基于simunlink的热电厂仿真系统研究.docx
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基于simunlink的热电厂仿真系统研究
安徽建筑大学
本科毕业设计（论文）
专业：
电气工程及其自动化
班级：
10电气一班
学生姓名：
李翔
学号：
10210020101
课题：
基于simunlink的热电厂仿真系统研究1
指导教师：
刘红宇
2014年6月11日
基于SIMULINK的热电厂仿真实验系统研究1
李翔
（机电学院电气1班学号：
10210020101指导老师：
刘红宇）
摘要
这次设计利用了MATLAB中SIMULINK组件的动态仿真工具、电力系统工具箱的功能，建立了热电厂的仿真模拟系统。
包含电气一次系统，二次保护系统，二次监测系统，故障模块。
验证了发电厂的110KV供电系统，35KV供电系统，10.5KV供电系统的正常运行状态，以及三相短路，两相短路，单相短路状态，以及故障的切除的可行性。
并制作了GUI控制界面，可以更加简洁明了的进行各种系统状态的模拟。
关键词：
电厂电气系统SIMUNLIK一次系统继电保护
Abstract
ThisdesignusingtheMATLABSIMULINKcomponentinthedynamicsimulationtool,thefunctionofthepowersystemtoolbox,theestablishmentofathermalpowerplantsimulationsystem.Containstheelectricalsystematatime,secondprotectionsystem,secondmonitoringsystem,faultmodules.Verifythe110KVpowersupplysystemofpowerplant,35KVpowersupplysystem,thenormaloperationofthe10.5KVpowersupplysystem,andthreephaseshortcircuit,twophaseshortcircuit,singlephaseshortcircuitstate,aswellasthefailureofthefeasibilityofexcision.AndproducedaGUIcontrolinterface,canbemorestraightforwardforavarietyofsystemstatesimulation.
Keywords:
PowerplantelectricalsystemSIMUNLIKsystematatimeRelayprotection
第一章仿真模型的介绍
MATLAB是由美国的Mathworks公司开发的发型软件，是以矩阵运算为基础，把计算，程序设计，可视化等融合在一起一个交互的工作环境中。
在此环境可实现工程计算，算法研究，建模仿真，应用程序开发等。
MATLAB在电力系统建模和仿真应的应用主要由电力系统模块PowerSystemBlocket来完成的。
PowerSystemBlocket是由TEQSIM公司和加拿大魁北克水电站开发的。
PSB是在SIMULINK环境下使用的模块，采用变步长积分法，对刚性，非线性，非连续性系统进行精确仿真。
并可以精确的检测出断点和开关发生时刻，PSB程序库中含有代表电力网络中的一般部件和设备的SIMULINK程序模块。
通过PSB可以迅速建立模型，并立即进行仿真。
PSB程序模块库中的测量程序和控制源起到电信号和SIMULINK程序之间的连接作用。
Simpowersystems中包括了电路仿真所需要的各种原件模型。
如图1包括电源模块，基础电路模块，电力电子模块，电机模块，连接器模块，检测模块以及附加功能模块等七中模块库。
每个模块库中包含了各种基础元件模型。
例如电源模块库中有直流电压，直流电流源，交流电压源，交流电流源，受控电流源，受控电压源等五中电源模型。
电力电子模块库中包含了理想开关元件，晶闸管，功率场效应管，可关断晶闸管等多种功率开关原件模型。
电机模块库中包含了各种电机模型，例如异步电机，同步电机，永磁同步电机等。
只需要把模块库中的元件拖到仿真平台上，通过参数设置对话框就可以实现参数的设置，然后就可以进行电路与电力系统仿真了。
如图1-1。
1.1简化的同步发电机模型
在MATLAB中，发电机模型位于SimPowerSystems工具箱下machines库中，共有简化同步发电机模型和详细的同步发电机模型两大类。
