基于Matlab的電力系統短路故障下暫態穩定性的仿真與分析

劉洪濤　趙朋洋　張燦煜　趙宇　王暄軼

摘 要：短路故障作為電力系統最常見同時也是危害最大的擾動，是檢驗電力系統是否具有暫態穩定性的重要依據。該文主要以Matlab SimPower Syetem電力系統工具箱作為平臺，通過搭建電力系統單機-無窮大系統模型，來進行短路接地故障測試仿真。

關鍵詞：暫態穩定 MATLAB大 短路故障

中圖分類號：TM7 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）01（c）-0051-05

電力系統中壓配電網一般采用不直接接地或經消弧線圈接地方式，因其發生接地故障時，流過接地點電流小，因此稱為小電流接地系統，而該系統接地故障最高。由于3個線電壓仍然對稱，不影響負荷連續供電，故不必立即跳閘，但接地后非故障相電壓會升高，長時間帶故障運行會影響系統安全，因此，需要對故障時刻和故障線路進行檢測。另外故障初期接地點常常伴有很大的接地電阻，各次諧波電流分量很小，這將影響故障檢測的靈敏度。因此，需要具有很強的處理微弱信號能力的數字信號處理方法來分析非平穩信號。對配電網接地短路故障的研究，主要有利用短路后的穩態分量、諧波分量和暫態分量等幾種方法。該文對電力系統短路故障下暫態穩定性的仿真系統進行了分析。

1 電力系統暫態穩定性簡要分析

1.1 保證電力系統穩定運行的有效策略

提高電力系統暫態穩定的措施和提高靜態穩定時不同，其首先考慮的是減少功率或能量差額的臨時性措施。這一方面是由于急劇擾動下機械與電磁、負荷與電源的功率或能量差額比微小擾動大得多，另一方面又由于這種擾動往往是暫時性的。

通常情況下，故障的快速切除與自動重合閘是相互配合運行的，通過對功率的降低或提升能量差額保證電力系統的穩定運行，該措施經濟且有效。單相重合也有利于提高負荷的穩定性，單向重合后滿足系統電源的需求，達到負荷要求，進而有效維持負荷的穩定運行。

1.2 對電力系統穩定性的有效控制

電力系統穩定運行的第一道防線是電力系統暫態功角穩定控制。暫態穩定性是指電力系統在受到大干擾后，所有的同步發電機共同運行，經一定時間的調整后逐漸過渡到穩態運行，或者經一定調整恢復至最初狀態。提高電力系統暫態穩定性的措施多種多樣，該文以電力系統常見單機-無窮大系統為例，主要從電力系統穩定器、故障及時解除、單項自動重合閘及故障限流器等對保證電力系統穩定運行的作用上入手，對Matlab的電力系統仿真模塊集SimPowerSystemsBlockset進行仿真分析。

2 模型特性及原理分析

2.1 電力系統暫態穩定定性分析

在電力系統的正常運行狀態下，將原動機輸入機械功率視作Pm，那么發電機所輸出的電磁功率就會與其達成平衡狀態，通過P1與Pm的交叉點進一步明確發電機工作點，也就是a點，與此相對應的功率角則為，具體如圖2所示，虛線所示為不計阻尼作用的曲線，實線所示為計阻尼作用的曲線。

在發生短路的瞬間，由于不考慮定子回路的非周期分量，則周期分量的功率是可以突變的，于是發電機運行點由PI突然將為PII。又由于發電機組轉子機械運動的慣性所致，功率角不可能突變，仍為。那么運行點由a點躍降到短路時功-角特性曲線PII上的b點。達b點后，輸入的機械功率Pm大于輸出的電磁功率PIIb，不平衡凈加速功率大于零。依轉子運動方程式，于是轉子開始加速，即，功率角開始增大，，運行點將沿功-角特性曲線PII移動，設經過一段時間，當功率角增大至c時，此時運行在c點，速度達到最大。若在c點事切除線路故障，在切除線路故障的瞬間，仍由于不考慮定子回路電流的非周期分量及機組轉子的機械慣性，為c，運行點從PII上的c點突升到PIII上的e點，此時速度仍為。在達到e點后，機械功率Pm

當短路故障切除得遲些，c更大時，在故障切除后，運行點沿功率PIII不斷向功率角增大的方向移動過程中，雖然轉子在不斷減速，但運行點到達曲線PIII上的點時，轉子的轉速仍大于同步轉速。于是運行點就要越過點，過了點后，情況發生逆轉。由于Pm>PIII，發電機組轉子又開始加速，而且加速度越來越大，功率轉角無限增大，發電機與系統之間將失去同步，系統暫態不穩定。

