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电力系统分析课程论文
论电力系统仿真分析在
《电力系统基础》课程中的作用
学院：
电子电气工程学院
专业班级：
电气工程及其自动化1班
姓名：
向宏伟
学号：
201308324026
指导教师：
穆星星
论电力系统仿真分析在《电力系统基础》课程中的作用
一、课程介绍及教学现状
电力系统分析课程是电力系统自动化专业的重要专业课程，涉及一系列电力系统的核心技术：
潮流计算、调频调压、经济运行、同步发电机电磁暂态过程、短路计算及机电暂态稳定性分析等。
讲授电力系统的基本概念、基本原理、基本问题及基本计算等内容。
开设该课程的目的主要是让学生建立起电力系统的基本概念、掌握电力系统及组成部分的基本模型、基础的稳态和暂态计算分析方法、系统正常运行与控制的基本方法和原理。
该课程也是其他专业课的基础。
学好电力系统分析对于电力系统专业的学生来讲至关重要。
（一）电力系统分析课程教学现状
电力系统分析课程虽然重要，由于前修课程电机学没学好，以及电力系统分析课程知识点较多，理解起来有难度，部分同学没有养成良好的学习习惯，课下没有及时巩固复习，课堂内容掌握不好时容易产生畏难情绪。
此外，即使部分同学理论知识掌握较好，但感觉较抽象，对某些知识持怀疑态度，如：
调频时，增大气门开度，实际生产中发电机转速的变化，输出功率的变化，频率的变化等是否如课本上所写;调压时，负荷的波动对系统中各节点电压的影响究竟如何，那些调压措施能不能真正起到调压的效果。
学生无法看到相关的现象，所以很难产生浓厚的学习兴趣和热情，即使当时掌握了，遗忘也会比较快，印象不深刻。
为了解决以上问题必须借助与相关实验课程，让学生在实验操作中将理论和实际很好的联系起来，既能及时巩固相关知识，又能提前接受实际生产操作培训，为以后踏上工作岗位打下坚实的基础。
（二）电气工程虚拟仿真实验的主要功能
1.电力系统仿真实验
电气工程虚拟仿真实验包括电力系统仿真实验和水电站仿真实验，电力系统仿真实验主要针对电力系统的相关设计，包括电网的主接线设计、设备选型及校验、故障计算、保护配置等;潮流、短路、稳定性等分析计算;运行过程、控制方法及原理的学习研究。
提供了相关软件平台，实验室的软件平台包含两大类，一类是机电暂态过程仿真软件，一类是电磁暂态过程仿真软件，除了PSASP软件外，还有PSCAD、PSS/E、BPA、ATP/EMTP及EMTP-RV、CDEGS等软件，可以供学生进行课程实验、综合设计、毕业设计以及相关科学研究。
开发了系列的课程实验、综合设计及研究项目，对于提高学生课程的学习效果、综合运用所学专业知识进行发电厂、变电站以及电网的设计、分析计算以及运行与控制的能力起到了很好的辅助作用。
2.水电站虚拟仿真
水电站虚拟仿真提供了与现场效果一致的大型水电站仿真培训系统的实践教学环境，在水电站监控系统中涵盖了水电站的所有主要机电设备，包括：
水电站水轮机、发电机、发动机出口短路器、主变、500kVGIS系统、厂用电系统、调速系统、励磁系统、监控系统、继电保护系统、安全自动装置系统、气系统、排水系统、机组及变压器技术供水系统、油系统、消防系统、闸门系统、流量水位曲线、（含黑启动系统）、AGC/AVC等系统及厂房场景、设备系统运行、维护、检修、拆装过程的多维立体展现。
学生可以
亲自动手操作实验，可进行水电站正常工况运行操作过程培训;异常工况运行操作过程培训;紧急事故工况处理操作培训;计算机监控系统培训;综合反事故培训;生产过程运行知识与专业理论培训。
解决了传统课堂学习中学生“只能动口，不能动手”的难题，通过“操作、观察、分析、记录、总结”，激发了学生的学习兴趣和主动参与的学习热情，提高了理论和实践教学效果。
（三）电气工程虚拟仿真实验的主要特点
1.虚实结合，互为补充
