电力系统仿真实验指导书doc.docx
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电力系统仿真实验指导书doc
电力系统仿真实验指导书
杨静编
南京工业大学
电气工程与控制科学学院
2015年5月
实验一大电流接地系统短路故障仿真实验...错误!
未定义书
签。
实验二简单电力系统暂态稳定性仿真...错误!
未定义书签。
实验三电力系统潮流计算仿真实验.......错误!
未定义书签。
参考资料..................................................错误!
未定义书签。
实验一大电流接地系统短路故障仿真实验
一、实验目的与要求
通过实验教学加深学生的基本概念，掌握电力系统各类短路故障的特点，使学生通过
系统进行物理模拟和数学模拟，对大电流接地系统进行输电线路短路故障仿真实验，以达
到理论联系实际的效果，提高学生的感性认识及对电力系统仿真过程的分析能力。
本实验要求学生掌握Simulink中电力系统常用元件的模型及使用方法，并了解建模的
基本过程，以及完成模型的仿真，结合短路相关的理论知识对仿真结果加以分析。
二、实验内容
搭建如图1-1所示的系统模型并仿真，该系统有3个电源，4条输电线路，在Line1的
末端设置各种类型的短路故障，观察示波器中的电压和电流波形，记录下故障电压电流的
有效值。
图1-1大电流接地系统短路故障的Simulink仿真模型
三、实验仪器设备及耗材
1.每组计算机1台、软件套。
四、实验原理
1、SimuLink简要说明
SimuLink是基于MATLAB的图形化仿真设计环境，它是MATLAB提供对系统进行建模、
仿真和分析的一个软件包。
它使用图形化的系统模块对动态系统进行描述，并在此基础之上采用MATLAB引擎对动态系统在时域内进行求解。
进入SimuLink的2种方法：
1）在MATLAB命令行中敲出SimuLink，回车，就打开了SimuLink。
2）点击工具栏中的按钮，看图：
图1-2进入Simulink
2、SimPowerSystems说明
SimuLink下的SimPowerSystems可以实现电路、电力系统、电机、电力电子电路的建
模与仿真分析，它提供了典型的电气设备和元件，比如变压器、传输线、电机、电力电子
器件等等。
进入SimPowerSystems的2种方法：
1）在MATLAB命令行中敲出powerlib，回车，就打开了SimPowerSystems的元件库。
2）进入simulink环境，从左侧的选出SimPowerSystems，看图：
图1-3进入SimPowerSystems
ElectricalSources，电源库，有各种电源，交流电压源、交流电流源、直流电压源、受控电
压源、受控电流源、电池、三相电源、三相可编程电压源。
Elements，元件库，有开关、传输线、电阻、电感、电容、变压器、故障等。
Machines，电机库，里面有各种各样的电机，同步、异步、永磁、步进等，还分别给出了部
分电机的简化模型和详细模型，SI单位制模型和标幺值模型。
Measurements，测量库，里面有各种测量设备，电压、电流、阻抗测量，三相电流电压测
量，还有万用表。
PowerElectronics，电力电子库，里面包括二极管、晶闸管、理想开关、通用桥、IGBT等电
力电子器件。
Application，应用库，这里面是一些整合的应用小系统，有风力发电机、特种电机等。
ExtraLibrary，附加库。
含有controlblock、discretecontrolblock、discretemeasurements、
measurements、phasorlibrary等子库。
中间就有PLL，单稳态、PWM发生器、FFT、有功无
功测量、有效值、平均值、相量测量等等非常有用的模块
五、主要技术重点、难点
设置算法、故障模块使用、连线的分支
六、实验步骤
1、新建一个simulinkmodel文件。
首先进入simulink界面。
就像其他windows应用程序一样，可以通过点击“新建”快捷菜单，这个图标长的和Word中的新建是很像的；可以使用快捷键
Ctrl+N；可以通过file->new->model。
2、保存新建的文件。
文件格式为mdl。
保存有三种操作方法：
快捷菜单、快捷键和菜单操作。
3、按照实验内容要求，将需要的模块“拖出来”。
拖出来的分解动作是：
左键选中模块，按
住左键将其拖拉到工作空间中。
仿真电路中各模块名称及提取路径
模块名
提取路径
电源
Three-phasesource
SimPowerSystems/EletricalSources
线路
DistributedParametersLine
SimPowerSystems/Elements
三相压电流测量模块
ThreePhaseVIMeasurement
SimPowerSystems/Measurements
三相故障模块
ThreePhaseFault
SimPowerSystems/Elements
有效值测量模块
RMS
