基于MATLAB的电力系统短路故障分析与仿真.docx
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基于MATLAB的电力系统短路故障分析与仿真
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毕业论文
基于MATLAB的电力系统短路故障分析与仿真
院部机械与电子工程学院
专业班级电气工程及其自动化
届次2015届
学生姓名
学号
指导教师
装
订
线
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Contents
基于MATLAB的电力系统短路故障分析与仿真
刘继文
（山东农业大学机械与电子工程学院泰安271018）
摘要：
短路是电力系统中最容易发生的故障，每年因短路而引发的电气事故不计其数。
本文详细介绍了短路故障产生的原因以及危害等，并重点介绍了Simulink仿真工具在电力系统中的应用。
利用电力系统工具箱SPS和Simulink模块可以对电力系统故障进行仿真。
在仿真平台上，以无限大电源系统为建模对象，经过模块选择，连线，参数设置等步骤，对电力系统可能出现的三相短路、单相短路、两相短路以及两相接地短路几种故障进行仿真。
仿真结果表明，波形与理论分析基本一致，由此说明MATLAB在电力系统仿真研究中具有重要的实用价值[1]。
关键词：
短路电力系统MATLAB故障仿真
AnalysisandSimulationofShortCircuitFaultinPowerSystemBasedonMATLAB
JiwenLiu
（collegeofmechanicalandelectronicengineering,ShandongAgriculturalUniversity,Tai’an,271018）
Abstract：
Shortcircuitismostlikelytooccurinpowersystemfault,therearecountlesselectricalaccidentseachyearduetoshortcircuits.Thispaperexpoundsthecausesoffaultsandhazards,andfocusesontheapplicationofSimulinksimulationtoolsinpowersystem.PSBandSimulinkToolboxmodulescanuseelectricpowersystemsimulationforpowersystemfailures.Onthesimulationplatform,withinfinitepowersourcesystemformodelingobjectsthroughmoduleselection,connection,stepssuchasparametersettings,onpossiblethree-phaseshortcircuit,single-phasepowersystemshortcircuit,two-phaseshortcircuitfaultsimulationoftwo-phaseshortcircuittoground.SimulationresultsshowthatthewaveformanalysisareconsistentwiththetheorythatillustratetheMATLABinsimulationofpowersystemisofsignificantpracticalvalue.
Keywords：
shortcircuit;powersystem;MATLAB;fault;simulation
1引言
1.1课题研究的背景
随着电力工业的迅猛发展，电力系统的规模越来越大，如今已成为世界上覆盖面最广、结构最复杂的人造系统之一。
众所周知，电能的生产、输送、分配和使用四个环节是同时进行的，即电能不能够被储存。
因此，如何生产安全、优质、经济的电能以保证电力系统的安全可靠运行成了当今值得关注的课题。
正是由于电力系统的特殊复杂性，许多电力系统故障也随之发生，其中以短路故障最为严重。
最近几年，国内外发生了多次重大停电事故，由此造成了巨大的经济损失，同时也严重影响了人民的正常生产、生活秩序[2]。
因此，研究电力系统中的短路故障问题，尤其是短路电流问题一直受到电力科技工作者的高度重视[3]。
1.2课题研究的国内外现状
基于电力系统的复杂程度以及从安全性角度考虑，许多电力系统试验已无法在实验室中模拟进行。
因此，国内外从上世纪80年代开始对电力系统故障分析做了大量的研究工作，并提出了许多故障诊断方法，但是实际上并没有得到有效的解决。
