1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 基于 MATLAB的电力系统短路计算分析 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 2 - 摘 要 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分析是十分必要的。 MATLAB 因其强大的功能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。 基于 MATLAB 语言，对电力系统短路电路做了一些分析和探讨。通过运用MATLAB 软件对某些常见的短路电路做了相应的分析和仿真，并作出了相关的特性曲线
2、。主要工作如下： 1. MATLAB 在简单的不对称三相电路中的运用。 2. MATLAB 在电力系统短路计算的分析中的运用。 结果表明， MATLAB能够对电力系统进行故障分析，并进行设计与仿真，高效简便的特点，避免了繁杂的数学计算编程，借助其绘图函 数可方便实现计算结果的可视化，若采用 MATALAB仿真工具 SIMULINK进行电路的调试、仿真、验证，省时省力的同时还可以节约大量的成本。将 MATLAB运用于工程数学、电力电子教学，分析研究电工电路的一些问题，具有非常的必要性和优越性。 关键词 ： MATLAB；短路电路；建模；编程；仿真- - 1 - - Abstract The sh
3、ort-circuited of power system fault will cause the large current and low voltage, if not removed in time, it would cause personal and equipment great harm, serious when even cause the whole system collapse, therefore, analysis of the power system is necessary. Because of its powerful features, MATLA
4、B is the most popular numerical computing platform for scientific researchers and engineers. Based on MATLAB language, this paper makes some analysis and research on power system short circuit. By using MATLAB software for some common circuit made the corresponding analysis and simulation, and made
5、relevant characteristics curve. The main work and research results obtained are as follows: 1. A simple asymmetric three-phase circuits and the use of MATLAB. 2. Power systems analysis and calculation of short circuit calculations and the use of MATLAB. The results prove that MATLAB can analysis ele
6、ctric power system and design and simulation, efficient simple characteristics. It avoids the multifarious mathematical calculation programming, with its mapping function can be easily achieve numerical results of visualization, if use MATALAB simulation tools for circuit SIMULINK debugging, simulat
7、ion and verification, it will save labour in the meantime also can save a lot of cost. MATLAB will be used in engineering mathematics, power electronics, electrical circuit analysis of some of the problems. Key words: MATLAB; Short circuit; stabling model; program; simulation - - 2 - - 目 录 1 引言 - 1
8、1.1 问题的提出 - 1 1.2 所作的工作 - 1 2 简单的不对称 短路分析 - 3 2.1 不对称三相电路的概念 - 3 2.2 不对称三相量的分解 - 3 2.3 简单不对称短路的分析和计算 - 5 2.3.1 单相（ a 相）接地短路 - 6 2.3.2 两相（ b、 c 相）短路 - 8 2.4.不对称短路计算的仿真 - 10 2.4.1 实验分析 - 11 2.4.2 结果分析 - 12 3 电力系统短路计算的分析和计算 - 13 3.1 电力系统短路的一般概念 - 13 3.2 短路计算的基本假设 - 13 3.3 三相短路计算的原理 - 14 3.3.1 叠加原理的应用 -
9、 14 2.3.2 电流分布系数 - 15 3.3.3 多支路星形网络化简 - 15 3.4 三相短路电流计算仿真 - 16 3.4.1 Simulink 模型的建立 - 16 3.4.2仿真结果分析 - 18 3.4.3 实验结论 - 20 4 结论 - 21 致谢 - 错误 !未定义书签。 参考文献 - 22 附录 1 - 24 - 1 - 1 引言 1.1 问题的提出 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， 适用于
