基于MATLAB的输电线路故障仿真分析

本科生毕业论文(设计)

题目基于MATLAB的输电线路故障仿真分析

学生姓名张宏亮

学号 20131393061

学院信息与控制学院

专业电气工程及其自动化

指导教师余莉

二Ｏ一七年五月二十五日

目录

1 绪论 (2)

1.1短路故障 (2)

1.2论文的主要工作 (3)

2 仿真软件 (3)

2.1MATLAB简介 (3)

2.2S IMULINK简介 (4)

3电力系统故障计算的基本原理 (5)

3.1短路计算的基本原则和方法 (5)

3.2短路电流计算 (6)

3.2.1 计算的基本步骤 (6)

3.2.2 短路计算 (6)

4 模型与仿真 (7)

4.1算例 (7)

4.2三相短路系统仿真模型及各模块参数设置 (7)

4.2.1 三相电压电流测量模块 (8)

4.2.2 变压器模块 (9)

4.2.3 三相线路模块 (10)

4.2.4 三相电源模块 (10)

4.2.5 三相线路故障模块 (11)

4.2.6并联RLC负荷模块 (11)

4.3仿真结果与分析 (11)

5设计总结 (14)

参考文献 (15)

致谢 (16)

基于MATLAB的输电线路故障仿真分析

张宏亮

南京信息工程大学信息与控制学院，江苏南京 210044

摘要：本文介绍了MATLAB的基本操作以及输电线路故障分析方法，对电力系统范围内的主要故障内容搭建了体系仿真模型，并且例举说明了输电线路故障问题，尤其是各种类型的短路。在运行和参考了这些仿真案例的情况下，对仿真的结果做了深度分析，通过对仿真结果与故障计算所得的结果比较得出结论。通过这些仿真案例验证了基于MATLAB的输电线路仿真是能够运行的，以MATLAB为基础的计算机仿真技术能够很容易的对各种短路故障进行分析。

关键词：MATLAB;仿真研究；故障

Simulation analysis of transmission line fault based on

MATLAB

Zhang Hong-Liang

School of Information and Control，NUIST，Nanjing 210044，China

Abstract: This paper introduces the basic MATLAB operation and transmission line fault analysis method, the main content of the fault on the power system within the scope of the build system simulation model, and illustrates the problems of transmission line, especially the various types of short circuit. In the case of running and referring to these simulation cases, the depth analysis of the simulation results is made. By comparing the simulation results with the results obtained by fault calculation, the conclusions are drawn. The simulation results show that the transmission line simulation based on MATLAB is able to operate, and the computer simulation technology based on MATLAB can easily analyze all kinds of short-circuit faults.

Key words: MATLAB; simulation study; fault

1 绪论

1.1 短路故障

电力系统指的是电能生产、变换、传输、分配和使用的各种电气设备按照一定的技术要求有机的组合成的一个联合系统。一般将电能通过的设备称为一次设备，例如发电机、断路器、变压器、输电线路、电动机及其他电力设备等等【1】。对一次设备进行监视、测量、保护和控制的设备，通常称作二次设备。由于一年内四季用电的负荷不同，一般冬季和夏季的用电量比春秋季大，一星期内工作日的负荷比周末的大，一天中也有高低之分，电力系统中的一些设备随时都可能会因为绝缘材料的老化、刮风下雨等的自然灾害及其他的原因出现故障而退出系统的运行【2】。所以针对这些问题我们就要进行电力系统的故障分析，电力系统故障分析就是研究电力系统发生故障的原因、现象、后果及发生故障后所要采取的应对措施，从而将故障引起的损失降低到最小【3】。为了能够获得性能高、质量好的电力系统产品，通常要完成电力系统模拟实验，以往的许多试验多应用实体的物理模型，试验流程繁琐、成本居高不下，效果也不甚理想，其变通性不佳。电力体系数字仿真是运用电脑软件模拟电力体系故障产生后电气量的波动特性，模拟继电保护设备的处置以及动作的流程，有着稳定性强、成本低、能够反复试验、脱离环境约束、研发时间短等优势。通过对各类相异的继电保护技术的仿真，并辅以软件的协助，可以快速排查出设施运转时的故障并第一时间处理【4】。而MATLAB为核心的电力体系故障仿真是其中使用频率较高的技术。电力系统发生的故障有很多，一般是某一处发生短路或者断相，复杂的会是多个地方发生短路。通常短路是最危险的故障。

