基于MATLABSIMULINK的输电线路操作过电压的仿真分析.docx

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基于MATLABSIMULINK的输电线路操作过电压的仿真分析

山西大学工程学院

毕业设计（论文）

题目基于MATLAB/SIMULINK的

输电线路操作过电压的仿真分析

系别电力工程系

专业电气工程及其自动化

班级电本1038

姓名

指导教师

下达日期2014年1月15日

设计时间自2014年2月24日至2014年6月7日

毕业设计（论文）任务书

一、设计题目：

1、题目名称基于MATLAB/SIMULINK的输电线路操作过电压的仿真分析

2、题目来源自拟

二、目的和意义

1、目的

特高压/超高压输电线路是电力系统中的重要电气设备，过电压是影响电力系统安全运行的重要因素之一，采取有效措施限制过电压是电力系统运行的基本要求。

利用MATLAB/SIMULINK，对特高压/超高压输电线路进行建模，对输电线路操作过电压的影响因素进行仿真分析，对输电线路限制操作过电压的措施进行分析研究，使学生掌握分析研究输电线路过电压问题的方法和步骤，从而提高学生的分析问题和解决问题的能力。

2、意义

MATLAB是目前工程技术人员进行分析研究工作的一个高效的工具，全面掌握MATLAB仿真分析输电线路过电压的方法，就使学生具备了对电力系统中其他问题进行仿真分析的思路和能力，从而适应未来工作中进行独立分析研究的需要。

三、原始资料（见附件）

四、设计说明书应包括的内容（参考）

1概述

1.1特高压/超高压输电线路的构成及特点

1.2输电线路的等值电路

1.3MATLAB/SIMULINK简介

2输电线路的工频过电压

2.1输电线路的参数计算

2.2输电线路的模型及参数设置

2.3长距离输电线路空载时的电容效应及其仿真

2.4输电线路的工频过电压及其仿真

3输电线路的操作过电压

3.1空载线路的合闸过电压及其仿真

3.2切除空载线路时的过电压及其仿真

3.3影响操作过电压的因素的仿真分析

3.4限制操作过电压的措施的效果分析

4.总结

五、设计应完成的图纸

1、输电线路在各种过电压情况下的电压波形图。

2、采用限制操作过电压的措施后的电压波形图。

六、主要参考资料

1、SimPowerSystems™UsersGuide.pdf

2、于群MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真北京：

机械工业出版社

3、王晶等编著电力系统的MATLAB/SIMULINK仿真与应用西安：

西安电子科技大学出版社

4、施围电力系统过电压计算西安：

西安交通大学出版社

5、相关学术论文

七、进度要求

1、实习阶段第周（月日）至第周（月日）共周

2、设计阶段第1周（2月24日）至第15周（6月7日）共15周

3、答辩日期第15周（2014年6月7日）

[注]：

对学生的要求：

（1）有能够运行MATLAB2011b的笔记本计算机，选修过MATLAB方面的课程。

（2）能够按照进度要求，投入足够的时间用于进行毕业设计。

空载输电线路单相合闸操作过电压的研究

摘要

本文主要是基于MATLAB/SIMULINK的空载输电线路单相合闸过电压的仿真分析，主要是从单相合闸空载线路过电压的影响因素和限制措施进行仿真分析，通过对开关合闸相位的不同，线路损耗的大小，以及断路器是否加并联电阻进行的比较分析，从而得出最佳的合闸相位角，以及断路器加并联电阻对合闸过电压限制的可行性的论证。

关键词：

MATLAB；单相合闸；合闸相位；并联电阻；过电压；电力系统

Lighttransmissionlinesingle-phaseswitchingovervoltageoperationresearch

ABSTRACT

ThispaperisbasedontheMATLAB/SIMULINKsimulationanalysisoflighttransmissionlinesingle-phaseswitchingovervoltagemainlyfromsinglephaseswitchingracinglineovervoltagesimulationanalysiswasmadeontheinfluencefactorsandtherestrictions,throughtotheswitchclosingphaseisdifferent,thesizeofthelineloss,andwhethercircuitbreakerwithparallelresistanceofcomparativeanalysis,obtainsthebestclosingphaseAngle,thusandcircuitbreakerwithparallelresistanceontheswitchingovervoltagelimitofthefeasibilityoftheargument.

