基于Matlab的电力系统短路故障分析与仿真

西南科技大学

电气工程及其自动化专业

方向设计报告

设计名称：基于Matlab 的电力系统短路故障分析与仿真

姓 名： ***

学 号: ***

班 级： ***

指导教师： ***

起止日期： 2014.11.5-2014.12.6

****大学****学院制

方 向 设 计 任 务 书

学生班级： **** 学生姓名： *** 学号：********

设计名称： 基于Matlab 的电力系统短路故障分析与仿真 起止日期： 2014.11.5-2014.12.6 指导教师： ***

方 向 设 计 学 生 日 志

基于Matlab 的电力系统短路故障分析与仿真

摘要

本次设计介绍了电力系统短路故障分析方法及Matlab/Simulink的基本特点。通过三相短路的情况对电力系统故障进行分析计算。然后对该种情况，运用Matlab/Simulink进行电力系统三相短路故障仿真，得出仿真结果。并对Matlab/Simulink搭建的三相短路电路图所得仿真的结果进行分析，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；短路故障分析；Matlab ；仿真

Power system fault analysis and simulation based on Matlab

Abstract

This design introduces the basic features of the power system short-circuit fault analysis method and Matlab / Simulink for. By three-phase short circuit fault on the power system analysis and calculation. Then this case, the use of Matlab / Simulink for system power three phase short circuit fault simulation, the simulation results obtained. And to analyze the resulting three-phase short circuit diagram Matlab / Simulink to build simulation results, leading to the conclusion. The results showed that the use of Matlab for power system fault analysis and simulation can accurately visually inspect the dynamic characteristics of the power system failure, verify the Matlab powerful in the power system simulation.

Keywords: electric system; Fault; Matlab; Simulation

一、设计目的和意义

短路是电力系统的严重故障。一相短路是发生情况最多的，大概占90%。其中三相短路是最严重的情况！所以我选择三相短路的事例来完成这个实验。那什么又叫短路呢？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。

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。所以我们要尽量避免短路故障，我们这里通过Simulink 仿真实验来认知短路故障的具体情况。

二、控制要求

电力系统三相短路计算主要是短路电流周期分量的计算，在给定电源电势时，实际就是稳态交流电路的求解。

在电力系统短路电流的工程计算中，许多实际问题的解决（如电网设计中的电气设备选择）并不需要十分精确的结果，于是产生了近似计算的方法。在近似计算中主要是对系统元件模型和标么值参数计算做了简化处理。在元件模型方面，忽略发电机、变压器和输电线路的电阻，不计输电线路的电容，略去变压器的励磁电流（三相三柱式变压器的零序等值电路除外），负荷忽略不计或只做近似估计。在标么值参数计算方面，在选取各级平均电压做为基准电压时，忽略各元件(电抗器除外) 的额定电压之比，即所有变压器的标么变比都等于1。此外，有时还假定所有发电机的电势具有相同的相位，加上所有元件仅用电抗表示，这就避免了复数运算，把短路电流的计算简化为直流电路的求解。

短路计算点是指在正常接线方式时，通过电器设备的短路电流为最大的地点。所选的短路点一定要是各种短路类型是最严重的情况，应为只要这样才能得出变压器中性点的最大入地电流，算出后才能进行接地电阻允许值的计算。而且一般不止选择一个短路点，而是通常选择2～3个分别进行计算，然后将计算结果进行比较。而我们这里通过Simulink 搭建电路模型来仿真三相短路情况时，通过三相短路错误发生器来模拟三相线路短路，仿真之后出现波形图，达

到控制的要求。

三、设计方案论证

短路计算的目的是为了选择导体和电器，并对其进行相关校验。

基本假定：短路电流实用计算中，采用以下假设条件和原则：

（1）正常工作时，三相系统对称运行；

（2）所有电源的电动势相位角相同；

（3）系统中的同步和异步电机为理想电机，不考虑电机饱和、磁滞、涡流及导体集肤效应等影响；转子结构完全对称；定子三相绕组空间相差120°电气角；

（4）电力系统中各原件的磁路不饱和，即带铁芯的电气设备电抗值不随电流大小变化；

（5）电力系统中所有电源都在额定负荷下运行，其中50%负荷接在高压母线上，50%负荷接在系统侧；

（6）同步电机都具有自动调整励磁装置（包括强行励磁）；

（7）短路发生在短路电流为最大值的瞬间；

（8）不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流；

（9）除计算短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻都略去不计；

（10）元件的计算参数均取其额定值，不考虑参数的误差和调整范围；

（11）输电线路的电容略去不计；

用概率统计法制定短路电流运算曲线。

一般规定：

（1）验算导体和电器动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流，应按本工程的设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划（一般为本期工程建成的5～10年）。确定短路电流时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式，而不应按仅在仅在切换过程中可能并列运行的接线方式；

（2）在电气网络中应考虑具有反馈作用的异步电动机的影响；

（3）选择导体和电器时，对不带电抗器回路的计算短路点应选择在正常接线方式时短路电流为最大的地点。对加装电抗器的6～10KV 出线与厂用分支线回路，除其母线和母线隔离开关之间隔板前的引线和套管，计算短路点应选择在电抗器前，其余导体和电器的计算短路点一般选择在电抗器后；

