基于MATLAB的电网故障暂态仿真研究

基于MATLAB的电网故障暂态仿真研究（山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博255049）摘要：文中介绍了MATLAB/Simulink的特点及其提供的电力系统工具箱（PSB），并说明在MATLAB/Simulink环境下建立仿真模型的一般步骤，而且以此为指导建立了一个典型的环形电网模型，在此基础对电力系统的常见的短路故障进行了仿真并记录了仿真后得到电流、电压波形。对仿真后得到的不同故障状态下的电流、电压波形进行简单的对比分析，便可以得出电网在发生不同短路故障时的电网电流、电压的基本特征，对电力系统故障分析具有指导意义。关键词：MATLAB/Simulink；短路；仿真0引言电能已经成为当今世界最重要的能源，在电能的生产、传输和使用中会出现一系列的问题，对这些问题我们会提出一些解决的方法。但是现在用户对电力系统运行的可靠的性和安全性的要求非常严格，所以大多数方案或想法只有通过计算机仿真后才能付诸实践。这使得电力系统分析和仿真技术成为电力系统规划、设计、运行、分析及改造等过程中不可缺少的工具和手段。电力系统仿真就是用数学模型代替实际的电力系统，在计算机上用数值方法对系统的运行特性进行实验和研究的过程[1]。MATLAB的诸多优点及其提供的电力系统仿真模块使得它成为电力系统仿真分析和科研探索的理想工具和重要手段。暂态是指电力系统在某个运行情况下突然受到大的干扰后的状态。这里所谓的大干扰，是相对小干扰而言的，一般是指短路故障、突然断开线路或发电机等。短路故障是最常见的电力系统故障，因此本文对简单电网的短路故障进行了暂态仿真分析[2]。1MATLAB/Simulink简介MATLAB仿真软件是美国Mathworks公司于1998年推出的,在公司以及许多专家的努力下，经过多次扩充和修改，现已发行到MATLAB7.0以上版本，已成为当今国际上最流行的控制系统辅助设计（CACSD）技术的语言和软件工具。主要用于数值计算及可视化图形处理的高科技计算语言。它将数值分析、矩阵计算、图形图像处理和仿真等诸多强大功能集成在一个极易使用的交互式环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多学科提供了一种高效率的编程工具，集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络、图像处理等于一体。MATLAB具有3大特点：①功能强大；②界面友好，语言自然；③开放性强。正是由于MATLAB的这些特点，使它获得了对应用学科（特别是边缘学科和交叉学科）的极强适应力，并很快成为应用学科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软件，成为欧美高等院校、科研机构教学与科研必备的基本工具[3]。MATLAB提供的动态仿真工具SIMULINK是众多仿真软件中功能最强大、最优秀、最容易使用的一种，用来对动态系统进行建模、仿真和分析，他支持连续时间、离散时间以及两者混合的线性、非线性系统，也支持多变量、多速率系统。Simulink为用户提供了用方框图进行建模的模型接口，它与传统的仿真软件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。用户只需用鼠标选中各模块，并放进新建的模块图，最后用连线将各模块连接起来，即完成对特定系统模型的创建。定义完模型以后，用户可通过Simulink的菜单或者MATLAB的命令窗口键入命令来进行仿真[4]。MATLAB提供的电力系统工具箱（PowerSystemBlock以下简称PSB）主要是由加拿大的HydroQuebec和TECSIMInternational公司共同开发的，其功能非常强大，可以用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等过程的仿真，它提供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制，在仿真前将自动将其变化成状态方程描述的系统形式，然后在Simulink下进行仿真分析。MATLAB建模还可以直接调用PSB中的电气模块。PSB含有丰富的元件模型，几乎提供了组成电力系统的所有元件，包括电力系统网络元件，机电设备、电力电子器件，控制和测量环节以及三相元件库等，信号显示、模块连接等模块一般可以在Simulink工具箱中找到[5]。2MATLAB/Simulink环境下建模与仿真2.1建模的基本步骤①打开MATLAB软件，单击File菜单选择New→Model命令就可以打开一个新的仿真模型编辑窗口;②在MATLAB运行界面中键入powerlib命令来打开电力系统元件库Library；③在电力系统元件库中双击所需模块库，就会弹出一个新的窗口，在这个窗口中有该模块库中所包含各种元件模型。选择你所需要的元件模型拖入已打开的模型编辑窗口；④当所有需要的元件模型都拖入到编辑窗口后，用线将不同的元件模型按照要求连接起来构成一个仿真模型；⑤按照要求对每个元件模型的参数进行设置，建模完成[6]。2.2典型的环形电网模型按照上述步骤在MATLAB/Simulink环境下建立了一个典型环形电网模型，如图1所示图1典型环形电网仿真模型图中用3个三相电源（Three-PhaseSource）和4段分布参数输电线（DistributedParametersLine）构建了一个典型的环形电网仿真模型。其中Three-PhaseV-IMeasurement为处于检测点的三相电压电流测量模块；启动仿真后通过ScopeV和ScopeI可以分别看到检测的三相电压电流波形；通过改变DistributedParametersLine1和DistributedParametersLine2的长度可以设置短路故障发生的位置；Three-PhaseFault为短路故障设置元件，可用于设置短路故障的类型（包括短路、两相短路、两相短路接地和三相短路）、转换状态、转换时间以及接地电阻的大小等。