1、本科毕业论文系列开题报告电气工程及其自动化基于 MATLAB 的电力系统短路计算分析一、课题研究意义及现状本课题主要研究如何应用MATLAB实现电力系统中短路电路的计算分析 。简单故障时指电力系统的某处发生一种故障的情况，简单不对称故障包括单相接地短路、两项短路、两项短路接地、单相断开和两相断开等。随着电力系统的不断发展，系统电压等级不断提高，规模也越来越大，对系统的安全稳定运行提出了更高的要求。电力系统发生短路故障会引起系统的大电流和低电压，如果不及时切除会对人身和设备造成极大的危害，严重时甚至会导致整个系统崩溃，因此对电力系统进行暂态分析是十分必要的。在分析电路过程中，如果电路比较复杂且方
2、程数量多，依靠手工求解相对复杂，费时而且容易出错。而 MATLAB 由于其明显的特点，有利于分析计算电路的各种问题，可以通过 MATLAB 的编程对电路支路上的电源、电流、频率等进行求解。当电路规模比较大，微分方程阶数多，编程困难是，可以运用 Simulink模块对电路进行仿真分析，快速简单而且容易理解。MATLAB做为当代科学研究者和工程技术人员最为青睐的数值计算平台，能够对电力系统进行故障仿真，并进行分析，就可以从技术上保证电网的安全运行，具有巨大的社会和经济效益。同时计算机语言技术也在不断发展和成熟，MATLAB作为一种新型的高性能语言，它和传统的程序设计语言相比具有强大的数学运算功能和
3、绘图功能。Matlab提供的电力系统工具箱可方便迅速地对所研究的电力系统对象进行各种暂态和稳态数字仿真，其方便的图形用户界面设计，模块化的仿真建模方法，避免了大量繁杂的编程，仿真分析结果逼近实际系统行为，是电力系统仿真分析的理想工具。二、课题研究的主要内容和预期目标本课题主要研究如何应用 MATLAB 实现三相短路电流的暂态过程，主要内容：1学习 MATLAB 语言中的仿真工具 Simulink,以及其中的 PowerSystem 工具箱。2研究三相电路中短路电流的计算分析和原理。3学习对不对称短路和故障的分析计算的仿真，在 MATLAB 环境下编写 M文件将短路电流分解为正、负、零序电流,并
4、对仿真结果进行分析。预期目标：1掌握 MATLAB 语言中的仿真工具 Simulink,以及其中的 PowerSystem 工具箱。2熟悉三相电路中短路电流的计算原理。3完成对不对称短路和故障的分析计算的仿真，在 MATLAB 环境下编写 M文件将短路电流分解为正、负、零序电流,并对仿真结果进行分析。完成一篇毕业论文。三、课题研究的方法及措施1、检索相关文献，了解相关技术背景、成果及方案，并学习电力系统的相关内容。2、在完成步骤 1 的基础上，学习 MATLAB 语言中的仿真工具 Simulink 以及其中的 PowerSystem 工具箱。3、在完成步骤 1、2 的基础上，学习三相电路中短路
5、电流的计算分析和原理。4、在完成步骤以上的基础上，给出对不对称短路和故障的分析计算的仿真的设计过程：故障数据的提取、分析、处理。5、用 MATLAB 软件编写 M 文件将短路电流分解为正、负、零序电流，完成仿真实验，并分析仿真结果。6、技术文档总结，完成毕业论文。四、课题研究进度计划2010.10.17-2010.12.3：分析任务，收集资料，完成开题报告、文献综述、外文翻译2010.12.3-2010.1.3 初步完成基于 Matlab 的电力系统短路分析相关理论研究2010.1.3-2011.1.26 完成仿真实验，验证实验结果，并完成论文初稿2011.2.21-2011.5.6 完成论文
6、、准备毕业论文答辩5、参考文献1李媛，吕京.基于 MATLAB 的电力系统短路故障仿真.科技博览,261-2622王枫，基于 MATLAB 工厂供电系统仿真J西安科技大学学报，2007，02：3043073李维波 MATLAB 在电气工程中的应用M北京：中国电力出版社，2007：384-3864薛定宇，陈阳泉基于 MATLABSimulink 的系统仿真技术与应用M北京：清华大学出版社，2002：281 2955 Hoang Le-Huy. Modeling and simulation of electrical drives using MATLAB/Simulinkand Power S
7、ystem BlocksetJ.IECON01.2001,3.6张宁，江红梅，张渭.基于 MATLAB 的电力系统潮流计算J.西北农业科技大学学报（自然科学版），2004,12.，32（12）:124-126.7邓立华，李稚鹏等.于Matlab的电力系统短路暂态分析J.现代电力出版，2003,10,20（5）:48-51.8朱霞清.基于Matlab/Simulink的电工学电路仿真J.黑龙江科技信息，2010,1:53-86.9王道军，段玉波，闫丽梅.基于MATLAB的电力输电线路短路分析J.自然科学版，2006,10,24（4）:492-494.10华梁，史志平.基于Matlab的电力系统暂
8、稳态性仿真J.硅谷书刊，2010，6，55-63.11温苑红，方富淇.电力系统故障分析的相网络计算法J.电力系统自动化，1998,2,22（2）：35-37.12刘平，刘鹏龙.基于Matlab的电力系统故障分析与仿真C.安徽合肥，2007,7:427-429.13 Silvano Casoria,Paterice Brunelle,Gilbert Sybille. Hysteresis Modeling in the Matlab-Power Systerm BlocksetEB/OL,2003-8-29.http:/www.dee.hcmut.edu.vn/vn/bomon/bmthietb
