1、1.1 电力系统故障分析的基本知识11.2 电力系统故障分析及诊断技术21.3 本论文的主要工作32 仿真软件52.1 Matlab简介52.2 Simulink简介73 电力系统故障计算93.1 短路计算的基本原则和规定93.2 短路点的选择原则与确定103.3 短路电流计算114 电力系统故障仿真144.1 概述144.2 电力系统各元件的仿真模型144.3 电力系统故障仿真194.4 仿真结果分析295 结论31参考文献33致谢341. 引言1.1电力系统故障分析的基本知识1.1.1故障概述短路是电力系统的严重故障。所谓短路，是指一切不正常的相与相之间或相与地（对于中性点接地的系统）发生
2、系统通路的情况。电力系统在运行中，相与相之间或相与地（或中性线）之间发生非正常连接（即短路）时流过的电流。其值可远远大于额定电流，并取决于短路点距电源的电气距离。例如，在发电机端发生短路时，流过发电机的短路电流最大瞬时值可达额定电流的1015倍。大容量电力系统中，短路电流可达数万安。这会对电力系统的正常运行造成严重影响和后果。供电网络中发生短路时,很大的短路电流会使电器设备过热或受电动力作用而遭到损坏,同时使网络内的电压大大降低,因而破坏了网络内用电设备的正常工作.为了消除或减轻短路的后果,就需要计算短路电流,以正确地选择电器设备、设计继电保护和选用限制短路电流的元件。1.1.2故障类型三相系
3、统中发生的短路有 4 种基本类型：三相短路，两相短路，单相对地短路和两相对地短路。其中，除三相短路时，三相回路依旧对称，因而又称对称短路外，其余三类均属不对称短路。在中性点接地的电力网络中，以一相对地的短路故障最多，约占全部故障的90。在中性点非直接接地的电力网络中，短路故障主要是各种相间短路。表1.1给出这几种短路的简略记号。表1.1 短路的简略记号 短路类型示意图代表符号三相短路二相短路单相短路二相短路接地1.1.3 故障概率运行经验指出，架空输电线是电力系统中比较薄弱的环节，发生短路的几率最高，我国某电力系统多年统计出在不同范围内发生短路故障的相对次数列出如表1.2。表1.2 不同范围能
4、发生短路故障几率 线路范围发生几率在110kV线路上容量为6000kW以上的发电机110kV变压器110kV母线78.0%7.5%6.5%8.0%表1.3 110kV线路上各种类型短路故障几率短路类型5%4%8%83% 从表1.3中的数字中可以看出单相短路几率占压倒性多数，国外的运行经验也证明了这一点。三相短路的几率是很小的，但这并不说明三相短路无关紧要，相反对三相短路应该加以重视，因为三相短路的情况最严重，有时为了最后论断电力系统在短路情况下工作的可能性，他起着决定性的作用。此外，研究三相短路之所以重要，还由于我们在分析计算不对称短路时，往往把不对称短路看成某种假定的三相短路来处理。1.2
5、电力系统故障诊断技术 早在 1982年 8月，美国电力研究所 （EPRI）便开始了火电站设备早期故障检测的工作，经过此后 10多年的努力，在电站性能监测和诊断方面， EPRI一直处于领先地位。此外，美国西屋公司也在 1976年开始了电站在线计算机诊断工作，并在 1980年投入了一个小型的电机诊断系统，1981年进行电站人工智能故障诊断专家系统的研究，1984年应用于现场,到1990年己发展成为大型电站在线监测诊断系统 （AID）,即汽轮发电机组智能化故障诊断专家系统。我国在故障诊断技术方面的研究起步较晚，开始于20世纪70年代末，落后于国外至少 20-30年的历史，基本上是在引进国外先进技术基
6、础上进行消化、吸收而发展起来的。第一阶段为起步阶段，从 1979年至 1990年大约用了 10年时间。这个阶段的特点是认识设备诊断技术的重要性，设备诊断技术的基础理论研究十分活跃，这个阶段以快速傅里叶变换、谱分析、信号处理等技术为基础，以设备状态监测为技术目标。第二阶段为发展阶段，从 1991年开始至 90年代末以我国工业的建设迅速发展为背景，以现代化管理的需要为前提，出现了诊断技术迅速发展的局面。这个阶段以故障分类、模式识别、智能化专家系统及其计算（故障树计算、模糊逻辑计算、神经网络计算、基因计算等 ）为基础，全方位开展了设备的故障诊断研究，从理论和生产应用上形成了具有我国特点的故障诊断理论
7、，研制出了可与国际接轨的大型设备状态监测与故障诊断系统。 电力系统故障诊断是近年来十分活跃的研究课题之一。传统型的研究是在建立被诊断系统网络拓扑结构模型的基础上，根据发生故障时系统结构和参数变化，导致系统潮流的变化，进而根据潮流计算的变化判断出故障，多用传统的数学方法，采用单一的集中求解，因系统规模、复杂程度和不确定因素等的限制难以适应目前电力系统的这样一个日趋复杂的分布式大系统的故障诊断问题发展趋势，系统故障诊断难以达到理想的效果。因此，目前研究电力系统故障诊断的方法主要是采用的智能化方法。近几十年来，故障诊断技术得到了深入广泛的研究，提出了众多可行的方法，概括起来即可可分为三大类： 基于解
8、析模型的方法，在了解诊断对象数学模型的基础上，按一定的数学方法对被测信息进行处理判断，可分为状态估计法、等价空间法和参数估计法等。基于解析模型的故障诊断方法是最早发展起来的，其主要思想是通过构造观测器估计出系统输出，然后将它与输出的测量值作比较，从中获得故障信息。由于建模的困难与模型本身的误差以及各种不可预见的因素 （如系统发生故障时，不仅可能引起模型参数的变化，还可能引起模型结构的变化，而且这种变化是不确定的 ），大大地影响了其诊断的准确性。 基于信号处理的方法，利用信号模型，如相关函数、频谱、自回归滑动平均、小波变换等，直接分析可测信号，提取诸如方差、幅值、频率等特征值，从而检测出故障。这
9、种方法由于不需要建立对象的解析数学模型，实现简单，在工程上具有广泛的应用，但这种方法只有当故障发展到相当程度并影响到外部特征时才有效，而且只能对故障范围做出粗略的判断，大多数情况下不能直接定位故障。基于知识的诊断方法。这类方法的主要优点是不依赖于具体的数学模型，而且克服了基于信号处理故障诊断方法的缺点，引入了诊断对象的许多信息，具有较为丰富的、灵活的知识表达和问题求解能力，它可以充分发挥人类专家在诊断中根据感觉、知识、经验所进行的推理判断的能力，并可适合于各种场合的故障判别。基于知识的故障诊断方法由于其本身具有的优点已经成为故障诊断领域中的一个主要方法，它不仅可以进行离线的故障诊断，还可以用于