本次模拟采用简化的同步发电机模型，如图1-2。
图1-1Simpowersystems
图1-2同步发电机模型
在简化的同步发电机模型中，电机电气部分采用忽略电枢反应电感，励磁绕组，和阻尼绕组漏感，仅由理想电压源串联RL线路组成的电路模拟，其中R值和L值分别为电机的内阻抗。
这是一个只计及转子动态的二阶模型，同时忽略凸极效应。
简化同步发电机模块的段子功能如下：
Pm:
此段子为发电机轴的机械功率。
Pm的值是大于零的，它可以是常数也可以是原动机的输出。
E：
此端子为发电机内部电压源的电压，可以是常数，也可以直接与电压调节器的输出端相连接。
A，B，C:
发电机定子输出电压的电气连接端子。
m:
此端子包含12个信号的矢量。
在仿真库中，可以用电机测量信号分离器对12个信号进行分离。
1.2变压器
在SimPowerSystem工具箱下的Elements库中，提供的三相双绕组和三相三绕组变压器模块。
由于三相三绕组变压器的参数设置与三相双绕组变压器的参数设置类似，所以在此以三相双绕组变压器的参数设置为例，并且此次模拟采用的变压器也为三相双绕组变压器模块，如图1-3。
图1-3变压器模型
变压器模块的端子ABC，abc分别为变压器3个绕组的端子。
变压器绕组的连接方式如下：
Y形联结：
3个电气连接端口（A，B，C或a,b,c）。
Yn形联结：
4个电气连接端口（A，B，C，N或a,b,c,n）,绕组中线可见。
Yg形联结：
3个电气连接端口（A，B，C或a，b,c），模块内部绕组接地。
D1形联结：
3个电气连接端口（A，B，C或a,b,c）,△绕组滞后Y绕组30°。
D11形联结：
3个电气连接端口（A，B，C或a,b,c）,△绕组超前Y绕组30°。
1.3三相断路器与输电线路
1.3.1三相断路器
在SimPowerSystems工具箱中的Elements库中，如图1-4所示。
图1-4三相断路器模型
1.3.2输电线路
在SimPowerSystems库中，提供了输电线路模型有“∏”形等值模块和分布参数模块。
1.3.2.1输电线路模块
输电线路的“∏”形等值模块包括单相“∏”形等值电路模块（Single-phaseLine）和三相“∏”形等值电路模块（Three-phaseLine）。
如图1-5所示。
1.3.2.2分布参数模块
改变分布参数的相数，可以动态的改变模块的图标。
如图1-6所示为单相，三相和多相分布参数线路的图标。
图1-5输电线路模块
图1-6分布参数模块
与“∏”形等值电路模块相比，分布参数线路可以较好的描述波的传输过程。
1.3.3负载与故障模型
如图1-7所示为三相静态负荷，三相动态负荷和三相接地故障模块。
1.3.4Powergui模块
Powergui模块是Simulink为电力系统仿真提供的图形用户分析界面。
Powergui利用Simulink功能连接不同的电气原件，是分析电力系统模型有效的图形化用户接口工具。
如图1-8所示为Powergui模块图标和主窗口。
1.3.5三相电压电流测量模块与示波器模块
三相电压电流测量模块（Three-PhaseV-IMeasurement）位于SimPowerSystems库的Measurements模块中。
示波器位于Simulink基础库的Sinks库中。
如图1-9所示。
1.3.6三相集成串联阻抗模块
图1-7负荷和故障模块
图1-8Powergui模块图标和主窗口
在simulink中没有单个的电阻、电感和电容元件，可以从串联或并联的分支来定义单独的电路元件，具体做法是：
打开电力系统模块集（simpowersystems）——>元件模块（elements）中的seriesRLCBranch图标，之后其属性对话框中设置：
电阻数值电感数值电容数值。
模块式样如图1-10。
图1-9测量模块和示波器模块
图1-10复合阻抗模块
1.3.7三相滤波模块
进行三相供电系统中的谐波过滤。
模块式样如图1-11。
图1-11三相滤波模块
第二章建模仿真
2.1发电厂电气主接线图
发电厂电气主接线如图2-1。
这次模拟的发电厂系统原理图由安能热电厂的系统原理图为蓝本。
有三台15兆瓦发电机并网发电，发出的电压等级为10.5KV。
分别为110KV，35KV，和10.5KV用电系统供电。
2.2仿真系统图
仿真系统图如图2-2。
系统为三台发电机并网发电，由一台25兆瓦，两台15兆瓦的发电机构成。
竟有110千伏升压变电所升压后，长距离输送给给个电压等级的用户，分别为10.5千伏，35千伏，和110千伏。
2.3各模块参数设置
2.3.1同步发电机模块参数设置
如图2-3。
