1、 四川理工学院毕业设计（论文） 电力系统的研究 学 生：李俊 学 号： 15021040310 专 业：电气工程及其自动化 班 级：电气 20153 指导教师：李琦 四川理工学院自动化与电子信息学院 二 O 一五年六月 2 电力 系统的研究 摘要 随着电力工业的迅速发展，电力系统的规模日益庞大和复杂，出现的各种故障，会给发电厂以及用户和电厂内的多种动力设备的安全带来威胁，并有可能导致电力系统事故的扩大，从技术和安全上考虑直接进行电力试验可能性很小，迫切要求运用电力仿真来解决这些问题，依据电网用电供电系统电路模型要求，因此，论文利用 MATLAB的动态仿真软件 Simulink搭建了单机 无穷大
2、电力系统的仿真模型，能够满足电网可能遇到的多种故障方面运行的需要。 论文以 MATLAB R2009b电力系统工具箱为平台，通过 SimPowerSyetem 搭建了电力系统运行中常见的单机 无穷大系统模型，设计得到了在该系统发生各种短路接地故障并故障切除的仿真结果。 本文做的主要工作有： （ 1） Simulink下单机 无穷大仿真系统的搭建 （ 2） 系统故障仿真测试分析 通过实例说明，若将该方法应用到电力系统短路故障的诊断中，快速实现故障的自动诊断、检测，对于提高电力系统的稳定性具有十分重要的意义。 关键词 电力系统；暂态稳定； MATLAB；单机 无穷大 ； 3 The Electri
3、c ofDistributed System ABSTRACT With the rapid development of power industry, the scale of power system is increasingly large and complex, all kinds of fault, to power plants and power plants and users in a variety of power equipment safety threat, and is likely to lead to the expansion of power sys
4、tem accident, from the technical and safety considering direct electricity experiment was carried out on the possibility is very small, urge electric power simulation are used to solve these problems, according to the power supply system of power grid power circuit model, as a result, paper use MATL
5、AB dynamic simulation software Simulink has set up a simulation model for the single - infinite power system, can satisfy the needs of the running of a fault may encounter a variety of ways. Paper R2009b with MATLAB toolbox power system as a platform, through SimPowerSyetem set up power system in th
6、e operation of the common single - infinity system model, design the various kinds of short-circuit ground fault occurs in the system and simulation results of fault removed. The main work is : (1) Building this simulation system of single - infinite under Simulink (2) Fault simulation test analysis
