基于MATLAB的電力系統(tǒng)短路故障分析與仿真

基于MATLAB的電力系統(tǒng)短路故障分析與仿真,基于,matlab,電力系統(tǒng),短路,故障,分析,仿真 · ……………………. ………………. ………………… 山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 畢 業(yè) 論 文 基于MATLAB的電力系統(tǒng)短路故障分析與仿真 院 部 機(jī)械與電子工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 電氣工程及其自動(dòng)化5班 屆 次 2015屆 學(xué)生姓名 劉繼文 學(xué) 號(hào) 20110747 指導(dǎo)教師 劉雙喜 二О一五年六月六日 裝 訂 線 ……………….……. …………. …………. ……… 目 錄 摘要 I Abstract II 1 引言 1 1.1 課題研究的背景 1 1.2 課題研究的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 1 2 短路故障分析 1 2.1 近年來(lái)短路故障 1 2.2 短路的定義及其分類 2 2.3 短路故障產(chǎn)生的原因及危害 4 2.4 預(yù)防措施 4 2.5 短路故障的分析診斷方法 5 3 仿真與建模 6 3.1 仿真工具簡(jiǎn)介 6 3.1.1 MATLAB的特點(diǎn) 6 3.1.2 Simulink簡(jiǎn)介 7 3.1.3 SPS(SimPowerSystems) 8 3.1.4 GUI（圖形用戶界面） 8 3.2 模型的建立 8 3.2.1 無(wú)限大電源系統(tǒng)短路故障仿真模型 8 3.2.2 仿真參數(shù)的設(shè)置 9 4 仿真結(jié)果分析 16 4.1 三相短路分析 16 4.2 單相短路分析（以A相短路為例） 18 4.3 兩相短路（以A、B相短路為例） 22 4.4 兩相接地短路（以A、B相短路為例） 25 5 結(jié)論 28 6 前景與展望 28 參考文獻(xiàn) 29 致 謝 30 I Contents Abstract II 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 6 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 8 3.2.1 Infinite power system short-circuit fault simulation model 8 3.2.2 Simulation parameter settings 9 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 I 基于MATLAB的電力系統(tǒng)短路故障分析與仿真 劉繼文 （山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院 泰安 271018） 摘要：短路是電力系統(tǒng)中最容易發(fā)生的故障，每年因短路而引發(fā)的電氣事故不計(jì)其數(shù)。本文詳細(xì)介紹了短路故障產(chǎn)生的原因以及危害等，并重點(diǎn)介紹了Simulink仿真工具在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。利用電力系統(tǒng)工具箱SPS和Simulink模塊可以對(duì)電力系統(tǒng)故障進(jìn)行仿真。在仿真平臺(tái)上，以無(wú)限大電源系統(tǒng)為建模對(duì)象，經(jīng)過(guò)模塊選擇，連線，參數(shù)設(shè)置等步驟，對(duì)電力系統(tǒng)可能出現(xiàn)的三相短路、單相短路、兩相短路以及兩相接地短路幾種故障進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，波形與理論分析基本一致，由此說(shuō)明MATLAB在電力系統(tǒng)仿真研究中具有重要的實(shí)用價(jià)值[1]。 關(guān)鍵詞：短路 電力系統(tǒng) MATLAB 故障 仿真 Analysis and Simulation of Short Circuit Fault in Power System Based on MATLAB Jiwen Liu (college of mechanical and electronic engineering , Shandong Agricultural University, Tai’an, 271018) Abstract：Short circuit is most likely to occur in power system fault, there are countless electrical accidents each year due to short circuits . This paper expounds the causes of faults and hazards, and focuses on the application of Simulink simulation tools in power system. PSB and Simulink Toolbox modules can use electric power system simulation for power system failures. On the simulation platform, with infinite power source system for modeling objects through module selection, connection, steps such as parameter settings, on possible three-phase short circuit, single-phase power system short circuit, two-phase short circuit fault simulation of two-phase short circuit to ground. Simulation results show that the waveform analysis are consistent with the theory that illustrate the MATLAB in simulation of power system is of significant practical value. Keywords：short circuit; power system; MATLAB; fault; simulation I 1 引言 1.1 課題研究的背景 隨著電力工業(yè)的迅猛發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模越來(lái)越大，如今已成為世界上覆蓋面最廣、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的人造系統(tǒng)之一。眾所周知，電能的生產(chǎn)、輸送、分配和使用四個(gè)環(huán)節(jié)是同時(shí)進(jìn)行的，即電能不能夠被儲(chǔ)存。