基于Matlab的电力系统故障分析与仿真Word格式.docx
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指导教师（职称）：
评阅教师：
完成日期：
南阳理工学院
NanyangInstituteofTechnology
[摘 要]随着电力在国民生产各行各业中的广泛应用，电力得到了越来越多的重视，因而电力的安全性与稳定性也显得至关重要。
电力系统的故障分析是解决电力问题，确保电力安全稳定运行的前提。
通过算例对电力系统故障进行分析计算。
借助于MATLAB这一功能强大的仿真软件对电力系统可能出现的三相短路，两相短路，两相接地短路，单相短路故障进行仿真，并针对得到的短路仿真电压，电流波形与实际计算值进行比较，分析。
该方法运用于电力系统故障分析的诊断中，能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]电力系统；
短路故障；
Simulink分析；
单一无穷大系统
PowerSystemFaultAnalysisAndSimulation
ElectricalEngineeringandAutomationSpecialtyWANGMin－jie
Abstract:
Withthewideapplicationofpowerinallwalksoflifeofnationalproduction,hasreceivedmoreandmoreattention,sothesecurityandstabilityofpowerarecrucial.Faultanalysisofpowersystemistosolvethepowerproblem,ensuringsafeandstableoperationofpower.Throughtheexampleofpowersystemfaultanalysis.Withthehelpofthethree-phaseshortcircuit,mayappearonthepowersystemsimulationsoftwareMATLABthispowerfultwo-phaseshortcircuit,twophasegroundingshortcircuit,singlephaseshortcircuitfaultsimulation,andthesimulationofshortcircuitvoltage,currentwaveformandthecalculatedvaluesarecompared,analysis.Themethodusingthediagnosisinpowersystemfaultanalysis,automaticdiagnosis,detectioncanquicklyrealizethefault,isveryimportanttoimprovethestabilityofpowersystemisofsignificance.
Keywords:
Powersystem；
shortcircuitfault；
Simulinkanalysis；
single
infinitebigsystem
1引言
1.1课题研究的目的和意义
截至到2006年，以三峡工程为核心，以华中电网为依托，向东南西北四个方向辐射联网的输电线路已基本建成。
“十一五”期间，除实施已经明确的三峡右岸至上海直流工程外，规划建设的主要工程还有西北至华北直流输电工程，西北与川渝联网工程，华中与华北背靠背联网工程，同时加大山西阳城送电华东的力度并实现华北与华东联网。
“十一五”末期，配合三峡地下电站开发，建设向华北送电的支流输电工程，南北之间将形成以三峡为支撑的主干通道。
我们知道，美国的电网是错综复杂的，以前曾经认为电网越复杂就越安全，可是美加大停电告诉我们事实并非如此。
实际上，美国电网的每段输电线比较短，这就导致了有很多节点；
另外，美国是个资本主义国家，电网在运行的时候考虑的更多的是经济因素，所以在美国电网中存在有比较破旧的设备。
诸多因素导致了美加大停电，其实这也不是偶然现象了，在此之前美国已经出现过两次规模较大的停电了。
印度电网，印度同中国一样都是大的发展中国家。
印度的装机容量和电压水平发展的也很迅速，但和我国还有较大的差距。
印度发电量世界排名第五，仅次于美国，中国，日本和俄罗斯，但印度的电力供应严重不足。
电力作为一种在生活中越来越重要清洁能源，因其使用过程中的高效性，并且没有二次污染。
电力系统的安全与稳定也关系到一个国家国民经济。
电力系统发生使对称结构遭受破坏的短路故障，由于短路会产生十分严重的后果，因而引起了高度重视。
除尽量消除导致短路的原因外，还应在短路故障发生后及时采取措施，尽量减少短路造成的损失，如采用继电保护将故障隔离，在合适的地点装设电抗器以限制短路电流，采用自动重合闸消除瞬时故障使系统尽快恢复正常等。
这些措施均须建立在故障计算的基础上。