Keywords：

MATLAB；Singlephaseswitching；Closingphase；Parallelresistance

Overvoltage；Thepowersystem

1.3输电线路等值电路8

1.4MATLAB/SIMULINK简介和特点8

第二章、主要设计内容12

2.1空载线路的单相合闸过电压及其仿真13

2.2过电压产生的物理过程13

2.9分布参数模型与pi型集中参数模型的比较28

当改用pi型等效电路的模型........................28

②当改用分布参数等效模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29

参考文献：

30

英文翻译：

31

前言

电力系统的输电线路以及电气设备都有各自的电感和电容，由于系统状态的突然变化，导致电感和电容元件间电磁能量的互相转换就会引起振荡性的过渡过程。

这个过渡过程会在输电线路和某些电气设备或者局部电网上造成很高的电压，即远远超过正常的电压，称作操作过电压，本文研究的是河南平顶山到湖北武昌的500kv输电线路合闸空载过电压的研究，从合闸过电压的影响因素以及限制措施进行研究分析。

第一章概述

1.1毕业设计设计的目的和意义

特高压/超高压输电线路是电力系统中的重要电气设备，过电压是影响电力系统安全运行的重要因素之一，采取有效措施限制过电压是电力系统运行的基本要求。

利用MATLAB/SIMULINK，对特高压/超高压输电线路进行建模，对输电线路操作过电压的影响因素进行仿真分析，对输电线路限制操作过电压的措施进行分析研究，使学生掌握分析研究输电线路过电压问题的方法和步骤，从而提高学生的分析问题和解决问题的能力。

MATLAB是目前工程技术人员进行分析研究工作的一个高效的工具，全面掌握MATLAB仿真分析输电线路过电压的方法，就使学生具备了对电力系统中其他问题进行仿真分析的思路和能力，从而适应未来工作中进行独立分析研究的需要。

1.2特高压/超高压输电线路的构成及特点

使用1000千伏及以上的电压等级输送电能。

特高压输电是在超高压输电的基础上发展的，其目的仍是继续提高输电能力，实现大功率的中、远距离输电，以及实现远距离的电力系统互联，建成联合电力系统。

1000千伏特高压交流输电线路输送功率约为500千伏线路的4至5倍；正负800千伏直流特高压输电能力是正负500千伏线路的两倍多。

同时，特高压交流线路在输送相同功率的情况下，可将最远送电距离延长3倍，而损耗只有500千伏线路的25%至40%。

输送同样的功率，采用1000千伏线路输电与采用500千伏的线路相比，可节省60%的土地资源。

到2020年前后，国家电网特高压骨干网架基本形成，国家电网跨区输送容量将超过2亿千瓦，占全国总装机容量的20%以上。

届时，从周边国家向中国远距离、大容量跨国输电将成为可能。

对于特高压电网的经济性，专家分析：

到2020年，通过特高压可以减少装机容量约2000万千瓦，节约电源建设投资约823亿元；每年可减少发电煤耗2000万吨。

北电南送的火电容量可以达到5500万千瓦，同各区域电网单独运行相比，年燃煤成本约降低240亿元。

对于交流特高压而言，主要有两大技术攻关重点：

一是制造出可调的并联电抗器，二是研制1000千伏电压等级的双断口断路器，这两个关键技术问题已经基本解决。

对于直流特高压电网而言，其技术攻关关键是开发6英寸晶闸管。

日本已经研制出了6英寸晶闸管，我国在研制6英寸晶闸管方面也已经具备了一定的基础。

我国晋东南—南阳—荆门的特高压交流试验示范工程的意义在于：

它将真正实现全电压、满容量、长距离输电。

此外，对于我国电网设备制造业而言，中国建设特高压电网对我国民族工业无疑是一个巨大的推动。

中国从2006年开始要发展特高压电网，表明中国已经有勇气解决特高压这一世界性的难题。

1.3输电线路等值电路

将参数均匀分布的输电线路看成由无数个长度为dx的小段组成，每单位长度导线的电感及电阻分别为L和R,每单位长度导线对地电容及电导分别为C和G则单相等值电路如下图所示。

