基于MATIAB的店里系統(tǒng)故障仿真與檢測技術(shù)研究,基于,matiab,店里,系統(tǒng)故障,仿真,檢測,技術(shù)研究 ……………………. ………………. ………………… 山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 畢 業(yè) 論 文 基于MATLAB的電力系統(tǒng)故障仿真與 檢測技術(shù)研究 院 部： 機械與電子工程學(xué)院 專業(yè)班級：電氣工程及其自動化4班 屆 次： 2015屆 學(xué)生姓名： 孫叢叢 學(xué) 號： 20110804 指導(dǎo)教師： 宋成寶 助教 二О一五年五月二十八日 裝 訂 線 ……………….……. …………. …………. ……… 39 目 錄 摘要 I Abstract II 1引言 1 1.1研究背景和意義 1 1.2本論文主要工作 1 2電力系統(tǒng)故障類型及理論分析 3 2.1電力系統(tǒng)的構(gòu)成 3 2.2故障概述 3 2.3各種短路故障的理論分析 4 2.3.1三相短路故障的分析 4 2.3.2單相接地短路故障的分析 7 2.3.3兩相短路故障的分析 9 2.3.4兩相接地短路故障的分析 11 2.4本章小結(jié) 13 3基于MATLAB的故障仿真分析 14 3.1 MATLAB簡介 14 3.1.1概述 14 3.1.2 MATLAB的電力系統(tǒng)工具箱介紹 14 3.2電力系統(tǒng)仿真模型的建立與仿真參數(shù)設(shè)置 15 3.2.1電力系統(tǒng)仿真模型的建立 16 3.2.2仿真參數(shù)設(shè)置 17 3.3電力系統(tǒng)短路故障仿真結(jié)果及分析 21 3.3.1三相短路故障仿真分析 21 3.3.2 A相接地短路故障仿真分析 23 3.3.3 BC兩相短路故障仿真分析 24 3.3.4 BC兩相接地短路故障仿真分析 26 3.3.5本章小結(jié) 28 4基于序分量的短路電流檢測技術(shù)的研究 29 4.1短路電流檢測技術(shù)概述 29 4.2序分量檢測技術(shù)的原理及實現(xiàn) 29 4.3本章小結(jié) 33 5結(jié)論與展望 35 參考文獻(xiàn) 36 致謝 38 Contents Abstract II 1 Introduction 1 1.1 The background and significance of research 1 1.2 The paper work 1 2 Electric power system and fault overview 3 2.1 The composition of the power system 3 2.2 Fault overview 3 2.3 Theoretical analysis of various kinds of fault 4 2.3.1 The analysis of the three-phase short circuit fault 4 2.3.2 The analysis of the one-phase grounding short circuit fault 7 2.3.3 The analysis of the two-phase short circuit fault 9 2.3.4 The analysis of the two-phase grounding short circuit fault 11 2.4 The summary of this chapter 13 3 The fault simulation analysis based on MATLAB 14 3.1 Brief introduction to MATLAB 14 3.1.1 Summarization 14 3.1.2 The introduce to the MATLAB toolbox power system 14 3.2 The establishment of the power system simulation model and analysis 15 3.2.1 Power system simulation model 16 3.2.2 Simulation parameter settings 17 3.3 The results and analysis of simulation 21 3.3.1 The analysis and simulation of the three-phase short circuit fault 21 3.3.2 The analysis and simulation of the A-phase grounding short circuit fault 23 3.3.3 The analysis and simulation of the BC-phase short circuit fault 24 3.3.4 The analysis and simulation of the BC-phase grounding short circuit fault 26 3.3.5 The summary of this chapter 28 4 Research on the detection of short circuit current based on the sequence component 29 4.1 Overview of short circuit current detection 29 4.2 The principle and Realization of sequence component detection technology 29 4.3 The summary of this chapter 33 5 Conclusion and Prospect 35 References 36 Acknowledgement 38 基于MATLAB的電力系統(tǒng)故障仿真與檢測技術(shù)研究 作者：孫叢叢 指導(dǎo)教師：宋成寶 （山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院 泰安 271018） 摘要：電力系統(tǒng)是一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，在運行過程中，經(jīng)常會發(fā)生故障。本論文針對電力系統(tǒng)常見的4種短路故障（三相短路、單相接地、兩相短路、兩相短路接地）進(jìn)行了理論分析，并利用MATLAB/Simulink仿真軟件搭建出了仿真模型，仿真出了4種短路故障短路點的電壓與電流波形，而且，利用三相序量分析器將短路點電壓與電流分解得到了A相的正序、負(fù)序和零序分量，結(jié)果表明，仿真與理論分析相一致。