基于Matlab的电力系统故障分析仿真

基于Matlab的电力系统故障分析与仿真摘要：本文介绍了MATLAB软件在电力系统中的应用，以及利用动态仿真工具Simulink和电力系统工具箱PSD进行仿真的基本方法。在仿真平台上，以单机—无穷大系统为建模对象，通过选择模块，参数设置，以及连线，对电力系统的多种故障进行仿真分析。同时，设计一个GUI图形界面，将仿真波形清晰地显示在界面上以便比较和分析。结果表明，仿真波形基本符合理论分析，说明了MATLAB是电力系统仿真研究的有力工具。关键词：电力系统；仿真；故障；MATLAB；GUIAbstract：ThispaperintroducestheapplicationsofMATLABinpowersystemanalysis,andthebasicsimulationmethodoftakinguseofSimulinkandPSD.OnMATLABsimulationplatform,takeasinglemachine-infinite-bussystemasmodelingobjects,byselectingthemodule,parametersettings,andconnectingmodulestosimulateandanalysevariousfaultofpowersystem.Atthesametime,inordertofacilitatecomparisonandanalysissimulationwaveform,designaGUIforshowingwaveformclearly.Theresultsshowthatthesimulationwaveforminlinewiththeoreticalanalysis,indicatesthatMATLABisapowerfultoolforresearchingsimulationofpowersystem.Keywords：PowerSystem;Simulation;Fault;Matlab;GUI0前言[1,2]随着电力工业的发展，电力系统规划、运行和控制的复杂性亦日益增加，电力系统的生产和研究中仿真软件的应用也越来越广泛。现在，我们主要使用的电力系统仿真软件有：EMTP程序，用于电力系统电磁暂态计算，电力系统暂态过电压分析，暂态保护装置的综合选择等。PSCAD／EMTDC程序，典型应用是计算电力系统遭受扰动或参数变化时，参数随时间变化的规律。PSASP，其功能主要有稳态分析、故障分析和机电暂态分析。还有MathWorks公司开发的MATLAB软件。在MATLAB中，电力系统模型可以在Simulink环境下直接搭建，也可以进行封装和自定义模块库，充分显现了其仿真平台的优越性。更重要的是，MATLAB提供了丰富的工具箱资源，以及大量的实用模块，使我们可以更加深入地研究电力系统的行为特性。本篇论文将在熟练掌握MATLAB软件的基础上，对电力系统的故障进行建模、仿真、分析，并且设计一个GUI图形用户界面来反映故障波形。1MATLAB简介[3]MATLAB有强大的运算绘图能力，给用户提供了各种领域的工具箱，而且编程语法简单易学。下面简单介绍一下本次仿真建模中需要用到的工具箱。1）Simulink基本库，为用户提供了多种基本模块。它有两个显著功能，即仿真与连接，是实现动态系统建模、仿真的一个集成环境。2）PSB(PowerSystemBlock)电力系统模块库，涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统的仿真模型，为电力研究者带来了更大的便利。它由以下8个子模块库组成：电源模块库(ElectricalSources)；基本元件模块库(Elements)；电力电子模块库(PowerElectronics)；电机模块库(Machines)；连接模块库(Connectors)；测量模块库(Measurements)；附加模块(ExtraLibrary)；电力图形用户接口(Powergui)。3）GUI（用户图形界面）是程序的图形化界面。组件、图象窗口以及回应是创建界面所必须的三个基本元素。它提供用户一个常见的界面，以及一些控件，例如，按钮，列表框，菜单等。通常，还可以通过编程来实现多种功能。2电力系统故障分析[4]2.1故障基础知识电力系统的故障一般分为简单故障和各种复杂故障。简单故障是指电力系统正常运行时某一处发生短路或断线故障的情况，其又可分为短路故障（横向故障）和断线故障（纵向故障），而复杂故障则是指两个或两个以上简单故障的组合。短路故障有4种类型：三相短路（(3)K）、两相短路（(2)K）、单相接地短路（(1)K）和两相短路接地（(1.1)K）；断线故障分为一相断线和两相断线。其中发生单相接地短路故障的概率最高，占65%。在本次设计中，对这六种故障都进行了建模仿真，由于单相接地短路故障发生的几率最高，因此本文将该故障作为典型例子来分析建模仿真过程。2.2单相短路接地故障分析假设系统短路前空载，短路模拟图如图1所示。图1单相接地短路当系统中的f点发生单相（A相）直接短路接地故障时，其短路点的边界条件为A相在短路点f的对地电压为零，B相和C相从短路点流出的电流为零，即：00fAfBfCUII将式子（1）转换成各个序分量之间的关系。