基于MATLAB的电力系统故障分析与仿真
基于MATLAB的电力系统短路故障分析与仿真
基于MATLAB的电力系统短路故障分析与仿真
一、概述
电力系统短路分析是一种建立在电力系统的潮流计算基础上的,用于
分析电力系统在短路故障时的状态的技术.有鉴于此，它对设计、运营和
维护电力系统有重要的意义。
短路分析的重要性在于：1）在设计的时候，可以分析电网的抗冲击和抗短路能力，为电网设计提供参考；2）在运行中，可以评价电网工作安全性，诊断各线路的灵敏性、以及电网在短路状
态下的运行特性；3）在系统检修的时候，可以分析电网故障状态，以便
检修或改造系统。
电力系统短路分析可以用各种软件进行，如MATLAB。
MATLAB是一种
大型实用的软件，主要用来处理、分析和可视化复杂的数据，而近年来，
它也在进军电力系统仿真领域，为电力系统研究与仿真提供了更加可靠的
工具。
MATLAB的电力系统仿真平台可以进行短路分析、潮流计算、功率
自动稳定分析、功率调度和电力系统控制与仿真等，结果得到了进一步的
应用。
二、MATLAB电力系统短路分析仿真步骤
1）编写MATLAB电力系统仿真脚本：用户首先需要编写MATLAB脚本，输入系统参数信息，如电力系统结构，拓扑信息，支路数据（变压器，线路，电容器。
基于MATLAB的电力系统暂态稳定仿真分析
基于MATLAB的电力系统暂态稳定仿真分析电力系统暂态稳定仿真分析是电力系统运行与控制中的重要内容之一、它通过模拟电力系统的暂态运行过程，分析系统在不同故障条件下的动态响应，评估系统的稳定性，并提供相应的控制与保护策略。
MATLAB作为一种功能强大的数学建模与仿真工具，被广泛应用于电力系统暂态稳定仿真分析中。
下面将分别从模型建立、仿真分析和结果评估三个方面，介绍基于MATLAB的电力系统暂态稳定仿真分析。
一、模型建立电力系统一般包括发电机、变电站、输电线路、负荷等元件。
在MATLAB中，可以通过建立系统的节点、支路和设备等模型，构建电力系统的仿真模型。
1.节点模型：电力系统的节点通常由发电机、负荷和母线组成。
在MATLAB中，可以通过定义节点的功率平衡方程和节点电压方程，建立节点模型。
2.支路模型：电力系统的支路一般包括输电线路、变压器和同步电动机等。
在MATLAB中，可以通过定义支路的电流-电压特性、阻抗和传输参数等，建立支路模型。
3.设备模型：电力系统的设备主要包括发电机、变压器和负荷等。
在MATLAB中，可以通过定义设备的功率-电流特性、阻抗和传输参数等，建立设备模型。
二、仿真分析建立电力系统的仿真模型后，可以使用MATLAB提供的仿真工具，进行仿真分析。
1.静态稳定分析：通过输入节点的电压和负载条件，计算各节点的电压和功率平衡，评估系统的静态稳定性。
2.动态稳定分析：在系统发生故障或负荷变化时，通过输入相应的故障或负荷变化信号，模拟系统的动态响应，并分析系统的中断时间和振荡特性等。
3.频域分析：通过对系统的输入和输出信号进行频谱分析，研究系统的频率特性和谐波性能，并评估系统的抗扰性能。
三、结果评估完成仿真分析后，需要对结果进行评估和优化。
1.稳定性评估：通过对系统的动态响应进行分析，评估系统在不同故障条件下的稳定性，并确定系统的稳定边界和临界条件。
2.控制与保护优化：根据仿真结果，确定适当的控制与保护策略，提高系统的稳定性和可靠性。
基于MATLAB的电力系统稳定性分析与仿真毕业论文
山东农业大学毕业论文基于MATLAB的电力系统稳定性分析与仿真装、丁院部机械与电子工程学院订专业班级电气3班线届次20**届_________学生姓名 _______________________学号 __________________________指导教师 ____________ 副教授二0**年六月六日摘要.................................................................................. .•...Abstract .. (II)1绪论................................................................................ 1...1.1课题背景................................................................. 1..1.2课题内容................................................................. 1..1.3课题意义................................................................. 1.. 2简单电力系统的静态稳定性及其仿真分析 (2)2.1电力系统静态稳定性简介 ...................................................... 2.2.2简单电力系统的静态稳定性仿真 (4)2.2.1Simulink模型构建及参数设置............................................ 4.2.2.2保持电势E q'=q。
