電力系統(tǒng)故障分析及仿真(1)

1、摘 要本次設(shè)計介紹了電力系統(tǒng)故障分析方法及Matlab/Simulink的基本特點。通過算例對電力系統(tǒng)故障進(jìn)行分析計算。然后對算例，運(yùn)用Matlab/Simulink進(jìn)行電力系統(tǒng)故障仿真，得出仿真結(jié)果。并將電力系統(tǒng)故障的分析計算結(jié)果與Matlab仿真的分析結(jié)果進(jìn)行比較，從而得出結(jié)論。結(jié)果表明運(yùn)用Matlab對電力系統(tǒng)故障進(jìn)行分析與仿真，能夠準(zhǔn)確直觀地考察電力系統(tǒng)故障的動態(tài)特性，驗證了Matlab在電力系統(tǒng)仿真中的強(qiáng)大功能。關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；故障；Matlab；仿真Abstract This design for electric power system is introduced in fa

2、ult analysis method and the basic characteristics of the Matlab/Simulink. Through an example of power system fault analysis. Then for example, using Matlab/Simulink power system fault simulation, simulation results. And will power system malfunction of the analysis and calculation of the results of

3、the analysis and Matlab simulation results were compared, thus draws the conclusion. Results show that using Matlab for power system fault analysis and simulation, can accurate intuitively investigation power system malfunction of the dynamic characteristics and verified in power system simulation o

4、f Matlab.Keywords: electric system; Fault; Matlab; Simulation35目 錄摘要IAbstractII1 引言11.1 電力系統(tǒng)故障分析的基本知識11.2 電力系統(tǒng)故障分析及診斷技術(shù)21.3 本論文的主要工作32 仿真軟件52.1 Matlab簡介52.2 Simulink簡介73 電力系統(tǒng)故障計算93.1 短路計算的基本原則和規(guī)定93.2 短路點的選擇原則與確定103.3 短路電流計算114 電力系統(tǒng)故障仿真144.1 概述144.2 電力系統(tǒng)各元件的仿真模型144.3 電力系統(tǒng)故障仿真194.4 仿真結(jié)果分析295 結(jié)論31參考文獻(xiàn)3

5、3致謝341. 引言1.1電力系統(tǒng)故障分析的基本知識1.1.1故障概述短路是電力系統(tǒng)的嚴(yán)重故障。所謂短路，是指一切不正常的相與相之間或相與地（對于中性點接地的系統(tǒng)）發(fā)生系統(tǒng)通路的情況。電力系統(tǒng)在運(yùn)行中，相與相之間或相與地（或中性線）之間發(fā)生非正常連接（即短路）時流過的電流。其值可遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于額定電流，并取決于短路點距電源的電氣距離。例如，在發(fā)電機(jī)端發(fā)生短路時，流過發(fā)電機(jī)的短路電流最大瞬時值可達(dá)額定電流的1015倍。大容量電力系統(tǒng)中，短路電流可達(dá)數(shù)萬安。這會對電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成嚴(yán)重影響和后果。供電網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生短路時,很大的短路電流會使電器設(shè)備過熱或受電動力作用而遭到損壞,同時使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的電壓大大降低

6、,因而破壞了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)用電設(shè)備的正常工作.為了消除或減輕短路的后果,就需要計算短路電流,以正確地選擇電器設(shè)備、設(shè)計繼電保護(hù)和選用限制短路電流的元件。1.1.2故障類型三相系統(tǒng)中發(fā)生的短路有 4 種基本類型：三相短路，兩相短路，單相對地短路和兩相對地短路。其中，除三相短路時，三相回路依舊對稱，因而又稱對稱短路外，其余三類均屬不對稱短路。在中性點接地的電力網(wǎng)絡(luò)中，以一相對地的短路故障最多，約占全部故障的90。在中性點非直接接地的電力網(wǎng)絡(luò)中，短路故障主要是各種相間短路。表1.1給出這幾種短路的簡略記號。表1.1 短路的簡略記號 短路類型示意圖代表符號三相短路二相短路單相短路二相短路接地1.1.3 故障概

7、率運(yùn)行經(jīng)驗指出，架空輸電線是電力系統(tǒng)中比較薄弱的環(huán)節(jié)，發(fā)生短路的幾率最高，我國某電力系統(tǒng)多年統(tǒng)計出在不同范圍內(nèi)發(fā)生短路故障的相對次數(shù)列出如表1.2。表1.2 不同范圍能發(fā)生短路故障幾率 線路范圍發(fā)生幾率在110kV線路上容量為6000kW以上的發(fā)電機(jī)110kV變壓器110kV母線78.0%7.5%6.5%8.0%表1.3 110kV線路上各種類型短路故障幾率短路類型發(fā)生幾率三相短路二相短路二相短路接地單相短路5%4%8%83% 從表1.3中的數(shù)字中可以看出單相短路幾率占壓倒性多數(shù)，國外的運(yùn)行經(jīng)驗也證明了這一點。三相短路的幾率是很小的，但這并不說明三相短路無關(guān)緊要，相反對三相短路應(yīng)該加以重視，因