在发电厂、变电所以及整个电力系统的设计工作中，都必须事先进行短路计算，以此作为合理选择电气接线、选用有足够热稳定度和动稳定度的电气设备及载流导体、确定限制短路电流的措施、合理配置各种继电保护并整定其参数等的重要依据。
因此故障计算对于电力系统的设计和安全运行具有十分重要的意义。
1.2本论文的主要工作
本文是典型的电力系统故障分析，根据需要，分为三相短路，单相接地短路，两相短路，两相短路接地模型进行仿真分析，而这是我们熟知的四种短路情况，而MATLAB/SIMULINK功能的强大，大大节省了建模的时间，因为软件本身提供了一个三相短路故障器，调整三相短路器故障器可以设置短路的所有情况，对上述这些情况进行相应的仿真分析。
2MATLAB/Simulink简介及其特点
2.1MATLAB简介
1980年，美国的CleveMATLABolerbo博士在新密西格大学讲授线性代数课程时，发现采用高级语言编程极为不方便，于是建立了MATLABATLAB，即矩阵实验室，早期的开发MATLABATLAB是为了帮助老师和学生更好地授课和学习。
1984年，由美国MATLABathWorks公司推出了商业版经过二十余年的不段升级，目前MATLABATLAB最新的版本为MATLABATLABR2010a。
由于使用MATLAB编程运算与科学计算的思路和表达方式完全一致，所以不像学习Basic、Fortran和C语言等其他高级语言那么难以掌握，用MATLAB编写程序犹如在纸上排列公示与求解问题。
在这个环境下，对所要求解的问题，用户只需列出简单的数学表达式，其结果便会由MATLAB以数值的形式显示出来。
从MATLAB诞生以来，由于其高度的集成性和应用的方便性，以及它能非常快捷实现科研人员的设想并节省科研时间，在高校中得到广泛的应用与推广。
它可以很方便的进行图形化的输入与输出，同时还具有丰富的函数库，极易实现各种不同专业的科学计算功能，这都进一步拓宽了它的应用的范围和使用的领域。
在各大高等院校，MATLAB软件正在成为对数值、线性代数以及其他一些高等应用数学课程进行辅助教学的有力工具；
在工程技术界，MATLAB软件也被用来构建与分析一些实际课题的数学模型，其典型的应用包括数值计算，算法预设计与验证，以及一些高等应用课程进行辅助教学的有力工具；
在工程技术界，MATLAB件也被用来构建与分析一些实际课题的数学模型，其典型的应用包括数值计算、算法预估与验证，以及一些特殊矩阵的计算应用，如统计、图像处理、自动控制理论、数字信号处理、系统识别和神经网络等。
它包括了被称作工具箱的各类应用问题的求解工具。
工具箱实际上是对MATLAB软件进行扩展应用的一系列MATLAB函数，它可用来求解许多学科门类的数据处理与分析问题[1]。
2.2Simulink环境和模型库
MATLAB仿真编程实在文本窗口中进行的，编制的程序是一行行的命令和MATLAB函数，而在simulink仿真环境中，由于它与用户的交互接口是基于windows的模型化图形输入，所以用户可以通过单击拖动鼠标的方式绘制和组织系统，并完成对系统的仿真。
在simulink环境中，系统的各元件的模型都用框图来表达，框图之间的连线则表示了信号流动的方向。
对用户来说，只需要知道这些模块的输入输出，而不必通过复杂的编程去完成系统的动态仿真，这是很受欢迎的[2]。
2.2.1Simulink的特点
（1）以调用模块代替程序的编写，以模块连成的框图表示系统，双击模块即可输入模块参数。
以框图表示的系统应包括输入、输出和组成系统本身的模块。
（2）搭建系统模型，设置好仿真参数，即可启动仿真。
这时Simulink会自动完成仿真系统的初始化过程，将系统模型转化为仿真的数学方程，建立仿真的数据结构，并计算系统输出。
（3）系统的运行的状态和结果可以通过波形和曲线观察，等效于实验室中用示波器观察。
（4）系统仿真的数据可以用.mat格式的文件保存，便于用其他数据处理软件进行处理。
（5）如果系统模型搭建不完整或仿真过程中出现计算不收敛的情况，就会给出一定的出错提示信息。
2.2.2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：
Simulink的界面如图1所示：
图1Simulink的界面
MATLAB仿真电力系统流程图如图2所示：
启动Matlab/Simulink
在simulink下新建.model文件。
把相关的电力系统模块拖入到.model文件中
在simulink/simulink相应的元件对话框中设定合适的变步长积分方法
开始仿真，系统会检查出错误和警告，若有，则一一解决
得出结果，并对本次仿真分析，得出结论
图2MATLAB仿真电力系统流程图
3电力系统故障分析
3.1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[3]。
3.2短路故障类型及原因
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给出这几种短路的简略记号。
短路原因：
（1）电气设备的绝缘损坏，这种损坏可能是由于设备长期运行、绝缘老化造成的；