“虚”是指采用虚拟的仿真实验平台为学生提供亲自动手操作实验或培训的机会，由于电力生产的特殊性，考虑到生产的安全性和学生自身的安全性，实验操作不可能在实际系统中进行，必须借助于软件平台。
“实”则是通过校外企业作为实习基地提供学生参观实习的机会，建立学生对现场的感性认识。
虚实结合的教学模式可以有效提高学生对电力系统运行特点及控制过程等知识的掌握。
2.运维合一，多媒体一体化教学
多维多媒体仿真能极大增强仿真临场感和沉浸感。
借助多维多媒体手段，创造一个虚拟现实培训环境，让学生在虚拟场景中上完成对调速、调压、AGC＼AVC等相关电力系统方面的操作。
可对设备进行拆卸和装配，让学生看到平时不易见到的设备构造、工艺及内部运行情况，做到对设备的组成、结构、拆卸顺序及操作过程等了然于胸。
还可实现事故场景真实再现，便于学生对暂态过程进行分析，可大大提高学生学习的积极性和学习效率。
二、电力系统分析软件介绍
随着电力工业的发展，电力系统规划、运行和控制的复杂性亦日益增加，电力系统的生产和研究中仿真软件的应用也越来越广泛。
现在，我们主要使用的电力系统仿真软件有：
EMTP程序，用于电力系统电磁暂态计算，电力系统暂态过电压分析，暂态保护装置的综合选择等。
PSCAD／EMTDC程序，典型应用是计算电力系统遭受扰动或参数变化时，参数随时间变化的规律。
PSASP，其功能主要有稳态分析、故障分析和机电暂态分析。
还有MathWorks公司开发的MATLAB软件。
（一）PSASP（电力系统分析综合程序）
PSASP是一套历史长久、功能强大、使用方便的电力系统分析程序，它具有我国自主知识产权，是资源共享，使用方便，高度集成和开放的大型软件包。
交直流混合电力系统，固定模型库和用户自定义模型库支持，提供用户程序接口，实现与用户程序联合运行，文本和图形两种运行模式及多种形式的结果输出。
自1973年开始的长期开发应用历史；1973-1980早期的机器指令版；1980-1986大中型机FORTRAN语言版；1986-1995微机DOS版；1995至今微机Windows版
PSASP拥有基于公用数据和模型的三层体系结构。
第一层：
公用数据和摸型的的资源库；第二层：
基于资源库的应用程序包；第三层：
计算结果库和分析工具。
这造就了其极大地资源共享，高度集成和开放等优点。
其主要有以下几个模块：
1.文本和图形两种录入编辑方式的电网基础数据库：
1）是支持PSASP各种计算的公用数据
2）包含发电机、变压器、交流线、负荷、直流线、静止无功补偿器等电网基本元件
3）有文本和图形两种数据录入编辑方式
4）可提供各种分析计算的基本数据支持
5）可按地区、年度、运行方式从中抽取计算的基本数据
2.直观方便、功能强大的用户自定义模型方法：
1）可自由建立任何元件的模型（电源、负荷、各种控制保护装置、FACTS元件等），作为各种计算的模型库
2）直观方便的文本和图形两种模型编辑方式
3）调用简单，计算快速
3.基于公用资源的交直流电力系统分析程序包：
潮流、暂态稳定、短路电流、网损分析、电压稳定、静态安全分析、静态和动态等值、直接法暂态稳定、小干扰稳定、最优潮流和无功优化、参数优化协调、继电保护整定与仿真。
（二）EMTP-ATP（AlternativeTransientsProgram）
EMTP-ATP广泛应用于开关和雷电冲击分析、绝缘配合和轴系扭振研究、继电保护模拟、谐波和电能质量研究以及HVDC和FACTS装置的模拟。
ATP是一个模拟电力系统电磁暂态和机电暂态特性的数字仿真软件包，可模拟任意结构的复杂电力网络及其控制系统，具有很强的扩展能力，除暂态计算之外，还有其它一些重要的特性。
TACS为进行控制系统时域分析的模块。
最初开发TACS是为了模拟HVDC换流器的控制系统。
TACS采用控制系统的结构图表示法。
电网与TACS之间的接口是通过信号量的交互：
如节点电压、支路电流、开关状态、时变电阻、电压源和电流源等。
TACS可用于模拟：