通過比較不同故障短路點的電流波形可知，三相短路故障短路點電流最大，危害最嚴(yán)重；通過比較不同故障短路點的電壓與電流序分量波形可知，單相接地短路故障和兩相接地短路故障均含有正序、負(fù)序和零序分量；而兩相短路故障只含有正序和負(fù)序分量。最后介紹了常用的短路電流檢測方法，重點研究了利用負(fù)序和零序分量的短路電流檢測方法，研究表明：以負(fù)序分量為特征量的檢測方法在各種情況下，從反應(yīng)程度和快速性上來說都十分理想。 關(guān)鍵詞: 電力系統(tǒng) 故障分析 MATLAB仿真 序分量 檢測技術(shù) Research on power system fault simulation and detection technology based on MATLAB Author:Sun Congcong Supervisor:Song Chengbao (Mechanical & Electrical Engineering College of Shandong Agricultural University, Tai’an, Shandong 271018) Abstract Power system is a complex dynamic system and in the running process, the fault often occurs. In this thesis, four kinds of power system short-circuit faults which contain three-phase short circuit, single-phase to ground, the two-phase short circuit and two-phase short circuit to ground are analyzed. And build a simulation model by MATLAB / Simulink simulation software, the simulation of the four kinds of short circuit fault plots the voltage and current waveforms and decomposed by a phase of positive sequence, negative sequence and zero sequence components of short-circuit voltage and current using three-phase sequence analyzer.As the result, theoretical analysis is Consistent with simulation. By comparing the current waveforms of different faults, the short-circuit point current of three-phase short-circuit fault is the maximum, and three-phase short-circuit fault the worst damage ; By comparing the sequence pomponent waveforms of different faults,single-phase to ground and two-phase short circuit to ground contain positive sequence, negative sequence and zero sequence components; two-phase short circuit contains only positive sequence and negative sequence components. At last, the common method of short circuit current detection is introduced, and the method of short circuit current detection using negative sequence and zero sequence component is studied. The research shows that the method of detecting negative sequence components is ideal for the degree and rapidity of the reaction. Keywords:Power system;Fault analysis;MATLAB simulation;Sequence component;Detection technology 1 引言 1.1研究背景和意義 電力系統(tǒng)運行的基本要求就是：保證可靠地持續(xù)供電；保證良好的電能質(zhì)量；保證系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性[1]。然而隨著社會的不斷發(fā)展和生產(chǎn)力的不斷提高，電能用戶對電力系統(tǒng)運行的要求越來越高。電力系統(tǒng)中的事故將造成供電中斷，而這些都是工作人員想不到的。形成事故的原因很多，包括設(shè)備原因、自然原因、人為原因等[2]。因故障造成的停電給國民經(jīng)濟造成的損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電力系統(tǒng)本身的損失。所以，電力系統(tǒng)運行首先要滿足可靠、持續(xù)供電的要求。 2003年，美國、加拿大發(fā)生了停電事故，而且“美加大停電”是北美歷史上最大范圍的停電事故。很多人受到了影響，大約在加拿大有一千萬（大約占總?cè)丝诘娜种唬?，在美國大約有四千萬。造成美國的八個州和加拿大的安大略省電力中斷。估計受到影響的地區(qū)大約有9,300平方英里（24,000平方公里）。發(fā)電廠至少有21間在停電期間關(guān)閉。主要城市的受影響人數(shù)一覽表如下： 表1-1 “美加大停電”各個城市受影響人數(shù) 城市 紐約市 多倫多 底特律 渥太華 漢密爾頓 克利夫蘭 托萊多 溫索爾 受影響人數(shù) 8,000,000 5,600,000 951,000 820,000 680,000 478,000 341,000 208,000 在我國也有很多像這樣的停電事故，而且這些停電事故影響非常大。