基于Matlab的电力系统短路故障分析与仿真.pdf

第3 l 卷第5 期2 0 1 0 年1 0 月华北水利水电学院学报J o u r n a lo fN o A hC h i n aI n s t i t u t eo fW a t e rC o n s e r v a n c ya n dH y d r o e l e c t r i cP o w e rV 0 1 3 1N o 50 c t 2 0 1 0文章编号：1 0 0 2 5 6 3 4(2 0 1 0)0 5 0 0 9 3 0 4基于M a t l a b 的电力系统短路故障分析与仿真常晓颖，吴茜琼(洛阳理工学院。河南洛阳4 7 1 0 2 3)摘要：介绍了M a t l a b S i m u l i n k 的基本特点及应用M a t l a b 进行电力系统仿真分析的基本方法和步骤运用M a t l a b 电力系统仿真程序s i m P o w e r s y s t e m s 构建了一个单机一无穷大系统模型。并在此基础上对电力系统的多种故障进行了仿真，仿真波形与理论分析结果相符，说明用M a t l a b 对电力系统故障仿真的方法是可行的关键词：电力系统；仿真；故障；M a t l a b中图分类号：T P 3 9 1 9；T M 7 1 3文献标志码：A为了保证电力系统运行的功能和质量，在设计、分析和研究时必须保证系统的静态和动态特性由于在实际系统上进行试验和研究较困难，因此借助各种电力系统动态仿真软件电力系统的设计和研究已成为有效途径之一电力系统仿真软件有很多，当今比较流行的主要有E M T P(E l e c t r o m a g n e t i cT r a n s i e n t sP r o g r a m)仿真程序，美国电力公司(P T I)开发的P S S E(P o w e rS y s-t e r nS i m u l a t o rf o rE n g i n e e r i n g)，M a t hw o r k s 公司开发的M a t l a b 中所包含的电力系统工具箱(P o w e rS y s-t e r nT o o l b o x)，以及中国电科院开发的仿真软件P S A S P(P o w e rS y s t e mA n a l y s i sS o f t w a r eP a c k a g e)其中M a t l a b 以其强大的计算功能、良好的开放性和扩充性、友好的动态仿真环境和丰富的工具箱越来越成为进行包括电力网络、电力电子和控制系统等的学习和研究的重要仿真工具。2J 文献 3 5 采用M a t l a b 的电力系统工具箱进行电力系统稳态和动态分析1M a t l a b 的电力系统工具箱介绍M a t l a b 是由美国M a t h w o r k s 公司开发的大型软件，它以矩阵运算为基础，把计算、可视化、程序设计融合在一个交互的工作环境中，在此环境中可以实现工程计算、算法研究、建模和仿真、应用程序开发等M a t l a b 在电力系统建模和仿真的应用主要由电力系统仿真模块(P o w e rS y s t e mB l o c k s e t，简称P S B)来完成P S B 程序库含有代表电力网络中一般部件和设备的S i m u l i n k 程序块，通过P S B 可以迅速建立模型，并立即仿真P S B 程序块程序库中的测量程序和控制源起到电信号与S i m u l i n k 程序之间的连接作用1 画国画画回E l e c t r i c a lE l e m e n t sP o w e rM a c h m e s M e a s u r e m e n t sS o u r c e sE l e c t r o n i c s。曰日口图1 电力系统工具箱模块库收稿日期：2 0 1 0 0 5 3 0作者简介：常晓颖(1 9 8 2 一)。女，河南洛阳人，助教，硕士研究生，主要从事电力系统自动化方面的研究因纛万方数据华北水利水电学院学报2 0 1 0 年1 0 月在M a t l a b 命令窗口键入S i m u l i n k 命令便打开S i m u l i n k 的库浏览窗1 3，点击S i m P o w e rS y s t e m s，就进入了电力系统工具箱电力系统工具箱包括了电路、电力电子、电机等电气工程学科中常用的元件模型，这些元件模型分布在7 个模块库中，如图1 所示每个模块库中包含各种基本元件模型，只需将这些库模块或其他库模块中的元件拖到S i m u l i n k 窗口中，通过元件连接和参数设置就可以方便、直观地建立各种系统模型并进行仿真【7o 2电力系统短路故障仿真分析电力系统中电气设备和载流导体的选择、继电保护、自动装置的整定、限制短路电流措施的确定都需要进行短路故障分析和短路电流计算电力系统短路分为对称性短路和不对称性短路2 种类型对称短路也称三相短路(K)，不对称短路指单相接地短路(K)、两相短路(K 2)和两相接地短路(K)其中三相短路出现的概率不高，却是电力系统最危险的故障，而最常见的故障是单相接地短路，约占短路总故障的6 5 一7 0-9 文中将对这两种故障作为典型例子分别建模仿真，其他短路故障可通过在模型中改动短路元件的参数来进行仿真2 1 仿真模型建立为了在仿真中得到理想的数据及波形。