1.4MATLAB/SIMULINK简介和特点

20世纪70年代中期，CleveMoler博士和其同事在美国国家科学基金的资助下开发了调用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序库。

EISPACK是特征值求解的FORTRAN程序库，LINPACK是解线性方程的程序库。

在当时，这两个程序库代表矩阵运算的最高水平。

到20世纪70年代后期，身为美国NewMexico大学计算机系系主任的CleveMoler，在给学生讲授线性代数课程时，想教学生使用EISPACK和LINPACK程序库，但他发现学生用FORTRAN编写接口程序很费时间，于是他开始自己动手，利用业余时间为学生编写EISPACK和LINPACK的接口程序。

CleveMoler给这个接口程序取名为MATLAB，该名为矩阵（matrix）和实验室（laboratory）两个英文单词的前三个字母的组合。

在以后的数年里，MATLAB在多所大学里作为教学辅助软件使用，并作为面向大众的免费软件广为流传。

1983年春天，CleveMoler到Stanford大学讲学，MATLAB深深地吸引了工程师JohnLittle。

JohnLittle敏锐地觉察到MATLAB在工程领域的广阔前景。

同年，他和CleveMoler、SieveBangert一起，用C语言开发了第二代专业版。

这一代的MATLAB语言同时具备了数值计在算和数据图示化的功能。

1984年，CleveMoler和JohnLithe成立了MathWorks公司，正式把MATLAB推向市场，并继续进行MATLAB的研究和开发。

在当今30多个数学类科技应用软件中，就软件数学处理的原始内核而言，可分为两大类。

一类是数值计算型软件，如MATLAB、Xmath、Gauss等，这类软件长于数值计算，对处理大批数据效率高；另一类是数学分析型软件，如Mathematica、Maple等，这类软件以符号计算见长，能给出解析解和任意精度解，其缺点是处理大量数据时效率较低。

MathWorks公司顺应多功能需求之潮流，在其卓越数值计算和图示能力的基础上，又率先在专业水平上开拓了其符号计算、文字处理、可视化建模和实时控制能力，开发了适合多学科、多部门要求的新一代科技应用软件MATLAB。

经过多年的国际竞争，MATLAB已经占据了数值型软件市场的主导地位。

在MATLAB进入市场前，国际上的许多应用软件包都是直接以FORTRAN和C语言等编程语言开发的。

这种软件的缺点是使用面窄、接口简陋、程序结构不开放以及没有标准的基库，很难适应各学科的最新发展，因而很难推广。

MATLAB的出现，为各国科学家开发学科软件提供了新的基础。

在MATLAB问世不久的20世纪80年代中期，原先控制领域里的一些软件包纷纷被淘汰或在MATLAB上重建。

　MathWorks公司1993年推出了MATLAB4.0版，1995年推出4.2C版（forwin3.X）1997年推出5.0版。

1999年推出5.3版。

MATLAB5.X较MATLAB4.X无论是界面还是内容都有长足的进展，其帮助信息采用超文本格式和PDF格式，在Netscape3.0或IE4.0及以上版本，AcrobatReader中可以方便地浏览。

时至今日，经过MathWorks公司的不断完善，MATLAB已经发展成为适合多学科、多种工作平台的功能强劲的大型软件。

在国外，MATLAB已经经受了多年考验。

在欧美等高校，MATLAB已经成为线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具；成为攻读学位的大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本技能。

在设计研究单位和工业部门，MATLAB被广泛用于科学研究和解决各种具体问题。

MATLAB功能简介及应用范围

MATLAB是矩阵实验室（Matrix　Laboratory）的简称。

除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。

　　MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多。

　当前流行的MATLAB5.3/Simulink3.0包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包（Toolbox）。