因此，如何生產(chǎn)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)的電能以保證電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行成了當(dāng)今值得關(guān)注的課題。正是由于電力系統(tǒng)的特殊復(fù)雜性，許多電力系統(tǒng)故障也隨之發(fā)生，其中以短路故障最為嚴(yán)重。最近幾年，國(guó)內(nèi)外發(fā)生了多次重大停電事故，由此造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也嚴(yán)重影響了人民的正常生產(chǎn)、生活秩序[2]。因此，研究電力系統(tǒng)中的短路故障問(wèn)題，尤其是短路電流問(wèn)題一直受到電力科技工作者的高度重視[3]。 1.2 課題研究的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 基于電力系統(tǒng)的復(fù)雜程度以及從安全性角度考慮，許多電力系統(tǒng)試驗(yàn)已無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室中模擬進(jìn)行。因此，國(guó)內(nèi)外從上世紀(jì)80年代開(kāi)始對(duì)電力系統(tǒng)故障分析做了大量的研究工作，并提出了許多故障診斷方法，但是實(shí)際上并沒(méi)有得到有效的解決?？紤]到電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，從技術(shù)和安全角度來(lái)講，已經(jīng)無(wú)法進(jìn)行科學(xué)的實(shí)驗(yàn)。所以，開(kāi)展電力系統(tǒng)故障仿真就顯得頗具現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。借助于計(jì)算機(jī)，一系列的仿真軟件開(kāi)始誕生。當(dāng)前，我們應(yīng)用的電力系統(tǒng)仿真軟件主要有： （1） PSCAD/EMTDC程序：其功能是研究當(dāng)電力系統(tǒng)遭受擾動(dòng)或者參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，觀察參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律[4]。 （2） EMTP程序：其功能是進(jìn)行電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)計(jì)算，電力系統(tǒng)暫態(tài)保護(hù)裝置的綜合選擇以及電力系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)電壓分析等[5]。 （3） PSASP程序：其功能是進(jìn)行電力系統(tǒng)暫態(tài)分析、穩(wěn)態(tài)分析以及故障分析等。 當(dāng)然，除此之外還有MathWorks公司開(kāi)發(fā)的MATLAB應(yīng)用軟件。由于MATLAB具有強(qiáng)大的計(jì)算功能、良好的動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境以及豐富的內(nèi)置工具箱，因此逐漸成為電路、電力電子以及電力系統(tǒng)等模塊的重要仿真工具。 2 短路故障分析 2.1 近年來(lái)短路故障 我們先來(lái)看幾組數(shù)據(jù)： 2000年12月25日21時(shí)35分，河南省洛陽(yáng)市老城區(qū)的東都商廈發(fā)生特大火災(zāi)，正在二、三樓施工的部分民工以及四樓歌舞廳內(nèi)的200多人被大火圍困。經(jīng)有關(guān)部門確認(rèn)，火災(zāi)已造成309人死亡，此次火災(zāi)是由于線路老化而造成短路引起的災(zāi)難[6]。 2005年11月27日21時(shí)22分，黑龍江省龍煤礦業(yè)公司七臺(tái)河分公司東風(fēng)煤礦發(fā)生特大事故，造成171人死亡，48人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)4292.1萬(wàn)元。事故原因是采掘機(jī)電機(jī)短路引起火花，從而引發(fā)瓦斯爆炸。 2008年9月20日22時(shí)49分，深圳龍崗區(qū)舞王俱樂(lè)部發(fā)生火災(zāi)，導(dǎo)致44人死亡，64人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)七千萬(wàn)。事故的直接原因是舞臺(tái)照明線路和施放焰火同時(shí)起火引發(fā)的。 2015年5月25日19時(shí)55分，河南平頂山市魯山縣城西琴臺(tái)辦事處三里河村一老年康復(fù)中心發(fā)生火災(zāi)，經(jīng)過(guò)搶險(xiǎn)人員全力搶救，共救出44人，其中：38人死亡、4人輕傷、2人重傷，事故原因?yàn)榫€路老化。 以上報(bào)道，不是危言聳聽(tīng)，都是發(fā)生的真實(shí)案例。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年全國(guó)電氣火災(zāi)數(shù)量占總火災(zāi)比重為29.9%，但人員傷亡比重為32.5%，經(jīng)濟(jì)損失比重為41.4%。由此可見(jiàn)，電氣火災(zāi)事故往往會(huì)造成更高的人員傷亡和更大的經(jīng)濟(jì)損失。 2.2 短路的定義及其分類 短路是指不同電位的導(dǎo)電部分包括導(dǎo)電部分對(duì)地之間的低阻性短接。 根據(jù)短路發(fā)生的部位不同，短路故障可以分為4種類型：三相短路（K(3)）、單相接地短路（K(1)）、兩相短路（K(2)）和兩相接地短路（K(1,1)）。三相短路屬于對(duì)稱性短路，而其他形式為不對(duì)稱短路。在電力系統(tǒng)中，發(fā)生單相短路的概率最大，大約能占到故障發(fā)生總數(shù)的65%；而發(fā)生三相短路的概率最小，但是一般情況下，特別是遠(yuǎn)離電源（發(fā)電機(jī)）的工廠供電系統(tǒng)中，三相短路的短路電流最大，因此它造成的危害也最嚴(yán)重。 Ik(3) 三相短路是指三相供配電系統(tǒng)三相導(dǎo)體間的短路，如圖2-1所示。 K(3) A B C 電源 O 負(fù)荷 圖2-1 三相短路 兩相短路是指三相供配電系統(tǒng)中任意兩相導(dǎo)體間的短路，如圖2-2所示。 A B C 電源 O 負(fù)荷 K(2) Ik(2) 圖2-2 兩相短路 A 單相短路是指供配電系統(tǒng)中任一相經(jīng)大地與中性點(diǎn)或與中線發(fā)生的短路，如圖2-3所示。 負(fù)荷 電源 B K(1) O C Ik(1) 圖2-3（a） 單相短路 K(1) O 負(fù)荷 A 電源 B C Ik(1) N 圖2-3（b） 含中性線的單相短路 兩相接地短路是指中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中任意兩相發(fā)生單相接地而產(chǎn)生的短路，如圖2-4所示。 