1）HVDC换流器的控制系统；2）同步发电机的励磁系统；3）电力电子及其驱动；4）电弧（断路器和故障电弧）
（三）PSS®NETOMAC
德国西门子公司在上个世纪70年代开发的电力系统分析软件，经过多年的发展，该软件不断完善，功能日益强大，具有良好的开放性，可嵌入用户自行编制的FORTRAN语言子程序、数学表达式等，用户遍及世界各地。
该软件元件模型全，仿真频带宽，运行与Windows环境下。
1.潮流计算：
可进行单相、三相潮流计算，计算时可以考虑负荷电压特性、变压器分接头、HVDC及SVC；也可进行电感、电容耦合的多相线路潮流计算，得到分布式多相线路上的电压随距离的变化曲线。
2.暂态计算：
分为电磁暂态计算和机电暂态计算。
电磁暂态部分采用差分导纳法、变积分步长等方法和技巧有效地处理了开关操作产生间断点、非线性连接等问题；机电暂态部分可用自定义地负荷模型考虑频率、电压特性，自定义的继电保护断开线路仿真。
在暂态计算中不同的时段可采用不同的数学模型，可变积分步长。
3.参数辨识和优化：
在频域或时域内使用Quas－Newton，ModifiedPowell或最小二乘法进行辨识；能在等式、不等式约束条件下对用户自定义的目标函数进行优化；能对发电机电压调节器的参数进行优化甚至可以解决一些较难优化的数学问题。
4.频率响应：
计算网络和电机的频率特性以便于为发电机励磁等的参数设计提供依据、计算无源网络的谐波分布、分析网络中出现的周期性干扰、研究与频率和电压有关的负荷的影响等。
5.动态稳定性分析：
应用收敛性较好的QR算法求出全部特征值，来判断系统在小扰动下的动态稳定性；若考虑发电机轴系方程后，也可进行次同步振荡的研究。
面向模块的仿真语言：
采用模块化语言来模拟发电机励磁，原动机调速器、汽轮机等。
具有80多种模块，其中有积分、惯性等基本积分环节，也有较大的组合模块。
（四）PSS®E
PSS®E是西门子PTI（SiemensPowerTechnologiesInternational）公司提供的软件产品，是一个完整的电力系统分析软件工具库。
该软件提供了一个非常优越的潮流计算，短路故障分析和动态仿真的环境.PSS®E采用最新的计算机技术和数值计算方法，提供与电力系统技术发展同步的元件模型，如传统和新型高压直流（HVDC）模型、灵活
交流输电系统（FACTS）模型等，并提供用户可自定义的模型和用户可编程的计算过程等功能。
1.输入数据方式及与其他程序数据文件共享的方便性；
2.程序缺省模型包括发电机模型、励磁系统模型、调速器模型、HVDC模型、FACTS模型、负荷模型等的完整性；
3.用户自定义模型功能和程序接口功能；
4.用户自定义计算顺序与用户自定义计算功能；
5.分析计算功能的多样性；
6.计算方法的透明性与文档的完整性；
7.国际交流的方便性。
（五）SIMPOW
典型模块与典型研究：
1.电力系统潮流分析模块（Power-flowanalysismodule）
电力系统潮流模块基于频率，电压和电流，对于稳态对称的电路进行仿真。
系统中采用动态算法或者牛顿-拉夫逊（Newton-Raphson）法进行潮流计算，并且针对变量设定了各种各样的约束条件。
2.动态仿真模块（Dynamicsimulationmodule）
在SIMPOW软件中包含两种动态模型：
暂态稳定和瞬时值模型。
每种模型都能模拟稳态，对称和不对称电力网络。
暂态稳定模型通过交流系统相量和直流系统电压电流进行计算，输出正序，负序，零序分量。
瞬时值模型计算瞬时电压和电流，输出dqo分量。
SIMPOW软件提供了完整的动态仿真模块库，包含HVDC和SVC系统。
3.故障分析模块（Faultanalysismodule）
故障分析模块用于仿真分析稳态对称和不对称故障，计算短路电流，序分量，节点短路阻抗等。
4.频域分析模块（Frequencydomainanalysis）
