基于matlab的电力系统故障分析与仿真(毕业论文毕业设计)[管理资料]

毕业设计（论文）基于MATLAB的电力系统故障分析与仿真
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专业：电气工程及其自动化
系别：
指导教师：
二〇一三年六月
毕业设计（论文）基于MATLAB的电力系统故障分析与仿真
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专业：电气工程及其自动化
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指导教师：
二〇一三年六月
北京交通大学毕业设计（论文）成绩评议
题目：基于MATLAB的电力系统故障分析与仿真
系别：专业：电气工程及其自动化
姓名：学号：
指导教师建议成绩：84
评阅教师建议成绩：86
答辩小组建议成绩：82
总成绩：84
答辩委员会主席签字：
年月日
北京交通大学毕业设计（论文）任务书
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摘要
本设计分析了电力系统短路故障的电气特征，并利用Matlab/Simulink软件对其进行仿真，进一步研究短路故障的特点。

通过算例对电力系统短路故障进行分析计算。

然后运用Matlab/Simulink对算例进行电力系统短路故障仿真，得出仿真结果。

并将电力系统短路故障的分析计算结果与Matlab仿真的分析结果进行比较，从而得出结论。

结果表明计算结果与仿真结果差别不大，运用Matlab对电力系统短路故障进行分析与仿真，能够准确直观地考察电力系统短路故障的动态特性，验证了Matlab在电力系统仿真中的强大功能。

关键词：短路故障；Simulink分析；短路电流计算
Abstract
This introduction to the power syetem short-circuit fault analysis method and simulation of Matlab/simulink basic analysis and calculation of power system short-circuit fault,and then use Matlab/simulink to power system short-circuit fault simulation ,obtain simulation power system short-circuit fault analysis and calculation of results with the results of Matlab simulation and analysis so as to arrive at shows that using Matlab power system short-circuit fault analysis and simulation can accurately and visually inspect the dynamic characteristics of power system short –circuit fault analysis and visually inspect the dynamic characteristics of power system short –circuit fault and verified in power system simulation of Matlab. Keywords: Fault analysis; Simulink simulation；Calculation of short-circuit current
目录
摘要 (I)
ABSTRACT (II)
1 绪论 (1)
(1)
(1)
2 仿真软件 (2)
M ATLAB/SIMULINK简介 (2)
3 电力系统故障分析 (7)
(7)
(7)
(8)
(8)
(10)
(10)
(10)
4 电力系统故障仿真 (13)
(13)
(19)
5 结论 (28)
参考文献 (29)
致谢 (31)
1 绪论
电力系统发生使对称结构遭受破坏的短路故障，由于短路会产生十分严重的后果，因而引起了高度重视。

除尽量消除导致短路的原因外，还应在短路故障发生后及时采取措施，尽量减少短路造成的损失，如采用继电保护将故障隔离，在合适的地点装设电抗器以限制短路电流，采用自动重合闸消除瞬时故障使系统尽快恢复正常等。

这些措施均须建立在故障计算的基础上。

在发电厂、变电所以及整个电力系统的设计工作中，都必须事先进行短路计算，以此作为合理选择电气接线、选用有足够热稳定度和动稳定度的电气设备及载流导体、确定限制短路电流的措施、合理配置各种继电保护并整定其参数等的重要依据。

因此故障计算对于电力系统的设计和安全运行具有十分重要的意义。

本文是典型的电力系统故障分析，根据需要，分为三相短路，单相接地短路，两相短路，两相短路接地模型进行仿真分析，而这是我们熟知的四种短路情况，而MATLAB/SIMULINK功能的强大，大大节省了建模的时间，因为它软件本身提供了一个三相短路故障器，可以设置短路的所有情况。

2 仿真软件
Matlab的简介
Matlab和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。

它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。

Matlab可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

Matlab的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用Matlab来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使Matlab成为一个强大的数学软件。

在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++ ，Jav a 的支持。

可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到Matlab函数库中方便自己以后调用，此外许多的Matlab爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。

Matlab的特点：
(1)、此高级语言可用于技术计算
(2)、此开发环境可对代码、文件和数据进行管理
(3)、交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题
(4)、数学函数可用于线性代数、统计、傅立叶分析、筛选、优化以及数值积分等
(5)、二维和三维图形函数可用于可视化数据
(6)、各种工具可用于构建自定义的图形用户界面
(7)、各种函数可将基于Matlab的算法与外部应用程序和语言（如C、C++、Fortran、Java、COM 以及Microsoft Excel）集成[2]
(8)、不支持大写输入，内核仅仅支持小写Matlab的优势：
（1）友好的工作平台和编程环境
Matlab由一系列工具组成。

