基于Matlab工具的电力系统故障分析

孙联喜 牛文东

国网技术学院 山东 泰安 271000

0 引言

MATLAB是功能强大的科学及工程计算软件，其以矩阵计算为基础的强大数学计算和分析功能，以及丰富的可视化图形表现功能和方便的程序设计能力为当今科学研究提供了极大的便利。作为Matlab软件的重要组成部分，Simulink模块可以实现动态系统建模和仿真分析的集成环境，并对其进行仿真和分析，模拟实际系统的特性和响应，还可以实现系统的修改和优化，以提高系统的性能，实现高效开发系统的目标。

Simulink模块提供了图形化的用户界面，用户只需要点击鼠标，就可以轻松的完成模型的构建、调试和仿真工作，这样就大大降低了仿真的难度，最重要的是用户不需要为了完成仿真工作而去学习某种程序设计语言，很容易上手。对于建模，Matlab提供了一个图形化的用户界面（GUI），在图形界面中，用户可以根据需要方便地画出模型图。这是以前需要用编程语言明确地用公式表达微分方程的仿真软件包所远远不能相比的。

1 复杂网络建模与仿真

本部分选取了IEEE中11节点的复杂网络并对其进行建模和仿真，在不同地点设置了多种类型的故障。该网络如图1所示，由两部分组成，左半部分为一典型的环网结构，而右半部分则是一个经典的辐射型网络，因此，该网络包含的辐射性网络和环网两种主要情况，能够全面的反应各种网络结构情况下的故障特点，具有典型意义。

1.1 仿真模型的建立和参数设定

1）待仿真辐射形网络的系统接线图

如图1，该网络主干线路电压等级为110kV，8号节点处由另一220kV电压等级的网络注入功率。该网络中1节点出为发电厂，装机容量25MW机组两台，50MW机组两台，发电机功率因数 。发电机出口处电压为10.5kV，经三相变压器升压后一部分升压为121kV输送给整个网络，另一部分升压为38.5kV供给发电厂周围的负荷。各节点的功率都归算为运算功率，使用三相串联RLC负荷仿真。各节点的运算功率见下表1、2：

图1 系统接线图

表1 节点功率分布

表2 网络中各线路的导线类型及线路参数

2）复杂网络的仿真模型（辐射网部分）

图2、3所示，根据网络结构和线路参数，设定各组成原件参数，利用MATLAB中的simulink模块对该网络进行建模仿真。

图2 复杂网络仿真模型（辐射网部分）

图3 故障点（阴影部分）

1.2 仿真波形及分析

仿真模型建立完成之后，检查连接是否正确，并通过运行检测排除错误，并通过示波器观察各检测点的三相电压、电流波形。本文中主要观测发电机出口处电压电流波形以及辐射网处故障点电压电流波形。本文主要设置了以下几种故障：单相接地故障，两相相间故障、以及两相相间接地故障。

1.2.1 正常状况下发电机出口波形

正常状态下发电机出口处的电流、电压波形，波形如下图4、图5（仿真波形条件）：

图4 正常工作状态发电机出口处电压波形

图5 正常工作状态发电机出口处电流波形

1.2.2 辐射网发生故障时波形分析

辐射网采样点设置各种短路故障时的波形。

1）线路L1-2远电源侧发生A相接地短路

当在A出发生单相接地短路时，发电机出口处电压波形及故障点波形可见下图图6、图7：

图6 单相接地故障时故障点电流波形

图7 单相接地故障时故障点电压波形

A相发生接地短路，A相电流迅速增大为正常时的数倍大小，非故障相电流正常

接地相A相电压为零，非故障相电压略微增大，但是波形保持不变。

2）线路L1-2远电源侧发生两相相间短路故障

当线路L1-2在远电源侧发生两相相间短路时，故障相为BC两相，故障点的电压电流波形如下图8、图9：

图8 两相相间短路时故障点电流波形

图9 两相相间短路时故障点电压波形

由上图可得出，B相电流与C相电流反相，电压相等，满足两相相间故障的特点。

3）线路L1-2远电源侧发生两相接地短路时

当BC两相在线路L1-2远电源侧发生两相接地短路时，故障点波形如下图10、图11：

图10 两相接地短路时故障点电流波形

图11 两相接地短路时故障点电压波形

由上图可以得到，由于B、C相接地短路，故电流迅速增大，A相电流不变，B相、C相两接地相电压为零，符合两相接地短路的特点。

2 图形界面窗口的故障分析系统

此部分分析的模型为上述辐射网模型，利用GUIDE制作了图形用户界面，通过图形用户界面可以设置模型中各模块的参数，并显示故障后某一点的波形。

模型建立完成之后，检查连接，并运行程序观察是否满足要求。排除错误程序后，观测在各种故障情况下各点波形。由于上一部分已经对各种故障类型进行了详细的分析，故本章仅以单相接地故障为例分析，重点在与演示该软件的使用方法和效果。

本程序的使用方法介绍如下：

1）打开开始窗口后，点击开始按钮，进入主窗口。如下图12所示：

图12 使用步骤一

2）在复选框中选择希望发生故障的地点，可同时选择多处，并在被激活的故障类型选择窗口中选择个故障点故障类型及设置接地电阻。如图13所示：

图13 使用步骤二

3）文中模型默认仿真计算方法为ode23tb，仿真时间为0～0.1s，如需要不同的参数，可以单击仿真参数设置按钮进行设置。如下图14所示：

图14 使用步骤三

4）参数设置完毕后，选择主窗口中开始进行仿真，在坐标系中即会显示故障点1的电压波形。如需查看其他故障点的波形，可通过菜单栏进行选择。如图15所示：

图15 使用步骤四

3 结论

通过运用Matlab软件对电力系统中的环网和辐射网进行仿真，并观察各种故障类型下的波形，并对电力系统故障分析理论进行验证，加深了对各种故障类型特点的理解。由此可以得出以下结论：

1）Simulink能够对规模较小的简单电力网络进行较好的仿真。仿真情况比较接近系统真实情况。电压等级及潮流分布比较正确。对于较大的电力网络，由于参数设置不一，以及存在较多的非线性元件，仿真图形不是很好，但是可以定性的进行分析。

2）由于发电机、变压器的存在，其运行过程中都会产生“毛刺”，因此整个系统网络中会存在不同程度的波形畸变，从而变得不光滑。从这一点我们可以看到，在实际电力系统中，应用相关电力器件抵消或减少系统中的谐波是非常重要的。过多的谐波会影响系统的稳定性，甚至不能正常工作。

3）在Simulink仿真过程中，由于部分参数的设定过于简单，导致仿真系统与实际系统的运行状况存在一定的差距，因此需要进一步优化参数的设定，使仿真结果更接近实际运行系统。

[1] 陈珩.电力系统稳态分析（第二版）[M].北京：中国电力出版社，1995.

[2] 李海涛，邓樱.MATLAB程序设计教程[M].北京：高等教育出版社，2002.

[3] 薛定宇，陈阳泉.基于Matlab/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2005.

[4] T.Hiyama and A.Ueno.“Development of real time power system simulator in MATLAB/Simulink environment”in Proc.IEEE Power Eng.Soc.Summer Meeting，Seattle，WA.2000.

[5] Karl Schoder，Amer Hasanovie，Ali Feliachi，and Azra-Hasanovie.“PAT：A Power Analysis Toolbox for MATLAB/Simulink”.IEEE Transactions on PowerSystems，2003，18（1）：42－47.