文中选择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，简化计算过程，如图2 所示图2 单机一无穷大系统图2 中，最左端是发电机组，K 是机端电压，x，是变压器的电抗，x 副和x。：是线路电抗，E 是无穷大电源电压假设额定容量P。=2 0 0M V A，额定电压n=1 3 8k V，额定频率正=5 0H z，变压器的变比k=1 3 8 2 3 0，无穷大电源电压y。=2 2 0k V 在接下来的系统仿真模型中，以图2 为基础，用S i m u l i n k 以及S i m P o w e r S y s t e m s 中的模块来连接组成所需要的系统，再进行故障分析分析图2 知，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打开电力系统模块库，选择建模所需要的模块使用同步发电机，励磁系统(E x c i t a t i o nS y s t e m)和水轮机调速器来组成发电机组在进行发电机组的参数设置时，P。，K，工按照上述的额定值进行设置，转子类型为凸极，其余相可用模块的默认值三相变压器选择双绕组三相变压器(T h r e e-P h a s eT r a n s f o r m e r)，将变比设置为1 3 8 2 3 0(高压侧额定电压为2 2 0k V)，低压绕组采用三角形接法，高压绕组采用星型接地采用分布参数输电线路模型模拟2 2 0k m 的高压线另外，将标准电压源的容量设置成1 0 1 0 来模拟无穷大系统仿真模型如图3 所示图3 系统仿真模型图3 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选择A 相以及接地故障，并将故障电阻R。和接地电阻R。都设为0 0 0 1Q(很小，但不能为零)故障时间段可通过T r a n s i t i o n万方数据第3 1 卷第5 期常晓颖，等：基于M a t l a b 的电力系统短路故障分析与仿真9 5T i m e s 来安排，故障起始时间和切除时间分别为0 1 3s 和0 2 5S 对上述模型进行仿真前，需要选择仿真步长的算法，由于电力系统是带发电机的刚性系统，因此采用o d e l 5 s，o d e 2 3 t b 算法，仿真停止时间设定为0 6 0S 其余模块的参数设置都要根据系统要求进行适当修改，在此不再作过多叙述经过一系列选择设置后，就可以对系统仿真了其余三种短路故障的模型与图3 相同，惟一需要修改的是三相故障元件的设置当要对两相(假设B，C 两相)短路故障进行仿真时，只需选择B 相和C 相，此时接地电阻默认值为1 0 6Q；两相短路接地故障需在两相短路故障设置的基础上多加一个接；2鼍0导善-20 00 1O 20 30 40 50 6时间sf a)故障点A 相电压一27lo一0善三0 00 10 2030 40 50 6时间s(c)故障点B 相电压2l10鼍?拦一l脚-2地选项，并将接地电阻设置为0 0 0 1Q；三相短路故障的设置就是将A，B，c 三相全部选中2 2 仿真结果分析由图4 所示的波形可以发现，仿真开始时，系统工作在稳定状态，三相电压、电流对称，都按正弦波变化，当A 相0 1 38 接地短路时，A 相对地电压剧降为零，B，C 两非故障相电压基本没有发生变化；再观察电流，在故障发生前，三相的对地电流都为0，单相接地短路以后，A 相电流迅速增大为短路电流，占相和C 相电流则保持原样故障后三相电压、电流不再对称，说明单相接地短路为不对称短路故障切除后。三相电压电流经暂态后达到新的稳定状态1 OO 510 0出-0 5御一1 01 0 0 520 0筐-0 5脚一10时间s(b)故障点A 相电流0 00 10 20 30 40 50 6时间s(d)故障点B 相电流0 00 10 20 30 40 50 60 00 10 20 30 40，50 6时间s时间sr e)故障点C 相电压(f)故障点C 相电流图4单相接地短路时故障点电压电流波形改变A 相接地短路元件参数为三相短路，得到说明j 相短路为对称性短路故障切除后，三相电压线路三相短路时故障点的电压、电流波形，如图5 所电流最终达到新的稳态，并重新恢复三相对称运行示故障之前，系统工作在稳定状态，三相电压、电流的工作状态对称，在0 1 3S 时发生三相短路，三相电压为OV，以上仿真分析结果符合实际，且两相短路、两相三相电流迅速上升为短路电流，并保持为三相对称，短路接地的波形图经理论分析也均符合实际3S2羔1 f0善一20 30 40 50 6时间s(a)故障点一相电压一”2趟翘时间sfb)故障点A 相电流一。1)出御万方数据华北水利水电学院学报2 0 1 0 年1 0 月3S2乞I一菩。