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1、精品学习资源基于 Matlab 的电力系统故障分析与仿真01,2前言随着电力工业的进展，电力系统规划、运行和掌握的复杂性亦日益增加，电力系统 的生产和讨论中仿真软件的应用也越来越广泛；现在，我们主要使用的电力系统仿真软 件有： EMTP 程序，用于电力系统电磁暂态运算，电力系统暂态过电压分析，暂态爱护装置的综合挑选等； PSCAD EMTDC 程序，典型应用是运算电力系统遭受扰动或参数变化时，参数随时间变化的规律；PSASP，其功能主要有稳态分析、故障分析和机电暂态分析；仍有 MathWorks 公司开发的 MATLAB 软件；在 MATLAB 中，电力系统模型可以在 Simulink 环境下
2、直接搭建，也可以进行封装和自定义模块库，充分显现了其仿真平台的优越性；更重要的是， MATLAB供应了丰富的工具箱资源，以及大量的有用模块，使我们可以更加深化地讨论电力系统的行为特性；本篇论文将在娴熟把握 MATLAB 软件的基础上，对电力系统的故障进行建模、仿真、分析，并且设计一个 GUI 图形用户界面来反映故障波形；1 MATLAB 简介 3MATLAB有强大的运算绘图才能，给用户供应了各种领域的工具箱，而且编程语法简洁易学；下面简洁介绍一下本次仿真建模中需要用到的工具箱；1） Simulink 基本库，为用户供应了多种基本模块；它有两个显著功能，即仿真与连接，是实现动态系统建模、仿真的一
3、个集成环境；2） PSBPowerSystemBlock电力系统模块库，涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统的仿真模型，为电力讨论者带来了更大的便利；它由以下8 个子模块库组成：电源模 块库 Electrical Sources； 基本 元 件 模块 库 Elements； 电 力电 子模 块库 Power Electronics ； 电 机 模 块 库 Machines ； 连 接 模 块 库 Connectors； 测 量 模 块 库Measurements；附加模块 Extra Library ；电力图形用户接口 Powergui；3）GUI 用户图形
4、界面）是程序的图形化界面；组件、图象窗口以及回应是创建界面所必需的三个基本元素；它供应用户一个常见的界面，以及一些控件，例如，按钮，列表框，菜单等；通常，仍可以通过编程来实现多种功能；2 电力系统故障分析42.1 故障基础学问电力系统的故障一般分为简洁故障和各种复杂故障；简洁故障是指电力系统正常运欢迎下载精品学习资源行时某一处发生短路或断线故障的情形，其又可分为短路故障 横向故障）和断线故障 纵向故障），而复杂故障就是指两个或两个以上简洁故障的组合；短路故障有 4 种类型：三相短路 ）、两相短路 ）、单相接地短路 ）和两相短路接地）；断线故障分为一相断线和两相断线；其中发生单相接地短路故障的概
5、率最 高，占 65%；在本次设计中，对这六种故障都进行了建仿照真，由于单相接地短路故障发生的几率最高，因此本文将该故障作为典型例子来分析建仿照真过程；2.2 单相短路接地故障分析假设系统短路前空载，短路模拟图如图1 所示；图 1 单相接地短路当系统中的 f 点发生单相 A 相）直接短路接地故障时，其短路点的边界条件为A 相在短路点 f 的对地电压为零， B 相和 C 相从短路点流出的电流为零，即：欢迎下载精品学习资源将式子23欢迎下载精品学习资源由边界条件组成复合序网复合序网是指在短路端口依据用序重量表示的边界条件，将正序、负序和零序三个序网相互连接而成的等值网络）从A 相短路接地的序重量边界
6、条件式 3）可见，它相当于三序序网的端头进行串联，如图2 所示欢迎下载精品学习资源图 2 单相接地短路复合序网复合序网直观地表达了不对称短路故障的地点和类型，对复合序网进行分析运算， 可以解出短路点处的各序电压，电流重量，如下：三相电流为：5三相电压为：7欢迎下载精品学习资源3 系统总体设计为了排除一些干扰，在仿真中得到抱负的数据及波形，在本篇论文中，挑选了最具有代表性的典型的电力系统单机无穷大系统；该系统认为功率无穷大，频率恒定， 电压恒定，即对现实进行近似处理，以简化模型，更有利于得出结论，简化运算过程；如图 3 所示；图 3 单机无穷大系统上图中，最左端是发电机组，是机端电压，是变压器的
7、电抗，和是线路电抗，是无穷大电源电压；假设额定容量VA ，额定电压KV, 额定频率Hz, 变压器的变比，无穷大电源电压KV ；在接下来的系统仿真模型中，以上图为基础，用Simulink 以及 SimPowerSystems中的模块来连接组成所需要的系统，再进行故障分析；第一依据图 3，分析知道需要组成系统的几个主要部分，分别是发电机组，三相变压器，输电线路，负载，故障元件，测量仪器以及标准电压源；在Simulink 的扩展工具箱中找到 SimPowerSystems，或者直接在提示符下键入powerlib 打开电力系统模块库， 挑选建模所需要的模块；使用同步发电机Synchronous Mac
