课程设计基于MATLAB的电力系统短路故障仿真于分析研究报告.docx

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《电力系统建模及仿真课程设计》总结报告

题 目：

基于MATLAB的电力系统短路故障仿真于分析姓 名 某某某 学 号 200x0417xxx 院 系 自机学院 班 级 0x级电气x班 指导教师 某某莫

摘要

本次课程设计是结合《电力系统分析》的理论教学进行的一个实践课程。

电力系统短路故障，故障电流中必定有零序分量存在，零序分量可以用来判断故障的类型，故障的地点等，零序分量作为电力系统继电保护的一个重要分析量。

运用Matlab电力系统仿真程序SimPowerSystems工具箱构建设计要求所给的电力系统模型，并在此基础上对电力系统多中故障进行仿真，仿真波形与理论分析结果相符，说明用Matlab对电力系统故障分析的有效性。

实际中无法对故障进行实验，所以进行仿真实验可达到效果。

关键词：

电力系统；仿真；短路故障；Matlab；SimPowerSystems

-26-

Abstract

Thecoursedesignisacombinationofpowersystemanalysisofthetheoreticalteaching,practicalcourses.Powersystemshort-circuitfault,thefaultcurrentmustbezerosequencecomponentexists,andzero-sequencecomponentcanbeusedtodeterminethefaulttype,faultlocation,thezero-sequencecomponentasacriticalanalysisofpowersystemprotection.SimPowerSystemsToolboxbuildingdesignrequirementstothepowersystemmodelusingMatlabpowersystemsimulationprogram,andonthisbasis,thepowersystemfaultsimulation,thesimulationwaveformswiththetheoreticalanalysisresultsmatch,indicatingthatthepowersystemfaultanalysisusingMatlabeffectiveness.Practicecannotfaulttheexperiment,thesimulationcanachievethedesiredeffect.

Keywords:

powersystem;simulation;failure; Matlab;SimPowerSystems

目 录

一、引言..............................................-3-

1、故障概述..........................................-3-

2、故障类型..........................................-3-

二、电力系统模型......................................-4-

三、电力系统仿真模型的建立与分析......................-4-

3.1电力系统仿真模型.................................-5-

3.2仿真参数设置.....................................-6-

3.3仿真结果分析.....................................-8-

3.3.1正常运行分析.................................-8-

3.3.2单相接地短路故障分析.........................-9-

3.3.3两相短路故障分析............................-12-

3.3.4两相接地短路故障分析........................-15-

3.3.5三相短路故障分析............................-18-

四、结论.............................................-21-

五、参考文献.........................................-21-

六、心得体会.........................................-22-

一、引言

1、故障概述

短路是电力系统的严重故障。

所谓短路，是指一切不正常的相与相之间或相与地（对于中性点接地的系统）发生系统通路的情况。

电力系统在运行中，相与相之间或相与地（或中性线）之间发生非正常连接（即短路）时流过的电流。

其值可远远大于额定电流，并取决于短路点距电源的电气距离。

例如，在发电机端发生短路时，流过发电机的短路电流最大瞬时值可达额定电流的10～15倍。

大容量电力系统中，短路电流可达数万安。

这会对电力系统的正常运行造成严重影响和后果[1]。

供电网络中发生短路时,很大的短路电流会使电器设备过热或受电动力作用而遭到损坏,同时使网络内的电压大大降低,因而破坏了网络内用电设备的正常

工作.为了消除或减轻短路的后果,就需要计算短路电流,以正确地选择电器设备、设计继电保护和选用限制短路电流的元件。

2、故障类型

三相系统中发生的短路有4种基本类型：

三相短路，两相短路，单相对地短路和两相对地短路。

其中，除三相短路时，三相回路依旧对称，因而又称对称短路外，其余三类均属不对称短路。

在中性点接地的电力网络中，以一相对

地的短路故障最多，约占全部故障的90％。

在中性点非直接接地的电力网络中，短路故障主要是各种相间短路。

为了保证电力系统运行的功能和质量，在设计、分析和研究时必须保证系统的静态和动态特性。

现代电力系统是一个超高压、大容量和跨区域的巨大的联合系统，电力系统事故具有突发性强、维持时间短、复杂程度高、破坏力大的特点，因而使得事后对故障原因分析、查找变得尤其困难。