8、為三相短路的情況最嚴(yán)重，有時為了最后論斷電力系統(tǒng)在短路情況下工作的可能性，他起著決定性的作用。此外，研究三相短路之所以重要，還由于我們在分析計算不對稱短路時，往往把不對稱短路看成某種假定的三相短路來處理。1.2 電力系統(tǒng)故障診斷技術(shù) 早在 1982年 8月，美國電力研究所 (EPRI)便開始了火電站設(shè)備早期故障檢測的工作，經(jīng)過此后 10多年的努力，在電站性能監(jiān)測和診斷方面， EPRI一直處于領(lǐng)先地位。此外，美國西屋公司也在 1976年開始了電站在線計算機(jī)診斷工作，并在 1980年投入了一個小型的電機(jī)診斷系統(tǒng)，1981年進(jìn)行電站人工智能故障診斷專家系統(tǒng)的研究，1984年應(yīng)用于現(xiàn)場,到1990年己

9、發(fā)展成為大型電站在線監(jiān)測診斷系統(tǒng) (AID),即汽輪發(fā)電機(jī)組智能化故障診斷專家系統(tǒng)。我國在故障診斷技術(shù)方面的研究起步較晚，開始于20世紀(jì)70年代末，落后于國外至少 20-30年的歷史，基本上是在引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行消化、吸收而發(fā)展起來的。第一階段為起步階段，從 1979年至 1990年大約用了 10年時間。這個階段的特點是認(rèn)識設(shè)備診斷技術(shù)的重要性，設(shè)備診斷技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究十分活躍，這個階段以快速傅里葉變換、譜分析、信號處理等技術(shù)為基礎(chǔ)，以設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測為技術(shù)目標(biāo)。第二階段為發(fā)展階段，從 1991年開始至 90年代末以我國工業(yè)的建設(shè)迅速發(fā)展為背景，以現(xiàn)代化管理的需要為前提，出現(xiàn)了診斷技術(shù)迅

10、速發(fā)展的局面。這個階段以故障分類、模式識別、智能化專家系統(tǒng)及其計算(故障樹計算、模糊邏輯計算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算、基因計算等 )為基礎(chǔ)，全方位開展了設(shè)備的故障診斷研究，從理論和生產(chǎn)應(yīng)用上形成了具有我國特點的故障診斷理論，研制出了可與國際接軌的大型設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。 電力系統(tǒng)故障診斷是近年來十分活躍的研究課題之一。傳統(tǒng)型的研究是在建立被診斷系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)發(fā)生故障時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)變化，導(dǎo)致系統(tǒng)潮流的變化，進(jìn)而根據(jù)潮流計算的變化判斷出故障，多用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法，采用單一的集中求解，因系統(tǒng)規(guī)模、復(fù)雜程度和不確定因素等的限制難以適應(yīng)目前電力系統(tǒng)的這樣一個日趨復(fù)雜的分布式大系統(tǒng)的故障

11、診斷問題發(fā)展趨勢，系統(tǒng)故障診斷難以達(dá)到理想的效果。因此，目前研究電力系統(tǒng)故障診斷的方法主要是采用的智能化方法。近幾十年來，故障診斷技術(shù)得到了深入廣泛的研究，提出了眾多可行的方法，概括起來即可可分為三大類： 基于解析模型的方法，在了解診斷對象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，按一定的數(shù)學(xué)方法對被測信息進(jìn)行處理判斷，可分為狀態(tài)估計法、等價空間法和參數(shù)估計法等?；诮馕瞿Ｐ偷墓收显\斷方法是最早發(fā)展起來的，其主要思想是通過構(gòu)造觀測器估計出系統(tǒng)輸出，然后將它與輸出的測量值作比較，從中獲得故障信息。由于建模的困難與模型本身的誤差以及各種不可預(yù)見的因素 (如系統(tǒng)發(fā)生故障時，不僅可能引起模型參數(shù)的變化，還可能引起模型結(jié)構(gòu)的變

12、化，而且這種變化是不確定的 )，大大地影響了其診斷的準(zhǔn)確性。 基于信號處理的方法，利用信號模型，如相關(guān)函數(shù)、頻譜、自回歸滑動平均、小波變換等，直接分析可測信號，提取諸如方差、幅值、頻率等特征值，從而檢測出故障。這種方法由于不需要建立對象的解析數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)簡單，在工程上具有廣泛的應(yīng)用，但這種方法只有當(dāng)故障發(fā)展到相當(dāng)程度并影響到外部特征時才有效，而且只能對故障范圍做出粗略的判斷，大多數(shù)情況下不能直接定位故障。 基于知識的診斷方法。這類方法的主要優(yōu)點是不依賴于具體的數(shù)學(xué)模型，而且克服了基于信號處理故障診斷方法的缺點，引入了診斷對象的許多信息，具有較為豐富的、靈活的知識表達(dá)和問題求解能力，它可以充分

