1、 畢畢業業 設設計計（ 論論文文 ） 基于基于 matlabmatlab 的電力系統故障分析與仿真的電力系統故障分析與仿真 學學 號：號： 姓姓 名：名： 專專 業：業：電氣工程及其自動化 系系 別：別： 指導教師：指導教師： 北京交通大學畢業設計（論文）成績評議北京交通大學畢業設計（論文）成績評議 題目：基于 matlab 的電力系統故障分析與仿真 系別： 專業： 電氣工程及其自動化 姓名： 學號： 指導教師建議成績：84 評閱教師建議成績：86 答辯小組建議成績：82 總成績：84 答辯委員會主席簽字： 年 月 日 北京交通大學畢業設計（論文）任務書北京交通大學畢業設計（論文）任務書 姓名

2、學號專業電氣工程及其自動化 設計（論文）題目基于 matlab 的電力系統故障分析與仿真 題目 性質 設計； 論文 題目 來源 教學； 科研； 生產； 其他 指導教師職 稱工作單位備注 教授北京交通大學 畢業設計(論文)的內容和要求： 內容：內容： 本論文主要是對典型的電力系統故障進行理論分析，分為三相短路，單相接地短路， 兩相短路，兩相接地短路四種我們熟知的短路情況，并且對其模型進行仿真分析，matlab 的功能很強大，大大節省了建模的時間，因為它軟件本身提供了一個三相短路故障器，可 以設置短路的所有情況。 要求：要求： 1，能對四種短路情況進行理論分析 2，掌握matlab/simulin

3、k中各個電力系統元件建模的參數，并對其進行仿真 畢業設計(論文)主要參考資料： 1 夏道止，電力系統分析（第二版）m.北京：中國電力出版社，2011. 2 李光琦，電力系統暫態分析（第三版）m.北京：中國電力出版社，2007（1）. 3 于群，. matlab/simulink 電力系統建模與仿真 m. 北京：機械工業出版社 2011 畢業設計(論文)應完成的工作： 1、熟悉短路計算的基本方程 2、計算使用的數學模型及程序開發 3、建立描述電力系統運行狀態的數學模型； 4、確定解算數學模型的方法 5、制定程序框圖及分析 6、用 matlab 對其進行仿真 進度安排： 第 1，2 周 論文前期調

4、研，借閱或下載與論文相關的資料，復習電力系統分析、 電力系統故障分析等專業知識。 第 3 周 完成開題報告 word 文檔。 第 4 周 通過前期調研，完成論文第一章，第二章。 第 5，6 周 完成四種短路情況的理論分析，寫出論文第三章 第 7，8，9 周 建立描述電力系統運行狀態的數學模型；寫出第四章部分初稿 第 10，11 周 撰寫畢業論文初稿。 第 12 周 修改畢業論文。 第 13 周 完善論文，準備答辯。 指導教師簽字： 日期： 年 月 日 系意見： 日期：簽字： 系（蓋章） 日期： 年 月 日 北京交通大學畢業設計（論文）開題報告北京交通大學畢業設計（論文）開題報告 姓名學號專業電

5、氣工程及其自動化 設計（論文）題目基于 matlab 的電力系統故障分析與仿真 1.畢業設計(論文)的目的及意義（含國內外的研究現狀分析）： 一目的： 本設計目的是對電力系統的故障進行分析，并對算例運用 matlab 軟件的 simulink 工具搭建電力系統故障模型進行電力系統故障仿真，得出仿真結果，并將電力系統故障的 分析計算結果與 matlab 仿真的分析結果進行比較，從而得出是否具有一致性的結論，同 時也驗證 matlab 在電力系統仿真中是否具有真正作用。 二意義： 電力系統故障分析是關系到電力系統安全穩定運行的重要問題，國內外從 20 世紀 80 年代起已經進行了大量的研究工作，提

6、出了多種故障分析技術和方法，但實際系統中該問 題并未很好地解決。隨著電力系統規模日趨龐大，結構更加復雜，對電力系統故障診斷提 出了更高的要求。目前，國內外提出了許多電力系統故障診斷的技術和方法，主要有專家 系統、人工神經網絡、優化技術、petri 網絡、模糊集理論、粗糙集理論、多代理技術。 針對電力系統運行實際情況，從技術和安全上考慮無法進行實際故障實驗，因此開展電力 系統系統仿真與故障分析工作具有重要實踐指導價值。隨著電力工業的發展，電力系統規 劃、運行和控制的復雜性亦日益增加，在電力系統的生產和研究中，仿真軟件的應用也越 來越廣泛。現在，我們主要使用的電力系統仿真軟件有：emtp 仿真程序

7、，用于電力系統電 磁暫態計算，電力系統暫態過電壓分析等。pscad/emtdc 程序，應用是計算電力系統遭受 擾動和參數變化時，參數隨時間變化的規律。以及中國電科院開發的仿真軟件 psasp,其功 能主要有穩態分析、故障分析和機電暫態分析。還有 math works 公司開發的 matlab 軟件。 matlab 自身的特點使它獲得了對應的應用學科，特別是對邊緣學科和交叉學科的極強適應 能力，并很快成為應用學科計算機輔助分析、設計、仿真已至教學等不可缺少的基礎軟件。 在 matlab 中，電力系統模型可以在 simulink 環境下直接搭建，也可以進行封裝和自定義 模塊庫，充分顯現了其仿真平臺