考虑到电力系统的实际运行情况，从技术和安全角度来讲，已经无法进行科学的实验。
所以，开展电力系统故障仿真就显得颇具现实意义和实用价值。
借助于计算机，一系列的仿真软件开始诞生。
当前，我们应用的电力系统仿真软件主要有：
（1）PSCAD/EMTDC程序：
其功能是研究当电力系统遭受扰动或者参数发生变化时，观察参数随时间的变化规律[4]。
（2）EMTP程序：
其功能是进行电力系统电磁暂态计算，电力系统暂态保护装置的综合选择以及电力系统暂态过电压分析等[5]。
（3）PSASP程序：
其功能是进行电力系统暂态分析、稳态分析以及故障分析等。
当然，除此之外还有MathWorks公司开发的MATLAB应用软件。
由于MATLAB具有强大的计算功能、良好的动态仿真环境以及丰富的内置工具箱，因此逐渐成为电路、电力电子以及电力系统等模块的重要仿真工具。
2短路故障分析
2.1近年来短路故障
我们先来看几组数据：
2000年12月25日21时35分，河南省洛阳市老城区的东都商厦发生特大火灾，正在二、三楼施工的部分民工以及四楼歌舞厅内的200多人被大火围困。
经有关部门确认，火灾已造成309人死亡，此次火灾是由于线路老化而造成短路引起的灾难[6]。
2005年11月27日21时22分，黑龙江省龙煤矿业公司七台河分公司东风煤矿发生特大事故，造成171人死亡，48人受伤，直接经济损失达4292.1万元。
事故原因是采掘机电机短路引起火花，从而引发瓦斯爆炸。
2008年9月20日22时49分，深圳龙岗区舞王俱乐部发生火灾，导致44人死亡，64人受伤，直接经济损失达七千万。
事故的直接原因是舞台照明线路和施放焰火同时起火引发的。
2015年5月25日19时55分，河南平顶山市鲁山县城西琴台办事处三里河村一老年康复中心发生火灾，经过抢险人员全力抢救，共救出44人，其中：
38人死亡、4人轻伤、2人重伤，事故原因为线路老化。
以上报道，不是危言耸听，都是发生的真实案例。
据统计，2012年全国电气火灾数量占总火灾比重为29.9%，但人员伤亡比重为32.5%，经济损失比重为41.4%。
由此可见，电气火灾事故往往会造成更高的人员伤亡和更大的经济损失。
2.2短路的定义及其分类
短路是指不同电位的导电部分包括导电部分对地之间的低阻性短接。
根据短路发生的部位不同，短路故障可以分为4种类型：
三相短路（K（3））、单相接地短路（K
（1））、两相短路（K
（2））和两相接地短路（K（1,1））。
三相短路属于对称性短路，而其他形式为不对称短路。
在电力系统中，发生单相短路的概率最大，大约能占到故障发生总数的65%；而发生三相短路的概率最小，但是一般情况下，特别是远离电源（发电机）的工厂供电系统中，三相短路的短路电流最大，因此它造成的危害也最严重。
三相短路是指三相供配电系统三相导体间的短路，如图2-1所示。
两相短路是指三相供配电系统中任意两相导体间的短路，如图2-2所示。
K
（2）
Ik
（2）
图2-2两相短路
A
单相短路是指供配电系统中任一相经大地与中性点或与中线发生的短路，如图2-3所示。
负荷
电源
B
K
（1）
O
C
Ik
（1）
图2-3（a）单相短路
K
（1）
O
负荷
A
电源
B
C
Ik
（1）
N
图2-3（b）含中性线的单相短路
两相接地短路是指中性点不接地系统中任意两相发生单相接地而产生的短路，如图2-4所示。
K（1，1）
Ik（1，1）
图2-4两相接地短路
2.3短路故障产生的原因及危害
工厂供电系统要不间断地、正常地对用电负荷供电，从而保证工厂生产和生活的正常进行。
但是，由于种种原因，也会难免出现故障，进而使得电力系统的稳定性运行遭到破坏。
在实际生活中，造成短路故障的原因有很多，其中最主要的原因是电气设备载流部分的相间绝缘或者相地绝缘遭到破坏，例如：
（1）设备被过电压（包括雷电过电压）击穿[7]；
（2）设备长期连续运行、绝缘自然老化；
（3）设备质量低劣、绝缘强度不够；
（4）设备发生闪络，被正常电压击穿；
（5）设备受到外力的作用使绝缘受损而击穿；
（6）老鼠等咬坏线路，或者跨越在线路之间；
（7）工作人员误操作。
总之，短路故障产生的原因既有客观因素，也有主观因素，只要监管人员有较强的责任心，严格执行各种规章制度，以身作则，就可以把短路故障控制在一个最小的范围之内，从而得到最大效益。
短路发生后，系统中出现的短路电流要比正常负荷电流大得多。
在大电力系统中，短路电流可以达到几万甚至几十万安培。
短路电流如此之大，所产生的危害也是巨大的：
（1）短路电流通过导体时，产生的热效应会引起导体或其绝缘受损；
（2）导体由于受到电动力的冲击而变形，甚至损坏；