例如，1990年“9.20”事故在廣東電網(wǎng)發(fā)生，是因為20kV線路短路故障引起的，7個發(fā)電廠因為此故障而解列，220kV的線路有13條跳閘，220kV的變電站有11個停電。1988年，“8.6”事故在貴州電網(wǎng)發(fā)生，因為雙回220kV線路發(fā)生故障跳閘，從而造成了貴州電網(wǎng)互解和南部電網(wǎng)頻率崩潰； 1993年，“4.24”事故在海南電網(wǎng)發(fā)生，一組站用變壓器380V開關(guān)發(fā)生故障引發(fā)繼電保護(hù)動作不正確，最后造成全網(wǎng)瓦解，大面積停電。 雖然科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)的事故依舊是不可避免的，因此在這種背景下研究電力系統(tǒng)故障以及故障診斷技術(shù)有重要的理論意義和實際的應(yīng)用價值。而且是為了保證電力系統(tǒng)運行的質(zhì)量與功能。由于在實際上對電力系統(tǒng)進(jìn)行試驗和研究比較困難，因此需要利用各種電力系統(tǒng)動態(tài)仿真軟件對電力系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和研究，而且仿真已成為對電力系統(tǒng)設(shè)計、研究的有效途徑之一。MATLAB是當(dāng)前國際認(rèn)可的優(yōu)秀科技軟件之一，而且MATLAB在電力系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用也日趨完善。在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境下，可以直接拖動SPS庫中的元件搭建電力系統(tǒng)仿真模型，也可以將功能模塊封裝起來。因此，在進(jìn)行電力系統(tǒng)設(shè)計、研究時更加方便。 1.2本論文主要工作 本論文簡單介紹了電力系統(tǒng)常見的故障類型，在理論上對4種短路故障進(jìn)行了分析以及借助MATLAB仿真軟件對這4種故障進(jìn)行了仿真。最后針對電力系統(tǒng)故障，對電力系統(tǒng)檢測技術(shù)進(jìn)行了研究，而且主要研究了應(yīng)用負(fù)序、零序分量對短路故障的判斷。 具體章節(jié)安排為： 第一章介紹了本論文的研究背景和意義； 第二章介紹了電力系統(tǒng)的構(gòu)成、故障類型以及短路故障的原因、危害等，而且從理論上對4種短路故障進(jìn)行了分析，主要包括三相短路故障的短路電流、沖擊電流的計算，以及單相接地短路，兩相短路，兩相接地短路故障的短路點電流、電壓的計算； 第三章對三相短路，單相接地短路，兩相短路，兩相接地短路故障時的短路點的電流、電壓進(jìn)行MATLAB仿真，而且對A相的電流、電壓各序分量進(jìn)行了仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，最后得出結(jié)論； 第四章介紹了電力系統(tǒng)故障檢測技術(shù)，現(xiàn)在的電流檢測方法主要有基于傅里葉級數(shù)的實時檢測法，基于瞬時無功功率理論的實時檢測法等。而本章主要講了應(yīng)用負(fù)序、零序分量對短路故障的判斷。通過三相序量分析器，將三相短路，單相接地短路，兩相短路，兩相接地短路故障的負(fù)序、零序的幅值波形仿真出來，并對波形進(jìn)行分析總結(jié)得出結(jié)論； 第五章對全文工作進(jìn)行了總結(jié)。 2 電力系統(tǒng)故障類型及理論分析 2.1 電力系統(tǒng)的構(gòu)成 電力系統(tǒng)是指用不同電壓等級的輸電線路將發(fā)電廠、變電所以及電力負(fù)荷連接起來所組成的統(tǒng)一的、不可分割的人工系統(tǒng)。它主要包括發(fā)電廠、輸電線路、變電所和電力負(fù)荷以及未示于圖2-1中的測量、保護(hù)、控制裝置乃至能量管理系統(tǒng)。 電力系統(tǒng)中各主要環(huán)節(jié)相互間的聯(lián)系如圖2-1所示。其中，鍋爐和反應(yīng)堆分別將化學(xué)能和核能轉(zhuǎn)化為熱能，汽輪機又將熱能轉(zhuǎn)化為機械能，水輪機則直接將水能轉(zhuǎn)化為機械能。發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能。在這些設(shè)備中，電能又分別轉(zhuǎn)化為機械能、熱能、光能，等等[1]。 圖2-1 電力系統(tǒng)和電力網(wǎng)絡(luò)示意圖 2.2 故障概述 電力系統(tǒng)的故障類型較多，常見的而且對電力系統(tǒng)危害比較嚴(yán)重的有：短路、斷路以及各種復(fù)雜故障等。電力系統(tǒng)常見的是短路故障，因此短路是本文重點研究的對象。 所謂短路，指電力系統(tǒng)的相與相之間或相與地（中性線）之間的低阻性連接。在電力系統(tǒng)正常運行時，除中性點外，相與相或相與地之間是絕緣的，如果由于某種原因使其絕緣破壞而構(gòu)成了通路，就稱電力系統(tǒng)發(fā)生了短路故障[2]。 （1）、短路的主要原因 主要原因：電氣設(shè)備載流部分的相間絕緣或相對地絕緣被破壞。 設(shè)備原因：由于電氣設(shè)備有質(zhì)量問題，電氣設(shè)備絕緣材料用久了會自然老化、污穢或機械損傷等； 自然原因：雷擊引起的過電壓，自然災(zāi)害引起的桿塔倒地或斷線，鳥獸跨接導(dǎo)線引起的短路等； 人為原因：運行人員有時候會誤操作或帶接地線合闡等等。 （2）、短路的危害[3] 短路會對電力系統(tǒng)的正常運行和電氣設(shè)備造成很大的危害。具體有以下幾點： 當(dāng)發(fā)生短路時，由于電源供電回路的阻抗減小和突然短路時的暫態(tài)過程，短路回路中電流會大大增加，有可能超過此回路額定電流的好多倍。當(dāng)短路電流通過電氣設(shè)備中的導(dǎo)體時，它的熱效應(yīng)就會引起導(dǎo)體或絕緣的損壞；而且，導(dǎo)體也會受到電動力的沖擊，從而使導(dǎo)體變形，甚至損壞； 短路還會引起電網(wǎng)中電壓降低，特別是靠近短路點處的電壓下降得最多，結(jié)果可能使部分用戶的供電受到破壞； 短路相當(dāng)于改變了電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，引起系統(tǒng)中功率分布的變化，發(fā)電機輸出功率也相應(yīng)地變化。