'常数，励磁系统的综合放大系数为5.7857仿真分析 (7)2.3提高系统静态稳定性的措施 (9)2.3.1采用自动调节励磁装置 (9)2.3.2减小元件的电抗........................................................ 1.02.3.3提高线路标称电压等级 (10)2.3.4改善系统的结构和米用中间补偿设备 (11)3简单电力系统的暂态稳定性及其仿真分析 (11)3.1电力系统的暂态稳定性简介 (12)3.2 Simulink模型及仿真结果 ..................................................... 1.43.3提高系统暂态稳定性的措施 (18)3.3.1改变制动功率（发电机输出的电磁功率） .................................. 1 83.3.2改变原动功率（原动机输出的机械功率） .................................. 1 93.3.3系统失去稳定后的措施 (20)4总结与展望 (21)参考文献 (22)致谢................................................................................. 23.Contents Abstract.......................................................................................................................................... I I 1 In troduct ion . (1)1.1 Task background (1)1.2 Task contents (1)1.3 Task sig nifica nee (1)2 The static stability of power system and its simuli nk (2)2.1 In troduct ion of power system static stability (2)2.2 Simuli nk of power system static stability (4)2.2.1 Simuli nk model con struct ion and parameter setting (4)2.2.2 Keep ing voitage E q '=E q。
基于matlab的电力系统故障分析与仿真(毕业论文毕业设计)[管理资料]
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毕业设计（论文）基于MATLAB的电力系统故障分析与仿真学号：姓名：专业：电气工程及其自动化系别：指导教师：二〇一三年六月毕业设计（论文）基于MATLAB的电力系统故障分析与仿真学号：姓名：专业：电气工程及其自动化系别：指导教师：二〇一三年六月北京交通大学毕业设计（论文）成绩评议题目：基于MATLAB的电力系统故障分析与仿真系别：专业：电气工程及其自动化姓名：学号：指导教师建议成绩：84评阅教师建议成绩：86答辩小组建议成绩：82总成绩：84答辩委员会主席签字：年月日北京交通大学毕业设计（论文）任务书北京交通大学毕业设计（论文）开题报告北京交通大学毕业设计（论文）指导教师评阅意见北京交通大学毕业设计（论文）评阅教师评阅意见北京交通大学毕业设计（论文）答辩小组评议意见毕业设计（论文）诚信声明本人声明所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
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本人签名：日期：摘要本设计分析了电力系统短路故障的电气特征，并利用Matlab/Simulink软件对其进行仿真，进一步研究短路故障的特点。
通过算例对电力系统短路故障进行分析计算。
然后运用Matlab/Simulink对算例进行电力系统短路故障仿真，得出仿真结果。
并将电力系统短路故障的分析计算结果与Matlab仿真的分析结果进行比较，从而得出结论。
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 ２ Ｏ ０ ７ ０ １
【 摘要 】 文利 用Ｈ ＴＬ Ｂ 的Ｓ Ｈ Ｉ 模 块 建 立 了电力 系 统 的模 型 ， 本 Ａ 中 Ａ Ｉ Ｕ Ｋ ＬＮ 并在 不 同的地 点设 置
不 同类 型 的故 障 ． 测 故障 时采样 点 的各相 波形 。 观 以验 证Ｍ ｔ ｂ ａ １ 软件 分 析 电力 系统 故 障理 论 ａ 的可行 性。 以Ｉ Ｅ 节点模 型 为例 ， Ｅ １ Ｅ １ 制作 了界 面友好 的 图形 窗 口， 选择 故 障地 点 以及 故 障类 型， 并将 故 障相 的波形 显示在 图形 窗 口之 上 ， 以分 析 实 际波形 与理 论 波形 的异 同， 借 并讨论 提
点 的运算 功 率见 下 表 １２ 、：
山东 电力高 等专 科学 校学 报
第 １ ５卷 第 ２期
Ｊ ｕｎ ｌｏ ｈ ｎ ｏ ｇＥｌｃｒｃＰ ｗｅ ｏｌｇ ｏ ｒ ａ ｆＳ ａ ｄ ｎ ｅ ｔ ｏ ｒＣ ｌ ｅ ｉ ｅ
表 ２ 网络 中各 线 路 的 导 线 类型 及 线 路 参 数 线路 编 线 路 长 度 号 ／ ｋ
现高 效开 发 系统 的 目标 。 Ｓｍ ｌ ｋ ｉ ｕｉ 模块 提供 了图形化 的用 户界 面 。用户 ｎ
只需 要点击 鼠标 ，就可 以轻松 的完成模 型的构 建
