基于matlab的电力系统故障分析与仿真1.doc

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课程设计说明书

题目名称：

基于Matlab的电力系统故障分析与仿真

系部：

电力工程系

专业班级：

电气工程14-1

学生姓名：

学号

指导教师：

完成日期：

2018年1月19日

新疆工程学院

课程设计评定意见

设计题目基于Matlab的电力系统故障分析与仿真

系部电力工程系_________专业班级电气工程14-1

学生姓名______________学生学号

评定意见：

评定成绩：

指导教师（签名）：

年月日

（此页背书）

评定意见参考提纲：

1、学生完成的工作量与内容是否符合任务书的要求。

2、学生的勤勉态度。

3、设计或说明书的优缺点，包括：

学生对理论知识的掌握程度、实践工作能力、表现出的创造性和综合应用能力等。

新疆工程学院

电力工程系课程设计任务书

2017-2018学年1学期2018年1月8日

专业

电气工程及其自动化

班级

电气工程14-1

课程名称

电力系统仿真

设计题目

基于Matlab的电力系统故障分析与仿真

指导教师

胡衡

起止时间

2018.1.8-

2018.1.19

周数

2

设计地点

实验楼A209

设计目的：

本次设计旨在学习和掌握电力系统仿真的基本方法。

通过MATLAB/SIMULINK仿真软件，使所学的专业知识和技能能够得到灵活运用，包括电力系统的建模，参数设置，短路故障设置或潮流计算，结果分析及波形调试等。

从建模与仿真、数据分析、工程系统分析等方面培养和提高解决实际电力系统的短路与潮流计算的能力以及电力系统综合分析的能力。

设计任务或主要技术指标：

1、原始资料分析；

2、通过MATLAB/SIMULINK软件建立电力系统仿真模型；

3、参数、短路故障设置及仿真调试；

4、观察不同短路点及短路类型时的电压和电流波形；

5、潮流计算结果处理及功率损耗分析等。

设计进度与要求：

第1天：

资料分析及参考相关设计手册、规范及电力技术标准；

第2-3天：

根据实际电力系统建立仿真模型；

第4-5天：

各元件参数设置与调试；

第6-7天：

短路点及不同短路类型的设计；

第8-9天：

仿真调试运行及结果处理分析；

第10-11天：

各短路、短路类型情况下电压电流波形分析和潮流计算及其结果分析；

第12-13天：

设计说明书的撰写及修改完善；

第14天：

答辩，上交合格报告。

主要参考书及参考资料：

[1]于群.MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真[M].北京：

机械工业出版社,2011.

[2]梁志瑞.电力系统课程设计参考资料[M].保定：

华北电力大学出版社,2004.

[3]傅知兰.电力系统电气设备选择与使用计算[M].北京：

中国电力出版社,2004.

[4]熊信银.发电厂电气部分[M].北京：

中国电力出版社,2009.

[5]李献.MATLAB/Simulink系统仿真[M].北京：

清华大学出版社,2017.

教研室主任（签名）系（部）主任（签名）

摘要

本次设计介绍了电力系统故障分析方法及Matlab/Simulink的基本特点。

通过算例对电力系统故障进行分析计算。

然后对算例，运用Matlab/Simulink进行电力系统故障仿真，得出仿真结果。

并将电力系统故障的分析计算结果与Matlab仿真的分析结果进行比较，从而得出结论。

结果表明运用Matlab对电力系统故障进行分析与仿真，能够准确直观地考察电力系统故障的动态特性，验证了Matlab在电力系统仿真中的强大功能。

关键词：

电力系统；故障；Matlab；仿真

目录

1.引言 1

1.1电力系统故障分析的基本知识 1

1.1.1故障概述 1

1.1.2故障类型 1

1.1.3故障概率 1

1.2电力系统故障诊断技术 2

2仿真软件 4

2.1Matlab的简介 4

（1）友好的工作平台和编程环境 4

（2）简单易用的程序语言 4

（3）强大的科学计算机数据处理能力 5

（4）出色的图形处理功能 5

（5）应用广泛的模块集合工具箱 5

（6）实用的程序接口和发布平台 5

（7）应用软件开发（包括用户界面） 6

2.2Simulink的简介 6

3电力系统故障计算的基本原理 8

3.1短路计算的基本原则和规定 8

3.2短路点的选择原则与确定 9

3.2.1短路点选择原则 9

3.2.2短路点的选择 9

3.3短路电流计算 9

3.3.1计算的基本步骤 9

3.3.2短路计算 10

4电力系统故障仿真 12

4.1概述 12

4.2电力系统各元件主要模型 12

4.2.1同步发电机 12

4.2.2三相π型线路功能模块（3-PhasePISection） 13

4.2.3并联RLC负荷模块（Elements） 14

4.2.4三相故障模块（3-phaseFault） 14

4.2.5变压器模块 15

4.3电力系统故障仿真 16

4.3.1算例图 16

4.3.2模型建立步骤及其参数设置 17

4.4仿真结果与分析 27

4.4.1仿真结果 27

4.4.2结果分析 28

总结 29

致谢 30

参考文献 31

1.引言

1.1电力系统故障分析的基本知识

1.1.1故障概述

短路是电力系统的严重故障。

所谓短路，是指一切不正常的相与相之间或相与地（对于中性点接地的系统）发生系统通路的情况。

电力系统在运行中，相与相之间或相与地（或中性线）之间发生非正常连接（即短路）时流过的电流。

其值可远远大于额定电流，并取决于短路点距电源的电气距离。

例如，在发电机端发生短路时，流过发电机的短路电流最大瞬时值可达额定电流的10～15倍。

大容量电力系统中，短路电流可达数万安。

这会对电力系统的正常运行造成严重影响和后果。

供电网络中发生短路时,很大的短路电流会使电器设备过热或受电动力作用而遭到损坏,同时使网络内的电压大大降低,因而破坏了网络内用电设备的正常工作.为了消除或减轻短路的后果,就需要计算短路电流,以正确地选择电器设备、设计继电保护和选用限制短路电流的元件。

