基于Matlab的电力系统自动重合闸建模与仿真

实践课程设计报告

课程名称：Matlab上机

题目：基于MATLAB的电力系统自动重合闸

所在学院：

学科专业：

学号：

学生姓名：

指导教师：

二零一五年四

摘要

分析了单相自动重合闸的工作特性，并利用MATLAB软件搭建了220kv电力系统的自动重合闸的仿真模型，模拟系统发生单相接地、三相相间短路故障，断路器跳闸后自动重合闸的工作过程。

关键词：电力系统自动重合闸MATLAB 短路故障

目录

1 引言 (1)

2 模型中主要模块的选择和参数 (2)

2.1同步发电机模块 (2)

2.2 变压器模块 (2)

2.3 输电线路模块 (3)

2.3.1 150km线路模块 (3)

2.3.2 100km线路模块 (4)

2.1 电源模块 (5)

2.3 负载模块 (6)

2.3.1 三相串联RLC负载Load1 (6)

2.3.2 三相串联RLC负载Load4 (7)

2.4 断路器模块 (8)

2.5 测量模块 (9)

2.6 显示模块 (9)

2.7 其他模块 (9)

2.8 仿真参数设置 (10)

3 仿真结果及波形分析 (10)

3.1 线路单相重合闸 (10)

3.2 线路三相重合闸 (12)

总结 (13)

参考文献 (14)

基于Matlab的电力系统自动重合闸

1 引言

随着技术的发展，电力系统的规模越来越复杂。从实际条件与安全角度考虑，不太可能进行电力系统科研实验，因而电力系统数字仿真成为了电力系统研究、规划和设计的重要手段。电力系统仿真软件如BPA，EMTP，PSCAD/ EMTDC ，NETOMAC，PSASP，MATLAB等，正向着多功能，具有更高的可移植性方向发展。其中在MATLAB 中，电力系统模型可以在Simulink环境下直接搭建，Simulink电力系统元件库中有多种多样的电气模块，电力系统大多数元件都包含。其中，可以直接调用。电力系统大部分故障是瞬时性故障，因此采用自动重合闸后，电力系统发生瞬时性故障时供电的连续性、系统的稳定性得到很大的提高。此外，自动重合闸有效纠正由于断路器或继电保护误动作引起的误跳闸。

本文以MATLAB为工具，对简单系统的线路单相重合闸和线路三相重合闸进行分析与研究。

1.1 仿真模型的设计和实现

电力系统正常运行时可以认为是三相对称的，即电压、电流对称，且具有正弦波形。下图为理想情况下220kv电力系统的模型。

图 1 220kv电力系统模型

2 模型中主要模块的选择和参数2.1同步发电机模块

同步发电机（Simplified Synchronous Machine）如图2：连接类型：3线Y型连接；

额定参数：[500e6 13.8e3 50]；

机械参数：[56290 0.3 2]；

内部阻抗：[1.9845 263.15e-3]；

初始条件：[0.2 0 0,0,0 0,0,0]；

图2 同步发电机的参数设置

2.2 变压器模块

三相变压器（3-Phase Transformer）如图3：

额定功率和频率：[500e6 50]；

一次绕组连接方式：三角形连接；

一次绕组参数：[13.8e3 0.002 0.08]；

二次绕组连接方式：星形连接；

二次绕组参数：[220e3 0.002 0.08]；

饱和铁芯：对三相变压器的饱和特性进行仿真；

磁阻：200p.u

励磁电感：200p.u;

图3 三相变压器的参数设置2.3 输电线路模块

2.3.1 150km线路模块

等值线路元件（Distributed Parameters Line）如图4：

线路相数：3；

频率：50HZ；

单位长度电阻：[0.01165 0.2676];

单位长度电感：[0.8679e-3 3.008e-3];

单位长度电容：[13.41e-9 8.57e-9];

线路长度：150km；

测量：选择不测量电气量；

图4 150km分布参数线路的参数设置2.3.2 100km线路模块

等值线路元件（Distributed Parameters Line）如图5：

线路相数：3；

频率：50HZ；

单位长度电阻：[0.01165 0.2676];

单位长度电感：[0.8679e-3 3.008e-3];

单位长度电容：[13.41e-9 8.57e-9];

线路长度：100km；

测量：选择不测量电气量；

图5 100km分布参数线路的参数设置

2.1 电源模块

三相电压源（3-Phase Source）如图6：

相电压有效值：220e3V；

A相相角：0°；

频率：50HZ；

内部连接方式：Y型（表示三相电源Y型连接，中性点不接地）；

三相短路电压：200e6；

基准电压：220e6;