嚴(yán)重時，可能引起并列運行的發(fā)電機失去同步，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定，引起大片地區(qū)停電； 不對稱接地短路所引起的不平衡電流產(chǎn)生的不平衡磁通，會在鄰近平行的通信線路上感應(yīng)出相當(dāng)大感應(yīng)電動勢，造成對通信系統(tǒng)的干擾，甚至危及人身和設(shè)備的安全。 本論文重點研究短路故障。單相接地短路是電力系統(tǒng)中發(fā)生幾率最大的一種故障。對于大電流接地系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生單相接地時，必須迅速將故障部分從系統(tǒng)中切除，以免波及范圍更大。對于中性點小電流接地系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生單相接地時，允許短時間運行2小時，但是要求盡快尋找接地點，將故障部分從系統(tǒng)中切除。兩相接地短路發(fā)生的幾率一般低于10%，在大電流接地系統(tǒng)中，這種故障多在同一地點發(fā)生；在小電流接地系統(tǒng)中，這種故障往往是先在一處發(fā)生接地，此時，非故障相對地電壓升高至線電壓，易于在絕緣薄弱處將絕緣擊穿，形成兩相短路接地，這兩個接地點往往是不在同一點。三相短路及兩相短路故障發(fā)生的幾率一般不會超過全部故障的5%，但三相短路故障比較嚴(yán)重，故障發(fā)生后要求更迅速的切除[4]。 2.3 各種短路故障的理論分析 電力系統(tǒng)運行經(jīng)驗表明，各種短路故障發(fā)生的幾率不同，其中單相接地故障發(fā)生的幾率最多，三相短路故障發(fā)生的幾率最小，但其產(chǎn)生的后果最嚴(yán)重，同時三相短路又是分析不對稱短路故障的基礎(chǔ)。因此，先對無限大容量電源供電的三相短路故障進(jìn)行研究。 2.3.1 三相短路故障的分析 （1）無限大容量電源 無限大容量電源是指電源幅值和頻率在故障短路的過程中保持恒定。數(shù)學(xué)描述為，，即電源電動勢標(biāo)么值恒為1，系統(tǒng)內(nèi)阻抗為0，短路時電源內(nèi)部沒有暫態(tài)過程。 實際電力系統(tǒng)中真正的無限大容量電源是不存在的，只能是一個相對的概念，一般當(dāng)以供電電源的額定值作為基準(zhǔn)值時短路回路總電抗的標(biāo)么值大于3，則可認(rèn)為供電電源為無限大容量電源。 （2）三相短路暫態(tài)過程的分析 圖2-2 無窮大功率電源供電的三相電路突然短路 首先分析短路前穩(wěn)態(tài)運行的情況。由于三相電源、三相負(fù)載對稱，因此可以僅分析其中一相的電動勢和電流表達(dá)式，（本論文采用A相的電動勢和電流表達(dá)式）其它兩相可對稱寫出。 （2-1） 式中 電源電動勢幅值，為常數(shù)； 短路前電流幅值； 短路前電路阻抗角； 合閘相角。 當(dāng)電路中k點發(fā)生三相對稱短路時，整個電路被分為兩個獨立的回路，其中左邊的回路仍與電源連接，而右邊的回路則變?yōu)闆]有電源的短接回路。在右邊回路中，電流將從短路發(fā)生瞬間的初值按指數(shù)規(guī)律衰減到零。在這一衰減過程中，該回路磁場中所儲藏的能量將全部轉(zhuǎn)化為熱能。在與電源連接的左邊回路中，其阻抗由原來的 突然減小為。短路后的暫態(tài)過程分析如下： 短路后的電路仍然是三相對稱的，因此只需要分析其中一相（A相）的暫態(tài)過程。得出A相的微分方程為 （2-2） 式（2-2）為一階常系數(shù)非奇次的線性微分方程，其解為 （2-3） 式中 —短路電流周期分量的幅值； —短路回路的阻抗角； —非周期分量電流衰減時間常數(shù)。 由式（2-3）可知，短路電流在暫態(tài)過程中包含兩個分量，一個是短路電流的周期分量 ，另一個是短路電流的非周期分量 。前者取決于電源電動勢和短路回路的阻抗，其幅值在暫態(tài)過程中不變；后者是為了使電感回路中磁鏈和電流不突變而出現(xiàn)的，它的值在短路瞬間最大，而在暫態(tài)過程中以時間常數(shù) 按指數(shù)規(guī)律衰減，并最后衰減為零，表明短路暫態(tài)過渡過程結(jié)束進(jìn)入短路穩(wěn)態(tài)過程。 式（2-3）中為積分常數(shù)，由初始條件決定，根據(jù)電路的開閉定律，電感電流不能突變，短路前瞬間電流 和短路后瞬間電流 應(yīng)相等，即 （2-4） 根據(jù)，可以解出積分常數(shù)為 （2-5） 將式（2-5）代入式（2-3）可得短路電流為 （2-6） 將以或代入式（2-6）中可以得出B相和C相的短路電流表達(dá)式為 （2-7） （2-8） 短路電流最大可能的瞬時值稱為短路電流沖擊值，將在短路發(fā)生經(jīng)半個周期（）時出現(xiàn)。所以沖擊電流為 （2-9） 式中稱為沖擊系數(shù)，它表示沖擊電流為短路電流周期分量幅值的多少倍。當(dāng)時間常數(shù) 數(shù)值由零變到無窮大時，沖擊系數(shù)的變化范圍為。在工程實用計算中，當(dāng)短路發(fā)生在發(fā)電機母線上時，??；短路發(fā)生在發(fā)電廠高壓母線側(cè)時， ；短路發(fā)生在遠(yuǎn)離電源點時，取。 短路沖擊電流主要用來校驗電氣設(shè)備和載流導(dǎo)體的動穩(wěn)定性，以保證設(shè)備在短路時不致因短路電流產(chǎn)生沖擊力而發(fā)生變形或損壞。 短路電流的最大有效值 是以最大瞬時值發(fā)生的時刻（即發(fā)生短路經(jīng)歷約半個周期）為中心的短路電流有效值。在發(fā)生最大沖擊電流的情況下，有 （2-10） 短路電流的最大有效值常用于校驗電氣設(shè)備的斷流能力和耐力強度。 2.3.2單相接地短路故障的分析 假設(shè)系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路故障，短路模擬圖如下圖2-3所示[5]。 圖2-3單相接地短路 如圖2-3所示當(dāng)系統(tǒng)中的f點發(fā)生單相（A相）接地短路故障時，其短路點的邊界條件A相在短路點f的對地電壓為零，B相和C相從短路點流出的電流為零，即： ， （2-11） 將式子（2-11）轉(zhuǎn)換成各個序分量之間的關(guān)系。