（4）导体和电器的动稳定、热稳定和电器的开断电流，一般按三相短路验算。若发电机出口的两相短路或中性点直接接地系统及自耦变压器等回路中的单相、两相接地短路较三相严重时，则应按严重情况计算。

而电力系统仿真主要是对短路类型中的三相短路、两相短路和单相接地短路的电流、机端

电压波形进行分析。利用Matlab 软件中的电力系统模块库(PSB)，建立了同步发电机无穷大系统模型，它对电力系统设备的设计和选用有一定的参考价值。同时电压电流波形可以直观的了解，便于建立系统的观念。

四、系统设计

电力系统各元件主要模型：

（1）三相电源（Three-phase Source）

在Simulink 里面SimPowerSystems 窗口下的Elements 找到Three-phase Source直接使用，设置参数对话框如下图1所示：

图1 三相电源参数设置对话框

电源电压设置的是13.8e3V ，其他参数默认。

（2）三相π型线路功能模块（3-Phase PI Section）

三相π型线路是构建电力系统模拟输电仿真模型时最常用的功能模块，由电阻、电感和电容构成。其参数设置类似于串、并联RLC 支路模块，只是他所设置的电阻、电感和电容值为单位输电线长度时的参数值。因此在π型线路功能模块的属性参数对话框中，还需要设置输电线路的长度值。所以，就三相π型线路模块而言，在其电感、电阻、

电容值的属性参数设置框中，

包括：（1）频率；（2）正序和零序电阻值；（3）正序和零序电容值；（4）输电线路的长度值。其参数设置如下图2所示，其中长度设置为100km ，其他参数默认值。

图2 分布参数线参数设置对话框

（3）并联RLC 负荷模块（Elements ）

并联RLC 负荷模块（Parallel RLC Load）提供了一个由电阻、电感、电容并联连接构成的功能模块，也可以通过设置它的电阻、电感和电容的具体值来改变该支路的等效阻抗。其参数对话框如图3所示, 其中参数为默认值。

图3 并联RLC 负荷模块

（4）三相故障模块（3-phase Fault）

三相故障模块提供了一种可编程的相间（phase-to-phase ）和（phase-to-ground ）故障断路器中。三相故障模块使用了三个独立的断路器，用来模拟各种对地或者相间故障模型。其参数对话框如图4所示：

图4 三相故障模块参数设置对话框

仿真时将三相错误都勾上即可。可以模拟多种短路故障。

三相故障模块中的断路器的开通和关断时间可以由一个Simulink 外部信号（外部控制模式）或者内部控制定时器（内部控制模式）来控制。

如果不设计接地故障，接地电阻（Ground resistance）Rg 自动被设置为106 。举例说明如下：当设置一个A 、B 相间短路故障模型时，只需要设置A 相故障和B 相故障属性参数；当设置一个A 相接地故障模型时，只需要同时设置A 相故障和接地故障属性参数，并且要指定一个小的接地电阻值。需要注意的是：

① 如果三相故障模块被设置为外部控制（External control）模式时，在模块的封装图表中就会出现一个控制输入端。连接到这个输入端的控制信号必须是0或者1之类的脉冲信号（其中0表示断开断路器，1表示闭合断路器）。

② 当三相故障模块被设置为内部控制模式（internal control mode）时，其开关时间（switching times）和开关状态，均在该模块的属性参数对话框中进行设置。

（5）三相变压器模块（T hree-Thase Transformer）

（1）变压器模块

变压器模块是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级绕组中通有交流电流时，铁心（或磁心）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁心（或磁心）和绕组组成，绕组有两个或两个以上的绕组，其中介电源的绕组叫初级绕组，其余的绕组叫次级绕组。我们这里选择双绕组三相变压器，下面做一个简单的介绍：

双绕组三相变压器的两个绕组可以接成多种形式，如星形Y 、带中性线的星形Yn 、星形接地Yg 、三角形D 11（超前星形30°）它们可以通过该功能模块。

双绕组三相变压器需要设置的主要参数有：变压器的额定功率，频率，绕组电压、两个绕组的漏抗和电阻，以及激磁电感和激磁电阻。在该功能模块的属性参数对话框中，还有是否考虑铁芯饱和情况的选项，由“Saturable core”选项完成。

当选定了“Saturable core”选项时，该属性参数对话框中便会自动增加一栏饱和特性参数设置栏（saturation charateristic ）, 用于设置该变压器模块的饱和特性。同时还会出现两个复选框“Simulate hysteresis”和“Specify initial fluxes”, 前者用于决定是否进行磁滞饱和仿真，后者则用于设置初始磁通。参数如下图5所示：

图5 三相变压器参数设置对话框

五、设计结果及分析

建立好如图16(见附录) 所示的Simulink 仿真模型后，将仿真参数设置好便可以执行仿真，本文重点对三相故障进行了仿真分析。图６、图７分别为机端三相电压故障波形、机端三相电流波形图。图８、图９分别为故障点电压、电流波形图。

