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毕业设计(论文)课题名称基于Matlab的电力系统故障分析与仿真学生姓名学号系、年级专业电气工程系06级电气工程及其自动化指导教师职称副教授2010年6月1日毕业设计（论文）I摘要本次设计介绍了电力系统故障分析方法及Matlab/Simulink的基本特点。通过算例对电力系统故障进行分析计算。然后对算例，运用Matlab/Simulink进行电力系统故障仿真，得出仿真结果。并将电力系统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。结果表明运用Matlab对电力系统故障进行分析与仿真，能够准确直观地考察电力系统故障的动态特性，验证了Matlab在电力系统仿真中的强大功能。关键词：电力系统；故障；Matlab；仿真毕业设计（论文）IIAbstractThisdesignforelectricpowersystemisintroducedinfaultanalysismethodandthebasiccharacteristicsoftheMatlab/Simulink.Throughanexampleofpowersystemfaultanalysis.Thenforexample,usingMatlab/Simulinkpowersystemfaultsimulation,simulationresults.AndwillpowersystemmalfunctionoftheanalysisandcalculationoftheresultsoftheanalysisandMatlabsimulationresultswerecompared,thusdrawstheconclusion.ResultsshowthatusingMatlabforpowersystemfaultanalysisandsimulation,canaccurateintuitivelyinvestigationpowersystemmalfunctionofthedynamiccharacteristicsandverifiedinpowersystemsimulationofMatlab.Keywords:electricsystem;Fault;Matlab;Simulation目录摘要…………………………………………………………………………IAbstract………………………………………………………………………II1引言………………………………………………………………………11.1电力系统故障分析的基本知识…………………………………………11.2电力系统故障分析及诊断技术…………………………………………21.3本论文的主要工作………………………………………………………32仿真软件…………………………………………………………………52.1Matlab简介……………………………………………………………52.2Simulink简介…………………………………………………………73电力系统故障计算………………………………………………………93.1短路计算的基本原则和规定…………………………………………93.2短路点的选择原则与确定……………………………………………103.3短路电流计算…………………………………………………………114电力系统故障仿真……………………………………………………144.1概述……………………………………………………………………144.2电力系统各元件的仿真模型…………………………………………144.3电力系统故障仿真……………………………………………………194.4仿真结果分析…………………………………………………………295结论……………………………………………………………………31参考文献……………………………………………………………………33致谢…………………………………………………………………………34毕业设计（论文）11.引言1.1电力系统故障分析的基本知识1.1.1故障概述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[。供电网络中发生短路时,很大的短路电流会使电器设备过热或受电动力作用而遭到损坏,同时使网络内的电压大大降低,因而破坏了网络内用电设备的正常工作.为了消除或减轻短路的后果,就需要计算短路电流,以正确地选择电器设备、设计继电保护和选用限制短路电流的元件。1.1.2故障类型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。表1.1给出这几种短路的简略记号。表1.1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(F1.1.3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，毕业设计（论文）2我国某电力系统多年统计出在不同范围内发生短路故障的相对次数列出如表1.2。