基于MATLAB的電網(wǎng)故障暫態(tài)仿真研究參考模板

1、基于MATLAB的電網(wǎng)故障暫態(tài)仿真研究（山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東淄博255049）1 / 6摘要：文中介紹了MATLAB/Simulink的特點(diǎn)及其提供的電力系統(tǒng)工具箱（PSB），并說明在MATLAB/Simulink環(huán)境下建立仿真模型的一般步驟，而且以此為指導(dǎo)建立了一個(gè)典型的環(huán)形電網(wǎng)模型，在此基礎(chǔ)對(duì)電力系統(tǒng)的常見的短路故障進(jìn)行了仿真并記錄了仿真后得到電流、電壓波形。對(duì)仿真后得到的不同故障狀態(tài)下的電流、電壓波形進(jìn)行簡(jiǎn)單的對(duì)比分析，便可以得出電網(wǎng)在發(fā)生不同短路故障時(shí)的電網(wǎng)電流、電壓的基本特征，對(duì)電力系統(tǒng)故障分析具有指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：MATLAB/Simulink；短路；仿真0引言電能

2、已經(jīng)成為當(dāng)今世界最重要的能源，在電能的生產(chǎn)、傳輸和使用中會(huì)出現(xiàn)一系列的問題，對(duì)這些問題我們會(huì)提出一些解決的方法。但是現(xiàn)在用戶對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠的性和安全性的要求非常嚴(yán)格，所以大多數(shù)方案或想法只有通過計(jì)算機(jī)仿真后才能付諸實(shí)踐。這使得電力系統(tǒng)分析和仿真技術(shù)成為電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、分析及改造等過程中不可缺少的工具和手段。電力系統(tǒng)仿真就是用數(shù)學(xué)模型代替實(shí)際的電力系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)上用數(shù)值方法對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究的過程1。MATLAB的諸多優(yōu)點(diǎn)及其提供的電力系統(tǒng)仿真模塊使得它成為電力系統(tǒng)仿真分析和科研探索的理想工具和重要手段。暫態(tài)是指電力系統(tǒng)在某個(gè)運(yùn)行情況下突然受到大的干擾后的狀態(tài)。這里所

3、謂的大干擾，是相對(duì)小干擾而言的，一般是指短路故障、突然斷開線路或發(fā)電機(jī)等。短路故障是最常見的電力系統(tǒng)故障，因此本文對(duì)簡(jiǎn)單電網(wǎng)的短路故障進(jìn)行了暫態(tài)仿真分析2。1 MATLAB/Simulink簡(jiǎn)介MATLAB仿真軟件是美國(guó)Mathworks公司于1998年推出的,在公司以及許多專家的努力下，經(jīng)過多次擴(kuò)充和修改，現(xiàn)已發(fā)行到MATLAB7.0以上版本，已成為當(dāng)今國(guó)際上最流行的控制系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)（CACSD）技術(shù)的語言和軟件工具。主要用于數(shù)值計(jì)算及可視化圖形處理的高科技計(jì)算語言。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、圖形圖像處理和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)極易使用的交互式環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效

4、數(shù)值計(jì)算的眾多學(xué)科提供了一種高效率的編程工具，集科學(xué)計(jì)算、自動(dòng)控制、信號(hào)處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像處理等于一體。 MATLAB 具有3 大特點(diǎn)：功能強(qiáng)大； 界面友好，語言自然； 開放性強(qiáng)。正是由于MATLAB 的這些特點(diǎn)，使它獲得了對(duì)應(yīng)用學(xué)科（特別是邊緣學(xué)科和交叉學(xué)科）的極強(qiáng)適應(yīng)力，并很快成為應(yīng)用學(xué)科計(jì)算機(jī)輔助分析設(shè)計(jì)、仿真、教學(xué)乃至科技文字處理不可缺少的基礎(chǔ)軟件，成為歐美高等院校、科研機(jī)構(gòu)教學(xué)與科研必備的基本工具3。MATLAB提供的動(dòng)態(tài)仿真工具SIMULINK是眾多仿真軟件中功能最強(qiáng)大、最優(yōu)秀、最容易使用的一種，用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析，他支持連續(xù)時(shí)間、離散時(shí)間以及兩者混合的線性、非線

5、性系統(tǒng)，也支持多變量、多速率系統(tǒng)。Simulink為用戶提供了用方框圖進(jìn)行建模的模型接口，它與傳統(tǒng)的仿真軟件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點(diǎn)。用戶只需用鼠標(biāo)選中各模塊，并放進(jìn)新建的模塊圖，最后用連線將各模塊連接起來，即完成對(duì)特定系統(tǒng)模型的創(chuàng)建。定義完模型以后，用戶可通過Simulink的菜單或者M(jìn)ATLAB的命令窗口鍵入命令來進(jìn)行仿真4。MATLAB提供的電力系統(tǒng)工具箱（Power System Block以下簡(jiǎn)稱PSB）主要是由加拿大的Hydro Quebec和TECSIM International公司共同開發(fā)的，其功能非常強(qiáng)大，可以用于電路、電力電子系統(tǒng)、電機(jī)