A B C 電源 O 負(fù)荷 K(1，1) Ik(1，1) 圖2-4 兩相接地短路 2.3 短路故障產(chǎn)生的原因及危害 工廠供電系統(tǒng)要不間斷地、正常地對(duì)用電負(fù)荷供電，從而保證工廠生產(chǎn)和生活的正常進(jìn)行。但是，由于種種原因，也會(huì)難免出現(xiàn)故障，進(jìn)而使得電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性運(yùn)行遭到破壞。在實(shí)際生活中，造成短路故障的原因有很多，其中最主要的原因是電氣設(shè)備載流部分的相間絕緣或者相地絕緣遭到破壞，例如： （1）設(shè)備被過(guò)電壓（包括雷電過(guò)電壓）擊穿[7]； （2）設(shè)備長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行、絕緣自然老化； （3）設(shè)備質(zhì)量低劣、絕緣強(qiáng)度不夠； （4）設(shè)備發(fā)生閃絡(luò)，被正常電壓擊穿； （5）設(shè)備受到外力的作用使絕緣受損而擊穿； （6）老鼠等咬壞線路，或者跨越在線路之間； （7）工作人員誤操作。 總之，短路故障產(chǎn)生的原因既有客觀因素，也有主觀因素，只要監(jiān)管人員有較強(qiáng)的責(zé)任心，嚴(yán)格執(zhí)行各種規(guī)章制度，以身作則，就可以把短路故障控制在一個(gè)最小的范圍之內(nèi)，從而得到最大效益。 短路發(fā)生后，系統(tǒng)中出現(xiàn)的短路電流要比正常負(fù)荷電流大得多。在大電力系統(tǒng)中，短路電流可以達(dá)到幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)安培。短路電流如此之大，所產(chǎn)生的危害也是巨大的： （1） 短路電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，產(chǎn)生的熱效應(yīng)會(huì)引起導(dǎo)體或其絕緣受損； （2） 導(dǎo)體由于受到電動(dòng)力的沖擊而變形，甚至損壞； （3） 短路會(huì)引起電網(wǎng)中電壓降低，并且越靠近短路點(diǎn)，電壓下降越多，結(jié)果可能是使部分用戶的供電受到破壞。 （4） 不對(duì)稱接地短路所引起的不平衡電流所產(chǎn)生的不平衡磁通，會(huì)在鄰近的平行通信線路內(nèi)感應(yīng)出相當(dāng)大的電動(dòng)勢(shì)，造成對(duì)通信系統(tǒng)的干擾，甚至危及設(shè)備和人身的安全[8]。 （5） 短路會(huì)破壞發(fā)電機(jī)的同步性，從而造成系統(tǒng)瓦解，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)大片地區(qū)停電。 2.4 預(yù)防措施 預(yù)防短路故障的主要措施是限制短路電流、縮短短路電流的持續(xù)時(shí)間、減少發(fā)生短路的機(jī)會(huì)。具體講就是： （1）為了保證電氣設(shè)備的額定電壓與線路的額定電壓相符，必須進(jìn)行短路電流的計(jì)算，正確選擇及校驗(yàn)電氣設(shè)備。 （2）為了確保發(fā)生短路時(shí)迅速將故障切除，減少短路所造成的危害，我們應(yīng)該采用電流速斷保護(hù)裝置，并且要正確選擇熔體的額定電流和繼電保護(hù)的整定值。 （3）為了減少雷擊損害，必須在變壓器附近安裝避雷器，在線路和變電站上安裝避雷針。 （4）為了限制短路電流，可以采用電抗器增加系統(tǒng)阻抗。 （5） 為了使非故障部分能繼續(xù)運(yùn)行，需要把故障線路或設(shè)備從電力系統(tǒng)中迅速除掉。 （6）要經(jīng)常對(duì)線路、設(shè)備進(jìn)行巡視檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷，并迅速進(jìn)行檢修。線路施工完畢后應(yīng)立即拆除接地線。保證架空線路施工質(zhì)量，加強(qiáng)線路維護(hù)，始終保持線路弧垂一致并符合規(guī)定[9]。 （7）嚴(yán)格執(zhí)行電力系統(tǒng)五防措施，即防止務(wù)分、務(wù)合斷路器；防止帶負(fù)荷分合隔離開(kāi)關(guān)；防止帶電掛接地線；防止帶接地線合隔離開(kāi)關(guān)；防止誤入帶電間隔。 （8）為了防止粉塵進(jìn)入電氣設(shè)備，要及時(shí)清理；為了防止小動(dòng)物進(jìn)入變電站，要加強(qiáng)管理，嚴(yán)格把關(guān)。 2.5 短路故障的分析診斷方法 電力系統(tǒng)短路故障隨時(shí)都有可能發(fā)生，因此我們要對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)生故障，要迅速作出診斷，確定發(fā)生故障的類型并及時(shí)排除。當(dāng)然，分析短路故障問(wèn)題，還有助于我們進(jìn)行電氣設(shè)備的選擇及校驗(yàn)。目前，我們分析短路故障主要有以下幾種方法。 （1）基于專家系統(tǒng)的診斷方法 　　專家系統(tǒng)（expert-system）是根據(jù)專家推理的方法，利用計(jì)算機(jī)模型來(lái)解決問(wèn)題的一種故障診斷方法。按照所用推理策略和故障診斷知識(shí)的不同，專家系統(tǒng)可以分為兩類。第一類是基于啟發(fā)式規(guī)則推理的系統(tǒng)，即把繼電保護(hù)、斷路器的動(dòng)作邏輯以及運(yùn)行人員的診斷經(jīng)驗(yàn)用一定的規(guī)則表示出來(lái)，以此來(lái)形成一個(gè)比較系統(tǒng)的專家知識(shí)庫(kù)。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，能夠立即將故障與知識(shí)庫(kù)中的類型進(jìn)行匹配，這樣就可以迅速判斷故障并及時(shí)排除。這是目前最有效的一種診斷方法，因此它的應(yīng)用范圍比較廣泛。第二類是結(jié)合正、反推理的系統(tǒng)，即把正向推理與反向推理兩種方法混合起來(lái)，首先根據(jù)正向推理建立一定的規(guī)則，然后通過(guò)反向推理進(jìn)行驗(yàn)證，這樣就可以大大減小故障發(fā)生的范圍，從而可以根據(jù)實(shí)際值與理論值的對(duì)比來(lái)計(jì)算可信度[10]。采用混合推理方法能夠同時(shí)提高該系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)能力與適應(yīng)性。 （2）基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷方法 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN-artificial-neural-network）的診斷方法是由美國(guó)Pitts等人率先提出的，它的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段，目前應(yīng)用于電力系統(tǒng)故障診斷的ANN有：基于BP（ackpropagation）算法的前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和基于徑向基函數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。