SIMPOW可用以频域特征值计算和频域响应计算，这对于电机的小信号稳定和自动控制系统方面的研究将有莫大的帮助。
（六）MATLAB
Matlab由美国MathWorks软件公司于1984年推向市场，历经十几年的发展和竞争，现在己经成为（IEEE评述）国际公认的最优秀的科技应用软件之一。
该软件有三大特点:
功能强大；界面友好、语言自然；开放性强（仅MathWorks软件公司就推出30多个应用工具箱），已成为应用科学计算机辅助分析、设计、仿真、教学乃至科技文字处理不可缺少的基础。
Matlab含有多个专业性的工具箱，其中主要用于电力系统分析的有EST（EducationalSimulationTool），MatEMTP，Matpower，PST（PowerSystemToolbox），PAT（PowerAnalysisToolbox），SPS（SimPowerSystems），VST（VoltageStabilityToolbox），PSAT（PowerSystemAnalysisToolbox）等工具箱，而且工具箱还在不断增加，这些工具箱给电力系统的研究和工程应用提供了有力的工具。
对于上述主要介绍的几种软件，总结如下：
1.EMTP和PSS®NETOMAC都是世界范围通用的电力系统仿真软件，其特点为计算速度快、结果准确度高、功能强大，几乎可以对任何复杂电力网络进行模拟。
2.PSS®E是一个集成化的交互式软件，主要用于电力系统的潮流计算，界面友好，可与多种输出设备相连，输入输出可根据用户要求进行设计，它要求使用者有一定的编程基础，输入不如EMTP和PSASP方便。
3.PSASP特点在于其使用简单，功能简单齐全，但计算模式有局限性，不易进行复杂模型的算法仿真。
三、基于Matlab的电力系统故障分析与仿真
在MATLAB中，电力系统模型可以在Simulink环境下直接搭建，也可以进行封装和自定义模块库，充分显现了其仿真平台的优越性。
MATLAB提供了丰富的工具箱资源，以及大量的实用模块，使我们可以更加深入地研究电力系统的行为特性。
在仿真平台上，以单机—无穷大系统为建模对象，通过选择模块，参数设置，以及连线，对电力系统的多种故障进行仿真分析。
同时，设计一个GUI图形界面，将仿真波形清晰地显示在界面上以便比较和分析。
结果表明，仿真波形基本符合理论分析，说明了MATLAB是电力系统仿真研究的有力工具。
（一）MATLAB简介
MATLAB有强大的运算绘图能力，给用户提供了各种领域的工具箱，而且编程语法简单易学。
下面简单介绍一下本次仿真建模中需要用到的工具箱。
1.Simulink基本库，为用户提供了多种基本模块。
它有两个显著功能，即仿真与连接，是实现动态系统建模、仿真的一个集成环境。
2.PSB（PowerSystemBlock）电力系统模块库，涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工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更大的便利。
它由以下8个子模块库组成：
电源模块库（ElectricalSources）；基本元件模块库（Elements）；电力电子模块库（PowerElectronics）；电机模块库（Machines）；连接模块库（Connectors）；测量模块库（Measurements）；附加模块（ExtraLibrary）；电力图形用户接口（Powergui）。
3.GUI（用户图形界面）是程序的图形化界面。
组件、图象窗口以及回应是创建界面所必须的三个基本元素。
它提供用户一个常见的界面，以及一些控件，例如，按钮，列表框，菜单等。
通常，还可以通过编程来实现多种功能。
（二）电力系统故障分析
1.故障基础知识
电力系统的故障一般分为简单故障和各种复杂故障。