8、的優越性。simulink 是 matlab 最重要的組件之一，它提 供一個動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境。在該環境中，無需大量書寫程序，而 只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統。simulink 具有適應面廣、結構 和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優點，并基于以上優點 simulink 已 被廣泛應用于控制理論和數字信號處理的復雜仿真和設計。為了創建動態系統模型， simulink 提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(gui) ，這個創建過程只需單擊和拖 動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系 統的仿真結果。 2

9、. 基本內容和技術方案： 一內容： 本設計主要是針對典型的電力系統故障進行理論分析，包括三相短路，單相接地短路， 兩相短路以及兩相接地短路四種熟知的短路情況。并且在掌握 matlab 軟件的基礎上，對 其相應的電力系統故障進行仿真分析,從而得出結論。 二技術方案： 本論文首先對電力系統的故障進行研究，包括故障的分類，故障概率，故障后果，短 路電流計算的規定，短路點選擇原則，短路電流計算的基本步驟以及電力系統故障分析計 算。然后根據算例，運用 matlab/simulink 搭建電力系統故障模型進行電力系統故障仿真， 得其出仿真的結果。最終將電力系統故障的分析計算結果與 matlab 仿真的分析

10、結果進行 對比，從而得出結論。 3. 主要參考文獻： 1 夏道止，電力系統分析（第二版）m.北京：中國電力出版社，2011. 2 李光琦，電力系統暫態分析（第三版）m.北京：中國電力出版社，2007（1）. 3 王顯平，電力系統故障分析 m. 北京：中國電力出版社，2008（5） 4 于群，曹娜. matlab/simulink 電力系統建模與仿真 m. 北京：機械工業出版 社 2011 5 陳珩，電力系統穩態分析 m. 北京：中國電力出版社，2007 6 鄧國揚，盛義發.基于 matlab/simulink 的電力電子系統的建模與仿真j.南華大 學學報，2003(1）：16. 4. 進度安排

11、： 第 1，2 周 論文前期調研，借閱或下載與論文相關的資料，復習電力系統分析、 電力系統故障分析等專業知識。 第 3 周 完成開題報告 word 文檔。 第 4 周 通過前期調研，完成論文第一章，第二章。 第 5，6 周 完成四種短路情況的理論分析，寫出論文第三章 第 7，8，9 周 建立描述電力系統運行狀態的數學模型；寫出第四章部分初稿 第 10，11 周 撰寫畢業論文初稿。 第 12 周 修改畢業論文。 第 13 周 完善論文，準備答辯。 5. 指導教師意見： 同意開題。 指導教師簽字： 日期： 年 月 日 6. 系意見： 簽字： 系(蓋章)： 日期： 年 月 日 北京交通大學畢業設計（

12、論文）指導教師評閱意見北京交通大學畢業設計（論文）指導教師評閱意見 姓名學號專業電氣工程及其自動化 指導教師職稱教授單位北京交通大學 指導教師職稱單位 畢業設計（論文）題目基于 matlab 的電力系統故障分析與仿真 指導教師評語： 該同學對電力系統的短路故障進行理論分析，并利用 matlab/simulink 進行仿真，理 論分析充分，仿真結果正確，論文撰寫符合規范。可以提交答辯。 是否同意答辯：同意 論文成績：84 指導教師（簽名）： 年 月 日 北京交通大學畢業設計（論文）評閱教師評閱意見北京交通大學畢業設計（論文）評閱教師評閱意見 姓名學號專業電氣工程及其自動化 指導教師職稱教授單位北

13、京交通大學 指導教師職稱單位 畢業設計（論文）題目基于 matlab 的電力系統故障分析與仿真 對論文的評語： ooo 同學畢業論文的選題是基于 matlab 的電力系統故障分析與仿真，論文探討了電力 系統故障分析和設計方法，具有一定實用價值。該同學收集的數據資料較翔實，分析和論 證有一定深度，結論正確合理。論文的寫作基本規范。存在問題是對存在問題的探討還可 進一步深入，對存在問題原因的分析還可進一步展開。 綜上所述，ooo 同學已經掌握了本專業的基礎理論和相關專業知識，該同學寫作的畢業論 文已經達到本科畢業論文水平，可以提交答辯。 是否同意安排論文答辯：同意 論文成績：84 評閱教師（簽名）

14、： 年 月 日 北京交通大學畢業設計（論文）答辯小組評議意見北京交通大學畢業設計（論文）答辯小組評議意見 姓名學號專業電氣工程及其自動化 畢業設計（論文）題目基于 matlab 的電力系統故障分析與仿真 答 辯 小 組 成 員: 姓 名職 稱工作單位備注 組長 答辯小組評語： 該同學能對電力系統故障進行仿真。在論文答辯過程中，敘述正確充分，仿真結果正確， 對答辯小組提出的問題能夠正確回答，答辯情況良好。 答辯組長（簽名）： 年 月 日 答辯成績 84 畢業設計（論文）誠信聲明畢業設計（論文）誠信聲明 本人聲明所呈交的畢業設計（論文） ，是本人在指導教師的指導下，獨立進行研究工作 所取得的成果，