6、系統(tǒng)、電力傳輸?shù)冗^程的仿真，它提供了一種類似電路建模的方式進(jìn)行模型繪制，在仿真前將自動(dòng)將其變化成狀態(tài)方程描述的系統(tǒng)形式，然后在Simulink下進(jìn)行仿真分析。MATLAB建模還可以直接調(diào)用PSB中的電氣模塊。PSB含有豐富的元件模型，幾乎提供了組成電力系統(tǒng)的所有元件，包括電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)元件，機(jī)電設(shè)備、電力電子器件，控制和測(cè)量環(huán)節(jié)以及三相元件庫(kù)等，信號(hào)顯示、模塊連接等模塊一般可以在Simulink工具箱中找到5。2 MATLAB/Simulink環(huán)境下建模與仿真2.1 建模的基本步驟打開MATLAB軟件，單擊File菜單選擇NewModel命令就可以打開一個(gè)新的仿真模型編輯窗口;在MATLAB運(yùn)行

7、界面中鍵入powerlib命令來打開電力系統(tǒng)元件庫(kù)Library；在電力系統(tǒng)元件庫(kù)中雙擊所需模塊庫(kù)，就會(huì)彈出一個(gè)新的窗口，在這個(gè)窗口中有該模塊庫(kù)中所包含各種元件模型。選擇你所需要的元件模型拖入已打開的模型編輯窗口；當(dāng)所有需要的元件模型都拖入到編輯窗口后，用線將不同的元件模型按照要求連接起來構(gòu)成一個(gè)仿真模型；按照要求對(duì)每個(gè)元件模型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，建模完成6。2.2 典型的環(huán)形電網(wǎng)模型按照上述步驟在MATLAB/Simulink環(huán)境下建立了一個(gè)典型環(huán)形電網(wǎng)模型，如圖1所示圖1 典型環(huán)形電網(wǎng)仿真模型圖中用3個(gè)三相電源（Three-Phase Source）和4段分布參數(shù)輸電線（Distributed

8、 ParametersLine）構(gòu)建了一個(gè)典型的環(huán)形電網(wǎng)仿真模型。其中Three-Phase V-I Measurement為處于檢測(cè)點(diǎn)的三相電壓電流測(cè)量模塊；啟動(dòng)仿真后通過Scope V和Scope I可以分別看到檢測(cè)的三相電壓電流波形；通過改變Distributed ParametersLine 1和Distributed ParametersLine 2的長(zhǎng)度可以設(shè)置短路故障發(fā)生的位置；Three-Phase Fault為短路故障設(shè)置元件，可用于設(shè)置短路故障的類型（包括短路、兩相短路、兩相短路接地和三相短路）、轉(zhuǎn)換狀態(tài)、轉(zhuǎn)換時(shí)間以及接地電阻的大小等。對(duì)模型中的各元件參數(shù)設(shè)置完畢后，這個(gè)模

9、型的建立才算是真正完成，然后就可以對(duì)電路的各種短路故障進(jìn)行仿真并記錄仿真得到的電壓電流波形。2.3 啟動(dòng)仿真在MATLAB環(huán)境下打開電網(wǎng)的仿真結(jié)構(gòu)圖文件untitled。在新窗口的Simulation的下拉菜單中選擇Simulation Parameter就會(huì)彈出仿真參數(shù)的設(shè)置窗口，就可以設(shè)置仿真的起止時(shí)間、仿真步長(zhǎng)和仿真算法等。為了使我們看到的仿真波形更加合理美觀，還要對(duì)示波器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要是設(shè)置示波器顯示的時(shí)間域（Time range）。設(shè)置完各種參數(shù)后，用鼠標(biāo)選擇主菜單的Simulation選項(xiàng)，在下拉子菜單選中Start即開始對(duì)編輯的電網(wǎng)模型進(jìn)行仿真，直至在仿真參數(shù)中設(shè)置的仿真時(shí)

10、間長(zhǎng)度即停止。在長(zhǎng)時(shí)間的仿真中，該選項(xiàng)改變?yōu)镻ause/Continue，用于仿真的暫?；蛘呃^續(xù)。3 電網(wǎng)短度故障仿真分析3.1 單相短路故障不妨設(shè)為A相短路，在Three-Phase Fault元件中選中Phase A Fault和Ground Fault即可，然后啟動(dòng)仿真。仿真完成后可以在示波器Scope V和Scope I中可以分別看到電網(wǎng)A相發(fā)生單相短路故障后檢測(cè)的三相電壓和電流波形。為了使得到的波形更便于觀察和分析，本文運(yùn)用MATLAB語言對(duì)仿真得到的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，得到了故障后檢測(cè)點(diǎn)的三相電壓和電流的暫態(tài)波形，如圖2所示由上述的電壓、電流波形，可以看到，當(dāng)輸電線的A相發(fā)生短路故

