电网故障动态仿真分析

电网故障动态仿真分析

何朝保,任小兵,张泽

中车唐山机车车辆有限公司产品研发中心 唐山市丰润区  063035

摘要：现代电力系统是一个超高压、大容量和跨区域的巨大的联合系统。电力系统事故具有突发性强、维持时间短、复杂程度高、破坏力大的特点，因而使得事后对故障原因分析、查找变得尤其困难。在这种情况下，许多大型电力科研与教学实验一则是实际条件难以满足，二则系统安全运行也不容许进行一些实验(如系统短路实验等)，而电力系统仿真则可以将不能在实验室进行的电力系统运行模拟得以实现，本文是在理论分析的基础上对电网故障进行动态仿真，并结合理论对仿真结果进行分析。

关键词：MATLAB 电网 动态仿真

1 前言

就目前的技术水平而言，电力系统实时仿真系统的特点是模拟电力系统实时过程，能够统一模拟电力系统的电磁暂态过程、机电暂态过程以及后续的动态过程，能够接人实际的物理装置进行模拟试验；但由于仿真实时性的要求和仿真系统硬件规模的限制，一般实时仿真系统所能够模拟的电力系统规模总是有限的。目前常用的电力系统仿真软件有EMTP、NETOMAC、PSASP等。Math Works公司自1984年正式推出MATLAB后，经过这些年的不断研究，增加了许多功能。MATLAB自身的特点使它获得了对应学科，特别是对边缘学科和交叉学科的极强的适应能力，并很快成为应用学科计算机辅助分析、设计、仿真以至教学不可缺少的基础软件。

2 电力传输网络故障理论分析

电力系统可能发生的故障类型比较多，常见的对电力系统危害比较严重的有：短路、断相以及各种复杂故障等。而短路故障则是电力系统中危害最严重的故障，并且电力系统正常运行的破坏多半是由短路故障引起的。所谓短路，是指电力系统正常运行情况以外的一切相与相或相与地之间的“短接”。在电力系统正常运行时，除中性点外，相与相或相与地是绝缘的。如果由于某种原因使其绝缘破坏而构成了通路，我们就称电力系统是发生了短路故障。短路故障主要有三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路。其中三相短路为对称故障，其他的短路都是不对称短路。电力系统的运行经验表明，在各种类型的短路中，单相短路占绝大多数，两相短路较少，三相短路的机会最少。三相短路虽然很少发生，但情况较严重。况且，从短路计算方法来看，一切不对称短路的计算，在采用对称分量法后，都归结为对称短路计算。所以，对三相短路的研究是具有及其重要意义的。所谓断相是指电力系统一相断开或两相断开的情况。这种故障也属于不对称故障。在电力系统中的不同地点(两处或两处以上)同时发生不对称故障的情况，称为复杂故障。这种情况又可视为多个简单不对称故障的复合，所以又称为复故障。

3  仿真模型的建立

电力系统一般由发电机、变压器、电力线路和电力负荷构成。本文将对一个双电源供电系统进行仿真，该系统由一个三相电源和一台发电机同时供电，发电机由一台容量为500MW，变比为220KV/13.8KV的变压器引入电网，系统有两条输送线路，其中一条长为150KM的输送线，并在其首尾端接入两个负载，分别记为L1，L2，为简单起见，负载参数设为相同；另一条是长为200KM的输送线，并在其中点接入一负载，记为L3，负载参数设置和前两各负载相同。此外，在发电机输出端也接一负载，记为L4，除电压等级不一样外，其他参数相同。该系统的的接线图如下图所示：

图1 电力系统的接线图

根据以上电力系统的接线图及其参数设置可利用MATLAB作出此双电源供电系统的电路仿真图如图2所示。

图2  电力输送网络仿真模型图

4  故障仿真分析

4.1 单相自动重合闸

将断路器2，3设置为闭合，短路故障发生器设置为断开。在设置断路器1时，将故障相选择为A相，且断路器的初始状态为闭合。将断路器1的转换时间为【0.04 0.08】，也即线路在0.04s时发生A相断路，断路器断开，在0.08s时断路器重合闸，在断路器断开与重合闸之间，A相发生断路故障，由于此系统为双电源供电系统，所以A相电压并没多大变化，但A相电流为零。断路器重合闸之后，系统恢复正常工作，观察到的电压和电流波形图如下所示：

图3  单相自动重合闸时三相电压和电流波形

4.2 三相自动重合闸分析

将断路器2，3设置为闭合。三相故障发生器设置断开。在设置断路器1时，将故障相选为A，B，C三相，断路器的初始状态为闭合。断路器1的转换时间为【0.04 0.08】，即线路在0.04s发生三相断路故障，在0.08s时断路器重合闸。在三相短路期间，三相电流基本为0，电压变化不大，故障切除后，线路重新恢复对称运行。仿真得到电压和电流波形图如下所示：

图4  三相自动重合闸时三相电压和电流波形

4.3 单相接地短路分析

将断路器均设置为闭合，将三相短路元件设置为A相接地短路，转换时间设为【0.03 0.08】。在0.03s时发生A相接地短路故障，A相电压为0，B、C两相电压有所减小；A相电流迅速上升为短路电流，B，C相电流也有所增大。在0.08s时，线路切除故障，三相电压电流经过暂态后达到新的稳定状态，并且重新恢复三相对称运行的工作状态，观察到的波形图如下所示：

图5  单相短路时三相电压和电流波形

4.4  线路两相间短路分析

将断路器1，2，3均设置为闭合。将故障设置为A、B两相相间短路，转换时间设为【0.03 0.08】。在0.03s时发生A、B两相相间短路故障，A、B两相电压减小，C相电压则基本保持不变；A、B两相的电流迅速上升为短路电流，C相电流基本保持不变。在0.08s之后，电路恢复正常。在示波器上观察到的波形图如下所示：

图6  相间短路时三相电压和电流波形

4.5  相间接地短路分析

将断路器1，2，3设置为闭合。在设置三相故障发生器时，将故障选为A、B两相相间接地短路，转换时间设为【0.03 0.08】。在0.03s时发生A、B两相相间接地短路， A、B两相电压均变为零，C相电压基本保持不变；A、B两相的电流迅速上升为短路电流，C相电流基本保持不变。在0.08s之后，故障发生器断开，故障排除，电路恢复正常运行。短路故障前后电压和电流波形图如下所示：

图7  相间接地短路时三相电压和电流波形

4.6  三相短路分析

将电路中的三个断路器均设置为闭合。在三相故障发生器中将故障设置为A、B、C三相接地短路，转换时间设为【0.03 0.08】。在0.03s时线路发生三相接地短路故障，此时A，B、C三相电压均变为零，三相电流迅速上升为短路电流，幅值增大。在0.08s之后，电路故障被切除，电路恢复正常运行状态。在示波器上观察到的电压和电流波形图如下所示：

图8  三相短路时三相电压和电流波形

5  结论

计算机仿真技术是以多种学科和理论为基础，以计算机及其相应的软件为工具，通过虚拟试验的方法来分析和解决问题的一门综合性技术。计算机仿真具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等特点，已经广泛应用于电力电子电路(或系统)的分析和设计中。本文利用MATLAB工具建立了电力传输网络系统仿真模型，并对短路和断路故障进行了仿真分析，为电力传输网络故障分析提供了理论分析基础。

参考文献

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