1、i本科毕业论文（20 届）基于 MATLAB 的电力系统短路故障分析与仿真所在学院专业班级 电气工程及其自动化学生姓名指导教师完成日期ii目 录摘要 .IAbstract .II1 引言 .11.1 课题研究的背景 .11.2 课题研究的国内外现状 .12 短路故障分析 .12.1 近年来短路故障 .12.2 短路的定义及其分类 .22.3 短路故障产生的原因及危害 .42.4 预防措施 .42.5 短路故障的分析诊断方法 .53 仿真与建模 .63.1 仿真工具简介 .63.1.1 MATLAB 的特点 .63.1.2 Simulink 简介 .73.1.3 SPS(SimPowerSyst
2、ems) .83.1.4 GUI（图形用户界面） .83.2 模型的建立 .83.2.1 无限大电源系统短路故障仿真模型 .83.2.2 仿真参数的设置 .94 仿真结果分析 .164.1 三相短路分析 .164.2 单相短路分析（以 A 相短路为例） .184.3 两相短路（以 A、B 相短路为例） .224.4 两相接地短路（以 A、B 相短路为例） .255 结论 .286 前景与展望 .28参考文献 .29致 谢 .30iiContentsAbstract .II1 Introduction.11.1 Project background to the study.11.2 The r
3、esearch situation at home and abroad .12 Analysis of short-circuit fault .12.1 Short-circuit fault in recent years .12.2 Definition and classification of short-circuit fault .22.3 Causes and damage of short-circuit fault.42.4 Precautionary measures .42.5 Method to analysis and diagnosis of short-cir
4、cuit fault.53 Simulation and modeling .63.1 Introduction to simulation tools .63.1.1 Features of MATLAB.63.1.2 Introduction to simulink.73.1.3 SPS(SimPowerSystems) .83.1.4 GUI（Graphical User Interfaces） .83.2 Establishment of the model.83.2.1 Infinite power system short-circuit fault simulation mode
5、l.83.2.2 Simulation parameter settings.94 Simulation analysis .164.1 Analysis of three-phase short-circuit .164.2 Analysis of single-phase short circuit.184.3 Analysis of two-phase short circuit.224.4 Analysis of two-phase short circuit to ground .255 Conclusions.286 Outlook and prospect.28Reference
6、s .29Acknowledgement .30I基于 MATLAB 的电力系统短路故障分析与仿真摘要：短路是电力系统中最容易发生的故障，每年因短路而引发的电气事故不计其数。本文详细介绍了短路故障产生的原因以及危害等，并重点介绍了 Simulink 仿真工具在电力系统中的应用。利用电力系统工具箱 SPS 和 Simulink 模块可以对电力系统故障进行仿真。在仿真平台上，以无限大电源系统为建模对象，经过模块选择，连线，参数设置等步骤，对电力系统可能出现的三相短路、单相短路、两相短路以及两相接地短路几种故障进行仿真。仿真结果表明，波形与理论分析基本一致，由此说明MATLAB 在电力系统仿真研究中
7、具有重要的实用价值 1。关键词：短路 电力系统 MATLAB 故障 仿真IIAnalysis and Simulation of Short Circuit Fault in Power System Based on MATLABAbstract：Short circuit is most likely to occur in power system fault, there are countless electrical accidents each year due to short circuits . This paper expounds the causes of fault
8、s and hazards, and focuses on the application of Simulink simulation tools in power system. PSB and Simulink Toolbox modules can use electric power system simulation for power system failures. On the simulation platform, with infinite power source system for modeling objects through module selection
