1、.装订线.毕 业 论 文基于 MATLAB/SIMULINK 短路故障仿真及分析院 部 机械与电子工程学院 专业班级 电气工程及其自动化 3 班 届 次 2015 届 学生姓名 学 号 指导教师 i目 录摘要 .IIAbstract .II1 引言 .11.1 MATLAB/Simulink 概述 .11.1.1 MATLAB 简介及特点 .11.1.2 SIMULINK 简介及特点 .31.2 电力系统仿真概述 .41.3 基于 MATLAB/Simulink 电力系统仿真的发展趋势 .72 三相短路故障仿真分析 .92.1 电力系统故障简述 .92.2 仿真实例 .112.2.1 实例仿真
2、摘要 .112.2.2 仿真模型建立 .122.2.3 三相短路故障仿真及结论分析 .213 同步发电机机端短路故障仿真分析 .273.1 暂态过程仿真及分析 .273.2 其它故障仿真分析 .294 结束语 .30参考文献 .31致谢 .32iiContentsSummary .IIAbstract .II1 Introduction .11.1 MATLAB/ Simulink Outline.11.1.1 MATLAB Introduction and Features .11.1.2 Simulink Introduction and Features .31.2 Overview o
3、f Power System Simulation.41.3 Based on the development trend of MATLAB / Simulink Power System Simulation .72 Simulation and Analysis.92.1 Power System Fault Description .92.2 Simulation examples.112.2.1 The simulation summary .112.2.2 Simulation Model .122.2.3 Phase short circuit fault simulation
4、analysis and conclusions .213 Synchronous Generator short-circuit fault simulation.273.1 Transient Simulation and Analysis.273.2 Other fault simulation analysis .294 Conclusion .30References .31Acknowledgements .32I基于 MATLAB/SIMULINK 短路故障仿真及分析摘要:随着电力系统的规模不断增大，很多大型电力科研试验很难以进行。采用传统的方法进行仿真计算工作量大也不直观。MA
5、TLAB 具有强大的数值计算功能和开放灵活的可视化应用界面，在科学技术和工程的各个领域应用都非常的广泛。因此 MATLAB 的出现给电力系统仿真带来了新的方法和手段。电力系统仿真是将电力系统中的各环节组成部分等进行数字化建模，以达到模拟实际电力系统运行状况的目的。本文对实例进行仿真，对结果进行分析，以期能够说明 MATLAB 在电力系统仿真中的应用。关键词:电力系统 仿真 MATLAB 分析 应用IIBased on MATLAB / SIMULINK Power System Simulation and Application OverviewAbstract With the incre
6、asing scale power systems, many large power is difficult to carry out scientific research and experiments. Using the traditional method simulation workload is not intuitive. MATLAB has powerful numerical computing and visualization applications open and flexible interface, application in various fie
7、lds of science, technology and engineering are very broad. Therefore, the emergence of MATLAB power system simulation brings new methods and means. Power system simulation is the purpose of the various aspects of the power system and other components of digital modeling to achieve simulate the actua
8、l operating conditions of the power system. In this paper, examples of simulation results were analyzed, in order to be able to explain MATLAB Applications in Power System Simulation.Keywords: Power systems; Simulation; MATLAB; Analysis; Application11 引言MATLAB 是当前国际认可的优秀科技应用软件之一，它以矩阵运算为基础，把计算可视化程序设计