1.1.2故障类型

三相系统中发生的短路有4种基本类型：

三相短路，两相短路，单相对地短路和两相对地短路。

其中，除三相短路时，三相回路依旧对称，因而又称对称短路外，其余三类均属不对称短路。

在中性点接地的电力网络中，以一相对地的短路故障最多，约占全部故障的90％。

在中性点非直接接地的电力网络中，短路故障主要是各种相间短路。

表1.1给出这几种短路的简略记号。

短路类型

示意图

代表符号

三相短路

二相短路

单相短路

二相短路接地

表1.1短路的简略记号

1.1.3故障概率

运行经验指出，架空输电线是电力系统中比较薄弱的环节，发生短路的几率最高，我国某电力系统多年统计出在不同范围内发生短路故障的相对次数列出如表1.2。

29

基于Matlab的电力系统故障分析与仿真

线路范围

发生几率

在110kV线路上

容量为6000kW以上的发电机

110kV变压器

110kV母线

78.0%

7.5%

6.5%

8.0%

表1.2不同范围能发生短路故障几率

短路类型

发生几率

三相短路

二相短路

二相短路接地

单相短路

5%

4%

8%

83%

表1.3110kV线路上各种类型短路故障几率

从表1.3中的数字中可以看出单相短路几率占压倒性多数，国外的运行经验也证明了这一点。

三相短路的几率是很小的，但这并不说明三相短路无关紧要，相反对三相短路应该加以重视，因为三相短路的情况最严重，有时为了最后论断电力系统在短路情况下工作的可能性，他起着决定性的作用。

此外，研究三相短路之所以重要，还由于我们在分析计算不对称短路时，往往把不对称短路看成某种假定的三相短路来处理。

1.2电力系统故障诊断技术

早在1982年8月，美国电力研究所（EPRI）便开始了火电站设备早期故障检测的工作，经过此后10多年的努力，在电站性能监测和诊断方面，EPRI一直处于领先地位。

此外，美国西屋公司也在1976年开始了电站在线计算机诊断工作，并在1980年投入了一个小型的电机诊断系统，1981年进行电站人工智能故障诊断专家系统的研究，1984年应用于现场,到1990年己发展成为大型电站在线监测诊断系统（AID）,即汽轮发电机组智能化故障诊断专家系统。

我国在故障诊断技术方面的研究起步较晚，开始于20世纪70年代末，落后于国外至少20-30年的历史，基本上是在引进国外先进技术基础上进行消化、吸收而发展起来的。

第一阶段为起步阶段，从1979年至1990年大约用了10年时间。

这个阶段的特点是认识设备诊断技术的重要性，设备诊断技术的基础理论研究十分活跃，这个阶段以快速傅里叶变换、谱分析、信号处理等技术为基础，以设备状态监测为技术目标。

第二阶段为发展阶段，从1991年开始至90年代末以我国工业的建设迅速发展为背景，以现代化管理的需要为前提，出现了诊断技术迅速发展的局面。

这个阶段以故障分类、模式识别、智能化专家系统及其计算（故障树计算、模糊逻辑计算、神经网络计算、基因计算等）为基础，全方位开展了设备的故障诊断研究，从理论和生产应用上形成了具有我国特点的故障诊断理论，研制出了可与国际接轨的大型设备状态监测与故障诊断系统。

电力系统故障诊断是近年来十分活跃的研究课题之一。

传统型的研究是在建立被诊断系统网络拓扑结构模型的基础上，根据发生故障时系统结构和参数变化，导致系统潮流的变化，进而根据潮流计算的变化判断出故障，多用传统的数学方法，采用单一的集中求解，因系统规模、复杂程度和不确定因素等的限制难以适应目前电力系统的这样一个日趋复杂的分布式大系统的故障诊断问题发展趋势，系统故障诊断难以达到理想的效果。

因此，目前研究电力系统故障诊断的方法主要是采用的智能化方法。

近几十年来，故障诊断技术得到了深入广泛的研究，提出了众多可行的方法，概括起来即可可分为三大类：

基于Matlab的电力系统故障分析与仿真

基于解析模型的方法，在了解诊断对象数学模型的基础上，按一定的数学方法对被测信息进行处理判断，可分为状态估计法、等价空间法和参数估计法等。

基于解析模型的故障诊断方法是最早发展起来的，其主要思想是通过构造观测器估计出系统输出，然后将它与输出的测量值作比较，从中获得故障信息。

由于建模的困难与模型本身的误差以及各种不可预见的因素（如系统发生故障时，不仅可能引起模