季小沫电力系统故障分析与仿真
1 引言
1.1 课题研究的目的和意义
截至到2006年，以三峡工程为核心，以华中电网为依托，向东南西北四个方向辐射联网的输电线路已基本建成。“十一五”期间，除实施已经明确的三峡右岸至上海直流工程外，规划建设的主要工程还有西北至华北直流输电工程，西北与川渝联网工程，华中与华北背靠背联网工程，同时加大山西阳城送电华东的力度并实现华北与华东联网。“十一五”末期，配合三峡地下电站开发，建设向华北送电的支流输电工程，南北之间将形成以三峡为支撑的主干通道。
我们知道，美国的电网是错综复杂的，以前曾经认为电网越复杂就越安全，可是美加大停电告诉我们事实并非如此。实际上，美国电网的每段输电线比较短，这就导致了有很多节点；另外，美国是个资本主义国家，电网在运行的时候考虑的更多的是经济因素，所以在美国电网中存在有比较破旧的设备。诸多因素导致了美加大停电，其实这也不是偶然现象了，在此之前美国已经出现过两次规模较大的停电了。印度电网，印度同中国一样都是大的发展中国家。印度的装机容量和电压水平发展的也很迅速，但和我国还有较大的差距。印度发电量世界排名第五，仅次于美国，中国，日本和俄罗斯，但印度的电力供应严重不足。
电力作为一种在生活中越来越重要清洁能源，因其使用过程中的高效性，并且没有二次污染。电力系统的安全与稳定也关系到一个国家国民经济。电力系统发生使对称结构遭受破坏的短路故障，由于短路会产生十分严重的后果，因而引起了高度重视。除尽量消除导致短路的原因外，还应在短路故障发生后及时采取措施，尽量减少短路造成的损失，如采用继电保护将故障隔离，在合适的地点装设电抗器以限制短路电流，采用自动重合闸消除瞬时故障使系统尽快恢复正常等。这些措施均须建立在故障计算的基础上。在发电厂、变电所以及整个电力系统的设计工作中，都必须事先进行短路计算，以此作为合理选择电气接线、选用有足够热稳定度和动稳定度的电气设备及载流导体、确定限制短路电流的措施、合理配置各种继电保护并整定其参数等的重要依据。因此故障计算对于电力系统的设计和安全运行具有十分重要的意义。
1.2 本论文的主要工作
本文是典型的电力系统故障分析，根据需要，分为三相短路，单相接地短路，两相短路，两相短路接地模型进行仿真分析，而这是我们熟知的四种短路情况，而MATLAB/SIMULINK功能的强大，大大节省了建模的时间，因为软件本身提供了一个三相短路故障器，调整三相短路器故障器可以设置短路的所有情况，对上述这些情况进行相应的仿真分析。
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电力系统故障分析与仿真
2 MATLAB/Simulink 简介及其特点
2.1 MATLAB简介
1980年，美国的Cleve MATLABolerbo博士在新密西格大学讲授线性代数课程时，发现采用高级语言编程极为不方便，于是建立了MATLABATLAB，即矩阵实验室，早期的开发MATLABATLAB是为了帮助老师和学生更好地授课和学习。1984年，由美国MATLABath Works公司推出了商业版经过二十余年的不段升级，目前MATLABATLAB最新的版本为MATLABATLAB R2010a。
由于使用MATLAB编程运算与科学计算的思路和表达方式完全一致，所以不像学习Basic、Fortran和C语言等其他高级语言那么难以掌握，用MATLAB编写程序犹如在纸上排列公示与求解问题。在这个环境下，对所要求解的问题，用户只需列出简单的数学表达式，其结果便会由MATLAB以数值的形式显示出来。从MATLAB诞生以来，由于其高度的集成性和应用的方便性，以及它能非常快捷实现科研人员的设想并节省科研时间，在高校中得到广泛的应用与推广。它可以很方便的进行图形化的输入与输出，同时还具有丰富的函数库，极易实现各种不同专业的科学计算功能，这都进一步拓宽了它的应用的范围和使用的领域。
在各大高等院校，MATLAB软件正在成为对数值、线性代数以及其他一些高等应用数学课程进行辅助教学的有力工具；在工程技术界，MATLAB软件也被用来构建与分析一些实际课题的数学模型，其典型的应用包括数值计算，算法预设计与验证，以及一些高等应用课程进行辅助教学的有力工具；在工程技术界，MATLAB件也被用来构建与分析一些实际课题的数学模型，其典型的应用包括数值计算、算法预估与验证，以及一些特殊矩阵的计算应用，如统计、图像处理、自动控制理论、数字信号处理、系统识别和神经网络等。它包括了被称作工具箱的各类应用问题的求解工具。工具箱实际上是对MATLAB软件进行扩展应用的一系列MATLAB函数，它可用来求解许多学科门类的数据处理与分析问题[1]。
2.2 Simulink环境和模型库