13、發(fā)揮人類專家在診斷中根據(jù)感覺、知識、經(jīng)驗所進(jìn)行的推理判斷的能力，并可適合于各種場合的故障判別?；谥R的故障診斷方法由于其本身具有的優(yōu)點已經(jīng)成為故障診斷領(lǐng)域中的一個主要方法，它不僅可以進(jìn)行離線的故障診斷，還可以用于在線的故障診斷與故障處理。在電力系統(tǒng)中，這類方法的開發(fā)研究也是最為引人矚目的一類課題，國內(nèi)外也有大量的文獻(xiàn)介紹基于知識的診斷方法在電網(wǎng)絡(luò)故障診斷中的應(yīng)用。近年來，一般報警信息的處理和常見簡單故障的診斷問題已經(jīng)得到較好的解決。隨著電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展、計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及數(shù)學(xué)和智能科學(xué)理論的發(fā)展，不斷有新的電網(wǎng)故障診斷方法出現(xiàn)，但是從電力系統(tǒng)故障診斷理論與方法研究和應(yīng)用的深度、廣度可以清

14、晰地看到，其研究仍停留在理論和模型的探索階段，基本上沒有非常成功的成型實用系統(tǒng)，實用化方面一直未有太大的發(fā)展。從發(fā)表的文獻(xiàn)來看，電網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)大多依托于調(diào)度端或變電站內(nèi)，分別利用調(diào)度 SCADA系統(tǒng)的實時信息或站內(nèi)綜合百動化系統(tǒng)收集的信息來實現(xiàn)；隨著系統(tǒng)、計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以及故障錄波專用網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，后來又發(fā)展了基于故障錄波信息的故障診斷系統(tǒng)。此系統(tǒng)的建設(shè)，對故障后所有相關(guān)的故障信息，例如保護(hù)裝置信息、錄波器信息、雷電定位信息、監(jiān)控裝置信息等，進(jìn)行采集、傳輸、存儲和處理，為電網(wǎng)故障處理提供了信息支持。這些寶貴的信息為新的電網(wǎng)故障診斷方法提供了基礎(chǔ)，大大拓展了電網(wǎng)故障診斷的研究方向。因此

15、，在電網(wǎng)故障診斷理論的實用化過程中，必須充分重視信息的收集與整理工作，包括用于故障診斷的數(shù)據(jù)倉庫的構(gòu)建、故障綜合信息的預(yù)處理和診斷知識的提取等。1.3 本論文的主要工作基于三相短路的重要性，本次設(shè)計以三相短路為例進(jìn)行分析仿真。2 仿真軟件2.1 Matlab的簡介 Matlab和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。Matlab可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。Matlab的基本數(shù)據(jù)單位是矩

16、陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用Matlab來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點,使Matlab成為一個強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對C，F(xiàn)ORTRAN，C+ ，Java的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實用程序?qū)氲組atlab函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的Matlab愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。 Matlab的特點：(1)、此高級語言可用于技術(shù)計算(2)、此開發(fā)環(huán)境可對代碼、文件和數(shù)據(jù)進(jìn)行管理(3)、交互式工具可以按迭代的方式探查、

17、設(shè)計及求解問題(4)、數(shù)學(xué)函數(shù)可用于線性代數(shù)、統(tǒng)計、傅立葉分析、篩選、優(yōu)化以及數(shù)值積分等(5)、二維和三維圖形函數(shù)可用于可視化數(shù)據(jù)(6)、各種工具可用于構(gòu)建自定義的圖形用戶界面(7)、各種函數(shù)可將基于Matlab的算法與外部應(yīng)用程序和語言（如 C、C+、Fortran、Java、COM 以及 Microsoft Excel）集成2(8)、不支持大寫輸入，內(nèi)核僅僅支持小寫 Matlab的優(yōu)勢：（1）友好的工作平臺和編程環(huán)境Matlab由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用Matlab的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括Matlab桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑

18、搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著Matlab的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級，Matlab的用戶界面也越來越精致，更加接近Windows的標(biāo)準(zhǔn)界面，人機(jī)交互性更強(qiáng)，操作更簡單。而且新版本的Matlab提供了完整的聯(lián)機(jī)查詢、幫助系統(tǒng)，極大的方便了用戶的使用。簡單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過編譯就可以直接運(yùn)行，而且能夠及時地報告出現(xiàn)的錯誤及進(jìn)行出錯原因分析。（2）簡單易用的程序語言Matlab一個高級的矩陣/陣列語言，它包含控制語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個較大的復(fù)雜的應(yīng)用程

19、序（M文件）后再一起運(yùn)行。新版本的Matlab語言是基于最為流行的C語言基礎(chǔ)上的，因此語法特征與C語言極為相似，而且更加簡單，更加符合科技人員對數(shù)學(xué)表達(dá)式的書寫格式。使之更利于非計算機(jī)專業(yè)的科技人員使用。而且這種語言可移植性好、可拓展性極強(qiáng)，這也是Matlab能夠深入到科學(xué)研究及工程計算各個領(lǐng)域的重要原因。（3）強(qiáng)大的科學(xué)計算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力Matlab是一個包含大量計算算法的集合。其擁有600多個工程中要用到的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，可以方便的實現(xiàn)用戶所需的各種計算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計算中的最新研究成果，而前經(jīng)過了各種優(yōu)化和容錯處理。在通常情況下，可以用它來代替底層編程語言，如C和C

