基于Matlab的电力系统短路故障分析与仿真

第 31 卷第 5 期
常晓颖 , 等 :
基 于 M atlab 的电力系统短路故障分析与仿真
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Ti m es 来 安 排, 故障 起 始时 间 和切 除 时间 分 别为 0 . 13 s和 0 . 25 s. 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, 因此采用 ode15s , ode23tb 算法 , 仿真停止时间 设定为 0. 60 s. 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 . 经过一系 列选择设置后, 就可以对系统仿真了 . 其余三种短路故障的模型与图 3 相同, 惟一需 要修改的是三相故障 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 10
以一个简单的单机 - 无穷大系统为建模对象 , 在 M atlab 中建立了电力系统的基本模型并进行了 简单短路故障仿真分析. 结果表明, M atlab 具有强大 的仿真功能 , 为电气工作者提供了一种简便、 直观、 有效的仿真研究方法 .
参
考
文
献
[ 1] 彭建飞 , 任岷 , 王树 锦 . M atlab 在 电 力系 统仿 真 研究 中 的应用 [ J]. 计算机仿真 , 2005, 22( 6): 193- 196. [ 2] 王忠礼 . M atlab 应 用 技术 在 电 气工 程与 自 动化 专 业中的应用 [M ] . 北京 : 清华大学出版社 , 2008. [ 3] 都伟杰 , 张俊芳 , 刘鹏 , 等 . 基于 M atlab 的 电力系统 暂态 稳定性仿真分析 [ J]. 电网与清 洁能源 , 2009, 25( 1): 17
第 31 卷第 5期 2010 年 10 月
华 北 水 利 水 电 学 院 学 报 Journa l o f N orth Ch ina Institute ofW ate r Conse rvancy and H ydro electr ic Pow er
V o l 31 N o 5 Oct . 2010
[ 6]
. 文献 [ 3- 5] 采用
.
图 1 电力系统工具箱模块库
收稿日期 : 2010- 05- 30 作者简介 : 常晓颖 ( 1982 ), 女 , 河南洛阳人 , 助教 , 硕士研究生 , 主要从事电力系统自动化方面的研究 .
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在 M atlab 命令窗口 键入 Si m u link 命令便打开 Si m ulink 的库浏览窗口 , 点击 S i m P ow er Syste ms ,就 进入了电力系统工具箱 . 电力系统工具箱包括了电 路、 电力电子、 电机等电气工程学科中常用的元件模 型 , 这些元件 模型分布在 7 个模块库中 , 如图 1 所 示 . 每个模块库中包含各种基本元件模型 , 只需将这 些库模块或其他库模块中的元件拖到 Si m u link 窗口 中 , 通过元件连接和参数设置就可以方便、 直观地建 [ 7] 立各种系统模型并进行仿真 .
说明三相短路为对称性短路 . 故障切除后, 三相电压 电流最终达到新的稳态, 并重新恢复三相对称运行 的工作状态. 以上仿真分析结果符合实际 , 且两相短路、 两相 短路接地的波形图经理论分析也均符合实际 .
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图 5 三 相短路时故障点电压电流波形
3 结
文章编号 : 1002- 5634( 2010) 05- 0093- 04
基于 M atlab的电力系统短路故障分析与仿真
常晓颖, 吴茜琼
( 洛阳理工学院 , 河南 洛阳 471023)
摘
要 : 介绍了 M atlab /S i m u link 的 基本特 点及应 用 M a tlab 进行 电力系统 仿真分 析的基 本方法 和步 骤 . 运 用
( 1. 1) ( 1)
)、 两 相 短路 (K
( 2)
) 和两 相接 地 短路
). 其中三相短路出现的概率不高 , 却是电力
系统最危险的故障, 而最常见的故障是单相接地短 [ 8- 9] 路 , 约占短路总故障的 65 % ~ 70 % . 文中将对 这两种故障作为典型例子分别建模仿真, 其他短路 故障可通 过 在模 型 中改 动 短路 元 件的 参 数 来进 行仿真 . 2 . 1 仿真模型建立 为了在仿真中得到理想的数据及波形, 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
[ 1- 2]
M a tlab的电力系统工具箱进行电力系统稳态和动态 分析 .