9、, connection, steps such as parameter settings, on possible three-phase short circuit, single-phase power system short circuit, two-phase short circuit fault simulation of two-phase short circuit to ground. Simulation results show that the waveform analysis are consistent with the theory that illust
10、rate the MATLAB in simulation of power system is of significant practical value.Keywords：short circuit; power system; MATLAB; fault; simulation11 引言1.1 课题研究的背景随着电力工业的迅猛发展，电力系统的规模越来越大，如今已成为世界上覆盖面最广、结构最复杂的人造系统之一。众所周知，电能的生产、输送、分配和使用四个环节是同时进行的，即电能不能够被储存。因此，如何生产安全、优质、经济的电能以保证电力系统的安全可靠运行成了当今值得关注的课题。正是由于电力
11、系统的特殊复杂性，许多电力系统故障也随之发生，其中以短路故障最为严重。最近几年，国内外发生了多次重大停电事故，由此造成了巨大的经济损失，同时也严重影响了人民的正常生产、生活秩序 2。因此，研究电力系统中的短路故障问题，尤其是短路电流问题一直受到电力科技工作者的高度重视 3。1.2 课题研究的国内外现状基于电力系统的复杂程度以及从安全性角度考虑，许多电力系统试验已无法在实验室中模拟进行。因此，国内外从上世纪 80 年代开始对电力系统故障分析做了大量的研究工作，并提出了许多故障诊断方法，但是实际上并没有得到有效的解决。考虑到电力系统的实际运行情况，从技术和安全角度来讲，已经无法进行科学的实验。所以
12、，开展电力系统故障仿真就显得颇具现实意义和实用价值。借助于计算机，一系列的仿真软件开始诞生。当前，我们应用的电力系统仿真软件主要有：（1）PSCAD/EMTDC 程序：其功能是研究当电力系统遭受扰动或者参数发生变化时，观察参数随时间的变化规律 4。（2）EMTP 程序：其功能是进行电力系统电磁暂态计算，电力系统暂态保护装置的综合选择以及电力系统暂态过电压分析等 5。（3）PSASP 程序：其功能是进行电力系统暂态分析、稳态分析以及故障分析等。 当然，除此之外还有 MathWorks 公司开发的 MATLAB 应用软件。由于 MATLAB 具有强大的计算功能、良好的动态仿真环境以及丰富的内置工具
13、箱，因此逐渐成为电路、电力电子以及电力系统等模块的重要仿真工具。2 短路故障分析2.1 近年来短路故障我们先来看几组数据：2000 年 12 月 25 日 21 时 35 分，河南省洛阳市老城区的东都商厦发生特大火灾，正在二、三楼施工的部分民工以及四楼歌舞厅内的 200 多人被大火围困。经有关部门确认，火灾已造成 309 人死亡，此次火灾是由于线路老化而造成短路引起的灾难 6。2005 年 11 月 27 日 21 时 22 分，黑龙江省龙煤矿业公司七台河分公司东风煤矿发生特大事故，造成 171 人死亡，48 人受伤，直接经济损失达 4292.1 万元。事故原因是采掘机电机短路引起火花，从而引
14、发瓦斯爆炸。22008 年 9 月 20 日 22 时 49 分，深圳龙岗区舞王俱乐部发生火灾，导致 44 人死亡，64 人受伤，直接经济损失达七千万。事故的直接原因是舞台照明线路和施放焰火同时起火引发的。2015 年 5 月 25 日 19 时 55 分，河南平顶山市鲁山县城西琴台办事处三里河村一老年康复中心发生火灾，经过抢险人员全力抢救，共救出 44 人，其中：38 人死亡、4 人轻伤、2 人重伤，事故原因为线路老化。以上报道，不是危言耸听，都是发生的真实案例。据统计，2012 年全国电气火灾数量占总火灾比重为 29.9%，但人员伤亡比重为 32.5%，经济损失比重为 41.4%。由此可见
15、，电气火灾事故往往会造成更高的人员伤亡和更大的经济损失。 2.2 短路的定义及其分类短路是指不同电位的导电部分包括导电部分对地之间的低阻性短接。根据短路发生的部位不同，短路故障可以分为 4 种类型：三相短路（K (3)）、单相接地短路（K (1)）、两相短路（K (2)）和两相接地短路（K (1,1)）。三相短路属于对称性短路，而其他形式为不对称短路。在电力系统中，发生单相短路的概率最大，大约能占到故障发生总数的 65%；而发生三相短路的概率最小，但是一般情况下，特别是远离电源（发电机）的工厂供电系统中，三相短路的短路电流最大，因此它造成的危害也最严重。三相短路是指三相供配电系统三相导体间的短
