1、基于 Matlab 的电力系统故障分析与仿真指导教师： （三峡大学 电气信息学院）摘 要：本文介绍了 MATLAB 软件在电力系统中的应用，以及利用动态仿真工具Simulink 和电力系统工具箱 PSD 进行仿真的基本方法。在仿真平台上，以单机无穷大系统为建模对象，通过选择模块，参数设置，以及连线，对电力系统的多种故障进行仿真分析。同时，设计一个 GUI 图形界面，将仿真波形清晰地显示在界面上以便比较和分析。结果表明，仿真波形基本符合理论分析，说明了 MATLAB 是电力系统仿真研究的有力工具。关键词：电力系统；仿真；故障；MATLAB；GUIAbstract：This paper intro
2、duces the applications of MATLAB in power system analysis, and the basic simulation method of taking use of Simulink and PSD. On MATLAB simulation platform, take a single machine-infinite-bus system as modeling objects, by selecting the module, parameter settings, and connecting modules to simulate
3、and analyse various fault of power system. At the same time, in order to facilitate comparison and analysis simulation waveform, design a GUI for showing waveform clearly. The results show that the simulation waveform in line with theoretical analysis, indicates that MATLAB is a powerful tool for re
4、searching simulation of power system.Keywords：PowerSystem; Simulation; Fault; Matlab; GUI0 前言 1,2随着电力工业的发展，电力系统规划、运行和控制的复杂性亦日益增加，电力系统的生产和研究中仿真软件的应用也越来越广泛。现在，我们主要使用的电力系统仿真软件有：EMTP 程序，用于电力系统电磁暂态计算，电力系统暂态过电压分析，暂态保护装置的综合选择等。PSCAD EMTDC 程序，典型应用是计算电力系统遭受扰动或参数变化时，参数随时间变化的规律。PSASP，其功能主要有稳态分析、故障分析和机电暂态分析。 还有
5、 MathWorks 公司开发的 MATLAB 软件。在 MATLAB 中，电力系统模型可以在 Simulink 环境下直接搭建，也可以进行封装和自定义模块库，充分显现了其仿真平台的优越性。更重要的是，MATLAB 提供了丰富的工具箱资源，以及大量的实用模块，使我们可以更加深入地研究电力系统的行为特性。本篇论文将在熟练掌握 MATLAB 软件的基础上，对电力系统的故障进行建模、仿真、分析，并且设计一个 GUI 图形用户界面来反映故障波形。1 MATLAB 简介 3MATLAB 有强大的运算绘图能力，给用户提供了各种领域的工具箱，而且编程语法简单易学。下面简单介绍一下本次仿真建模中需要用到的工具
6、箱。1）Simulink 基本库，为用户提供了多种基本模块。它有两个显著功能，即仿真与连接，是实现动态系统建模、仿真的一个集成环境。2）PSB(PowerSystemBlock)电力系统模块库，涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统的仿真模型，为电力研究者带来了更大的便利。它由以下 8 个子模块库组成：电源模块库(Electrical Sources)；基本元件模块库(Elements)；电力电子模块库(Power Electronics)；电机模块库 (Machines)；连接模块库 (Connectors)；测量模块库(Measurements)；附加模块
7、 (Extra Library)；电力图形用户接口(Powergui) 。3）GUI（用户图形界面）是程序的图形化界面。组件、图象窗口以及回应是创建界面所必须的三个基本元素。它提供用户一个常见的界面，以及一些控件，例如，按钮，列表框，菜单等。通常，还可以通过编程来实现多种功能。2 电力系统故障分析 42.1 故障基础知识电力系统的故障一般分为简单故障和各种复杂故障。简单故障是指电力系统正常运行时某一处发生短路或断线故障的情况，其又可分为短路故障（横向故障）和断线故障（纵向故障） ，而复杂故障则是指两个或两个以上简单故障的组合。短路故障有 4 种类型：三相短路（ ） 、两相短路（ ） 、单相接地