对于0fAU，有如下关系：(1)(1)(2)(0)0fAfAfAfAUUUU根据0fBfCII可以得出：2(1)2(2)(0)11110331110fAfAfAfAfAfAfAIIaaIIaaIII于是，单相短路接地时，用序分量表示的边界条件为：(1)(2)(0)(1)(2)(0)0fAfAfAfAfAfAfAUUUUIII由边界条件组成复合序网（复合序网是指在短路端口按照用序分量表示的边界条件，将正序、负序和零序三个序网相互连接而成的等值网络）从A相短路接地的序分量边界条件式（3）可见，它相当于三序序网的端头进行串联，如图2所示图2单相接地短路复合序网复合序网直观地表达了不对称短路故障的地点和类型，对复合序网进行分析计算，可以解出短路点处的各序电压，电流分量，如下：（1）电流分量序电流分量为：00(1)(2)(0)(1)(2)(0)fAfAfAfAfAUUIIIZZZZ三相电流为：(1)033/0fAfAfAfBfCIIUZII（2）电压分量序电压分量为：(2)(3)(4)0fCI0fCI(5)0fCI0fCI(1)(1)(1)(2)(0)00(2)(2)0(0)(0)0()/fAfAfAfAfAfAfAfAUUIZUZZZZUUZZUUZ三相电压为：3系统总体设计为了排除一些干扰，在仿真中得到理想的数据及波形，在本篇论文中，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，更有利于得出结论，简化计算过程。如图3所示。图3单机—无穷大系统上图中，最左端是发电机组，tV是机端电压，TX是变压器的电抗，1LX和2LX是线路电抗，sV是无穷大电源电压。假设额定容量2006nPE(VA)，额定电压13.8tV(KV),额定频率50nfHz,变压器的变比13.8/230k，无穷大电源电压220sV(KV)。在接下来的系统仿真模型中，以上图为基础，用Simulink以及SimPowerSystems中的模块来连接组成所需要的系统，再进行故障分析。首先根据图3，分析知道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。在Simulink的扩展工具箱中找到SimPowerSystems，或者直接在提示符下键入powerlib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(SynchronousMachinepuStandard)，励磁系统(ExcitationSystem)和水轮机调速器(HydraulicTurbineandGovernor)来组成发电机组。在进(6)0fCI0fCI(1)(2)(0)222(1)(2)(0)(2)(2)(1)22(1)(2)(0)(2)(2)(1)011fAfAfAfAfBfAfAfAfAfCfAfAfAfAUUUUUaUaUUaaZaZIUaUaUUaaZaZI(7)0fCI0fCI行发电机组的参数设置时，nP，nV，nf按照上述的额定值进行设置，转子类型(Rotortype)：凸极（Salient—Pole）,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-PhaseTransformer)，将变比设置为13.8/230（高压侧额定电压为220KV），低压绕组三角形接法，高压绕组星型接地。采用分布参数输电线路模型(DistributedParameterLine)模拟220(KM)的高压线。另外，将标准电压源的容量设置成10E10来模拟无穷大系统。首先用模块建立一个正常运行的电力系统，仿真后观察电压电流波形，待稳定后，再将故障元件加入其中，这样才能保证故障切除后系统最终能恢复到稳定状态。本文以单相接地短路故障为例，仿真模型如图4。图4单相接地短路图中，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项以及接地故障(GroundFault)，并将故障电阻onR和接地电阻gR都设为0.001（很小，但不能为零）。故障时间段可通过Transitiontimes来安排故障起始时间和切除时间分别为0.13和0.25。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。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，因此算法ode15s，ode23tb适合采用，仿真停止时间设定为0.4秒。经过一系列选择，设置后，就可以对系统开始仿真了。其余三种短路故障的模型与图4相同，唯一需要修改的地方则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10E6欧姆；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。断线故障是用三相断路器来模拟的，断路器的初始状态设为闭合，某相发生断线故障时就选择改变与该相相连的断路器状态，使之打开。4GUI图形界面设计[5]前面部分简单说明了仿真建模的过程，为了能把最后的仿真波形同时显示在一个界面中以便比较和分析，设计一个图形界面，不仅能随意地选择故障类型进行仿真，让波形全部显示出来，而且还能单独查看各相的电压电流波形图。要实现这样的功能需要在界面对应M文件中编辑相应的函数，使界面和仿真模型联系起来。下面简单介绍GUI图形界面的设计过程。在MATLAB提供的GUIDE环境下，将所需的组件拖入到空白界面，有坐标轴，按钮，静态文本框，列表框以及单选按钮，然后排列整齐。选中任意一个组件，双击，便可以在弹出的属性查看器窗口查看或者修改组件的属性，如，颜色，字体，名称等等。接下来打开系统自动生成的与当前界面相对应的M文件，开始在相应的组件回调函数名下编写程序，使组件在界面运行时通过程序响应一定得功能。程序的编写是一个大工程，在这就不多说，介绍一些简单的绘图指令，如下：axes(handles.axes1);%指定要画图的坐标轴sim（’ag’）;%实现与模型ag相连的功能，并使模型开始仿真plot（tout，Ua）;%实现画图功能，tout是横轴的数据，Ua是纵轴的数据xlabel('时间/s');%给横轴加标签ylabel('电流/A');