电气工程及其自动化基于MATLAB的电力系统暂态稳定仿真分析.docx
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电气工程及其自动化基于MATLAB的电力系统暂态稳定仿真分析
摘要
随着电力工业的迅速发展，电力系统的规模日益庞大和复杂，出现的各种故障，会给发电厂以及用户和电厂内的多种动力设备的安全带来威胁，并有可能导致电力系统事故的扩大，从技术和安全上考虑直接进行电力试验可能性很小，迫切要求运用电力仿真来解决这些问题依据电网用电供电系统电路模型要求，因此，论文利用MATLAB的动态仿真软件Simulink搭建了单机—无穷大电力系统的仿真模型，能够满足电网在其可能遇到的多种故障方面运行的需要。
论文以MATLABR2009a电力系统工具箱为平台，通过SimPowerSyetem搭建了电力系统运行中常见的单机—无穷大系统模型，实验得到了在该系统发生各种短路接地故障并由断路器自动跳闸隔离故障的仿真结果。
并利用小波分析具有很强的信号特征提取能力，尤其对暂态突变信号或微弱变化信号的处理变现出明显的优势，达到了仿真的目的。
本文做的主要工作有：
（1）Simulink下单机—无穷大仿真系统的搭建
（2）系统故障仿真测试分析
通过实例说明，若将该方法应用到电力系统短路故障的诊断中，快速实现故障的自动诊断、检测，对于提高电力系统的稳定性具有十分重要的意义。
关键词单机—无穷大；SimPowerSyetem；短路故障；
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofelectricpowerindustry,electricpowersystem,asanincreasinglylargescaleandcomplicatedpowersystemfault,Theuserwillgivepowerplantsandpowerequipmentofthesecuritythreats,andmayhavecausedtheaccidentofpowersystem,technologyandsafetyconsiderationsfromdirectlypowertestpossibility,urgedusingelectricsimulationtosolvetheseproblemsbasedongridpowersupplysystem,Therefore,paperdependonthemodelofdynamicsimulationbyMATLABbuildsoftwareSimulinkinfinitepowersystemofsingle-simulationmodel,thegridinvariousfaultmaymeettheneedsoftherunningofaspects.
ThepaperbaseonplatformversionofMatlabR2009a，AccordingtoSimPowerSyetemtoolboxtobuildpoweroperationofcommonsingle—infinitesystemmodel,theexperimentinthesystemwasobtainedbyvariouscircuitbreakerautomaticallyearthingfaultsandfaultisolationofsimulationresultstrip.Usingthewaveletanalysisandhasstrongabilityofthesignalfeatureextraction,especiallyfortransientmutationssignalsorweaksignalprocessingshowedobviousadvantages,Reachingpurposeofthesimulation.
Themainworkis:
（1）Buildingthissimulationsystemofsingle-infiniteunderSimulink
（2）Faultsimulationtestanalysisofsystem
（3）FaultdetectionandanalysisbasedonHaarwavelet
Throughexamples,ifthismethodtothepowersystemfaultdiagnosis,fastfaultdetectionanddiagnosis,automaticforimprovingthestabilityofpowersystemhasimportantsignificance.
