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 (6)

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 (8)

3.2.1 无限大电源系统短路故障仿真模型 (8)

3.2.2 仿真参数的设置 (9)

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 (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)

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。本文详细介绍了短路故障产生的原因以及危害等，并重点介绍了Simulink仿真工具在电力系统中的应用。利用电力系统工具箱SPS和Simulink模块可以对电力系统故障进行仿真。在仿真平台上，以无限大电源系统为建模对象，经过模块选择，连线，参数设置等步骤，对电力系统可能出现的三相短路、单相短路、两相短路以及两相接地短路几种故障进行仿真。仿真结果表明，波形与理论分析基本一致，由此说明MATLAB在电力系统仿真研究中具有重要的实用价值[1]。

关键词：短路电力系统 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

1 引言

1.1 课题研究的背景

随着电力工业的迅猛发展，电力系统的规模越来越大，如今已成为世界上覆盖面最广、结构最复杂的人造系统之一。众所周知，电能的生产、输送、分配和使用四个环节是同时进行的，即电能不能够被储存。因此，如何生产安全、优质、经济的电能以保证电力系统的安全可靠运行成了当今值得关注的课题。正是由于电力系统的特殊复杂性，许多电力系统故障也随之发生，其中以短路故障最为严重。最近几年，国外发生了多次重大停电事故，由此造成了巨大的经济损失，同时也严重影响了人民的正常生产、生活秩序[2]。因此，研究电力系统中的短路故障问题，尤其是短路电流问题一直受到电力科技工作者的高度重视[3]。

1.2 课题研究的国外现状

基于电力系统的复杂程度以及从安全性角度考虑，许多电力系统试验已无法在实验室中模拟进行。因此，国外从上世纪80年代开始对电力系统故障分析做了大量的研究工作，并提出了许多故障诊断方法，但是实际上并没有得到有效的解决。考虑到电力系统的实际运行情况，从技术和安全角度来讲，已经无法进行科学的实验。所以，开展电力系统故障仿真就显得颇具现实意义和实用价值。借助于计算机，一系列的仿真软件开始诞生。当前，我们应用的电力系统仿真软件主要有：

（1）PSCAD/EMTDC程序：其功能是研究当电力系统遭受扰动或者参数发生变化时，观察参数随时间的变化规律[4]。

（2）EMTP程序：其功能是进行电力系统电磁暂态计算，电力系统暂态保护装置的综合选择以及电力系统暂态过电压分析等[5]。

（3）PSASP程序：其功能是进行电力系统暂态分析、稳态分析以及故障分析等。

当然，除此之外还有MathWorks公司开发的MATLAB应用软件。由于MATLAB具有强大的计算功能、良好的动态仿真环境以及丰富的置工具箱，因此逐渐成为电路、电力电子以及电力系统等模块的重要仿真工具。

2 短路故障分析

2.1 近年来短路故障

我们先来看几组数据：

2000年12月25日21时35分，省市老城区的东都商厦发生特大火灾，正在二、三楼施工的部分民工以及四楼歌舞厅的200多人被大火围困。经有关部门确认，火灾已造成309人死亡，此次火灾是由于线路老化而造成短路引起的灾难[6]。

2005年11月27日21时22分，省龙煤矿业公司七台河分公司东风煤矿发生特大事故，造成171人死亡，48人受伤，直接经济损失达4292.1万元。事故原因是采掘机电机短路引起火花，从而引发瓦斯爆炸。

2008年9月20日22时49分，龙岗区舞王俱乐部发生火灾，导致44人死亡，64人受伤，直接经济损失达七千万。事故的直接原因是舞台照明线路和施放焰火同时起火引发的。

2015年5月25日19时55分，市鲁山县城西琴台办事处三里河村一老年康复中心发生火灾，经过抢险人员全力抢救，共救出44人，其中：38人死亡、4人轻伤、2人重伤，事故原因为线路老化。

以上报道，不是危言耸听，都是发生的真实案例。据统计，2012年全国电气火灾数量占总火灾比重为29.9%，但人员伤亡比重为32.5%，经济损失比重为41.4%。由此可见，电气火灾事故往往会造成更高的人员伤亡和更大的经济损失。

2.2 短路的定义及其分类

短路是指不同电位的导电部分包括导电部分对地之间的低阻性短接。

根据短路发生的部位不同，短路故障可以分为4种类型：三相短路（K(3)）、单相接地短路（K(1)）、两相短路（K(2)）和两相接地短路（K(1,1)）。三相短路属于对称性短路，而其他形式为不对称短路。在电力系统中，发生单相短路的概率最大，大约能占到故障发生总数的65%；而发生三相短路的概率最小，但是一般情况下，特别是远离电源（发电机）的工厂供电系统中，三相短路的短路电流最大，因此它造成的危害也最严重。

两相短路是指三相供配电系统中任意两相导体间的短路，如图2-2所示。

2-3所示。