（3）短路会引起电网中电压降低，并且越靠近短路点，电压下降越多，结果可能是使部分用户的供电受到破坏。
（4）不对称接地短路所引起的不平衡电流所产生的不平衡磁通，会在邻近的平行通信线路内感应出相当大的电动势，造成对通信系统的干扰，甚至危及设备和人身的安全[8]。
（5）短路会破坏发电机的同步性，从而造成系统瓦解，严重时会引发大片地区停电。
2.4预防措施
预防短路故障的主要措施是限制短路电流、缩短短路电流的持续时间、减少发生短路的机会。
具体讲就是：
（1）为了保证电气设备的额定电压与线路的额定电压相符，必须进行短路电流的计算，正确选择及校验电气设备。
（2）为了确保发生短路时迅速将故障切除，减少短路所造成的危害，我们应该采用电流速断保护装置，并且要正确选择熔体的额定电流和继电保护的整定值。
（3）为了减少雷击损害，必须在变压器附近安装避雷器，在线路和变电站上安装避雷针。
（4）为了限制短路电流，可以采用电抗器增加系统阻抗。
（5）为了使非故障部分能继续运行，需要把故障线路或设备从电力系统中迅速除掉。
（6）要经常对线路、设备进行巡视检查，及时发现缺陷，并迅速进行检修。
线路施工完毕后应立即拆除接地线。
保证架空线路施工质量，加强线路维护，始终保持线路弧垂一致并符合规定[9]。
（7）严格执行电力系统五防措施，即防止务分、务合断路器；防止带负荷分合隔离开关；防止带电挂接地线；防止带接地线合隔离开关；防止误入带电间隔。
（8）为了防止粉尘进入电气设备，要及时清理；为了防止小动物进入变电站，要加强管理，严格把关。
2.5短路故障的分析诊断方法
电力系统短路故障随时都有可能发生，因此我们要对设备进行实时监测，一旦发生故障，要迅速作出诊断，确定发生故障的类型并及时排除。
当然，分析短路故障问题，还有助于我们进行电气设备的选择及校验。
目前，我们分析短路故障主要有以下几种方法。
（1）基于专家系统的诊断方法
专家系统（expert-system）是根据专家推理的方法，利用计算机模型来解决问题的一种故障诊断方法。
按照所用推理策略和故障诊断知识的不同，专家系统可以分为两类。
第一类是基于启发式规则推理的系统，即把继电保护、断路器的动作逻辑以及运行人员的诊断经验用一定的规则表示出来，以此来形成一个比较系统的专家知识库。
当发生故障时，能够立即将故障与知识库中的类型进行匹配，这样就可以迅速判断故障并及时排除。
这是目前最有效的一种诊断方法，因此它的应用范围比较广泛。
第二类是结合正、反推理的系统，即把正向推理与反向推理两种方法混合起来，首先根据正向推理建立一定的规则，然后通过反向推理进行验证，这样就可以大大减小故障发生的范围，从而可以根据实际值与理论值的对比来计算可信度[10]。
采用混合推理方法能够同时提高该系统的自学习能力与适应性。
（2）基于人工神经网络的诊断方法
基于人工神经网络（ANN-artificial-neural-network）的诊断方法是由美国Pitts等人率先提出的，它的发展经历了三个阶段，目前应用于电力系统故障诊断的ANN有：
基于BP（ackpropagation）算法的前向神经网络和基于径向基函数的神经网络等。
该故障诊断的过程为：
首先根据当前网络的内部表达，对输入样本进行前向计算；然后比较网络的输出与期望输出之间的误差，若误差满足条件，则训练结束；否则，将误差信号按原有的通路反向传播，逐层调整权值和阀值，如此反复，直至满足误差精度的要求。
（3）基于优化技术的诊断方法
基于优化技术（optimization-methods）的诊断方法是一种基于数学模型的诊断方法，它的基本思路是将把电力系统的故障诊断问题描述成为“0-1”整数规划的问题，并构造了一种数学解析模型，应用优化技术来寻找问题的最优解。
（4）基于Petri网络的诊断方法
在离散事件系统建模中，Petri网络是一种理想的工具，通过构造有向图组合模型，形成了以矩形运算来描述的严格的数学对象。
在电力系统发生故障时，可以把其看做是一个动态的系统，并且故障的发生属于一个离散的过程，通过各类保护的动作和各级电压的变化来反映故障，将故障切除的过程看做是一系列活动事件的组成，与对应的实体相联系。
动态事件主要包括实体活动（例如断路器、继电保护装置等）和信息流活动（例如信号传递、控制指令发送、各检测信号流等）[11]。
（5）基于粗糙集理论的诊断方法
粗糙集理论（rough-set-theory）是波兰专家Z.Pawlak在1982年提出的一种新型数学工具，对于处理不确定性和不完整性的问题具有重要的实用价值[12]。
它能够有效地分析和处理不一致、不精确、不完整等一系列的不完备数据，不需要像其他方法一样依赖处理问题所需的数据之外的先验信息，而且它能够挖掘隐含的知识，发现潜在的规律。