简单故障是指电力系统正常运行时某一处发生短路或断线故障的情况，其又可分为短路故障（横向故障）和断线故障（纵向故障），而复杂故障则是指两个或两个以上简单故障的组合。
短路故障有4种类型：
三相短路（
）、两相短路（
）、单相接地短路（
）和两相短路接地（
）；断线故障分为一相断线和两相断线。
其中发生单相接地短路故障的概率最高，占65%。
在本次设计中，对这六种故障都进行了建模仿真，由于单相接地短路故障发生的几率最高，因此本文将该故障作为典型例子来分析建模仿真过程。
2.单相短路接地故障分析
假设系统短路前空载，短路模拟图如图1所示。
图1单相接地短路
（1）
当系统中的f点发生单相（A相）直接短路接地故障时，其短路点的边界条件为A相在短路点f的对地电压为零，B相和C相从短路点流出的电流为零，即：
将式子
（1）转换成各个序分量之间的关系。
对于
，有如下关系：
（2）
根据
可以得出：
于是，单相短路接地时，用序分量表示的边界条件为：
（3）
由边界条件组成复合序网（复合序网是指在短路端口按照用序分量表示的边界条件，将正序、负序和零序三个序网相互连接而成的等值网络）从A相短路接地的序分量边界条件式（3）可见，它相当于三序序网的端头进行串联，如图2所示
图2单相接地短路复合序网
复合序网直观地表达了不对称短路故障的地点和类型，对复合序网进行分析计算，可以解出短路点处的各序电压，电流分量，如下：
（1）电流分量
序电流分量为：
（4）
三相电流为：
（5）
（2）电压分量
序电压分量为：
（6）
三相电压为：
（7）
3.系统总体设计
为了排除一些干扰，在仿真中得到理想的数据及波形，在本篇论文中，选择了最具有代表性的典型的电力系统——单机无穷大系统。
该系统认为功率无穷大，频率恒定，电压恒定，即对现实进行近似处理，以简化模型，更有利于得出结论，简化计算过程。
如图3所示。
图3单机—无穷大系统
上图中，最左端是发电机组，
是机端电压，
是变压器的电抗，
和
是线路电抗，
是无穷大电源电压。
假设额定容量
（VA），额定电压
（KV）,额定频率
Hz,变压器的变比
，无穷大电源电压
（KV）。
在接下来的系统仿真模型中，以上图为基础，用Simulink以及SimPowerSystems中的模块来连接组成所需要的系统，再进行故障分析。
首先根据图3，分析知道需要组成系统的几个主要部分，分别是发电机组，三相变压器，输电线路，负载，故障元件，测量仪器以及标准电压源。
在Simulink的扩展工具箱中找到SimPowerSystems，或者直接在提示符下键入powerlib打开电力系统模块库，选择建模所需要的模块。
使用同步发电机（SynchronousMachinepuStandard），励磁系统（ExcitationSystem）和水轮机调速器（HydraulicTurbineandGovernor）来组成发电机组。
在进行发电机组的参数设置时，
，
，
按照上述的额定值进行设置，转子类型（Rotortype）：
凸极（Salient—Pole）,其余相可用模块的默认值。
三相变压器选择双绕组三相变压器（Three-PhaseTransformer），将变比设置为13.8/230（高压侧额定电压为220KV），低压绕组三角形接法，高压绕组星型接地。
采用分布参数输电线路模型（DistributedParameterLine）模拟220（KM）的高压线。
另外，将标准电压源的容量设置成10E10来模拟无穷大系统。
首先用模块建立一个正常运行的电力系统，仿
真后观察电压电流波形，待稳定后，再将故障元件加入其中，这样才能保证故障切除后系统最终能恢复到稳定状态。
本文以单相接地短路故障为例，仿真模型如图4。
图4单相接地短路
图中，短路故障是用三相故障元件来模拟的，在该模块的参数设置中选择A项以及接地故障（GroundFault），并将故障电阻
和接地电阻
都设为0.001（很小，但不能为零）。
故障时间段可通过Transitiontimes来安排故障起始时间和切除时间分别为0.13和0.25。