图6 三相电源的参数设置

2.3 负载模块

2.3.1 三相串联RLC负载Load1

三相串联RLC负载（Three-Phase series RLC load）如图7：相电压：220e3V；

频率：50HZ；

三相有功功率：200e6/250W;

感性无功功率：200e6Var;

容性无功功率：0Var;

图7 三相串联RLC负载Load1的参数设置2.3.2 三相串联RLC负载Load4

三相串联RLC负载（Three-Phase series RLC load）如图8：相电压：13.8e3V；

频率：50HZ；

三相有功功率：200e6W;

感性无功功率：0Var;

容性无功功率：0Var;

图8 三相串联RLC负载Load4的参数设置2.4 断路器模块

三相断路器（Three-Phase Break）如图9：

断路器初始状态：closed；

转换时间：[0.04 0.08]；

阻值：0.001;

过渡电阻：1e5;

过渡电容：inf;

图9 断路器参数设置

2.5 测量模块

从电路测量中选择三相电压电流测量（3-Phase VI Measurement）；

2.6 显示模块

从SIMULINK元件库SINKS目录下选择示波器（SCOPE），分别改名为：V-I：用于电压源出口处三相电流和电压的显示。输入轴为2；

2.7 其他模块

相应的接地元件、节点等，以及电力系统分析工具。

2.8 仿真参数设置

当电路图设计完成后，对其进行仿真，已达到观察短路接地电路中暂态变化情况，如图11：

开始时间：0s;

停止时间：0.3s;

求解程序类型选项：固定步长，discrete （no continuous satates）

固定步长：50e-6;

周期样本模式：auto；

图11仿真参数设置

3 仿真结果及波形分析

3.1 线路单相重合闸

在电路图参数进行设置时，将断路器的故障相选为A相，断路器的初始条件状态为闭合，说明线路正常工作；断路器的转换时间设置为[0.04 0.08]，即线路在0.04s时发生A相接地短路，断路器断开，在0.08s时断路器重合，相当于临时故障切除后线路进行重合闸。线路单相接地短路时，母线的电压和电流如图12所示。

图12 单相重合闸母线端的电压和电流

图13 A相短路时稳态电流电压对话框

由图12、图13可以得出以下结论：由于系统为双电源供电系统，因此当线路发生单相接地短路时，断路器断开切除故障点，母线电压并没有多大的改变；在单相接地短路期间（0.04~0.08），断路器A相断开，A相电流为0，非故障相的电流幅值减小；在故障切除后（0.08s后），重合闸成功，三相电流经过暂态后又恢复为稳定工作状态，从稳态电流对话框中三相电流的幅值和相角可以看出，达到新的稳态后，三相电流保持对称，相角互差120度。

3.2 线路三相重合闸

在电路图参数进行设置时，将断路器的故障相选为A相、B相、C相，断路器的初始状态为闭合，说明线路正常工作；断路器的转换时间设置为[0.04 0.08]，即线路在0.04s时发生三相相间短路时，母线的电压和电流，如图14所示.

图14 线路三相短路母线端的电压和电流

图15 线路三相短路稳态电流电压对话框

图14、图15可得：三相短路期间（0.04s~0.08s），三相的电流基本为0；在故障切除后，重合闸成功，三相电流经过暂态后又恢复稳定工作状态，三相电压电流对称。

总结

在本次课程设计中，巩固和加深在《电力系统继电保护原理》课程中所学的理论知识，学习了使用MATLAB仿真平台上构建电力系统输电线路模型，并且进行仿真分析，更加深了我对电力系统的了解，并熟悉了MATLAB PSB的模型设计、参数选择以及设置等，知道了MATLAB对电力系统建模仿真和系统分析的重要性。

通过这次课程设计，深刻地认识到学好专业知识的重要性，也理解了理论联系实际的含义，并且检验了我的学习成果。同时老师的指导以及同学们的帮助使我受益匪浅。虽然在这次的课程设计中对于知识的运用和衔接还不是很熟练，但是我将在以后的学习中继续努力、不断完善。这次的MATLAB仿真设计是对过去所学知识的系统提高和扩充的过程，为今后的学习打下了良好的基础。

参考文献

[1] 刘卫国.MATLAB程序设计与应用（第二版）.北京:高等教育出版社,2006年

[2] 唐昌建,张巍.MATLAB基础及应用.四川大学物理科学与技术学院，2006年

[3] 崔新忠.MATLAB与仿真系统实验指导书.自编教材,2007年

[4] 王忠李,段慧达.MA TLAB应用技术.清华大学出版社