况 下 的故 障特点 ， 具有 典 型意义 。
１１ 仿真模 型 的建立 和参 数设 定 ．
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 ，
基于MATLAB的电力系统短路故障分析与仿真设计
·……………………. ………………. …………………毕业论文基于MATLAB的电力系统短路故障分析与仿真院部机械与电子工程学院专业班级电气工程及其自动化届次 2015届学生学号指导教师装订线……………….……. …………. …………. ………摘要 (I)Abstract (II)1 引言 (1)1.1 课题研究的背景 (1)1.2 课题研究的国外现状 (1)2 短路故障分析 (1)2.1 近年来短路故障 (1)2.2 短路的定义及其分类 (2)2.3 短路故障产生的原因及危害 (4)2.4 预防措施 (4)2.5 短路故障的分析诊断方法 (5)3 仿真与建模 (6)3.1 仿真工具简介 (6)3.1.1 MATLAB的特点 (7)3.1.2 Simulink简介 (7)3.1.3 SPS(SimPowerSystems) (8)3.1.4 GUI（图形用户界面） (8)3.2 模型的建立 (9)3.2.1 无限大电源系统短路故障仿真模型 (9)3.2.2 仿真参数的设置 (10)4 仿真结果分析 (16)4.1 三相短路分析 (16)4.2 单相短路分析（以A相短路为例） (18)4.3 两相短路（以A、B相短路为例） (22)4.4 两相接地短路（以A、B相短路为例） (25)5 结论 (28)6 前景与展望 (28)参考文献 (29)致 (30)Abstract .............................................................................. I I 1 Introduction.. (1)1.1 Project background to the study (1)1.2 The research situation at home and abroad (1)2 Analysis of short-circuit fault (1)2.1 Short-circuit fault in recent years (1)2.2 Definition and classification of short-circuit fault (2)2.3 Causes and damage of short-circuit fault (4)2.4 Precautionary measures (4)2.5 Method to analysis and diagnosis of short-circuit fault (5)3 Simulation and modeling (6)3.1 Introduction to simulation tools (6)3.1.1 Features of MATLAB (7)3.1.2 Introduction to simulink (7)3.1.3 SPS(SimPowerSystems) (8)3.1.4 GUI（Graphical User Interfaces） (8)3.2 Establishment of the model (9)3.2.1 Infinite power system short-circuit fault simulation model (9)3.2.2 Simulation parameter settings (10)4 Simulation analysis (16)4.1 Analysis of three-phase short-circuit (16)4.2 Analysis of single-phase short circuit (18)4.3 Analysis of two-phase short circuit (22)4.4 Analysis of two-phase short circuit to ground (25)5 Conclusions (28)6 Outlook and prospect (28)References (29)Acknowledgement (30)基于MATLAB的电力系统短路故障分析与仿真继文（农业大学机械与电子工程学院 271018）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。
基于Matlab的电力系统短路故障分析与仿真
为 了保证 电力 系统运 行 的功能 和质量 ， 在设计 、 分析 和研究 时必须 保 证 系统 的静 态 和动 态 特性 ． 由 于在实 际系统 上进 行 试验 和研 究较 困难 ， 因此 借 助 各种 电力系统 动态仿 真软 件 电力 系统 的设计 和研究 已成为 有效途 径之一 ． 电力 系统仿 真 软 件有 很 多 ， 当今 比较 流行 的 主 要 有 Ｅ Ｔ （ ｌ ｔ ｍ ｇ ｅ ｃＴａ ｓ ｎｓ ｒｇ ｍ） 真 Ｍ Ｐ Ｅｅ ｒ ａｎ ｔ ｒ ｉ ｔ Ｐｏｒ 仿 ｃｏ ｉ ｎｅ ａ 程序 ， 国电力公 司 （ Ｔ ） 发 的 Ｐ Ｓ Ｅ（ ｏ ｅ ｙ． 美 Ｐ Ｉ开 Ｓ／ Ｐｗ ｒ ｓ Ｓ
Ｍ ｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔ ａ ｕｅ ｎｓ