9、i/dongco_tutro/srm/27-1-2005/blockset.pdf.14M.Kezunovic,B.Kasztenny.NEW SIMULINK Libraries for Modeling Digital Protective Relays and Evaluating Their Performance Under Fault TransientsD. Budapest-Hungary,International Conference on Power systems Transients,June20-24,1999:191-196.15彭疆南.MATLAB 及其在电力系
10、统仿真研究中的应用J.沈阳电力高等专科学校学报，2000,1,2（1）:28-32.毕业论文文献综述电气工程及自动化MATLAB 在电力系统中的应用研究摘要：随着电力系统的不断发展，系统电压等级不断提高，规模也越来越大，对系统的安全稳定运行提出了更高的要求。本文主要介绍 MATLAB 在电力系统仿真和设计方面的应用、包括电力系统建模、暂态稳态性的分析、电力系统故障分析方面等等，以及介绍了 MATLAB中电力系统的元件库，及相关的函数。最后对 MATLAB 在电力系统中的应用进行了展望。关键词：电力系统；MATLAB;短路；暂态稳定性；1 引言电力系统发生短路故障会引起系统的大电流和低电压，如果
11、不及时切除会对人身和设备造成极大的危害，严重时甚至会导致整个系统崩溃，因此对电力系统进行暂态分析是十分必要的。MATLAB 能够对电力系统进行故障仿真，并进行分析，就可以从技术上保证电网的安全运行，具有巨大的社会和经济效益 1，2 ，同时具有编程效率高、计算功能强、使用简便、绘图功能强大的特点，而且它还可以与 FORTRAN、C 混合编程，以前大量优秀的子程序仍然可以使用 3。因此，MATLAB 成为当代科学研究者和工程技术人员最为青睐的数值计算平台 1。2 MATLAB 简介Matlab 是 Matrix Laboratory 的缩写，其核心是一个基于矩形运算的快速解释程序，它以交互式接受用
12、户输入的各项指令，输出计算结果，它提供了一个开放式的集成环境，用户可以运行系统提供的大量的命令，包括数值计算和图形绘制 4,此外，它还有其他语言难以比拟的功能，它和其他语言的接口能够保证它可以和各种各样的强大计算机软件结合，发挥更大的作用 5。Matlab 提供很多工具箱 6，以 Matlab6.5 为例，在电工学 CAI 中，分析和计算所要用到的 Simulink 工具库模块库集主要有：（1）Simulink 库集；（2）PowerSystems 库集（PSB）;(3)Extra Simulink 库集。3 电力系统中的常见应用3.1 电力系统建模电力系统中输送和分配电能的部分称为电力网，它
13、包括升降变压器和各种电压等级的输电线路。动力系统、电力系统和电力网简单示意如图 17。图 1 动力系统、电力系统和电力网示意图应用MATLAB/ SIMULINK 中的SimPowerSystems (电力系统元件库) 对电力系统输电线路进行仿真分析. 输电线路的参数有四个:反映线路通过电流时产生有功功率损失效应的电阻;反映载流导线产生磁场效应的电感;反映线路带电时绝缘介质中产生泄漏电流及导线附近空气游离而产生有功功率损失的电导;反映带电导线周围电场效应的电。在电力系统分析中，短路计算是用对称分量法进行的。首先假定网络是线性的（系统各个元件参数恒定），应用叠加定理，将三相网络分解为正、负、零序
14、三个网路。同时假设在正常情况下网路是对称的（三个序网各自独立）。然后再用叠加原理，将各序网的电压、电流分解为正常分量和故障分量。最后依据故障点类型的边界条件，将三个序网连成一个完整的网路，应用线性交流电路理论，计算出三个序网电压、电流的故障分量，再与正常分量相加，得到三序电压和电流的实际值。3.2 暂态稳态性的分析当电力系统发生短路故障时，如果不及时切除会对人身和设备造成极大的危害，严重时甚至会导致整个系统崩溃，因此对电力系统进行暂态分析是十分必要的 8。电力系统短路后的暂态分析有两种方法。数值法是通过电压方程式建立起系统的状态方程，然后用龙格库塔法求解微分方程组，从而计算出故障电流和转矩。解
15、析法是通过求初瞬值和稳态值确定各分量衰减，再把各个分量进行叠加获得故障电流和转矩。电力系统暂态稳定分析的主要目的是检查系统在大扰动下(如故障、切机、切负荷、重合闸操作等情况)，各发电机组间能否保持同步运行，如果能保持同步运行，并具有可以接受的电压和频率水平，则称此电力系统在这一大扰动下是暂态稳定的。当电力系统受到大扰动时，发电机的输入机械功率和输出电磁功率失去平衡，引起转子的速度以及角度的变化，各机组间发生相对摇摆，如果这种摇摆最后平息下来，系统中各发电机仍能保持同步运行，过渡到一个新的运行状态，则认为系统在此扰动下是暂态稳定的。3.3 电力系统故障分析过去, 用于电力系统故障分析的传统的序网