（一）三相故障时机端、故障点电压电流波形图

图6 机端三相电压波形图

图7 机端三相电流波形图

（1）发生三相短路时，机端点仿真结果分析:

从图6

、图７可以分析得出以下结论：在稳态时，故障相各相电流由于三相短路故障发生

此时电路发生三相短路，机端短路电流急剧增大；机端各相电压下降。在0.07s 时，三相短路故障发生器打开，相当于排除故障，此时故障点各相电流迅速下降。

图8 故障点电流波形图

图9 故障点电压波形图

（2）发生三相短路时，故障点仿真结果分析：

发生三相短路时，电力系统在故障点的仿真结果如图8、图9所示，包含机端三相电压、

电流波形，由图形可以得出以下结论：在稳态时，故障相各相电流由于三相短路故障发生器处

电路发生三相短路，机端短路电流急剧增大；机端各相电压下降为零。在0.07s 时，三相短路故障发生器打开，相当于排除故障，此时故障点各相电流迅速下降为0。

（3）发生三相短路时，机端点和故障点仿真结果比较：

电力系统在线路上发生三相短路故障时，由于短路故障发生器处于断开状态所以短路点电流是由零开始迅速增大，而机端电流由一个稳定值急速增大；短路点电压下降为零，而机端电压由于机端与短路点之间存在阻抗所以必定存在压降，所以机端电压不会下降至零。

此外，在实验中还仿真了单相接地短路机端和故障点波形图（图10-图13），两相短路不接地机端及故障点波形图（图14、图15），由于本文主要研究三相短路故障以及篇幅、时间的限制，这里只给出其他两种故障的波形图而不做具体分析，希望老师谅解。

（二）单相故障时机端、故障点电压电流波形图

图10 单相接地短路机端电压波形

图11 单相接地短路机端电流波形

图12 单相接地短路故障点电压波形

图13 单相接地短路故障点电流波形

（三）两相故障时机端、故障点电压电流波形图

图14 两相短路不接地机端电压

图15 两相短路不接地故障点电流

六、结束语

本文以三相短路为例，介绍了电力系统故障和Matlab/Simulink的基本特点，探索了电力系统故障中Matlab 应用的基本方法和步骤，在Matlab 软件中电力系统仿真如何应用

SimPowerSystems 模块库构建电力系统故障的仿真模型并对其仿真结果进行分析，得出以下结果：

应用Matlab/simulink进行仿真分析的结果和理论计算的结果相差不大，Matlab 仿真工具是一种很实用的工具，很精确。

随着计算机仿真技术已成为电力系统研究、规划、设计和运行等各个方面的重要方法和手段，由于Matlab 具有良好的开发性。高效的数据仿真分析，特别是信号处理和直观的图形显示功能，且Matlab/simulink环境下的SimPowerSystems 模型库及Simulink 强大的二次开发功能和丰富的工具箱，能快速而准确的对电路及更复杂的电力系统进行仿真、计算。因此，它已成为电力科研工作者和工程技术人员应用它来进行电力系统有关问题的仿真分析和辅助设计的理想工具。

通过这次专业设计论文的撰写，我对电力系统故障以及Matlab/simulink软件有了更深的认识。但由于在校期间学习不扎实，以及实践经验的缺乏，以及本人由于准备考研导致的时间严重不充分，本文肯定有许多多不足之处，恳切希望老师给予批评指正。希望在以后的时间里有更充足的时间得到这种仿真训练的锻炼。

参考文献

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[9] 韩祯祥，吴国炎等. 电力系统分析. （第二版）[M]. 北京：浙江大学出版社，1993.

附录（程序、电路图等）

图16 总电路连接图

总电路图如图16所示：左端为三相电源，用于产生三相电压；接着是一个三相测量仪，

用于测量机端电压电流；它们之间是三相负载。而两个示波器分别接在电压点和电流点上，然后是一个三相变压器（双绕组），用于变压；接着是一个输电线路，用于模拟100km 输电的距离；最后才是三相错误发生器，用于模拟产生多种短路故障。下面的万用表用于测量故障点的电压与电流，设置里面的测量位置即可随意测量任意点的电压电流。

致 谢

本设计在冉莉莉老师的精心指导下圆满完成，从开题报告到资料查询再到论文的撰写，冉老师都耐心地教导，并为我点出其中的错误。多次让我修改。老师在理论分析和工作经验方面给了我诸多指导性的建议，她虽然年轻，但是渊博的知识和对学科发展独到的见解，不但指引我设计我前进的道路，帮助我完成了复杂的专业方向设计，更使我今后的道路归入正途。在此我向冉老师表示我最诚挚的感谢！

其次，在大学的四年里，学校的各位老师在学习上和生活上对我的关心、支持和厚爱，都令我铭记于心，在此也表示我由衷的感谢！各位老师严谨的治学态度，踏踏实实做人的品质，和蔼可亲的作风以及无私奉献的精神给我留下了深刻的印象，使我终生受益。