Ｐ ａ ｏ ｈ ｓｒ ： ｅ ｎｓ Ｅｌ ｍｅ ｔ
Ｅｌｃ ｒ ｉ ｓ ｅ ｔｏｎ ｃ
囡 固 固
图 １ 电力 系统 工 具 箱模 块 库
收 稿 日期 ：０ ０—０ ２１ ５—３ ０
作 者简 介 ： 晓颖 （９ ２ ）女 ， 南 洛 阳人 ， 教 ， 士 研 究 生 ， 常 １８一 ， 河 助 硕 主要 从 事 电力 系 统 自动 化 方 面 的 研 究
得 出结 论 ， 简化计算 过程 ， 图 ２所示 如
路、 电力 电子 、 电机 等 电气工程 学科 中常用 的元件模
型 ， 些 元 件 模 型 分 布 在 ７个 模 块 库 中 ， 图 １所 这 如
华
北
水
利
水 电
学
院
学
报
基于MatlabSimulink的电力系统故障仿真与
基于Matlab/Simulink的电力系统故障仿真与分析112孙 浩 李 艳 张玉欣（1.吉林化工学院 信息与控制工程学院 电气工程系 吉林 吉林 132022；2.北华大学 电气信息工程学院 吉林 吉林 132021）摘 要： 以单机无穷大系统为例，研究系统发生短路故障后故障点的电压电流情况。
利用Matlab软件，在Simulink仿真平台上搭建短路故障模型进行仿真，仿真波形符合理论分析，表明Matlab具有强大的仿真功能，有助于提高电力系统研究和设计的效率和可信度。
关键词： 电力系统；短路故障；Simulink中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）1120023－02U S =220kV。
用三相故障元件来模拟短路故障，通过参数设置，该模0 引言块可以对相相和相地故障进行模拟。
通过Transition times可设置电力系统是一个大规模、时变的复杂系统，对国民经济起故障时间段，故障起始时间设为0.1s，切除时间设为0.25s。
其余着非常重要的作用。
随着电力工业的发展，在电力系统的研参数可用模块的默认值。
究、规划设计中，仿真软件的应用越来越广泛。
MATLAB仿真软件简单易学，使用方便，且提供了丰富的工具箱资源。
对于电力系统仿真，常用的模块库为标准SIMULINK模块库和电力系统模块库。
在Simulink仿真平台上搭建电力系统模型，若工具箱中现有元件模型达不到系统仿真的要求，可以建立子系统并进行封装[1]，使我们可以更加深入地研究电力系统的行为特性。
本文主要利用Matlab软件，在Simulik仿真平台搭建模型，设置参数，对系统短路故障进行仿真，仿真波形与理论分析相符。
1 电力系统短路故障仿真电力系统的故障可分为简单故障和复合故障。
简单故障指的是电力系统中某一处发生短路或断相故障的情况，而复合故障则是指两个以上简单故障的组合。
短路故障包括三相短路、图2 系统仿真模型单相接地短路、两相短路和两相短路接地；断相故障包括断一相、断两相故障。
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图 3 单机—无穷大系统 Figure.3 single machine infinite bus system Vt 是机端电压，X T 是变压器的电抗，X L1 和 X L 2 上图中， 最左端是发电机组， 是线路电抗， Vs 是无穷大电源电压。假设额定容量 Pn 200 E 6 (VA)，额定电压
1
基于MATLAB的电力系统故障分析与仿真 2.电力系统故障分析
2.1 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 （ K (3) ） 、 两相短路 （ K (2) ） 、 单相接地短路 （ K (1) ） 和两相短路接地（ K(1.1) ）；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。
基于MATLAB的电力系统故障分析与仿真
摘要
本文介绍了 MATLAB 软件在电力系统中的应用，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；GUI
(1)
0 ，有如下关系： 将式子（1）转换成各个序分量之间的关系。对于 U fA
U U fA fA (1) U fA (2) U fA (0) 0 I 0 可以得出： 根据 I fB fC
(2)
I 1 a fA(1) 1 1 a2 I fA(2) 3 1 1 I fA(0)
Vt 13.8 (KV), 额定频率 f n 50 Hz, 变压器的变比 k 13.8 / 230 ，无穷大电源电
压 Vs 220 (KV)。在接下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。 首先根据图 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， Pn ， Vn ， f n 按照上述的额定值进行设置，转子类型(Rotor type)：凸极 （Salient—Pole） ,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， 仿真 模型如图 4。
(7)
3
基于MATLAB的电力系统故障分析与仿真 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。
(3)