也可能由于设备的本身质量低劣，绝缘强度不够而被正常的电压击穿；
或者设备质量合格绝缘合乎要求而被过电压击穿或者由于设备绝缘受到了外力损伤而造成的。
（2）有关人员的误操作，这种情况大多是由于操作人员违反安全操作规程而发生的，例如带负荷拉闸或者误将低电压设备接入高电压的电路中而造成击穿短路。
（3）鸟兽危害事故鸟兽跨越在裸露的相线之间或者相线与接地物体之间，或者咬坏设备和导线电缆的绝缘，从而造成短路[4]。
表1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
3.3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2。
表2不同范围能发生短路故障几率
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3110kV线路上各种类型短路故障几率
短路类型
5%
4%
8%
83%
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。
3.4后果及其运行方式等比较
3.4.1短路的后果
（1）短路时产生很大的电动力和很高的温度，而使故障元件盒短路电路中的其他原件受到损害和破坏，甚至引发火灾事故。
（2）短路时的电压骤降，严重影响电气设备的正常运行。
（3）短路时的保护装置动作，将故障电路切除，从而造成停电，而且短路点越靠近电源，停电范围越大，造成的损失也越大。
（4）严重的短路要影响电力系统运行的稳定性，可使并列运行的发电机组失去同步，造成系统解列。
（5）不对称短路包括单相短路和两相短路，其短路电流将产生较强的交变磁场，对附近的通信线路电子设备等产生电磁干扰，影响其正常运行，甚至使其发生误动作[5]。
3.4.2中性点的运行方式比较
（1）中性点直接接地的运行方式正常运行时，三相电源电动势对称，中性点为地电位。
当发生单相接地时，构成短路电流回路。
此时，电力系统有以下的特点：
短路回路中的短路电流很大，中性点的电位保持不变，仍为地电位。
（2）中性点不接地方式当发生单相接地是，例如A相为地电位，则中性点对地电压为
即中性点的电压上升为相电压，中性点的电位发生偏移，非故障相对地电压升高为线电压，流过接地电流为电容性电流，等于正常运行时一相电容电流的3倍。
（3）中性点经消弧圈接地的运行方式和中性点不接地的运行方式一样，在发生单相接地时，非故障相的对地电压升高到线电压，线电压间仍为三相对称关系[6]。
3.4.3供电的可靠性比较
（1）当电力系统发生单相接地时，对于中性点直接接地系统，接地相会产生很大的短路电流。
为了防止损坏设备，需要由继电保护装置迅速将故障线路切除，以保证系统中非故障部分的正常运行，这样会造成对用户供电的中断，所以其供电可靠性低。
对于中性点不接地系统或经消弧圈接地的系统，接地相的电流不大，不会对设备造成伤害，同时线电压仍为三相对称，系统仍可以继续运行。
此种情况下，继电保护装置仅发信号，而不动作于断路器跳闸，提高了供电的可靠性。
可在运行中找出并消除故障，自动回复正常运行。
（2）对绝缘的要求
对于中性点直接接地系统，由于中性点电压保持地电位，当发生单相接地故障时，相对地电压仍为相电压，绝缘仅按相电压考虑，对绝缘水平的要求较低。
对于中性点不接地系统或经消弧圈接地的系统，当发生单相接地故障时，中性点电压升高到相电压，非故障相对地电压升高为线电压，故对绝缘水平的要求较高。
（3）不接地与经消弧圈接地方式的比较
电力系统瞬时性单相接地故障多表现为经电弧接地。
对中性点不接地系统，如果流过但路店电弧通道的固有接地电流不大，电弧可以自行熄灭，系统又从新恢复正常。
但当电流超过某一限制值时，可能产生间歇性电弧或稳定燃烧电弧。
间歇性电弧在系统中会引起电弧过电压，过电压的数值随着电弧重燃次数的增加而增加，实测表明，非故障相达到3.2倍相电压时，危及电网绝缘[7]。
经消弧圈接地能解决上述问题。
在发生单相接地时，利用消弧圈产生的电感电流补偿容性电流，使通过电弧通道的电流减小，电弧自行熄灭，消除了电弧接地过电压。
无限大系统中发生两相短路的电路图1所示：
无输电线的单机—无穷大系统原理图2所示：
图3两相短路图4单一无穷大原理图
图5三相短路图6单相短路
无限大容量电力系统中发生三相短路的三相电路图，等效单相电路图分别如图5，6所示：
3.5短路点选择原则
短路计算点是指在正常接线方式时，通过电器设备的短路电流为最大的地点。
所选的短路点一定要是各种短路类型是最严重的情况，因为只要这样才能得出变压器中性点的最大入地电流，算出后才能进行接地电阻允许值的计算。
而且一般不止选择一个短路点，而是通常选择2～3个分别进行计算，然后将计算结果进行比较。
3.6短路电流计算的基本步骤
在进行短路电流计算前，应根据计算的目的搜集有关资料，如电力系统接线图、运行方式、各元件的技术数据等。
进行计算时，首先作出计算电路图，再根据计算电路图对各短路点作出等值电路图；
然后利用网络简化规则，将等值电路逐步简化，求出短路回路总电抗；
最后根据总电抗可求出短路电流值。
