基于MATLAB的電力系統(tǒng)短路故障分析與仿真,基于,matlab,電力系統(tǒng),短路,故障,分析,仿真 · ……………………. ………………. ………………… 山東農(nóng)業(yè)大學 畢 業(yè) 論 文 基于MATLAB的電力系統(tǒng)短路故障分析與仿真 院 部 機械與電子工程學院 專業(yè)班級 電氣工程及其自動化5班 屆 次 2015屆 學生姓名 劉繼文 學 號 20110747 指導教師 劉雙喜 二О一五年六月六日 裝 訂 線 ……………….……. …………. …………. ……… 目 錄 摘要 I Abstract II 1 引言 1 1.1 課題研究的背景 1 1.2 課題研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀 1 2 短路故障分析 1 2.1 近年來短路故障 1 2.2 短路的定義及其分類 2 2.3 短路故障產(chǎn)生的原因及危害 4 2.4 預防措施 4 2.5 短路故障的分析診斷方法 5 3 仿真與建模 6 3.1 仿真工具簡介 6 3.1.1 MATLAB的特點 6 3.1.2 Simulink簡介 7 3.1.3 SPS(SimPowerSystems) 8 3.1.4 GUI（圖形用戶界面） 8 3.2 模型的建立 8 3.2.1 無限大電源系統(tǒng)短路故障仿真模型 8 3.2.2 仿真參數(shù)的設置 9 4 仿真結(jié)果分析 16 4.1 三相短路分析 16 4.2 單相短路分析（以A相短路為例） 18 4.3 兩相短路（以A、B相短路為例） 22 4.4 兩相接地短路（以A、B相短路為例） 25 5 結(jié)論 28 6 前景與展望 28 參考文獻 29 致 謝 30 I Contents Abstract II 1 Introduction 1 1.1 Project background to the study 1 1.2 The research situation at home and abroad 1 2 Analysis of short-circuit fault 1 2.1 Short-circuit fault in recent years 1 2.2 Definition and classification of short-circuit fault 2 2.3 Causes and damage of short-circuit fault 4 2.4 Precautionary measures 4 2.5 Method to analysis and diagnosis of short-circuit fault 5 3 Simulation and modeling 6 3.1 Introduction to simulation tools 6 3.1.1 Features of MATLAB 6 3.1.2 Introduction to simulink 7 3.1.3 SPS(SimPowerSystems) 8 3.1.4 GUI（Graphical User Interfaces） 8 3.2 Establishment of the model 8 3.2.1 Infinite power system short-circuit fault simulation model 8 3.2.2 Simulation parameter settings 9 4 Simulation analysis 16 4.1 Analysis of three-phase short-circuit 16 4.2 Analysis of single-phase short circuit 18 4.3 Analysis of two-phase short circuit 22 4.4 Analysis of two-phase short circuit to ground 25 5 Conclusions 28 6 Outlook and prospect 28 References 29 Acknowledgement 30 I 基于MATLAB的電力系統(tǒng)短路故障分析與仿真 劉繼文 （山東農(nóng)業(yè)大學 機械與電子工程學院 泰安 271018） 摘要：短路是電力系統(tǒng)中最容易發(fā)生的故障，每年因短路而引發(fā)的電氣事故不計其數(shù)。本文詳細介紹了短路故障產(chǎn)生的原因以及危害等，并重點介紹了Simulink仿真工具在電力系統(tǒng)中的應用。利用電力系統(tǒng)工具箱SPS和Simulink模塊可以對電力系統(tǒng)故障進行仿真。在仿真平臺上，以無限大電源系統(tǒng)為建模對象，經(jīng)過模塊選擇，連線，參數(shù)設置等步驟，對電力系統(tǒng)可能出現(xiàn)的三相短路、單相短路、兩相短路以及兩相接地短路幾種故障進行仿真。仿真結(jié)果表明，波形與理論分析基本一致，由此說明MATLAB在電力系統(tǒng)仿真研究中具有重要的實用價值[1]。 關(guān)鍵詞：短路 電力系統(tǒng) MATLAB 故障 仿真 Analysis and Simulation of Short Circuit Fault in Power System Based on MATLAB Jiwen Liu (college of mechanical and electronic engineering , Shandong Agricultural University, Tai’an, 271018) Abstract：Short circuit is most likely to occur in power system fault, there are countless electrical accidents each year due to short circuits . This paper expounds the causes of