15、除了文中特別加以標注和致謝中所羅列的內容以外，畢業設計（論文）中不 包含其他人已經發表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京交通大學或其他教育機構的 學位或證書而使用過的材料。 申請學位論文與資料若有不實之處，本人承擔一切相關責任。 本人簽名： 日期： 畢業設計（論文）使用授權書畢業設計（論文）使用授權書 本人完全了解北京交通大學有關保管、使用論文的規定，其中包括：學校有權保管、 并向有關部門送交學位論文的原件與復印件；學校可以采用影印、縮印或其它復制手段復 制并保存論文；學校可允許論文被查閱或借閱；學校可以學術交流為目的，復制贈送和 交換學位論文；學校可以公布學位論文的全部或部分內容。 本人

16、簽名： 日期： 摘摘 要要 本設計分析了電力系統短路故障的電氣特征，并利用 matlab/simulink 軟件 對其進行仿真，進一步研究短路故障的特點。通過算例對電力系統短路故障進行 分析計算。然后運用 matlab/simulink 對算例進行電力系統短路故障仿真，得出 仿真結果。并將電力系統短路故障的分析計算結果與 matlab 仿真的分析結果進 行比較，從而得出結論。結果表明計算結果與仿真結果差別不大，運用 matlab 對電力系統短路故障進行分析與仿真，能夠準確直觀地考察電力系統短路故障的 動態特性，驗證了 matlab 在電力系統仿真中的強大功能。 關鍵詞：短路故障；simulin

17、k 分析；短路電流計算 abstractabstract this introduction to the power syetem short-circuit fault analysis method and simulation of matlab/simulink basic features.first analysis and calculation of power system short-circuit fault,and then use matlab/simulink to power system short-circuit fault simulation ,obta

18、in simulation results.compare power system short-circuit fault analysis and calculation of results with the results of matlab simulation and analysis so as to arrive at conclusions.it shows that using matlab power system short-circuit fault analysis and simulation can accurately and visually inspect

19、 the dynamic characteristics of power system short circuit fault analysis and visually inspect the dynamic characteristics of power system short circuit fault and verified in power system simulation of matlab. keywords:keywords: fault analysis; simulink simulation；calculation of short- circuit curre

20、nt 目 錄 摘 要 .i abstract .ii 1 緒論 .1 1.1 電力系統故障分析的意義.1 1.2 本論文所做的工作.1 2 仿真軟件 .2 2.1 matlab/simulink簡介 .2 3 電力系統故障分析 .7 3.1 故障概述 .7 3.2 故障類型 .7 3.3 故障概率 .8 3.4 短路計算的基本原則和規定 .8 3.5 短路點選擇原則.10 3.6 短路電流計算的基本步驟.10 3.7 電力系統故障分析計算.10 4 電力系統故障仿真 .13 4.1 三相短路系統仿真模型及各模塊參數設置 .13 4.2 仿真結果分析 .19 5 結論 .28 參考文獻 .29

21、致 謝 .31 1 1 緒論緒論 1.11.1 電力系統故障分析的意義電力系統故障分析的意義 電力系統發生使對稱結構遭受破壞的短路故障，由于短路會產生十分嚴重的 后果，因而引起了高度重視。除盡量消除導致短路的原因外，還應在短路故障發 生后及時采取措施，盡量減少短路造成的損失，如采用繼電保護將故障隔離，在 合適的地點裝設電抗器以限制短路電流，采用自動重合閘消除瞬時故障使系統盡 快恢復正常等。這些措施均須建立在故障計算的基礎上。在發電廠、變電所以及 整個電力系統的設計工作中，都必須事先進行短路計算，以此作為合理選擇電氣 接線、選用有足夠熱穩定度和動穩定度的電氣設備及載流導體、確定限制短路電 流的措

22、施、合理配置各種繼電保護并整定其參數等的重要依據。因此故障計算對 于電力系統的設計和安全運行具有十分重要的意義。 1.21.2 本論文的主要工作本論文的主要工作 本文是典型的電力系統故障分析，根據需要，分為三相短路，單相接地短路， 兩相短路，兩相短路接地模型進行仿真分析，而這是我們熟知的四種短路情況， 而 matlab/simulink 功能的強大，大大節省了建模的時間，因為它軟件本身提供 了一個三相短路故障器，可以設置短路的所有情況。 2 2 仿真軟件仿真軟件 2.12.1 matlabmatlab 的簡介的簡介 matlab和mathematica、maple并稱為三大數學軟件。它在數學類

23、科技 應用軟件中在數值計算方面首屈一指。matlab可以進行矩陣運算、繪制函數和 數據、實現算法、創建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程 計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析 等領域。 matlab的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、工程中常用的形 式十分相似，故用matlab來解算問題要比用c，fortran等語言完成相同的事 情簡捷得多，并且mathwork也吸收了像 maple 等軟件的優點,使 matlab 成為一 個強大的數學軟件。在新的版本中也加入了對c，fortran，c+ ，java 的支 持。可以直接調用,用戶也可以將