故障和不正常运行状态都有可能在电力系统中引发事故。事故是指电力系统的正常工作状态遭到破坏，并对用户少送电或送的电能质量未达标，更严重的是造成了人身伤亡和电气设备损坏的事件。事故的发生，使危害扩大【5】。一般是因为自然灾害（如台风造成架空线路倒杆、遭受雷击等），也有可能是设备制造存在缺陷或运行维护不当而引起，还有可能由于故障切除缓慢或被错误的切除，导致故障发展成为事故，电力系统的所有一次设备在运行过程中通常会因为绝缘材料的老化、过电压、误操作、自然灾害、设计制造存在缺陷等原因会发生诸如短路、线路断裂等故障【6】。现在公认短路是最危险的故障。常见的短路有三相短路（指三相导体间的短路）、两相接地短路（中性点不接地系统中，任意两相发生单相接地而产生的短路）、两相短路（三相供配电系统中任意两相导体间的短路）、单相短路（电力系统中任意一相发生短路）【7】。三相短路在现实生活中造成的损失和危害是最大的。短路会给居民、工厂和社会造成极大地不便和损失，会产生如下后果：（1）短路时会有很大的短路电流和电弧，短路电流会达到几万到几十万安培，当这种大电流通过电力设备时会导致其损坏或直接报废。

（2）对其他的没有发生故障的电力元器件造成损害，扩大了事故的影响范围，加大了损失严重程度。

（3）短路时电压会突然降低，而且是大面积的电压降低，这会影响大量的用户正常用电，破坏他们的日常生活或者工厂的产品变为废品，造成极大地损失。

（4）破坏了电力系统的平衡，各个地区的供电系统会因此而紊乱，影响系统的正常运行。

在电力系统中，故障发生的几率是非常小的，表明我们的电力系统还是很稳定的。除了一些特殊原因，大多数的短路都是由于外力造成的【8】，这也导致短路的类型千差万别，发生的时间、地点、次数也是不尽相同。通过大量的现场数据表明，在高电压输电网中，

单相接地短路发生的概率达到85%以上。2008年国家电网220kV电网共有输电线路6434条，线路总长度为193424Km，这些线路上发生的故障2407次，故障发生率为 1.24次/(100Km*年)。表1给出了我国220kV电网输电线路上各种类型故障发生的次数及故障百分比。

表1 故障百分比

故障类型三相短路两相短路两相短路接地单相接地短路其他故障故障次数20 108 38 2196 45

故障百分比0.83% 4.49% 1.58% 91.23% 1.86% 我们可以从上表中的统计数据看出发生单相接地短路的次数和百分比都是最大的，三相短路发生故障的概率率是最低的。但是不能因为其发生的概率低我们就无视三相短路，在所有类型的短路中三相短路影响最大，带来的危害也是最为严重的。所以我们应该重视每种短路类型，尤其是三相短路，加大对它的研究。

1.2 论文的主要工作

基于短路在电力系统中的危害，尤其是三相短路，所以本文主要对三相短路进行研究。利用MATLAB仿真的便利性对三相短路进行直观的研究分析，得出结论，从而为防患和解决三相短路问题提供有效的参考数据及研究方法。

2 仿真软件

2.1 MATLAB简介

从上个世纪80年代开始，出现了科学计算语言，也被称作数学软件，其中较为流行的有MATLAB、Mathcad、Maple等等【9】。他们的共同特点是效率高、功能多且强大、操作简单易学，所以在全世界的许多领域得到广泛的应用。经过几十年的发展及新版本的不断出现，MATLAB脱颖而出，成为现在影响最大、使用人数最多的软件。