9、融合到交互的工作环境中，可实现工程计算，算法研究，建模和仿真，数据分析及可视化，科学和工程绘图，应用程序开发等功能。Simulink 是 MATLAB 所提供的一个集成环境，它是用来对动态系统进行建模，仿真和分析的。它是一种结合了框图界面和交互仿真功能的，具有非线性动态系统仿真功能的出色工具 1。为支撑社会经济的不断发展，电力工业的发展也非常迅速，重要表现之一就是电力系统的规模不断扩大，这就大大增加了许多大型电力科研试验的进行。一方面是很容易受系统的规模和复杂性的限制；二是一般从系统的安全性角度来讲是不允许进行这些实验的 2。综合上述两种情况，科研人员寻求一种最接近电力系统实际运行状况的高精确
10、度的数字化仿真工具是非常必要也非常重要的，目前比较常用的电力系统仿真工具有邦纳维尔电力局开发的 BPA 程序和 EMPT 程序，曼尼拖巴高压直流研究中心开发的PSCAD/EMTDC 程序以及中国电力科学研究院开发的电力系统分析综合程序 PSASP 等。1998 年，Mathworks 公司推出电力系统模块集（Power System Block）后，这样的功能逐渐被电力系统研究人员所接受并使用，使得 MATLAB/SIMULINK 在电力系统领域的应用日趋完善。1.1 MATLAB/Simulink概述1.1.1 MATLAB简介及特点MATLAB 是由英文单词 Matri 和 Laborat
11、ory 的前 3 个字母组成。是 1984 年由Mathworks 软件公司开发，并将 MATLAB 正式推向市场。在之后二十多年的发展和竞争中，MATLAB 不断升级出新的版本，现在最常用的版本是 7.0 版，运行环境也从早期的DOS 环境下运行到如今可以在包括 Windows,UNIX 及 Mac OSX 等多个操作平台上运行，目前，MALAB 已经成为国际上最流行的科学计算与工程计算的软件工具，也正因为此很多人称它为“ 第四代” 计算机语言，在国内外高校和研究部门正扮演着异常重要的角色。在大学里，它是用于初等和高等数学，自然科学和工程学的标准数学工具；在工业界，它是非常高效的研究，开发和
12、分析的工具。随着科技的发展，许多工程师对 MATLAB 进行了不间断的完善，使其从一个简单的矩阵分析软件逐渐发展成为一个具有极高通用性，并且带有众多实用工具的运算操作平台 3。MATLAB 为一个交互式系统，基本数据单元是数组，但是这个数组不要求固定的大小，因此可以让用户解决许多技术上的计算问题，特别是实际运行过程当中那些包含矩阵和矢量运算的较为复杂的问题。MATLAB 的指令表达使用较为方便，其与数学，工程中常用的习惯形式是十分相似的，而与 C，Fortran 等高级语言相比，MATLAB 的语法规则使用起来就显得更简练，在表达上也与工程习惯更为贴切。正因为如此，人们感觉用MATLAB 语言
13、编写程序的过程就犹如在便签上书写公式和求解的过程，因此， MATLAB有被称为“便笺式 ”的科学工程计算语言的美誉 4。2除了这些之外，其开放性也是 MATLAB 最重要和最受人欢迎的特点之一。并且除了内部函数以外，所有的 MATLAB 主要文件以及各工具箱文件全部都是可以读写可以更改的源文件，这是因为工具箱实际上是由一组复杂的 MATLAB 函数（M 文件）组成，它扩展了 MATLAB 的功能，因此用户在用来解决特定的问题时仅可以通过对源文件的修改和加入自己编写的文件来构建新的专用工具箱就可以了。MATLAB 的整个系统主要由五大部分组成 5：（1）MATLAB 开发环境开发环境实际上是一组
14、实用工具，用户通过利用这些工具可以使用 MATLAB 函数和文件，而在这其中的大多数工具都是图形用户的接口(它包括 MATLAB 桌面和命令窗口，命令的历史记录以及用来查看帮助的浏览器，工作间，文件和搜索路径)。（2）MATLAB 数学函数库包括许多基本函数和复杂函数。（3）MATLAB 语言这是一个高级的矩阵数组编程语言，带有流程控制语句，以及函数，数据结构，输入输出和面向对象编程的众多特点。（4）图像处理系统（5）MATLAB 应用程序接口（API）自从 MathWorks 公司推出 MATLAB 后，MATLAB 优秀的数值计算能力和卓越的数据可视化能力使得其快速的在众多数学软件中脱颖而
15、出。而且随着版本的不断持续升级，它在数值计算和符号计算功能上不断得到了一步一步的完善。MATLAB 的特点可以大致概括为以下七点：（1）提供了非常便利的开发环境。MATLAB 为用户提供了一组可供用户操作函数和文件的具有图形用户界面的工具，这其中包括有 MATLAB 主界面，命令窗口，历史命令，编辑和调试，在线浏览帮助，工作空间，搜索路径设置等可视化工具窗口。（2）提供了非常强大的数学应用功能。MATLAB 可以进行包括基本函数，复杂算法，更高级的矩阵运算等非常丰富的数学应用功能，特别适合应用于矩阵代数领域。除此之外它还具有众多高性能数值计算的高级算法，库函数也极其丰富，使用更加方便灵活。（3