SimPowerSystems/ExiraLibrary/Measurements
三相序分量分析模块
Three-phase-Sequence-AnalyzerSimPowerSystems/ExiraLibrary/Measurements
示波器模块
Scope
Simulink/Sinks
4、重命名拖出来的模块。
命名原则就是能根据名称看出它的功能；尽量简洁；符合行业规
定和一般习惯。
比如，电压源一般命名为Vs，等效电阻命名为R_eq。
5、旋转模块。
选中模块，鼠标右击执行菜单Format\RotateBlock。
6、对各个模块进行参数设置。
电源采用“Three-phasesource”，参数设置如图1-4所示，电源E2、E3的A相电势初
相位分别为300、600，其他设置与E1相同。
输电线路仿真模块采用“
DistributedParametersLine”分布参数模型，
Line1的参数设
置如图
1-5所示。
线路
Line2、Line3、Line4的长度分别为
150km、260km、300km，其他设
置与
Line1相同。
图1-4电源参数设置
图1-5线路参数设置
图1-6故障类型设置
故障类型分别设置为三相短路、A相接地短路、AB两相接地短路、AB两相相间短路，故
障时间从开始，结束。
7、根据实验内容添加测量模块。
添加三相电压电流测量模块、有效值测量模块、三相序分
量分析模块。
图1-7有效值测量模块设置
图1-8三相序分量分析模块
三相序分量分析模块求解选项Sequence设置为Zero，求解零序分量。
8、添加显示设备（scope），将测量模块的输出接到显示设备（scope）。
9、连线
先将光标指向连线的起点，待光标变为十字后，按下鼠标左键后拖动至终点，释放鼠
标。
如果一个起点连接多个终点，将产生分支，操作方法如下：
1）将光标指向分支线的起点（即在已有信号线上的某点）。
2）按下鼠标右键，看到光标变为十字；或者按住键，再按下鼠标左键。
3）拖动鼠标，直至分支线的终点处。
10、设置算法
依次点击菜单simulation->configurationparameters或者使用快捷键Ctrl+E。
出现：
图1-10仿真参数设置
算法设置为ode23tb，仿真时间长度设置为秒，其他保持为默认值。
11、开始仿真。
启动仿真有三种方法。
一是直接点击工具栏中的仿真按钮，是一个向右的黑
三角，长的十分像播放器的“播放”按钮。
第二种是菜单simulation->start。
第三种就是使用快
捷键Ctrl+T。
12、双击打开
scope，观看电压、电流波形情况，记录下电压电流的有效值数据。
建议查
看曲线时鼠标右击选择菜单
AutoScale使曲线以合适的大小显示。
故障前
短路电流最大时刻对应的电压、电流
U
I
UaIaUbIbUcIcU0
I0
三相短路
A相接地
AB两相接地
AB两相相间短路
七、实验报告要求
1、给出输电线路故障的仿真模型
2、说明建模步骤和仿真过程
3、给出不同短路类型下的电压、电流瞬时值波形。
4、给出零序电压、零序电流的有效值曲线。
5、整理不同短路类型下获得实验数据。
6、通过对比，对不同短路类型进行定性分析。
八、实验注意事项
注意三相测量模块、有效值测量模块、三相序分量分析模块之间的连接
九、思考题
1、什么是短路电流的最大有效值其计算公式如何
2、不同的短路类型，短路电流有什么特征电压有什么特征
实验二简单电力系统暂态稳定性仿真
一、实验目的与要求
通过实验教学加深学生的基本概念，了解系统遭受大干扰后（比如短路故障）系统能否
稳定运行与故障切除时间等因素紧密相关，使学生通过系统进行物理模拟和数学模拟，对
简单电力系统暂态稳定仿真实验，以达到理论联系实际的效果，增强对系统稳定性的认识
与理解，提高学生的感性认识及对电力系统仿真过程的分析能力。
本实验要求学生掌握Simulink中电力系统常用元件的模型及使用方法，并了解建模的
基本过程，以及完成模型的仿真，结合短路相关的理论知识对仿真结果加以分析。
二、实验内容
对如图2-1所示的单机无穷大系统，分析在f点发生短路故障，通过线路两侧开关同
时断开切除线路后，系统的暂态稳定性。
图2-1单机无穷大系统原理图
发电机的参数：
SGN=,PGN=300MW,UGN=,xd=1,xd’=,xd”=,xq=,xl=,
Td’=,Td”=,Tq0”=,Rs=,H（s）=4s;TJN=8s,负序电抗：
x2=
变压器T-1的参数:
STN1=360MVA,UST1%=14%,KT1=242;
变压器T-2的参数:
STN2=360MVA,UST2%=14%,KT2=220/121;
线路的参数：
l=250km,U
N
=220K,X=欧/km，r=欧/km，线路的零序电抗为正序电抗的
5倍。
L
L
三、实验仪器设备及耗材
1.每组计算机1台、软件套。
四、实验原理
1、powergui说明
powergui是一个环境模块，它利用Simulink功能连接不同的电气元件，是分析电力系统
模型有效的图形化用户接口工具。
任何一个含有SimPowerSystems模块的模型中必须含有一
个。
