基于MATLAB的輸電線路故障行波仿真的研究

摘 要：為了便于對輸電線路故障行波的學(xué)習(xí)和研究，提出了基于MATLAB的輸電線路故障行波仿真方法。介紹了線路故障行波的提取方法，建立了基于分布參數(shù)模型的輸電線路故障行波仿真平臺，應(yīng)用該平臺和MATLAB編程實(shí)現(xiàn)了對輸電線路故障的仿真以及故障行波的提取。

關(guān)鍵詞：行波；MATLAB；仿真平臺；分布參數(shù)

當(dāng)線路發(fā)生故障時，電力系統(tǒng)中運(yùn)行著電壓和電流行波，這些暫態(tài)故障行波中含有故障方向、故障距離等豐富的故障信息。為了電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性，需要快速找到故障點(diǎn)發(fā)生的位置和時間，從而及時恢復(fù)電力系統(tǒng)的運(yùn)行，而輸電線路故障行波的性能可以更好的優(yōu)化電力系統(tǒng)的配置，最大程度的減小因故障造成的經(jīng)濟(jì)損失。

1 輸電線路故障行波仿真平臺的構(gòu)建

MATLAB是當(dāng)前國際認(rèn)可的優(yōu)秀科技應(yīng)用軟件，它的功能覆蓋面非常大，可以廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)。

首先打開MATLAB，單擊界面工具欄中的SIMULINK圖標(biāo)，窗口即會顯示一個simulink libarary browser窗口，在matlab菜單命令中選擇file-new-model，可彈出simulink模型庫窗口。此仿真模型是由3個電源和4段分布參數(shù)輸電線構(gòu)成的一個環(huán)形電網(wǎng)，從模型庫中選擇三相電壓電流測量模塊、三相線路故障模塊、三相電壓源、示波器、分布參數(shù)仿真線和各種元器件模塊，對它們進(jìn)行拖拽放置在當(dāng)前仿真平臺窗口上。用輸電線連接好各個模塊即可構(gòu)成仿真模型圖如圖1所示。

在圖1中，模型電源采用的是“three-phase soure”模型，三相電源E1、E2和E3的電勢初位差分別設(shè)置為0°、30°和60°。輸電線路仿真模塊采用“Distributed Parameters Line”分布參數(shù)模型，線路line1、line2、line3和line4的長度分別設(shè)置為100km、100km、150km和260km，打開它們的參數(shù)選項(xiàng)，把相數(shù)設(shè)置為3，線路頻率設(shè)置為50HZ，單位長度的電阻值為0.021Ω，電感值為0.0009 L。

2 基于仿真平臺的正反向行波的提取

依據(jù)圖1的仿真模型對線路進(jìn)行仿真可得到一個三相電壓、電流數(shù)據(jù)文件xingbo.mat。選取一段故障時間內(nèi)的三相電壓值、電流值，減去故障前的數(shù)值，可得到三相電壓、電流的暫態(tài)量，將這個數(shù)值進(jìn)行Clarke數(shù)量變換后可計(jì)算出正向行波和反向行波的數(shù)值分量。由以上過程運(yùn)用MATLAB語言編寫程序可求出正向行波和反向行波的數(shù)值分量，設(shè)置模型在0.035s時發(fā)生故障，故障分量設(shè)置故障后的0.035s～0.039s和故障前的0.015s～0.019s的差值，利用下列程序可繪制出相應(yīng)的波形圖。

load xingbo.mat；

m=n；

ua=m（3501：3900，2）-m（1501：1900，2）；

ia=m（3501：3900，5）-m（1501：1900，5）；

ub=m（3501：3900，3）-m（1501：1900，3）；

ib=m（3501：3900，6）-m（1501：1900，6）；

uc=m（3501：3900，4）-m（1501：1900，4）；

ic=m（3501：3900，7）-m（1501：1900，7）；

Q=1/3*[ 2 -1 -1

0 sqart（3） -sqrt（3）

1 1 1]；

Um1=Q（1，：）*[ua ub uc]；

Im1=Q（1，：）*[ia ib ic]；

Lm1=0.8984e-3；

Cm1=12.94e-9；

Zcm1=sqrt（Im1/Cm1）；

Uf=（Um1+Um1*Zcm1）；

Ur=（Um1-Im1*Zcm1）；

Uf1=Uf；

Ur1=Ur；

T1=0：10：3990；

T=t1；

Plot（t，Uf1，‘r，t，Ur1， ‘b—）；

Xlabel（‘t/us）；ylabel（‘u/v）；

Legend

3 仿真平臺的應(yīng)用

三相線路故障模塊的參數(shù)區(qū)域中選中Phase AFault和Ground Fault，Transition status為[1 0]，Transition times為[0.035 0.10]；3個三相電壓源的線電壓有效值均為500kV，A相相角依次為0b、30b和60b，LINE設(shè)置為100KM，100KM，150KM和260KM，在示波器的Data history參數(shù)區(qū)域中取消Limit data pionts to last，勾選Save data to workspace選項(xiàng)把變量的存儲格式設(shè)置為數(shù)組格式。

仿真參數(shù)：仿真的起止時間分別為0。0s和0。10s；仿真采用固定步長，仿真算法為ode233。點(diǎn)擊仿真，仿真完成后可在示波器中看到檢測點(diǎn)的三相電壓、三相電流波形，如圖2和圖3所示。

運(yùn)用編寫好的MATLAB語言程序可提取出正向行波和反向行波如圖4。

4 總結(jié)

仿真結(jié)果證明，MATLAB可對三相電路的各種短路故障事件進(jìn)行仿真分析，它可以對輸電線路進(jìn)行故障行波仿真研究，提取出的行波分量有利于對故障電路的進(jìn)一步研究與改善。

MATLAB以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)的強(qiáng)大功能，不僅可以對電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真，還可以通過仿真的學(xué)習(xí)方法來研究電力系統(tǒng)的原理和性能，從而更有效的優(yōu)化電力系統(tǒng)的配置，防止各種不利的突發(fā)事件。

參考文獻(xiàn)

[1]祝龍記.電氣工程與自動化控制系統(tǒng)的MATLAB仿真[M].中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2014

[2]于群.MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011

[3]夏道止.電力系統(tǒng)分析[M].北京：中國電力出版社，2011

[4]王正林，王勝開.MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006

[5]賀家李，宋從矩.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理[M].北京：中國電力出版社，2004

[6]吳天明，謝小竹.MATLAB電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004

[7]王晶，張有兵.電力系統(tǒng)的MATLAB/Simulink仿真與應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008

作者簡介

劉星（1994-），河南南陽人，碩士研究生，研究方向電力系統(tǒng)及其自動化。endprint