faults and hazards, and focuses on the application of Simulink simulation tools in power system. PSB and Simulink Toolbox modules can use electric power system simulation for power system failures. On the simulation platform, with infinite power source system for modeling objects through module selection, connection, steps such as parameter settings, on possible three-phase short circuit, single-phase power system short circuit, two-phase short circuit fault simulation of two-phase short circuit to ground. Simulation results show that the waveform analysis are consistent with the theory that illustrate the MATLAB in simulation of power system is of significant practical value. Keywords：short circuit; power system; MATLAB; fault; simulation I 1 引言 1.1 課題研究的背景 隨著電力工業(yè)的迅猛發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，如今已成為世界上覆蓋面最廣、結(jié)構(gòu)最復雜的人造系統(tǒng)之一。眾所周知，電能的生產(chǎn)、輸送、分配和使用四個環(huán)節(jié)是同時進行的，即電能不能夠被儲存。因此，如何生產(chǎn)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟的電能以保證電力系統(tǒng)的安全可靠運行成了當今值得關(guān)注的課題。正是由于電力系統(tǒng)的特殊復雜性，許多電力系統(tǒng)故障也隨之發(fā)生，其中以短路故障最為嚴重。最近幾年，國內(nèi)外發(fā)生了多次重大停電事故，由此造成了巨大的經(jīng)濟損失，同時也嚴重影響了人民的正常生產(chǎn)、生活秩序[2]。因此，研究電力系統(tǒng)中的短路故障問題，尤其是短路電流問題一直受到電力科技工作者的高度重視[3]。 1.2 課題研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀 基于電力系統(tǒng)的復雜程度以及從安全性角度考慮，許多電力系統(tǒng)試驗已無法在實驗室中模擬進行。因此，國內(nèi)外從上世紀80年代開始對電力系統(tǒng)故障分析做了大量的研究工作，并提出了許多故障診斷方法，但是實際上并沒有得到有效的解決?？紤]到電力系統(tǒng)的實際運行情況，從技術(shù)和安全角度來講，已經(jīng)無法進行科學的實驗。所以，開展電力系統(tǒng)故障仿真就顯得頗具現(xiàn)實意義和實用價值。借助于計算機，一系列的仿真軟件開始誕生。當前，我們應用的電力系統(tǒng)仿真軟件主要有： （1） PSCAD/EMTDC程序：其功能是研究當電力系統(tǒng)遭受擾動或者參數(shù)發(fā)生變化時，觀察參數(shù)隨時間的變化規(guī)律[4]。 （2） EMTP程序：其功能是進行電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)計算，電力系統(tǒng)暫態(tài)保護裝置的綜合選擇以及電力系統(tǒng)暫態(tài)過電壓分析等[5]。 （3） PSASP程序：其功能是進行電力系統(tǒng)暫態(tài)分析、穩(wěn)態(tài)分析以及故障分析等。 當然，除此之外還有MathWorks公司開發(fā)的MATLAB應用軟件。由于MATLAB具有強大的計算功能、良好的動態(tài)仿真環(huán)境以及豐富的內(nèi)置工具箱，因此逐漸成為電路、電力電子以及電力系統(tǒng)等模塊的重要仿真工具。 2 短路故障分析 2.1 近年來短路故障 我們先來看幾組數(shù)據(jù)： 2000年12月25日21時35分，河南省洛陽市老城區(qū)的東都商廈發(fā)生特大火災，正在二、三樓施工的部分民工以及四樓歌舞廳內(nèi)的200多人被大火圍困。經(jīng)有關(guān)部門確認，火災已造成309人死亡，此次火災是由于線路老化而造成短路引起的災難[6]。 2005年11月27日21時22分，黑龍江省龍煤礦業(yè)公司七臺河分公司東風煤礦發(fā)生特大事故，造成171人死亡，48人受傷，直接經(jīng)濟損失達4292.1萬元。事故原因是采掘機電機短路引起火花，從而引發(fā)瓦斯爆炸。 2008年9月20日22時49分，深圳龍崗區(qū)舞王俱樂部發(fā)生火災，導致44人死亡，64人受傷，直接經(jīng)濟損失達七千萬。事故的直接原因是舞臺照明線路和施放焰火同時起火引發(fā)的。 2015年5月25日19時55分，河南平頂山市魯山縣城西琴臺辦事處三里河村一老年康復中心發(fā)生火災，經(jīng)過搶險人員全力搶救，共救出44人，其中：38人死亡、4人輕傷、2人重傷，事故原因為線路老化。 以上報道，不是危言聳聽，都是發(fā)生的真實案例。據(jù)統(tǒng)計，2012年全國電氣火災數(shù)量占總火災比重為29.9%，但人員傷亡比重為32.5%，經(jīng)濟損失比重為41.4%。由此可見，電氣火災事故往往會造成更高的人員傷亡和更大的經(jīng)濟損失。 