它储存了电路模型的等效数学模型（状态空间方程）。
没有它，仿真不能启动，会给出
一个错误提示。
1）powergui模块可以显示系统处于稳定状态时的电流和电压及电路所有状态的变量值。
为了执行仿真，powergui模块允许修改初始状态。
2）Powergui可以执行负载潮流计算。
3）当电路中出现阻抗测量模块时，powergui也可以显示阻抗随频率变化的波形。
4）可以生成扩展名为rep的结果报告文件。
powergui指定了解电路的方法。
主要有：
1）使用变步长Simulink求解策略的（时间）连
续方法；2）理想开关（时间）连续方法；3）固定时间步长的（时间）离散方法；4）相量
方法。
找到powergui的2种方法：
1）在simulink库浏览器的树形目录左侧点一下SimPowerSystems,右侧显示出来的图表中
最后一个就是它。
2）直接在MATLAB的命令行里敲进powerlib，调出powerlib库，它也是出现在最后一个。
2、SimPowerSystems工作机制
每次仿真的时候，都要调用一个特殊的初始化机制。
这个初始化机制计算出电路模型的
状态空间模型，搭建出可以供Simulink软件仿真的等价模型。
这个机制的等效步骤是这样的：
1）将所有的SimPowerSystems模块分为线性和非线性两类，提取模块的参数，得出模型的网络拓扑结构。
每一个电气节点自动赋予一个节点标号。
2）网络拓扑得到后，线性模块的状态空间模型（矩阵A、B、C、D）被计算。
本阶段，同时完成所有的稳态计算和初始化。
3）搭建起电路模型的Simulink模型，将其存储于Powergui模块中。
五、主要技术重点、难点
同步发电机模块、调速器模块、励磁控制器模块、发电机参数输出模块的使用六、实验步骤
仿真电路中各模块名称及提取路径
模块名提取路径
发电机模块SynchronousMachinepuStandardSimPowerSystems/machines
发电机调速器模块HydrauicTurbineandGovernorSimPowerSystems/machines
发电机励磁模块ExcitationSystemSimPowerSystems/machines
三相双绕组变压器Three-PhaseTransformer（TwoWindings）SimPowerSystems/Elements
电力图形用户界面模块
Powergui
SimPowerSystems或者输入命令powerlib
BusSelector模块
Simulink/SingleRouting
三相电源模块Three-phasesource
SimPowerSystems/EletricalSources
输电线路模块Three-phasePILine
SimPowerSystems/Elements
三相RLC并联负荷模块Three-PhaseParallelRLCLoad
SimPowerSystems/Elements
三相压电流测量模块
ThreePhaseVIMeasurement
SimPowerSystems/Measurements
三相故障模块ThreePhaseFault
SimPowerSystems/Elements
三相断路器模块
Three-PhaseBreaker
SimPowerSystems/Elements
终端连接器模块
Terminator
Simulink/Sinks
示波器模块Scope
Simulink/Sinks
1、按照图2-2
把各个模块从Sinmulink库中提取出来，放在合适的位置。
图2-2暂态稳定性SimuLink仿真模型图
图2-3发电机模块参数设置
2、设置各模块参数
1）在仿真模型中，发电机采用
”SynchronousMachinepuStandard
”模型，额定容量为，额定电压为
参数设置如图3-3所示。
发电机调速器模块设置如图2-4所示：
图2-4发电机调速器模块参数设置
发电机励磁控制系统模块设置如图2-5所示：
图2-5发电机励磁控制模块参数设置
发电机模块输出参数m由两个BusSelector引出，一个BusSelector将运行参数反馈到调速器和
励磁系统，另一个BusSelector将信号输出到Scope显示。
其中一BusSelector设置如图2-6所
示，另一个BusSelector设置按照模型2-2进行。
图2-6发电机运行参数m由BusSelector引出
2）无穷大系统采用”Three-phasesource”模型，其参数设置如图2-4所示。
图2-7无穷大系统等值电源模块参数设置
3）和发电机相连的升压变压器参数设置如图2-8所示。
和无穷大系统相连的降压变压器参数
设置：
原边高压侧ABC接线方式为Yg，电压阻抗参数分别为220e3、0、，低压侧接线方式为
Delta（D1），电压阻抗参数分别为110e3、0、。
其他设置和升压变压器设置相同。
图2-8升压变压器模块参数设置
4）线路模型采用三相”Π”形等值线路模块，参数设置如图2-9所示：
图2-9输电线路参数设置