24、自己編寫的實用程序導入到matlab函數庫中 方便自己以后調用，此外許多的matlab愛好者都編寫了一些經典的程序，用戶 可以直接進行下載就可以用。 matlab的特點： (1)、此高級語言可用于技術計算 (2)、此開發環境可對代碼、文件和數據進行管理 (3)、交互式工具可以按迭代的方式探查、設計及求解問題 (4)、數學函數可用于線性代數、統計、傅立葉分析、篩選、優化以及數值 積分等 (5)、二維和三維圖形函數可用于可視化數據 (6)、各種工具可用于構建自定義的圖形用戶界面 (7)、各種函數可將基于matlab的算法與外部應用程序和語言（如 c、c+、fortran、java、com 以及 m

25、icrosoft excel）集成2 (8)、不支持大寫輸入，內核僅僅支持小寫matlab的優勢： （1）友好的工作平臺和編程環境 matlab由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用matlab的函數和文件， 其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括matlab桌面和命令窗口、歷史命令 窗口、編輯器和調試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽 器。隨著matlab的商業化以及軟件本身的不斷升級，matlab的用戶界面也越 來越精致，更加接近windows的標準界面，人機交互性更強，操作更簡單。而 且新版本的matlab提供了完整的聯機查詢、幫助系統，極大的方便了用戶的使 用。簡單的

26、編程環境提供了比較完備的調試系統，程序不必經過編譯就可以直接 運行，而且能夠及時地報告出現的錯誤及進行出錯原因分析。 （2）簡單易用的程序語言 matlab一個高級的矩陣/陣列語言，它包含控制語句、函數、數據結構、 輸入和輸出和面向對象編程特點。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執行命令 同步，也可以先編寫好一個較大的復雜的應用程序（m文件）后再一起運行。新 版本的matlab語言是基于最為流行的c語言基礎上的，因此語法特征與 c語言極為相似，而且更加簡單，更加符合科技人員對數學表達式的書寫格 式。使之更利于非計算機專業的科技人員使用。而且這種語言可移植性好、可拓 展性極強，這也是 matlab

27、 能夠深入到科學研究及工程計算各個領域的重要原因。 （3）強大的科學計算機數據處理能力 matlab是一個包含大量計算算法的集合。其擁有600多個工程中要用到的 數學運算函數，可以方便的實現用戶所需的各種計算功能。函數中所使用的算法 都是科研和工程計算中的最新研究成果，而前經過了各種優化和容錯處理。在通 常情況下，可以用它來代替底層編程語言，如c和c+ 。在計算要求相同的情 況下，使用matlab的編程工作量會大大減少。matlab的這些函數集包括從最 簡單最基本的函數到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復雜函數。函數所 能解決的問題其大致包括矩陣運算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程

28、 的組的求解、符號運算、傅立葉變換和數據的統計分析、工程中的優化問題、稀 疏矩陣運算、復數的各種運算、三角函數和其他初等數學運算、多維數組操作以 及建模動態仿真等。 （4）出色的圖形處理功能 matlab自產生之日起就具有方便的數據可視化功能，以將向量和矩陣用圖 形表現出來，并且可以對圖形進行標注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的 可視化、圖象處理、動畫和表達式作圖。可用于科學計算和工程繪圖。新版本的 matlab對整個圖形處理功能作了很大的改進和完善，使它不僅在一般數據可視 化軟件都具有的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善， 而且對于一些其他軟件所沒有的功能（例如:圖

29、形的光照處理、色度處理以及四 維數據的表現等） ，matlab同樣表現了出色的處理能力。同時對一些特殊的可視 化要求，例如圖形對話等,matlab也有相應的功能函數，保證了用戶不同層次的 要求。另外新版本的matlab還著重在圖形用戶界面（gui）的制作上作了很大 的改善，對這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。 （5）應用廣泛的模塊集合工具箱 matlab對許多專門的領域都開發了功能強大的模塊集和工具箱。一般來說， 它們都是由特定領域的專家開發的，用戶可以直接使用工具箱學習、應用和評估 不同的方法而不需要自己編寫代碼。目前，matlab已經把工具箱延伸到了科學 研究和工程應用的諸多領域，諸如

30、數據采集、數據庫接口、概率統計、樣條擬合、 優化算法、偏微分方程求解、神經網絡、小波分析、信號處理、圖像處理、系統 辨識、控制系統設計、lmi控制、魯棒控制、模型預測、模糊邏輯、金融分析、 地圖工具、非線性控制設計、實時快速原型及半物理仿真、嵌入式系統開發、定 點仿真、dsp 與通訊、電力系統仿真等，都在工具箱（toolbox）家族中有了自 己的一席之地。 （6）實用的程序接口和發布平臺 新版本的matlab可以利用matlab編譯器和c/c+數學庫和圖形庫，將自 己的matlab程序自動轉換為獨立于matlab運行的 c 和 c+代碼。允許用戶編 寫可以和matlab進行交互的c或c+語言程

31、序。另外，matlab網頁服務程序 還容許在web應用中使用自己的matlab數學和圖形程序。matlab的一個重要 特色就是具有一套程序擴展系統和一組稱之為工具箱的特殊應用子程序。工具箱 是matlab函數的子程序庫，每一個工具箱都是為某一類學科專業和應用而定制 的，主要包括信號處理、控制系統、神經網絡、模糊邏輯、小波分析和系統仿真 等方面的應用。 （7）應用軟件開發（包括用戶界面） 在開發環境中，使用戶更方便地控制多個文件和圖形窗口；在編程方面支持 了函數嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強大的圖形標注和處理功能， 包括對性對起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向excel和hdf