16、）编程语言非常简易高效。MATLAB 为用户提供了和 C 语言几乎一样多的运算符，如果用户能够灵活使用 MATLAB 中的运算符，这将使程序变得极为简洁明了。 MATLAB不但具有结构化的控制语句（如 for 循环，while 循环， break 语句和 if 语句）而且具有面向对象编程的特性。MATLAB 程序书写形式也比较自由，而且可以利用丰富的库函数，以避开复杂的子程序编程任务，这就压缩了所有不必要的编程工作。还有是程序限制也不严格，程序设计的时候给用户留有的自由度非常大，并且也有很强的用户自定义函数的能力。（4）图形功能非常强大。如果用户想要可视化数据会变得非常简单这得力于 MATLA
17、B为用户提供了非常丰富的绘图函数命令。并且如果用户需要在可视化环境下进行比较个3性化的图形编辑和设置 MATLAB 还提供了比较强的编辑图形界面的能力。（5）提供了功能非常强大的工具箱。MATLAB 主要包含核心部分和各种可供选择的工具箱两个重要的部分。其中在核心部分中含有几百个重要的核心内部函数。工具箱又分为功能性工具箱和学科性工具箱两大类。功能性工具箱主要是可以用于多种学科，其主要功能是用来扩充其符号运算功能，图示建模仿真功能，文字处理功能以及与硬件实时交互的功能。但是学科性工具箱专业型就比较强。由于这些工具箱都是由相关领域内的资深专家编而成，因此用户在使用时没有必要编写自己学科范围内的基
18、础程序，而直接进行高精尖的研究即可。（6）应用程序接口功能非常强大。用户可以通过使用 C 或 FORTRAN 等编程语言进而实现与 MATLAB 程序的混合编程调用，这是因为 MATLAB 提供了方便的应用程序接口。MATLAB 也具有缺点:在实际应用中和其他高级程序相比来说 MATLAB 程序的执行速度会比较缓慢。这其中的主要原因是由于 MATLAB 的程序不用编译等预处理，也不会生成可执行文件，程序为解释执行。用户如果实际使用过 MATLAB，会感觉到其最重要的特征是它拥有解决特定问题的程序组，也就是 TOOLBOX(工具箱)。1.1.2 SIMULINK简介及特点dSimulink 是
19、MATLAB 提供的实现动态系统建模和仿真的一个软件包,它是 MATLAB的重要组件之一，是基于框图的仿真平台，具有相对独立的功能和使用方法。Simulink 挂接在 MATLAB 运行环境上，以 MATLAB 的强大计算功能为基础，进而将利用直观的模块框图进行仿真和计算。Simulink 为用户提供了各种仿真工具，尤其是它一直在不断扩展的，内容丰富的模块库，为系统的仿真提供了极大的便利。Simulink 的操作非常简便只需用户在 Simulink 平台上拖拽和链接典型模块就可以绘制仿真对象的模型框图，并对模型进行激活仿真，基于这点使得其广受用户欢迎。而且在 Simulink 平台上，仿真模型
20、具有很强的可读性，这就有效避免了在 MATLAB 窗口使用 MATLAB 命令和函数进行仿真时，需要熟悉大量 M 函数的麻烦，对广大工程技术人员来说，这是一个非常令人高兴的消息。从它能让用户在图形方式下以付出最小的代价来模拟真实运行的动态系统的角度来讲，Simulink 是一种非常有效的仿真工具。 Simulink11具有如下许多特点：（1）可以建立动态系统的模型并进行仿真。SIMULINK 的仿真功能主要以图形化的形式来表现，主要是应用于对动态系统运行状况的建模以及对系统控制规律的研究定制。由于它可以支持线性连续离散多变量和混合式系统的结构，使得 SIMULINK 几乎可用于分析任何一种类型
21、的真实动态系统。（2）可以以直观的方式进行模型的建立。用户可利用 SIMULINK 建模方式是可视化的这一优点，以达到迅速的建立动态系统的框图模型的目的。这仅仅需要用户在 SIMULINK元件库中选出合适的目的模块，并将其拖放到 SIMULINK 建模窗口中，之后用鼠标分别4点击将其连接起来就可以完成目的了。（3）可以增添定制模块原件和用户代码。SIMULINK 模块库是可以根据用户需求而定制的，能够扩展以包容用户自定义的系统环节模块。当然更为自由的是用户也可以修改已经存在的模块的图标，或者是重新设定对话框，甚至是换用其它形式的弹出菜单和复选框。（4）可以快速准确的进行设计模拟。SIMULIN
22、K 中预置的非常出色的积分算法程序给非线性系统仿真带来了非常高的精确度。而且先进的常微分方程求解器既可以用于求解刚性的系统，也可以用于求解非刚性的系统，以及用于求解具有事件触发或不连续状态的系统和具有代数环的系统。SIMULINK 的求解器能确保连续系统或离散系统的仿真高速准确的进行。同时，更为用户着想的是，SIMULINK 还为用户准备了一个图形化的调试工具，以辅助用户进行系统开发。（5）可以分层次的表达复杂系统。由于 SIMULINK 的分级建模能力而使得体积庞大，结构复杂的模型构建也变得简单易行。这个过程就是根据需要，将各种模块可以组织成若干子系统。进而在此基础上，整个系统可以按照用户自
23、己的意愿采取自顶向下或自底向上的方式搭建。（6）可以进行交互式的仿真分析。在 SIMULINK 的示波器中用户可以选择用动画和图形显示仿真运行数据，并且在运行过程中用户也可以调整模型参数进行 What-if 分析，能够在仿真运算进行时监视仿真结果。利用这种交互式的特征可以帮助用户快速评估不同的算法，从而不断调整进行参数优化。由于 SIMULINK 完全挂接依赖于于 MATLAB 运行环境之中，并且在 SIMULINK 下仿真运行计算的结果可以快速完整的保存到 MATLAB 的工作空间（Workspace）中，因而就能使用 MATLAB 所具有的众多分析，可视化及工具箱工具操作编辑数据 6。1.