20、+ 。在計算要求相同的情況下，使用Matlab的編程工作量會大大減少。Matlab的這些函數(shù)集包括從最簡單最基本的函數(shù)到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復(fù)雜函數(shù)。函數(shù)所能解決的問題其大致包括矩陣運(yùn)算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號運(yùn)算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、工程中的優(yōu)化問題、稀疏矩陣運(yùn)算、復(fù)數(shù)的各種運(yùn)算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學(xué)運(yùn)算、多維數(shù)組操作以及建模動態(tài)仿真等。（4）出色的圖形處理功能 Matlab自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來，并且可以對圖形進(jìn)行標(biāo)注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動畫和表達(dá)式作圖

21、?？捎糜诳茖W(xué)計算和工程繪圖。新版本的Matlab對整個圖形處理功能作了很大的改進(jìn)和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對于一些其他軟件所沒有的功能（例如:圖形的光照處理、色度處理以及四維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等），Matlab同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。同時對一些特殊的可視化要求，例如圖形對話等,Matlab也有相應(yīng)的功能函數(shù)，保證了用戶不同層次的要求。另外新版本的Matlab還著重在圖形用戶界面（GUI）的制作上作了很大的改善，對這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。（5）應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱Matlab對許多專門的領(lǐng)域都開發(fā)了功能強(qiáng)

22、大的模塊集和工具箱。一般來說，它們都是由特定領(lǐng)域的專家開發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評估不同的方法而不需要自己編寫代碼。目前，Matlab已經(jīng)把工具箱延伸到了科學(xué)研究和工程應(yīng)用的諸多領(lǐng)域，諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫接口、概率統(tǒng)計、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、信號處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識、控制系統(tǒng)設(shè)計、LMI控制、魯棒控制、模型預(yù)測、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線性控制設(shè)計、實時快速原型及半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、定點仿真、DSP與通訊、電力系統(tǒng)仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。（6）實用的程序接口和發(fā)布平臺新版本的Matlab

23、可以利用Matlab編譯器和C/C+數(shù)學(xué)庫和圖形庫，將自己的Matlab程序自動轉(zhuǎn)換為獨(dú)立于Matlab運(yùn)行的C和C+代碼。允許用戶編寫可以和Matlab進(jìn)行交互的C或C+語言程序。另外，Matlab網(wǎng)頁服務(wù)程序還容許在Web應(yīng)用中使用自己的Matlab數(shù)學(xué)和圖形程序。Matlab的一個重要特色就是具有一套程序擴(kuò)展系統(tǒng)和一組稱之為工具箱的特殊應(yīng)用子程序。工具箱是Matlab函數(shù)的子程序庫，每一個工具箱都是為某一類學(xué)科專業(yè)和應(yīng)用而定制的，主要包括信號處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、小波分析和系統(tǒng)仿真等方面的應(yīng)用。（7）應(yīng)用軟件開發(fā)（包括用戶界面）在開發(fā)環(huán)境中，使用戶更方便地控制多個文件和圖形

24、窗口；在編程方面支持了函數(shù)嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強(qiáng)大的圖形標(biāo)注和處理功能，包括對性對起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向Excel和HDF5進(jìn)行連接。2.2 Simulink的簡介Simulink是Matlab最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)

25、用于Simulink。 Simulink是Matlab中的一種可視化仿真工具， 是一種基于Matlab的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink用于

26、動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進(jìn)行設(shè)計、仿真、執(zhí)行和測試。.構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計、執(zhí)行、驗證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與Matlab 緊密集成，可以直接訪問Matlab大量的工具來進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。 Simulink的特點：（1）豐富的可擴(kuò)充的預(yù)定義模塊庫 （2）交互式的圖形編輯器來組合

27、和管理直觀的模塊圖 （3）以設(shè)計功能的層次性來分割模型，實現(xiàn)對復(fù)雜設(shè)計的管理 （4）通過Model Explorer 導(dǎo)航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號、參數(shù)、屬性，生成模型代碼 （5）提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成 （6）使用Embedded Matlab 模塊在Simulink和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用Matlab算法 （7）使用定步長或變步長運(yùn)行仿真，根據(jù)仿真模式(Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)來決定以解釋性的方式運(yùn)行或以編譯C代碼的形式來運(yùn)行模型 （8）圖形化的調(diào)試器和剖析器來檢查仿真結(jié)果，診斷設(shè)計的性能和異常行為 （9）

28、可訪問Matlab從而對結(jié)果進(jìn)行分析與可視化，定制建模環(huán)境，定義信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù) （10）模型分析和診斷工具來保證模型的一致性，確定模型中的錯誤。3 電力系統(tǒng)故障計算的基本原理3.1 短路計算的基本原則和規(guī)定電力系統(tǒng)三相短路計算主要是短路電流周期分量的計算，在給定電源電勢時，實際就是穩(wěn)態(tài)交流電路的求解。在電力系統(tǒng)短路電流的工程計算中，許多實際問題的解決（如電網(wǎng)設(shè)計中的電氣設(shè)備選擇）并不需要十分精確的結(jié)果，于是產(chǎn)生了近似計算的方法。在近似計算中主要是對系統(tǒng)元件模型和標(biāo)么值參數(shù)計算做了簡化處理。在元件模型方面，忽略發(fā)電機(jī)、變壓器和輸電線路的電阻，不計輸電線路的電容，略去變壓器的勵磁電流（三相三柱