MATLAB是英文MATrix LABoratory(矩阵实验室)的缩写。所以说矩阵是其最最基本的数据对象，MATLAB中的大部分运算或命令都是以矩阵运算为基础进行的，而且MATLAB的矩阵运算是定义在复数域上的，可以很方便的来分析电路问题【10】。MATLAB是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。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【11】。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。除了矩阵运算、绘制函数/数据图像等常用功能外，MATLAB还可以用来创建用户界面及与调用其它语言（包括C，C++和FORTRAN）编写的程序【12】。尽管MATLAB主要用于数值运算，但利用为数众多的附加工具箱（Toolbox）它也适合不同领域的应用，例如控制系统设计与分析、图像处理、信号处理与通讯、金融建模和分析等。另外还有一个配套软件包Simulink，提供了一个可视化开发环境，常用于系统模拟、动态/嵌入式系统开发等方面。MATLAB最早出现在美国，时间是1980年前后，当时美国有位很有学问的教授叫Cleve Moler，他在给学生讲线性代数

课程时，发现用当时的高级语言编程很不方便，于是Cleve Moler教授就别写了方便学生使用的、简单易学的编程语言，并且命名为MATLAB，这边是MATLAB最早的雏形【13】。以后MATLAB版本不断更新，功能也更加完善。到目前为止，MATLAB已经不在局限于当初的矩阵编程范畴了它已经被大家广泛应用于数学建模，绘图，仿真，计算等其他领域。现在我们可以看到在许多的大学课堂上，老师经常会把MATLAB当做一种高效的辅助教学工具，比如常见的数字信号处理、线性代数、动态仿真、图像处理等课程【14】。MATLAB也成为现在大学生必不可少的一门技术。可见，MATLAB会在科学研究和工程应用中发挥越来越大的作用。MATLAB拥有强大的绘图能力。为用户提供了一系列的绘图函数和绘图工具，用户不需要考虑绘图的各种细节，只需提供所要图的基本参数，如正弦函数只需提供最大值、相位角，MATLAB就会自动生成正弦函数图像，这类函数称为高层绘图函数【15】。与之相反的就是低层次绘图，这类操作是将图形拆散开，每个图形元素当成独立的对象，这样在操作时每个部分相互独立、互不影响。这种绘图方法对用户要求更高，但给用户的权利更大，拥有更多的选择权。高层次绘图操作简单、高效，但相对固话。数值计算在科学研究中有着非常广泛的应用，相较于其他软件需要专门的数学知识和精通编程语言，MATLAB显的更加简单方便，往往只需要几段语句就可以解决问题。而且MATLAB以前被称作矩阵实验室，这样很多数值计算就会变得很简单，因为矩阵会使复杂的数学运算变得简单高效。MATLAB所用的算法和国际算法是一致的，用户使用起来也会是可靠、舒适的，其使用的程序也是最简单易懂高效的。MATLAB具有顺序结构、选择结构、循环结构、函数调用、变量赋值等程序语言特征，顺序结构是指按照语句的排列顺序一次执行，直到最后一个语句；选择语句是根据给定的条件成立或不成立，分别执行不同的语句；循环是按照给定的条件，重复执行指定的语句，直到条件不成立为止。所以MATLAB可以像C语言一样用来进行设计程序，而且理解容易，学起来特别简单简单。

