基于MATLAB的输电线路故障仿真分析

论文总字数：17425字

目 录

1 绪论 - 1 -

1.1电力系统及故障 - 1 -

1.2论文主要工作 - 2 -

2仿真软件 - 2 -

2.1MATLAB简介 - 2 -

2.2Simulink简介 - 3 -

3电力系统故障计算的基本原理 - 4 -

3.1短路计算的基本原则和方法 - 4 -

3.2短路电流计算 - 5 -

3.2.1计算的基本步骤 - 5 -

3.2.2短路计算 - 5 -

4 电力系统故障分析计算 - 7 -

4.1算例 - 7 -

4.2三相短路系统仿真模型及各模块参数设置 - 8 -

4.2.1三相电压电流测量模块 - 9 -

4.2.2变压器模块 - 10 -

4.2.3线路模块 - 11 -

4.2.4三相电源模块 - 11 -

4.2.5三相线路故障模块 - 12 -

4.2.6并联RLC负荷模块 - 12 -

4.3仿真结果与分析 - 12 -

5 设计总结 - 16 -

参考文献 - 16 -

致谢 - 18 -

基于MATLAB的电力系统故障仿真研究

张宏亮

,China

Abstract:This paper introduces the basic operation of MATLAB and Simulink, and the power system fault analysis method. The main contents of the fault on the power system within the scope of the build system simulation model, and illustrates the power system fault problem, especially the various types of short circuit, which carried out the simulation and analysis of three-phase short circuit. In the case of running and referring to these simulation cases, the depth analysis of the simulation results is made. By comparing the simulation results with the results obtained by fault calculation, the conclusions are drawn. Through the simulation case verifies the simulation of power system based on MATLAB is able to run the analysis and design of all kinds of fault in the power system of the computer simulation technique based on MATLAB can be easily carried out, and there is a great prospect.

Key words:MATLAB;simulation study;fault;power system

1 绪论

1.1电力系统及故障

电力系统指的是电能生产、变换、传输、分配和使用的各种电气设备按照一定的技术要求有机的组合成的一个联合系统。一般将电能通过的设备称为一次设备，例如发电机、断路器、变压器、输电线路、电动机及其他电力设备等等^【1】。对一次设备进行监视、测量、保护和控制的设备，通常称作二次设备。由于一年内四季用电的负荷不同，一般冬季和夏季的用电量比春秋季大，一星期内工作日的负荷比周末的大，一天中也有高低之分，电力系统中的一些设备随时都可能会因为绝缘材料的老化、刮风下雨等的自然灾害及其他的原因出现故障而退出系统的运行^【2】。所以针对这些问题我们就要进行电力系统的故障分析，电力系统故障分析就是研究电力系统发生故障的原因、现象、后果及发生故障后所要采取的应对措施，从而将故障引起的损失降低到最小^【3】。为了能够获得性能高、质量好的电力系统产品，通常要完成电力系统模拟实验，以往的许多试验多应用实体的物理模型，试验流程繁琐、成本居高不下，效果也不甚理想，其变通性不佳。电力体系数字仿真是运用电脑软件模拟电力体系故障产生后电气量的波动特性，模拟继电保护设备的处置以及动作的流程，有着稳定性强、成本低、能够反复试验、脱离环境约束、研发时间短等优势。通过对各类相异的继电保护技术的仿真，并辅以软件的协助，可以快速排查出设施运转时的故障并第一时间处理^【4】。而MATLAB为核心的电力体系故障仿真是其中使用频率较高的技术。电力系统发生的故障有很多，一般是某一处发生短路或者断相，复杂的会是多个地方发生短路。通常短路是最危险的故障。

故障和不正常运行状态都有可能在电力系统中引发事故。事故是指电力系统的正常工作状态遭到破坏，并对用户少送电或送的电能质量未达标，更严重的是造成了人身伤亡和电气设备损坏的事件。事故的发生，使危害扩大^【5】。一般是因为自然灾害（如台风造成架空线路倒杆、遭受雷击等），也有可能是设备制造存在缺陷或运行维护不当而引起，还有可能由于故障切除缓慢或被错误的切除，导致故障发展成为事故，电力系统的所有一次设备在运行过程中通常会因为绝缘材料的老化、过电压、误操作、自然灾害、设计制造存在缺陷等原因会发生诸如短路、线路断裂等故障^【6】。现在公认短路是最危险的故障。常见的短路有三相短路（指三相导体间的短路）、两相接地短路（中性点不接地系统中，任意两相发生单相接地而产生的短路）、两相短路（三相供配电系统中任意两相导体间的短路）、单相短路（电力系统中任意一相发生短路）^【7】。三相短路在现实生活中造成的损失和危害是最大的。短路会给居民、工厂和社会造成极大地不便和损失，会产生如下后果：