keywords：
Single—infinite；SimPowerSyetem；Shortcircuitfaults；Wavelettransform
电力系统暂态稳定性概述
电力系统暂态稳定性是指研究电力系统受到较大扰动后各发电机能否继续保持同步运行的问题。
引起电力系统大扰动的原因很多，归纳起来，主要有一下几种。
1、引起电力系统大扰动的主要原因
（1）负荷的突然变化。
如切除或投入大容量的用户引起较大的扰动。
（2）切除或投入系统的主要元件。
如切除或投入较大容量的发电机、变压器和较重要的线路引起的大的扰动。
（3）电力系统的短路故障。
它对电力系统的扰动最为严重。
在短路故障中，其中以三相短路最为危险，引起电力系统的扰动最大，于是系统的暂态稳定性常常遭到破坏。
但此种严重故障发生的次数最少，据统计，在高压电力系统中发生三相短路的次数一般占总短路次数的6%~7%左右。
两相接地短路和两相短路对于电力系统的扰动也较大，其中两相接地短路的危害程度仅次于三相短路。
但在一般的高压系统中发生这两种短路的次数为23%~24%左右，比三相短路发生的次数要多。
单相短路在高压系统中发生的次数最多，一般可占70%左右。
但单相短路对系统的扰动在短路故障中是最小的，其中瞬时性雷击单相短路又占单相短路的70%左右，它对系统的影响就更小了。
因此，电力系统如能经受住三相短路的扰动，则该系统的暂态稳定性是不成问题的，但以三相短路作为暂态稳定的条件是很不经济的。
因此我国电力系统目前是以不对称短路作为暂态稳定研究的基础，逐步把暂态稳定提高到三相短路上来。
当电力系统受到大扰动时，表征系统运行状态下的各种电磁变量，如线路的电流、节点电压、发电机输出功率等都要发生急剧的变化。
但是原动机的调速系统具有相当大的惯性，它必须经过一段时间后，才能改变原动机的功率。
这样作用在发电机转子轴上输出的电磁功率与输入的机械功率之间的平衡遭到破坏，使发电机转子轴上作用一个不平衡转矩。
在这个转矩作用下，发电机组转子开始改变其速度，使发电机的功率角改变，从而使发电机组各转子产生相对运动，即发电机组间产生了摇摆或振荡。
发电机组转子相对角度的变化，发过来又将影响电力系统中电流、电压及发电机输出功率的变化。
所以，由大的扰动引起的电力系统暂态过程是一个有电磁暂态过程和发电机组转子机械运动暂态过程交织在一起的复杂过程，即机电暂态过程。
精确地电力系统中所以电磁变量和机械运动变量在暂态过程中的变化，是非常复杂和困难的，从解决实际工程问题来说，往往是不必要的。
而暂态稳定性分析计算的目的在于确定电力系统给定的大扰动下各发电机组能否继续保持同步运行，因此我们只需要确定表征发电机是否同步的发电机组转子运动特性便可以了。
抓住这个要点后，我们就可以对暂态过程中各种复杂的现象进行具体的分析，找出其中对机组转子运动起主要影响主要作用的因素，在分析计算中加以考虑，而对于影响不大的因素加以忽略或作近似考虑。
这样做，不仅大大的简化了分析计算工作，而且也更便于获得有关研究对象的更加明确清晰的概念。
事实上，在忽略某些次要因素后，计算所得的结果与实际结果很接近，其误差在允许范围内。
第1章绪论
电力电缆在运行中易受到多种因素的影响而发生故障，威胁系统的安全可靠性，因此迅速、准确地探测出电缆故障并对其进行分析，对提高供电可靠性、减少故障修复费用及停电损失具有重要理论意义和实用价值[1]。
目前，线路保护已经进入微机保护时代，电力系统继电保护中的信号处理仍以分析为主，同时考虑到电力运行实际情况，在Matlab/Simulink平台下更好的运用仿真手段更突出了现实意义。
1.1MATLAB及SimPowerSystem简介
MATLAB是MatrixLaboratory（矩阵实验室）的缩写，由Mathworke公司开发的一套功能强大的软件，最早它主要用于科学计算。
后来随着MATLAB功能的不断增强和应用的普及，很多领域的专家为MATLAB写了专门的工具箱，用以拓展MATLAB的功能，这大大扩大了MATLAB的应用范围。
所以现在的MATLAB已不仅仅局限与现代控制系统分析和综合应用，它已是一种包罗众多学科的功能强大的技术计算语言，是当今世界上最优秀的数值计算软件之一。
它强大的科学运算与可视化功能，简单易用，开放式可扩展环境，特别是所附带的30多种面向不同领域的工具箱支持，使得它在许多科学领域中成为计算机辅助设计和分析，算法研究和应用开发的基本工具和首选平台[2]。
MATLAB环境下的Simulink是用于对复杂动态系统进行建模和仿真的图形化交互式平台。
