MATLAB在電力系統短路故障仿真分析中的應用

2020-12-17 電氣新科技

作者簡要介紹了MATLAB / Simpowersystems在電力系統仿真分析中的應用。利用MATLAB中SIMULINK和Simpowersystems工具箱構建了一個簡單的電力系統輸電線路模型並進行了三相短路故障仿真分析。由仿真結果驗證了MATLAB 在電力系統研究方面是一個實用而且有效的工具。掌握MATLAB / SPS的使用對電力系統研究有很大的意義。

MATLAB是由美國Mathworks公司開發的大型軟體，包含了數學計算和工程仿真兩個部分。在數學計算部分，它提供了強大的矩陣處理和繪圖功能，在工程仿真部分，涵蓋了機械工程、生物工程、信息工程、電氣工程等諸多領域，其功能強大，並且正在不斷地完善。

隨著電力工業的發展，電力系統的規模越來越大，對電力系統運行的安全與穩定性要求越來越高，然而實現的難度卻越來越大。對於大型電力系統的研究，現場進行科研實驗實現的難度大且危險性大。因此，尋求一種最接近於電力系統實際運行狀況的仿真工具就變得尤為重要。

現有的電力系統仿真軟體主要有EMTP、SPICE、NETOMAC、PSASP、MATLAB等，他們有著各自的優缺點。比如WMTP適用於沒有換流器的大型電力網絡， SPICE適用於有電力電子系統的小型網絡[4]。與眾多的電力系統分析軟體相比，MATLAB具有易學、功能強大、開放性好、高效的數據仿真分析、方便靈活且價格便宜等優點。

MATLAB提供的Simulink工具箱和SPS（Simpowersystems）模塊庫是針對電氣系統的可視化建模仿真分析工具，兩者結合能快速而準確地對普通電路以及更複雜的電氣系統進行仿真計算。因此它已成為電力科研工作者和工程技術人員對電力系統進行仿真分析，優化設計和輔助分析的理想工具。

本文首先介紹了MATLAB的電力系統仿真環境Simulink與其主要使用的SPS模塊庫，再通過一個實例敘述用MATLAB軟體進行電力系統建模仿真並進行短路故障分析的基本過程。

1 SIMULINK簡介

Simulink是MATLAB進行電力系統仿真的重要平臺，Simulink下的SPS則提供建模仿真所需要的各種電力模型。

Simulink以工具庫的形式掛接在MALAB上，是一個對動態系統進行建模、仿真的軟體包。它為用戶提供了框圖式建模的模型接口，可以完成對連續系統、離散系統、連續和離散混合的線性和非線性系統的建模，也支持具有多種採樣速率的多速率系統動態性能的仿真與分析。

Simulink按功能分類包含Continuous(連續環節)、Discontinuous (非線性環節)、Discrete (離散環節)、Logic and Operations（邏輯與位操作）、Lookup Tables（查詢表）、Math Operations(數學運算)、Ports & Subsystems（埠和子系統）、Signal Attributes（信號屬性）、Signal Routing（信號路由）、Sinks（接收器）、Source(輸入源)等14類模塊庫。隨著軟體的發展，其子模型庫也在不斷地豐富和發展。

SPS是在Simulink環境下使用的模塊庫，它內部的模塊採用變步長積分法，可以對非線性、剛性和非連續系統進行精確的仿真，並精確地檢測出斷點和開關發生時刻[7]。SPS模塊庫涵蓋了包括電路、電力電子、電力系統等電工學科中的基本元件的仿真模型。主要有Electrical Sources（電源）、Elements（元器件）、Power Electronics（電力電子）、Machines（電機庫）、measurements（測量）、Application Libraries（應用庫）、Extra Libraries（附加元件庫)和Powergui（圖形用戶界面）。如圖1所示。

圖1 SPS模塊庫

在Simulink平臺下搭建好系統仿真模型後，啟動仿真按鈕就可對所建模型進行仿真。通過示波器（Scope）模塊和其他的畫圖模塊，可以在仿真進行的同時觀察仿真結果。並且經過相應設置，仿真的數據結果可以存放到MATLAB的工作空間（workspace）內，可供以後的計算、分析之用。

2 仿真模型的建立

電力系統中最常見的故障就是短路。短路主要分為三相短路、兩相短路、單相短路。其中三相短路出現的概率不高, 卻是電力系統最危險的故障, 而最常見的故障是單相接地短路, 約佔短路總故障的65%～70%。下面以一個簡單的電力系統為例，建立短路故障仿真模型，並驗證MATLAB在電力系統仿真中的有效性。

