短路時系統(tǒng)電壓大幅度下降，對用戶影響很大。系統(tǒng)中最主要的電力負荷是異步電動機，它的電磁轉矩同端電壓的平方成正比，電壓下降時，電動機的電磁轉矩顯著減小，轉速隨之下降。當電壓大幅度下降時，電動機甚至可能停轉，造成產(chǎn)品報廢，設備損

11、壞等嚴重后果。（4）.當短路發(fā)生地點離電源不遠而持續(xù)時間又較長時，并列運行的發(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重后果。（5）.發(fā)生不對稱短路時，不平衡電流能產(chǎn)生足夠的磁通在鄰近的電路內(nèi)感應出很大的電動勢，這對于架設在高壓電力線路附近的通訊線路或鐵道訊號系統(tǒng)等會產(chǎn)生嚴重的影響。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算、短路容量的計算、故障后系統(tǒng)中各點電壓的計算以及其他的一些分析和計算，如故障時線路電流與電壓之間的相位關系等。短路電流計算與分析的主要目的在于應用這些計算結果進行繼電保護設計和整定值計算，開關電器、串聯(lián)電抗器、母線、絕緣子

12、等電氣設備的設計，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,中性點不接地;使用分布參數(shù)輸電線line1 和line2 的參數(shù)設置相同,line2 末端為中性點接地; 使用三相短路故障發(fā)生器( 32phase fault) 進行不同類型短路的設置.(1) 從電源元件庫選擇三相電源(3-phase source)元件，復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)對話框中如下設置：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測量(measurements)選項：選擇不測量 單擊 ok按鈕完成對三相電源(3-phase source)元件的設置。 (2)從線路元件(elements)庫中選擇變壓器（雙繞組及三繞組）元件，復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)對話框中如下設置：容量（nominal）:根據(jù)系統(tǒng)選擇頻率(frequency)：50 各繞組參數(shù)設置：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)測量(measurements)選項：選擇不測量 單擊 ok按鈕完成對變壓器元件的設置。 （3）從線路元件(elements)庫中選擇輸電線路（雙回線型及單回線型）元件，復制后粘貼在電路圖中。雙擊輸電線路元件，在輸電線路元件參數(shù)對話框中如下設置：頻率(frequency)：50 單位長度阻抗（resistance per unit length）： 0.01273 0.3864單位長度電感(inductance p

15、er unit length )：0.9337e-3 4.1264e-3單位長度電容(capacitance per unit length )：12.74e-9 7.751e-9線路長度：根據(jù)系統(tǒng)不同決定線路長度(line length)：根據(jù)系統(tǒng)選擇。測量(measurements)選項：選擇不測量 3.1 電力系統(tǒng)仿真模型1、供電系統(tǒng)如圖，發(fā)電機g1：50mva、110kv，保持恒定，y連接；線路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)接線圖電力系統(tǒng)仿真模型為3.2 仿真參數(shù)設置當電路圖設計完成后，對其進行仿真，達到觀察短路

16、接地電路中暫態(tài)變化情況。（1） 在設置的三相電路短路故障發(fā)生器，將接地短路時間設置為0.01 0.04之間。根據(jù)接地短路發(fā)生時間設置仿真參數(shù)。（2） 在電路圖的菜單選項中，選擇仿真菜單，激活仿真參數(shù)命令，彈出參數(shù)對話框。 根據(jù)對暫態(tài)過程時間估算，對仿真參數(shù)進行如下設置：三相電源：電壓初始相位為0，頻率為默認50hz不變，y型接法輸電線路：線路長度100km，其余參數(shù)保持為默認值不變。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)的設置：起始時間為0s，終止時間為0.1s，變步長，matlab 針對剛性系統(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)設置 當電路圖設計完成后，對其進行仿真，以達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)對話框如圖3-16所示。 圖5-1仿真參數(shù)對話框根據(jù)對暫態(tài)過程時間的估算，對仿真參數(shù)進行如下設置。 開始時間(start time)：0s 停止時間(stop time)：0.0001s 求解程序類型(type)選項：可變步長(variablestep)，ode23(bogackishampine) 最大步長(max st