运行于Simulink下的PSB（PowerSystemBlockset）是针对电力系统的工具箱，从Matlab6.0开始它被重新命名为SPS（SimPowerSystem）。
SimPowerSystem是以Hydro-Quebec'研究中心的专家为主的MATLAB的开发的工具箱，主要用于电力系统电力，电子电路的仿真。
随着MATLAB的不断升级，SimPowerSystem也得到了很大的发展。
现在，从MATLAB13版的开始，SimPowerSystem和SimMechanies一起作为现实模型产品族的成员，结合Simulink的使用，可以仿真电气，机械以及控制系统。
使用SimPowerSystem，不需要学习复杂的软件命令，编写软件代码，用户可以专注于物理模型本身，通过与实际电路图非常相似的符号，表示复杂的电网，这有助于大大提高仿真的效率。
1.2配电网的故障现状及分析
电力系统中压配电网一般采用不直接接地或经消弧线圈接地方式，因其发生接地故障时，流过接地点的电流小，所以称为小电流接地系统。
此系统中接地故障最高，由于三个线电压仍然对称，不影响负荷连续供电，故不必立即跳闸，但接地后非故障相电压会升高，长时间带故障运行会影响系统安全，因此需要对故障时刻和故障线路进行检测。
另外故障初期接地点常常伴有很大的接地电阻，各次谐波电流分量很小这将影响故障检测的灵敏度。
因此，需要具有很强的处理微弱信号能力的数字信号处理方法去分析非平稳信号。
对配电网接地短路故障的研究，主要有利用短路后的稳态分量、谐波分量和暂态分量等几种方法。
利用故障后的稳态分量进行故障检测，存在的问题是接地稳态分量太小常导致选线装置不能正确动作而且该方法要求有一个持续的稳态短路过程因此在发生间歇性电弧接地时便不再适用，因此利用能对突变的微弱的非平稳故障信号进行精确处理的小波分析理论,可以很好地分析电力系统电磁暂态过程并提取出故障特征,。
电力系统暂态功角稳定控制是电力系统稳定运行的第一道防线。
暂态稳定性是指电力系统在受到大干扰（如短路故障，突然增加或减少发电机出力、大量负荷，突然断开线路等）后，各同步发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力。
通常指第一或第二振荡周期不失步。
提高电力系统暂态稳定性的措施是多样的。
论文以单机—无穷大系统为例。
主要对电力系统稳定器、快速切除故障、单相自动重合闸等措施在提高电力系统暂态稳定性方面的作用运用MATLAB的电力系统仿真模块集SimPowerSystemsBIockset（以下简称SPS）进行仿真分析。
备注：
相对于Matlab6.0以前的PSB而言，SPS具有以下两方面改进[3]：
1）增加了滤去直流与谐波分量计算的相量法，取消了电气状态量不能跃变的约束，将计算内容固定为额定频率下的交流量，仿真步长因此可由微秒级提高到毫秒级，从而减少了仿真步数、缩短了仿真时间。
2）求解相量方程时，SPS采用了隐式梯形法，克服了微分与代数方程之间的交接误差而且具有良好的稳定性。
由于对步长具有较好的鲁棒性，用户可以选择Simulink微分方程解算器提供的专门针对刚性系统的变步长数值积分方法，使解算器视状态量变化趋势自动选择每一步的步长，而无须通过试算确定。
1.3暂态稳定仿真流程
由于电力系统的动态仿真研究将不能在实验室进行的电力系统运行模拟得以实现。
因此在判定一个电力系统设计的可行性时，都可以首先在计算机上进行动态仿真研究，它的突出优点是可行、简便、经济。
Matlab电力系统工具箱包含的模块有：
ElectricalSources（电源库）、Elements（元件库）、PowerElectronics（电力电子元件库）、Machines（电机库）、Connectors（连接器库）、Measurements（测量仪器库）、ExtraLibrary（附加元件库）、Demos（示例库）、Powergui（图形用户界面graphicaluserinterface）等，
为了研究电力系统的特性，搭建的系统应最大限度的再现实际中的电力系统。
利用模块库中封装好的模块搭建系统，对各环节元件作了一定的理想化。
对各元件的参数也作了一定的取舍与简化，随着模块库的不断更新与完善，利用已有模块搭建的系统基本能模拟实际电力系统的特性．成为对电力系统进行分析、设计、仿真的一个有力工具。
SPS仿真电力系统流程图：
图1-3-1SPS仿真电力系统流程图
第2章单机—无穷大暂态稳定仿真分析