鉴于其优越性，现在已经渐渐称为发展的新趋向，而且不少相关的研究人员已经在尝试把其引人到故障诊断系统中。
（6）基于模糊集理论的诊断方法
模糊集理论（fuzzy-set-theory）在电力系统故障诊断中分为两种情况：
一种认为诊断所依据的信息正确，但故障与对应的动作保护装置和断路器状态之间存在不确定的关联关系，以及用模糊隶属度对这种可能性进行描述的度量；另一种则认为诊断所依据的报警信息错误，而根据系统网络拓扑与故障所发生的动作保护、断路器状态赋予报警信息的可信度，再由专家系统或ANN给出故障诊断结果的模糊输出[13]。
（7）基于多代理系统的诊断方法
多代理系统（multi-agentsystem，以下简称MAS）被看做是一种分布式的、智能化的、基于人工的试验平台[14]，当某些复杂的问题无论是在逻辑上或者物理上可以进行分解时，每个问题即子问题就会拥有属于自己的信息，所以，只有各个子问题相互融合才能求解最终的问题。
MAS研究的重点在于如何协调在逻辑上或物理上分离的、具有不同目标的多个Agent的行为，使其联合采取行动或求解问题，协调各自的知识、希望、意图、规划、行动，以对其信息、资源进行合理安排，最大限度地实现各自的目标和总体目标，以对更复杂、更大规模的问题的解决起到重要作用。
MAS是解决大规模电力系统故障诊断问题很有前途的发展方向。
但MAS中各Agent的知识和行为、协调与协作是有待深入解决的核心问题[15]。
3仿真与建模
3.1仿真工具简介
我们在引言中已经了解到，当前国内外应用的仿真软件主要有PSCAD、EMTP以及MATLAB等，由于本文的研究重点是建立在MATLAB的基础上进行电力系统短路故障的仿真，所以以下仅介绍MATLAB仿真工具。
3.1.1MATLAB的特点
MATLAB是matrix和laboratory两个单词的组合，各取前三个字母组成一个词，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。
它是由美国MathWorks公司开发的高级数学应用软件，主要用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算，是一种高级技术计算语言，并且适用于交互式环境，是当今国际科学计算软件的代表。
MATLAB的功能之所以强大，是因为它具备以下特点：
（1）语言简洁，使用灵活，库函数丰富。
MATLAB的程序书写形式自由，由于程序自带函数库，所以用户可以根据自己的要求直接调用库函数，这样就不用再书写复杂的子程序了，从而可以省略一些不必要的编程任务。
需要指出的是，库函数中的程序都是由该领域的专家编写的，所以，其可靠性是不容置疑的。
（2）运算符丰富。
我们都知道，C语言的运算符是非常丰富的，而MATLAB是用C语言编写的，所以，MATLAB的运算符也是十分庞大的。
灵活运用运算符将使编程容易很多。
（3）高效性。
MATLAB具有结构化的控制语句，比如for循环、while循环以及if、else语句等，因此，其语句功能十分强大。
（4）简单易学，适于应用。
MATLAB不需要用户具有高深的数学功底，也不需要强大的程序设计能力，更不需要用户深刻的了解算法以及编程技巧，初学者只要肯钻研，轻松掌握并不是夸夸其谈。
同时，MATLAB的程序设计并不严格，自由度较大。
（5）可移植性好。
编写好的程序可以进行直接拷贝，在不同的计算机和操作系统中可以顺利执行。
（6）图形功能强大。
在MATLAB里，数据的可视化非常简单，具有较强的图形编辑能力。
（7）可扩展性。
MATLAB包含功能强大的工具箱，可以分为功能性工具箱和科学性工具箱两类。
功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能、文字处理功能、图示建模仿真功能以及与硬件实时交互功能[15]。
学科性工具箱是专业性比较强的，如controltoolbox,signalprocessingtoolbox,communicationtoolbox等。
这些工具箱都是专业人士编写好的，用户可以直接使用，无需自己再去编写。
（8）开放的源程序。
除了自带的函数外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都可以进行读写操作，用户可根据源文件进行修改，这样可以成为自己的工具箱。
3.1.2Simulink简介
Simulink是MATLAB软件中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATALB的框图设计环境，同时是一个实现动态系统建模、仿真和分析的软件包，凭借其强大的功能被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制以及数字信号处理的建模和仿真中。