2.2 短路的定義及其分類 短路是指不同電位的導電部分包括導電部分對地之間的低阻性短接。 根據(jù)短路發(fā)生的部位不同，短路故障可以分為4種類型：三相短路（K(3)）、單相接地短路（K(1)）、兩相短路（K(2)）和兩相接地短路（K(1,1)）。三相短路屬于對稱性短路，而其他形式為不對稱短路。在電力系統(tǒng)中，發(fā)生單相短路的概率最大，大約能占到故障發(fā)生總數(shù)的65%；而發(fā)生三相短路的概率最小，但是一般情況下，特別是遠離電源（發(fā)電機）的工廠供電系統(tǒng)中，三相短路的短路電流最大，因此它造成的危害也最嚴重。 Ik(3) 三相短路是指三相供配電系統(tǒng)三相導體間的短路，如圖2-1所示。 K(3) A B C 電源 O 負荷 圖2-1 三相短路 兩相短路是指三相供配電系統(tǒng)中任意兩相導體間的短路，如圖2-2所示。 A B C 電源 O 負荷 K(2) Ik(2) 圖2-2 兩相短路 A 單相短路是指供配電系統(tǒng)中任一相經(jīng)大地與中性點或與中線發(fā)生的短路，如圖2-3所示。 負荷 電源 B K(1) O C Ik(1) 圖2-3（a） 單相短路 K(1) O 負荷 A 電源 B C Ik(1) N 圖2-3（b） 含中性線的單相短路 兩相接地短路是指中性點不接地系統(tǒng)中任意兩相發(fā)生單相接地而產(chǎn)生的短路，如圖2-4所示。 A B C 電源 O 負荷 K(1，1) Ik(1，1) 圖2-4 兩相接地短路 2.3 短路故障產(chǎn)生的原因及危害 工廠供電系統(tǒng)要不間斷地、正常地對用電負荷供電，從而保證工廠生產(chǎn)和生活的正常進行。但是，由于種種原因，也會難免出現(xiàn)故障，進而使得電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性運行遭到破壞。在實際生活中，造成短路故障的原因有很多，其中最主要的原因是電氣設備載流部分的相間絕緣或者相地絕緣遭到破壞，例如： （1）設備被過電壓（包括雷電過電壓）擊穿[7]； （2）設備長期連續(xù)運行、絕緣自然老化； （3）設備質(zhì)量低劣、絕緣強度不夠； （4）設備發(fā)生閃絡，被正常電壓擊穿； （5）設備受到外力的作用使絕緣受損而擊穿； （6）老鼠等咬壞線路，或者跨越在線路之間； （7）工作人員誤操作。 總之，短路故障產(chǎn)生的原因既有客觀因素，也有主觀因素，只要監(jiān)管人員有較強的責任心，嚴格執(zhí)行各種規(guī)章制度，以身作則，就可以把短路故障控制在一個最小的范圍之內(nèi)，從而得到最大效益。 短路發(fā)生后，系統(tǒng)中出現(xiàn)的短路電流要比正常負荷電流大得多。在大電力系統(tǒng)中，短路電流可以達到幾萬甚至幾十萬安培。短路電流如此之大，所產(chǎn)生的危害也是巨大的： （1） 短路電流通過導體時，產(chǎn)生的熱效應會引起導體或其絕緣受損； （2） 導體由于受到電動力的沖擊而變形，甚至損壞； （3） 短路會引起電網(wǎng)中電壓降低，并且越靠近短路點，電壓下降越多，結(jié)果可能是使部分用戶的供電受到破壞。 （4） 不對稱接地短路所引起的不平衡電流所產(chǎn)生的不平衡磁通，會在鄰近的平行通信線路內(nèi)感應出相當大的電動勢，造成對通信系統(tǒng)的干擾，甚至危及設備和人身的安全[8]。 （5） 短路會破壞發(fā)電機的同步性，從而造成系統(tǒng)瓦解，嚴重時會引發(fā)大片地區(qū)停電。 2.4 預防措施 預防短路故障的主要措施是限制短路電流、縮短短路電流的持續(xù)時間、減少發(fā)生短路的機會。具體講就是： （1）為了保證電氣設備的額定電壓與線路的額定電壓相符，必須進行短路電流的計算，正確選擇及校驗電氣設備。 （2）為了確保發(fā)生短路時迅速將故障切除，減少短路所造成的危害，我們應該采用電流速斷保護裝置，并且要正確選擇熔體的額定電流和繼電保護的整定值。 （3）為了減少雷擊損害，必須在變壓器附近安裝避雷器，在線路和變電站上安裝避雷針。 （4）為了限制短路電流，可以采用電抗器增加系統(tǒng)阻抗。 （5） 為了使非故障部分能繼續(xù)運行，需要把故障線路或設備從電力系統(tǒng)中迅速除掉。 （6）要經(jīng)常對線路、設備進行巡視檢查，及時發(fā)現(xiàn)缺陷，并迅速進行檢修。線路施工完畢后應立即拆除接地線。保證架空線路施工質(zhì)量，加強線路維護，始終保持線路弧垂一致并符合規(guī)定[9]。 （7）嚴格執(zhí)行電力系統(tǒng)五防措施，即防止務分、務合斷路器；防止帶負荷分合隔離開關(guān)；防止帶電掛接地線；防止帶接地線合隔離開關(guān)；防止誤入帶電間隔。 （8）為了防止粉塵進入電氣設備，要及時清理；為了防止小動物進入變電站，要加強管理，嚴格把關(guān)。 2.5 短路故障的分析診斷方法 電力系統(tǒng)短路故障隨時都有可能發(fā)生，因此我們要對設備進行實時監(jiān)測，一旦發(fā)生故障，要迅速作出診斷，確定發(fā)生故障的類型并及時排除。當然，分析短路故障問題，還有助于我們進行電氣設備的選擇及校驗。目前，我們分析短路故障主要有以下幾種方法。 （1）基于專家系統(tǒng)的診斷方法 　　專家系統(tǒng)（expert-system）是根據(jù)專家推理的方法，利用計算機模型來解決問題的一種故障診斷方法。按照所用推理策略和故障診斷知識的不同，專家系統(tǒng)可以分為兩類。第一類是基于啟發(fā)式規(guī)則推理的系統(tǒng)，即把繼電保護、斷路器的動作邏輯以及運行人員的診斷經(jīng)驗用一定的規(guī)則表示出來，以此來形成一個比較系統(tǒng)的專家知識庫。當發(fā)生故障時，能夠立即將故障與知識庫中的類型進行匹配，這樣就可以迅速判斷故障并及時排除。這是目前最有效的一種診斷方法，因此它的應用范圍比較廣泛。