32、5進行連 接。 simulink是matlab最重要的組件之一，它提供一個動態系統建模、仿真 和綜合分析的集成環境。在該環境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直 觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統。simulink具有適應面廣、結構和流程 清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優點，并基于以上優點simulink 已被廣泛應用于控制理論和數字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三 方軟件和硬件可應用于或被要求應用于simulink。 simulink是matlab中的一種可視化仿真工具， 是一種基于matlab的 框圖設計環境，是實現動態系統建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于

33、 線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。simulink 可以用連續采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持 多速率系統，也就是系統中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創建動態系統 模型，simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(gui) ，這個創建 過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式， 而且用戶可以立即看到系統的仿真結果。 simulink用于動態系統和嵌入式系統的多領域仿真和基于模型的設計工具。 對各種時變系統，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統， simulink提供了交互式圖形化環

34、境和可定制模塊庫來對其進行設計、仿真、執 行和測試。. 構架在simulink基礎之上的其他產品擴展了simulink多領域建模功能， 也提供了用于設計、執行、驗證和確認任務的相應工具。simulink與matlab 緊密集成，可以直接訪問matlab大量的工具來進行算法研發、仿真的分析和可 視化、批處理腳本的創建、建模環境的定制以及信號參數和測試數據的定義。 simulink的特點： （1）豐富的可擴充的預定義模塊庫 （2）交互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖 （3）以設計功能的層次性來分割模型，實現對復雜設計的管理 （4）通過model explorer 導航、創建、配置、搜索模型中

35、的任意信號、 參數、屬性，生成模型代碼 （5）提供api用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成 （6）使用embedded matlab 模塊在simulink和嵌入式系統執行中調 用matlab算法 （7）使用定步長或變步長運行仿真，al,accelerator,rapid accelerator)來決定以解釋性的方式運行或以編譯 c 代碼的形式來運行模型 （8）圖形化的調試器和剖析器來檢查仿真結果，診斷設計的性能和異常行 為 （9）可訪問matlab從而對結果進行分析與可視化，定制建模環境，定義 信號參數和測試數據 （10）模型分析和診斷工具來保證模型的一致性，確定模型中的錯誤。 3 3

36、 電力系統故障分析電力系統故障分析 3.13.1 故障概述故障概述 短路是電力系統的嚴重故障。所謂短路，是指一切不正常的相與相之間或相 與地（對于中性點接地的系統）發生系統通路的情況。電力系統在運行中，相與 相之間或相與地（或中性線）之間發生非正常連接（即短路）時流過的電流。其 值可遠遠大于額定電流，并取決于短路點距電源的電氣距離。例如，在發電機端 發生短路時，流過發電機的短路電流最大瞬時值可達額定電流的1015倍。大 容量電力系統中，短路電流可達數萬安。這會對電力系統的正常運行造成嚴重影 響和后果。 1 3.23.2 故障類型故障類型 三相系統中發生的短路有 4 種基本類型：三相短路，兩相短

37、路，單相對地短 路和兩相對地短路。其中，除三相短路時，三相回路依舊對稱，因而又稱對稱短 路外，其余三類均屬不對稱短路。在中性點接地的電力網絡中，以一相對地的短 路故障最多，約占全部故障的 90。在中性點非直接接地的電力網絡中，短路故 障主要是各種相間短路。表 1.1 給出這幾種短路的簡略記號。 表表 1.11.1 短路的簡略記號短路的簡略記號 短路類型示意圖代表符號 三相短路 二相短路 單相短路 二相短路接地 )3( f )2( f )1( f )1 . 1( f 3.33.3 故障概率故障概率 運行經驗指出，架空輸電線是電力系統中比較薄弱的環節，發生短路的幾率 最高，我國某電力系統多年統計出

38、在不同范圍內發生短路故障的相對次數列出如 表 1.2。 表表 1.21.2 不同范圍能發生短路故障幾率不同范圍能發生短路故障幾率 線路范圍發生幾率 在 110kv 線路上 容量為 6000kw 以上的發電機 110kv 變壓器 110kv 母線 78.0% 7.5% 6.5% 8.0% 表表 1.31.3 110kv110kv 線路上各種類型短路故障幾率線路上各種類型短路故障幾率 短路類型發生幾率 三相短路 二相短路 二相短路接地 單相短路 5% 4% 8% 83% 從表 1.3 中的數字中可以看出單相短路幾率占壓倒性多數，國外的運行經驗 也證明了這一點。三相短路的幾率是很小的，但這并不說明三

39、相短路無關緊要， 相反對三相短路應該加以重視，因為三相短路的情況最嚴重，有時為了最后論斷 電力系統在短路情況下工作的可能性，他起著決定性的作用。此外，研究三相短 路之所以重要，還由于我們在分析計算不對稱短路時，往往把不對稱短路看成某 種假定的三相短路來處理。 2 3.43.4 短路計算的基本原則和規定短路計算的基本原則和規定 電力系統三相短路計算主要是短路電流周期分量的計算，在給定電源電勢時， 實際就是穩態交流電路的求解。 在電力系統短路電流的工程計算中，許多實際問題的解決（如電網設計中的 電氣設備選擇）并不需要十分精確的結果，于是產生了近似計算的方法。在近似 計算中主要是對系統元件模型和標么