1 M atlab 的电力系统工具箱介绍
M at lab 是由美国 M athw orks公司开发的大型软 件, 它以矩阵运算为基础 , 把计算、 可视化、 程序设计 融合在一个交互的工作环境中, 在此环境中可以实 现工程 计 算、 算 法 研 究、 建 模 和 仿 真、 应用程序 开发等. M at lab在电力系统建模和仿真的应用主要由电 力系统仿真模块 ( Pow er System B lockse, t 简称 PSB ) 来完成. PSB 程序库含有代表电力网络中一般部件 和设备的 S i m ulink 程序块 , 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 S i m u link 程 序之 间 的 连 接作用
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 . 由 于在实际系统上进行试验和研究较困难, 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 . 电力系统仿真软件有很多, 当今比较流行的主 要有 EMTP ( E lectrom agnetic T ransients P rogram ) 仿真 程序, 美国电力公司 ( PT I) 开发的 PSS /E( Pow er Sys te m Si m u lator fo r Eng ineering ), M ath w orks 公司开发 的 M atlab 中所包含的电力系 统工具箱 ( Pow er Sys te m T oolbox ), 以 及 中 国 电 科院 开 发 的 仿 真软 件 PSASP ( Pow er System Ana ly sis Softw are Package). 其 中 M atlab 以其强大的计算功能、 良好的开放性和扩 充性、 友好的动态仿真环境和丰富的工具箱越来越 成为进行包括电力网络、 电力电子和控制系统等的 学习和研究的重要仿真工具
语
- 20. [ 4] 盛义发 , 唐耀庚 , 苏泽 光 , 等 . 基于 M atlab 的电力 系统故 障的仿 真 分 析 [ J]. 南华 大 学 学 报 : 理 工 版 , 2003, 17 ( 4): 45- 49 . [ 5] 周兆庆 , 陈星莺 . M atlab 电 力系统 工具箱 在电力 系统机 电暂态仿 真 中的 应 用 [ J]. 电 力 自 动 化设 备 , 2005, 25 ( 7): 38- 40 . [ 6] 吴 天 明 , 谢 小 竹 , 彭 彬 . M atlab 电 力 系 统 设 计 与 分 析 [ M ]. 北京 : 国防工业出版社 , 2004. [ 7] 张少 如 , 李 志军 , 吴 永俭 , 等 . M a tlab 与电 力 系 统 仿真 [ J] . 河北工业大学学报 , 2005, 34( 6): 5- 9. [ 8] 夏 道 止 . 电 力 系 统 分 析 [ M ]. 北 京 : 中 国 电 力 出 版 社 , 2004 . [ 9] 刘万顺 . 电力 系统 故障 分析 [M ]. 北 京 : 中国 电力 出版 社 , 2004 . [ 10] 盛 义 发 , 洪 镇 南 . M a tlab 在 电 力 系 统 仿 真 中 的 应 用 [ J]. 计算机仿真 , 2004, 21( 11): 197- 199.
M atlab 电力系统仿真程序 S i m Pow ersyste m s 构建了一个 单机 - 无 穷大系 统模型 , 并在 此基础 上对电 力系统 的 多种故障进行了仿真 , 仿真波形 与理论分析结果相符 , 说明用 M atlab 对电力系统故障仿真的方法是可行的 . 关键词 : 电力系统 ; 仿真 ; 故障 ; M atlab 中图分类号 : T P391 . 9; TM 713 文献标志码 : A
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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 . 2 . 2 仿真结果分析 由图 4 所示的波形可以发现, 仿真开始时 , 系统 工作在稳定状态, 三相电压、 电流对称 , 都按正弦波 变化 , 当 A 相 0 . 13 s 接地短路时, A 相对地电压剧 降为零, B, C 两非故障相电压 基本没有发生变 化; 再观察电流, 在故障发生前 , 三相的对地电流都为 0 , 单相接地短路以后, A 相电流迅速增大为短路电流, B 相和 C 相电流则保持原样. 故障后三相电压、 电流不 再对称, 说明单相接地短路为不对称短路. 故障切除 后, 三相电压电流经暂态后达到新的稳定状态.
; 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
图 4 单相 接地短路时故障点电压电流波形
改变 A 相接地短路元件参数为三相短路 , 得到 线路三相短路时故障点的电压、 电流波形 , 如图 5 所 示 . 故障之前 , 系统工作在稳定状态, 三相电压、 电流 对称, 在 0 . 13 s时发生三相短路, 三相电压为 0 V, 三相电流迅速上升为短路电流 , 并保持为三相对称 ,
. 仿真模型如图 3 所示 .
图 3 系统仿真模型
图 3 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 相以及接地故障 , 并
将故障电阻 R on和接地电阻 R g 都设为 0 . 001
(很
小, 但 不 能 为 零 ). 故 障 时 间 段 可 通 过 T ransition
[ 10]
2 电力系统短路故障仿真分析
电力系统中电气设备和载流导体的选择、 继电 保护、 自动装置的整定、 限制短路电流措施的确定都 需要进行短路故障分析和短路电流计算. 电力系统 短路分为对称性短路和不对称性短路 2 种类型 . 对 (3) 称短路也称三相短路 ( K ), 不对称短路指单相接 地短路 (K (K
得出结论 , 简化计算过程 , 如图 2所示
.
图 2 单机
无穷大系统
图 2 中, 最左端是发电机组, V t 是机端电压 , X T 是变压器的电抗, X L 1和 X L 2是线路电抗, V s 是无穷大 电源电压. 假设额定容量 P n = 200 MVA, 额定电压 Vn = 13. 8 kV, 额定频率 fn = 50 H z , 变压器的变比 k = 13 . 8 /230 , 无穷大电源电压 Vs = 220 kV. 在接下来 的系统仿真模型中 , 以图 2 为基础 , 用 S i m u link 以及 Si m Pow erSyste m s中的模 块来连接组 成所需要 的系 统, 再进行故障分析 . 分析图 2 知, 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. 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, 励磁 系统 ( Excitation Syste m ) 和 水轮机调速器来 组成发 电机组. 在进行发电机组的参数设置时 , P n, Vn, fn 按 照上述的额定值进行设置, 转子类型为凸极 , 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 Phase T ransform er) , 将 变 比 设 置 为 13 . 8 / 230(高压侧额定电压为 220 kV ) , 低压绕组采 用三角形接法 , 高压绕组采用星型接地 . 采用分布参 数输电线路模型模拟 220 km 的高压线. 另外, 将标 准电 压 源 的 容 量 设 置 成 1010 来 模 拟 无 穷 大 系 统