脚一I-20 00 10 20 30 40 50 63210一l-2时间sf c)故障点B 相电压帅圳0 OO 10 20 30 40 50 6时间s(c)故障点C 相电压1 00 0 0P50 0 0o导0H 璺锄-50 0 0一n2幽脚八蝴一0 OO 10 20 30 40 50 6时间s(d)故障点B 相电流图5 三相短路时故障点电压电流波形3 结语以一个简单的单机一无穷大系统为建模对象，在M a t l a b 中建立了电力系统的基本模型并进行了简单短路故障仿真分析结果表明，M a t l a b 具有强大的仿真功能，为电气工作者提供了一种简便、直观、有效的仿真研究方法参考文献 1 彭建飞，任岷，王树锦M a t l a b 在电力系统仿真研究中的应用 J 计算机仿真，2 0 0 5，2 2(6)：1 9 3 1 9 6 2 王忠礼M a t l a b 应用技术在电气工程与自动化专业中的应用 M 北京：清华大学出版社，2 0 0 8 3 都伟杰，张俊芳，刘鹏，等基于M a t l a b 的电力系统暂态稳定性仿真分析 J 电网与清洁能源，2 0 0 9，2 5(1)：1 7时间sf)故障点C 相电流一2 0 4 盛义发，唐耀庚，苏泽光，等基于M a t l a b 的电力系统故障的仿真分析 J 南华大学学报：理工版，2 0 0 3，1 7(4)：4 5 4 9 5 周兆庆，陈星莺M a t l a b 电力系统工具箱在电力系统机电暂态仿真中的应用 J 电力自动化设备，2 0 0 5，2 5(7)：3 8 4 0 6 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h a tt h es i m u l a t i o nw a v e f o r mi si nl i n ew i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dM a t l a bi sap o w e r f u lt o o l f o rt h es i m u l a t i o no fp o w e rs y s t e mf a u l t K e yw o r d s：p o w e rs y s t e m；s i m u l a t i o n；f a u l t；M a t l a b(责任编辑：杜明侠)万方数据基于Matlab的电力系统短路故障分析与仿真基于Matlab的电力系统短路故障分析与仿真作者：常晓颖，吴茜琼，CHANG Xiao-ying，WU Qian-qiong作者单位：洛阳理工学院,河南,洛阳,471023刊名：华北水利水电学院学报英文刊名：JOURNAL OF NORTH CHINA INSTITUTE OF WATER CONSERVANCY AND HYDROELECTRIC POWER年，卷(期)：2010,31(5)被引用次数：2次 参考文献(10条)参考文献(10条)1.刘万顺 电力系统故障分析 20042.夏道止 电力系统分析 20043.张少如;李志军;吴永俭 Matlab与电力系统仿真期刊论文-河北工业大学学报 2005(06)4.吴天明;谢小竹;彭彬 Matlab电力系统设计与分析 20045.周兆庆;陈星莺 Matlab电力系统工具箱在电力系统机电暂态仿真中的应用期刊论文-电力自动化设备 2005(07)6.盛义发;唐耀庚;苏泽光 基于Matlab的电力系统故障的仿真分析期刊论文-南华大学学报(自然科学版)2003(04)7.都伟杰;张俊芳;刘鹏 基于Matlab的电力系统暂态稳定性仿真分析期刊论文-电网与清洁能源 2009(01)8.王忠礼 Matlab应用技术-在电气工程与自动化专业中的应用 20089.盛义发;洪镇南 Matlab在电力系统仿真中的应用期刊论文-计算机仿真 2004(11)10.彭建飞;任岷;王树锦 Matlab在电力系统仿真研究中的应用期刊论文-计算机仿真 2005(06)本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条)1.刘平.刘鹏龙 基于Matlab的电力系统故障分析与仿真会议论文-20072.李媛.吕京 基于MATLAB的电力系统短路故障仿真期刊论文-中国科技博览2009(12)3.陆亚洲.周福娜.张豪 基于MATLAB/SPS的电力系统仿真与故障分析期刊论文-中国电力教育2010(30)4.于东民 基于MATLAB的电力系统故障仿真分析期刊论文-科技创新导报2010(22)5.盛义发.唐耀庚.苏泽光.赵宇红 基于Matlab的电力系统故障的仿真分析期刊论文-南华大学学报(理工版)2003,17(4)6.王枫 基于MATLAB/Simulink的电力系统仿真期刊论文-工矿自动化2005(z1)7.都伟杰.张俊芳.刘鹏.王玲.DU Wei-jie.ZHANG Jun-fang.LIU Peng.WANG Ling 基于MATLAB的电力系统暂态稳定性仿真研究期刊论文-电网与清洁能源2009,25(1)8.盛义发.洪镇南 MATLAB在电力系统仿真中的应用期刊论文-计算机仿真2004,21(11)9.张少如.李志军.吴永俭.杜志强.ZHANG Shao-ru.LI Zhi-jun.WU Yong-jian.DU Zhi-qiang MATLAB与电力系统仿真期刊论文-河北工业大学学报2005,34(6)10.袁军.陈继刚.张闻俊.YUAN Jun.CHEN Ji-gang.ZHANG Wen-jun 基于MATLAB的电力输电线路短路分析期刊论文-科学技术与工程2008,8(15)引证文献(2条)引证文献(2条)1.张松兰 MATLAB在电力系统线路故障分析中的应用期刊论文-自动化技术与应用 2011(10)2.张松兰 MATLAB在电力系统线路故障中的应用期刊论文-安徽电气工程职业技术学院学报 2011(3)本文链接：http:/