40、值參數計算做了簡化處理。在元件模型方面， 忽略發電機、變壓器和輸電線路的電阻，不計輸電線路的電容，略去變壓器的勵 磁電流（三相三柱式變壓器的零序等值電路除外） ，負荷忽略不計或只做近似估 計。在標么值參數計算方面，在選取各級平均電壓做為基準電壓時，忽略各元件 (電抗器除外)的額定電壓之比，即所有變壓器的標么變比都等于1。此外，有時 還假定所有發電機的電勢具有相同的相位，加上所有元件僅用電抗表示，這就避 免了復數運算，把短路電流的計算簡化為直流電路的求解。 短路計算的目的是為了選擇導體和電器，并對其進行相關校驗。 基本假定：短路電流實用計算中，采用以下假設條件和原則： （1）正常工作時，三相系統

41、對稱運行； （2）所有電源的電動勢相位角相同； （3）系統中的同步和異步電機為理想電機，不考慮電機飽和、磁滯、渦流 及導體集膚效應等影響；轉子結構完全對稱；定子三相繞組空間相差120電氣 角； （4）電力系統中各原件的磁路不飽和，即帶鐵芯的電氣設備電抗值不隨電 流大小變化； （5）電力系統中所有電源都在額定負荷下運行，其中50%負荷接在高壓母 線上，50%負荷接在系統側； （6）同步電機都具有自動調整勵磁裝置（包括強行勵磁） ； （7）短路發生在短路電流為最大值的瞬間； （8）不考慮短路點的電弧阻抗和變壓器的勵磁電流； （9）除計算短路電流的衰減時間常數和低壓網絡的短路電流外，元件的電 阻都略

42、去不計； （10）元件的計算參數均取其額定值，不考慮參數的誤差和調整范圍； （11）輸電線路的電容略去不計； （12）用概率統計法制定短路電流運算曲線。 一般規定： （1）驗算導體和電器動穩定、熱穩定以及電器開斷電流所用的短路電流， 應按本工程的設計規劃容量計算，并考慮電力系統的遠景發展規劃（一般為本期 工程建成的510年） 。確定短路電流時，應按可能發生最大短路電流的正常接 線方式，而不應按僅在僅在切換過程中可能并列運行的接線方式； （2）在電氣網絡中應考慮具有反饋作用的異步電動機的影響； （3）選擇導體和電器時，對不帶電抗器回路的計算短路點應選擇在正常接 線方式時短路電流為最大的地點。對加

43、裝電抗器的610kv 出線與廠用分支線回 路，除其母線和母線隔離開關之間隔板前的引線和套管，計算短路點應選擇在電 抗器前，其余導體和電器的計算短路點一般選擇在電抗器后； （4）導體和電器的動穩定、熱穩定和電器的開斷電流，一般按三相短路驗 算。若發電機出口的兩相短路或中性點直接接地系統及自耦變壓器等回路中的單 相、兩相接地短路較三相嚴重時，則應按嚴重情況計算。 3.53.5 短路點選擇原則短路點選擇原則 短路計算點是指在正常接線方式時，通過電器設備的短路電流為最大的地點。 所選的短路點一定要是各種短路類型是最嚴重的情況，因為只要這樣才能得出變 壓器中性點的最大入地電流，算出后才能進行接地電阻允許

44、值的計算。而且一般 不止選擇一個短路點，而是通常選擇23個分別進行計算，然后將計算結果進行 比較。 3.63.6 短路電流計算的基本步驟短路電流計算的基本步驟 在進行短路電流計算前，應根據計算的目的搜集有關資料，如電力系統接線 圖、運行方式、各元件的技術數據等。進行計算時，首先作出計算電路圖，再根 據計算電路圖對各短路點作出等值電路圖；然后利用網絡簡化規則，將等值電路 逐步簡化，求出短路回路總電抗；最后根據總電抗可求出短路電流值。 3.73.7 電力系統故障分析計算電力系統故障分析計算 算例：假設無窮大功率電源供電系統如圖 3.1 所示，0.02s 時刻變壓器低壓 分母線發生三相短路故障，仿真

45、其短路電流周期分量幅值和沖擊電流的大小。線 路參數為，;變壓器的額定容量50lkm 1 0.4xkm 1 0.17rkm ，短路電壓，短路損耗，空載損耗20 n smva s u 135 s pkw ，空載電流，變比，負載，高低壓0.8 o i 0.8 o i 110 11 t k 5smw 繞組均為 y 形聯接；并設供電點電壓為 110kv。其對應的 simulink 仿真模型如圖 4.1 所示。 l s t f load 圖圖 3.13.1 計算： 變壓器 t 采用“three-phrase-transformer（two windings） ”模型。根據 給定的數據： 變壓器的電阻為：

46、33 2 22 1010 110 20000 t n n s pu r s 變壓器的電抗為: 33 2 2 100 1010 10.5 110 100 20000 t n n s x uu s 則變壓器的漏感： 30.202 63.53 2 3.14 50 (2)lhhxf 變壓器的勵磁電阻為： 335 2 o p = 2 22 10 110 105.5 10 m n u r 變壓器的勵磁電抗為： 33 2 1002 100 110 0.8 2000 1010 n n m o u is x 變壓器的勵磁電感為： (36)240.8 75625 214 50 (2) m m hhlxf 輸電線路

47、 l 采用“three-phase series rlc branch”模型。根據給定的參 數計算可得， 1 0.17 l rrl ll1 =x= lh 0.064h 20 2 3.14 0.4 50 l xxl 得到以上的電力系統參數后，可以首先計算出在變壓器低壓母線發生三相短路故 障時短電流周期分量幅值和沖擊電流的大小。 短路電流周期分量的幅值為： m ll m 22 uk i = = = 22 rr+x +x a 2 110 3 10 2.08+8.5 +63.5+20 10.63 a k （）（）（）（） 時間常數為： a t at t =(3 10)l) 0.202 0.064 4.