對于，有如下關(guān)系： （2-12） 根據(jù) 可以得出： （2-13） 于是，單相短路接地時，用序分量表示的邊界條件為： （2-14） 由邊界條件組成復(fù)合序網(wǎng)（復(fù)合序網(wǎng)是指在短路端口按照用序分量表示的邊界條件，將正序、負(fù)序和零序三個序網(wǎng)相互連接而成的等值網(wǎng)絡(luò)）從A相短路接地的序分量邊界條件式（2-14）可見，它相當(dāng)于三序網(wǎng)的端頭進(jìn)行串聯(lián)，如圖2-4所示 圖2-4單相接地短路復(fù)合序網(wǎng) 復(fù)合序網(wǎng)直觀地表達(dá)了不對稱短路故障的地點和類型，對復(fù)合序網(wǎng)進(jìn)行分析計算，可以解出短路點處的各序電壓、電流分量，如下： （1）電流分量 序電流分量為： （2-15） 三相電流為： （2-16） （2）電壓分量 序電壓分量為: （2-17） 三相電壓為： （2-18） 2.3.3兩相短路故障的分析 圖2-5兩相短路故障 如圖2-5所示當(dāng)系統(tǒng)中點發(fā)生兩相（B、C相）短路時，該點三相對地電壓及流出該點的相電流（短路電流）具有下列邊界條件： （2-19） 用對稱分量表示為： （2-20） 于是，兩相短路時，用序分量表示的邊界條件為： ， ， （2-21） 根據(jù)邊界條件式（2-21）兩相短路時復(fù)合序網(wǎng)如圖2-6所示，即正序網(wǎng)絡(luò)和負(fù)序網(wǎng)絡(luò)在故障點并聯(lián)，零序網(wǎng)絡(luò)斷開，兩相短路時沒有零序分量。 圖2-6 兩相短路復(fù)合序網(wǎng) 由復(fù)合序網(wǎng)可以推出短路點處的各序電壓、電流分量，如下： （1）電流分量 序電流分量為： （2-22） 三相電流為： （2-23） （2）電壓分量 序電壓分量為： （2-24） 三相電壓為： （2-25） 可見，兩相短路電流為正序電流的倍，短路點非故障相電壓為正序電壓的兩倍，而故障相電壓只有非故障相電壓的一半且方向相反。 2.3.4兩相接地短路故障的分析 圖2-7兩相接地短路故障 如圖2-7所示點發(fā)生兩相（B、C相）短路接地，其邊界條件顯然是 ， （2-26） 式（2-26）與單相短路接地很類似，只是電壓和電流互換，因此其轉(zhuǎn)換為對稱分量的形式必為： （2-27） 顯然，滿足此邊界條件的復(fù)合序網(wǎng)如圖 2-8 所示，即三個序網(wǎng)在故障點并聯(lián)， 圖2-8兩相接地短路復(fù)合序網(wǎng) 由復(fù)合序網(wǎng)可求得故障點處的各序電流和電壓 （1）電流分量 序電流分量為： （2-28） 三相電流為： （2-29） （2）電壓分量 序電壓分量為： （2-30） 三相電壓為： （2-31） 2.4 本章小結(jié) 本章介紹了電力系統(tǒng)的故障類型，而且主要介紹了短路故障。并在對稱分量法分析不對稱故障的基礎(chǔ)上，對各種不對稱故障做了進(jìn)一步分析。由各種短路故障（單相接地短路、兩相短路、兩相短路接地）的邊界條件可以得出各自的復(fù)合序網(wǎng)，復(fù)合序網(wǎng)直觀地表達(dá)了不對稱短路故障的地點和類型，對復(fù)合序網(wǎng)進(jìn)行分析計算就可以解得各短路故障的三相電流、電壓以及各短路故障A相的各序電流、電壓分量。從而使實際求解短路故障點的電流、電壓更加方便。 3 基于MATLAB的故障仿真分析 3.1 MATLAB簡介 3.1.1 概述 20世紀(jì)70年代，MATLAB最初是由美國新墨西哥大學(xué)的計算機系主任Cleve Moler教授為學(xué)生編寫的接口程序，來減輕學(xué)生的負(fù)擔(dān)。1984年，Little,Moler和Steve Bangert合作成立MathWorks公司，用C語言重寫MATLAB軟件。到90年代，MATLAB成為控制界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)計算軟件。MATLAB 是一個高精度的科學(xué)計算語言，它將計算、可視化和編程結(jié)合在一個容易使用的開發(fā)環(huán)境中，在這個環(huán)境中，用戶能夠把要解決的問題和解決問題的辦法用熟悉的數(shù)學(xué)符號表示出來。同時，MATLAB也是一個交互式系統(tǒng)，它的基本數(shù)據(jù)單元是數(shù)組，這個數(shù)組不要求固定的大小，所以能夠讓用戶解決許多工程技術(shù)上的數(shù)學(xué)問題。MATLAB的指令表達(dá)與數(shù)學(xué)、工程中常用的習(xí)慣形式十分相似，與C語言、Fortran等高級語言相比，MATLAB的語法規(guī)則更簡單，表達(dá)更符合工程習(xí)慣。因此，MATLAB軟件在國內(nèi)外被廣泛地應(yīng)用于需要數(shù)值計算與仿真的場合，其準(zhǔn)確度也被國際上認(rèn)可。隨著時間的推移，MATLAB的版本不斷更新，功能不斷完善。在本篇論文中使用的是MATLAB2012b版本。 Simulink是基于MATLAB的圖形化仿真設(shè)計環(huán)境，是MATLAB提供的實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包。它支持線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)時間系統(tǒng)、離散時間系統(tǒng)、連續(xù)和離散混合系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以使多線程的。它使用圖形化的系統(tǒng)模型對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行描述，并在此基礎(chǔ)上利用MATLAB數(shù)值計算引擎對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。Simulink和MATLAB是高度集成在一起的，所以，它們之間可以進(jìn)行方便的交互操作，例如可以將仿真得到的數(shù)據(jù)傳遞到Workspace中[9]。 3.1.2 MATLAB的電力系統(tǒng)工具箱介紹 使用MATLAB軟件對電力系統(tǒng)建模和仿真時，主要使用的MATLAB/Simulink中的電力系統(tǒng)仿真模塊（SimPowerSystems，簡稱SPS）。SimPowerSystems程序庫含有代表電力系統(tǒng)的常用元件的Simulink程序塊，通過SPS可以迅速建立模型和設(shè)置仿真參數(shù)，并立即仿真。SPS程序庫中的測量程序和控制源起到電信號與Simulink程序之間的連接作用。 在Command窗口輸入simulink命令便打開simulink的庫瀏覽窗口，點擊SimPowerSystems就進(jìn)入了電力系統(tǒng)工具箱。電力系統(tǒng)工具箱包括了電力電子、電路、電機等電氣工程學(xué)科中常用的元件模型。