該故障診斷的過(guò)程為：首先根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部表達(dá)，對(duì)輸入樣本進(jìn)行前向計(jì)算；然后比較網(wǎng)絡(luò)的輸出與期望輸出之間的誤差，若誤差滿足條件，則訓(xùn)練結(jié)束；否則，將誤差信號(hào)按原有的通路反向傳播，逐層調(diào)整權(quán)值和閥值，如此反復(fù)，直至滿足誤差精度的要求?！　? （3）基于優(yōu)化技術(shù)的診斷方法 基于優(yōu)化技術(shù)（optimization-methods）的診斷方法是一種基于數(shù)學(xué)模型的診斷方法，它的基本思路是將把電力系統(tǒng)的故障診斷問(wèn)題描述成為“0-1”整數(shù)規(guī)劃的問(wèn)題，并構(gòu)造了一種數(shù)學(xué)解析模型，應(yīng)用優(yōu)化技術(shù)來(lái)尋找問(wèn)題的最優(yōu)解。　　 （4）基于Petri網(wǎng)絡(luò)的診斷方法 　　在離散事件系統(tǒng)建模中，Petri網(wǎng)絡(luò)是一種理想的工具，通過(guò)構(gòu)造有向圖組合模型，形成了以矩形運(yùn)算來(lái)描述的嚴(yán)格的數(shù)學(xué)對(duì)象。在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可以把其看做是一個(gè)動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)，并且故障的發(fā)生屬于一個(gè)離散的過(guò)程，通過(guò)各類保護(hù)的動(dòng)作和各級(jí)電壓的變化來(lái)反映故障，將故障切除的過(guò)程看做是一系列活動(dòng)事件的組成，與對(duì)應(yīng)的實(shí)體相聯(lián)系。動(dòng)態(tài)事件主要包括實(shí)體活動(dòng)（例如斷路器、繼電保護(hù)裝置等）和信息流活動(dòng)（例如信號(hào)傳遞、控制指令發(fā)送、各檢測(cè)信號(hào)流等）[11]。 （5）基于粗糙集理論的診斷方法 粗糙集理論（rough-set-theory）是波蘭專家Z.Pawlak在1982年提出的一種新型數(shù)學(xué)工具，對(duì)于處理不確定性和不完整性的問(wèn)題具有重要的實(shí)用價(jià)值[12]。它能夠有效地分析和處理不一致、不精確、不完整等一系列的不完備數(shù)據(jù)，不需要像其他方法一樣依賴處理問(wèn)題所需的數(shù)據(jù)之外的先驗(yàn)信息，而且它能夠挖掘隱含的知識(shí)，發(fā)現(xiàn)潛在的規(guī)律。鑒于其優(yōu)越性，現(xiàn)在已經(jīng)漸漸稱為發(fā)展的新趨向，而且不少相關(guān)的研究人員已經(jīng)在嘗試把其引人到故障診斷系統(tǒng)中。 （6）基于模糊集理論的診斷方法 模糊集理論(fuzzy-set-theory）在電力系統(tǒng)故障診斷中分為兩種情況：一種認(rèn)為診斷所依據(jù)的信息正確，但故障與對(duì)應(yīng)的動(dòng)作保護(hù)裝置和斷路器狀態(tài)之間存在不確定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以及用模糊隸屬度對(duì)這種可能性進(jìn)行描述的度量；另一種則認(rèn)為診斷所依據(jù)的報(bào)警信息錯(cuò)誤，而根據(jù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c故障所發(fā)生的動(dòng)作保護(hù)、斷路器狀態(tài)賦予報(bào)警信息的可信度，再由專家系統(tǒng)或ANN給出故障診斷結(jié)果的模糊輸出[13]。 （7）基于多代理系統(tǒng)的診斷方法 多代理系統(tǒng)（multi-agent system，以下簡(jiǎn)稱MAS）被看做是一種分布式的、智能化的、基于人工的試驗(yàn)平臺(tái)[14]，當(dāng)某些復(fù)雜的問(wèn)題無(wú)論是在邏輯上或者物理上可以進(jìn)行分解時(shí)，每個(gè)問(wèn)題即子問(wèn)題就會(huì)擁有屬于自己的信息，所以，只有各個(gè)子問(wèn)題相互融合才能求解最終的問(wèn)題。MAS研究的重點(diǎn)在于如何協(xié)調(diào)在邏輯上或物理上分離的、具有不同目標(biāo)的多個(gè)Agent的行為，使其聯(lián)合采取行動(dòng)或求解問(wèn)題，協(xié)調(diào)各自的知識(shí)、希望、意圖、規(guī)劃、行動(dòng)，以對(duì)其信息、資源進(jìn)行合理安排，最大限度地實(shí)現(xiàn)各自的目標(biāo)和總體目標(biāo)，以對(duì)更復(fù)雜、更大規(guī)模的問(wèn)題的解決起到重要作用。MAS是解決大規(guī)模電力系統(tǒng)故障診斷問(wèn)題很有前途的發(fā)展方向。但MAS中各Agent的知識(shí)和行為、協(xié)調(diào)與協(xié)作是有待深入解決的核心問(wèn)題[15]。 3 仿真與建模 3.1 仿真工具簡(jiǎn)介 我們?cè)谝灾幸呀?jīng)了解到，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的仿真軟件主要有PSCAD、EMTP以及MATLAB等，由于本文的研究重點(diǎn)是建立在MATLAB的基礎(chǔ)上進(jìn)行電力系統(tǒng)短路故障的仿真，所以以下僅介紹MATLAB仿真工具。 3.1.1 MATLAB的特點(diǎn) MATLAB是matrix和laboratory兩個(gè)單詞的組合，各取前三個(gè)字母組成一個(gè)詞，意為矩陣工廠（矩陣實(shí)驗(yàn)室）。它是由美國(guó)MathWorks公司開(kāi)發(fā)的高級(jí)數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件，主要用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算，是一種高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言，并且適用于交互式環(huán)境，是當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的代表。MATLAB的功能之所以強(qiáng)大，是因?yàn)樗邆湟韵绿攸c(diǎn)： （1） 語(yǔ)言簡(jiǎn)潔，使用靈活，庫(kù)函數(shù)豐富。MATLAB的程序書(shū)寫形式自由，由于程序自帶函數(shù)庫(kù)，所以用戶可以根據(jù)自己的要求直接調(diào)用庫(kù)函數(shù)，這樣就不用再書(shū)寫復(fù)雜的子程序了 ，從而可以省略一些不必要的編程任務(wù)。需要指出的是，庫(kù)函數(shù)中的程序都是由該領(lǐng)域的專家編寫的，所以，其可靠性是不容置疑的。 （2） 運(yùn)算符豐富。