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matlab仿真论文：基于matlabsps的电力系统仿真与故障分析.pdf

电力经济研究电力经济研究263中国电力教育2010年第30期总第181期基于MATLAB/SPS的电力系统仿真与故障分析陆亚洲周福娜张豪摘要：电力系统输配电和控制问题日益复杂，经济性和安全性的要求使得无法进行实际电力系统故障试验。本文以MATLABR2009a电力系统工具箱为平台，通过SimPowerSyetem搭建了电力系统运行中常见的单机——无穷大系统模型，实验得到了该系统发生各种短路接地故障仿真结果。并用小波变换进行瞬态信号特征提取，准确地实现短路故障定位，可满足对电网进行可能故障分析的需要，从而为保障电力系统的安全、稳定运行提供实践指导作用。关键词：电力系统；故障仿真；MATLAB；SimPowerSyetem(SPS)作者简介：陆亚洲(1980-)，男，河南鲁山人，河南大学人事处，助教，主要研究方向：计算机仿真；周福娜(1978-)，女，河南鲁山人，河南大学计算机与信息工程学院，讲师，工学博士，主要研究方向：故障诊断、智能信息处理。(河南开封475004)基金项目：本文系河南省自然科学基金“数据驱动的复杂系统异常监控方法研究”(项目编号：2009A510001)的研究成果。电力是国家的支柱能源和经济命脉，随着电力系统规模的不断扩大，系统发生故障的影响也越来越大。其安全稳定运行不仅关系到国家的经济发展，而且维系国家、人民生命及财产安全。大区域联网电力系统故障停电将会给社会生产和人民生活造成重大经济损失，因此保证电力系统安全、稳定运行是电力行业发展的首要任务。[1]电力系统故障诊断主要包括电网故障诊断和电力设备故障诊断两部分。电网在运行中易受到多种因素的影响而发生故障，威胁系统的安全可靠性，因此迅速、准确地定位电网故障对提高供电可靠性、减少故障修复费用及停电损失具有重要理论意义和实用价值。目前，线路保护已经进入微机保护时代，电力系统继电保护中的信号处理仍以分析为主。[2]针对电力系统运行实际情况，从技术和安全上考虑无法行实际故障试验，在Matlab的Simulink动态系统仿真平台下，开展电力系统仿真与故障分析工作具有重要的实践指导价值。[4]一、电力系统动态仿真流程在判定一个电力系统设计的可行性时，通常需要先在计算机上进行动态仿真研究，它的突出优点是：可行、简便、经济。MATLAB环境下的Simulink是用于对复杂动态系统进行建模和仿真的图形化交互式平台。运行于Simulink下的SPS(SimPowerSystem)是以Hydro-Quebec 研究中心的专家为主的MATLAB开发工具箱，主要用于电力系统、电力电子、电路的仿真。使用SPS不需要学习复杂的软件命令和编写软件代码，用户可以专注于物理模型本身。Matlab电力系统工具箱包含的模块有：ElectricalSources(电源库)、Elements(元件库)、PowerElectronics(电力电子元件库)、Machines(电机库)、Connectors(连接器库)、Measurements(测量仪器库)、ExtraLibrary(附加元件库)、Demos(示例库)、Powergui(图形用户界面)等。[2，3]为了分析电力系统的特性，搭建的仿真系统应最大限度地再现实际电力系统。利用模块库中封装好的模块搭建系统，对各环节元件作了一定的理想化。对各元件的参数也作了一定的取舍与简化，随着模块库的不断更新与完善，利用已有搭建的系统基本能模拟实际电力系统的特性，已成为对电力系统进行分析、设计、仿真的一个有力工具。图1为电力系统SPS仿真流程。二、电力系统暂态故障仿真引起电力系统电网大扰动的原因主要有下列几种形式。(1)负荷的突然变化，如投入或切除大容量的用户等。(2)切除或投入系统的主要原件，如发电机，变压器及线路等。(3)发生短路故障。其中短路故障的扰动最为严重，常以此作为检验系统是否具有暂态稳定的依据。而且短路故障中，单相接地最多。在发生短路的情况下，电力系统从一种状态激烈变化到另一种状态，产生复杂的暂态现象。在三相系统中，可能发生的短路主要有：三相短路、两短路相接地和单相接地短路等。短路电流会引起电力系统的不正常运行，必须及时找DOI编码：10.3969/j.issn.1007-0079.2010.30.118启动Matlab/Simulink在Simulink下把相关电力系统元件模块拖入model文件中联接各模块并进行参数设置，SPS检查错误，若有则显示相关信息在Simulink/SimulinkParameters对话框中设定合适的变步长积分方法把故障输出波形导入Workplace，对其进行小波变换，进行分析对本次仿真进行分析总结仿真开始，SPS会进行检查模型，若通过，Simulink开始数值积分示波器输出波形，仿真结果也可以用文件保存在系统分析图形界面Powergui模块下，选择潮流向量算法Phasor，进行设定图1电力系统SPS仿真流程电力经济研究电力经济研究264中国电力教育2010年第30期总第181期提取提供了依据。将SPS仿真的故障数据导入Matlab的workspace，图3是未处理的原始时域信号。在Matlab中利用小波变可实现故障仿真数据的特征提取和定位，如图4和图5所示。比较图3和图4可知，单相接地短路故障发生瞬间，对信号进行小波变换后会产生明显的突变高频分量，第一次突变为故障发生时，第二次突变为故障切除时。将第一次分解后的低频部分再做小波变换，比较图4和图5可知，受小波变换时间窗延迟的影响在第二次中，突变的高频分量包含了其他干扰。若设定发生短路故障的时间为3秒短路，3.6秒恢复，也可通过小波变换很好地提取故障特征信息。多次实验结果表明，小波变换后的波形与时频无关，同种故障在其他参数都一致的情况下小波变换后的小波系数曲线几乎完全一致，且只要系统发生突变，突变点就会被检测出来。由此可知，对于任何未知的故障信号，经过小波变换后，可以把高频分量作为特征信息，辅助实现故障定位。四、结论本文在MATLAB/SPS平台下搭建了电力系统运行中常见的单机—无穷大系统模型，可得到该系统发生各种短路接地的故障仿真结果。用小波变换进行瞬态信号特征提取，能准确地实现短路故障定位，对于提高电力系统的稳定性具有十分重要的意义。到短路故障发生的原因，如果短时间无法排除故障，那就必须停止线路运行。长时间不能排除故障线路负载，将会危及配电网安全运行，甚至发生事故。[1，2]本文采用的仿真模型是单机—无穷大系统，仿真图如图2所示。单机—无穷大系统认为功率无穷大，频率、电压恒定，是工程上最常用的手段，也是电力系统模拟仿真最简单、最基本的运行方式，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。[7]假定联络阻抗为纯电感，则由发电机向无穷大系统送出去的有功功率P为：sinPZEUm:=d!(1)式中Z!—包括发电机阻抗在内的发电机电动势到无穷大系统母线的总阻抗；δ—功角；Em—发电机电势；U—系统母线电压。假定在发电机高压母线上发生三相金属性短路，经T时间后切除故障，拟采用仿真来观察发电机运行情况。我国目前仍然以短路故障作为考核暂态稳定的扰动模式之一。[5，7]因此在以下的仿真中采用的故障形式为短路故障。