10、工程应用和教学研究等领域的分析设计与复杂计算 . 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,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 ,是目前理论研究和工程应用中最受欢迎的计算软件。 在分析电路过程中，如果电路比较复杂且方程数量多，依靠手工求解相对复杂，费时而且容易出错。而 MATLAB 由
11、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 因其易用性、平台独立性、预定义函数、机制独立的画图等优点，在工程数学、电力系统等得到广泛的运用，越来越多的高校将其引入到教材中，体现了它的必要性。在以后的几年中，它必定发展为一种更加灵活的计算体系，用于解决各种重要的技术问题。 1.2 所作的工作 本文基于 MATLAB 工具对电力系统短路进行了分析和计算。在第二章介绍了简单的不对称短路，分析
12、了单相（ a）接地短路，两相（ a、 b）短路两种不 对称短路，并使用 MATLAB 进行了计算分析。在第三章中介绍了有关电力系统短路计 - 2 - 算的分析，其中包含了三相短路计算的原理，运用 MATALB（ SIMULINK）对发生短路故障的电路进行建模、仿真分析，极大的体现了 MATLAB 简便高效的特点，即节约了时间、方便了电路参数的调试，同时强大的图形功能有利于直观的分析和观察。- 3 - 2 简单的不对称短路分析 在简单故障分析中，为了使用对称分量表示的故障条件更为简单和有利于计算，往往取 a 相作为特殊相，即对于单相接地短路，认为在 a 相发生故障，对于两相短路和两相接地短路认为
13、发生在 a 、 b 相之间。 2.1 不对称三相电路的概念 在三相电路中，只要有一部分不对称就称为不对称三相电路，例如，对称三相电路的某一条端线断开，或某一相负载发生短路或开路，它就失去了对称性，成为不对称的三相电路。 2.2 不对称三相量的分解 人们在长期的实践中发现，在三相电路中，任意的一组不对称三相向量（电压或电流），可以分解为三组三相对称的向量分量，式（ 2-1）。在线性电路中，可以用叠加原理对这三相对称分量按照三相电路去解，然后将其结果叠加起来。就是对称三相电路的解答，这个方法就叫做对称分量法。 设 aG 、 bG 、 cG 为三相系统中任意一组不对称的三相量，可以分解为三组对称的三
14、序分量如下： )0()2()1(a aaa GGGG )0()2()1(b bbb GGGG （ 2-1） )0()2()1(c ccc GGGG 三相序分量如图（ 2-1）所示： - 4 - 正序分量 负序分量 零序分量 2-1 三序分量 正序分量： )1(aG 、 )1(bG 、 )1(cG 三相的正序分量大小相等，彼此相位相差 0120 ，与系统正常对称运行方式下的相序相同，达到最大值 a b c,在电机内部产生正转磁场，这就是正序分量。此正序分量为一平衡的三相系统，因此有： 0)1(c)1(b)1(a GGG 负序分量： )2(aG 、 )2(bG 、 )2(cG 三相的负序分量大小相
15、等，彼此间的相位差120，与系统正常运行方式下的相序相反，达到最大值 a b c，在电机内部产生反转磁场，这就是负序分量。此负序分量为一平衡的三相系统，因此有： 0)2(c)2(b)2(a GGG 零序分量： )0(aG 、 )0(bG 、 )0(cG 三相的零序分量大小相等，相位相同，三相的零序分量同时达到最大值，在电机内部产生漏磁，其合成磁场为零，这就是零序分量。 如果以 A相位为基准相，各序分量可以如下关系： 正序分量： )1(aG )1(bG = 2a )1(aG )1(cG = )1(b2Ga = )1(aGa 负序分量： )2(aG )2(bG = )2(aGa )2(cG = )
16、2(a2Ga = )2(bGa 零序分量： )0(aG )0(bG = )0(aG )0(cG = )0(aG 其中： 232101 2 0 jea j ； 23212 ja ； 01 2 aa ； 12 aa ； 13a - 5 - 于是就有： )0()2()1(a aaa GGGG )0()2()1(b bbb GGGG （ 2-2） )0()2()1(c ccc GGGG a ( 0 )a ( 2 )a ( 1 )22ca11111GGGaaaaGGGb (2-3) 则有： )1(2)1( ab IaI )1()1(c aIaI )2()2( ab IaI )2(2)2( ac IaI
17、)0()0()0( cba III 则逆关系式为：aaa22c ( 2 )2(a ( 1 )1111131GGGaaaaGGGb (2-4) 以上所得根据（ 2-3）可以把三组对称向量合成三个不对称向量，而根据（ 2-4）可以把三个不对称向量分解为三组对称量。 2.3 简单不对称短路的分析和计算 简单故障是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。电力系统发生不对称故障时，只是短路点的电压、电流 出现不对称，利用对称分量法将不对称的电流分解为三相对称的序分量，由于每一序系统中三相对称，则在选好一相为基准后，每一序只需要计算
18、一相即可，用对称分量法计算电力系统的不对称故障。其大致步骤为： 计算电力系统各个原件的序阻抗； 制定电力系统的各序网络； 由各网路和故障列出对应方程； 从联立方程组解出故障点电流和电压的各序分量，将相对应的各序分量- 6 - 相加，以求得故障点的各相电流和电压； 计算各序电流的各序电压的网络中的分布，进而求得各指定支路的各相电流和指定点的各相电压 2.3.1 单相（ a 相）接地短路 单相接地短路 故障的情况 示图与（ 2-2） 图 2-2 单相接地短路图 故障处的三相的边界条件 ： 0 aU ， 0bI ， 0cI 用对称分量表示为： 021 aaa UUU =0 00212 aaa IIaIa （ 2-5） 00122 aaa IIaIa 则有： aaaa IIII 31021（ 2-6） 根据单相接地短路时的边界条件（式 2-5，式 2-6）将正、负、零序网在故障端口直接串联起来构成复合序网，如图 2-3所示。