电力系统稳定性问题是指电力系统运行中受到扰动后能否保持发电机间同步运行的问题，根据扰动大小所确定的稳态问题的性质，把它分为静态稳定和暂态稳定。
所谓电力系统静态稳定性，一般是指电力系统在运行中受到微小扰动后，独立地恢复到它原来的运行状态的能力。
电力系统的暂态稳定是指电力系统在某个运行情况下突然受到大的干扰后，能否经过暂态过程达到新的稳态运行状态或者恢复到原来的状态。
这里所谓的大干扰，是相对于小干扰而言的。
如果系统受到大的干扰后仍能达到稳定运行，则系统在这种运行情况下是暂态稳定的。
反之，如果系统受到大的干扰后不能建立稳态运行状态，而是各发电机组转子间一直有相对运动，相对角不断变化，因而系统的功率电流和电压都不断振荡，以至整个系统不能再继续运行下去，则称为系统在这种运行情况下不能保持暂态稳定。
2.1复杂电力系统暂态稳定性分析
引起电力系统大扰动的原因主要有下列几种：
（1）负荷的突然变化，如投入或切除大容量的用户等；
（2）切除或投入系统的主要原件，如发电机，变压器及线路等；
（3）发生短路故障。
其中短路故障的扰动最为厉害，常以此作为检验系统是否具有暂态稳定的依据。
而且短路故障中，单相接地短路故障最多。
在发生短路的情况下，电力系统从一种状态激烈变化到另一种状态，产生复杂的暂态现象。
在三相系统中，可能发生的短路有：
三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路等。
当动态电路从某一稳定状态转换到另一稳定状态时，一些物理量（如电容电压，电感电流等）并不会突变，而是需要一定时间。
在这期间，电路将呈现出不同于稳态的特别现象，即电路的过渡过程或暂态现象。
分析电路的暂态现象时，可建立电压电流的微分方程，并按初始来求解。
MATLAB提供了常微分方程初值问题的数值解法，对于稳态一般用快速而准确的ode45函数，对于暂态一般用ode23函数。
也可采用自适应变不长的求解方法，即当解的变化较快时，步长会自动的变小，从而提高计算精度。
2.2单机—无穷大系统原理
电力系统运行稳定分析中，常采用的模型是单机对无穷大系统（SIMB），单机—无穷大系统认为功率无穷大，频率恒定，电压恒定，是工程上最常用的手段，也是电力系统模拟仿真最简单、最基本的的运行方式[7]，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。
图2-2-1无输电线的单机—无穷大系统原理图
假定联络阻抗为纯电感，则由发电机向无穷大系统送出去的有功功率的P为：
（2.2.1）
式中
—包括发电机阻抗在内的发电机电动势到无穷大系统母线的总阻抗；
—功角；
—发电机电势；
—系统母线电压。
假定在发电机高压母线上发生三相金属性短路。
时刻切除故障，可以将采用仿真来观察发电机运行情况。
在我国，目前仍然以三相短路作为考核暂态稳定的扰动模式之一[3]。
因此在以下的仿真中采用的故障形式为短路故障为主，考虑到PSS（PowerSystemStabilizer）属于Simulink下SimPowerSystem库的machines分支下的模块）作为励磁系统的一个子模块，它的输出时励磁输入信号的一种，通过On-Off开关控制投退。
专门图2-2-2单机无穷大电力系统仿真原理图
2.3结论
第3章Simulink下SimPowerSystem模型应用
Simulink由于其能用最小的代价来模拟真实动态系统的运行，依托数百种预定义系统环节模型、最先进有效地积分算法和直观的图形化工具，依托强健的交互式仿真能力，可以方便调整模型参数设置，而电力系统SimPowerSystem由于使用标准的电气符号、各种模型模块，高精度的仿真结果，优化的仿真算法，大量的功能演示模型，充分发挥了SPS在电力系统仿真的灵活仿真优势。
3.1仿真系统模型步骤
（1）进入MATLAB环境，键入Simulink命令或直接用鼠标点Simulink按键即可打开相应的系统模型库：
图3-1-1Simulink界面图示
（2）对于电力方面仿真应用模块，Matlab从专业角度对其专门设置了Powerlib模拟库，用于对复杂的电气系统进行分析和研究，应用非常方便，集成了所需电力方面的所有方面，启动步骤是：
进入MATLAB环境，键入Powerlib命令，出现图3-1-2：
图3-1-2Powerlib模块图示
（3）建立系统框图：
选择File/New菜单项，建立NewModel，再打开所需模块库的图标，根据本次电力仿真选取相应模块，用鼠标点中其中子模块并拖动到模型窗口中去，两个模块的连接只需用鼠标点一下起点模块的输出端并拖动到终点模块的输入端即可。