其余模块的参数设置都要根据系统要求进行适当修改，在此不再作过多叙述。
对上述模型进行仿真前，需要选择仿真步长的算法，由于电力系统是带发电机的刚性系统，因此算法ode15s，ode23tb适合采用，仿真停止时间设定为0.4秒。
经过一系列选择，设置后，就可以对系统开始仿真了。
其余三种短路故障的模型与图4相同，唯一需要修改的地方则是三相故障元件的设置。
当要对两相（假设B、C两相）短路故障进行仿真时，只需选择B相和C相，此时接地电阻默认值为10E6欧姆；两相短路接地故障需在两相短路故障设置的基础上多加一个接地选项，并将接地电阻设置为0.001；三相短路故障的设置就是将A、B、C三相全部选中。
断线故障是用三相断路器来模拟的，断路器的初始状态设为闭合，某相发生断线故障时就选择改变与该相相连的断路器状态，使之打开。
4.GUI图形界面设计
前面部分简单说明了仿真建模的过程，为了能把最后的仿真波形同时显示在一个界面中以便比较和分析，设计一个图形界面，不仅能随意地选择故障类型进行仿真，让波形全部显示出来，而且还能单独查看各相的电压电流波形图。
要实现这样的功能需要在界面对应M文件中编辑相应的函数，使界面和仿真模型联系起来。
下面简单介绍GUI图形界面的设计过程。
在MATLAB提供的GUIDE环境下，将所需的组件拖入到空白界面，有坐标轴，按钮，静态文本框，列表框以及单选按钮，然后排列整齐。
选中任意一个组件，双击，便可以在弹出的属性查看器窗口查看或者修改组件的属性，如，颜色，字体，名称等等。
接下
来打开系统自动生成的与当前界面相对应的M文件，开始在相应的组件回调函数名下编写程序，使组件在界面运行时通过程序响应一定得功能。
程序的编写是一个大工程，在这就不多说，介绍一些简单的绘图指令，如下：
axes（handles.axes1）;%指定要画图的坐标轴
sim（’ag’）;%实现与模型ag相连的功能，并使模型开始仿真
plot（tout，Ua）;%实现画图功能，tout是横轴的数据，Ua是纵轴的数据
xlabel（'时间/s'）;%给横轴加标签
ylabel（'电流/A'）;%给纵轴加标签
title（'故障点A相电压'）;%给坐标轴加上标题
gridon;%添加网格
完成组件回调函数的编写就可以运行M文件了，若出现问题，回到MATLAB主窗口查看报错信息，进行修改。
下图5显示的是在GUI界面上的单相接地短路故障的仿真波形图。
图5单相接地短路波形
同样，其余故障的波形图都可以通过选择listbox1里的故障类型，点击开始仿真后与MATLAB里相应的的故障模型相连。
仿真结束，波形显示在GUI界面上。
需要单独查看波形时，选择listbox2中的查看选项，就会弹出一个大的Figure图表框显示波形，如图6。
图6单独查看故障点A相电压波形
5.结果分析
分析图5所示的波形，仿真开始时，系统处于正常运行状态，电压电流波形都按正弦波变化，当A相0.13s接地短路时，可以观察到A相对地电压剧降为零，B、C两非故障相电压没有发生变化。
再观察电流，在故障发生前，A、B、C三相的对地电流都为0，A相接地短路以后，电流迅速增大，Ib和Ic保持原样。
再往后看，电压序分量和电流序分量都是输出的峰值，在系统正常运行时，电压只有正序分量，电流为零。
当出现故障时，也就是在0.13到0.25秒，电压和电流出现现了负序和零序分量。
经过第二章的理论分析，故障时正序、负序和零序电流是相等的，因此三条线在坐标轴上被覆盖了，只有最后一条零序分量的图线。
理论上A相的电流值是等于3倍的序分量，由图可见，故障电流Ia峰值大约为4500安培，零序电流分量大约为1500安培，是Ia的三分之一，说明仿真波形图是正确的。
故障切除后，系统中仍然只有正序分量，从电压序
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