3.7电力系统故障分析计算
算例：
假设无穷大功率电源供电系统如图7所示，0.02s时刻变压器低压分母线发生三相短路故障，仿真其短路电流周期分量幅值和冲击电流的大小。
线路参数为L=50KM，X1=0.4Ω/KM，r1=0.17Ω/KM;
变压器的额定容量
，短路电压
，短路损耗
，空载损耗
，空载电流
，变比
，负载
，高低压绕组均为Y形联接；
并设供电点电压为110kV[8]。
图7无穷大功率电源供电系统
计算：
变压器T采用“Three-phrase-transformer（TwoWindings）”模型[9]。
根据给定的数据：
变压器的电阻为：
（1）
变压器的电抗为:
（2）
则变压器的漏感：
（3）
变压器的励磁电阻为：
（4）
变压器的励磁电抗为：
（5）
变压器的励磁电感为：
（6）
输电线路L采用“Three-PhaseseriesRLCBranch”模型[10]。
根据给定的参数计算可得，
（7）
（8）
得到以上的电力系统参数后，可以首先计算出在变压器低压母线发生三相短路故障时短电流周期分量幅值和冲击电流的大小。
短路电流周期分量的幅值为：
（9）
时间常数Ta为：
（10）
则短路冲击电流为：
（11）
4.MATLAB的电力系统仿真
4.1三相系统的仿真模型及各模型参数设置
仿真模型的搭建如图7：
图7仿真模型图
图8三相电源参数设置图
参数的详细设置：
（1）三相电源（three-phasesource）参数的设置：
三相电源参数的设置如图8：
三相电源在电力系统的仿真中是比较常见的元件，对其的设置也是相当的关键，本次设计由于是110KV的电力系统的故障分析，所以相电压设置为110e3V,电压频率设置为50Hz，接地方式设置为Yg中性点直接接地的方式[11]。
（2）三相负载（three-phaserRLCload）参数的设设置如图9
（3）
图9三相负载参数设置图
本模块的电压设置为110KV频率设置为50Hz，可以对其有功和无功的功率进行相应的设置。
相电压还设置为110Kv。
（3）三相支路（three-phaseRLCbranch）的参数设置：
三相支路的参数设置如图10所示：
图10三相支路参数设置
（4）两相变压器（three-phasetransformertwowindings）的参数设置：
两相变压器的参数设置如图11所示：
图11两相变压器的参数设置
（5）三相电流电压测量模块（three-phaseV-Imeasurement）的设置：
三相电流电压测量模块的设置如图12所示：
图12三相电流电压测量模块的设置
（6）短路故障（three-phasefault）参数的设置：
短路故障的参数的设置如图13所示：
图13短路故障的参数的设置
4.2仿真结果分析
（1）三相接地短路时的参数的设置及分析[12]
三相故障模块中选择A,B,C三相故障，并且选择接地故障如下图所示，在测量模块中选择电压和电流作为测量的模块。
然后进行仿真双击scope即可得到电流和电压图形：
图14三相接地短路时的参数设置
三相接地短路时的电压，电流仿真结果如图15，16所示：
图15电压仿真结果
图16电流仿真结果
从三相接地短路电压的图形可以看出在0.02时刻以前电路的三相电压处于稳定的状态从0.02时刻开始发生三相接地短路，因而，A,B,C三相的电压降为零。
A,B,C三相电流出现了较大的波动，0.02时刻后三相电压变为0[13]。
（2）A，B两相接地短路分析
AB两相接地短路时故障模块的设置如图17所示
AB两相短路故障模块的选择A,B两相短路，过渡状态（Transitionstatus）设置为[10]1表示接通0表示断开，过渡时间设置为[0.020.1]，表示在0.02时刻开始，在0.1时刻结束。
三相电压电流测量模块（Three-PhaseV-IMeasure-ment）中选择相电压和电流作为测量电气量，并且选择接地故障如下图所示。
进行仿真，并双击电压和电流的scope即可得到电压和电流的波形[14]。
参数设置如图17所示，AB两相接地短路时的电压，电流波形分别如图18,19所示
：
图17AB两相接地短路时故障模块的设置
图18电压仿真波形图
图19电流仿真波形图
AB两相接地短路分析：
从AB两相接地短路时的电压波形可以看出在0.02时刻以前电路处于稳定状态，在0.02秒时发生AB两相接地短路AB两相的电压降为零，而C相的电压略有偏大，而在1秒的时刻，两相短路恢复正常，AB两相的电压也恢复正常。
而当发生AB两相发生接地短路时，AB两相的电流发生剧烈的变化，C相的电流为零，在0.1秒时刻AB两相短路恢复正常时，A,B,C三相的电压之和在任意时刻都是零。
（3）AB两相短路分析
AB两相的参数的设置如下图所示过渡状态（Transitionstatus）设置为[10]1表示接通0表示断开，过渡时间（Transitiontimes）设置为[0.020.1],选择AB两相短路，参数设置模块如图20所示：
图
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