第二類是結(jié)合正、反推理的系統(tǒng)，即把正向推理與反向推理兩種方法混合起來，首先根據(jù)正向推理建立一定的規(guī)則，然后通過反向推理進行驗證，這樣就可以大大減小故障發(fā)生的范圍，從而可以根據(jù)實際值與理論值的對比來計算可信度[10]。采用混合推理方法能夠同時提高該系統(tǒng)的自學習能力與適應性。 （2）基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的診斷方法 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN-artificial-neural-network）的診斷方法是由美國Pitts等人率先提出的，它的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段，目前應用于電力系統(tǒng)故障診斷的ANN有：基于BP（ackpropagation）算法的前向神經(jīng)網(wǎng)絡和基于徑向基函數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡等。該故障診斷的過程為：首先根據(jù)當前網(wǎng)絡的內(nèi)部表達，對輸入樣本進行前向計算；然后比較網(wǎng)絡的輸出與期望輸出之間的誤差，若誤差滿足條件，則訓練結(jié)束；否則，將誤差信號按原有的通路反向傳播，逐層調(diào)整權(quán)值和閥值，如此反復，直至滿足誤差精度的要求?！　? （3）基于優(yōu)化技術(shù)的診斷方法 基于優(yōu)化技術(shù)（optimization-methods）的診斷方法是一種基于數(shù)學模型的診斷方法，它的基本思路是將把電力系統(tǒng)的故障診斷問題描述成為“0-1”整數(shù)規(guī)劃的問題，并構(gòu)造了一種數(shù)學解析模型，應用優(yōu)化技術(shù)來尋找問題的最優(yōu)解?！　? （4）基于Petri網(wǎng)絡的診斷方法 　　在離散事件系統(tǒng)建模中，Petri網(wǎng)絡是一種理想的工具，通過構(gòu)造有向圖組合模型，形成了以矩形運算來描述的嚴格的數(shù)學對象。在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，可以把其看做是一個動態(tài)的系統(tǒng)，并且故障的發(fā)生屬于一個離散的過程，通過各類保護的動作和各級電壓的變化來反映故障，將故障切除的過程看做是一系列活動事件的組成，與對應的實體相聯(lián)系。動態(tài)事件主要包括實體活動（例如斷路器、繼電保護裝置等）和信息流活動（例如信號傳遞、控制指令發(fā)送、各檢測信號流等）[11]。 （5）基于粗糙集理論的診斷方法 粗糙集理論（rough-set-theory）是波蘭專家Z.Pawlak在1982年提出的一種新型數(shù)學工具，對于處理不確定性和不完整性的問題具有重要的實用價值[12]。它能夠有效地分析和處理不一致、不精確、不完整等一系列的不完備數(shù)據(jù)，不需要像其他方法一樣依賴處理問題所需的數(shù)據(jù)之外的先驗信息，而且它能夠挖掘隱含的知識，發(fā)現(xiàn)潛在的規(guī)律。鑒于其優(yōu)越性，現(xiàn)在已經(jīng)漸漸稱為發(fā)展的新趨向，而且不少相關(guān)的研究人員已經(jīng)在嘗試把其引人到故障診斷系統(tǒng)中。 （6）基于模糊集理論的診斷方法 模糊集理論(fuzzy-set-theory）在電力系統(tǒng)故障診斷中分為兩種情況：一種認為診斷所依據(jù)的信息正確，但故障與對應的動作保護裝置和斷路器狀態(tài)之間存在不確定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以及用模糊隸屬度對這種可能性進行描述的度量；另一種則認為診斷所依據(jù)的報警信息錯誤，而根據(jù)系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲與故障所發(fā)生的動作保護、斷路器狀態(tài)賦予報警信息的可信度，再由專家系統(tǒng)或ANN給出故障診斷結(jié)果的模糊輸出[13]。 （7）基于多代理系統(tǒng)的診斷方法 多代理系統(tǒng)（multi-agent system，以下簡稱MAS）被看做是一種分布式的、智能化的、基于人工的試驗平臺[14]，當某些復雜的問題無論是在邏輯上或者物理上可以進行分解時，每個問題即子問題就會擁有屬于自己的信息，所以，只有各個子問題相互融合才能求解最終的問題。MAS研究的重點在于如何協(xié)調(diào)在邏輯上或物理上分離的、具有不同目標的多個Agent的行為，使其聯(lián)合采取行動或求解問題，協(xié)調(diào)各自的知識、希望、意圖、規(guī)劃、行動，以對其信息、資源進行合理安排，最大限度地實現(xiàn)各自的目標和總體目標，以對更復雜、更大規(guī)模的問題的解決起到重要作用。MAS是解決大規(guī)模電力系統(tǒng)故障診斷問題很有前途的發(fā)展方向。但MAS中各Agent的知識和行為、協(xié)調(diào)與協(xié)作是有待深入解決的核心問題[15]。 3 仿真與建模 3.1 仿真工具簡介 我們在引言中已經(jīng)了解到，當前國內(nèi)外應用的仿真軟件主要有PSCAD、EMTP以及MATLAB等，由于本文的研究重點是建立在MATLAB的基礎上進行電力系統(tǒng)短路故障的仿真，所以以下僅介紹MATLAB仿真工具。 3.1.1 MATLAB的特點 MATLAB是matrix和laboratory兩個單詞的組合，各取前三個字母組成一個詞，意為矩陣工廠（矩陣實驗室）。它是由美國MathWorks公司開發(fā)的高級數(shù)學應用軟件，主要用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算，是一種高級技術(shù)計算語言，并且適用于交互式環(huán)境，是當今國際科學計算軟件的代表。