8、短路（ ）和两相短路接地（ ） ；(3)K(2)K(1)K(1.)K断线故障分为一相断线和两相断线。其中发生单相接地短路故障的概率最高，占 65%。在本次设计中，对这六种故障都进行了建模仿真，由于单相接地短路故障发生的几率最高，因此本文将该故障作为典型例子来分析建模仿真过程。2.2 单相短路接地故障分析假设系统短路前空载，短路模拟图如图 1 所示。图 1 单相接地短路当系统中的 f 点发生单相（A 相）直接短路接地故障时，其短路点的边界条件为 A相在短路点 f 的对地电压为零，B 相和 C 相从短路点流出的电流为零，即：00fAfBfCUI将式子（1）转换成各个序分量之间的关系。对于 ，有如下
9、关系：fAU(1)(2)(0)fffAf根据 可以得出：0fBfCI 2(1)2(0) 1033fA fAfAf ff fI IaII I 于是，单相短路接地时，用序分量表示的边界条件为： (1)(2)(0)()20fAffAffffUUII由边界条件组成复合序网（复合序网是指在短路端口按照用序分量表示的边界条件，将正序、负序和零序三个序网相互连接而成的等值网络）从 A 相短路接地的序分量边界条件式（3）可见，它相当于三序序网的端头进行串联，如图 2 所示图 2 单相接地短路复合序网复合序网直观地表达了不对称短路故障的地点和类型，对复合序网进行分析计算，可以解出短路点处的各序电压，电流分量，如
10、下：（1）电流分量序电流分量为 ： 00(1)(2)(0)(1)(2)()fAfAfAffAUIIZZ三相电流为：(1)(2)(3)(4) 0fCIf(1)03/fAffAfBfCIUZ（2）电压分量序电压分量为： (1)(1) (2)(0)002(2)(0)(0) /fAfAf fAfffAfUIZUZ三相电压为：3 系统总体设计为了排除一些干扰，在仿真中得到理想的数据及波形，在本篇论文中，选择了最具有代表性的典型的电力系统单机无穷大系统。该系统认为功率无穷大，频率恒定，电压恒定，即对现实进行近似处理，以简化模型，更有利于得出结论，简化计算过程。如图 3 所示。图 3 单机无穷大系统上图中，
11、最左端是发电机组， 是机端电压， 是变压器的电抗， 和 是线tVTX1LX2路电抗， 是无穷大电源电压。假设额定容量 (VA)，额定电压 (KV), sV206nPE3.8tV额定频率 Hz, 变压器的变比 ，无穷大电源电压 (KV)。在接下50nf1.8/k 0s来的系统仿真模型中，以上图为基础，用 Simulink 以及 SimPowerSystems 中的模块来连接组成所需要的系统，再进行故障分析。(5) 0fCIf(6) 0fCIf(1)(2)(0)2 22()(2)(1)2(1)()(0)()()()fAffAffBfffA fAfCfAff fUUaaZaI (7) 0fCIf首先
12、根据图 3，分析知道需要组成系统的几个主要部分，分别是发电机组，三相变压器，输电线路，负载，故障元件，测量仪器以及标准电压源。在 Simulink 的扩展工具箱中找到 SimPowerSystems，或者直接在提示符下键入 powerlib 打开电力系统模块库，选择建模所需要的模块。使用同步发电机(Synchronous Machine pu Standard)，励磁系统(Excitation System)和水轮机调速器(Hydraulic Turbine and Governor)来组成发电机组。在进行发电机组的参数设置时， ， ， 按照上述的额定值进行设置，转子类型(Rotor nPVn
13、ftype)：凸极（Salien tPole）,其余相可用模块的默认值。三相变压器选择双绕组三相变压器(Three-Phase Transformer)，将变比设置为 13.8/230（高压侧额定电压为 220KV） ，低压绕组三角形接法，高压绕组星型接地。采用分布参数输电线路模型(Distributed Parameter Line)模拟 220(KM)的高压线。另外，将标准电压源的容量设置成 10E10 来模拟无穷大系统。首先用模块建立一个正常运行的电力系统，仿真后观察电压电流波形，待稳定后，再将故障元件加入其中，这样才能保证故障切除后系统最终能恢复到稳定状态。本文以单相接地短路故障为例，
14、仿真模型如图 4。图 4 单相接地短路图中，短路故障是用三相故障元件来模拟的，在该模块的参数设置中选择 A 项以及接地故障(Ground Fault)，并将故障电阻 和接地电阻 都设为 0.001（很小，但不能为onRg零） 。故障时间段可通过 Transition times 来安排故障起始时间和切除时间分别为 0.13 和0.25。其余模块的参数设置都要根据系统要求进行适当修改，在此不再作过多叙述。对上述模型进行仿真前，需要选择仿真步长的算法，由于电力系统是带发电机的刚性系统，因此算法 ode15s，ode23tb 适合采用，仿真停止时间设定为 0.4 秒。经过一系列选择，设置后，就可以对