7、 of system Through examples, if this method to the power system fault diagnosis, fast fault detection and diagnosis, automatic for improving the stability of power system has important significance. keywords： Single infinite； SimPowerSyetem； Short circuit faults；Wavelet transform4 目录 绪论 . 1 第一章 电力系统
8、稳定性概述 . 1 1.1 电力系统的静态稳定性 . 1 1.2 电力系统的暂态稳定性 . 1 第二章 基于 MATLAB的电力系统仿真 . 3 2.1 电力系统稳定运行的控制 . 3 2.2 MATLAB及 SimPowerSystem简介 . 3 2.3 配电网的故障现状及分析 . 4 2.4 暂态稳定仿真流程 . 5 第三章 单机 无穷大暂态稳定仿真分析 . 5 3.1 电力系统暂态稳定性分析 . 6 3.1.1 引起电力系统大扰动的原因 . 6 3.1.2 定性分析 . 6 3.1.3 提高电力系统稳定性的措施 . 8 3.2 单机 无穷大系统原理 . 9 第四章 Simulink下
9、SimPowerSystem模型应用 . 12 4.1 仿真模型的搭建 . 12 4.2 运 行效果仿真图 . 13 4.2 1 改变故障模块中的短路类型 . 13 4.2 2 改变系统中的元件参数 (改变线路的电阻 ). 17 4.3 加入电容补偿器后的的仿真图 . 18 4.4 小结 . 22 第五章 结论和展望 . 22 参考文献 . 24 致 谢 . 25四川理工学院毕业设计（论文） 5 绪论 随着电力系统规模不断扩大，系统发生故障的影响也越 来越大，尤其大区域联网背景下的电力系统故障将会给经济、社会造成重大经济损失，因此保证电力系统安全稳定运行是电力生产的首要任务。电力系统是一个复杂
10、的动态系统， 一方面，它必须时刻保证可靠的电能质量；另一方面，它又处于不断的扰动之中，扰动发生的时间、地点、类型、严重程度均具有较大的随机性。当扰动发生后，一旦发生稳定性问题，系统可能会在几秒内发生严重后果。对于系统某一特定的稳定运行状态，以及对于某一特定的扰动，如果在扰动后系统能达到一个可以接受的稳定运行状态，则系统运行处于暂态稳定。在电力系统规划、设计等工作中都要进行大量的暂态稳定分析。通过暂态稳定分析，可以看到各种稳定措施的效果以及稳定控制的性能。因此，通过时域仿真来验证电力系统在某一状态时是否稳定，具有重要的理论和实际意义。 第一章 电力系统稳定性概述 1.1 电力系统的静态稳定性 电
11、力系统的静态稳定性是指电力系统受到小干扰后，不发生自发震荡或非周期性失步，自动恢复到初始运行状态的能力。电力系统几乎时时刻刻都受到小的干扰。例如：系统中负荷的小变化；又如架空输电线路因摆动引起的线间距离（影响线路电抗）的微小变化等等。因此，电力系统的静态稳定问题实际就是确定系统的某个运行稳态能否保持的问题。 1.2 电力系统的暂态稳定性 电力系统暂态稳定性是指电力系统在某个运行情况下突然受到较大扰动后，能否经过暂态过程达到新的稳定状态或恢复到原来的状态。这里所谓的大干扰，一般是指短路故障、突然断开线路或减 小发电机出力等。如果受到大的干扰后仍能达到稳定运行，则电力系统在这种情况下是暂态稳定的。
12、反之，如果系统受到大的干扰后不能再建立稳态运行状态，而是各发电机组转子间一直有相对运动，相对角不断的变化，因而系统的功率、电流和电压都不断震荡，以致整个系统不再能继续运行下去，则称为系统在这种运行情况下不能保持暂态稳定。引起电力李俊：电力 系统的研究 6 系统大扰动的原因很多，归纳起来，主要有以下几种。 一、 引起电力系统大扰动的主要原因 （ 1）负荷的突然变化。如切除或投入大容量的用户引起较大的扰动。 （ 2）切除或投入系统的主要元件。如切除或投入较大容 量的发电机、变压器和较重要的线路引起的大的扰动。 （ 3）电力系统的短路故障。它对电力系统的扰动最为严重。在短路故障中，其中以三相短路最为
