高压输电线路故障仿真分析课程设计

第一章引言

随着电力工业的发展，电力系统的规模越来越大，电力系统的所有一次设备在运行过程中由于外力、绝缘老化、过电压、误操作、设计制造缺陷等原因会发生如短路、断线等故障。最常见同时也是最危险的故障时发生各种类型的短路。在发生短路时可能产生以下后果：

1.通过短路点的很大短路电流和所燃起的电弧，使故障元件损坏。

2.短路电流通过非故障元件，由于发热和电动力的作用使其损坏或缩短其使用寿命。

3.电力系统中部分地区的电压大大降低，使大量的电力用户的正常工作遭到破坏或产生废品。

4.破坏电力系统中各发电厂之间并列运行的稳定性，引起系统震荡，甚至使系统瓦解。

而在分析解决事故故障时要不断的实验，在现实设备中很难实现，一是实际的条件难以满足；二是从系统的安全角度来讲也是不允许进行实验的。考虑这两种情况，寻求一种最接近于电力系统实际运行状况的数字仿真工具十分重要，而MATLAB软件中的SIMULINK 是用来对动态系统进行建模、仿真和分析的集成开发环境，是结合了框图界面和交互仿真能力的非线性动态系统仿真工具，为解决具体的工程问题提供了更为快速、准确和简洁的途径。

第二章高压输电线路短路故障模型建立

第二章高压输电线路短路故障模型建立

2.1对MATLB和SIMULINK的简单介绍

在建立仿真模型的过程中我们使用MATLAB软件中的Simulation工具，下面对它们作简单介绍。

2.1.1 MATLAB软件

任何科学研究和工程设计，都无法离开数学运算。从最初一个新的设计构思到通过软件进行实际情况的模拟，再到应用到具体的工程之中，大量反复的数学计算让技术人员、科研人员费劲心思。其工作量之大往往消耗了大量的精力，但也许因为一个小小的计算失误而前功尽弃。因而科研人员根据自己的工程编制了不同的计算程序，但是浪费了大量的人力、物力。MATLAB就是基于这种需要诞生的。在MATLAB的数值计算方面，提供了矢量、矩阵、数组、线性代数、函数与多项式、微积分等各方面的内容。不管是科学研究还是工程技术所涉及到的数值处理技术，MATLAB都给出了完善的解决方案。

MATLAB在科学研究个工程设计方面的另一个重要内容，是推出了与数值处理联系紧密的图形绘制功能。众所周知，图形的直观表示对于科学分析有着举足轻重的作用。单凭数据的累计，技术人员和科研人员无法从繁芜的数据中提取重要的信息。MATLAB的图形处理功能对此进行了完美的解决。

2.1.2 SIMULINK/SimPowerSystems介绍

MATLAB软件中的SIMULINK是用来对动态系统进行建模、仿真和分析的集成开发环境，是结合了框图界面和交互仿真能力的非线性动态系统仿真工具。SIMULINK 专用元件库包含以下一些子元件库：Communications Blockset（通信元件库）、DSP Blockset （数字信号处理元件库）、SimPowerSystems（电力系统元件库）、Neural Network Blockset （神经网络元件库）等。这些元件库为解决具体的工程问题提供了更为快速、准确和简洁的途径，避免了用SIMULINK 提供的基本元件来构造模型的繁琐。

SimPowerSystems（电力系统元件库）涵盖了电路分析、电力电子、电力系统等电气工程学科中基本元件的仿真模型。它包括：Electrical Sources（电力元件），Elements （线路元件），Power Electronics（电力电子元件），Machines（电机元件），Connectors （连接器元件），Measurements（电路测量仪器），Extras（附加元件），Demos（演示教程）和Powergui（电力图形用户接口）等元件。

2.2仿真模型的设计与实现

在电力系统中，大多数故障时由于短路故障引起的。在发生短路故障的情况下，电力系统从一种状态变化到另一种状态，产生复杂的暂态现象。

在三相系统中，可能发生短路有三相短路、两相短路、两相短路接地和单相接地短路。

我们设定仿真模型使用理想三相电压源作为电路的供电电源，使用分布参数输电线路作为输电线路，输电线line1的长度为100km，输电线路line2的长度为100km；使用三相电路短路故障发生器进行不同类型的短路。电压源为Y接类型，输电线路line2端为中性点接地。在Simulation菜单中选择需要的各种元件、节点等，进行合理放置并连接如图3-1所示。

图3-1 恒定电压源电路短路模型

2.3仿真参数设置

当电路图设计完成后，对其进行参数的设置。

（1）在前面设置三相电路短路故障发生器时，将接地短路的时间设置为[0.01 0.04]。根据接地短路发生时间设置仿真参数。

（2）在电路图的菜单选项中，选择Simulation菜单，激活Configuration Parameters 命令，弹出Configuration Parameters对话框。

第二章高压输电线路短路故障模型建立

根据对暂态过程时间的估算，对仿真参数进行如下设置：

Start time: 0;

Stop time: 0.1;

Type: Variable-step,ode15s(stiff/NDF);

Max step size: auto;

Min step size: auto;

Intial step size:auto;

Relative tolerance: le-3;

Absolute tolerance:auto。

结束后还要对每个元件进行参数设置，然后才可以进行仿真实验。

第三章 简单不对称故障的分析计算

3.1 不对称三相系统中的对称分量法

对称分量法：就是将一组不对称的三相相量分解为三组对称的三相相量，或者将三组对称的三相相量合成为一组不对称的三相相量的方法。对称分量法的实质是叠加定理在电力系统中的应用，因此只适用于线性系统的分析。

在一个多相系统中，如果各相量的绝对值相等，且相邻两相间的相位差相等，这就构成了一组对称的多相量。在三相系统中，任意不对称的三相量只可能分为三组对称分量，这三组对称分量分别为：

（1）正序分量：三相量的正序分量大小相等，彼此相位互差120°，且与系统在正常对称运行方式下的相序相同，这就是正序分量。此正序分量为一平衡三相系统，如图

3-1（a ）所示（图中的 F 可以为电动势、电压和电流）。正序分量通常又称为顺序分量。

（2）负序分量：三相量的负序分量大小相等，彼此相位互差120°，且与系统在正常对称运行方式下的相序相反，这就是负序分量。负序分量亦为一平衡三相系统，如图3-1（b ）所示。负序分量通常又称为逆序分量。

（3）零序分量：是由大小相等，而相位相同的相量组成，如图3-1（c ）所示。

（a ）正序分量 （b ）负序分量 （c ）零序分量

图3-1 三相不对称相量所对应的三组对称分量

在正序分量中恒有下列关系：a12a1240j b1F F e F a o ==，a1

a1120j c1F F e F a o == （3-1）