16、路，如图 2-1 所示。 两相短路是指三相供配电系统中任意两相导体间的短路，如图 2-2 所示。 ABC电源O 负荷Ik(3) K(3)图 2-1 三相短路ABC电源O 负荷Ik(2)K(2)图 2-2 两相短路3单相短路是指供配电系统中任一相经大地与中性点或与中线发生的短路，如图 2-3 所示。两相接地短路是指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，如图2-4 所示。OABC电源负荷Ik(1)K(1)图 2-3（a） 单相短路ABC电源O负荷NIk(1)K(1)图 2-3（b） 含中性线的单相短路ABC电源O 负荷K(1， 1)Ik(1， 1)图 2-4 两相接地短路42.3 短
17、路故障产生的原因及危害工厂供电系统要不间断地、正常地对用电负荷供电，从而保证工厂生产和生活的正常进行。但是，由于种种原因，也会难免出现故障，进而使得电力系统的稳定性运行遭到破坏。在实际生活中，造成短路故障的原因有很多，其中最主要的原因是电气设备载流部分的相间绝缘或者相地绝缘遭到破坏，例如：（1）设备被过电压（包括雷电过电压）击穿 7；（2）设备长期连续运行、绝缘自然老化；（3）设备质量低劣、绝缘强度不够；（4）设备发生闪络，被正常电压击穿；（5）设备受到外力的作用使绝缘受损而击穿；（6）老鼠等咬坏线路，或者跨越在线路之间；（7）工作人员误操作。总之，短路故障产生的原因既有客观因素，也有主观因素
18、，只要监管人员有较强的责任心，严格执行各种规章制度，以身作则，就可以把短路故障控制在一个最小的范围之内，从而得到最大效益。短路发生后，系统中出现的短路电流要比正常负荷电流大得多。在大电力系统中，短路电流可以达到几万甚至几十万安培。短路电流如此之大，所产生的危害也是巨大的：（1）短路电流通过导体时，产生的热效应会引起导体或其绝缘受损；（2）导体由于受到电动力的冲击而变形，甚至损坏；（3）短路会引起电网中电压降低，并且越靠近短路点，电压下降越多，结果可能是使部分用户的供电受到破坏。（4）不对称接地短路所引起的不平衡电流所产生的不平衡磁通，会在邻近的平行通信线路内感应出相当大的电动势，造成对通信系统
19、的干扰，甚至危及设备和人身的安全 8。（5）短路会破坏发电机的同步性，从而造成系统瓦解，严重时会引发大片地区停电。2.4 预防措施预防短路故障的主要措施是限制短路电流、缩短短路电流的持续时间、减少发生短路的机会。具体讲就是：（1）为了保证电气设备的额定电压与线路的额定电压相符，必须进行短路电流的计算，正确选择及校验电气设备。（2）为了确保发生短路时迅速将故障切除，减少短路所造成的危害，我们应该采用电流速断保护装置，并且要正确选择熔体的额定电流和继电保护的整定值。（3）为了减少雷击损害，必须在变压器附近安装避雷器，在线路和变电站上安装避雷针。5（4）为了限制短路电流，可以采用电抗器增加系统阻抗。
20、（5） 为了使非故障部分能继续运行，需要把故障线路或设备从电力系统中迅速除掉。（6）要经常对线路、设备进行巡视检查，及时发现缺陷，并迅速进行检修。线路施工完毕后应立即拆除接地线。保证架空线路施工质量，加强线路维护，始终保持线路弧垂一致并符合规定 9。（7）严格执行电力系统五防措施，即防止务分、务合断路器；防止带负荷分合隔离开关；防止带电挂接地线；防止带接地线合隔离开关；防止误入带电间隔。（8）为了防止粉尘进入电气设备，要及时清理；为了防止小动物进入变电站，要加强管理，严格把关。2.5 短路故障的分析诊断方法电力系统短路故障随时都有可能发生，因此我们要对设备进行实时监测，一旦发生故障，要迅速作出
21、诊断，确定发生故障的类型并及时排除。当然，分析短路故障问题，还有助于我们进行电气设备的选择及校验。目前，我们分析短路故障主要有以下几种方法。（1）基于专家系统的诊断方法专家系统（expert-system）是根据专家推理的方法，利用计算机模型来解决问题的一种故障诊断方法。按照所用推理策略和故障诊断知识的不同，专家系统可以分为两类。第一类是基于启发式规则推理的系统，即把继电保护、断路器的动作逻辑以及运行人员的诊断经验用一定的规则表示出来，以此来形成一个比较系统的专家知识库。当发生故障时，能够立即将故障与知识库中的类型进行匹配，这样就可以迅速判断故障并及时排除。这是目前最有效的一种诊断方法，因此它
22、的应用范围比较广泛。第二类是结合正、反推理的系统，即把正向推理与反向推理两种方法混合起来，首先根据正向推理建立一定的规则，然后通过反向推理进行验证，这样就可以大大减小故障发生的范围，从而可以根据实际值与理论值的对比来计算可信度 10。采用混合推理方法能够同时提高该系统的自学习能力与适应性。（2）基于人工神经网络的诊断方法基于人工神经网络（ANN-artificial-neural-network）的诊断方法是由美国 Pitts 等人率先提出的，它的发展经历了三个阶段，目前应用于电力系统故障诊断的 ANN 有：基于BP（ ackpropagation）算法的前向神经网络和基于径向基函数的神经网络等。该故障诊断的过程为：首先根据当前网络的内部表达，对输入样本进行前向计算；然后比较网络的输出与期望输出之间的误差，若误差满足条件，则训练结束；否则，将误差信号按原有的通路反向传播，逐层调整权值和阀值，如此反复，直至满足误差精度的要求。 （3）基于优化技术的诊断方法基于优化技术（optimization-methods ）的诊断方法是一种基于数学模型的诊断方法，它的基本思路是将把电力系统的故障诊断问题描述成为“0-1”整数规划的问题，并构造了