我們都知道，C語(yǔ)言的運(yùn)算符是非常豐富的，而MATLAB是用C語(yǔ)言編寫的，所以，MATLAB的運(yùn)算符也是十分龐大的。靈活運(yùn)用運(yùn)算符將使編程容易很多。 （3） 高效性。MATLAB具有結(jié)構(gòu)化的控制語(yǔ)句，比如for循環(huán)、while循環(huán)以及if、else語(yǔ)句等，因此，其語(yǔ)句功能十分強(qiáng)大。 （4） 簡(jiǎn)單易學(xué)，適于應(yīng)用。MATLAB不需要用戶具有高深的數(shù)學(xué)功底，也不需要強(qiáng)大的程序設(shè)計(jì)能力，更不需要用戶深刻的了解算法以及編程技巧，初學(xué)者只要肯鉆研，輕松掌握并不是夸夸其談。同時(shí)，MATLAB的程序設(shè)計(jì)并不嚴(yán)格，自由度較大。 （5） 可移植性好。編寫好的程序可以進(jìn)行直接拷貝，在不同的計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)中可以順利執(zhí)行。 （6） 圖形功能強(qiáng)大。在MATLAB里，數(shù)據(jù)的可視化非常簡(jiǎn)單，具有較強(qiáng)的圖形編輯能力。 （7） 可擴(kuò)展性。MATLAB包含功能強(qiáng)大的工具箱，可以分為功能性工具箱和科學(xué)性工具箱兩類。功能性工具箱主要用來(lái)擴(kuò)充其符號(hào)計(jì)算功能、文字處理功能、圖示建模仿真功能以及與硬件實(shí)時(shí)交互功能[15]。學(xué)科性工具箱是專業(yè)性比較強(qiáng)的，如control toolbox, signal processing toolbox, communication toolbox 等。這些工具箱都是專業(yè)人士編寫好的，用戶可以直接使用，無(wú)需自己再去編寫。 （8）開(kāi)放的源程序。除了自帶的函數(shù)外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都可以進(jìn)行讀寫操作，用戶可根據(jù)源文件進(jìn)行修改，這樣可以成為自己的工具箱。 3.1.2 Simulink簡(jiǎn)介 Simulink是MATLAB軟件中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATALB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，同時(shí)是一個(gè)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的軟件包，憑借其強(qiáng)大的功能被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制以及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以對(duì)各種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的交互環(huán)境進(jìn)行建模、分析和仿真，其中包括連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)，也可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或者兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率的系統(tǒng)。Simulink提供了一種通過(guò)鼠標(biāo)拖拽來(lái)建立系統(tǒng)框圖模型的圖形交互平臺(tái)。Simulink庫(kù)里有豐富的各種功能模塊，用戶可以根據(jù)自己的需要迅速地創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口（GUI），這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)就能夠完成，它提供了一種更快捷、更直接的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。同時(shí)Simulink還集成了Stateflow，用來(lái)建模和仿真復(fù)雜事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的邏輯行為。 Simulink由模塊庫(kù)、模型構(gòu)造及分析指令、演示程序三部分構(gòu)成。在Simulink環(huán)境中，對(duì)于由微分方程或者查分方程描寫的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，用戶無(wú)需編寫文本形式的程序，而只要通過(guò)一些簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)操作就可以形象地建立所期望的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行仿真和分析研究。運(yùn)行Simulink有三種方式： （1） 在MATLAB的命令窗口鍵入simulink指令，敲擊回車即可； （2） 點(diǎn)擊MATLAB工具條上的simulink快捷鍵圖標(biāo)； （3） 在MATLAB菜單中，執(zhí)行File→New→Model操作，會(huì)彈出新建立的模型窗口，名為untitled。 3.1.3 SPS(SimPowerSystems) 在Simulink窗口中，我們可以很清楚的看到，有一個(gè)專門為電氣仿真所建立的窗口，即SimPowerSystems。用戶可以應(yīng)用SPS模塊方便地進(jìn)行電力系統(tǒng)分析、仿真、數(shù)值處理和設(shè)計(jì)，根據(jù)自己所建立的數(shù)學(xué)模型和具體的模擬要求，從模塊庫(kù)中選擇合適的模塊并組合在一起，直接對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析和計(jì)算[16]。SPS涵蓋了電路、電力電子、電力系統(tǒng)和電氣傳動(dòng)等電氣學(xué)科中常用的基本元件和系統(tǒng)的仿真模型，為電力研究者帶來(lái)了很大的便利。它由以下8個(gè)子模塊庫(kù)組成：電源元件庫(kù)(Electrical Sources)；基本線路元件庫(kù)(Elements)；附加元件庫(kù)(Extra Library)；電機(jī)元件庫(kù)(Machines)；測(cè)量元件庫(kù)(Measurements)；相位元件庫(kù)(Phasor Elements)；電力電子元件庫(kù)(Power Electronics)；電力系統(tǒng)分析元件模型(Powergui)。 3.1.4 GUI（圖形用戶界面） GUI是Graphical User Interfaces的簡(jiǎn)稱，通常是一種包含多種圖形對(duì)象的界面，典型的圖形界面包括圖形顯示、功能按鈕控件以及用戶自定義的功能菜單等。為了讓界面實(shí)現(xiàn)各種功能，用戶需要對(duì)各個(gè)圖形對(duì)象進(jìn)行布局和事件編程。這樣，當(dāng)用戶激活對(duì)應(yīng)的GUI對(duì)象時(shí)，就能執(zhí)行相應(yīng)的事件行為。