29、式變壓器的零序等值電路除外），負(fù)荷忽略不計或只做近似估計。在標(biāo)么值參數(shù)計算方面，在選取各級平均電壓做為基準(zhǔn)電壓時，忽略各元件(電抗器除外)的額定電壓之比，即所有變壓器的標(biāo)么變比都等于1。此外，有時還假定所有發(fā)電機(jī)的電勢具有相同的相位，加上所有元件僅用電抗表示，這就避免了復(fù)數(shù)運(yùn)算，把短路電流的計算簡化為直流電路的求解。短路計算的目的是為了選擇導(dǎo)體和電器，并對其進(jìn)行相關(guān)校驗?；炯俣ǎ憾搪冯娏鲗嵱糜嬎阒校捎靡韵录僭O(shè)條件和原則：（1） 正常工作時，三相系統(tǒng)對稱運(yùn)行；（2） 所有電源的電動勢相位角相同；（3） 系統(tǒng)中的同步和異步電機(jī)為理想電機(jī)，不考慮電機(jī)飽和、磁滯、渦流及導(dǎo)體集膚效應(yīng)等影響；轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

30、完全對稱；定子三相繞組空間相差120°電氣角；（4） 電力系統(tǒng)中各原件的磁路不飽和，即帶鐵芯的電氣設(shè)備電抗值不隨電流大小變化；（5） 電力系統(tǒng)中所有電源都在額定負(fù)荷下運(yùn)行，其中50%負(fù)荷接在高壓母線上，50%負(fù)荷接在系統(tǒng)側(cè)；（6） 同步電機(jī)都具有自動調(diào)整勵磁裝置（包括強(qiáng)行勵磁）；（7） 短路發(fā)生在短路電流為最大值的瞬間；（8） 不考慮短路點的電弧阻抗和變壓器的勵磁電流；（9） 除計算短路電流的衰減時間常數(shù)和低壓網(wǎng)絡(luò)的短路電流外，元件的電阻都略去不計；（10） 元件的計算參數(shù)均取其額定值，不考慮參數(shù)的誤差和調(diào)整范圍；（11） 輸電線路的電容略去不計；（12） 用概率統(tǒng)計法制定短路電流運(yùn)

31、算曲線。一般規(guī)定： （1）驗算導(dǎo)體和電器動穩(wěn)定、熱穩(wěn)定以及電器開斷電流所用的短路電流，應(yīng)按本工程的設(shè)計規(guī)劃容量計算，并考慮電力系統(tǒng)的遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃（一般為本期工程建成的510年）。確定短路電流時，應(yīng)按可能發(fā)生最大短路電流的正常接線方式，而不應(yīng)按僅在僅在切換過程中可能并列運(yùn)行的接線方式； （2）在電氣網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)考慮具有反饋作用的異步電動機(jī)的影響； （3）選擇導(dǎo)體和電器時，對不帶電抗器回路的計算短路點應(yīng)選擇在正常接線方式時短路電流為最大的地點。對加裝電抗器的610KV出線與廠用分支線回路，除其母線和母線隔離開關(guān)之間隔板前的引線和套管，計算短路點應(yīng)選擇在電抗器前，其余導(dǎo)體和電器的計算短路點一般選擇在電抗

32、器后； （4）導(dǎo)體和電器的動穩(wěn)定、熱穩(wěn)定和電器的開斷電流，一般按三相短路驗算。若發(fā)電機(jī)出口的兩相短路或中性點直接接地系統(tǒng)及自耦變壓器等回路中的單相、兩相接地短路較三相嚴(yán)重時，則應(yīng)按嚴(yán)重情況計算。3.2 短路點的選擇原則與確定3.2.1 短路點選擇原則 短路計算點是指在正常接線方式時，通過電器設(shè)備的短路電流為最大的地點。所選的短路點一定要是各種短路類型是最嚴(yán)重的情況，應(yīng)為只要這樣才能得出變壓器中性點的最大入地電流，算出后才能進(jìn)行接地電阻允許值的計算。而且一般不止選擇一個短路點，而是通常選擇23個分別進(jìn)行計算，然后將計算結(jié)果進(jìn)行比較。3.2.2 短路點的選擇在該系統(tǒng)中選擇了220kV高壓側(cè)母線 與

33、220kV高壓側(cè)母線之間（如圖3.1）。圖 3.1 同步發(fā)電機(jī)三相短路系統(tǒng)算例圖3.3短路電流計算3.3.1計算的基本步驟計算的基本過程如下： （1）選擇短路點；（2）畫出計算用等值網(wǎng)絡(luò)，利用標(biāo)幺值計算： 基準(zhǔn)值選取，； 各種標(biāo)幺值的計算； 各元件的電抗編號； （3）網(wǎng)絡(luò)化簡，求轉(zhuǎn)移電抗；（4）求相應(yīng)的計算電抗Xjs； （3.1） （5） 求短路電流有名值； （3.2）3.3.2短路計算（1）假設(shè)一個電力系統(tǒng)三相短路，其中已知參數(shù)如下： （2）系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)幺值化： 圖3.2 系統(tǒng)等值電路圖 （3）再將該電路圖三角星化如圖3.3：圖 3.3 網(wǎng)絡(luò)三角化星圖其中： （4）將星型圖繼續(xù)簡化為圖3.4得

