基于Matlab的電力系統(tǒng)短路故障下暫態(tài)穩(wěn)定性的仿真與分析

劉洪濤　趙朋洋　張燦煜　趙宇　王暄軼

摘 要：短路故障作為電力系統(tǒng)最常見同時也是危害最大的擾動，是檢驗電力系統(tǒng)是否具有暫態(tài)穩(wěn)定性的重要依據(jù)。該文主要以Matlab SimPower Syetem電力系統(tǒng)工具箱作為平臺，通過搭建電力系統(tǒng)單機-無窮大系統(tǒng)模型，來進行短路接地故障測試仿真。

關鍵詞：暫態(tài)穩(wěn)定 MATLAB大 短路故障

中圖分類號：TM7 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）01（c）-0051-05

電力系統(tǒng)中壓配電網(wǎng)一般采用不直接接地或經(jīng)消弧線圈接地方式，因其發(fā)生接地故障時，流過接地點電流小，因此稱為小電流接地系統(tǒng)，而該系統(tǒng)接地故障最高。由于3個線電壓仍然對稱，不影響負荷連續(xù)供電，故不必立即跳閘，但接地后非故障相電壓會升高，長時間帶故障運行會影響系統(tǒng)安全，因此，需要對故障時刻和故障線路進行檢測。另外故障初期接地點常常伴有很大的接地電阻，各次諧波電流分量很小，這將影響故障檢測的靈敏度。因此，需要具有很強的處理微弱信號能力的數(shù)字信號處理方法來分析非平穩(wěn)信號。對配電網(wǎng)接地短路故障的研究，主要有利用短路后的穩(wěn)態(tài)分量、諧波分量和暫態(tài)分量等幾種方法。該文對電力系統(tǒng)短路故障下暫態(tài)穩(wěn)定性的仿真系統(tǒng)進行了分析。

1 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性簡要分析

1.1 保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的有效策略

提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的措施和提高靜態(tài)穩(wěn)定時不同，其首先考慮的是減少功率或能量差額的臨時性措施。這一方面是由于急劇擾動下機械與電磁、負荷與電源的功率或能量差額比微小擾動大得多，另一方面又由于這種擾動往往是暫時性的。

通常情況下，故障的快速切除與自動重合閘是相互配合運行的，通過對功率的降低或提升能量差額保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，該措施經(jīng)濟且有效。單相重合也有利于提高負荷的穩(wěn)定性，單向重合后滿足系統(tǒng)電源的需求，達到負荷要求，進而有效維持負荷的穩(wěn)定運行。

1.2 對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的有效控制

電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的第一道防線是電力系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定控制。暫態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在受到大干擾后，所有的同步發(fā)電機共同運行，經(jīng)一定時間的調整后逐漸過渡到穩(wěn)態(tài)運行，或者經(jīng)一定調整恢復至最初狀態(tài)。提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的措施多種多樣，該文以電力系統(tǒng)常見單機-無窮大系統(tǒng)為例，主要從電力系統(tǒng)穩(wěn)定器、故障及時解除、單項自動重合閘及故障限流器等對保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的作用上入手，對Matlab的電力系統(tǒng)仿真模塊集SimPowerSystemsBlockset進行仿真分析。

2 模型特性及原理分析

2.1 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定定性分析

在電力系統(tǒng)的正常運行狀態(tài)下，將原動機輸入機械功率視作Pm，那么發(fā)電機所輸出的電磁功率就會與其達成平衡狀態(tài)，通過P1與Pm的交叉點進一步明確發(fā)電機工作點，也就是a點，與此相對應的功率角則為，具體如圖2所示，虛線所示為不計阻尼作用的曲線，實線所示為計阻尼作用的曲線。

在發(fā)生短路的瞬間，由于不考慮定子回路的非周期分量，則周期分量的功率是可以突變的，于是發(fā)電機運行點由PI突然將為PII。又由于發(fā)電機組轉子機械運動的慣性所致，功率角不可能突變，仍為。那么運行點由a點躍降到短路時功-角特性曲線PII上的b點。達b點后，輸入的機械功率Pm大于輸出的電磁功率PIIb，不平衡凈加速功率大于零。依轉子運動方程式，于是轉子開始加速，即，功率角開始增大，，運行點將沿功-角特性曲線PII移動，設經(jīng)過一段時間，當功率角增大至c時，此時運行在c點，速度達到最大。若在c點事切除線路故障，在切除線路故障的瞬間，仍由于不考慮定子回路電流的非周期分量及機組轉子的機械慣性，為c，運行點從PII上的c點突升到PIII上的e點，此時速度仍為。在達到e點后，機械功率Pm