由于在实际系统上进行试验和研究比较困难，因此借助各种电力系统动态仿真软件电力系统的设计和研究已成为有效途径之一。

Matlab在电力系统建模和仿真的应用主要由电力系统仿真模块（PowerSystemBlockset简称PSB）来完成。

PowerSystemBlock是由TEQSIM公司和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,可以对非线性、刚性和非连续系统进行精确的仿真，并精确地检测出断点和开关发生时刻。

PSB程序库涵盖了电路、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仿真模型。

通过PSB可以迅速建立模型，并立即仿真。

PSB程序块程序库中的测量程序和控制源起到电信号与Simulink程序之间连接作用。

PSB程序库含有代表电力网络中一般部件和设备的Simulink程序块，通过PSB可以迅速建立模型，并立即仿真。

二、电力系统模型

电力系统中输送和分配电能的部分称为电力网,它包括升降压变压器和各种电压等级的输电线路、动力系统、电力系统和电力网简单示意如图

三、电力系统仿真模型的建立与分析

电力系统仿真主要是对短路类型中的三相短路、两相短路和单相接地短路的电流、机端电压波形进行分析。

利用Matlab软件中的电力系统模块库（PSB），建立了模型，它对电力系统设备的设计和选用有一定的参考价值。

同时电压电

流波形可以直观的了解，便于建立系统的观念。

3.1电力系统仿真模型

题目要求：

发电机G：

50MW、13.8kV，保持恒定，Y连接；变压器T-1：

13.8/220kv；线路L：

100km，负荷LD：

5MVA。

系统仿真模型如下：

3.2仿真参数设置

各元件参数设置如下：

（1）发电机参数设置

发电机额定容量为50MVA,额定电压为13.8KV，额定频率为60Hz，Yg连接，其它采用默认值。

（2）三相变压器参数设置

额定频率为60Hz，一次侧电压13.8KV，二次侧电压220KV。

其他采用默认值。

（3）三相输电线参数设置线路长100Km。

（4）负荷参数设置额定容量为50MVA。

（5）故障模块参数设置

短路故障是用三相故障元件来模拟的，故障时间段可通过Transition

Times来设置，设置为0.01～0.05秒。

其余的短路故障模型可以通过修改三相故障模块的参数设置来实现，将在以下仿真过程中进行设置。

（a）三相交流电源G （b）三相测量元件

（c）三相双绕组变压器T-1 （d）线路L

（e）三相故障模块 （f）负荷LD

3.3仿真结果分析

3.3.1正常运行分析

正常运行时发电机输出端电压波形

正常运行时发电机输出端电流波形

分析：

电力系统未发生短路故障时，发电机端的电压和电流均成正弦变化，三相交流电源的三相电压和电流之间相位不同，而幅值的大小是相同的。

3.3.2单相接地短路故障分析

将三相电路短路故障发生器中的“故障相选择”选择A相故障,并选择故障相接地选项,故障时间为0.01～0.05秒;在万用表元件中选择A相、B相和C相电流作为测量电气量,激活仿真按钮。

（此处以A相接地短路为例）

A相接地短路故障点三相电流：

A相接地短路故障点三相电压：

分析：

当A相发生接地短路时故障点A相电压降为零，、、非故障相即BC

两相电压上升为线电压，其夹角为60°。

故障切除后各相电压水平较原来升高，这是中性点电位升高导致的。

故障点各相电压：

分析:

当输电线路发生A相接地短路时,B相、C相电压没有变化。

在正常状态时，三相短路故障发生器处于断开状态,A相电压也不变,不为0. 在0.

01s时,三相短路故障发生器闭合,此时A相接地短路,其短路电压波形发生了剧烈的变化,电压降为0.在0.05s时,三相短路故障发生器打开,故障排除,此时故障点A相电压迅速恢复。

故障点各相电流：

分析：

当输电线路发生A相接地短路时,B相、C相电流没有变化,始终为

0。

在正常状态时，三相短路故障发生器处于断开状态,A相电流为0. 在0.