8、hine pu Standard，励磁系统Excitation System和水轮机调速器 Hydraulic Turbine and Governor 来组成发电机组；在进行发电机组的参数设置时，依据上述的额定值进行设置，转子类型Rotor type：凸极 ，将变比设置为 13.8/230模拟 220KM 的高压线；另外，将标准电压源的容量设置成 10E10 来模拟无穷大系统；第一用模块建立一个正常运行的电力系统，仿真后观看电压电流波形，待稳固后，再将故障元件加入其中，这样才能保证故障切除后系统最终能复原到稳固状态；本文以单相接地短路故障为例，仿真模型如图 4；欢迎下载精品学习资源图 4 单
9、相接地短路图中，短路故障是用三相故障元件来模拟的，在该模块的参数设置中挑选A 项以及接地故障 Ground Fault，并将故障电阻和接地电阻都设为 0.001很小，但不能为零）；故障时间段可通过 Transition times 来支配故障起始时间和切除时间分别为0.13 和0.25；其余模块的参数设置都要依据系统要求进行适当修改，在此不再作过多表达；对上述模型进行仿真前，需要挑选仿真步长的算法，由于电力系统是带发电机的刚性系统，因此算法 ode15s， ode23tb 适合采纳，仿真停止时间设定为0.4 秒；经过一系列挑选，设置后，就可以对系统开头仿真了；其余三种短路故障的模型与图4 相同
10、，唯独需要修改的地方就是三相故障元件的设置；当要对两相 %指定要画图的坐标轴simag）；%实现与模型 ag 相连的功能，并使模型开头仿真plot ；%给横轴加标签ylabel电流/ A；%给纵轴加标签title 故障点 A 相电压； %给坐标轴加上标题grid on；%添加网格完成组件回调函数的编写就可以运行M 文件了，如显现问题，回到MATLAB主窗口查看报错信息，进行修改；下图5 显示的是在 GUI 界面上的单相接地短路故障的仿真波形图；欢迎下载精品学习资源图 5 单相接地短路波形同样，其余故障的波形图都可以通过挑选listbox1 里的故障类型，点击开头仿真后与 MATLAB里相应的的
11、故障模型相连；仿真终止，波形显示在GUI 界面上；需要单独查看波形时，挑选 listbox2 中的查看选项，就会弹出一个大的Figure 图表框显示波形， 如图 6；欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源5 结果分析图 6 单独查看故障点A 相电压波形欢迎下载精品学习资源分析图 5 所示的波形，仿真开头时，系统处于正常运行状态，电压电流波形都按正弦波变化，当 A 相 0.13s接地短路时，可以观看到 A 相对地电压剧降为零， B、C 两非故障相电压没有发生变化；再观看电流，在故障发生前，A、B、C 三相的对地电流都为0， A 相接地短路以后，电流快速增大， Ib 和 Ic 保持原样；再往后看
12、，电压序重量和电流序重量都是输出的峰值，在系统正常运行时，电压只有正序重量，电流为零；当显现故障时，也就是在 0.13 到 0.25 秒，电压和电流显现现了负序和零序重量；经过其次章的理论分析，故障时正序、负序和零序电流是相等的，因此三条线在坐标轴上被掩盖了，只有最终一条零序重量的图线；理论上A 相的电流值是等于3 倍的序重量，由图可见，故障电流 Ia 峰值大约为 4500 安培，零序电流重量大约为 1500 安培，是 Ia 的三分之一， 说明仿真波形图是正确的；故障切除后，系统中仍旧只有正序重量，从电压序重量可以看出；因此图 5 的波形是符合理论分析的；两相短路，两相短路接地，三相短路，一相
13、断线和相断线的波形图经理论分析也均符合实际；6 终止语在本篇论文当中，以一个简洁的单机无穷大系统为建模对象，在MATLAB中建立了电力系统的基本模型；整个建模的过程中，介绍了MATLAB在电力系统中的应用；在建模初期，会遇到一些参数设置上的困难，通过不断地调整初始参数最终完成仿真；为了能更好的显示系统波形，便利分析，设置了一个GUI 图形用户界面，通过组件的设置，回调函数的编写以及最终的运行，把系统模型与图形界面联系起来，有利于故障类型的挑选和波形的查看；在对故障模型进行仿真的时候，可以体会到MATLAB强大的仿真才能，为电气工作者供应了简便、直观、有效地仿真仿真讨论方法；参 考 文 献1 彭
14、建飞，任岷，王树锦. MATLAB 在电力系统仿真讨论中的应用J.运算机仿真， 20056）： 193-196.2 李广凯，李庚银 .电力系统仿真软件综述J.电气电子教案学报， 20056）： 61-65.3 张少如，李志军，吴永俭等. MATLAB 与电力系统仿真 J.河北工业高校学报， 200512）： 5-9.4 夏道止等 .电力系统分析 M.北京：中国电力出版社，2004. 216-268.5 施晓红等 .熟知 GUI 图形界面编程 M.北京：北京高校出版社，2003. 164-178.欢迎下载精品学习资源6 樊艳芳，蔺红 . MATLAB_SIMULINK 在电力系统仿真中的应用J.新疆高校学报， 20045）： 205- 207.欢迎下载