MATLAB仿真编程实在文本窗口中进行的，编制的程序是一行行的命令和MATLAB函数，而在simulink仿真环境中，由于它与用户的交互接口是基于windows的模型化图形输入，所以用户可以通过单击拖动鼠标的方式绘制和组织系统，并完成对系统的仿真。在simulink环境中，系统的各元件的模型都用框图来表达，框图之间的连线则表示了信号流动的方向。对用户来说，只需要知道这些模块的输入输出，而不必通过复杂的编程去完成系统的动态仿真，这是很受欢迎的[2]。 2.2.1 Simulink的特点
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(1) 以调用模块代替程序的编写，以模块连成的框图表示系统，双击模块即可输入模块参数。以框图表示的系统应包括输入、输出和组成系统本身的模块。
(2) 搭建系统模型，设置好仿真参数，即可启动仿真。这时 Simulink会自动完成仿真系统的初始化过程，将系统模型转化为仿真的数学方程，建立仿真的数据结构，并计算系统输出。
(3) 系统的运行的状态和结果可以通过波形和曲线观察，等效于实验室中用示波器观察。
(4) 系统仿真的数据可以用.mat格式的文件保存，便于用其他数据处理软件进行处理。
(5) 如果系统模型搭建不完整或仿真过程中出现计算不收敛的情况，就会给出一定的出错提示信息。
2.2.2 仿真系统模型步骤
(1)进入MATLAB环境，键入Simulink命令或直接用鼠标点Simulink按键即可打开相应的系统模型库：Simulink的界面如图1所示：
图1 Simulink的界面
MATLAB仿真电力系统流程图如图2所示：
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启动Matlab/Simulink 在simulink下新建.model文件。把相关的电力系统模块拖入到.model文件中
在simulink/simulink 相应的元件对话框中设定合适的变步长积分方法 开始仿真，系统会检查出错误和警告，若有，则一一解决 图2 MATLAB仿真电力系统流程图
得出结果，并对本次仿真分析，得出结论 3 电力系统故障分析
3.1 故障概述
短路是电力系统的严重故障。所谓短路，是指一切不正常的相与相之间或相与地（对于中性点接地的系统）发生系统通路的情况。电力系统在运行中，相与相之间或相与地（或中性线）之间发生非正常连接（即短路）时流过的电流。其值可远远大于额定电流，并取决于短路点距电源的电气距离。例如，在发电机端发生短路时，流过发电机的短路电流最大瞬时值可达额定电流的10～15倍。大容量电力系统中，短路电流可达数万安。这会对电力系统的正常运行造成严重影响和后果[3]。
3.2 短路故障类型及原因
三相系统中发生的短路有4种基本类型：三相短路，两相短路，单相对地短路和两相对地短路。其中，除三相短路时，三相回路依旧对称，因而又称对称短路外，其余三类均属不对称短路。在中性点接地的电力网络中，以一相对地的短路故障最多，约占全部故障的90％。在中性点非直接接地的电力网络中，短路故障主要是各种相间短路。表1给出这几种短路的简略记号。短路原因：
(1) 电气设备的绝缘损坏，这种损坏可能是由于设备长期运行、绝缘老化造成的；也可能由于设备的本身质量低劣，绝缘强度不够而被正常的电压击穿；或者设备质量合格绝缘合乎要求而被过电压击穿或者由于设备绝缘受到了外力损伤而造成的。
(2) 有关人员的误操作，这种情况大多是由于操作人员违反安全操作规程而发生的，例如带负荷拉闸或者误将低电压设备接入高电压的电路中而造成击穿短路。
(3) 鸟兽危害事故 鸟兽跨越在裸露的相线之间或者相线与接地物体之间，或者咬坏设备和导线电缆的绝缘，从而造成短路[4]。
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电力系统故障分析与仿真
表1短路的简略记号
短路类型 三相短路 二相短路 单相短路 二相短路接地 示意图 代表符号 F(3) F(2) F(1) F(1.1) 3.3 故障概率
运行经验指出，架空输电线是电力系统中比较薄弱的环节，发生短路的几率最高，我国某电力系统多年统计出在不同范围内发生短路故障的相对次数列出如表2。
表2 不同范围能发生短路故障几率
线路范围 在110kV线路上 容量为6000kW以上的发电机 110kV变压器 110kV母线 发生几率 78.0% 7.5% 6.5% 8.0% 表3 110kV线路上各种类型短路故障几率
短路类型 三相短路 二相短路 二相短路接地 单相短路 发生几率 5% 4% 8% 83% 从表1.3中的数字中可以看出单相短路几率占压倒性多数，国外的运行经验也证明了这一点。三相短路的几率是很小的，但这并不说明三相短路无关紧要，相反对三相短路应该加以重视，因为三相短路的情况最严重，有时为了最后论断电力系统在短路情况下工作的可能性，他起着决定性的作用。此外，研究三相短路之所以重要，还由于我们在分析计算不对称短路时，往往把不对称短路看成某种假定的三相短路来处理。
3.4 后果及其运行方式等比较
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