18、ep size)選項：自動(auto) 最小步長(min step size)選項：自動(auto) 初始步長(intial step size)選項：自動(auto) 相對容差(relative tolerance)選項：1e-3 三相電源參數(shù)線路參數(shù) 兩相變壓器參數(shù)3.3 仿真結果分析3.3.1a.b.c三相短路 設置完電路圖和仿真參數(shù)后，下面進行電路仿真。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,三相短路時發(fā)電機端電壓，電流波形 電壓波形 電流波形三相短路時(a,b,c三相電壓)對比圖分析：三相短路時，a,b,c三相電壓相等。三相短路時(a,b,c三相電流)對比圖分析

19、：在三相故障模塊中，勾選phase a fault，phase b fault，phase c fault選項即可實現(xiàn)三相短路模型。三相短路發(fā)電機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)時有較大增加，而且幅值基本相等。在故障切除后，經(jīng)過短暫的暫態(tài)過程，系統(tǒng)逐漸恢復到故障前狀態(tài)。故障發(fā)生時，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)生時三相電壓為0，故障切除后呈正弦規(guī)律變化。三相短路時，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)電機端電壓，電流波形 電壓波形 電流波形分析：發(fā)電機端電壓電流波形為正弦波基本沒什么變化 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間里為零，b,c兩相電壓升高為線電壓，之后a,b,c三相電壓恢復正常。a相接地短路為例(a,b,c三相電流)分析：a相接地短路時當輸電線路發(fā)生a 相接地短路時,b 相、c 相電流沒有變化,始終為0. 對于故障相a 相的電流:在穩(wěn)態(tài)時,故障點a 相電流由于三相短路故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài),因而電流為0. 在0. 01s 時,三相短路故障發(fā)生器閉合,此時電路發(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,大體上仍然呈現(xiàn)正弦規(guī)律變化. 在0. 04s時,三相短路故障發(fā)生器打開,相當于排除故障,此時故障點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, , 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選項即可實現(xiàn)ab兩相直接短路模型。a、b兩相直接短路發(fā)電機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)時有較大增加，而且幅值基本相等。在故障切除后，經(jīng)過短暫的暫態(tài)過程，系統(tǒng)逐漸恢復到故障前狀態(tài)。發(fā)生故障時，勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)動作，快速將勵磁電壓增加至最大電壓，以維持機端電壓不

22、變；由于在發(fā)生不對稱故障時系統(tǒng)受到較大的干擾，發(fā)電機的機械輸入功率和發(fā)電機的電磁功率將不再平衡，發(fā)電機的轉子將不再保持與無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，勵磁調(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)時有較大增加，而且幅值基本相等。在故障切除后，經(jīng)過短暫的暫態(tài)過程，系統(tǒng)逐漸恢復到故障前狀態(tài)。故障相電壓降為0，而由于故障處在無窮大電源附近另由于線路參數(shù)的選取使得非故障相的電壓基本保持不變。三相短路時，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，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,c 相電流沒有變化,始終為0. 對于故障相a 相和故障相b 相電流:在穩(wěn)態(tài)時,故障點a 相、b 相電流由于三相短路故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài),因而電流為0. 在0. 01s 時,三相短路故障發(fā)生器閉合,此時電路發(fā)生a 相、b 相接地短路,故障點a 相電流波形下移,故障點b 相電流波形上升,呈正弦規(guī)律變化. 在0. 05s 時,三相短路故障發(fā)生器打開,相當于排除故障,此時故障點a 相、b 相電流變化為0.

24、4 結論在simulink中建立了電力系統(tǒng)的基本模型并進行了簡單短路故障仿真分析。結果表明，matlab的仿真功能，為電氣工作者提供了一種簡便、直觀、有效的仿真研究方法。通過a相接地短路，兩相短路接地，三相短路故障的仿真結果分析，可知，三相短路是電力系統(tǒng)最為嚴重的短路故障，可能引起電壓崩潰，造成大范圍的停電，給生產(chǎn)帶來不可預計的損失。因此，在實際生產(chǎn)中應該盡量避免此類短路故障的發(fā)生。上學期我進行了電力系統(tǒng)分析、matlab在電氣工程中的應用等專業(yè)課程的學習，對運用matlab對電力系統(tǒng)故障分析部分的內(nèi)容有了一定的了解。通過此次課程設計，讓我對單相短路故障的分析方面的知識掌握，又進一步得到鞏固其次，也學到了很多課內(nèi)學不到