當短路故障切除得遲些，c更大時，在故障切除后，運行點沿功率PIII不斷向功率角增大的方向移動過程中，雖然轉子在不斷減速，但運行點到達曲線PIII上的點時，轉子的轉速仍大于同步轉速。于是運行點就要越過點，過了點后，情況發(fā)生逆轉。由于Pm>PIII，發(fā)電機組轉子又開始加速，而且加速度越來越大，功率轉角無限增大，發(fā)電機與系統(tǒng)之間將失去同步，系統(tǒng)暫態(tài)不穩(wěn)定。

2.2 單機-無窮大系統(tǒng)原理

假定聯(lián)絡阻抗為純電感，則由發(fā)電機向無窮大系統(tǒng)送出去的有功功率的P為：

（1）

式中為包括發(fā)電機阻抗在內的發(fā)電機電動勢到無窮大系統(tǒng)母線的總阻抗；為功角；Em為發(fā)電機電勢；U為系統(tǒng)母線電壓。

假定在發(fā)電機高壓母線上發(fā)生三相金屬性短路。T=t0時刻將故障解除，運用仿真模式對發(fā)電機的運行狀態(tài)進一步觀察與掌握。就我國目前發(fā)展情況下，對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定擾動模式的考核主要以三相短路作為標準之一[3]。所以，仿真故障模式選擇了短路故障，考慮到PSS（Power System Stabilizer）屬于Simulink下SimPowerSystem庫的machines分支下的模塊）作為勵磁系統(tǒng)的一個子模塊，它的輸出時勵磁輸入信號的一種，通過On-Off開關控制投退。

3 仿真與分析

3.1 仿真模型的搭建

利用Matlab下的Simulink軟件與電力系統(tǒng)模塊庫對電力系統(tǒng)進行仿真分析，且具有很強的直觀性，非常簡單，用戶通過圖形化方式對仿真系統(tǒng)模型進行創(chuàng)建，在Simulink菜單下對系統(tǒng)仿真過程實行啟動操作，示波器將仿真結果直接反映出來。通過對仿真原理的分析，運用Simulink軟件仿真有效調整調節(jié)器，進而將系統(tǒng)仿真結果直觀的顯示出來，進而實現(xiàn)電力系統(tǒng)仿真設計。

連線各個模塊并設置相關參數(shù)，電力系統(tǒng)單機-無窮大系統(tǒng)仿真模型如圖4所示。

3.2 仿真結果分析

在大擾動狀態(tài)下，電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性在發(fā)電機機械功率與電磁功率差額的影響下受到嚴重破壞。所以，要想有效保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，首先必須將發(fā)電機加速功率適當減小。另外，能有效提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要策略主要包含電力系統(tǒng)穩(wěn)定器、故障及時解除、單項自動重合閘及故障限流器等，并以此為依據(jù)進行仿真設計與分析。

（1）L1中段發(fā)生單相接地短路，1S開始，1.5 s時將故障及時切除，全面分析電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS的效果（PSS可通過切換開關進行投退），仿真結果如圖5～12所示。

結論分析：對比未加PSS和加有PSS系統(tǒng)的仿真波形可知，就電力系統(tǒng)單相接地短路故障而言，通過PSS使系統(tǒng)對震蕩阻尼效果得以有效提升，并促進波形的快速恢復，同時消除其他故障諧波。

（2）故障點發(fā)生三相接地短路，1.1 s時切除故障，仿真時不加PSS，對自適應單相重合閘的效果進行分析，仿真結果如圖13所示。

對于三相接地短路這樣非常嚴重的故障形式，未投入PSS時，即使對故障進行了及時解除，但仍然沒有提升系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。當加入PSS后，仿真結果如圖14所示。