15、系统开始仿真了。其余三种短路故障的模型与图 4 相同，唯一需要修改的地方则是三相故障元件的设置。当要对两相（假设 B、C 两相）短路故障进行仿真时，只需选择 B 相和 C 相，此时接地电阻默认值为 10E6 欧姆；两相短路接地故障需在两相短路故障设置的基础上多加一个接地选项，并将接地电阻设置为 0.001；三相短路故障的设置就是将 A、B 、C 三相全部选中。断线故障是用三相断路器来模拟的，断路器的初始状态设为闭合，某相发生断线故障时就选择改变与该相相连的断路器状态，使之打开。4 GUI 图形界面设计 5前面部分简单说明了仿真建模的过程，为了能把最后的仿真波形同时显示在一个界面中以便比较和分析
16、，设计一个图形界面，不仅能随意地选择故障类型进行仿真，让波形全部显示出来，而且还能单独查看各相的电压电流波形图。要实现这样的功能需要在界面对应 M 文件中编辑相应的函数，使界面和仿真模型联系起来。下面简单介绍 GUI图形界面的设计过程。在 MATLAB 提供的 GUIDE 环境下，将所需的组件拖入到空白界面，有坐标轴，按钮，静态文本框，列表框以及单选按钮，然后排列整齐。选中任意一个组件，双击，便可以在弹出的属性查看器窗口查看或者修改组件的属性，如，颜色，字体，名称等等。接下来打开系统自动生成的与当前界面相对应的 M 文件，开始在相应的组件回调函数名下编写程序，使组件在界面运行时通过程序响应一定
17、得功能。程序的编写是一个大工程，在这就不多说，介绍一些简单的绘图指令，如下：axes(handles.axes1); %指定要画图的坐标轴sim（ag）; %实现与模型 ag 相连的功能，并使模型开始仿真plot（tout，Ua ）; %实现画图功能，tout 是横轴的数据，Ua 是纵轴的数据xlabel(时间/ s) ; %给横轴加标签ylabel(电流/ A); %给纵轴加标签title(故障点 A 相电压); %给坐标轴加上标题grid on; %添加网格完成组件回调函数的编写就可以运行 M 文件了，若出现问题，回到 MATLAB 主窗口查看报错信息，进行修改。下图 5 显示的是在 GU
18、I 界面上的单相接地短路故障的仿真波形图。图 5 单相接地短路波形同样，其余故障的波形图都可以通过选择 listbox1 里的故障类型，点击开始仿真后与 MATLAB 里相应的的故障模型相连。仿真结束，波形显示在 GUI 界面上。需要单独查看波形时，选择 listbox2 中的查看选项，就会弹出一个大的 Figure 图表框显示波形，如图 6。图 6 单独查看故障点 A 相电压波形5 结果分析分析图 5 所示的波形，仿真开始时，系统处于正常运行状态，电压电流波形都按正弦波变化，当 A 相 0.13s 接地短路时，可以观察到 A 相对地电压剧降为零，B、C 两非故障相电压没有发生变化。再观察电流
19、，在故障发生前，A 、B 、C 三相的对地电流都为0， A 相接地短路以后，电流迅速增大，Ib 和 Ic 保持原样。再往后看，电压序分量和电流序分量都是输出的峰值，在系统正常运行时，电压只有正序分量，电流为零。当出现故障时，也就是在 0.13 到 0.25 秒，电压和电流出现现了负序和零序分量。经过第二章的理论分析，故障时正序、负序和零序电流是相等的，因此三条线在坐标轴上被覆盖了，只有最后一条零序分量的图线。理论上 A 相的电流值是等于 3 倍的序分量，由图可见，故障电流 Ia 峰值大约为 4500 安培，零序电流分量大约为 1500 安培，是 Ia 的三分之一，说明仿真波形图是正确的。故障切
20、除后，系统中仍然只有正序分量，从电压序分量可以看出。因此图 5 的波形是符合理论分析的。两相短路，两相短路接地，三相短路，一相断线和相断线的波形图经理论分析也均符合实际。6 结束语在本篇论文当中，以一个简单的单机无穷大系统为建模对象，在 MATLAB 中建立了电力系统的基本模型。整个建模的过程中，介绍了 MATLAB 在电力系统中的应用。在建模初期，会遇到一些参数设置上的困难，通过不断地调整初始参数最终完成仿真。为了能更好的显示系统波形，方便分析，设置了一个 GUI 图形用户界面，通过组件的设置，回调函数的编写以及最后的运行，把系统模型与图形界面联系起来，有利于故障类型的选择和波形的查看。在对
21、故障模型进行仿真的时候，可以体会到 MATLAB 强大的仿真能力，为电气工作者提供了简便、直观、有效地仿真仿真研究方法。参 考 文 献1彭建飞，任岷，王树锦. MATLAB 在电力系统仿真研究中的应用J. 计算机仿真，2005（6）：193-196.2李广凯，李庚银. 电力系统仿真软件综述J. 电气电子教学学报，2005（6）：61-65.3张少如，李志军，吴永俭等. MATLAB 与电力系统仿真J. 河北工业大学学报，2005（12）：5-9.4夏道止等. 电力系统分析M. 北京：中国电力出版社，2004. 216-268.5施晓红等. 精通 GUI 图形界面编程M. 北京：北京大学出版社，2003. 164-178.6樊艳芳，蔺红. MATLAB_SIMULINK 在电力系统仿真中的应用J. 新疆大学学报，2004（5）：205-207.
