基于Matlab的电力系统短路故障分析与仿真

西南科技大学电气工程及其自动化专业方向设计报告设计名称：基于Matlab的电力系统短路故障分析与仿真姓名：***学号:***班级：***指导教师：***起止日期：2014.11.5-2014.12.6****大学****学院制2方向设计任务书学生班级：****学生姓名：***学号：********设计名称：基于Matlab的电力系统短路故障分析与仿真起止日期：2014.11.5-2014.12.6指导教师：***设计要求：（1）了解电力系统常见故障及诊断技术（2）能对常见的短路故障进行理性分析（3）掌握Matlab电力系统相关元件参数的设置，并完成仿真3方向设计学生日志时间设计内容2014.11.10电力系统故障仿真算例结构图2014.11.12Matlab仿真图及各部分模块参数设置图2014.11.14仿真运行结果及分析2014.12.1根据设计报告模块要求撰写设计报告4基于Matlab的电力系统短路故障分析与仿真摘要本次设计介绍了电力系统短路故障分析方法及Matlab/Simulink的基本特点。通过三相短路的情况对电力系统故障进行分析计算。然后对该种情况，运用Matlab/Simulink进行电力系统三相短路故障仿真，得出仿真结果。并对Matlab/Simulink搭建的三相短路电路图所得仿真的结果进行分析，从而得出结论。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。关键词：电力系统；短路故障分析；Matlab；仿真5PowersystemfaultanalysisandsimulationbasedonMatlabAbstractThisdesignintroducesthebasicfeaturesofthepowersystemshort-circuitfaultanalysismethodandMatlab/Simulinkfor.Bythree-phaseshortcircuitfaultonthepowersystemanalysisandcalculation.Thenthiscase,theuseofMatlab/Simulinkforsystempowerthreephaseshortcircuitfaultsimulation,thesimulationresultsobtained.Andtoanalyzetheresultingthree-phaseshortcircuitdiagramMatlab/Simulinktobuildsimulationresults,leadingtotheconclusion.TheresultsshowedthattheuseofMatlabforpowersystemfaultanalysisandsimulationcanaccuratelyvisuallyinspectthedynamiccharacteristicsofthepowersystemfailure,verifytheMatlabpowerfulinthepowersystemsimulation.Keywords:electricsystem;Fault;Matlab;Simulation6一、设计目的和意义短路是电力系统的严重故障。一相短路是发生情况最多的，大概占90%。其中三相短路是最严重的情况！所以我选择三相短路的事例来完成这个实验。那什么又叫短路呢？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。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。所以我们要尽量避免短路故障，我们这里通过Simulink仿真实验来认知短路故障的具体情况。二、控制要求电力系统三相短路计算主要是短路电流周期分量的计算，在给定电源电势时，实际就是稳态交流电路的求解。在电力系统短路电流的工程计算中，许多实际问题的解决（如电网设计中的电气设备选择）并不需要十分精确的结果，于是产生了近似计算的方法。在近似计算中主要是对系统元件模型和标么值参数计算做了简化处理。在元件模型方面，忽略发电机、变压器和输电线路的电阻，不计输电线路的电容，略去变压器的励磁电流（三相三柱式变压器的零序等值电路除外），负荷忽略不计或只做近似估计。在标么值参数计算方面，在选取各级平均电压做为基准电压时，忽略各元件(电抗器除外)的额定电压之比，即所有变压器的标么变比都等于1。此外，有时还假定所有发电机的电势具有相同的相位，加上所有元件仅用电抗表示，这就避免了复数运算，把短路电流的计算简化为直流电路的求解。短路计算点是指在正常接线方式时，通过电器设备的短路电流为最大的地点。所选的短路点一定要是各种短路类型是最严重的情况，应为只要这样才能得出变压器中性点的最大入地电流，算出后才能进行接地电阻允许值的计算。而且一般不止选择一个短路点，而是通常选择2～3个分别进行计算，然后将计算结果进行比较。而我们这里通过Simulink搭建电路模型来仿真三相短路情况时，通过三相短路错误发生器来模拟三相线路短路，仿真之后出现波形图，达7到控制的要求。三、设计方案论证短路计算的目的是为了选择导体和电器，并对其进行相关校验。基本假定：短路电流实用计算中，采用以下假设条件和原则：（1）正常工作时，三相系统对称运行；（2）所有电源的电动势相位角相同；（3）系统中的同步和异步电机为理想电机，不考虑电机饱和、磁滞、涡流及导体集肤效应等影响；转子结构完全对称；定子三相绕组空间相差120°电气角；（4）电力系统中各原件的磁路不饱和，即带铁芯的电气设备电抗值不随电流大小变化；（5）电力系统中所有电源都在额定负荷下运行，其中50%负荷接在高压母线上，50%负荷接在系统侧；（6）同步电机都具有自动调整励磁装置（包括强行励磁）；（7）短路发生在短路电流为最大值的瞬间；（8）不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流；（9）除计算短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻都略去不计；（10）元件的计算参数均取其额定值，不考虑参数的误差和调整范围；（11）输电线路的电容略去不计；用概率统计法制定短路电流运算曲线。