5）故障点的故障类型等参数采用三相线路故障模块”Three-PhaseFault”来设置，由于故障后
线路两侧的断路器应同时断开切除线路，所以模型中的两个断路器模块
Breaker的动作参数
应与故障模块中的动作参数设置相配合。
在故障模块中设置故障类型为
AB两相接地故障，
Transitiontime（s）
设置为
[
9]，即时发生故障，
9s时结束。
如果在故障后切除线路，
则两个断路器模块的参数设置应如图
2-10所示。
如果在故障后
切除线路，断路器模块的参数
Transitiontime（s）
设置为
[
9]，即断路器动作切除线路。
6）母线
Bus采用的是三相电压电流测量模块
”ThreePhaseVIMeasurement
”，将其
BackColor设
置为black即可。
7）完成以上设置后，利用Powergui模块对电机进行初始设置。
单击Powergui，在SimulationType选项中选择Discretizeelectricalmodel,Sampletime（s）设置为1e-5。
打开”LoadFlowand
MachineInitialization”潮流计算和电机初始化窗口，设置发电机节点的类型为PV节点，机端
电压,输出功率3e8MVA,然后点击按钮”UpdateLoadFlow”更新潮流计算。
3、连线
4、设置算法
算法设置为Discrete离散算法，仿真时间长度设置为5s，其他保持为默认值。
5、开始仿真。
将断路器模块的参数Transitiontime（s）分别设置为[9]、[9]两种情况进行仿真。
6、双击打开scope，查看发电机转速、功角、电压、电流等波形情况。
建议查看曲线时鼠
标右击选择菜单AutoScale使曲线以合适的大小显示。
七、实验报告要求
1、给出单机无穷大系统暂态稳定性Simulink仿真模型。
2、说明建模步骤和仿真过程
3、给出故障切除时间分别为故障后、两种情况下发电机转速、功角曲线。
4、给出电压电流波形曲线。
5、对比不同故障切除时刻的仿真结果。
八、实验注意事项
注意发电机模块、调速器、励磁模块之间的连接
九、思考题
1、功角和发电机惯性时间常熟TJ的物理意义是什么
2、提高电力系统静态稳定和暂态稳定的措施主要有哪些
实验三电力系统潮流计算仿真实验
一、实验目的与要求
通过实验教学加深学生的基本概念，了解电力系统潮流计算是研究电力系统稳态运行的一项基本计算，使学生通过系统进行物理模拟和数学模拟，对电力系统进行潮流计算的仿真实验，以达到理论联系实际的效果，提高学生的感性认识及对电力系统仿真过程的分析能力。
本实验要求学生掌握Simulink中电力系统常用元件的模型及使用方法，并了解建模的基本过程，以及完成模型的仿真，结合短路相关的理论知识对仿真结果加以分析。
二、实验内容
如图3-1所示的2机5节点电力系统，分别采用潮流计算软件MATPOWER和电力图形用户分析界面（Powergui）对电网进行潮流分析。
图3-12机5节点系统
三、实验仪器设备及耗材
1.每组计算机1台、软件套。
四、实验原理
1．MATPOWER软件安装步骤
下载完毕后，解压缩。
右击Matlab，点击性。
点击“打开文件位置”找到Matlab的安装目录。
按下Backspace,
找到toolbox文件夹。
将解压缩的matpower复制到toolbox文件夹下。
打开Matlab,点击File,在下拉菜单中找到setpath。
点击setpath,如图。
点击Addwithsubfolds，在弹出框中将你复制到toolbox"matpower"文件夹找到。
点击
确定。
点击save然后离开。
在Matlab中输入test_matpower回车后，出现以下命令，就代表已经安装好了。
t_nested_struct_copy....ok
t_mpoption..............
ok
t_loadcase..............
ok
t_ext2int2ext...........
ok
t_jacobian..............
ok
t_hessian...............
ok
t_margcost..............
ok
t_totcost...............
ok
t_modcost...............
ok
t_hasPQcap..............
ok
t_mips..................
ok
t_qps_matpower..........
ok（216of324skipped）
t_pf....................
ok
t_cpf...................
ok
t_islands...............
ok
t_opf_model.............
ok
t_opf_fmincon...........
ok
t_opf_mips..............
ok
t_opf_mips_sc...........
ok
t_opf_dc_
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