2.2 Simulink简介

Simulink是MATLAB中最重要的一部分，在上个世纪90年代的美国由MathWorks公司开发，主要用来进行数学建模、系统的仿真和模型的搭建【16】。它可以用于系统仿真，也能用来进行系统连接。与传统的仿真相比，它更加的灵活、直观。Simulink使用及其方便，在该软件环境下，用户不需要书写大量的、复杂的程序，而只要通过简单直观的鼠标操作来构造复杂的系统模型【17】。Simulink拥有内容种类繁多的的模块库，并且用户可以根据需要对其进行扩充来编辑设置自己仿真时所要的而系统又没提供的模块。Simulink的标准模块库包含了现今科学研究和工程应用中的涉及到的大部分模块，包括数学计算时所需的各种数学模块库、进行系统仿真的信号与系统模块库，还有离散系统模块库等等。其中每个模块库又包含很多的小模块，例如数学模块库包括：加减运算、乘除运算、积分/微分运算、三角函数、绝对值等【18】。模块是构成系统仿真模型的基本单元。用户可以使用鼠标点击模块库浏览器中Simulink前面的+号，系统就会弹出模块库下面的各种子模块，用户发现所需要的模块库后，再用鼠标单击该模块库，这时会在右边的界面弹出相应的基本模块，选择所需的模块，双击鼠标或者单击鼠标拖住该模块都可以将其移到编辑窗口。Simulink模块库还提供搜索功能，当用户不知道自己需要的模块在哪个模块库中时，只要在搜索栏中输入该模块的名称，点击搜索即可找到该模块。在Simulink中我们可以对每个模块进行编辑，如复制与删除、模块外形的调整、模块名的处理等【19】。可以调整模块的大小、方向、颜色，还能够给模块添加阴影，模块名可以修改或者隐藏。例如要改变模块

的颜色，第一步选定该模块，然后选择Format菜单下的Foreground Color命令，选择模块的前景色，即模块的图标。边框和颜色，使模块产生阴影效果。

一般在进行仿真前，需要设置必须的仿真参数，包括各种模块参数、仿真的算法、仿真的时间等。仿真算法根据步长的变化可分为变步长算法和固定步长算法，不同的仿真系统要选择对应的算法。采用变步长算法时，要设置一定的误差范围；采用固定步长算法时，要先设置固定步长【20】。仿真时间包括开始和停止时间，这里的时间与现实的时间是不同的。比如设置的仿真时间是5s，采样步长定位0.1，那么就需要执行50步。设置完仿真参数后点击Start仿真就开始了，仿真的结果可以输送到示波器上，然后观察示波器上的图形，可以对仿真结果进行分析研究。还可以查看仿真后的数据，比较分析来自多次仿真的多组数据。

3电力系统故障计算的基本原理

3.1 短路计算的基本原则和方法

电力系统三相短路计算主要是短路电流周期分量的计算，因为计算短路电流的周期分量是确定冲击电流、短路电流非周期量、短路电流的有效值及短路容量的前提。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【21】。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。短路容量就是短路电流的有效值和短路处的正常工作电压的乘积；短路电流最大可能的瞬时值称为短路冲击电流。通常为了实际应用的方便，在进行三相短路计算时可以采用一定的简化、假设、及统计方法。一般在进行短路电流的计算时，会使用近似计算的方法【22】。即把系统中的一些电力元件模型进行适当的简化处理，比如不考虑输电线路的实际电阻，用电的负荷做大概的猜测等等。还有对标么值的处理，通常默认所有变压器的标么变化比都为1。这些都使得短路电流的计算更加的简单、方便。在实际的短路计算中，为了使计算更加的简单，常做出以下的假设：

（1）认为所有的发电机的电势是相同的。

（2）不考虑磁路饱和状态，系统中所有的参数不变。

（3）把三相系统当成一个对称的系统。

（4）不考虑输电线路的电阻、电容，忽略变压器的电阻和励磁电流。

（5）用概率统计法制定短路电流运算曲线。

（6）短路发生在短路电流为最大值的瞬间；

一般方法：

（1）叠加原理的应用：将任意网络经过变换，把当中的非电源节点都消去，只保留电源节点，则在等值网络中，任两个节点之间的之路阻抗就是该两个节点之间的转移阻抗。因此，只要把短路点当做电势为零的电源节点，利用叠加原理可得短路电流。

（2）电流分布系数：电流分布系数等于短路点的输入阻抗与该电源对短路点的转移阻抗之比。电流分布系数是说明电流分布情况的一种参数，只与短路点的位置、网络的结构和参数有关系。所有的电流分布系数之和为1.