34、： 圖3.4 化簡合并電路圖 （5）最后計算短路電流： 4 電力系統(tǒng)故障仿真4.1 概述電力系統(tǒng)仿真主要是對短路類型中的三相短路、兩相短路和單相接地短路的電流、機(jī)端電壓波形進(jìn)行分析。利用Matlab軟件中的電力系統(tǒng)模塊庫(PSB)，建立了同步發(fā)電機(jī)無窮大系統(tǒng)模型，它對電力系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計和選用有一定的參考價值。同時電壓電流波形可以直觀的了解，便于建立系統(tǒng)的觀念。4.2 電力系統(tǒng)各元件主要模型4.2.1同步發(fā)電機(jī) （1）、同步發(fā)電機(jī)的基本方程、參數(shù)和等值電路 回路電壓方程定子回路： (4.1) ， (4.2)正電流產(chǎn)生負(fù)磁鏈 (4.3) (4.4)轉(zhuǎn)子回路：（負(fù)載反電勢） (4.5)繞組： (4.

35、6)繞組： (4.7)用分塊矩陣形式簡寫為： (4.8) (4.9) 磁鏈方程 結(jié)論：因同步發(fā)電機(jī)的凸極使得氣隙不均勻和轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，Lss可以是周期變化的時變參數(shù)，LSR、LRS必然周期變化的時變參數(shù)，abc坐標(biāo)制的同步發(fā)電機(jī)基本方程是時變系數(shù)微分方程。 （2）、同步電機(jī)的Simulink 模型 在電機(jī)元件庫中，同步電機(jī)的模型有五個，即兩個簡化模型，一個實名制下的原理模型，一個標(biāo)么值下的原理模型和一個標(biāo)么值下的標(biāo)準(zhǔn)模型。原理模型和標(biāo)準(zhǔn)模型的屬性參數(shù)的主要參數(shù)意義分別講述如下： Rotor type:指轉(zhuǎn)子繞組的形式，可選凸極（salient-pole）或者隱極（round）。 Intial

36、conditions: 用于設(shè)置電機(jī)的初始速度偏差、轉(zhuǎn)子電氣角度、線電流幅值、相角及初始勵磁電壓。 Simulink saturation: 用于確定轉(zhuǎn)子電磁飽和度、定子鐵芯的飽和參數(shù)。如果選擇了該項參數(shù)，則屬性參數(shù)對話框會增加一欄“Saturation parameters”設(shè)置項。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，還有兩項下拉選項，即d軸時間常數(shù)和q軸時間常數(shù)。它們分別用于確定上述時間常數(shù)是按轉(zhuǎn)子短路時設(shè)置還是按轉(zhuǎn)子開路時設(shè)置。同步電機(jī)模型的輸入端包括兩個： 其一是機(jī)械功率（Pm）。在發(fā)電機(jī)模式下，該輸入可以是一個正的常數(shù)或者參數(shù)或者原動機(jī)模塊的輸出；在電動模式下，該輸入通常是一個負(fù)的常數(shù)或者函數(shù)。 其二是勵

37、磁電壓（Vf）。在發(fā)電機(jī)模式下，它一般由勵磁調(diào)節(jié)器提供；在電動模式下，它通常是一個常量。同步電機(jī)的輸出端包括了三相輸出端子（A、B、C）和測量端子（m）.通過測量端子，可以觀測到同步電機(jī)的電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)子等22個物理不變量值。4.2.2 三相型線路功能模塊（3-Phase PI Section） 三相型線路是構(gòu)建電力系統(tǒng)模擬輸電仿真模型時最常用的功能模塊，由電阻、電感和電容構(gòu)成。其參數(shù)設(shè)置類似于串、并聯(lián)RlC支路模塊，只是他所設(shè)置的電阻、電感和電容值為單位輸電線長度時的參數(shù)值。因此在型線路功能模塊的屬性參數(shù)對話框中，還需要設(shè)置輸電線路的長度值。 所以，就三相型線路模塊而言，在其電感、電阻

38、、電容值的屬性參數(shù)設(shè)置框中，包括：（1）頻率；（2）正序和零序電阻值；（3）正序和零序電容值；（4）輸電線路的長度值。其參數(shù)對話框如圖4.1：圖 4.1 三相型線路模塊參數(shù) 4.2.3 并聯(lián)RLC負(fù)荷模塊（Elements）并聯(lián)RLC負(fù)荷模塊（Parallel RLC Load）提供了一個由電阻、電感、電容并聯(lián)連接構(gòu)成的功能模塊，也可以通過設(shè)置它的電阻、電感和電容的具體值來改變該支路的等效阻抗。其參數(shù)對話框如圖4.2所示：圖 4.2 并聯(lián)RLC負(fù)荷模塊參數(shù)4.2.4 三相故障模塊（3-phase Fault）三相故障模塊提供了一種可編程的相間（phase-to-phase）和（phase-to