这些工具方便用户使用Matlab的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。

包括Matlab桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。

随着Matlab的商业化以及软件本身的不断升级，Matlab的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。

而且新版本的Matlab提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。

简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。

（2）简单易用的程序语言
Matlab一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。

用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。

新版本的Matlab语言是基于最为流行的C＋＋语言基础上的，因此语法特征与C＋＋语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。

使之更利于非计算机专业的科技人员使用。

而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是Matlab能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。

（3）强大的科学计算机数据处理能力
Matlab是一个包含大量计算算法的集合。

其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。

函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。

在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C++ 。

在计算要求相同的情况下，使用Matlab的编程工作量会大大减少。

Matlab的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。

函数所能
解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。

（4）出色的图形处理功能
Matlab自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。

高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。

可用于科学计算和工程绘图。

新版本的Matlab对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如:图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），Matlab同样表现了出色的处理能力。

同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等,Matlab也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。

另外新版本的Matlab还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。

（5）应用广泛的模块集合工具箱
Matlab对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。

一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。

目前，Matlab已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。

（6）实用的程序接口和发布平台
新版本的Matlab可以利用Matlab编译器和C/C++数学库和图形库，将自己的Matlab程序自动转换为独立于Matlab运行的C和C++代码。

允许用户编写可以和Matlab进行交互的C或C++语言程序。

另外，Matlab网页服务程序还容许在Web应用中使用自己的Matlab数学和图形程序。

Matlab的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。

工具箱是Matlab函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。

（7）应用软件开发（包括用户界面）
在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在输入输出方面，可以直接向Excel和HDF5进行连接。

Simulink是Matlab最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。

在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。

Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。

同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。

Simulink是Matlab中的一种可视化仿真工具，是一种基于Matlab的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。

Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。

为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过
程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

Simulink用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。

对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。

.
构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。

Simulink与Matlab紧密集成，可以直接访问Matlab大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。

Simulink的特点：
（1）丰富的可扩充的预定义模块库
（2）交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图
（3）以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理
（4）通过Model Explorer导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码
（5）提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成
（6）使用Embedded Matlab™模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用Matlab算法
（7）使用定步长或变步长运行仿真，al,Accelerator,Rapid Accelerato r)来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型
（8）图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为（9）可访问Matlab从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据
（10）模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。

3 电力系统故障分析
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[。

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。

短路的简略记号
短路类型示意图代表符号
三相短路
二相短路
单相短路二相短路接地
)3( F
)2( F
)1( F
)1.1( F
故障概率
运行经验指出，架空输电线是电力系统中比较薄弱的环节，发生短路的几率最高，。

不同范围能发生短路故障几率
线路范围发生几率
在110kV线路上
容量为6000kW以上的发电机
110kV变压器
110kV母线% % % %
110kV线路上各种类型短路故障几率
短路类型发生几率
三相短路
二相短路二相短路接地单相短路5% 4% 8% 83%
，国外的运行经验也证明了这一点。

三相短路的几率是很小的，但这并不说明三相短路无关紧要，相反对三相短路应该加以重视，因为三相短路的情况最严重，有时为了最后论断电力系统在短路情况下工作的可能性，他起着决定性的作用。

此外，研究三相短路之所以重要，还由于我们在分析计算不对称短路时，往往把不对称短路看成某种假定的三相短路来处理]2[。

短路计算的基本原则和规定
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；
（12）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。

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，因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。

在进行短路电流计算前，应根据计算的目的搜集有关资料，如电力系统接线图、运行方式、各元件的技术数据等。

进行计算时，首先作出计算电路图，再根据计算电路图对各短路点作出等值电路图；然后利用网络简化规则，将等值电路逐步简化，求出短路回路总电抗；最后根据总电抗可求出短路电流值。

算例：，，仿真其短路电流周期分量幅值和冲击电流的大小。

线路参数为50L kM =，10.4x kM =Ω/，10.17r kM =Ω/;变压器的额定容量20N S MV A =•，短路电压s U %=10.5，短路损耗135s P kW ∆=，空载损耗0.8o I %=，空载电流0.8o I %=，变比11011T k =/，负载5S MW =，高低压绕组均为Y 形联接；并设供电点电压为110kV 。