48、08 8.5 0.0211 ltl lrrss （ 則短路沖擊電流為： 0.01 0.0211 (3 11)()11.622517.3 immm ieiika 4 4 電力系統故障仿真電力系統故障仿真 4.14.1 三相短路系統仿真模型及各模塊參數設置三相短路系統仿真模型及各模塊參數設置 圖圖 4.14.1 電力系統三相短路系統仿真模型電力系統三相短路系統仿真模型 （一）三相電源模塊（一）三相電源模塊 三相電源原件是電力系統設計中最常見的電路原件，也是最重要的原件，其 運行特性對電力系統的運行狀態起到決定性的作用。三相電源原件提供了帶有串 聯 rl 支路的三相電源。 三相電源模塊參數設置包含

49、7 個選項，分別是相電壓（phase-to-phase rms voltage） ，表征的是三相電源 a 相、b 相和 c 相的相電壓；a 想相角（phase angle of phase a） ，單位是度（degrees） ；頻率（frequency） ；內部連接方式 （internal connection） ；短路阻抗值（specity impedance using short- circuit level） ，用來設定在短路情況下的阻抗數值；三相電源電阻（source resistance） ；三相電源電感；其中，內部鏈接方式有 3 種，分別是：y 型，表示 中性點不接地；yn 型，

50、表示中性點接地電阻或消弧線圈接地；yg 型，表示中性 點直接接地。 圖圖 4.24.2 三相電源模塊的參數三相電源模塊的參數 （二）并聯（二）并聯 rlcrlc 負荷模塊負荷模塊 并聯 rlc 負荷模塊（parallel rlc load）提供了一個由電阻、電感、電 容并聯連接構成的功能模塊，也可以通過設置它的電阻、電感和電容的具體值來 改變該支路的等效阻抗。 圖圖 4.34.3 負載模塊的參數負載模塊的參數 （三）三相線路模塊（三）三相線路模塊 圖圖 4.44.4 三相線路模塊參數三相線路模塊參數 （四）三相變壓器模塊（四）三相變壓器模塊 （1）變壓器模塊 變壓器模塊是變換交流電壓、電流和阻

51、抗的器件，當初級繞組中通有交流電 流時，鐵心（或磁心）中便產生交流磁通，使次級線圈中感應出電壓（或電流） 。 變壓器由鐵心（或磁心）和繞組組成，繞組有兩個或兩個以上的繞組，其中介電 源的繞組叫初級繞組，其余的繞組叫次級繞組。按電源相數來分，變壓器單相、 三相和多相幾種形式。他的重要特性參數主要有： 工作頻率：變壓器鐵心損耗與頻率有很大的關系，故應根據使用頻率來設 計和使用，這個頻率稱工作頻率。 額定頻率：在規定的頻率和電壓下，變壓器能長期工作，而不超過規定溫 升的輸出功率。 額定電壓：指在變壓器的繞組上所允許施加的電壓，工作時不得大于該電 壓。 電壓比：指變壓器初級電壓和次級電壓的比值，有空載

52、電壓比和負載電壓 比的區別。 空載電流：變壓器次級開路時，初級仍有一定的電流，這部分電流稱為空 載電流。 空載損耗：指變壓器次級開路時在初級測得的功率損耗。主要損耗是鐵心 損耗，其次是空載電流在初級繞組銅祖上產生的損耗（銅損） ，這部分消耗很小。 效率：指次級功率與初級功率比值的百分比。通常變壓器的額定功率 2 p 1 p 越大，效率就越高。 （2）標么值參數系統介紹 為了便于工業應用，通常要將有名值轉換為標么值，而這需要知道相應繞組 的額定功率（ p ，單位va） 、額定電壓（v,單位v）以及額定頻率（f,單位 nnn hz） 。對每一個繞組，其電阻和電抗的標么值定義如下： (4-1) )(

53、 .).( base up l l r (4-2) )( .).( base up l l l (4- 3) n n base p v r 2 )( (4-4) n base f r l 2 式中：v、p和f分別為一次繞組的額定電壓，額定功率和額定頻率。 nnn （3）雙繞組三相變壓器 雙繞組三相變壓器的兩個繞組可以接成多種形式，如星形 y、帶中性線的星 形 yn、星形接地 yg、三角形（超前星形 30）它們可以通過該功能模塊。 11 d 圖圖 4.54.5 變壓器模塊的參數變壓器模塊的參數 （五）三相（五）三相電壓電流測量模塊電壓電流測量模塊 三相電壓電流測量模塊“three-phasev-