這些元件模型分布在7個模塊庫中，如圖3-1所示，每個模塊庫中包含多種基本元件模型，搭建仿真模型時，只需將這些庫模塊或其他庫模塊中的元件拖到新建的model文件中，然后按照仿真系統(tǒng)的要求將各個元件模型連接起來并設(shè)置好各個元件的參數(shù)，就可以方便、直觀地運行仿真模型，得到仿真結(jié)果[10]。 圖3-1 電力系統(tǒng)工具箱模塊庫 使用SimPowerSystems的仿真流程圖[14]，如下圖3-2所示。 啟動MATLAB/Simulink 在Simulink下把相關(guān)電力系統(tǒng)元件模塊拖入model文件中 連接各模塊并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，SPS檢查錯誤，若有則顯示相關(guān)信息 在電力系統(tǒng)分析Powergui模塊下，設(shè)定參數(shù) 在Simulink/Simulink Parameters對話框中設(shè)定合適的變步長積分方法 仿真開始，SPS會進(jìn)行檢查模型，若通過，Simulink開始數(shù)值積分輸出波形， 仿真結(jié)果也可以用文件保存 對本次仿真進(jìn)行分析總結(jié) 圖3-2 仿真流程圖 3.2 電力系統(tǒng)仿真模型的建立與仿真參數(shù)設(shè)置 圖3-3無窮大功率電源供電系統(tǒng) 假設(shè)無窮大功率電源供電系統(tǒng)如圖3-3所示，線路參數(shù)為 , ,;變壓器的額定容量 短路電壓 短路損耗,空載電流 ,空載損耗，變比高低壓繞組均為Y形聯(lián)結(jié)；設(shè)供電點電壓為110kV[9]。 根據(jù)給定的數(shù)據(jù)，計算折算到110kV側(cè)的參數(shù)如下： 變壓器的電阻為 變壓器的電抗為 則變壓器的漏感為 變壓器的勵磁電阻為 變壓器的勵磁電抗為 變壓器的勵磁電感為 輸電線的電阻為 輸電線的電抗為 則輸電線的電感為 短路電流周期分量的幅值為 時間常數(shù) 為 則短路沖擊電流為 3.2.1 電力系統(tǒng)仿真模型的建立 在MATLAB環(huán)境下，輸入simulink命令后，打開Simpowersystems模型庫，在新建model窗口中直接加入所需要的模塊，在Simulink仿真圖中各模塊名稱及提取路徑如表3-1所示。 表3-1 仿真電路中各模塊名稱及提取路徑[10] 模塊名 提取路徑 無窮大功率電源10000 ，Source SimPowerSystems/ Eletrical Sources 三相并聯(lián)RLC負(fù)荷模塊5MW SimPowerSystems/Elements 三相分布參數(shù)線路模型Distributed Parameters Line SimPowerSystems/ Elements 雙繞組變壓器模塊Three-Phase Transformer(Two Winding) SimPowerSystems/ Elements 三相故障模塊Three-Phase Fault SimPowerSystems/ Elements 三相電壓電流測量模塊Three-Phase V-I Measurement SimPowerSystems/Measurements 示波器模塊Scope Simulink/Sinks 電力系統(tǒng)圖形用戶截面Powergui SimPowerSystems 三相序量分析器3-Phase Sequence Analyzer SimPowerSystems/ Extra Library/Measurement 經(jīng)模塊連接后得到如圖3-4,3-5所示的無窮大功率電源供電系統(tǒng)的主回路模型和無窮大功率電源供電系統(tǒng)的測量回路模型。 圖3-4無窮大功率電源供電系統(tǒng)的主回路模型 圖3-5無窮大功率電源供電系統(tǒng)的測量回路模型 3.2.2 仿真參數(shù)設(shè)置 系統(tǒng)中元件的主要參數(shù)的設(shè)置將影響仿真結(jié)果的可靠性，主要參數(shù)設(shè)置如下： （1）三相電源參數(shù)設(shè)置如圖3-6所示 將系統(tǒng)電壓設(shè)置為110kV，A相初相位為0，頻率為50Hz。系統(tǒng)內(nèi)部直接接地，由于無窮大功率電源的內(nèi)阻抗為0，但是MATLAB/Simulink不能將系統(tǒng)內(nèi)阻抗設(shè)置為0，所以在本算例仿真中將系統(tǒng)內(nèi)阻抗設(shè)置為0.0000001。如圖3-6所示 圖3-6電源模塊的參數(shù)設(shè)置 圖3-7負(fù)荷模塊參數(shù)設(shè)置 （2）負(fù)荷參數(shù)設(shè)置如圖3-7所示: 負(fù)荷額定電壓設(shè)置為 110kV，有功功率5MW。 （3）輸電線路參數(shù)的設(shè)置 輸電線采用分布參數(shù)等值模塊，因為分布參數(shù)等值模型更符合實際輸電線，模塊圖標(biāo)如下圖3-8所示： 圖3-8三相分布參數(shù)模塊示意圖 因為線路參數(shù) ，所以線路正序電感為H,又因為 ,所以0.00384H。其他參數(shù)如下圖3-9所示 圖3-9輸電線模塊參數(shù)設(shè)置 圖3-10變壓器模塊參數(shù)設(shè)置 （4）變壓器參數(shù)的設(shè)置如圖3-10所示 變壓器采用Y-Y形聯(lián)結(jié)，示意圖如下圖3-11所示 圖3-11雙繞組變壓器的模塊圖 圖3-12雙繞組變壓器的單相等值電路 變壓器二次側(cè)電抗折算到一次側(cè)的參數(shù)一般認(rèn)為和一次側(cè)的電抗相等，因為已計算出折算到一次側(cè)的總電阻 ,H,所以變壓器一次側(cè)的電阻為2.04 ，電感為0.101H。二次側(cè)的電阻為0.0204 ，電感為0.00101H。其他參數(shù)的設(shè)置如圖3-10所示。 （5）三相線路故障模塊參數(shù)設(shè)置如圖3-13所示 仿真時，故障點的故障類型等參數(shù)采用三相線路故障模塊“Three-Phase Fault”來設(shè)置，如圖3-13所示。該模塊參數(shù)區(qū)域中的主要選項說明如下[10]： 1）Phase A Fault、Phase B Fault和Phase C Fault用來選擇短路故障相； 2）Fault resistance 用來設(shè)置短路點的電阻，此值不能為零。 