对模型中的各元件参数设置完毕后，这个模型的建立才算是真正完成，然后就可以对电路的各种短路故障进行仿真并记录仿真得到的电压电流波形。2.3启动仿真在MATLAB环境下打开电网的仿真结构图文件untitled。在新窗口的Simulation的下拉菜单中选择SimulationParameter就会弹出仿真参数的设置窗口，就可以设置仿真的起止时间、仿真步长和仿真算法等。为了使我们看到的仿真波形更加合理美观，还要对示波器的参数进行设置，主要是设置示波器显示的时间域（Timerange）。设置完各种参数后，用鼠标选择主菜单的Simulation选项，在下拉子菜单选中Start即开始对编辑的电网模型进行仿真，直至在仿真参数中设置的仿真时间长度即停止。在长时间的仿真中，该选项改变为Pause/Continue，用于仿真的暂停或者继续。3电网短度故障仿真分析3.1单相短路故障不妨设为A相短路，在Three-PhaseFault元件中选中‘PhaseAFault’和‘GroundFault’即可，然后启动仿真。仿真完成后可以在示波器ScopeV和ScopeI中可以分别看到电网A相发生单相短路故障后检测的三相电压和电流波形。为了使得到的波形更便于观察和分析，本文运用MATLAB语言对仿真得到的波形数据进行了处理，得到了故障后检测点的三相电压和电流的暂态波形，如图2所示由上述的电压、电流波形，可以看到，当输电线的A相发生短路故障后，检测点的A相电压有所下降，而B相和C相的电压基本不变；A相的电流明显升高并且有较长时间的暂态过程，A相电流在暂态过程中分为两个分量，一是周期分量，其幅值在较之短路之前增大；另一分量为非周期分量，短路电流的包洛线表现出它的幅值和变化，将短路电图2A相发生短路故障后检测点的三相电压（上）和电流（下）波形流曲线的两根包络线在垂直方向作等分线，此即为非周期分量曲线，它是一自由电流，是因为线路中电感的存在，电流不能突变造成的，它的数值在短路瞬间最大，在暂态过程中按指数规律衰减至零。B相和C相的电流保持不变[7]。3.2两相短路接地不妨设B相和C相间发生短路接地故障，在Three-PhaseFault元件中选中‘PhaseBFault’、‘PhaseCFault’和‘GroundFault’即可，然后启动仿真。经过处理后的检测点的三相电压和电流波形如图3所示由上述波形可看出当故障点发生B、C两相短路接地后，检测点的B、C两相的电压显著降低，而A相的电压基本不变，这是因为B、C两相短路接地，两相的电流增大，电源的内阻抗电压降增大；B、C两相的电流也明显增大，A相的电流保持不变。3.3两相短路若发生B、C两相发生相间短路故障，在Three-PhaseFault元件中选中‘PhaseBFault’和‘PhaseCFault’，并取消GroundFault选项即可，启动仿真。处理后得到检测点的三相电压和电流波形如图4所示可以看到故障点发生B、C两相短路时，检测点的BC两相电压明显降低，A相的电压基本不变；B、C两相的电流显著增大，电流中不含零序分量，图3B相和C相间发生短路接地故障后检测点的三相电压（上）和电流（下）波形图4B相和C相间发生相间短路故障后检测点的三相电压（上）和电流（下）波形三相电流之和为零，A相电流不为零，因此B、C两相电流并非严格关于电流零轴对称。3.4三相短路电网发生三相短路故障时，在Three-PhaseFault元件中选中PhaseAFault、PhaseBFault和PhaseCFault,同时取消GroundFault选项即可，然后启动仿真。处理后得到检测点的三相电压和电流波形如图5所示图5电网发生三相短路故障后检测点的三相电压（上）和电流（下）波形三相短路时，由于被短路的三相阻抗相等，因此，三相电流和电压仍是对称的，又称为对称短路。故障发生后，A、B、C三相均发生高频振荡，由于故障瞬间A、C相电压值较大，振荡较强烈，B相电压值接近于零，振荡不明显。振荡逐渐减弱，达到新的稳定状态。三相短路为对称故障，故障后三相电压仍为幅值相等的正弦波，相位依次相差1200，较故障前，三相电压幅值均明显减小，原因是三相短路，电流增大，电源内阻抗电压降增大，导致检测点三相电压降低。当故障点发生三相短路时，检测点的三相电压明显减小；三相电流显著增大；但是电压和电流的波形仍接近正弦波形[8]。4结论在MATLAB/Simulink环境下建立了一个简单的环形电网模型，对电网的各种短路故障进行了仿真分析，并用MATLAB语言对仿真得到的结果波形进行了处理，处理后的波形更便于我们观察和分析。通过对故障波形的对比分析，得到了电网发生不同短路故障时检测点三相电压和电流的不同特征，对电网的故障分析具有指导性意义。为了验证仿真结果的正确性，本文的仿真结果还与ATP的仿真结果做了对比，对比显示本文的仿真结果是正确的。由于篇幅的原因本文未对ATP的仿真结果进行描述。参考文献[1]张少如，李志军，吴永俭，杜志强.MATLAB与电力系统仿真.2005。[2]张颖，金维香.MATLAB的电力系统暂态稳定仿真研究.2006（1）.46-47。[3]盛义发，洪镇南.MATLAB在电力系统仿真中的应用.2004(11).197-198。[4]彭淦榕，李越，李忠诚，赵娜，张晓洁.MATLAB在电力系统分析中的应用.2005(2)。[5]李玉梅，马伟明，张波涛.PSB———基于SIMULINK的一种新型力系统仿真工具.2001(8)[6]董尔佳，高嵩.Matlab软件电力系统仿真应用简介.2005。[7]盛义发，唐耀庚，苏泽光，赵宇红.基于Matlab的电力系统故障的仿真分析.2003(4)。[8]邓立华,李稚鹏，钱丽荣，蔡宇翔.基于Matlab的电力系统短路暂态分析.2003（5）。作者简介