16、络法以对称分量法为基础, 根据不同故障类型在故障处各序量之间的关系, 将各序网在故障处联接起来形成复合序网, 通过对复合序网的计算求得所需结果。当故障发生在不同名相时, 还需要先作出通用的复合序网, 计算更为复杂 9。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。电力系统仿真主要有两种，电力系统离线仿真和电力系统实时仿真。电力系统离线仿真是在数字计算机上为电力系统的物理过程建立数学模型，用数学方法求解，以进行仿真研究的过程；电力系统实时仿真可分为数字仿真、物理仿真以及数模混合式仿真，其仿真速度与实际系统动态过程完全相同。而在 Matlab 环境下使用 GUI、S
17、imlink、in 语言等创建一电力系统故障分析与仿真系统，该系统可以进行电力系统的多种故障仿真分析，包括正常运行、单相接地故障、相间短路故障、相间短路地故障、三相短路故障及三相短路接地故障、三相断线、两相断线等10。4 MATLAB 中电力系统的元件库及相关的函数电力系统模块（Power System Blockset Library（PSB） 11,简称 Powerlib）是在Simulink 环境下使用，利用该模块提供的工具箱，我们能够迅速建模、仿真。Powerlib 提供了系统仿真分析专业的各种线性与非线性元件和模块，包括以下几类：Electrical sources(电源库)、Ele
18、ments(元件库)、Power Elictronics(电力电子元件库)、Machines(电机库)、Connects(连接器库)、Measurements(电路测量仪器库)、Extras(附加库)、Demos(演示教程)、Powergui(图形用户界面)和电力系统元件模块库 12-13。用户通过鼠标操作将构成系统所需要的各种元件从相应的模块库中拖动到新建 Model文件中，再将它们联系起来实现物理系统的拓扑结构，并根据需要在适当的测量和显示模块。例如：双击 Machines（电机库），选择 Synchrnous Machine pu Standard(标幺值单位制同步发电机模块)，将其拖到
19、 sys1 中，并改其名称。可对其进行参数设置，它的典型参数有功率、电压、频率、转子类型。5 总结Matlab提供的电力系统工具箱可方便迅速地对所研究的电力系统对象进行各种暂态和稳态数字仿真，其方便的图形用户界面设计，模块化的仿真建模方法，避免了大量繁杂的编程，仿真分析结果逼近实际系统行为，是电力系统仿真分析的理想工具。虽然Matlab仿真速度较慢，仿真时间较长，但随着版本的升级，模块结构的优化以及计算机技术的发展，相信Matlab的性能会越来越卓越。参考文献1李媛，吕京.基于Matlab的电力系统短路故障仿真M.中国科技博览，2009,261-262.2张宁，江红梅，张渭.基于MATLAB的
20、电力系统潮流计算J.西北农业科技大学学报（自然科学版），2004,12.，32（12）:124-126.3邓立华，李稚鹏等.于Matlab的电力系统短路暂态分析J.现代电力出版，2003,10,20（5）:48-51.4朱霞清.基于Matlab/Simulink的电工学电路仿真J.黑龙江科技信息，2010,1:53-86.5薛定宇，陈阳泉.基于Matlab/Simulink的系统仿真技术与应用M.北京：清华大学出版社，2002:281-295.6 王枫.基于MATLAB工厂供电系统仿真J西安科技大学学报，2007，02：3043077王道军，段玉波，闫丽梅.基于MATLAB的电力输电线路短路分
21、析J.自然科学版，2006,10,24（4）:492-494.8华梁，史志平.基于Matlab的电力系统暂稳态性仿真J.硅谷书刊，2010，6，55-63.9温苑红，方富淇.电力系统故障分析的相网络计算法J.电力系统自动化，1998,2,22（2）：35-37.10刘平，刘鹏龙.基于Matlab的电力系统故障分析与仿真C.安徽合肥，2007,7：427-429.11 Silvano Casoria,Paterice Brunelle,Gilbert Sybille. Hysteresis Modeling in the Matlab-Power Systerm BlocksetEB/OL,20
22、03-8-29.http:/www.dee.hcmut.edu.vn/vn/bomon/bmthietbi/dongco_tutro/srm/27-1-2005/blockset.pdf.12M.Kezunovic,B.Kasztenny.NEW SIMULINK Libraries for Modeling Digital Protective Relays and Evaluating Their Performance Under Fault TransientsD. Budapest-Hungary,International Conference on Power systems Transients,June20-24,1999:191-196.13彭疆南.MATLAB及其在电力系统仿真研究中的应用J.沈阳电力高等专科学校学报，2000,1,2（1）:28-32.毕业设计（20_ _届）基于 MATLAB 的电力系统短路计算分析