3.2仿真模型的搭建
利用MATLAB下的SIMULINK软件和电力系统模块库（SimPowerSystems）进行系统仿真是十分简单和直观的，用户可以用图形化的方法直接建立起仿真系统的模型，并通过SIMULINK环境中的菜单直接启动系统的仿真过程，同时将结果在示波器上显示出来。
对原理分析的基础上，利用SIMULINK软件仿真能对调节器的参数进行更为方便的调整，可以更为直观地得到系统仿真的结果，从而加深对电力系统仿真设计方法的理解。
本次仿真选出需要用到如下模块：
（1）Powerlib电力系统工具箱：
1）ElectricalSources中的Three-PhaseSource（三相电源）模块
2）Elements中的Three-PhaseParallelRLCLoad（三相负载RLC并联）模块和Ground（交流接地）模块以及Three-PhaseBreaker（三相断路器）模块，Three-PhaseFault（三相故障整流器）模块，DistributedParametersLine（分布参数线路）模块，Three-PhaseTransformer（TwoWindings）（三相变压器绕组）模块
3）Machines里SynchronousMachinepuStandad（标么标准同步电机）模块，ExcitationSystem（励磁系统）模块，GenericPowerSystemStabilizer（通用电力系统稳定器）模块
4）Measurements里VoltageMeasurement（电压测量）模块
5）powergui模块
（2）Simulink常用工具箱：
1）Simulink模块集CommonlyUsedBlocks（常用模块）下的Constant（常量）模块，Demux（多路分配器）模块，Gain（获得）模块，Ground模块（直流），Scope（显示器）模块，Sum（求和）模块
2）SignalRouting（信号路由）模块库下的ManualSwitch（手动开关）模块
3）SimPowerSystem（电力系统）模块库下的Machines集中MachinesMeasurementDemux（电机测量复合）模块，需要双击设置相关的输入输出接口。
至此，我们已经把仿真结构框图所需的模块都已拖入模型编辑窗口。
图3-2-1模块拖动选择后的效果图
对各个模块连线并进行相关参数进行设置，电力单机—无穷大系统仿真模型为：
图3-2-2单机—无穷大系统Simulink仿真模型
3.2.1模型详细参数设置
修改模块参数：
双击模块图案，则出现关于该图案的对话框，通过修改对话框内容来设定模块的参数。
（1）双击Gain模块，弹出图3-2-3所示的对话框，在Gain栏目里设置相关系数即可。
图3-2-3Gain模块参数设置
（2）双击Constant模块，弹出图3-2-4和图3-2-5所示的对话框，在Constantvalue里设置参数即可。
图3-2-4Constant模块Pmec参数设置
图3-2-5Constant模块Vref参数设置为常数
（3）双击Sum模块，弹出图3-2-6所示的对话框，在Iconshape里选择round（隐式）即可，由于仿真所需为加法模式，Listofsigns栏目不需要设置。
图3-2-6Sum模块参数设置为
++
（4）双击MachinesMeasurementDemux模块，弹出图3-2-7所示的对话框，选择vs_qd，d_theta，dw，设置完成。
图3-2-7MachinesMeasurementDemux模块参数设置
（5）双击ExcitationSystem模块，弹出图3-2-8所示的对话框，参数默认即可。
图3-2-8ExcitationSystem模块参数设置
（6）双击GenericPowerSystemStabilizer模块，弹出图3-2-9所示的对话框，默认参数即可。
图3-2-9PSS模块参数设置
（7）双击Three-PhaseParallelRLCLoad模块，弹出图3-2-10所示的对话框，设置Nominalfrequencyfn（hz）（额定频率）为50hz，ActivepowerP（w）为1，InductivereactivePowerQL（positivevar）为1，CapacitivereactivepowerQc（nega
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