（3）网络的等值变换：等值变换简化网络是电力系统短路计算的最常用的方法。等值变换要求网络未被变换部分的状态要保持不变。短路计算中用的最多的主要有两种：无源网络的星型变换和戴维南定理的有源网络。

3.2 短路电流计算

3.2.1 计算的基本步骤

计算的基本过程如下：

（1）选择短路点；

（2）画出计算用等值网络，利用标幺值计算：

3.2.2 短路计算

（1）假设一个电力系统三相短路，其中已知参数如下：

S B=900MVA

S T=900MVA

V =220kV

L1=10km

L2= L3=110km

T1= T2=10 / 220

X =0.529Ω/ km

（2）系统参数标幺值化：

X a= X G+ X1=2? 100/900+5.29=5.512

X L3=116.38? 100/220 =0.25

图1 系统等值电路图

（3）再将该电路图三角星化如图 3.2：

图2 网络三角化星图

（4）将星型图继续简化为图 3.3 得：

X 5=( X a+ X 2) // X 3=(5.512+0.055) // 0.055=0.054

X ff= X 4+ X1=0.112

图3 化简合并电路图

（5）最后计算短路电流：I = 8.929

4 模型与仿真

4.1 算例

首先设计一个短路电路。假设无穷大功率电源供电系统如图4.1所示，0.2s 时刻电力系统在f 处发生三相短路故障或者其他的短路情况，T 代表变压器，S 代表电源。根据给定的参数计算短路电流，再在MATLAB 中设计一个系统模型，模拟其短路情况对其仿真，通过示波器观察电压、电流在故障前后的变化，与实际结果相比较从而得出结论。在系统中各个参数如下：线路长度L=50kM ，线路电抗X=0.4Ω/kM ，线路电阻r=0.17Ω/kM;变压器的额定容量Sn=20MV ·A ，短路电压Us=10.5，短路损耗P=135kW ，空载损耗P1=0.8，空载电流Io=0.8A,变比K=110/11，负载S=5MW ，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

图4 无穷大电源供电系统

计算：

变压器T 采用“Three-phrase-transformer （Two Windings ）”模型。根据给定的数据：

变压器电阻Rt=Ps ·Un 2/Sn 2=135x110x103/20002=4.08Ω

变压器电抗Xt=Us ·Un 2/Sn=10.5x1102/2000=63.53Ω

变压器励磁电阻Rm=Un 2x103/Po=1102x103/22=5.5x105Ω

变压器励磁电抗Xm=100Un 2/IoSn=100x1102/1.6=75625Ω

变压器励磁电感Lm=Xm/2πf=240.8H

输电线路L 采用“Three-Phase series RLC Branch ”模型。根据给定的参数计算得，

线路电阻R L =L ·r 1=4.08x0.17=8.5Ω

计算完以上的参数后，然后就可以利用它们计算以下参数。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：Im=Um ·k/(R+R L )2+(X+X L )2=10.63kA 时间常数T a 为：T a =(I+I L )/(R+R L )=0.0211s

则短路冲击电流为：I im =17.3kA 4.2 三相短路系统仿真模型及各模块参数设置

根据图4.1再MATLAB 中设计仿真模型如下图4.2，可以模拟三相短路、两相接地短路及单相接地短路。系统中包括三相电源模块（为系统提供110kV 的交流电）、三相线路模块（模拟实际线路的电阻、电抗和电感，数值可以修改）、三相电压电流测量模块（采集

电压电流的数值变化）、变压器模块（模拟实际输电线路中的变压器，变比、电压等参数都可以设置）、故障发生器模块（通过设置里面的参数可以模拟各种类型的短路）【23】。将各个模块按照电力系统连接起来就构成了一个简单的电力系统，仿真的结果可以通过示

波器看到。

图5 电力系统三相短路系统仿真模型

仿真所需的各个模块可以在simulink 模块库中提取，如果没有可以下载更多的模块库。下表是仿真所需的模块名称及其选取的路径。

表2 各模块选取路径

4.2.1 三相电压电流测量模块

三相电压电流测量模块是用来采集变压器低压侧的电流和电压，类似于万用表，但又比万用表更使用，功能更齐全【24】。它可以把测量到的电压电流提出来进行下一步的测量，也可以和其它设备连接，便于更多的操作。它会将采集到的电压和电流自动变为Simulink 可以识别的语言，显示在示波器上面，主要起到一种采集转化作用，它的参数设置如图 4.3，包括是否短路接地、电流是否采集、电压是否采集等。此处我选择接地，采集电压和电流。