最后，必須保存和發(fā)布自己創(chuàng)建的GUI，使得用戶可以應(yīng)用GUI對(duì)象。GUI中最重要的三種方法是：使用M文件創(chuàng)建GUI對(duì)象，使用GUIDE創(chuàng)建GUI對(duì)象和標(biāo)準(zhǔn)菜單的定制。 3.2 模型的建立 3.2.1 無(wú)限大電源系統(tǒng)短路故障仿真模型 電力系統(tǒng)是由發(fā)電機(jī)、變壓器、電力線路和電力用戶等組成的整體，是集生產(chǎn)、輸送、分配和消費(fèi)電能的統(tǒng)一系統(tǒng)。除此之外，電力系統(tǒng)還包括由繼電保護(hù)裝置、電力通信裝置、安全自動(dòng)裝置、調(diào)度自動(dòng)化裝置以及通過(guò)機(jī)械或電的方式聯(lián)入電力系統(tǒng)中的設(shè)備(如發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、調(diào)速器等)等構(gòu)成的輔助系統(tǒng)，通常我們稱之為二次系統(tǒng)，以保證電力系統(tǒng)的安全與可靠運(yùn)行。電力網(wǎng)絡(luò)是電力系統(tǒng)中輸送、變換和分配電能的一部分，輸電網(wǎng)絡(luò)一般是電力系統(tǒng)中最高電壓等級(jí)的電網(wǎng)，是電力系統(tǒng)的主要網(wǎng)絡(luò)[17]。同時(shí)，輸電線路還有聯(lián)絡(luò)相鄰電力系統(tǒng)和聯(lián)系相鄰樞紐變電所的作用。而配電網(wǎng)是將電能從樞紐變電所分配到配電變電所后，再向用戶供電的電力網(wǎng)絡(luò)。 因此，基于上述理論，本文以單機(jī)無(wú)窮大電源系統(tǒng)作為仿真模型，如圖3-1所示。電源容量設(shè)為5000MVA，發(fā)電機(jī)端電壓為500KV；線路L的長(zhǎng)度為200km,；變壓器采用雙繞組變壓器，接法為Y/Yg，變比為500/121，容量設(shè)為100MVA，短路損耗100KW，空載損耗25KW，空載電流I0%=0.8，短路電壓百分?jǐn)?shù)為10.5%，在0.04s時(shí)刻變壓器低壓母線發(fā)生短路故障，0.08s時(shí)刻故障切除。 K T L S ～ G1 圖3-1 系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖 依據(jù)系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖，我們可以在MATLAB中執(zhí)行simulink命令，新建一個(gè)名為“fangzhen”的文件，進(jìn)而在simulink庫(kù)中找到我們所需要的元件，通過(guò)鼠標(biāo)拖拽的方式建立如圖3-2所示的仿真模型。當(dāng)然，在圖3-2中，還加了一些測(cè)量顯示元件，如萬(wàn)用表“Multimeter”“Scope”等。 圖3-2 單機(jī)無(wú)限大電源系統(tǒng)短路故障仿真模型圖 3.2.2 仿真參數(shù)的設(shè)置 （1）電源 電源采用“Three-phase Source”，峰值振幅（Peak Amplitude）設(shè)為500KV；初始相位（Phase）設(shè)為0；頻率(Frequency)設(shè)為50Hz；內(nèi)部連接方式（internal connection）選擇Y接；其他參數(shù)不變，如圖4-3所示。 圖3-3 電源模塊參數(shù)設(shè)置 （2）線路 線路采用“Distributed Parameters Line”分布參數(shù)輸電線路，頻率（Frequency）設(shè)為50Hz，長(zhǎng)度（Line length）設(shè)為200（km），其他參數(shù)不變，如圖3-4所示。 圖3-4 線路模塊參數(shù)設(shè)置 （3）變壓器 變壓器采用“Threee-phase Transformer (Two Windings)”，容量和頻率（Nominal power and frequency）分別設(shè)為100MVA和50Hz，內(nèi)部連接方式設(shè)為Y/Yg，其他各參量可通過(guò)相關(guān)公式求出。將各個(gè)參量折算到500KV側(cè)求解如下： 變壓器的電阻為 變壓器的電抗為 變壓器的漏感為 變壓器的勵(lì)磁電阻為 變壓器的勵(lì)磁電抗為 由此變壓器的參數(shù)設(shè)置如圖3-5。 圖3-5 變壓器參數(shù)設(shè)置 （4）故障模塊 選用三相短路故障模塊“Three-phase Fault”，“Phase A Fault”“Phase B Fault”“Phase C Fault”選項(xiàng)可以設(shè)置故障類型，“Ground Fault”選項(xiàng)可以設(shè)置故障是否接地；“Transition status”選項(xiàng)可以設(shè)置故障狀態(tài)，“1”為故障發(fā)生，“0”為故障排除（或者說(shuō)無(wú)故障）；通過(guò)“Transization times”可以設(shè)置故障的起始時(shí)間；其他參數(shù)不變，如圖3-6所示。 圖3-6 故障模塊參數(shù)設(shè)置 （5）電壓電流測(cè)量模塊 選用“Three-Phase V-I Measurement”作為電壓電流測(cè)量模塊，可以對(duì)測(cè)量選項(xiàng)進(jìn)行定義，這時(shí)就要勾選“Use a label”選項(xiàng)，本文定義了四個(gè)變量“Vabc”“Iabc”“Vabc1”“Iabc1”，其他參數(shù)不做修改，如圖3-7所示。 圖3-7 電壓電流測(cè)量模塊參數(shù)設(shè)置 （6）相序分析儀 相序分析儀“Discrete 3-phase Sequence Analyzer”是專門分析三序分量的儀器，頻率設(shè)為25（Hz），通過(guò)“Sequence”選項(xiàng)可以選擇正序、負(fù)序、零序，從而分析各自的特點(diǎn)，其他參數(shù)保持不變，如圖3-8所示。 圖3-8 相序分析儀參數(shù)設(shè)置 （7）其他參數(shù)設(shè)置 打開(kāi)仿真參數(shù)對(duì)話框（Simulink→Configuration Parameters），“Start time”設(shè)為0，“Stop time”設(shè)為0.2；求解程序類型選項(xiàng)選擇“ode23tb(Bogacki-Shampine)”，其他參數(shù)不變，如圖3-9所示。 圖3-9 其他仿真參數(shù)設(shè)置 4 仿真結(jié)果分析 4.1 三相短路分析 （1）電壓分析 在三相短路故障發(fā)生器上勾選“Phase A Fault”“Phase B Fault”“Phase C Fault”，以此來(lái)模擬三相短路的過(guò)程。點(diǎn)擊仿真開(kāi)始按鈕，雙擊“Scope3”，我們可以清楚的得到發(fā)電機(jī)端三相短路電壓的波形，如圖4-1所示。