24、2 电力系统仿真概述SIMULINK 最初是为仿真控制系统而建立的工具箱，用户在使用过程中易编程，易扩展，并且可以成功解决用户在使用 MATLAB 过程中遇到的，非线性，变系数等其他软件难以解决的问题。Simulink 既能够进行连续系统和离散系统的仿真应用，也能够进行线性系统和非线性系统仿真应用。并且 SIMULIMK 可以支持多种采样频率系统的仿真应用，让不同的系统能以不同的采样频率组合，这样就可以方便用户仿真较大较复杂的系统。因此，不同的科学或工程研究领域根据自己所需要的仿真要求，将 MATLAB 运行环境作为基础，开发出大量的专业领域内应用性较强的专用仿真程序，并把这些程序以模块的形式
25、放入 SIMULINK 中，从而形成模块库，方便以后再次应用。这样可以容易看出SIMULINK 的模块库本质上就是用 MATLAB 基本语言编写的应用性较强的子程序集。现在 SIMULINK 模块库中有 3 级树状的子目录，在一级目录下包含有 SIMULINK 最早开发的数学计算工具箱，控制系统工具箱，以及之后开发的信号处理工具（DSP BLOCKS） ，通信系统工具箱（Comm）等也一并列入了一级子目录模块库中，如果有兴趣只要逐级打开模块库浏览器（SIMULINK LIBRARY BROWSER）的目录，就可以看到这些模块。5从 SIMULINK4.1 版开始包含电力系统模块库（POWER
26、SYSTEM BLOCKET） 。用户在 SIMULINK 环境下，用电力系统模块库的模块，可以轻松方便的进行 RLC 电路，电力电子电路，电力系统和电机控制系统等的仿真运行。电力系统模块库SIMPOWERSYSTEMS(即 POWER SYSTEM BLOCKET )是建立在 SIMULINK 标准模块和M 语言基础上的一个附加模型库，它可以为电力系统仿真分析提供专用的各种线性与非线性元件和模块，更为重要的是在使用它时完全不需要学习复杂的软件命令，或者编写软件代码，用户只需要专注于物理模型本身，通过拖动连接与实际电路图非常相似的符号，来表示复杂的电力系统即可。图 1-1 所示为电力系统模块库
27、（POWERLIB）在MATLAB 中与其他模块的关系。MATLAB 底层支持平台（M 语言，工作空间，图形系统，函数库，API）M 语言的集成开发环境DSPPowerlib附加模块库 StateflowSimulingk 仿真平台（内含基本模）块库）模糊逻辑控制系统神经网络工 具 箱图 1-1 电力系统模块与其他模块关系电力系统模块库包含以下几类 13:（1）电源库（electrical source）。（可控的）交/直流电压/电流源。（2）线路元件库(elements)。包括断路器，分布参数和二形线路，线性和饱和性变压器，互感器，并串联RLC支路和负荷，避雷器等。（3）电力电子元件库(power electrical)。包括二极管，GT。理想开关，MOSFET，晶闸管等。（4）机组模型(machines) 。包括异步电机，简化同步电机模型，详细同步电机模型，永磁同步电机，励磁系统，调速器等。（5）应用程序库。包含了三种应用程序。（6）测量元件(measurments) 。电流和电压测量表计和波形显示器。（7）其他原件(extras library)。如有效值仪表，功率计，六项整流桥，同步脉冲发生器等。（8）电力图形用户界面（powergui ）.通过它来设置系统的状态量及其初始值，并进行稳态潮流计算和分析。（9）演示系统。提供应用实例。