模块名称

选取路径 三相并联RLC 负荷模块5MW

SimPower Systems/Elements 串联RLC 支路Three-PhaseSeries RLC

Branch

SimPower Systems/Elements

双绕组变压器模块Three-PhaseTransformer

SimPower Systems/Elements 三相故障模块 Three-Phase Fault

SimPower Systems/Elements 三相故障模块 Three-Phase Fault

SimPower Systems/Measurements 电力系统用户截面 Powergui SimPower Systems

图6 电压电流测量模块参数

4.2.2 变压器模块

变压器是电力系统中不可或缺的元件，也是最重要的电力元件。在发电厂中用升压变压器将电压升高，然后再输送，这样可以减少电力输送过程中的损耗。在配电环节中，用降压变压器把高电压降低为220V的生活用电。变压器的主要作用就是在输电线路中升高或在配电中降低电压的器件。一般变压器主要由铁芯和绕组组成，绕组有两个或多个，还会有一些辅助部件如油箱、储油柜、散热器、高低压绝缘套管等等，其中铁芯是变压器电磁感应的通路，由硅钢片叠装而成。绕组是变压器的电路部分，分为高低压绕组及通常说的一、二次绕组。此处选择的是双绕组变压器，因为它是生活中常见到的。一般变压器的参数主要有六个，分别是：工作频率；额定频率；额定电压；空载电流；空载损耗；电压比。我选的频率是50HZ，额定电压110KV。变压器采用标么值。双绕组变压器模块的参数如下：

图7 变压器模块的参数

4.2.3 三相线路模块

在实际的电力系统中输电线路存在电阻、电抗、电感等，有些计算可以忽略不计，但有些是不可忽视的，对计算结果会有很大的影响。在仿真模型中选用三相线路模块可以很好的模拟实际系统中的输电线路，模块中包含三种参数，分别对应线路的电阻。电感、电容。首先第一项选择RLC表示电阻、电感和电容都需要设置，其次修改下面三项的参数。参数设置如图4.5

图8 三相线路模块参数

4.2.4 三相电源模块

三相电源是电力系统中很重要的元件，它的运行状态对电力系统的运行状态起到决定性的作用。三相电源模块用来模拟实际的三相电源供电，可以真实准确的模拟实际状态。因为在三相电源模块中可以设置六个参数，跟实际电源相差无几。这六个参数分别为：相电压（Phase-to-Phase rms voltage），即三相电源A相、B相和C相的相电压；A相相角（phase angle of phase A），知道A相可以推算出其他相；电源频率（Frequency）；内部连接方式（Internal connection），星型连接或者三角形连接，其中三角形连接方式又可以分为中性点接地和不接地两种方式；三相电源电阻（Source resistance）；三相电源电感；利用三相电源模块可以模拟现实中各种类型的供电电源。此处频率50HZ，相角0。

图9 三相电源模块参数

4.2.5 三相线路故障模块

三相线路故障模块是用来模拟故障点发生的故障类型，模拟各种常见的相见故障。其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。参数界面有多种选择项，上面代表A、B、C三相，选择任意一相表示某一相短路，选择两相即代表两相短路。下面有个接地选项，选中即表示是接地短路，否则为不接地短路。再下面可以设置故障发生的时间，故障恢复的时间等等，如[0.1 0.2 0.3]表示0.1-0.2是系统正常运行状态，0.2-0.3是系统故障状态。当我们没有设置接地故障时，系统会自动默认接地电阻（Ground resistance）R g为106Ω。可以看出故障模拟器用起来比实物模型方便高效。参数设置如下图4.7