3）Ground Fault 選項用來選擇短路故障是否為短路接地故障； 4）Ground resistance 當(dāng)故障類型是短路接地故障時顯示該項，用來設(shè)置接地故障時的大地電阻； 5）External control of fault timing 可以添加控制信號來控制該模塊故障的啟動與停止； 6） Transition status 與Transition times 用來設(shè)置轉(zhuǎn)換狀態(tài)及其對應(yīng)的轉(zhuǎn)換時間；其中，Transition status 表示故障發(fā)生的與否，通常用“1”表示發(fā)生故障，“0”表示故障解除；Transition times表示故障開關(guān)動作的時間；并且每個選項都有兩個數(shù)值，而且它們是一一對應(yīng)的。在本算例仿真中，將Transition status 的值設(shè)置為[1 0]，Transition times 的值設(shè)置為[0.02 0.05]，就表示時間為0.02s時線路發(fā)生故障，當(dāng)運行時間到達(dá)0.05s時，線路故障接除，系統(tǒng)恢復(fù)正常運行。 7）Snubbers resistance 與 Snubbers capacitance 用來設(shè)置并聯(lián)緩沖電路中的過渡電阻和過渡電容； 8）Measurement 用來選擇需要測量的電氣量。 圖3-13三相線路故障模塊參數(shù)的設(shè)置 （6）萬用表測短路點的電流和電壓如圖3-14所示 圖3-14萬用表測量短路點的電流和電壓 （7）利用3-phase Sequence Analyzer模塊獲得各序分量，參數(shù)設(shè)置如圖3-15所示 圖3-15三相序量分析器參數(shù)設(shè)置 3.3電力系統(tǒng)短路故障仿真結(jié)果及分析 通過模型窗口菜單中的“SimulationConfiguration Parameters”命令打開設(shè)置仿真參數(shù)的對話框，選擇可變步長的ode23t算法，仿真起始時間設(shè)置為0，終止時間設(shè)置為0.1s,其他參數(shù)采用默認(rèn)設(shè)置。 3.3.1 三相短路故障仿真分析 在三相故障模塊中，勾選Phase A Fault, Phase B Fault, Phase C Fault選項即可實現(xiàn)三相短路模型，并設(shè)置當(dāng)運行時間為0.02s時，變壓器低壓母線發(fā)生三相短路。三相短路故障下，短路點的三相電流波形和電壓波形仿真結(jié)果如下圖3-16，3-17所示。 圖3-16 ABC三相短路時故障點各相電流波形 圖3-17 ABC三相短路時故障點的各相電壓波形 由圖3-16,3-17可知，發(fā)生三相短路故障之前，系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，三相電流、電壓均對稱。在0.02s發(fā)生三相短路故障之后，A相、B相、C相三相電流迅速上升為短路電流的最大值分別為,,，三相短路故障穩(wěn)定后三相電流對稱；A相、B相、C相三相電壓迅速下降為0V；由此可知，三相短路故障是對稱性短路故障。故障解除后，三相電壓、電流經(jīng)過0.006s的過渡過程恢復(fù)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)正常運行。而且由仿真圖形可以看出三相短路時的沖擊電流大約為17.4，理論計算值沖擊電流為，兩者相差不大；由仿真圖形可以看出短路電流周期分量大約為10.65，理論計算值短路電流周期分量為，兩者相比差別也不大，實際數(shù)值與理論計算值有一點差別，這是由于電源模塊的內(nèi)阻設(shè)置不同而造成的。 3.3.2 A相接地短路故障仿真分析 在三相故障模塊中，勾選Phase A Fault,Ground Fault選項即可實現(xiàn)A相接地短路模型。A相接地短路故障下，短路點的三相電流波形和電壓波形仿真結(jié)果如下圖3-18,3-19所示。 圖3-18 A相接地短路時故障點的各相電流波形 圖3-19 A相接地短路時故障點的各相電壓波形 由圖3-18,3-19可知，在穩(wěn)態(tài)時，由于三相電路短路故障發(fā)生器處于斷開狀態(tài)，所以故障點A相的電流幅值為0A.在0.02-0.05s時間內(nèi)發(fā)生A相接地短路時，A相電流迅速增大為短路電流，B相和C相電流沒有變化，始終為0A;A相對地電壓迅速降為0V，B相和C相電壓在故障期間稍微有點增大，這是由于發(fā)生A相接地短路故障時中性點發(fā)生位移或者輸電線對地電容造成的。其仿真結(jié)果符合第三章的理論分析。 A相接地短路故障下，短路點的A相各序電流波形和各序電壓波形仿真結(jié)果如下圖3-20,3-21所示。 圖3-20 A相接地短路時故障點的A相各序電流波形 圖3-21 A相接地短路時故障點的A相各序電壓波形 由圖3-20,3-21可知，在0.02s發(fā)生A相短路接地故障時會經(jīng)過短暫的過渡過程，當(dāng)短路故障穩(wěn)定后（如圖中的0.040.05s之間），發(fā)生A相接地短路時故障點的A相各序電流 ；A相各序電壓分別, ,，理論上有，二者相一致。 3.3.3 BC兩相短路故障仿真分析 在三相故障模塊中，勾選Phase B Fault,Phase C Fault選項即可實現(xiàn)BC兩相短路模型。BC兩相短路故障下，短路點的三相電流波形和電壓波形仿真結(jié)果如下圖3-22,3-23所示。 圖3-22 BC兩相短路故障時的各相電流波形 圖3-23 BC兩相短路故障時的各相電壓波形 由圖3-22,3-23可知，在0.02-0.05s故障時間內(nèi)，故障點B相、C相電流突然增大，且BC兩相中的電流總是大小相等，方向相反，呈正弦波形變化。故障排除后B相，C相又恢復(fù)原來的狀態(tài)；A相電壓處于穩(wěn)態(tài)，故障點B相、C相電壓幅值突變?yōu)锳相幅值的一半且相位與A相相反，故障消除后又恢復(fù)到原來的狀態(tài)。仿真結(jié)果與第三章的理論分析相符合。 BC兩相短路故障下，短路點的A相各序電流波形和各序電壓波形仿真結(jié)果如下圖 3-24,3-25所示。 圖3-24 BC兩相短路故障時的A相各序電流波形 圖3-25 BC兩相短路故障時的A相各序電壓波形 由圖3-24,3-25可知，在0.02s發(fā)生BC兩相短路故障時會經(jīng)過短暫的過渡過程，當(dāng)短路故障穩(wěn)定后（如圖中的0.040.05s），A相各序電流 ,；A相各序電壓滿足。與第三章的理論分析相符合。 3.3.4 BC兩相接地短路故障仿真分析 在三相故障模塊中，勾選Phase B Fault，Phase C Fault，Ground Fault選項即可實現(xiàn)BC兩相接地短路模型。