MATLAB的功能之所以強大，是因為它具備以下特點： （1） 語言簡潔，使用靈活，庫函數(shù)豐富。MATLAB的程序書寫形式自由，由于程序自帶函數(shù)庫，所以用戶可以根據(jù)自己的要求直接調(diào)用庫函數(shù)，這樣就不用再書寫復雜的子程序了 ，從而可以省略一些不必要的編程任務。需要指出的是，庫函數(shù)中的程序都是由該領(lǐng)域的專家編寫的，所以，其可靠性是不容置疑的。 （2） 運算符豐富。我們都知道，C語言的運算符是非常豐富的，而MATLAB是用C語言編寫的，所以，MATLAB的運算符也是十分龐大的。靈活運用運算符將使編程容易很多。 （3） 高效性。MATLAB具有結(jié)構(gòu)化的控制語句，比如for循環(huán)、while循環(huán)以及if、else語句等，因此，其語句功能十分強大。 （4） 簡單易學，適于應用。MATLAB不需要用戶具有高深的數(shù)學功底，也不需要強大的程序設計能力，更不需要用戶深刻的了解算法以及編程技巧，初學者只要肯鉆研，輕松掌握并不是夸夸其談。同時，MATLAB的程序設計并不嚴格，自由度較大。 （5） 可移植性好。編寫好的程序可以進行直接拷貝，在不同的計算機和操作系統(tǒng)中可以順利執(zhí)行。 （6） 圖形功能強大。在MATLAB里，數(shù)據(jù)的可視化非常簡單，具有較強的圖形編輯能力。 （7） 可擴展性。MATLAB包含功能強大的工具箱，可以分為功能性工具箱和科學性工具箱兩類。功能性工具箱主要用來擴充其符號計算功能、文字處理功能、圖示建模仿真功能以及與硬件實時交互功能[15]。學科性工具箱是專業(yè)性比較強的，如control toolbox, signal processing toolbox, communication toolbox 等。這些工具箱都是專業(yè)人士編寫好的，用戶可以直接使用，無需自己再去編寫。 （8）開放的源程序。除了自帶的函數(shù)外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都可以進行讀寫操作，用戶可根據(jù)源文件進行修改，這樣可以成為自己的工具箱。 3.1.2 Simulink簡介 Simulink是MATLAB軟件中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATALB的框圖設計環(huán)境，同時是一個實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的軟件包，憑借其強大的功能被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制以及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以對各種動態(tài)系統(tǒng)的交互環(huán)境進行建模、分析和仿真，其中包括連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)，也可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或者兩種混合的采樣時間進行建模，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的系統(tǒng)。Simulink提供了一種通過鼠標拖拽來建立系統(tǒng)框圖模型的圖形交互平臺。Simulink庫里有豐富的各種功能模塊，用戶可以根據(jù)自己的需要迅速地創(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就能夠完成，它提供了一種更快捷、更直接的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。同時Simulink還集成了Stateflow，用來建模和仿真復雜事件驅(qū)動系統(tǒng)的邏輯行為。 Simulink由模塊庫、模型構(gòu)造及分析指令、演示程序三部分構(gòu)成。在Simulink環(huán)境中，對于由微分方程或者查分方程描寫的動態(tài)系統(tǒng)，用戶無需編寫文本形式的程序，而只要通過一些簡單的鼠標操作就可以形象地建立所期望的數(shù)學模型，并進行仿真和分析研究。運行Simulink有三種方式： （1） 在MATLAB的命令窗口鍵入simulink指令，敲擊回車即可； （2） 點擊MATLAB工具條上的simulink快捷鍵圖標； （3） 在MATLAB菜單中，執(zhí)行File→New→Model操作，會彈出新建立的模型窗口，名為untitled。 3.1.3 SPS(SimPowerSystems) 在Simulink窗口中，我們可以很清楚的看到，有一個專門為電氣仿真所建立的窗口，即SimPowerSystems。用戶可以應用SPS模塊方便地進行電力系統(tǒng)分析、仿真、數(shù)值處理和設計，根據(jù)自己所建立的數(shù)學模型和具體的模擬要求，從模塊庫中選擇合適的模塊并組合在一起，直接對系統(tǒng)進行仿真分析和計算[16]。SPS涵蓋了電路、電力電子、電力系統(tǒng)和電氣傳動等電氣學科中常用的基本元件和系統(tǒng)的仿真模型，為電力研究者帶來了很大的便利。它由以下8個子模塊庫組成：電源元件庫(Electrical Sources)；基本線路元件庫(Elements)；附加元件庫(Extra Library)；電機元件庫(Machines)；測量元件庫(Measurements)；相位元件庫(Phasor Elements)；電力電子元件庫(Power Electronics)；電力系統(tǒng)分析元件模型(Powergui)。 3.1.4 GUI（圖形用戶界面） GUI是Graphical User Interfaces的簡稱，通常是一種包含多種圖形對象的界面，典型的圖形界面包括圖形顯示、功能按鈕控件以及用戶自定義的功能菜單等。