結論分析：由于三相接地短路，系統(tǒng)脫離暫態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，隨時間增加相電流會在短時間內迅速增加，對于非常嚴重的三相接地短路故障，采用PSS可有效地增加系統(tǒng)的阻尼振蕩效果，從而使系統(tǒng)迅速地趨于穩(wěn)定。

該仿真采用轉子角速度變化量dω（p.u）電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS模塊的輸入信號。當未投入PSS時，盡管快速切除了故障，系統(tǒng)仍然失去穩(wěn)定性。同時采用自動重合閘也是提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的一個有效經(jīng)濟地方法，該次穩(wěn)態(tài)故障仿真對自適應單相重合閘的效果進行了仿真分析。相對于以往傳統(tǒng)的單相重合閘，自適應重合閘并非在盲目的狀態(tài)下運行，而是在重合前對單相接地短路故障屬性進行快速識別。如果判定為瞬時性故障，便執(zhí)行重合進行操作；如果判定為永久性故障，便執(zhí)行重合閉鎖操作。對于瞬時性故障，選擇重合進行操作，能夠有效保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。在高壓架空線路的運行中，經(jīng)常發(fā)生短路故障，且故障屬性多為瞬時性單相接地短路，執(zhí)行重合閘操作可有效接觸短路故障。因此，對單相重合閘的科學合理使用能夠保證電力系統(tǒng)的可靠供電，提升其暫態(tài)穩(wěn)定性。

4 結語

該文通過對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性研究領域故障判斷分析，以Matlab/Simulink為電力系統(tǒng)仿真應用平臺，搭建了電力系統(tǒng)各種模型，最終建立復雜的系統(tǒng)仿真模型。運用小波變換對故障信號進行特征提取，完成了對故障檢測點的實時分析和研究，對電力系統(tǒng)運行中易出現(xiàn)的故障問題進行了調試和分析，該次電力系統(tǒng)仿真優(yōu)點突出，首先，部署成本低，建模效率高，能有效地降低試驗風險，并且最大限度地保留了仿真的完整度，通過優(yōu)化算法，達到了很高的精度，并且為更加復雜的電力系統(tǒng)提供了研究參考。其次，易用性強，界面友好，操作使用非常方便?？梢匀我庠黾酉嚓P模塊，并且可以定制模塊元件或代碼，交互式應用不同的算法，進行參數(shù)優(yōu)化?？傊?，利用Matlab強大的計算功能，提高仿真計算的靈活性和效率，為仿真與分析電力系統(tǒng)提供了一種新手段。

參考文獻

[1] 王晶，翁國慶，張有兵.電力系統(tǒng)的MATLAB/SIMULINK仿真與應用[M].西安電子科技大學出版社，2008.

[2] 李國勇，謝克明，楊麗娟.計算機仿真技術與CAD——基于MATLAB的控制系統(tǒng)[M].2版.電子工業(yè)出版社，2008.

[3] 李穎.Simulink動態(tài)系統(tǒng)建模與仿真[M].2版.西安電子科技大學出版社，2009.

[4] 于貴江.基于小波分析的故障信號檢測[D].哈爾濱理工大學學報，2003.

[5] 任震，石志強.小波變換及其在電力系統(tǒng)中的應用（二）理論基礎[J].電力系統(tǒng)自動化，1997（12）：13-17.

[6] 吳軍基，吳秋偉，楊偉.電力系統(tǒng)故障時刻提取的小波分析[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2000，28（12）：1-3.

[7] 周兆慶，陳星鶯.Matlab電力系統(tǒng)工具箱在電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真中的應用[J].電力自動化設備，2005，25（4）：51-55.

[8] 于群，曹娜.MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真[M].機械工業(yè)出版社，2011.

[9] 周煜智，徐政，唐庚.三種MMC-HVDC直流故障處理方法下電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析[J].中國電機工程學報，2015（7）：1621-1627.

[10] 宋杰，竇金生.不同短路故障情況下簡單電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性分析[J].電子設計工程，2015（11）：135-137.

[11] 張慧，邢玉林.電流補償型故障限流器對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響研究[J].電氣開關，2015（6）：87-90.

[12] 張會參，秦艷輝.基于SVC的異步風力發(fā)電機并網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性研究[J].電工電氣，2011（2）：4-7.