Simulink可以对各种动态系统的交互环境进行建模、分析和仿真，其中包括连续系统、离散系统和混合系统，也可以用连续采样时间、离散采样时间或者两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率的系统。
Simulink提供了一种通过鼠标拖拽来建立系统框图模型的图形交互平台。
Simulink库里有丰富的各种功能模块，用户可以根据自己的需要迅速地创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程只需单击和拖动鼠标就能够完成，它提供了一种更快捷、更直接的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
同时Simulink还集成了Stateflow，用来建模和仿真复杂事件驱动系统的逻辑行为。
Simulink由模块库、模型构造及分析指令、演示程序三部分构成。
在Simulink环境中，对于由微分方程或者查分方程描写的动态系统，用户无需编写文本形式的程序，而只要通过一些简单的鼠标操作就可以形象地建立所期望的数学模型，并进行仿真和分析研究。
运行Simulink有三种方式：
（1）在MATLAB的命令窗口键入simulink指令，敲击回车即可；
（2）点击MATLAB工具条上的simulink快捷键图标；
（3）在MATLAB菜单中，执行File→New→Model操作，会弹出新建立的模型窗口，名为untitled。
3.1.3SPS（SimPowerSystems）
在Simulink窗口中，我们可以很清楚的看到，有一个专门为电气仿真所建立的窗口，即SimPowerSystems。
用户可以应用SPS模块方便地进行电力系统分析、仿真、数值处理和设计，根据自己所建立的数学模型和具体的模拟要求，从模块库中选择合适的模块并组合在一起，直接对系统进行仿真分析和计算[16]。
SPS涵盖了电路、电力电子、电力系统和电气传动等电气学科中常用的基本元件和系统的仿真模型，为电力研究者带来了很大的便利。
它由以下8个子模块库组成：
电源元件库（ElectricalSources）；基本线路元件库（Elements）；附加元件库（ExtraLibrary）；电机元件库（Machines）；测量元件库（Measurements）；相位元件库（PhasorElements）；电力电子元件库（PowerElectronics）；电力系统分析元件模型（Powergui）。
3.1.4GUI（图形用户界面）
GUI是GraphicalUserInterfaces的简称，通常是一种包含多种图形对象的界面，典型的图形界面包括图形显示、功能按钮控件以及用户自定义的功能菜单等。
为了让界面实现各种功能，用户需要对各个图形对象进行布局和事件编程。
这样，当用户激活对应的GUI对象时，就能执行相应的事件行为。
最后，必须保存和发布自己创建的GUI，使得用户可以应用GUI对象。
GUI中最重要的三种方法是：
使用M文件创建GUI对象，使用GUIDE创建GUI对象和标准菜单的定制。
3.2模型的建立
3.2.1无限大电源系统短路故障仿真模型
电力系统是由发电机、变压器、电力线路和电力用户等组成的整体，是集生产、输送、分配和消费电能的统一系统。
除此之外，电力系统还包括由继电保护装置、电力通信装置、安全自动装置、调度自动化装置以及通过机械或电的方式联入电力系统中的设备（如发电机的励磁调节器、调速器等）等构成的辅助系统，通常我们称之为二次系统，以保证电力系统的安全与可靠运行。
电力网络是电力系统中输送、变换和分配电能的一部分，输电网络一般是电力系统中最高电压等级的电网，是电力系统的主要网络[17]。
同时，输电线路还有联络相邻电力系统和联系相邻枢纽变电所的作用。
而配电网是将电能从枢纽变电所分配到配电变电所后，再向用户供电的电力网络。
因此，基于上述理论，本文以单机无穷大电源系统作为仿真模型，如图3-1所示。
电源容量设为5000MVA，发电机端电压为500KV；线路L的长度为200km,；变压器采用双绕组变压器，接法为Y/Yg，变比为500/121，容量设为100MVA，短路损耗100KW，空载损耗25KW，空载电流I0%=0.8，短路电压百分数为10.5%，在0.04s时刻变压器低压母线发生短路故障，0.08s时刻故障切除。
图3-1系统简化图
依据系统简化图，我们可以在MATLAB
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