為了讓界面實現(xiàn)各種功能，用戶需要對各個圖形對象進行布局和事件編程。這樣，當用戶激活對應的GUI對象時，就能執(zhí)行相應的事件行為。最后，必須保存和發(fā)布自己創(chuàng)建的GUI，使得用戶可以應用GUI對象。GUI中最重要的三種方法是：使用M文件創(chuàng)建GUI對象，使用GUIDE創(chuàng)建GUI對象和標準菜單的定制。 3.2 模型的建立 3.2.1 無限大電源系統(tǒng)短路故障仿真模型 電力系統(tǒng)是由發(fā)電機、變壓器、電力線路和電力用戶等組成的整體，是集生產(chǎn)、輸送、分配和消費電能的統(tǒng)一系統(tǒng)。除此之外，電力系統(tǒng)還包括由繼電保護裝置、電力通信裝置、安全自動裝置、調(diào)度自動化裝置以及通過機械或電的方式聯(lián)入電力系統(tǒng)中的設備(如發(fā)電機的勵磁調(diào)節(jié)器、調(diào)速器等)等構(gòu)成的輔助系統(tǒng)，通常我們稱之為二次系統(tǒng)，以保證電力系統(tǒng)的安全與可靠運行。電力網(wǎng)絡是電力系統(tǒng)中輸送、變換和分配電能的一部分，輸電網(wǎng)絡一般是電力系統(tǒng)中最高電壓等級的電網(wǎng)，是電力系統(tǒng)的主要網(wǎng)絡[17]。同時，輸電線路還有聯(lián)絡相鄰電力系統(tǒng)和聯(lián)系相鄰樞紐變電所的作用。而配電網(wǎng)是將電能從樞紐變電所分配到配電變電所后，再向用戶供電的電力網(wǎng)絡。 因此，基于上述理論，本文以單機無窮大電源系統(tǒng)作為仿真模型，如圖3-1所示。電源容量設為5000MVA，發(fā)電機端電壓為500KV；線路L的長度為200km,；變壓器采用雙繞組變壓器，接法為Y/Yg，變比為500/121，容量設為100MVA，短路損耗100KW，空載損耗25KW，空載電流I0%=0.8，短路電壓百分數(shù)為10.5%，在0.04s時刻變壓器低壓母線發(fā)生短路故障，0.08s時刻故障切除。 K T L S ～ G1 圖3-1 系統(tǒng)簡化圖 依據(jù)系統(tǒng)簡化圖，我們可以在MATLAB中執(zhí)行simulink命令，新建一個名為“fangzhen”的文件，進而在simulink庫中找到我們所需要的元件，通過鼠標拖拽的方式建立如圖3-2所示的仿真模型。當然，在圖3-2中，還加了一些測量顯示元件，如萬用表“Multimeter”“Scope”等。 圖3-2 單機無限大電源系統(tǒng)短路故障仿真模型圖 3.2.2 仿真參數(shù)的設置 （1）電源 電源采用“Three-phase Source”，峰值振幅（Peak Amplitude）設為500KV；初始相位（Phase）設為0；頻率(Frequency)設為50Hz；內(nèi)部連接方式（internal connection）選擇Y接；其他參數(shù)不變，如圖4-3所示。 圖3-3 電源模塊參數(shù)設置 （2）線路 線路采用“Distributed Parameters Line”分布參數(shù)輸電線路，頻率（Frequency）設為50Hz，長度（Line length）設為200（km），其他參數(shù)不變，如圖3-4所示。 圖3-4 線路模塊參數(shù)設置 （3）變壓器 變壓器采用“Threee-phase Transformer (Two Windings)”，容量和頻率（Nominal power and frequency）分別設為100MVA和50Hz，內(nèi)部連接方式設為Y/Yg，其他各參量可通過相關(guān)公式求出。將各個參量折算到500KV側(cè)求解如下： 變壓器的電阻為 變壓器的電抗為 變壓器的漏感為 變壓器的勵磁電阻為 變壓器的勵磁電抗為 由此變壓器的參數(shù)設置如圖3-5。 圖3-5 變壓器參數(shù)設置 （4）故障模塊 選用三相短路故障模塊“Three-phase Fault”，“Phase A Fault”“Phase B Fault”“Phase C Fault”選項可以設置故障類型，“Ground Fault”選項可以設置故障是否接地；“Transition status”選項可以設置故障狀態(tài)，“1”為故障發(fā)生，“0”為故障排除（或者說無故障）；通過“Transization times”可以設置故障的起始時間；其他參數(shù)不變，如圖3-6所示。 圖3-6 故障模塊參數(shù)設置 （5）電壓電流測量模塊 選用“Three-Phase V-I Measurement”作為電壓電流測量模塊，可以對測量選項進行定義，這時就要勾選“Use a label”選項，本文定義了四個變量“Vabc”“Iabc”“Vabc1”“Iabc1”，其他參數(shù)不做修改，如圖3-7所示。 圖3-7 電壓電流測量模塊參數(shù)設置 （6）相序分析儀 相序分析儀“Discrete 3-phase Sequence Analyzer”是專門分析三序分量的儀器，頻率設為25（Hz），通過“Sequence”選項可以選擇正序、負序、零序，從而分析各自的特點，其他參數(shù)保持不變，如圖3-8所示。 圖3-8 相序分析儀參數(shù)設置 （7）其他參數(shù)設置 打開仿真參數(shù)對話框（Simulink→Configuration Parameters），“Start time”設為0，“Stop time”設為0.2；求解程序類型選項選擇“ode23tb(Bogacki-Shampine)”，其他參數(shù)不變，如圖3-9所示。 圖3-9 其他仿真參數(shù)設置 4 仿真結(jié)果分析 4.1 三相短路分析 （1）電壓分析 在三相短路故障發(fā)生器上勾選“Phase A Fault”“Phase B Fault”“Phase C Fault”，以此來模擬三相短路的過程。點擊仿真開始按鈕，雙擊“Scope3”，我們可以清楚的得到發(fā)電機端三相短路電壓的波形，如圖4-1所示。