输入机械功率为15兆瓦，输出电压为10.5KV，频率为50HZ。
2.3.1.2输入模块
输入参数如图2-4。
2.3.2低压短距离输电模拟模块参数设置
设为纯电阻模型如图2-5。
图2-1发电厂电气主接线
图2-2仿真系统图
图2-3同步发电机参数模块设置
2.3.3谐波过滤模块参数设置
如图2-6。
图2-4输入参数模块
2.3.4变压器模块参数设置
2.3.4.1110KV变压器参数模块设置
一次侧电压为10.5KV，二次侧考虑的输电线路损耗，设为121KV，频率50HZ。
一次侧绕组接线形式为三角形，二次侧接线形式为星型接法。
变压器容量为留有裕量设为20兆瓦，如图2-7。
图2-5低压短距离输电模拟模块参数
图2-6谐波过滤模块参数
2.３.４.２ ３５KV变压器模块参数设置
３５KV变压器模块一次，二次绕组接线形式与１１０KV变压器模块参数设置相同。
同样因为考虑线路损耗，容量设为２０兆瓦。
一次侧电压１０.５KV，二次侧考虑损耗电压设置为３８.５KV，如图2-8。
图2-7110KV变压器参数模块设置
2.3.5输电线路模块参数设置
线路模拟长度为100公里，频率50HZ，如图2-9。
2.３.６负载模块参数设置
如图2-10。
2.4GUI控制界面的设置及M文件的编写
图2-835KV变压器模块参数设置
2.4.1GUI控制界面
图形用户界面（GraphicalUserInterface，简称GUI，又称图形用户接口）是指采用图形方式显示的计算机操作用户界面。
与早期计算机使用的命令行界面相比，图形界面对于用户来说在视觉上更易于接受。
所以在MATLAB仿真主系统
搭建完毕后就可以设置一个易于演示的GUI界面。
在Matlab命令行运行guide命令打开图形用户启动界面GUIDEQuickStart
对话框，选择BlankGUI（Default），单击“OK”按钮，新建一个图形用户界面设计界面，如图2-11。
2.4.2M文件
使用matlab的时候，可以在“CommandWindow”内直接书写matlab代码，也可以将代码保存到M文件中，然后运行该文件。
使用matlab主界面菜单“File”->“New”->“M-File”可以打开一个文本编辑器编辑M文件。
M文件及matlab的代码文件，在M文件编辑器的菜单中，选取“Debug”->“Run”即可运行。
在路径设置正确的情况下，在“CommandWindow”中直接输入M文件的名称可以运行M文件中的代码。
图2-9输电线路模块参数设置
图2-10负载参数模块设置
图2-11GUI进入界面
2.4.2.1主界面控制M文件
functionvarargout=lixiangzhu（varargin）
%LIXIANGZHUM-fileforlixiangzhu.fig
%LIXIANGZHU,byitself,createsanewLIXIANGZHUorraisestheexisting
%singleton*.
%
%H=LIXIANGZHUreturnsthehandletoanewLIXIANGZHUorthehandleto
%theexistingsingleton*.
%
%LIXIANGZHU（'CALLBACK',hObject,eventData,handles,...）callsthelocal
%functionnamedCALLBACKinLIXIANGZHU.Mwiththegiveninputarguments.
%
%LIXIANGZHU（'Property','Value',...）createsanewLIXIANGZHUorraisesthe
%existingsingleton*.Startingfromtheleft,propertyvaluepairsare
%appliedtotheGUIbeforelixiangzhu_OpeningFunctiongetscalled.An
%unrecognizedpropertynameorinvalidvaluemakespropertyapplication
%stop.Allinputsarepassedtolixiangzhu_OpeningFcnviavarargin.
%
%*SeeGUIOptionsonGUIDE'sToolsmenu.Choose"GUIallowsonlyone
%instancetorun（singleton）".
%
%Seealso:
GUIDE,GUIDATA,GUHANDLES
%Copyright2002-2003TheMathWorks,Inc.