39、-ground）故障斷路器中。三相故障模塊使用了三個獨(dú)立的斷路器，用來模擬各種對地或者相間故障模型。其參數(shù)對話框如圖4.3所示：圖 4.3三相故障模塊參數(shù)三相故障模塊中的斷路器的開通和關(guān)斷時間可以由一個Simulink 外部信號（外部控制模式）或者內(nèi)部控制定時器（內(nèi)部控制模式）來控制。如果不設(shè)計接地故障，接地電阻（Ground resistance）Rg自動被設(shè)置為10。舉例說明如下：當(dāng)設(shè)置一個A、B相間短路故障模型時，只需要設(shè)置A相故障和B相故障屬性參數(shù)；當(dāng)設(shè)置一個A相接地故障模型時，只需要同時設(shè)置A相故障和接地故障屬性參數(shù)，并且要指定一個小的接地電阻值。需要注意的是： 如果三相故障模塊被設(shè)

40、置為外部控制（External control）模式時，在模塊的封裝圖表中就會出現(xiàn)一個控制輸入端。連接到這個輸入端的控制信號必須是0或者1之類的脈沖信號（其中0表示斷開斷路器，1表示閉合斷路器）。 當(dāng)三相故障模塊被設(shè)置為內(nèi)部控制模式（internal control mode）時，其開關(guān)時間（switching times）和開關(guān)狀態(tài)，均在該模塊的屬性參數(shù)對話框中進(jìn)行設(shè)置。4.2.5 變壓器模塊（1）變壓器模塊變壓器模塊是變換交流電壓、電流和阻抗的器件，當(dāng)初級繞組中通有交流電流時，鐵心（或磁心）中便產(chǎn)生交流磁通，使次級線圈中感應(yīng)出電壓（或電流）。變壓器由鐵心（或磁心）和繞組組成，繞組有兩個或兩

41、個以上的繞組，其中介電源的繞組叫初級繞組，其余的繞組叫次級繞組。按電源相數(shù)來分，變壓器單相、三相和多相幾種形式。他的重要特性參數(shù)主要有；工作頻率：變壓器鐵心損耗與頻率有很大的關(guān)系，故應(yīng)根據(jù)使用頻率來設(shè)計和使用，這個頻率稱工作頻率。額定頻率：在規(guī)定的頻率和電壓下，變壓器能長期工作，而不超過規(guī)定溫升的輸出功率。額定電壓：指在變壓器的繞組上所允許施加的電壓，工作時不得大于該電壓。電壓比：指變壓器初級電壓和次級電壓的比值，有空載電壓比和負(fù)載電壓比的區(qū)別?？蛰d電流：變壓器次級開路時，初級仍有一定的電流，這部分電流稱為空載電流?？蛰d損耗：指變壓器次級開路時在初級測得的功率損耗。主要損耗是鐵心損耗，其次是空

42、載電流在初級繞組銅祖上產(chǎn)生的損耗（銅損），這部分消耗很小。效率：指次級功率與初級功率比值的百分比。通常變壓器的額定功率越大，效率就越高。（2）標(biāo)么值參數(shù)系統(tǒng)介紹為了便于工業(yè)應(yīng)用，通常要將有名值轉(zhuǎn)換為標(biāo)么值，而這需要知道相應(yīng)繞組的額定功率（ P，單位VA）、額定電壓（V,單位V）以及額定頻率（f,單位Hz）。對每一個繞組，其電阻和電抗的標(biāo)么值定義如下： (4.11) (4.12) (4.13) (4.14)式中：V、P和f分別為一次繞組的額定電壓，額定功率和額定頻率。 （3）雙繞組三相變壓器 雙繞組三相變壓器的兩個繞組可以接成多種形式，如星形Y、帶中性線的星形Yn、星形接地Yg、三角形（超前星形

43、30°）它們可以通過該功能模塊。雙繞組三相變壓器需要設(shè)置的主要參數(shù)有：變壓器的額定功率，頻率，繞組電壓、兩個繞組的漏抗和電阻，以及激磁電感和激磁電阻。在該功能模塊的屬性參數(shù)對話框中，還有是否考慮鐵芯飽和情況的選項，由“Saturable core”選項完成。當(dāng)選定了“Saturable core”選項時，該屬性參數(shù)對話框中便會自動增加一欄飽和特性參數(shù)設(shè)置欄（saturation charateristic）,用于設(shè)置該變壓器模塊的飽和特性。同時還會出現(xiàn)兩個復(fù)選框“Simulate hysteresis”和”Specify initial fluxes”,前者用于決定是否進(jìn)行磁滯飽和仿

44、真，后者則用于設(shè)置初始磁通。 4.3 電力系統(tǒng)故障仿真4.3.1 算例圖 根據(jù)電力系統(tǒng)典型接線，建立一個含故障的電力系統(tǒng)算例圖如圖3.1所示。4.3.2 模型建立步驟及其參數(shù)設(shè)置 根據(jù)含故障的電力系統(tǒng)算例圖，建立仿真模型圖如圖4.4、圖4.5、圖4.6、所示：圖4.4 電力系統(tǒng)三相短路系統(tǒng)仿真圖4.5 同步發(fā)電機(jī)Area的子系統(tǒng)圖4.6 PSS控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)圖4.7無窮大子系統(tǒng) （1）在Simuink窗口下的File菜單中選擇New命令創(chuàng)建一個untitled的空白文件窗口；（2）打開SimPowerSystems窗口下的Elements，將其中的Three-Phase Breaker從該模