图10 三相线路故障模块参数

4.2.6并联RLC负荷模块

并联RLC负荷模块（Parallel RLC Load）是由电阻、电感、电容并联连接构成的，也是其三要素。所以要想改变该模块的值，只需要设置它的电阻、电感、电容三者中的任意一个数值。

图11 并联RLC负荷模块参数

4.3 仿真结果与分析

在电力系统短路分析时，主要是观察三相短路、两相短路、两相接地短路及单相接地短路的电压和电流的变化，进而得出结论。

（1）三相短路

在仿真模型中打开故障发生器的参数界面，选中A、B、C三相，再在接地选项前打钩，即表示故障发生器将模拟三相短路。转换时间设置为[0.1 0.2 0.3] ，其中0.1-0.2系统处于正常运行状态，0.2时系统发生故障，即0.2-0.3是故障状态，0.3之后系统恢复稳定状态。此时系统模型已经为三相短路故障模型，点击开始按钮，仿真即开始。仿真结束后，双击示波器Scope 就可以看到电压、电流的波形，如下图所示。

图12 三相短路电压、电流

图的上部分是电压波形，下部分是电流波形，其中黄色代表A相，红色代表B相，蓝色代表C相。从图的上半部可以看出，在0.1-0.2的时间里系统是正常运行的，A、B、C 三相的电压都很大，并且也很均匀稳定，在0.2-0.3系统发生三相短路故障一段时间内，A、B、C三相的电压迅速下降到零。再看图的下半部，在系统正常运行时，A、B、C三相的电流均匀稳定，在0.2-0.3这段时间里系统发生三相短路故障，此时A、B、C三相的电流发生剧烈的变化，急剧的增大，由于三相电路相电流存在相位差，所以波形上升或者下降，这也是符合实际认知的。

（2）单相接地短路

在仿真模型中打开故障发生器的参数界面，选中A相，再在接地选项前打钩，即表示故障发生器将模拟A相短路。转换时间设置为[0.1 0.2 0.3] ，其中0.1-0.2系统处于正常运行状态，0.2时系统发生故障，即0.2-0.3是故障状态，0.3之后系统恢复稳定状态。此时系统模型已经为A相短路故障模型，点击开始按钮，仿真即开始。仿真结束后，双击示波器Scope 就可以看到电压、电流的波形，如下图所示。

图13 单相接地短路电压、电流

图的上部分是电压波形，下部分是电流波形，其中黄色代表A相，红色代表B相，蓝色代表C相。从图的上半部可以看出，正常运行时A、B、C三相的电压都是出于稳定状态的，在0.2处时发生故障，此时A相由于接地短路电压降为零，B、C两相的电压急剧上升。再看图的下半部，正常运行时各相电流稳定均匀，发生故障时短路点的A相电流急剧上升，B、C两相的电流发生轻微的抖动。然后在0.3处，故障切除，系统又回归稳定。（3）两相接地短路

在仿真模型中打开故障发生器的参数界面，选中A、B两相，再在接地选项前打钩，即表示故障发生器将模拟A、B两相接地短路。转换时间设置为[0.1 0.2 0.3] ，其中0.1-0.2系统处于正常运行状态，0.2时系统发生故障，即0.2-0.3是故障状态，0.3之后系统恢复稳定状态。时系统模型已经为A、B两相接地短路故障模型，点击开始按钮，仿真即开始。仿真结束后，双击示波器Scope 就可以看到电压、电流的波形，如下图所示。

图14 两相接地短路电压、电流

图的上部分是电压波形，下部分是电流波形，其中黄色代表A相，红色代表B相，蓝色代表C相。从图的上半部中可以看出，在0.1-0.2时系统正常运行，A、B、C三相的电压的波形都稳定均匀变化，在发生AB两相接地短路后，A、B两相的电压迅速下降为零，C 相的电压变大。再看图的下半部分，正常运行时，A、B、C三相电流稳定均匀变化，在0.2时刻发生两相接地短路，此时A、B两相的电流急剧增大，C相电流基本保持不变的。在0.3处时，故障解除，系统又出于稳定状态。