2.1 模型搭建

圖2.1所示為一簡單的供電系統電路圖，現利用Simulink對其進行仿真模型的建立，再對變壓器二次側線路發生短路故障情況進行仿真分析。

圖2.1 簡單的供電系統電路圖

在MATLAB命令窗口輸入simulink語句，在彈出的simulink窗口下新建一個mdl文件並對其進行新的命名後，就可以開始向其中拖入需要的模型進行系統建模了。根據圖2.1可知，構成該系統的主要模塊為發電機、輸電線路、三相變壓器、負載、故障元件、測量儀器。

本文擬定仿真的電力系統中,使用簡化同步電機( Simplified Synchronous Machine SI Units)作為系統的發電機；分別使用三相串聯RLC負載（three-phase series RLC load ）和三相併聯RLC負載（three-phase parallel RLC load）作為負載Load1和Load2；採用分布參數輸電線元件(Distributed Parameter Line)作為輸電線路；變壓器為兩繞組三相變壓器（three-phase transformer two windings ）；三相短路故障發生器元件(three-Phase Fault)作為短路故障發生器。

在SPS模塊庫選擇所需要的模塊，複製到新建的mdl文件中，再將它們布置好並連接起來。搭建好的仿真電路圖如圖2.2所示。

圖2.2 系統仿真模型

2.2 參數設置

簡化同步電機：額定視在功率為200MVA,電壓為2.3e5V,頻率為50Hz；和簡化同步電機模塊輸入埠相連的常數模塊機械功率（Pm）為1.7e6，勵磁參數設為（vf）55e3。

負載：Load1串聯RLC負荷為有功功率負荷,負荷大小為15MW，Load2並聯RLC容量為5MVA。三相變壓器：變壓器T的容量為210MVA,變比為230/13.8.高壓側額定電壓為220kv。

三相短路故障發生器元件:轉換狀態設為[1 0]；轉換時間，即故障起止時間設為[0.15 0.25]。測量選項選為Fault voltages and currents，即短路點的電壓與電流。

由於電力系統是帶發電機的剛性系統，因此採用ode15s,或者 ode23tb算法。本文選用變步長的ode23tb，仿真時間設置為0.4秒。

3 仿真分析

3.1電網正常運行狀態仿真

對三相故障發生元件不做任何設置，啟動仿真按鈕，結束後查看仿真波形，結果如圖3的(a)~(d)所示。通過各個波形可以看出電網正常運行時，Is、Vs各相幅值大小相等，相位相差120°。由於無故障發生，因而故障發生器處於斷開狀態，故障點沒有電流流過，所以If為0，而故障點的電壓Vf則相當於加載在輸電線路上的電壓。

圖3 正常運行時的電壓電流波形

3.2 三相短路故障仿真分析

本文對三相短路故障進行仿真分析。將三相故障元件的故障相選項A、B、C相都做勾選，並選擇故障相接地選項。對於兩相和單相短路故障仿真只需對相應故障相做勾選即可。做好設置後，激活仿真按鈕，查看仿真波形，結果如圖4的(a)~(d)所示。

圖4 三相短路故障時的電壓電流波形

根據波形可分析得：

機端電流Is：仿真開始時，三相短路故障元件斷開，電路處於穩定運行狀態，機端三相電流Is按正弦變化。0.15s時故障元件閉合，系統發生三相短路故障，機端三相電流發生變化，各相波形相對原來位置有所偏移。0.25s時，故障元件斷開，三相短路故障移除，機端電流恢復正弦變化。機端電壓Vs：穩定運行時機端三相電壓也按照正弦變化，在0.15~0.25s的三相短路故障期間，機端各相電壓的幅值均有相同幅度的減小，但依然按照正弦變化。故障切除後，電壓又恢復到故障前狀態。故障點電流If：仿真開始時，故障元件斷開，電路處於穩定運行狀態，因而故障點三相電流均為0。0.15s時故障元件閉合發生三相短路故障，故障點有電流通過，故故障點的A、B、C三相電流均發生了變化，相當於輸電線路上的電流。在0.25s時，故障元件斷開，三相短路故障移除，故障點的電流迅速下降為零。故障點電壓Vf：進入仿真時，電路屬於穩定運行，三項故障電壓相當於加載在輸電線路上的電壓。在0.15s時，故障元件閉合，由於發生了三相接地短路，故障點三相電壓迅速降為0。0.25s時故障切除，電壓恢復為輸電線電壓，並在故障剛切斷的時發生暫態波動。以上仿真結果與實際相符。改變系統中元器件等相關參數，能得到電力系統不同工況時的仿真結果，可以實現對電力系統的運行分析和故障判斷。

4 結語

通過一個簡單的電力系統模型，利用MATLAB進行建模仿真分析，仿真結果表明MATLAB具有強大的仿真功能。它這種模塊化的建模仿真分析方法避免了繁雜冗長的編程過程，且仿真結果逼近系統實際行為，是電力系統分析的理想工具。它方便、實用、靈活的特點，為電力系統研究者提供了一個有效的研究平臺。

（編自《電氣技術》，作者為劉晉。）

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