L S
T f Load
计算：
变压器T 采用“Three-phrase-transformer （Two Windings ）”模型。

根据给定的数据：
变压器的电阻为：
33222101011020000
T N N s P U R S (3-1)∆=⨯=⨯= 4.08Ω135Ω⨯ 变压器的电抗为:
3322100101010.511010020000T N N
s X U U S (32)%= ==-⨯⨯⨯Ω63.53Ω ⨯⨯ 则变压器的漏感：
30.20263.5323.1450(2)L H H x f ττ(3)== =- ⨯⨯/π 变压器的励磁电阻为：
3352o
P ==2221011010 5.510m N U R (3-4)∆= ⨯⨯ΩΩ ⨯ 变压器的励磁电抗为：
33210021001100.820001010N N m o U I S x %= = ⨯ = (3-5) ⨯Ω75625Ω⨯⨯
变压器的励磁电感为：
(36)240.87562521450(2)m m H H L x f ===-⨯3.⨯/π 输电线路L 采用“Three-Phase series RLC Branch ”模型。

根据给定的参数计算可得， 10.17L R r l (3-7) =Ω=8.5Ω =⨯4.08⨯ L L 1=X == L H 0.064H 2023.140.450L X X l ,/(3-8)=⨯=Ω=20Ω2πƒ⨯⨯50
⨯
得到以上的电力系统参数后，可以首先计算出在变压器低压母线发生三相短路故障时短电流周期分量幅值和冲击电流的大小。

短路电流周期分量的幅值为：
m
I
=10.63A
k(3-9)
时间常数
a
T为：
a T
T=(310) L))0.2020.064
4.088.5
0.0211
L T L
L R R s s
==-+/(+
+
+
（
则短路冲击电流为：
0.010.0211(311)
()
1 1.622517.3
im m m
i e I I kA
-/
≈==-+
4 电力系统故障仿真
（一）三相电源模块
三相电源原件是电力系统设计中最常见的电路原件，也是最重要的原件，其运行特性对电力系统的运行状态起到决定性的作用。

三相电源原件提供了带有串联RL支路的三相电源。

三相电源模块参数设置包含7个选项，分别是相电压（Phase-to-Phase rms voltage），表征的是三相电源A相、B相和C相的相电压；A想相角（phase angle of phase A），单位是度（degrees）；频率（Frequency）；内部连接方式（Internal connection）；短路阻抗值（Specity impedance using short-circuit level），用来设定在短路情况下的阻抗数值；三相电源电阻（Source resistance）；三相电源电感；其
中，内部链接方式有3种，分别是：Y型，表示中性点不接地；Yn型，表示中性点接地电阻或消弧线圈接地；Yg型，表示中性点直接接地。

（二）并联RLC负荷模块
并联RLC负荷模块（Parallel RLC Load）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。

（三）三相线路模块
三相线路模块参数（四）三相变压器模块
（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。

按电源相数来分，变压器单相、三相和多相几种形式。

他的重要特性参数主要有：
①工作频率：变压器铁心损耗与频率有很大的关系，故应根据使用频率来设计和使用，这个频率称工作频率。

②额定频率：在规定的频率和电压下，变压器能长期工作，而不超过规定温升的输出功率。

③额定电压：指在变压器的绕组上所允许施加的电压，工作时不得大于该电压。

④电压比：指变压器初级电压和次级电压的比值，有空载电压比和负载电压比的区别。

⑤空载电流：变压器次级开路时，初级仍有一定的电流，这部分电流称为空载电流。

⑥空载损耗：指变压器次级开路时在初级测得的功率损耗。

主要损耗是铁心损耗，其次是空载电流在初级绕组铜祖上产生的损耗（铜损），这部分消耗很小。

⑦效率：指次级功率2P 与初级功率1P 比值的百分比。

通常变压器的额定功率越大，效率就越高。

（2）标么值参数系统介绍
为了便于工业应用，通常要将有名值转换为标么值，而这需要知道相应绕组的额定功率（ P n ，单位V A ）、额定电压（V n ,单位V ）以及额定频率（f n ,单位Hz ）。

对每一个绕组，其电阻和电抗的标么值定义如下：
)
(.).(base u p L L
R = (4-1) )(.).(base u p L L
L = (4-2)。