（1）短路时会有很大的短路电流和电弧，短路电流会达到几万到几十万安培，当这种大电流通过电力设备时会导致其损坏或直接报废。

（2）对其他的没有发生故障的电力元器件造成损害，扩大了事故的影响范围，加大了损失严重程度。

（3）短路时电压会突然降低，而且是大面积的电压降低，这会影响大量的用户正常用电，破坏他们的日常生活或者工厂的产品变为废品，造成极大地损失。

（4）破坏了电力系统的平衡，各个地区的供电系统会因此而紊乱，影响系统的正常运行。

在电力系统中，故障发生的几率是非常小的，表明我们的电力系统还是很稳定的。除了一些特殊原因，大多数的短路都是由于外力造成的^【8】，这也导致短路的类型千差万别，发生的时间、地点、次数也是不尽相同。通过大量的现场数据表明，在高电压输电网中，单相接地短路发生的概率达到85%以上。2008年国家电网220kV电网共有输电线路6434条，线路总长度为193424Km，这些线路上发生的故障2407次，故障发生率为1.24次/(100Km*年)。表1给出了我国220kV电网输电线路上各种类型故障发生的次数及故障百分比。

表1 故障百分百

我们可以从上表 中的统计数据看出发生单相接地短路的次数和百分比都是最大的，三相短路发生故障的概率率是最低的。但是不能因为其发生的概率低我们就无视三相短路，在所有类型的短路中三相短路影响最大，带来的危害也是最为严重的。所以我们应该重视每种短路类型，尤其是三相短路，加大对它的研究。

1.2论文的主要工作

基于短路在电力系统中的危害，尤其是三相短路，所以本文主要对三相短路进行研究。利用MATLAB仿真的便利性对三相短路进行直观的研究分析，得出结论，从而为防患和解决三相短路问题提供有效的参考数据及研究方法。

2 仿真软件

2.1MATLAB简介

从上个世纪80年代开始，出现了科学计算语言，也被称作数学软件，其中较为流行的有MATLAB、Mathcad、Maple等等^【9】。他们的共同特点是效率高、功能多且强大、操作简单易学，所以在全世界的许多领域得到广泛的应用。经过几十年的发展及新版本的不断出现，MATLAB脱颖而出，成为现在影响最大、使用人数最多的软件。

MATLAB是英文MATrix LABoratory(矩阵实验室)的缩写。所以说矩阵是其最最基本的数据对象，MATLAB中的大部分运算或命令都是以矩阵运算为基础进行的，而且MATLAB的矩阵运算是定义在复数域上的，可以很方便的来分析电路问题^【10】。MATLAB是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单^【11】。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。除了矩阵运算、绘制函数/数据图像等常用功能外，MATLAB还可以用来创建用户界面及与调用其它语言（包括C，C 和FORTRAN）编写的程序^【12】。尽管MATLAB主要用于数值运算，但利用为数众多的附加工具箱（Toolbox）它也适合不同领域的应用，例如控制系统设计与分析、图像处理、信号处理与通讯、金融建模和分析等。另外还有一个配套软件包Simulink，提供了一个可视化开发环境，常用于系统模拟、动态/嵌入式系统开发等方面。MATLAB最早出现在美国，时间是1980年前后，当时美国有位很有学问的教授叫Cleve Moler，他在给学生讲线性代数课程时，发现用当时的高级语言编程很不方便，于是Cleve Moler教授就别写了方便学生使用的、简单易学的编程语言，并且命名为MATLAB，这边是MATLAB最早的雏形^【13】。以后MATLAB版本不断更新，功能也更加完善。到目前为止，MATLAB已经不在局限于当初的矩阵编程范畴了它已经被大家广泛应用于数学建模，绘图，仿真，计算等其他领域。现在我们可以看到在许多的大学课堂上，老师经常会把MATLAB当做一种高效的辅助教学工具，比如常见的数字信号处理、线性代数、动态仿真、图像处理等课程^【14】。MATLAB也成为现在大学生必不可少的一门技术。可见，MATLAB会在科学研究和工程应用中发挥越来越大的作用。

MATLAB的主要功能：

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：17425字

相关图片展示：