基于MATLAB的電力系統短路故障的研究

蔡銳

摘要：介紹了Matlab/Simulink的基本特點及應用Matlab進行電力系統仿真分析的基本方法和步驟。運用Matlab電力系統仿真程序SimPowersystems構建了一個單機-無窮大系統模型，并在此基礎上對電力系統的多種故障進行了仿真，仿真波形與理論分析結果相符，說明用Matlab對電力系統故障仿真的方法是可行的。

關鍵詞：電力系統;仿真;Matlab

一、引言

隨著電力工業的發展，電力系統的規模越來越大，對電力系統運行的安全與穩定性要求越來越高，然而實現的難度卻越來越大。對于大型電力系統的研究，現場進行科研實驗實現的難度大且危險性高[1]-[2]。因此，尋求一種最接近于電力系統實際運行工具就變得尤為重要。

二、系統總體設計

（一）系統設計

為了在仿真中得到理想的數據及波形，文中選擇了最具有代表性的典型的電力系統單機—無窮大系統[3]。該系統認為功率無窮大，頻率恒定，電壓恒定，即對現實進行近似處理，以簡化模型，更有利于得出結論，簡化計算過程如圖1-1。

圖1-1 單機—無窮大系統

圖1-1中，最左端是發電機組，Vt是機端電壓，XT是變壓器的電抗，XL1和XL2是線路電抗，Vs是無窮大電源電壓。假設額定容量Pn=200 MVA，額定電壓Vn=13. 8 kV，額定頻率fn=60 Hz，變壓器的變比k=13.8/230，無窮大電源電壓Vs=220kV在接下來的系統仿真模型中，以圖1-1為基礎，用Simulink以及Sim Power Systems中的模塊來連接組成所需要的系統[4]，再進行故障分析。

分析圖1-1知，需要組成系統的幾個主要部分、分別是發電機組、三相變壓器、輸電線路、負載、故障元件、測量儀器以及標準電壓源。打開電力系統模塊庫，選擇建模所需要的模塊。使用同步發電機，勵磁系統（Excitation System）和水輪機調速器來組成發電機組。在進行發電機組的參數設置時，Pn、Vn、fn按照上述的額定值進行設置，轉子類型為凸極，其余相可用模塊的默認值。三相變壓器選擇雙繞組三相變壓器（Three-Phase Transformer），將變比設置為13. 8/230（高壓側額定電壓為220 kV），低壓繞組采用三角形接法，高壓繞組采用星型接地。采用分布參數輸電線路模型模擬220 km的高壓線。另外，將標準電壓源的容量設置成1010來模擬無窮大系統。仿真模型如圖1-2所示。

圖1-2系統的仿真圖

圖1-2中，短路故障是用三相故障元件來模擬的，在該模塊的參數設置中選擇A相以及接地故障，并將故障電阻Ron和接地電阻Rg都設為0.001Ω（很小，但不能為零）。故障時間段可通過TransitionTimes來安排，故障起始時間和切除時間分別為0.13 s和0.25 s。對上述模型進行仿真前，需要選擇仿真步長的算法，由于電力系統是帶發電機的剛性系統[5]，因此采用ode15s， ode23tb算法，仿真停止時間設定為0.60 s。其余模塊的參數設置都要根據系統要求進行適當修改，在此不再作過多敘述。經過一系列選擇設置后，就可以對系統仿真了。

（二）仿真分析

系統正常實電壓仿真結果，如圖2-3所示

圖2-3系統正常運行電壓仿真圖

系統正常時電流仿真結果，如圖2-4：

圖2-4系統正常運行電流仿真圖

首先進行A相接地短路仿真。

電壓的仿真結果如圖2-5所示

圖2-5電壓的仿真結果

分析：當A相發生接地短路故障時A相電壓降為零，非故障想即BC兩項電壓上升我線電壓，其夾角為60°，切除故障后各相電壓水平較原來升高這是中性點電位升高導致的[6]。

電流的仿真結果如圖2-6所示

圖2-6電流的仿真結果

分析：當A相發生接地短路故障時，BC兩項電流迅速變為零，這與理論分析的結果一致。

發生兩項短路時的理論計算：發生故障時非故障相的電流為零，另外兩項的電流和為零，發生兩項短路的電壓相等。

發生兩項短路時電流仿真圖，如2-7所示。

圖2-7電流仿真圖

分析：由電流的仿真圖可以看出，非故障相的電壓變為了零，而另外兩項的電流的加和為零這與理論計算的結果相符[7]。

發生故障時電壓仿真圖，如圖2-8所示。

圖2-8 電壓的仿真圖

分析：在AB兩相發生短路故障時，非故障相C相電壓波形幅值增大。A相和B相電壓降為0，這與理論計算相符[7]。

發生三相短路時的理論分析：當系統發生三相短路時，這是電力系統最嚴重的故障，當此故障發生時，三相的電流會快速的增大，三相的電壓會降快速的減小。

當系統發生三相短路時系統電流仿真圖，如圖2-9所示。

圖2-9電流的仿真圖

分析：在穩態時，故障相各相電流由于三相短路故障發生器處于斷開狀態，因而電流為0.在0.01s時，三相短路故障發生器閉合，此時電路發生三相短路，故障點各相電流發生變化，由于閉合時有初始輸入量和初始狀態量，因而故障點各相電流波形上升。在0.05s時，三相短路故障發生器打開，相當于排除了此故障，此時故障各相電流迅速下降為0。

發生故障是電流的仿真圖，如圖2-10所示。

圖2-10電壓仿真圖

分析：在穩態時，故障相各相電壓由于三相故障發生器處于斷開狀態，因而電壓不為零，在0.01s時，三相短路故障發生器閉合，此時電流發生三相短路，故障點各相電壓發生變化，故障點各相電壓都將為0，在0.05s時，三相短路故障發生器打開，相當于排除了故障，此時故障點各相電壓迅速恢復[8]。

三、結論

通過一個簡單的電力系統模型，利用Matlab進行建模仿真分析，仿真結果表明Matlab具有強大的仿真功能。它這種模塊化的建模仿真分析方法避免了繁雜冗長的編程過程，且仿真結果逼近系統實際行為，是電力系統分析的理想工具。它方便、實用、靈活的特點為電力系統研究者提供了一個有效的研究平臺。

參考文獻：

[1] 彭建飛，任岷，王樹錦.Matlab在電力系統仿真研究中的應用[J].計算機仿真， 2005， 22（6）： 193-196.

[2] 都偉杰，張俊芳，劉鵬，等.基于Matlab的電力系統暫態穩定性仿真分析[J].電網與清潔能源， 2009， 25（1）： 17-20.

[3] 盛義發，唐耀庚，蘇澤光，等.基于Matlab的電力系統故障的仿真分析[ J].南華大學學報：理工版， 2003， 17（4）： 45-49.

[4] 周兆慶，陳星鶯.Matlab電力系統工具箱在電力系統機電暫態仿真中的應用[ J].電力自動化設備， 2005， 25（7）： 38-40.

[5] 張少如，李志軍，吳永儉，等.Matlab與電力系統仿真[J].河北工業大學學報， 2005， 34（6）： 5-9.

[6] Xia tao. Power system analysis [M]. Beijing： China power press， 2004.

[7] Liu wanshun. Power system fault analysis [M]. Beijing： China power press， 2004.

[8]盛義發，洪鎮南.Matlab在電力系統仿真中的應用[J].計算機仿真， 2004， 21（11）： 197-199.