13、危险，引起电力系统的扰动最大，于是系统的暂态稳定性常常遭到破坏。但此种严重故障发生的次数最少，据统计，在高压电力系统中发生三相短路的次数一般占总短路次数的 6%7%左右。 两相接地短路和两相短路对于电力系统的扰动也较大，其中两相接地短路的危害程度仅次于三相短路。但在一般的高压系统中发生这两种短路的次为 23%24%左右，比三相短路发生的次数要多。 单相短路在高压系统中发生 的次数最多，一般可占 70%左右。但单相短路对系统的扰动在短路故障中是最小的，其中瞬时性雷击单相短路又占单相短路的70%左右，它对系统的影响就更小了。 二、 暂态过程按时间分为下面三个阶段 （ 1）起始阶段：指故障后约 1s
14、内的时间段。在这期间系统中的保护和自动装置有一系列的动作，例如切除故障线路和重合闸、切除发电机等。但是在这个时间段中发电机的调节系统还来不及起到明显的作用。 （ 2）中间阶段：在起始阶段后，大约持续 5s左右的时间段。在这期间发电机组的调节系统已发挥作用。 （ 3）后期阶段：中间阶段以后的时间。这时动力设备中的过程影响到电力系统的暂态过程。另外，系统中还将由于频率和电压的下降，发生自动装置切除部分负荷等操作。 四川理工学院毕业设计（论文） 7 三、 暂态稳定的分析方法 （ 1） 暂态稳定性与否和原来运行方式及干扰种类有关。 （ 2） 系统暂态稳定过程是一个电磁暂态过程和机电暂态过程汇合在一起的
15、复杂的运动过程，它们互相作用、互相影响。 第二章 基于 MATLAB的电力系统仿真 电力系统在运行中易受到多种因素的影响而发生故障，威胁系统的安全可靠性，因此迅速、准确地探测出电缆故障并对其进行分析，对提高供电可靠性、减少故障修复费用及停电损失具有重要理论意义和实用价值 1。目前，线路保护已经进入微机保护时代，电力系统继电保护中的信号处理仍以分析为主，同时考虑到电力运行实际情况，在 Matlab/Simulink 平台下更好的运用仿真手段更突出了现实意义。 2.1 电力系统稳定运行的控制 电力系统暂态功角稳定控制是电力系统稳定运行的第一道防线。暂态稳定性是指电力系统在受到大干扰 ( 如短路故
16、障 , 突然增加或减少发电机出力、大量负荷 , 突然断开线路等 ) 后 , 各同步发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力 , 通常指第一或第二振荡周期不失步。提高电力系统暂态稳定性的措施是多样的 , 本文以单机 无穷大系统为例 , 主要利用 matlb 软件对单机 无穷大系统进行仿真，对线路发生接地短路故障在一定时间内切除后，发电机的转速随时间的变化情况 ,发电机转速的变化又影响了电力系统中电压、电流和发电机电磁功率的变化。通过仿真参数来证明电力系统暂态稳定方面的理论。 2.2 MATLAB及 SimPowerSystem 简介 MATLAB 是 Matrix Labor
17、atory（矩阵实验室）的缩写，由 Mathworke 公司开发的一套功能强大的软件，最早它主要用于科学计算。后来随着 MATLAB 功能的不断增强和应用的普及，很多领域的专家为 MATLAB 写了专门的工具箱，用以拓展 MATLAB 的功能，这大大扩大了 MATLAB 的应用范围。所以现在的 MATLAB 已不仅仅局限与现代控制系统分析和综合应用，它已是一种包罗众多学科的功能强大的技术计算语言，是当今世界上最优秀的数值计算软件之一。它强大的科学运李俊：电力 系统的研究 8 算与可视 化功能，简单易用，开放式可扩展环境，特别是所附带的 30 多种面向不同领域的工具箱支持，使得它在许多科学领域中
18、成为计算机辅助设计和分析，算法研究和应用开发的基本工具和首选平台 2。 2.3 配电网的故障现状及分析 电力系统中压配电网一般采用不直接接地或经消弧线圈接地方式，因其发生接地故障时，流过接地点的电流小，所以称为小电流接地系统。此系统中接地故障最高，由于三个线电压仍然对称，不影响负荷连续供电，故不必立即跳闸，但接地后非故障相电压会升高，长时间带故障运行会影响系统安全，因此需要对故障时刻和故障线路进行 检测。另外故障初期接地点常常伴有很大的接地电阻，各次谐波电流分量很小这将影响故障检测的灵敏度。因此，需要具有很强的处理微弱信号能力的数字信号处理方法去分析非平稳信号。 对配电网接地短路故障的研究，主
19、要有利用短路后的稳态分量、谐波分量和暂态分量等几种方法。利用故障后的稳态分量进行故障检测，存在的问题是接地稳态分量太小常导致选线装置不能正确动作而且该方法要求有一个持续的稳态短路过程因此在发生间歇性电弧接地时便不再适用，因此利用能对突变的微弱的非平稳故障信号进行精确处理的小波分析理论 ,可以很好地分析电力系统电磁暂态过程并提取出故障特征。 电力系统暂态功角稳定控制是电力系统稳定运行的第一道防线。暂态稳定性是指电力系统在受到大干扰 (如短路故障，突然增加或减少发电机出力、大量负荷，突然断开线路等 )后，各同步发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力。通常指第一或第二振荡周期不