2.2 單機-無窮大系統原理

假定聯絡阻抗為純電感，則由發電機向無窮大系統送出去的有功功率的P為：

（1）

式中為包括發電機阻抗在內的發電機電動勢到無窮大系統母線的總阻抗；為功角；Em為發電機電勢；U為系統母線電壓。

假定在發電機高壓母線上發生三相金屬性短路。T=t0時刻將故障解除，運用仿真模式對發電機的運行狀態進一步觀察與掌握。就我國目前發展情況下，對電力系統暫態穩定擾動模式的考核主要以三相短路作為標準之一[3]。所以，仿真故障模式選擇了短路故障，考慮到PSS（Power System Stabilizer）屬于Simulink下SimPowerSystem庫的machines分支下的模塊）作為勵磁系統的一個子模塊，它的輸出時勵磁輸入信號的一種，通過On-Off開關控制投退。

3 仿真與分析

3.1 仿真模型的搭建

利用Matlab下的Simulink軟件與電力系統模塊庫對電力系統進行仿真分析，且具有很強的直觀性，非常簡單，用戶通過圖形化方式對仿真系統模型進行創建，在Simulink菜單下對系統仿真過程實行啟動操作，示波器將仿真結果直接反映出來。通過對仿真原理的分析，運用Simulink軟件仿真有效調整調節器，進而將系統仿真結果直觀的顯示出來，進而實現電力系統仿真設計。

連線各個模塊并設置相關參數，電力系統單機-無窮大系統仿真模型如圖4所示。

3.2 仿真結果分析

在大擾動狀態下，電力系統暫態穩定性在發電機機械功率與電磁功率差額的影響下受到嚴重破壞。所以，要想有效保證電力系統的穩定運行，首先必須將發電機加速功率適當減小。另外，能有效提升電力系統穩定性的主要策略主要包含電力系統穩定器、故障及時解除、單項自動重合閘及故障限流器等，并以此為依據進行仿真設計與分析。

（1）L1中段發生單相接地短路，1S開始，1.5 s時將故障及時切除，全面分析電力系統穩定器PSS的效果（PSS可通過切換開關進行投退），仿真結果如圖5～12所示。

結論分析：對比未加PSS和加有PSS系統的仿真波形可知，就電力系統單相接地短路故障而言，通過PSS使系統對震蕩阻尼效果得以有效提升，并促進波形的快速恢復，同時消除其他故障諧波。

（2）故障點發生三相接地短路，1.1 s時切除故障，仿真時不加PSS，對自適應單相重合閘的效果進行分析，仿真結果如圖13所示。

對于三相接地短路這樣非常嚴重的故障形式，未投入PSS時，即使對故障進行了及時解除，但仍然沒有提升系統的運行穩定性。當加入PSS后，仿真結果如圖14所示。

結論分析：由于三相接地短路，系統脫離暫態穩定狀態，隨時間增加相電流會在短時間內迅速增加，對于非常嚴重的三相接地短路故障，采用PSS可有效地增加系統的阻尼振蕩效果，從而使系統迅速地趨于穩定。

該仿真采用轉子角速度變化量dω（p.u）電力系統穩定器PSS模塊的輸入信號。當未投入PSS時，盡管快速切除了故障，系統仍然失去穩定性。同時采用自動重合閘也是提高系統暫態穩定性的一個有效經濟地方法，該次穩態故障仿真對自適應單相重合閘的效果進行了仿真分析。相對于以往傳統的單相重合閘，自適應重合閘并非在盲目的狀態下運行，而是在重合前對單相接地短路故障屬性進行快速識別。如果判定為瞬時性故障，便執行重合進行操作；如果判定為永久性故障，便執行重合閉鎖操作。對于瞬時性故障，選擇重合進行操作，能夠有效保證電力系統的穩定運行。在高壓架空線路的運行中，經常發生短路故障，且故障屬性多為瞬時性單相接地短路，執行重合閘操作可有效接觸短路故障。因此，對單相重合閘的科學合理使用能夠保證電力系統的可靠供電，提升其暫態穩定性。

4 結語

該文通過對電力系統暫態穩定性研究領域故障判斷分析，以Matlab/Simulink為電力系統仿真應用平臺，搭建了電力系統各種模型，最終建立復雜的系統仿真模型。運用小波變換對故障信號進行特征提取，完成了對故障檢測點的實時分析和研究，對電力系統運行中易出現的故障問題進行了調試和分析，該次電力系統仿真優點突出，首先，部署成本低，建模效率高，能有效地降低試驗風險，并且最大限度地保留了仿真的完整度，通過優化算法，達到了很高的精度，并且為更加復雜的電力系統提供了研究參考。其次，易用性強，界面友好，操作使用非常方便。可以任意增加相關模塊，并且可以定制模塊元件或代碼，交互式應用不同的算法，進行參數優化。總之，利用Matlab強大的計算功能，提高仿真計算的靈活性和效率，為仿真與分析電力系統提供了一種新手段。

參考文獻

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