01s时,三相短路故障发生器闭合,此时A相接地短路,其短路电流波形发生了剧烈的变化,但大体上仍呈正弦规律变化.在0.05s时,三相短路故障发生器打开,故障排除,此时故障点A相电流迅速变为0。

发生单相接地短路故障时发电机端电压波形：

发生单相接地短路故障时发电机端电流波形：

分析:

当0.01秒时发生单相接地短路,发电机端故障相电压下降,而两个非故障相电压未发生变化,发电机段故障相电流未发生变化,而两个故障相电流开始变化,振幅增大.0.05秒时,故障解除,发生变化的电压和电流迅速恢复到原来的幅值.

3.3.3两相短路故障分析

将三相电路短路故障发生器中的“故障相选择”选择A相和B相故障,并选择故障相接地选项,故障时间为0.01～0.05秒;在万用表元件中选择A相、B相和C相电流作为测量电气量,激活仿真按钮。

即发生A相和B相两相短路故障。

（以AB两相短路为例）

AB两相短路故障点三相电流：

AB两相短路故障点三相电压：

分析：

在A、B两相发生短路故障时，非故障相C相电压波形幅值增大。

A相和B相电压降为0V。

C相未发生故障,其短路电流为零.两相短路时,短路故障

点电流中没有零序分量,而正序分量与负序分量大小相等但方向相反.

故障点各相电压：

分析:

（选故障点A相观察）在稳态时，故障点A相电压由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，因而电压为正弦变化。

在0.01s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生A、B两相短路，故障点A相电压发生变化，突变为0V。

在0.05s时，三相电路短路故障发生器断开，相当于排除故障。

此时故障点A相电压波动恢复正弦波形。

故障点B相与A相近似.

（选故障点C相观察）故障点C相:

在稳态时，故障点C相电压由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，因而电压为正弦变化幅值约为5000V。

在

0.01s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生A、B两相短路，C相电压发生变化，突变为6000V。

由图形可以得出以下结论：

由于C相为非故障相，其电压波形仅在两相短路期间波的幅值变大，但是波形不变。

故障点各相电流：

分析：

（选取故障点A相观察）在稳态时，故障点A相电流由于三相电路

短路故障发生器处于断开状态，因而电流幅值为0A。

在0.01s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生A、B两相短路，故障点A相电流发生变化，由于闭合时有初始输入量和初始状态量，因而波形下移，呈正弦波形变化。

在

0.05s时，三相电路短路故障发生器断开，相当于排除了故障。

此时故障点A

相电流迅速上升为0A。

（选取故障点B相观察）：

在稳态时，故障点B相电流由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，因而电流为0A。

在0.01s时，三相电路短路故障发生器闭合，此时电路发生A、B两相短路，故障点B相电流幅值发生变化，由于闭合时有初始输入量和初始状态量，因而波形上移，呈正弦波形变化。

在0.05s时，三相电路短路故障发生器断开，相当于排除故障。

此时故障点B相电流迅速下降为0A。

（选取故障点C相观察）:

在A、B发生两相短路时，故障点C相电流没有变化，始终为0A。

同时也符合理论计算如式2-14可知I&fb=0。

发生两相短路故障时发电机端电压：

发生两相短路故障时发电机端电流：

分析:

当0.01秒时发生两相短路,发电机端故障点两相电压幅值下降,而非故障相电压幅值增大一点,但并不多,发电机段故障点两相电流幅值增大,而非故障相电流幅值变化更大.0.05秒时,故障解除,发生变化的电压和电流迅速恢复到原来的幅值.