20、失步。提高电力系统暂态稳定性的措施是多样的。 利用 matlb 软件对单机 无穷大系统进行仿真，对线路发生接地短路故障在一定时间内切除后，发电机的转速随时间的变化情况 ,发电机转速的变化又影响了电力系统中电压、电流和发电机电磁功率的变化 。通过仿真参数来证明电力系统暂态稳定方面的理论。 2.4 暂态稳定仿真流程 四川理工学院毕业设计（论文） 9 由于电力系统的动态仿真研究将不能在实验室进行的电力系统运行模拟得以实现。因此在判定一个电力系统设计的可行性时，都可以首先在计算机上进行动态仿真研究，它的突出优点是可行、简便、经济。 Matlab 电力系统工具箱包含 的 模 块 有 ： Electric
21、al Sources( 电源库 ) 、 Elements( 元 件 库 ) 、PowerElectronics(电力电子元件库 )、 Machines(电机库 )、 Connectors(连接器库 )、 Measurements(测量仪器库 )、 Extra Library(附加元件库 )、 Demos(示例库 )、Powergui(图形用户界面 graphical user interface)等。 为了研究电力系统的特性，搭建的系统应最大限度的再现实际中的电力系统。利用模块库中封装好的模块搭建系统，对各环节元件作了一定的理想化。对各元件的参数也作了一定的取舍与简化，随着模块库的不断更新与完
22、善，利用已有模块搭建的系统基本能模拟实际电力系统的特性成为对电力系统进行分析、设计、仿真的一个有力工具。 第三章 单机 无穷大暂态稳定仿真分析 电力系统稳 定性问题是指电力系统运行中受到扰动后能否保持发电机间同步运行的问题，根据扰动大小所确定的稳态问题的性质，把它分为静态稳定和暂态稳定。所谓电力系统静态稳定性，一般是指电力系统在运行中受到微小扰动后，独立地恢复到它原来的运行状态的能力。电力系统的暂态稳定是指电力系统在某个运行情况下突然受到大的干扰后，能否经过暂态过程达到新的稳态运行状态或者恢复到原来的状态。这里所谓的大干扰，是相对于小干扰而言的。如果系统受到大的干扰后仍能达到稳定运行，则系统在
23、这种运行情况下是暂态稳定的。反之，如果系统受到大的干扰后不能建立稳态 运行状态，而是各发电机组转子间一直有相对运动，相对角不断变化，因而系统的功率电流和电压都不断振荡，以至整个系统不能再继续运行下去，则称为系统在这种运行情况下不能保持暂态稳定。 3.1 电力系统暂态稳定性分析 3.1.1 引起电力系统大扰动的原因 主要有以下几种： 李俊：电力 系统的研究 10 （ 1）负荷的突然变化，如投入或切除大容量的用户等； （ 2）切除或投入系统的主要原件，如发电机，变压器及线路等； （ 3）发生短路故障。 其中短路故障的扰动最为厉害，常以此作为检验系统是否具有暂态稳定的依据。而且短路 故障中，单相接地
24、短路故障最多。在发生短路的情况下，电力系统从一种状态激烈变化到另一种状态，产生复杂的暂态现象。在三相系统中，可能发生的短路有：三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路等。当动态电路从某一稳定状态转换到另一稳定状态时，一些物理量（如电容电压，电感电流等）并不会突变，而是需要一定时间。在这期间，电路将呈现出不同于稳态的特别现象，即电路的过渡过程或暂态现象。分析电路的暂态现象时，可建立电压电流的微分方程，并按初始来求解。 3.1.2 定性分析 在正常运行情况下，若原动机输入的机械功率为 Pm，发电机输出的电磁功率就与原动机输入的机械功率相平衡，发电机的工作点应由 P1 和Pm 线的交点确定，即为 a 点，与此对应的功率角为 0 3.2 中虚线所示为不计阻尼作用的曲线，实线所在正常运行情况下，若原动机输入的机械功率为 Pm，发电机输出的电磁功率就与原动机输入的机械功率相平衡，发电机的工作点应由 P1 和 Pm 线的交点确定，即为 a点，与此对应的功率角为 0 3.2 中虚线所示为不计阻尼作用的曲线，实线所示为计阻尼作用的曲线。 k