在0.04s以前，三相電壓波形相同，呈現(xiàn)完美的正弦波；0.04s的時候，觸發(fā)故障發(fā)生器，即發(fā)生三相短路故障，在之后非常小的一段時間內(nèi)，A、B、C三相的電壓幅值驟降，這是因為次暫態(tài)電抗的值很小，隨后電壓幅值有小范圍的升高，因為暫態(tài)電抗大于次暫態(tài)電抗，接著經(jīng)過小范圍的波動之后三相電壓又呈現(xiàn)正弦波形，達到穩(wěn)態(tài)；0.08s時刻切除故障，三相電壓在很小的時間范圍內(nèi)幅值驟增，并且經(jīng)過無數(shù)次的不規(guī)則上下波動之后，逐漸恢復至初始狀態(tài)。 圖4-1 三相短路發(fā)電機端電壓波形 雙擊“Multimeter”萬用表模塊，通過添加測量元素，我們來得到故障處的電壓波形， 如圖4-2。 圖4-2 三相短路故障處的電壓波形 由圖可知，短路故障發(fā)生前，變壓器低壓側(cè)的三相電壓相等，相位互差120°；0.04s時刻發(fā)生三相短路故障，A、B、C三相的電壓瞬間降為0，這是因為變壓器低壓側(cè)的繞組連接方式為Yg，0.08s時刻，故障切除，由于直流分量的存在，波形出現(xiàn)畸變，在經(jīng)過大幅度擺動之后恢復至初始狀態(tài)。 （2）電流分析 雙擊“Scope4”，得到發(fā)電機端電流波形如圖4-3所示，0.04s發(fā)生短路故障，電流瞬間增大，并且三相電流對稱；0.08s故障切除，由于諧波跟直流分量的存在，電流波形在經(jīng)過無數(shù)次波動之后恢復初始狀態(tài)。 圖4-3 三相短路發(fā)電機端電流波形 通過更改萬用表中的測量元素，可以得到故障點的電流波形，如圖4-4所示。短路發(fā)生前，系統(tǒng)屬于開路狀態(tài)，故障點的電流顯然為0；0.04s發(fā)生短路，三相電流大小相等，相位互差120°，很漂亮的三相電流波形；當0.08s切除故障后，又恢復最初的開路狀態(tài)，電流又逐漸減小為0。 圖4-4 三相短路故障點的電流波形 4.2 單相短路分析（以A相短路為例） （1）電壓分析 勾選“Phase A Fault”選項，以此來模擬A相短路的過程。首先得到發(fā)電機端電壓波形，如圖4-5所示。 可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機端電壓的波形基本沒有變化，但是經(jīng)過無限放大，A相的電壓幅值有所降低，變化并不明顯。 圖4-5 單相短路發(fā)電機端電壓波形 再來看故障點的電壓，如圖4-6，故障前，三相電壓波形對稱，0.04s發(fā)生A相接地短路，則A相電壓瞬間降為0，由于電源采用Y接線方式，所以可以知道非故障相的相電壓立即變?yōu)榫€電壓，故幅值瞬間增大，而相位并無變化。0.08s故障切除后，故障點的三相電壓又恢復初始狀態(tài)。 圖4-6 單相短路故障處電壓波形 （2）電流分析 觀察圖4-7，可以發(fā)現(xiàn)，故障發(fā)生時發(fā)電機端的電流也無明顯變化，所以可以得出結(jié)論，單相短路對發(fā)電機端電流基本沒有影響。 圖4-7 單相短路發(fā)電機端電流波形 再來觀察一下故障點的三相電流，如圖4-8所示。故障發(fā)生前，電路處于開路狀態(tài)，三相電流均為0；0.04s時刻發(fā)生單相接地短路故障，非故障處電流依然等于0，而接地相即A相電流瞬間增大，通過更改故障切除時間，可以發(fā)現(xiàn)，A相的電流波形逐漸下移，最終會處于一個對稱的狀態(tài)；0.08s故障切除后，A相電流逐漸恢復至0。 4-8 單相短路故障點的電流波形 在仿真模型中，我們用了三個相序分析儀，分別測量正序、負序、零序的幅值和相序，得到如圖4-9所示的波形。 （a） 正序 （b） 負序 (c) 零序 圖4-9 單相短路故障處各序分量的電流波形 觀察圖像，很明顯三序分量的幅值波形完全相同，在0.04～0.08s即故障發(fā)生期間，它們的相位完全相同，由此我們可以驗證結(jié)論，當發(fā)生單相接地短路故障時，有 （4.1） 4.3 兩相短路（以A、B相短路為例） （1） 電壓分析 勾選“Phase A Fault”“Phase B Fault”選項，以此來模擬A、B兩相短路的過程。先來看一下發(fā)電機端電壓波形，如圖4-10。在0.04s發(fā)生故障時，C相電壓保持不變，A、B兩相電壓瞬間降低，隨后按正弦規(guī)律變化；0.08s時刻故障切除，C相電壓依然不受影響，而A、B兩相的變化規(guī)律相同，最終趨于穩(wěn)態(tài)，即恢復初始狀態(tài)。 4-10 兩相短路發(fā)電機端電壓波形 接著看故障點的電壓，如圖4-11。故障發(fā)生前，三相電壓完全對稱；0.04s時刻故障發(fā)生，A、B兩相的電壓波形瞬間重合，但是幅值較原來有所降低，而非故障相即C相的電壓保持不變；0.08s時刻故障切除，A、B兩相電壓隨著直流分量的衰減逐步恢復至初始狀態(tài)。 圖4-11 兩相短路故障點的電壓波形 （2）電流分析 由圖4-12可以看出，在0.04s以前，三相電流對稱；0.04s故障發(fā)生時，A、B兩相的電流幅值明顯增大，相位不變，C相電流幅值和相位均保持不變；0.08s故障切除，A、B兩相電流幅值迅速衰減，并且衰減頻率增大，這是因為出現(xiàn)了諧波，經(jīng)過無數(shù)次的擺動，三相電流又恢復初始狀態(tài)。 圖4-12 兩相短路發(fā)電機端電流波形 下面來研究故障點的電流波形，如圖4-13所示。故障前，A、B、C三相的電流均為0；0.04s時觸發(fā)故障信號，A、B兩相電流迅速增加，且按正弦規(guī)律變化，兩個電流除了大小相等，方向相反，C相電流依然為0；0.08s故障切除后，A、B兩相短路電流按正弦規(guī)律逐漸衰減至0，三相系統(tǒng)又達到穩(wěn)態(tài)。 圖4-13 兩相短路故障點的電流波形 再來看一下故障點的三序電流分量波形，如圖4-14。