（4）两相短路

在仿真模型中打开故障发生器的参数界面，选中A、B两相，不要选择接地项，即表示故障发生器将模拟A、B两相短路。转换时间设置为[0.1 0.2 0.3] ，其中0.1-0.2系统处于正常运行状态，0.2时系统发生故障，即0.2-0.3是故障状态，0.3之后系统恢复稳定状态。此时系统模型已经为A、B两相短路故障模型，点击开始按钮，仿真即开始。仿真结束后，双击示波器Scope 就可以看到电压、电流的波形，如下图所示。

图15 两相短路电压、电流

图的上部分是电压波形，下部分是电流波形，其中黄色代表A相，红色代表B相，蓝色代表C相。从图的上半部中可以看出，在0.1-0.2这段时间里，系统正常运行，A、B、C 三相的电压的波形稳定且均匀变化。在0.2-0.3故障期间，AB两相由于两相短路所以电压降低，C相电压增大。再看电流部分，正常运行时都是稳定的，在0.3时刻发生故障，A、B两相电流急剧增大，C相电流发生轻微波动。在0.3处时，故障解除，系统又出于稳定状态。

5设计总结

本文首先介绍了电力系统，包括其定义、内容等的一些基本知识，其中重点介绍电力系统故障，尤其是各种类型的短路及他们发生的概率大小和危害严重性，也包括短路电流的分析和计算方法。然后又介绍了仿真软件 Matlab/Simulink 的发展历程、使用方法和他们的一些基本特点，以及如何在MATLAB中选取电力元件来搭建电力系统模型并对其进行仿

真，然后观察示波器，对结果分析研究得出结论。现在科技日新月异，尤其是互联网计算机的迅速发展，使得以前很难解决的问题或实验都可以借助计算机来解决。随着计算机仿真技术已成为电力系统研究、规划、设计和运行等各个方面的重要方法和手段，由于Matlab具有良好的开发性。高效的数据仿真分析，特别是信号处理和直观的图形显示功能，且Matlab/simulink环境下的SimPowerSystems模型库及Simulink强大的二次开发功能和丰富的工具箱，能快速而准确的对电路及更复杂的电力系统进行仿真、计算。因此，它已成为电力科研工作者和工程技术人员应用它来进行电力系统有关问题的仿真分析和辅助设计的理想工具。电力系统故障仿真如果依靠物理实验，往往损失大、效果不理想，而且实验的直观性也较差。运用MATLAB仿真软件来进行电力系统故障分析，尤其是借助Simulink搭建的仿真模型，可以直观的、准确的看到故障发生的前因后果及故障时的状态。相较传统的物理模型，MATLAB显的尤为高效、经济。所以现在MATLAB已经成为我们用来分析解决电力系统问题的有力帮手。

通过本次论文，首先熟悉了仿真软件MATLAB的基本知识，对其一些操作通过练习也已将基本掌了，例如如何打开simulink模块库，如何在库中寻找模块，如何将其拖置操作界面等等。其次是三相短路问题，通过仿真可以直观的观察波形的变化，有了更形象的理解。但由于平时在校期间没有经常的使用MATLAB，对其使用尚不熟练，而且平时学习不扎实，学过的知识没有及时复习，本文肯定会有很多这样或者那样的问题，希望老师给予指正。

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致谢

本论文及设计能够顺利的完成，首先感谢余莉老师的精心指导，从论文的选题再到论文的格式修改查重等等，余老师都给我提出了很多的意见，耐心的指出我撰写的错误。其次感谢我院、系领导对我们的教导和关注。同时还要感谢大学四年的各个任课老师，你们在课堂上教会我各种专业知识，教我们各种做人的道理，课后还要批改我们的作业，指出其中的错误。在大学生涯里，辅导员是陪伴我们时间最长的，从大一到大四，学习和生活上辅导员对我们的提醒和帮助是最大的，在这里我要感谢我的辅导员杜林老师，谢谢您的帮助。最后，真的很高兴能和13电气2班的所有学生在一起上课、玩耍，感谢你们四年的帮助和陪伴，希望以后的道路大家都一帆风顺。