在0.04s以前，三相電壓波形相同，呈現(xiàn)完美的正弦波；0.04s的時(shí)候，觸發(fā)故障發(fā)生器，即發(fā)生三相短路故障，在之后非常小的一段時(shí)間內(nèi)，A、B、C三相的電壓幅值驟降，這是因?yàn)榇螘簯B(tài)電抗的值很小，隨后電壓幅值有小范圍的升高，因?yàn)闀簯B(tài)電抗大于次暫態(tài)電抗，接著經(jīng)過(guò)小范圍的波動(dòng)之后三相電壓又呈現(xiàn)正弦波形，達(dá)到穩(wěn)態(tài)；0.08s時(shí)刻切除故障，三相電壓在很小的時(shí)間范圍內(nèi)幅值驟增，并且經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的不規(guī)則上下波動(dòng)之后，逐漸恢復(fù)至初始狀態(tài)。 圖4-1 三相短路發(fā)電機(jī)端電壓波形 雙擊“Multimeter”萬(wàn)用表模塊，通過(guò)添加測(cè)量元素，我們來(lái)得到故障處的電壓波形， 如圖4-2。 圖4-2 三相短路故障處的電壓波形 由圖可知，短路故障發(fā)生前，變壓器低壓側(cè)的三相電壓相等，相位互差120°；0.04s時(shí)刻發(fā)生三相短路故障，A、B、C三相的電壓瞬間降為0，這是因?yàn)樽儔浩鞯蛪簜?cè)的繞組連接方式為Yg，0.08s時(shí)刻，故障切除，由于直流分量的存在，波形出現(xiàn)畸變，在經(jīng)過(guò)大幅度擺動(dòng)之后恢復(fù)至初始狀態(tài)。 （2）電流分析 雙擊“Scope4”，得到發(fā)電機(jī)端電流波形如圖4-3所示，0.04s發(fā)生短路故障，電流瞬間增大，并且三相電流對(duì)稱；0.08s故障切除，由于諧波跟直流分量的存在，電流波形在經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次波動(dòng)之后恢復(fù)初始狀態(tài)。 圖4-3 三相短路發(fā)電機(jī)端電流波形 通過(guò)更改萬(wàn)用表中的測(cè)量元素，可以得到故障點(diǎn)的電流波形，如圖4-4所示。短路發(fā)生前，系統(tǒng)屬于開(kāi)路狀態(tài)，故障點(diǎn)的電流顯然為0；0.04s發(fā)生短路，三相電流大小相等，相位互差120°，很漂亮的三相電流波形；當(dāng)0.08s切除故障后，又恢復(fù)最初的開(kāi)路狀態(tài)，電流又逐漸減小為0。 圖4-4 三相短路故障點(diǎn)的電流波形 4.2 單相短路分析（以A相短路為例） （1）電壓分析 勾選“Phase A Fault”選項(xiàng)，以此來(lái)模擬A相短路的過(guò)程。首先得到發(fā)電機(jī)端電壓波形，如圖4-5所示。 可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)端電壓的波形基本沒(méi)有變化，但是經(jīng)過(guò)無(wú)限放大，A相的電壓幅值有所降低，變化并不明顯。 圖4-5 單相短路發(fā)電機(jī)端電壓波形 再來(lái)看故障點(diǎn)的電壓，如圖4-6，故障前，三相電壓波形對(duì)稱，0.04s發(fā)生A相接地短路，則A相電壓瞬間降為0，由于電源采用Y接線方式，所以可以知道非故障相的相電壓立即變?yōu)榫€電壓，故幅值瞬間增大，而相位并無(wú)變化。0.08s故障切除后，故障點(diǎn)的三相電壓又恢復(fù)初始狀態(tài)。 圖4-6 單相短路故障處電壓波形 （2）電流分析 觀察圖4-7，可以發(fā)現(xiàn)，故障發(fā)生時(shí)發(fā)電機(jī)端的電流也無(wú)明顯變化，所以可以得出結(jié)論，單相短路對(duì)發(fā)電機(jī)端電流基本沒(méi)有影響。 圖4-7 單相短路發(fā)電機(jī)端電流波形 再來(lái)觀察一下故障點(diǎn)的三相電流，如圖4-8所示。故障發(fā)生前，電路處于開(kāi)路狀態(tài)，三相電流均為0；0.04s時(shí)刻發(fā)生單相接地短路故障，非故障處電流依然等于0，而接地相即A相電流瞬間增大，通過(guò)更改故障切除時(shí)間，可以發(fā)現(xiàn)，A相的電流波形逐漸下移，最終會(huì)處于一個(gè)對(duì)稱的狀態(tài)；0.08s故障切除后，A相電流逐漸恢復(fù)至0。 4-8 單相短路故障點(diǎn)的電流波形 在仿真模型中，我們用了三個(gè)相序分析儀，分別測(cè)量正序、負(fù)序、零序的幅值和相序，得到如圖4-9所示的波形。 （a） 正序 （b） 負(fù)序 (c) 零序 圖4-9 單相短路故障處各序分量的電流波形 觀察圖像，很明顯三序分量的幅值波形完全相同，在0.04～0.08s即故障發(fā)生期間，它們的相位完全相同，由此我們可以驗(yàn)證結(jié)論，當(dāng)發(fā)生單相接地短路故障時(shí)，有 （4.1） 4.3 兩相短路（以A、B相短路為例） （1） 電壓分析 勾選“Phase A Fault”“Phase B Fault”選項(xiàng)，以此來(lái)模擬A、B兩相短路的過(guò)程。先來(lái)看一下發(fā)電機(jī)端電壓波形，如圖4-10。在0.04s發(fā)生故障時(shí)，C相電壓保持不變，A、B兩相電壓瞬間降低，隨后按正弦規(guī)律變化；0.08s時(shí)刻故障切除，C相電壓依然不受影響，而A、B兩相的變化規(guī)律相同，最終趨于穩(wěn)態(tài)，即恢復(fù)初始狀態(tài)。 4-10 兩相短路發(fā)電機(jī)端電壓波形 接著看故障點(diǎn)的電壓，如圖4-11。故障發(fā)生前，三相電壓完全對(duì)稱；0.04s時(shí)刻故障發(fā)生，A、B兩相的電壓波形瞬間重合，但是幅值較原來(lái)有所降低，而非故障相即C相的電壓保持不變；0.08s時(shí)刻故障切除，A、B兩相電壓隨著直流分量的衰減逐步恢復(fù)至初始狀態(tài)。 圖4-11 兩相短路故障點(diǎn)的電壓波形 （2）電流分析 由圖4-12可以看出，在0.04s以前，三相電流對(duì)稱；0.04s故障發(fā)生時(shí)，A、B兩相的電流幅值明顯增大，相位不變，C相電流幅值和相位均保持不變；0.08s故障切除，A、B兩相電流幅值迅速衰減，并且衰減頻率增大，這是因?yàn)槌霈F(xiàn)了諧波，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的擺動(dòng)，三相電流又恢復(fù)初始狀態(tài)。 圖4-12 兩相短路發(fā)電機(jī)端電流波形 下面來(lái)研究故障點(diǎn)的電流波形，如圖4-13所示。故障前，A、B、C三相的電流均為0；0.04s時(shí)觸發(fā)故障信號(hào)，A、B兩相電流迅速增加，且按正弦規(guī)律變化，兩個(gè)電流除了大小相等，方向相反，C相電流依然為0；0.08s故障切除后，A、B兩相短路電流按正弦規(guī)律逐漸衰減至0，三相系統(tǒng)又達(dá)到穩(wěn)態(tài)。 圖4-13 兩相短路故障點(diǎn)的電流波形 再來(lái)看一下故障點(diǎn)的三序電流分量波形，如圖4-14。可以發(fā)現(xiàn)，正序與負(fù)序分量的波形完全相同，雖然零序的波形在故障期間有較大波動(dòng)，但是最大幅值才0.016，即接近于0，由此可以驗(yàn)證結(jié)論。當(dāng)發(fā)生兩相直接短路故障時(shí)，有 （4.2） 即不存在零序電流。 （a） 正序 （b) 負(fù)序 （c）零序 圖4-14 兩相短路故障處各序分量的電流波形 4.4 兩相接地短路（以A、B相短路為例） （1）電壓分析 勾選“Phase A Fault”“Phase B Fault”“Ground Fault”選項(xiàng)，以此來(lái)模擬A、B兩相接地短路的過(guò)程。先來(lái)看一下發(fā)電機(jī)端電壓波形，如圖4-15。在0.04s發(fā)生故障時(shí)，A、B兩相的電壓幅值降低，C相電壓保持不變；0.08s時(shí)刻故障切除，A、B兩相的電壓幅值升高，最終電壓波形恢復(fù)至初始狀態(tài)。 4-15 兩相接地短路發(fā)電機(jī)端電壓波形 接著看故障點(diǎn)的電壓，如圖4-16。故障發(fā)生前，三相電壓完全對(duì)稱；0.04s時(shí)刻故障發(fā)生，A、B兩相的電壓波形瞬間重合，即變?yōu)?，而非故障相即C相的電壓波形幅值驟增，通過(guò)分析可知變?yōu)榫€電壓；0.08s時(shí)刻故障切除，C相電壓立即恢復(fù)至初始狀態(tài)，而A、B兩相電壓在小范圍波動(dòng)之后恢復(fù)至初始狀態(tài)。 圖4-16 兩相接地短路故障點(diǎn)的電壓波形 （2）電流分析 由圖4-17可以看出，在0.04s以前，三相電流對(duì)稱；0.04s故障發(fā)生時(shí)，A、B兩相的電流幅值明顯增大，相位不變，C相電流幅值和相位均保持不變，并且A、B兩相電流大小相等，方向相反；0.08s故障切除，A、B兩相電流幅值迅速衰減，并且衰減頻率增大，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的擺動(dòng)，三相電流又恢復(fù)初始狀態(tài)。 圖4-17 兩相接地短路發(fā)電機(jī)端電流波形 下面來(lái)研究故障點(diǎn)的電流波形，如圖4-18所示。故障前，A、B、C三相的電流均為0；0.04s時(shí)觸發(fā)故障信號(hào)，A、B兩相電流迅速增加，且按正弦規(guī)律變化，兩個(gè)電流除了大小相等，方向相反，C相電流依然為0；0.08s故障切除后，A、B兩相短路電流按正弦規(guī)律逐漸衰減至0，三相系統(tǒng)又達(dá)到穩(wěn)態(tài)。 圖4-18 兩相接地短路故障點(diǎn)的電流波形 以上所有分析，與兩相直接短路時(shí)完全相同，下面來(lái)研究一下短路點(diǎn)的各序電流分量波形，如圖4-19。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，正序與負(fù)序分量波形同兩相直接短路時(shí)相同，差別僅在于零序分量，最大幅值約為20，即產(chǎn)生零序電流。 （a） 正序 （b） 負(fù)序 （c） 零序 圖4-19 兩相接地短路故障處各序分量的電流波形 5 結(jié)論 本文圍繞電力系統(tǒng)短路故障展開(kāi)研究，基于當(dāng)前故障試驗(yàn)的復(fù)雜程度，我們采用MATLAB對(duì)其進(jìn)行仿真。通過(guò)仿真我們發(fā)現(xiàn)，MATLAB中的電力系統(tǒng)仿真工具箱不僅可以迅速建立仿真模型，而且可以迅速得到結(jié)果。將所得到的波形與理論波形對(duì)比，實(shí)際上是沒(méi)有差別的。同時(shí)，我們可以發(fā)現(xiàn)，在診斷方法上，專家系統(tǒng)是比較常用的方法。由此我們可以得出結(jié)論，MATLAB具有強(qiáng)大的仿真功能，在現(xiàn)實(shí)工程中有較大的實(shí)用意義和價(jià)值，應(yīng)該得以推廣和應(yīng)用。 6 前景與展望 MATLAB仿真工具憑借其強(qiáng)大的功能已經(jīng)成功運(yùn)用于生產(chǎn)調(diào)度的一線，成為電力系統(tǒng)規(guī)劃、控制與運(yùn)行的有效分析工具。電力系統(tǒng)設(shè)備、技術(shù)的進(jìn)步以及計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的飛速發(fā)展和數(shù)學(xué)方法的不斷創(chuàng)新，促進(jìn)了電力系統(tǒng)仿真技術(shù)的不斷完善和更新。當(dāng)今國(guó)內(nèi)外一些大型電力系統(tǒng)仿真軟件正向著統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上的多功能綜合分析的方向發(fā)展，集成化程度越來(lái)越高，仿真能力將得到進(jìn)一步加強(qiáng)，并將具有更簡(jiǎn)潔的操作模式和更好的開(kāi)放性[18]。可以預(yù)見(jiàn)，隨著一系列新技術(shù)、新方法的進(jìn)一步完善和應(yīng)用，電力系統(tǒng)仿真軟件必將迎來(lái)一個(gè)嶄新的發(fā)展空間。 27 參考文獻(xiàn) [1]黃揚(yáng)威，卑舒穎.基于MATLAB的電力系統(tǒng)故障分析與仿真[J].中國(guó)電力教育，2011（15）：160-161. 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I 致謝 時(shí)間過(guò)得真快，仿佛轉(zhuǎn)眼之間，大學(xué)四年的時(shí)光便與我們擦肩而過(guò)。四年之前，懷著無(wú)比激動(dòng)的心情，我來(lái)到了夢(mèng)寐以求的大學(xué)；四年之后，滿載著知識(shí)和希望，又即將離開(kāi)這個(gè)神圣的地方?；厥状髮W(xué)四年的學(xué)習(xí)與生活，收獲頗多，需要感謝的人也很多，故借此做畢業(yè)論文的機(jī)會(huì)對(duì)四年來(lái)給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)表示最誠(chéng)摯的謝意。 首先感謝我的導(dǎo)師劉雙喜，那位被我們親切地稱之為“喜哥”的老師。劉老師治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識(shí)淵博，講課風(fēng)格獨(dú)特，深受同學(xué)們的歡迎。在做畢業(yè)論文期間，劉老師于百忙之中抽出時(shí)間來(lái)給我指導(dǎo)，為我指出其中的錯(cuò)誤和不足，所以我要借此機(jī)會(huì)向?qū)煴硎咀钪孕牡母兄x。 成為農(nóng)大的學(xué)生，是我的榮幸；而成為機(jī)電學(xué)院電氣專業(yè)的學(xué)生，則是我的驕傲。農(nóng)大的老師，都是負(fù)責(zé)任的老師。大學(xué)四年課程全部通過(guò)，與你們的真心付出是分不開(kāi)的。在此，我要特別感謝電氣系的所有專業(yè)課老師以及所有的輔導(dǎo)員老師，是你們給了我學(xué)習(xí)的方向，傳授我知識(shí)，教會(huì)我做人的道理，我一定不會(huì)讓你們失望。 感謝四年來(lái)陪伴我的同學(xué)，大學(xué)里因?yàn)橛心銈儾抛兊镁?。特別感謝在考研期間，一直支持和鼓勵(lì)我的同學(xué)，才使我在考研的道路上不至于因?yàn)槊悦６鴣G失方向。 最應(yīng)該感謝的，是我的父母，感謝你們的真情付出，我會(huì)好好努力，用實(shí)際行動(dòng)來(lái)報(bào)答你們的養(yǎng)育之恩。 最后，祝愿母校越來(lái)越好。 劉繼文 2015年6月6日