11、障后，檢測(cè)點(diǎn)的A相電壓有所下降，而B相和C相的電壓基本不變；A相的電流明顯升高并且有較長(zhǎng)時(shí)間的暫態(tài)過程，A相電流在暫態(tài)過程中分為兩個(gè)分量，一是周期分量，其幅值在較之短路之前增大；另一分量為非周期分量， 短路電流的包洛線表現(xiàn)出它的幅值和變化，將短路電圖2 A相發(fā)生短路故障后檢測(cè)點(diǎn)的三相電壓（上）和電流（下）波形流曲線的兩根包絡(luò)線在垂直方向作等分線，此即為非周期分量曲線，它是一自由電流，是因?yàn)榫€路中電感的存在，電流不能突變?cè)斐傻?，它的?shù)值在短路瞬間最大，在暫態(tài)過程中按指數(shù)規(guī)律衰減至零。B相和C相的電流保持不變7。3.2 兩相短路接地不妨設(shè)B相和C相間發(fā)生短路接地故障，在Three-Phase Fa

12、ult元件中選中Phase B Fault、Phase C Fault和Ground Fault即可，然后啟動(dòng)仿真。經(jīng)過處理后的檢測(cè)點(diǎn)的三相電壓和電流波形如圖3所示由上述波形可看出當(dāng)故障點(diǎn)發(fā)生B、C兩相短路接地后，檢測(cè)點(diǎn)的B、C兩相的電壓顯著降低，而A相的電壓基本不變，這是因?yàn)锽、C兩相短路接地，兩相的電流增大，電源的內(nèi)阻抗電壓降增大；B、C兩相的電流也明顯增大，A相的電流保持不變。3.3 兩相短路若發(fā)生B、C兩相發(fā)生相間短路故障，在Three-Phase Fault元件中選中Phase B Fault和Phase C Fault， 并取消Ground Fault選項(xiàng)即可，啟動(dòng)仿真。處理后得到

13、檢測(cè)點(diǎn)的三相電壓和電流波形如圖4所示可以看到故障點(diǎn)發(fā)生B、C兩相短路時(shí)，檢測(cè)點(diǎn)的BC兩相電壓明顯降低，A相的電壓基本不變；B、C兩相的電流顯著增大，電流中不含零序分量，圖3 B相和C相間發(fā)生短路接地故障后檢測(cè)點(diǎn)的三相電壓（上）和電流（下）波形圖4 B相和C相間發(fā)生相間短路故障后檢測(cè)點(diǎn)的三相電壓（上）和電流（下）波形三相電流之和為零，A相電流不為零，因此B、C兩相電流并非嚴(yán)格關(guān)于電流零軸對(duì)稱。3.4 三相短路電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障時(shí)，在Three-Phase Fault元件中選中Phase A Fault、Phase B Fault和Phase C Fault,同時(shí)取消Ground Fault選項(xiàng)

14、即可，然后啟動(dòng)仿真。處理后得到檢測(cè)點(diǎn)的三相電壓和電流波形如圖5所示圖5電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障后檢測(cè)點(diǎn)的三相電壓（上）和電流（下）波形三相短路時(shí)，由于被短路的三相阻抗相等，因此，三相電流和電壓仍是對(duì)稱的，又稱為對(duì)稱短路。故障發(fā)生后，A、B、C三相均發(fā)生高頻振蕩，由于故障瞬間A、C相電壓值較大，振蕩較強(qiáng)烈，B相電壓值接近于零，振蕩不明顯。振蕩逐漸減弱，達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。三相短路為對(duì)稱故障，故障后三相電壓仍為幅值相等的正弦波，相位依次相差1200 ，較故障前，三相電壓幅值均明顯減小，原因是三相短路，電流增大，電源內(nèi)阻抗電壓降增大，導(dǎo)致檢測(cè)點(diǎn)三相電壓降低。當(dāng)故障點(diǎn)發(fā)生三相短路時(shí)，檢測(cè)點(diǎn)的三相電壓明顯減小

15、；三相電流顯著增大；但是電壓和電流的波形仍接近正弦波形8。4 結(jié)論在MATLAB/Simulink環(huán)境下建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的環(huán)形電網(wǎng)模型，對(duì)電網(wǎng)的各種短路故障進(jìn)行了仿真分析，并用MATLAB語言對(duì)仿真得到的結(jié)果波形進(jìn)行了處理，處理后的波形更便于我們觀察和分析。通過對(duì)故障波形的對(duì)比分析，得到了電網(wǎng)發(fā)生不同短路故障時(shí)檢測(cè)點(diǎn)三相電壓和電流的不同特征，對(duì)電網(wǎng)的故障分析具有指導(dǎo)性意義。為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，本文的仿真結(jié)果還與ATP的仿真結(jié)果做了對(duì)比，對(duì)比顯示本文的仿真結(jié)果是正確的。由于篇幅的原因本文未對(duì)ATP的仿真結(jié)果進(jìn)行描述。參考文獻(xiàn)1 張少如，李志軍，吳永儉，杜志強(qiáng). MATLAB 與電力系統(tǒng)仿真.2005。2 張穎，金維香. MATLAB的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定仿真研究. 2006（1）. 46-47。3 盛義發(fā)，洪鎮(zhèn)南. MATLAB 在電力系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用. 2004(11). 1