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 Figure.2 single-phase grounding compound sequence network 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，如下： (1) 电流分量 序电流分量为 ： 三相电流为：
I fA 3 I fA (1 ) 3U I fB I fC 0
fA 0
/ Z
(5)
(2) 电压分量 序电压分量为：
U U U
fA (1)
U
fA 0
I fA (1) Z (1) U Z (2) Z Z (0) Z
图 1 单相接地短路 Fig.1 single-phase grounding short circuit 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：
0 U fA I 0 I fB fC
I fA a2 I fA 1 a 0 I fA 3 0 1 I fA
2
基于MATLAB的电力系统故障分析与 Nhomakorabea真于是，单相短路接地时，用序分量表示的边界条件为：
U fA U fA(1) U fA(2) U fA(0) 0 I fA(1) I fA(2) I fA(0)
fA 0
( Z (2) Z (0) ) / Z
fA ( 2 )
U U
fA 0
(6)
fA ( 0 )
fA 0
三相电压为：
U U fA (1) U fA (2) U fA (0) 0 fA 2 2 2 U fB a U fA (1) aU fA (2) U fA (0) a a Z (2) a 1 Z (2) I fA (1) 2 2 aU U fA (1) a U fA (2) U fA (0) a a Z (2) a 1 Z (2) I fA (1) fC
III
基于MATLAB的电力系统故障分析与仿真 1．引言
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。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。
II
基于MATLAB的电力系统故障分析与仿真
摘要.......................................................................................................................................I Abstract............................................................................................................................ II 1．引言................................................................................................................................ 1 2.电力系统故障分析......................................................................................................... 1 2.1 故障基础知识...................................................................................................... 2 2.2 单相短路接地故障分析..................................................................................... 2 3 系统总体设计..................................................................................................................4 4 GUI 图形界面设计.......................................................................................................... 6 5 结果分析.......................................................................................................................... 7 6 结束语.............................................................................................................................. 9 参考文献............................................................................................................................ 10