一般规定：（1）验算导体和电器动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流，应按本工程的设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划（一般为本期工程建成的5～10年）。确定短路电流时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式，而不应按仅在仅在切换过程中可能并列运行的接线方式；（2）在电气网络中应考虑具有反馈作用的异步电动机的影响；（3）选择导体和电器时，对不带电抗器回路的计算短路点应选择在正常接线方式时短路电流为最大的地点。对加装电抗器的6～10KV出线与厂用分支线回路，除其母线和母线隔离开关之间隔板前的引线和套管，计算短路点应选择在电抗器前，其余导体和电器的计算短路点一般选择在电抗器后；（4）导体和电器的动稳定、热稳定和电器的开断电流，一般按三相短路验算。若发电机出口的两相短路或中性点直接接地系统及自耦变压器等回路中的单相、两相接地短路较三相严重时，则应按严重情况计算。而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8电压波形进行分析。利用Matlab软件中的电力系统模块库(PSB)，建立了同步发电机无穷大系统模型，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。四、系统设计电力系统各元件主要模型：（1）三相电源（Three-phaseSource）在Simulink里面SimPowerSystems窗口下的Elements找到Three-phaseSource直接使用，设置参数对话框如下图1所示：图1三相电源参数设置对话框电源电压设置的是13.8e3V，其他参数默认。（2）三相π型线路功能模块（3-PhasePISection）三相π型线路是构建电力系统模拟输电仿真模型时最常用的功能模块，由电阻、电感和电容构成。其参数设置类似于串、并联RLC支路模块，只是他所设置的电阻、电感和电容值为单位输电线长度时的参数值。因此在π型线路功能模块的属性参数对话框中，还需要设置输电线路的长度值。所以，就三相π型线路模块而言，在其电感、电阻、电容值的属性参数设置框中，9包括：（1）频率；（2）正序和零序电阻值；（3）正序和零序电容值；（4）输电线路的长度值。其参数设置如下图2所示，其中长度设置为100km，其他参数默认值。图2分布参数线参数设置对话框（3）并联RLC负荷模块（Elements）并联RLC负荷模块（ParallelRLCLoad）提供了一个由电阻、电感、电容并联连接构成的功能模块，也可以通过设置它的电阻、电感和电容的具体值来改变该支路的等效阻抗。其参数对话框如图3所示,其中参数为默认值。图3并联RLC负荷模块10（4）三相故障模块（3-phaseFault）三相故障模块提供了一种可编程的相间（phase-to-phase）和（phase-to-ground）故障断路器中。三相故障模块使用了三个独立的断路器，用来模拟各种对地或者相间故障模型。其参数对话框如图4所示：图4三相故障模块参数设置对话框仿真时将三相错误都勾上即可。可以模拟多种短路故障。三相故障模块中的断路器的开通和关断时间可以由一个Simulink外部信号（外部控制模式）或者内部控制定时器（内部控制模式）来控制。如果不设计接地故障，接地电阻（Groundresistance）Rg自动被设置为106。举例说明如下：当设置一个A、B相间短路故障模型时，只需要设置A相故障和B相故障属性参数；当设置一个A相接地故障模型时，只需要同时设置A相故障和接地故障属性参数，并且要指定一个小的接地电阻值。需要注意的是：①如果三相故障模块被设置为外部控制（Externalcontrol）模式时，在模块的封装图表中就会出现一个控制输入端。连接到这个输入端的控制信号必须是0或者1之类的脉冲信号（其中0表示断开断路器，1表示闭合断路器）。②当三相故障模块被设置为内部控制模式（internalcontrolmode）时，其开关时间（switchingtimes）和开关状态，均在该模块的属性参数对话框中进行设置。11（5）三相变压器模块（Three-ThaseTransformer）（1）变压器模块变压器模块是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级绕组中通有交流电流时，铁心（或磁心）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁心（或磁心）和绕组组成，绕组有两个或两个以上的绕组，其中介电源的绕组叫初级绕组，其余的绕组叫次级绕组。我们这里选择双绕组三相变压器，下面做一个简单的介绍：双绕组三相变压器的两个绕组可以接成多种形式，如星形Y、带中性线的星形Yn、星形接地Yg、三角形11D（超前星形30°）它们可以通过该功能模块。双绕组三相变压器需要设置的主要参数有：变压器的额定功率，频率，绕组电压、两个绕组的漏抗和电阻，以及激磁电感和激磁电阻。在该功能模块的属性参数对话框中，还有是否考虑铁芯饱和情况的选项，由“Saturablecore”选项完成。当选定了“Saturablecore”选项时，该属性参数对话框中便会自动增加一栏饱和特性参数设置栏（saturationcharateristic）,用于设置该变压器模