表1.2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78.0%7.5%6.5%8.0%表1.3110kV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%从表1.3中的数字中可以看出单相短路几率占压倒性多数，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[。1.2电力系统故障诊断技术早在1982年8月，美国电力研究所(EPRI)便开始了火电站设备早期故障检测的工作，经过此后10多年的努力，在电站性能监测和诊断方面，EPRI一直处于领先地位。此外，美国西屋公司也在1976年开始了电站在线计算机诊断工作，并在1980年投入了一个小型的电机诊断系统，1981年进行电站人工智能故障诊断专家系统的研究，1984年应用于现场,到1990年己发展成为大型电站在线监测诊断系统(AID),即汽轮发电机组智能化故障诊断专家系统。我国在故障诊断技术方面的研究起步较晚，开始于20世纪70年代末，落后于国外至少20-30年的历史，基本上是在引进国外先进技术基础上进行消化、吸收而发展起来的。第一阶段为起步阶段，从1979年至1990年大约用了10年时间。这个阶段的特点是认识设备诊断技术的重要性，设备诊断技术的基础理论研究十分活跃，这个阶段以快速傅里叶变换、谱分析、信号处理等技术为基础，以设备状态监测为技术目标。第二阶段为发展阶段，毕业设计（论文）3从1991年开始至90年代末以我国工业的建设迅速发展为背景，以现代化管理的需要为前提，出现了诊断技术迅速发展的局面。这个阶段以故障分类、模式识别、智能化专家系统及其计算(故障树计算、模糊逻辑计算、神经网络计算、基因计算等)为基础，全方位开展了设备的故障诊断研究，从理论和生产应用上形成了具有我国特点的故障诊断理论，研制出了可与国际接轨的大型设备状态监测与故障诊断系统。电力系统故障诊断是近年来十分活跃的研究课题之一。传统型的研究是在建立被诊断系统网络拓扑结构模型的基础上，根据发生故障时系统结构和参数变化，导致系统潮流的变化，进而根据潮流计算的变化判断出故障，多用传统的数学方法，采用单一的集中求解，因系统规模、复杂程度和不确定因素等的限制难以适应目前电力系统的这样一个日趋复杂的分布式大系统的故障诊断问题发展趋势，系统故障诊断难以达到理想的效果。因此，目前研究电力系统故障诊断的方法主要是采用的智能化方法。近几十年来，故障诊断技术得到了深入广泛的研究，提出了众多可行的方法，概括起来即可可分为三大类：基于解析模型的方法，在了解诊断对象数学模型的基础上，按一定的数学方法对被测信息进行处理判断，可分为状态估计法、等价空间法和参数估计法等。基于解析模型的故障诊断方法是最早发展起来的，其主要思想是通过构造观测器估计出系统输出，然后将它与输出的测量值作比较，从中获得故障信息。由于建模的困难与模型本身的误差以及各种不可预见的因素(如系统发生故障时，不仅可能引起模型参数的变化，还可能引起模型结构的变化，而且这种变化是不确定的)，大大地影响了其诊断的准确性。基于信号处理的方法，利用信号模型，如相关函数、频谱、自回归滑动平均、小波变换等，直接分析可测信号，提取诸如方差、幅值、频率等特征值，从而检测出故障。这种方法由于不需要建立对象的解析数学模型，实现简单，在工程上具有广泛的应用，但这种方法只有当故障发展到相当程度并影响到外部特征时才有效，而且只能对故障范围做出粗略的判断，大多数情况下不能直接定位故障。基于知识的诊断方法。这类方法的主要优点是不依赖于具体的数学模型，而且克服了基于信号处理故障诊断方法的缺点，引入了诊断对象的许多信息，具有较为丰富的、灵活的知识表达和问题求解能力，它可以充分发挥人类专家在诊断中根据感觉、知识、经验所进行的推理判断的能力，并可适合于各种场合的故障判别。基于知识的故障诊断方法由于其本身具有的优点已经成为故障诊断领域中的一个主要方法，它不仅可以进行离线的故障诊断，还可以用于在线的故障诊断与故障处理。在电力系统中，毕业设计（论文）4这类方法的开发研究也是最为引人瞩目的一类课题，国内外也有大量的文献介绍基于知识的诊断方法在电网络故障诊断中的应用。近年来，一般报警信息的处理和常见简单故障的诊断问题已经得到较好的解决。随着电网建设的发展、计算机技术和网络技术以及数学和智能科学理论的发展，不断有新的电网故障诊断方法出现，但是从电力系统故障诊断理论与方法研究和应用的深度、广度可以清晰地看到，其研究仍停留在理论和模型的探索阶段，基本上没有非常成功的成型实用系统，实用化方面一直未有太大的发展。从发表的文献来看，电网故障诊断系统大多依托于调度端或变电站内，分别利用调度SCADA系统的实时信息或站内综合百动化系统收集的信息来实现；随着系统、计算机和网络技术的发展，以及故障录波专用网络的建设，后来又发展了基于故障录波信息的故障诊断系统。此系统的建设，对故障后所有相关的故障信息，例如保护装置信息、录波器信息、雷电定位信息、监控装置信息等，进行采集、传输、存储和处理，为电网故障处理提供了信息支持。这些宝贵的信息为新的电网故障诊断方法提供了基础，大大拓展了电网故障诊断的研究方向。因此，在电网故障诊断理论的实用化过程中，必须充分重视信息的收集与整理工作，包括用于故障诊断的数据仓库的构建、故障综合信息的预处理和诊断知识的提取等。1.3本论文的主要工作基于三相短路的重要性，本次设计以三相短路为例进行分析仿真。毕业设计（论文）52仿真软件2.1Matlab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