%Edittheabovetexttomodifytheresponsetohelplixiangzhu
%LastModifiedbyGUIDEv2.504-Jun-201410:
16:
39
%Begininitializationcode-DONOTEDIT
gui_Singleton=1;
gui_State=struct（'gui_Name',mfilename,...
'gui_Singleton',gui_Singleton,...
'gui_OpeningFcn',@lixiangzhu_OpeningFcn,...
'gui_OutputFcn',@lixiangzhu_OutputFcn,...
'gui_LayoutFcn',[],...
'gui_Callback',[]）;
ifnargin&&ischar（varargin{1}）
gui_State.gui_Callback=str2func（varargin{1}）;
end
ifnargout
[varargout{1:
nargout}]=gui_mainfcn（gui_State,varargin{:
}）;
else
gui_mainfcn（gui_State,varargin{:
}）;
end
%Endinitializationcode-DONOTEDIT
%---Executesjustbeforelixiangzhuismadevisible.
functionlixiangzhu_OpeningFcn（hObject,eventdata,handles,varargin）
%Thisfunctionhasnooutputargs,seeOutputFcn.
%hObjecthandletofigure
%eventdatareserved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB
%handlesstructurewithhandlesanduserdata（seeGUIDATA）
%varargincommandlineargumentstolixiangzhu（seeVARARGIN）
beijing=axes（'units','normalized','position',[0011]）;
uistack（beijing,'down'）
II=imread（'2.png'）;
image（II）
colormapgray
set（beijing,'handlevisibility','off','visible','off'）;
%Choosedefaultcommandlineoutputforlixiangzhu
handles.output=hObject;
%Updatehandlesstructure
guidata（hObject,handles）;
%UIWAITmakeslixiangzhuwaitforuserresponse（seeUIRESUME）
%uiwait（handles.figure1）;
%---Outputsfromthisfunctionarereturnedtothecommandline.
functionvarargout=lixiangzhu_OutputFcn（hObject,eventdata,handles）
%varargoutcellarrayforreturningoutputargs（seeVARARGOUT）;
%hObjecthandletofigure
%eventdatareserved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB
%handlesstructurewithhandlesanduserdata（seeGUIDATA）
%Getdefaultcommandlineoutputfromhandlesstructure
varargout{1}=handles.output;
%---Executesonbuttonpressinpushbutton1.
functionpushbutton1_Callback（hObject,eventdata,handles）
%hObjecthandletopushbutton1（seeGCBO）
%eventdatareserved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB
%handlesstructurewithhandlesanduserdata（seeGUIDATA）
Value=get（handles.popupmenu2,'value'）
switchget（handles.popupmenu1,'value'）
case2%正常运行
fangzheng1
case3%短路故障状态
switchValue
case2%母线三相短路
fangzheng2
case3%两相短路
fangzheng3
case4%单相短路
fangzheng4
end
case4%短路故障恢复状态
switchValue
case2%三相短路恢复
fangzheng5
case3%两相短路恢复
fangzheng6%单相短路恢复
case4%单相短路恢复
fangzheng7
end
end
%---Executesonbuttonpressinpushbutton2.
functionpushbutton2_Callback（hObject,eventdata,handles）
%hObjecthandletopushbutton2（seeGCBO）
%eventdatareserved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB
%handlesstructurewithhandlesanduserdata（seeGUIDATA）
close;
%---Executesonselectionchangeinpopupmenu1.
functionpopupmenu1_Callback（hObject,eventdata,handles）
%hObjecthandletopopupmenu1（seeGCBO）
%eventdatareserved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB
%handlesstructurewithhandlesanduserdata（seeGUIDATA）
%Hints:
contents=get（hObject,'String'）returnspopupmenu1contentsascellarray
%contents{get（hObject,'Value'）}returnsselecteditemfrompopupmenu1
%---Executesduringobjectcreation,aftersettingallproperties.
functionpopupmenu1_CreateFcn（hObject,eventdata,handles）
%hObjecthandletopopupmenu1（seeGCBO）
%eventdatareserved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB
%handlesempty-handlesnotcreateduntilafterallCreateFcnscalled
%Hint:
popupmenucontrolsusuallyhaveawh
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