工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包。

功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算,可视化建模仿真,文字处理及实时控制等功能。

学科工具包是专业性比较强的工具包,控制工具包,信号处理工具包,通信工具包等都属于此类。

MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。

它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。

MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。

在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。

可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以使用。

MATLAB有着强大的功能，可以用来进行多种工作，具体如下：

数值分析、数值和符号计算、工程与科学绘图、控制系统的设计与仿真、数字图像处理技术、数字信号处理技术、通讯系统设计与仿真、财务与金融工程等。

MATLAB的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。

附加的工具箱（单独提供的专用MATLAB函数集）扩展了MATLAB环境，可以解决这些应用领域内特定类型的问题。

MATLAB的语言特点

MATLAB被称为第四代计算机语言，利用其丰富的函数资源，使编程人员从繁琐的程序代码中解放出来。

MATLAB的最突出的特点就是简洁。

MATLAB用更直观的、符合人们思维习惯的代码，代替了C和FORTRAN语言的冗长代码。

MATLAB给用户带来的是最直观、最简洁的程序开发环境。

以下简单介绍一下MATLAB的主要特点。

①语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富。

MATLAB程序书写形式自由，利用其丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务，压缩了一切不必要的编程工作。

由于库函数都由本领域的专家编写，用户不必担心函数的可靠性。

②运算符丰富。

由于MATLAB是用C语言编写的，MATLAB提供了和C语言几乎一样多的运算符，灵活使用MATLAB的运算符将使程序变得极为简短，具体运算符见附表。

③MATLAB既具有结构化的控制语句（如for循环、while循环、break语句和if语句），又有面向对象编程的特性。

④语法限制不严格，程序设计自由度大。

例如，在MATLAB里，用户无需对矩阵预定义就可使用。

⑤程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。

⑥MATLAB的图形功能强大。

在FORTRAN和C语言里，绘图都很不容易，但在MATLAB里，数据的可视化非常简单。

MATLAB还具有较强的编辑图形界面的能力。

⑦MATLAB的缺点是，它和其他高级程序相比，程序的执行速度较慢。

由于MATLAB的程序不用编译等预处理，也不生成可执行文件，程序为解释执行，所以速度较慢。

⑧功能强劲的工具箱是MATLAB的另一重大特色。

MATLAB包含两个部分：

核心部分和各种可选的工具箱。

核心部分中有数百个核心内部函数。

其工具箱又可分为两类：

功能性工具箱和学科性工具箱。

功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能、图示建模仿真功能、文字处理功能以及与硬件实时交互功能。

功能性工具箱能用于多种学科。

而学科性工具箱是专业性比较强的，如control、toolbox、signalprocessingtoolbox、communicationtoolbox等。

这些工具箱都是由该领域内的学术水平很高的专家编写的，所以用户无需编写自己学科范围内的基础程序，而直接进行高、精、尖的研究。

下表列出了MATLAB的核心部分及其工具箱等产品系列的主要应用领域。

⑨源程序的开放性。

开放性也许是MATLAB最受人们欢迎的特点。

除内部函数以外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件，用户可通过对源文件的修改以及加入自己的文件构成新的工具箱。

Simulink简介

Simulink是Matlab软件下的一个附加组件，是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的MATLAB软件包。

支持连续、离散以及两者混合的线性和非线性系统，同时它也支持具有不同部分拥有不同采样率的多种采样速率的仿真系统。

在其下提供了丰富的仿真模块。

其主要功能是实现动态系统建模、方针与分析，可以预先对系统进行仿真分析，按仿真的最佳效果来调试及整定控制系统的参数。

Simulink仿真与分析的主要步骤按先后顺序为为:

从模块库中选择所需要的基本功能模块，建立结构图模型，设置仿真参数，进行动态仿真并观看输出结果，针对输出结果进行分析和比较。

Simulink模块库提供了丰富的描述系统特性的典型环节，有信号源模块库（Source）,接收模块库（Sinks），连续系统模块库（Continuous），离散系统模块库（Discrete），非连续系统模块库（SignalRouting），信号属性模块库（SignalAttributes），数学运算模块库（MathOperations），逻辑和位操作库（LogicandBitOperations）等等，此外还有一些特定学科仿真的工具箱。

Simulink为用户提供了一个图形化的用户界面（GUI）。

对于用方框图表示的系统，通过图形界面，利用鼠标单击和拖拉方式，建立系统模型就像用铅笔在纸上绘制系统的方框图一样简单，它与用微分方程和差分方程建模的传统仿真软件包相比，具有更直观、更方便、更灵活的优点。