可以發(fā)現(xiàn)，正序與負序分量的波形完全相同，雖然零序的波形在故障期間有較大波動，但是最大幅值才0.016，即接近于0，由此可以驗證結(jié)論。當發(fā)生兩相直接短路故障時，有 （4.2） 即不存在零序電流。 （a） 正序 （b) 負序 （c）零序 圖4-14 兩相短路故障處各序分量的電流波形 4.4 兩相接地短路（以A、B相短路為例） （1）電壓分析 勾選“Phase A Fault”“Phase B Fault”“Ground Fault”選項，以此來模擬A、B兩相接地短路的過程。先來看一下發(fā)電機端電壓波形，如圖4-15。在0.04s發(fā)生故障時，A、B兩相的電壓幅值降低，C相電壓保持不變；0.08s時刻故障切除，A、B兩相的電壓幅值升高，最終電壓波形恢復至初始狀態(tài)。 4-15 兩相接地短路發(fā)電機端電壓波形 接著看故障點的電壓，如圖4-16。故障發(fā)生前，三相電壓完全對稱；0.04s時刻故障發(fā)生，A、B兩相的電壓波形瞬間重合，即變?yōu)?，而非故障相即C相的電壓波形幅值驟增，通過分析可知變?yōu)榫€電壓；0.08s時刻故障切除，C相電壓立即恢復至初始狀態(tài)，而A、B兩相電壓在小范圍波動之后恢復至初始狀態(tài)。 圖4-16 兩相接地短路故障點的電壓波形 （2）電流分析 由圖4-17可以看出，在0.04s以前，三相電流對稱；0.04s故障發(fā)生時，A、B兩相的電流幅值明顯增大，相位不變，C相電流幅值和相位均保持不變，并且A、B兩相電流大小相等，方向相反；0.08s故障切除，A、B兩相電流幅值迅速衰減，并且衰減頻率增大，經(jīng)過無數(shù)次的擺動，三相電流又恢復初始狀態(tài)。 圖4-17 兩相接地短路發(fā)電機端電流波形 下面來研究故障點的電流波形，如圖4-18所示。故障前，A、B、C三相的電流均為0；0.04s時觸發(fā)故障信號，A、B兩相電流迅速增加，且按正弦規(guī)律變化，兩個電流除了大小相等，方向相反，C相電流依然為0；0.08s故障切除后，A、B兩相短路電流按正弦規(guī)律逐漸衰減至0，三相系統(tǒng)又達到穩(wěn)態(tài)。 圖4-18 兩相接地短路故障點的電流波形 以上所有分析，與兩相直接短路時完全相同，下面來研究一下短路點的各序電流分量波形，如圖4-19。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，正序與負序分量波形同兩相直接短路時相同，差別僅在于零序分量，最大幅值約為20，即產(chǎn)生零序電流。 （a） 正序 （b） 負序 （c） 零序 圖4-19 兩相接地短路故障處各序分量的電流波形 5 結(jié)論 本文圍繞電力系統(tǒng)短路故障展開研究，基于當前故障試驗的復雜程度，我們采用MATLAB對其進行仿真。通過仿真我們發(fā)現(xiàn)，MATLAB中的電力系統(tǒng)仿真工具箱不僅可以迅速建立仿真模型，而且可以迅速得到結(jié)果。將所得到的波形與理論波形對比，實際上是沒有差別的。同時，我們可以發(fā)現(xiàn)，在診斷方法上，專家系統(tǒng)是比較常用的方法。由此我們可以得出結(jié)論，MATLAB具有強大的仿真功能，在現(xiàn)實工程中有較大的實用意義和價值，應該得以推廣和應用。 6 前景與展望 MATLAB仿真工具憑借其強大的功能已經(jīng)成功運用于生產(chǎn)調(diào)度的一線，成為電力系統(tǒng)規(guī)劃、控制與運行的有效分析工具。電力系統(tǒng)設備、技術(shù)的進步以及計算機軟件技術(shù)的飛速發(fā)展和數(shù)學方法的不斷創(chuàng)新，促進了電力系統(tǒng)仿真技術(shù)的不斷完善和更新。當今國內(nèi)外一些大型電力系統(tǒng)仿真軟件正向著統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫基礎上的多功能綜合分析的方向發(fā)展，集成化程度越來越高，仿真能力將得到進一步加強，并將具有更簡潔的操作模式和更好的開放性[18]?？梢灶A見，隨著一系列新技術(shù)、新方法的進一步完善和應用，電力系統(tǒng)仿真軟件必將迎來一個嶄新的發(fā)展空間。 27 參考文獻 [1]黃揚威，卑舒穎.基于MATLAB的電力系統(tǒng)故障分析與仿真[J].中國電力教育，2011（15）：160-161. 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I 致謝 時間過得真快，仿佛轉(zhuǎn)眼之間，大學四年的時光便與我們擦肩而過。四年之前，懷著無比激動的心情，我來到了夢寐以求的大學；四年之后，滿載著知識和希望，又即將離開這個神圣的地方?；厥状髮W四年的學習與生活，收獲頗多，需要感謝的人也很多，故借此做畢業(yè)論文的機會對四年來給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W表示最誠摯的謝意。 首先感謝我的導師劉雙喜，那位被我們親切地稱之為“喜哥”的老師。劉老師治學嚴謹，學識淵博，講課風格獨特，深受同學們的歡迎。在做畢業(yè)論文期間，劉老師于百忙之中抽出時間來給我指導，為我指出其中的錯誤和不足，所以我要借此機會向?qū)煴硎咀钪孕牡母兄x。 成為農(nóng)大的學生，是我的榮幸；而成為機電學院電氣專業(yè)的學生，則是我的驕傲。農(nóng)大的老師，都是負責任的老師。大學四年課程全部通過，與你們的真心付出是分不開的。在此，我要特別感謝電氣系的所有專業(yè)課老師以及所有的輔導員老師，是你們給了我學習的方向，傳授我知識，教會我做人的道理，我一定不會讓你們失望。 感謝四年來陪伴我的同學，大學里因為有你們才變得精彩。特別感謝在考研期間，一直支持和鼓勵我的同學，才使我在考研的道路上不至于因為迷茫而丟失方向。 最應該感謝的，是我的父母，感謝你們的真情付出，我會好好努力，用實際行動來報答你們的養(yǎng)育之恩。 最后，祝愿母校越來越好。 劉繼文 2015年6月6日