BC兩相接地短路故障下，短路點的三相電流波形和電壓波形仿真結(jié)果如下圖3-26,3-27所示。 圖3-26 BC兩相接地短路時故障點的各相電流波形 圖3-27 BC兩相接地短路時故障點的各相電壓波形 由圖3-26,3-27可知，在0.02-0.05s故障時間內(nèi)，A相電流不變，BC兩相電流突然增大且兩相電流大小相等，方向相反；B,C兩相電壓突然變?yōu)?V故障消除后又恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，A相電壓有點增大（這是由于發(fā)生兩相接地短路故障時中性點發(fā)生位移或者輸電線對地電容造成的）。仿真結(jié)果與第三章理論分析相符合。 BC兩相接地短路故障下，短路點的A相各序電流波形和各序電壓波形仿真結(jié)果如下圖3-28,3-29所示。 圖3-28 BC兩相接地短路故障時的A相各序電流波形 圖3-29 BC兩相接地短路故障時的A相各序電壓波形 由圖3-28,3-29可知，在0.02s發(fā)生BC兩相接地短路故障時會經(jīng)過短暫的過渡過程，當(dāng)短路故障穩(wěn)定后（如圖中0.040.05s），A相各序電流分別為 ，，，， 理論上，二者稍微有點差別，這是由于電源模塊的內(nèi)阻設(shè)置不同而造成的；A相各序電壓滿足，符合第三章的理論分析。 3.3.5 本章小結(jié) 從上述仿真結(jié)果可知，ABC三相短路、A相接地短路、BC兩相短路、BC兩相接地短路故障點的電流、電壓波形以及電流、電壓各序分量的波形均與理論分析一致。通過不同故障間的對比與分析可知，三相短路故障是電力系統(tǒng)中最為嚴(yán)重的故障，因此對三相短路要加以重視，在應(yīng)用中應(yīng)極力避免。而且，在A相接地短路、BC兩相接地短路均含有正序、負(fù)序和零序分量，而BC兩相短路只含有正序和負(fù)序分量，不含有零序分量。 4基于序分量的短路電流檢測技術(shù)的研究 4.1 短路電流檢測技術(shù)概述[24] 電流檢測主要用于無功功率補償以及諧波污染治理還有故障的診斷、保護(hù)。當(dāng)電流檢測用于無功功率的補償時需要準(zhǔn)確地檢測出電路基波的有功或者無功電流；用于諧波污染治理時需檢測出電路總諧波電流。而電流檢測用于故障診斷時則需要檢測出與電力系統(tǒng)故障相對應(yīng)時產(chǎn)生的特征次諧波電流，比如在繼電保護(hù)當(dāng)中，發(fā)生三相線路中性點接消弧線圈短路故障時對其五次諧波電流的檢測。因此，人們對于各種不同的目的，會對有效、可靠和簡單實用的電網(wǎng)電流檢測方法會一直研究、探索下去。 現(xiàn)在，電流檢測方法可以歸結(jié)為下面幾類：一是基于傅里葉級數(shù)的實時檢測方法，此方法能夠有效地檢測出電網(wǎng)的諧波電流、基波有功電流和無功電流，但是它需要使用帶通濾波器很多次，線路實現(xiàn)非常復(fù)雜，而且算法也很復(fù)雜，實時性也較差；二是基于瞬時無功功率理論的實時檢測法，此方法適用于電力有源濾波器的諧波電流檢測方法，它利用坐標(biāo)的變換來實現(xiàn)三相線路諧波電流檢測，線路實現(xiàn)非常簡單而且實時性強。諧波分量很容易受電路中一些畸變或者電路結(jié)構(gòu)變化的影響，但是它對電路中電流的變化有比較靈敏的感知，作為判斷電路中短路發(fā)生的一個依據(jù)。除了上面兩類主要的電流檢測方法外，還有基于廣義瞬時無功功率定義的諧波電流檢測法、自適應(yīng)短路檢測方法以及三相不平衡系統(tǒng)電流的同步測定法等等，但是它們還處于發(fā)展的階段還需要人們進(jìn)行研究和推廣。 4.2序分量檢測技術(shù)的原理及實現(xiàn)[17] 原理：當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生不對稱短路故障時，可以把不對稱的電壓或電流分解為對稱的序分量（正序、負(fù)序和零序分量）。并且，分解后得到的序分量與不對稱的電壓或電流是一一對應(yīng)的。對于正常運行的電力系統(tǒng)，三相電壓或電流一般是對稱的，所以分解后得到的負(fù)序和零序分量均為零，即系統(tǒng)正常運行時，只含有正序分量；但是當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生不對稱故障之后，三相電壓或電流就變成不對稱的了，分解之后將含有正序、負(fù)序和零序分量。由于發(fā)生的不對稱故障類型不同，序分量的特點也不一樣，因此，通過檢測負(fù)序和零序分量，很容易就能判斷出系統(tǒng)發(fā)生了什么故障。 仿真時采用的主回路是第三章的圖3-4所示的主回路，利用三相序量分析器得到圖4-1所示的以負(fù)序、零序幅值為特征量的測量回路圖，可以從發(fā)生短路故障電流中獲得A相正序、負(fù)序和零序分量。利用負(fù)序和零序分量的特點，通過幅值檢測從而判斷出電力系統(tǒng)是否發(fā)生了不對稱短路故障。 圖4-1以負(fù)序、零序幅值為特征量的測量回路圖 負(fù)序、零序分量法在不同短路情況下的仿真結(jié)果如下： 在三相接地短路情況下，三相接地短路負(fù)序、零序分量幅值波形如下圖4-2，4-3所示。 圖4-2 三相接地短路負(fù)序、零序分量幅值波形圖 圖4-3上圖4-2的局部放大圖 當(dāng)系統(tǒng)在0.02s發(fā)生三相接地短路故障之后，零序分量的變化有0.03s的延遲，在0.05s故障解除之后，才開始有明顯的變化。因此零序分量的快速性不理想，不能滿足繼電保護(hù)快速性的要求。這是因為，故障剛發(fā)生的一段時間內(nèi)零序分量的變化很微小，不能夠被檢測到；在故障發(fā)生之后，負(fù)序分量迅速發(fā)生變化，能夠滿足快速性的要求。由圖4-3能夠看出系統(tǒng)發(fā)生三相接地短路時，零序分量有一段時間的滯后，而負(fù)序分量可以很好的滿足要求。從局部放大圖來看，負(fù)序分量可以在故障發(fā)生后小于1ms的時間內(nèi)做出判斷。 在單相接地短路情況下，單相接地短路負(fù)序、零序分量幅值波形如下圖4-4所示。 圖4-4單相接地短路負(fù)序、零序分量幅值波形圖 在單相接地短路中，由圖4-4可知，負(fù)序分量和零序分量的變化規(guī)律一致，那么以負(fù)序和零序分量為特征量的判斷方法大體相同。在發(fā)生單相接地故障時，這兩種故障檢測方法都能夠在不到1ms的時間內(nèi)做出判斷，均能夠滿足繼電保護(hù)快速性的要求。由此說明當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路時，利用負(fù)序分量和零序分量