不但实现了可视化的动态仿真，也实现了与MATLAB、C或者FORTRAN语言，甚至和硬件之间的数据传递，大大扩展了它的功能。

第二章、主要设计内容

2.1空载线路的单相合闸过电压及其仿真

本次毕业设计的主要内容为：

空载线路的合闸过电压及其仿真

利用MATLAB建立的电路模型如下：

电力系统中空载线路的合闸有两种不同的形式：

一种是计划性的合闸操作；另一种是自动重合闸操作。

空载线路无论是计划性合闸还是自动重合闸，都将使线路从一种稳态过度到另一种稳态，由由于系统有L、C的存在，会产生振荡过电压。

由于长线路的分布参数特性，过电压将有工频稳态分量和无限个迅速衰减的高频谐波分量叠加组成。

2.2过电压产生的物理过程

空载线路合闸过电压与系统和线路参数有关。

从不考虑线路的参数的分布特性和考虑线路的分布特性两种情况，讨论空载合闸过电压产生的物理过程和过电压计算。

不考虑线路参数的分布特性计划性合闸

当不考虑线路参数分布特性时，分析空载线路合闸（合空线）过电压的等值电路如图所示，图中L为电感，Ct为线路电容，电源电势e（t）=Emcos（wt+θ）。

在计划合闸前，线路不存在故障和残余电压，即等值电路中C2初始电压uc（0）=0.

假定t=0合闸，若合闸相角θ=0，即在电源电势为最大值Em时合闸，合闸瞬间线路上电压要从零值过度到Em，等值电路将产生高频振荡，线路上产生的最大过电压值为Ucm=2Em；若合闸相角θ=ð/2，即在电源电势为零值时合闸，这时不会产生振荡，也就不会产生过电压。

自动重合闸

自动重合闸空载线路线路引起的过电压，主要考虑三相重合闸情况。

当系统某一相发生接地故障时，三相断路器跳开，这时非故障相线路电容Ct上将有残余电荷，即这时uc（0）不等于零。

假定t=0合闸，电源重合闸相角θ=0，若非故障相残余电压为-Em，则重合闸瞬间线路上电压要从-Em过渡到电势为Em，将引起高频振荡，产生过电压幅值为Ucm=2Em-（-Em）=3Em；若非故障相残余电压为Em，这时重合闸，线路上电压不变，也就不会产生过电压。

从上述分析可知计划性空合闸线路产生的最大过电压为2.0倍；三相重合空载线路产生最大过电压为3.0倍。

考虑线路的分布参数特性

通过上述分析可知，在最不利的三相重合闸条件下，由于非故障相的初始电位影响，最大值过电压可达3.0倍。

显然，对于超高压电网这种情况是不允许发生的，故超高压电网中不采用三相重合闸操作方式，故采用单相自动重合闸时，空载线路的初始电位都为0.

为简化分析，略去线路损耗假定三相断路器同期合闸，则仍可按单相分析空载线路合闸过程。

图中用于分析空载线路合闸的单相等值电路图。

设t=0时初始电压为零的空载长线与交流电源e（t）=Emcos（wt+θ）接通，利用拉普拉斯变换可以写出合闸后的线路首端电压的运算形式为

式中E（p）-----电源电压运算形式；

PL------电源内电感的运算形式电抗；

Zrk（p）------运算形式的空载长线路首端的入口阻抗，Zrk（p）=Zc1cthα（p）l。

线路末端的运算形式则为U2（p）=k12（p）U1（p）

式中K12（p）---线路首端到末端的传递函数，对于空载长线路K12（p）=1/chα（p）l

线路末端电压的运算表达式为：

利用分解定理，可得合闸后线路末端的电压表达式为：

由上式可以看到，过度过程中线路上电压由稳态分量Awcoswt和自由分量∑Aicoswit组成，其中自由分量是由各谐波分量Aicoswit组成。

由物理概念可知，各分量的振幅Ai，Ai与电源及线路参数有关，各分量的振荡角频率Wi则有电源内电感及线路参数所决定，不同谐波振幅值Ai随着wi增加而减小。

由计算可知，在某种情况下，空载长线路合闸时的基波分量振幅Ai可能较稳态分量振幅A大，而过