3.3.4两相接地短路故障分析

将三相短路故障发生器中“故障相选择”的A相和B相选中,并选择故障相接地选项;在万用表元件中选择A相、B相和C相电流作为测量电气量,激活仿真按钮.（以AB两相接地故障为例）：

AB两相接地故障点三相电流：

AB两相接地故障点三相电压：

故障点各相电压：

分析：

在A相、B相发生接地短路时,C相电压没有变化,但不为0.对于故障相A相和故障相B相电压:

在稳态时,故障点A相、B相电压由于三相短路故障发生器处于断开状态,因而电压不为0.在0.01s时,三相短路故障发生器闭合,此时电路发生A相、B相接地短路,故障点A相和B相电压变化,变为

0.在0.05s时,三相短路故障发生器打开,相当于排除故障,此时故障点A相、

B相电压有迅速恢复.

故障点各相电流：

分析：

在A相、B相发生接地短路时,C相电流没有变化,始终为0.对于故障相A相和故障相B相电流:

在稳态时,故障点A相、B相电流由于三相短路故障发生器处于断开状态,因而电流为0.在0.01s时,三相短路故障发生器闭合,此时电路发生A相、B相接地短路,故障点A相电流波形下移,故障点B相电流波形上升,呈正弦规律变化.在0.04s时,三相短路故障发生器打开,相当于排除故障,此时故障点A相、B相电流变化为0.

发生两相接地短路故障时发电机端电压：

发生两相接地短路故障时发电机端电流：

分析:

当0.01秒时发生两相接地短路,发电机端故障点两相电压幅值下降,而非故障相电压幅值增大一点,但并不多,发电机段故障点两相电流幅值增大,而非故障相电流幅值变化更大.0.05秒时,故障解除,发生变化的电压和电流迅速恢复到原来的幅值.但是比较两相短路不接地的情况,干扰更强一点

3.3.5三相短路故障分析

将三相短路故障发生器中“故障相选择”的三相故障3个都选中;在万用表元件中选择A相、B相和C相电流作为测量电气量.激活仿真按钮。

三相短路故障点三相电流：

三相短路故障点三相电压：

故障点各相电压：

分析：

在稳态时,故障相各相电压由于三相短路故障发生器处于断开状态,因而电压不为0.在0.01s时,三相短路故障发生器闭合,此时电路发生三相短路,故障点各相电压发生变化,故障点各相电压都降为0.在0.05s时,三相短路故障发生器打开,相当于排除故障,此时故障点各相电压迅速恢复.

故障点各相电流：

分析：

在稳态时,故障相各相电流由于三相短路故障发生器处于断开状态,因而电流为0.在0.01s时,三相短路故障发生器闭合,此时电路发生三相短路,故障点各相电流发生变化,由于闭合时有初始输入量和初始状态量,因而故障点各相电流波形上升或者下降.在0.05s时,三相短路故障发生器打开,相当于排除故障,此时故障点各相电流迅速下降为0.

发生三相短路故障时发电机端电压：

发生三相短路故障时发电机端电流：

分析:

当0.01秒时发生三相短路,发电机端故障点三相相电压幅值下降,发电机端故障点三相电流幅值增大.0.05秒时,故障解除,发生变化的电压和电流迅速恢复到原来的幅值.

四、结论

在所给的电力系统中K处选取了不同的故障类型（三相短路、单相接地短路、两相短路、两相接地短路）进行仿真，比较仿真结果，结果表明运用Matlab对

电力系统故障进行分析与仿真，能够准确直观地考察电力系统故障的动态特性，验证了Matlab在电力系统仿真中的强大功能。

五、参考文献

[1］.于永源，杨绮雯.《电力系统稳态分析》[M]．中国电力出版社，2007.

[2］.王晶，翁国庆，等.《电力系统分析的MATLAB/SIMULINK仿真与应用》

.西安电子科技大学出版社.2008.

[3］.刘卫国.《MATLAB程序设计与应用》[M].北京：

高等教育出版社，

2008.

六、心得体会

通过本次课程设计的实训,我对电力系统故障以及Matlab软件有了更深的认识。

但由于在校期间学习不扎实，以及实践经验的缺乏，在实训过程中有很多地方还需要好好阅读资料以及课本.但是经过这次实训,让自己的动手能力加强了,并对所学习的课本知识进行了巩固,这对于我来说是很好的一次机会,也让我更好的学习了这种仿真软件的使用以及特点和方法.