MATLAB電力系統(tǒng)仿真技術(shù)在水利電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用

晉成龍，桂宗能

（中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司，安徽合肥，230000）

0 引言

電氣自動(dòng)化設(shè)備水利系統(tǒng)的重要組成部分，如發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、水泵、控制機(jī)柜、繼電器、智能型清污機(jī)械、排水灌溉機(jī)械等。因此水利系統(tǒng)是集成了高壓電技術(shù)、計(jì)算機(jī)與自動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)械工程等多領(lǐng)域交叉的復(fù)雜系統(tǒng)。因此，許多學(xué)者在水利系統(tǒng)的不同方面進(jìn)行了眾多的研究[1-3]。伍哲[4]認(rèn)為對(duì)水文信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、傳輸、處理及預(yù)報(bào)一體自動(dòng)化技術(shù)是有效解決洪水預(yù)報(bào)、防洪調(diào)度及水資源合理利用的手段。水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)可高效準(zhǔn)確地掌握上游可能發(fā)生的洪水，使洪水災(zāi)害造成的損失最大限度地減少。王偉平[5]對(duì)常用的預(yù)報(bào)模型特點(diǎn)進(jìn)行分析，提出了一種“模型結(jié)構(gòu)—參數(shù)法”，為各個(gè)不同的觀測(cè)站建立預(yù)報(bào)模型，并設(shè)計(jì)了一種水情自動(dòng)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)端衛(wèi)星小站與主站的數(shù)據(jù)通信。李景志[6]針對(duì)甘肅省張掖市盈科灌區(qū)的水渠灌溉系統(tǒng)進(jìn)行了研究和分析，將計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)、智能控制技術(shù)等融入無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種水利灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控、管理以及灌溉水資源的合理調(diào)配。而在進(jìn)行水利電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，則需知曉電力系統(tǒng)潮流、系統(tǒng)穩(wěn)定性等性能，而有時(shí)又需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障預(yù)測(cè)、診斷與分析，繼電保護(hù)系統(tǒng)等的計(jì)算與分析等，因此可采用MATLAB電力系統(tǒng)仿真技術(shù)為解決上述問題。

1 MATLAB電力系統(tǒng)仿真技術(shù)

Cleve Moler和John Little等人合作成立了Mathworks軟件公司，推出了商用MATLAB軟件。隨著時(shí)代的發(fā)展，MATLAB已廣泛應(yīng)用于各種仿真及計(jì)算領(lǐng)域，如通過符號(hào)計(jì)算求解微分方程，通過數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行各種算法的運(yùn)算，通過Simulink環(huán)境搭建電子電路仿真模型、電力系統(tǒng)模型、控制器與控制算法模型、機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型等。

Simulink是MATLAB提供的實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的環(huán)境，在Simulink中可通過框圖建模或編程的方式搭建仿真計(jì)算模型，電力系統(tǒng)模塊庫(kù)（Power System Blockset）就集成在Simulink的庫(kù)中，在該模塊中可使用電力系統(tǒng)常見的元器件模型，如傳輸線路模型、發(fā)電機(jī)模型、RLC復(fù)雜模型、開關(guān)模型、繼電器模型、三極管模型、變壓器模型等。電力系統(tǒng)分析中常用的元件模型包括：同步電機(jī)模型、變壓器模型、輸電線模型、異步電機(jī)模型、負(fù)載模型。

RLC負(fù)載在MATLAB中的模型如圖1所示。圖中包括RLC并聯(lián)模型、RLC串聯(lián)模型、三相RLC并聯(lián)模型和三相RLC串聯(lián)模型，在Simulink環(huán)境中可通過拖動(dòng)鼠標(biāo)的方式將這些負(fù)載拖動(dòng)至所有搭建的仿真模型中。

圖1 MATLAB的RLC負(fù)載框圖模型

2 電源供電系統(tǒng)三相短路仿真

短路問題是電力系統(tǒng)最常見的問題之一，在電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，都必須事先進(jìn)行短路計(jì)算和仿真，通過仿真計(jì)算的結(jié)果，分析得出較為合理的電氣接線方式，確定限制短路電流的措施，并在電力系統(tǒng)中合理地配置繼電保護(hù)等。

建立的電源供電系統(tǒng)三相短路仿真模型用到的主要元件包括：三相電源、三相RLC并聯(lián)負(fù)載、三相RLC串聯(lián)負(fù)載、變壓器、三相電源與電流表、三相短路元件，仿真模型結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 電源供電三相短路MATLAB仿真模型

三相電源模型參數(shù)為：相電壓110 KV、內(nèi)部電阻為0.00529歐姆；三相RLC并聯(lián)負(fù)載功率為5MW、額定相電壓為13.8 KV；三相RLC串聯(lián)負(fù)載電阻為8歐姆，電感為0.06 H；變壓器磁阻990 pu，磁感106 pu，三相短路故障單元包括A相、B相、C相以及各兩相組合及三相同時(shí)短路，因此該仿真模型可進(jìn)行7種短路故障的仿真分析。

設(shè)置仿真時(shí)間為0.2秒，三相短路單元狀態(tài)為A相、B相和C相同時(shí)短路，短路時(shí)刻為0.02秒，得到三相電流變化如圖3所示?？芍?，在初始0.02秒內(nèi)，三相電流基本維持在0A左右，而隨著三相短路狀態(tài)的發(fā)生，三相電流迅速變大，并隨著時(shí)間的變化產(chǎn)生一定頻率的變化，這與實(shí)際情況是相符合的。三相電流的變化進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)，其幅值變化相等，且呈現(xiàn)相位差120度的變化規(guī)律。

圖3 三相短路時(shí)系統(tǒng)三相電流變化

設(shè)置仿真時(shí)間為0.2秒，三相短路單元狀態(tài)為A相、B相同時(shí)短路，C相正常，短路時(shí)刻為0.02秒，得到三相電流變化如圖4所示。可知，在初始0.02秒內(nèi)，三相電流基本維持在0A左右，而隨著三相短路狀態(tài)的發(fā)生，A和B兩相電流迅速變大，并隨著時(shí)間的變化產(chǎn)生一定頻率的變化，C相電流一直保持為0A左右，這與實(shí)際情況是相符合的。A和B兩相電流的變化進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)，其幅值變化相等，且呈現(xiàn)相位差120度的變化規(guī)律。

圖4 AB兩相短路時(shí)系統(tǒng)三相電流變化

3 結(jié)束語(yǔ)

水利電氣自動(dòng)化設(shè)備是水利系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)相關(guān)電氣設(shè)備的仿真分析對(duì)設(shè)計(jì)水利電氣系統(tǒng)，事先知曉電氣性能等具有重要研究?jī)r(jià)值。本文基于MATLAB電力系統(tǒng)仿真技術(shù)，介紹了電氣仿真中常用的元件模型，并在Simulink環(huán)境中搭建了三相短路仿真模型，研究了三相短路與AB兩相短路時(shí)的三相電流變換情況，為進(jìn)一步研究其電氣系統(tǒng)提供了參考。