45、塊庫中拷貝到untitled窗口，其參數(shù)設(shè)置如圖4.8：圖4.8 Three-Phase Breaker的參數(shù)（3）將其他模塊拷貝untitled窗口中，其中Distributed Parameters Line Three-phase的參數(shù)分別如下圖4.9： 圖4.9 Distributed Parameters Line Three-phase的參數(shù)（4）建立一個含同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)Area：創(chuàng)建一個untitled空白文件窗口；在SimPowerSystems下的Machines中引入Machines Measurement Demux模塊和Steam Turbine and Governo

46、r模塊以及Excitation System模塊，并分別命名為Machine 1 Measurement Demux和STG以及EXCITATION其參數(shù)如圖4.10、圖4.11和圖4.12： 圖4.10 Machines Measurement Demux模塊參數(shù) 圖4.11 Steam Turbine and Governor模塊參數(shù)圖4.12 Excitation System模塊參數(shù)在SimPowerSystems下的Machines中引入Multi-Band Power System Stabilizer模塊以及兩個Generic Power System Stabilizer分別命

47、名為MB-PSS、Delta w PSS(Kundur)、Delta Pa Pss，其參數(shù)如圖4.13和圖4.14：將其他模塊拷貝其中連接入如圖4.6所示： 全部選中上圖所示的功能模塊，用鼠標(biāo)右鍵點擊所選功能模塊中的任意一個功能模塊，彈出對話框，點擊Create Subsystem（創(chuàng)建子系統(tǒng)），點擊該子系統(tǒng)模塊的名稱Subsysterm，將它重新命名為M1：Turbine&Regulators。圖4.13 Multi-Band Power System Stabilizer模塊參數(shù)圖4.14 Generic Power System Stabilizer模塊參數(shù)（5）將M1：Turb

48、ine&Regulators系統(tǒng)復(fù)制并命名為M2Turbine&Regulators；（6）建立勵磁發(fā)電機(jī)的子系統(tǒng)；創(chuàng)建一個空白文件窗口并命名其為Area 1；將M1：Turbine&Regulators， M2：Turbine&Regulators拷貝于其中；在SimPowerSystems下的Machines中引入兩個Synchronous Machine分別命名為M1 900MVA和M2 900MVA，其參數(shù)設(shè)置分別如圖4.15： 圖4.15 Synchronous Machine模塊參數(shù)在SimePowerSystems下的Elements中引入兩個Th

49、ree-Phase Transformer模塊，分別命名為T1:900MVA29kV/230kV和T2:900MVA29kV/ 230kV其參數(shù)設(shè)置如圖4.16：圖4.16 Three-Phase Transformer模塊參數(shù)在SimePowerSystems下的Elements中引入兩個Three-Phase PI Section Line模塊分別命名為25km Area 1和10 km Area1其參數(shù)設(shè)置如圖4.17：在SimePowerSystems下的Elements中引入兩個Three-Phase Parallel RLC Load模塊分別命名為967MW100MVAR-187M

50、VAR和-200MVAR，其參數(shù)分別如圖4.18： 圖4.17 Three-Phase PI Section Line模塊參數(shù)將其他模塊引入建立如圖4.5的模型：全部選中上圖所示的功能模塊，用鼠標(biāo)右鍵點擊所選功能模塊中的任意一個功能模塊，彈出對話框，點擊Create Subsystem（創(chuàng)建子系統(tǒng)），點擊該子系統(tǒng)模塊的名稱Subsysterm，將它重新命名為Area。 圖4.18Three-Phase Parallel RLC Load模塊參數(shù)（7）建立一個無窮大電網(wǎng)模型；在SimPowSystems模塊庫的Source中，選一個3-phase Source功能模塊，并將其命名為12000MV

51、A110kV，其關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置方法如圖4.19所示： 圖4.19 3-phase Source功能模塊參數(shù)在SimPowerSystems模塊庫中，打開Element模塊庫，選中3-phase parallel RLC load功能模塊，并將其命名為Load 500MW，其屬性參數(shù)設(shè)置對話框如圖4.20：圖4.20 3-phase parallel RLC load功能模塊參數(shù)將兩個模塊如圖4.7連接，并將所有模塊封裝成一個子系統(tǒng)，并命名為infinity。（8）將Area 和Infiniti兩個子系統(tǒng)拷入最初建立的untitled空白文件系統(tǒng)，建立如圖3的系統(tǒng)；（9）設(shè)置Powergui的參數(shù)：Steady State Voltages and Currents的參數(shù)設(shè)置如圖4.21：圖4.21Steady State Voltages and Currents的參數(shù)Initial States Setting選項的參數(shù)設(shè)置如圖4.22：圖4.22 Initial States Setting選項的參數(shù)Load Flow and Machine Initialization選項的參數(shù)設(shè)置如圖4.23：圖4.23 Load Flow and Machine Initialization選項的參數(shù)其他設(shè)置均為默認(rèn)設(shè)置，不做任何改動（10）將該仿真模型文件保存為lhy.md