54、i measurement”將在變壓器低壓側 測量到的電壓、電流信號轉變成 simulink 信號，相當于電壓、電流互感器的作 用。 圖圖 4.64.6 三相電壓電流測量模塊的參數三相電壓電流測量模塊的參數 （六）三相故障模塊（六）三相故障模塊 三相故障模塊提供了一種可編程的相間（phase-to-phase）和（phase-to- ground）故障斷路器中。三相故障模塊使用了三個獨立的斷路器，用來模擬各種 對地或者相間故障模型。 三相故障模塊中的斷路器的開通和關斷時間可以由一個 simulink 外部信號 （外部控制模式）或者內部控制定時器（內部控制模式）來控制。 如果不設計接地故障，接地

55、電阻（ground resistance）rg 自動被設置為 10 。舉例說明如下：當設置一個 a、b 相間短路故障模型時，只需要設置 a 相故 6 障和 b 相故障屬性參數；當設置一個 a 相接地故障模型時，只需要同時設置 a 相 故障和接地故障屬性參數，并且要指定一個小的接地電阻值。需要注意的是： 如果三相故障模塊被設置為外部控制（external control）模式時，在 模塊的封裝圖表中就會出現一個控制輸入端。連接到這個輸入端的控制信號必須 是 0 或者 1 之類的脈沖信號（其中 0 表示斷開斷路器，1 表示閉合斷路器） 。 當三相故障模塊被設置為內部控制模式（internal co

56、ntrol mode）時， 其開關時間（switching times）和開關狀態，均在該模塊的屬性參數對話框中 進行設置。 4.24.2 仿真結果分析仿真結果分析 對供電系統變壓器低壓側電路的短路進行分析， 主要分析單相接地短路、 兩相接地短路、兩相短路及三相短路的電壓和電流的變化。 ( (一一) )三相短路分析三相短路分析 將三相短路故障發生器元件 (three-phasefault)中故障相選擇 的 a、b、c 三相故障全部選中，轉換時 transitiontimes(s) 設置為0.02 0.1 ， 對應的狀態轉換 transiti onst atus 設置為1 0 ,其中 1 表示閉

57、合，0 表示 斷開；在三相電壓電流測量模塊(three-phasev-imeasure-ment)中選擇相電壓和 電流作為測量電氣量。運行仿真，雙擊 scope 可以得到高壓供電系統變壓器低 壓側母線的三相短路故障電壓波形如圖所示。 從圖 4.8 中可以看出，在 0.02 時刻之前，0.1 時刻之后系統處于穩態下，各 相電壓都很大；在 0.02 時刻發生短路故障后，各相電壓均快速降低。符合實際 電力系統發生短路故障電壓降低的特征。 運行仿真后，雙擊 scope1 可以得到高壓供電系統變壓器低壓側母線的三相 短路故障電流波形如 4.9 圖所示。由圖可以得到以下結論：在穩態時，供電系統 各相電流由

58、于三相短路故障未發生，因而三相電流都為 0a。在 0.02 時刻，高壓 供電系統變壓器低壓側電路發生三相短路故障，a、b、c 三相電流均發生劇烈變 化，由于三相電路相電流之間存在相位差，因而故障點各相電流波形上升或者下 降。在 0.1 時刻，切除三相短路故障，a、b、c 三相電流迅速衰減為 0a，最后處 于穩定狀態。 為了得到仿真圖中的準確數值，以三相短路的 a 相為例，可以在 matlab 的 主命令窗口中輸入下列命令來顯示故障相的電流數據。從得到的大量 a 相電流 數據中，可以發現短路電流周期分量的幅值為 10.64ka，短路沖擊電流為 17.39ka，同理可得 b、c 兩相故障的電流值。

59、仿真波形的數值與理論計算值相比 存在一定的誤差，這主要是由電源模塊的內阻造成的，可以通過更改電源模塊的 內阻值來縮小仿真值與理論值的誤差。 圖圖 4.74.7 三相故障模塊參數（三相短路）三相故障模塊參數（三相短路） 圖圖 4.84.8 abcabc 三相短路電壓三相短路電壓 圖圖 4.94.9 abcabc 三相短路電流三相短路電流 （二）（二） 兩相接地短路分析兩相接地短路分析 將三相短路故障發生器元件 (three-phasefault)中故障相選擇 的 a、b、c 三相故障選中 a、b 兩相，轉換時間 transitiontimes(s)設置為0.02 0.1，對應的狀態轉換 tran

60、sitionstatus 設置為1 0 ,其中 1 表示閉合，0 表 示斷開；在三相電壓電流測量模塊(three-phasev-imeasure- ment) 中選擇相電 壓和電流作為測量電氣量。 運行仿真，雙擊 scope 可以得到供電系統變壓器低壓側母線的兩相接地短路 故障電壓波形如圖 4.11 所示。從圖中可以看出，在 0.02 時刻之前，系統處于穩 態，a、b、c 三相電壓波形穩定且均勻變化；在 0.02 時刻發生 a、b 兩相發生接 地短路故障，a、b 兩相電壓快速降為 0，c 相電壓發生抖動，電壓值變大；在 0.1 時刻切除故障，a、b 兩相電壓升高，c 相電壓衰減，系統恢復到穩態