10、在线的故障诊断与故障处理。在电力系统中，这类方法的开发研究也是最为引人瞩目的一类课题，国内外也有大量的文献介绍基于知识的诊断方法在电网络故障诊断中的应用。近年来，一般报警信息的处理和常见简单故障的诊断问题已经得到较好的解决。随着电网建设的发展、计算机技术和网络技术以及数学和智能科学理论的发展，不断有新的电网故障诊断方法出现，但是从电力系统故障诊断理论与方法研究和应用的深度、广度可以清晰地看到，其研究仍停留在理论和模型的探索阶段，基本上没有非常成功的成型实用系统，实用化方面一直未有太大的发展。从发表的文献来看，电网故障诊断系统大多依托于调度端或变电站内，分别利用调度 SCADA系统的实时信息或站
11、内综合百动化系统收集的信息来实现；随着系统、计算机和网络技术的发展，以及故障录波专用网络的建设，后来又发展了基于故障录波信息的故障诊断系统。此系统的建设，对故障后所有相关的故障信息，例如保护装置信息、录波器信息、雷电定位信息、监控装置信息等，进行采集、传输、存储和处理，为电网故障处理提供了信息支持。这些宝贵的信息为新的电网故障诊断方法提供了基础，大大拓展了电网故障诊断的研究方向。因此，在电网故障诊断理论的实用化过程中，必须充分重视信息的收集与整理工作，包括用于故障诊断的数据仓库的构建、故障综合信息的预处理和诊断知识的提取等。1.3 本论文的主要工作基于三相短路的重要性，本次设计以三相短路为例进
12、行分析仿真。2 仿真软件2.1 Matlab的简介 Matlab和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。Matlab可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。Matlab的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用Matlab来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使Matlab成为一个强大的
13、数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+ ，Java的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到Matlab函数库中方便自己以后调用，此外许多的Matlab爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。 Matlab的特点：（1）、此高级语言可用于技术计算（2）、此开发环境可对代码、文件和数据进行管理（3）、交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题（4）、数学函数可用于线性代数、统计、傅立叶分析、筛选、优化以及数值积分等（5）、二维和三维图形函数可用于可视化数据（6）、各种工具可用于构建自定义的图形用户界面（7）、各种函数可将基于Matlab的
14、算法与外部应用程序和语言（如 C、C+、Fortran、Java、COM 以及 Microsoft Excel）集成2（8）、不支持大写输入，内核仅仅支持小写 Matlab的优势：（1）友好的工作平台和编程环境Matlab由一系列工具组成。这些工具方便用户使用Matlab的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括Matlab桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着Matlab的商业化以及软件本身的不断升级，Matlab的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的Matl
15、ab提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。（2）简单易用的程序语言Matlab一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。新版本的Matlab语言是基于最为流行的C语言基础上的，因此语法特征与C语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语
16、言可移植性好、可拓展性极强，这也是Matlab能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。（3）强大的科学计算机数据处理能力Matlab是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C+ 。在计算要求相同的情况下，使用Matlab的编程工作量会大大减少。Matlab的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组
17、的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。（4）出色的图形处理功能 Matlab自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的Matlab对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能
18、（例如:图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），Matlab同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等,Matlab也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外新版本的Matlab还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。（5）应用广泛的模块集合工具箱Matlab对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。目前，Matlab已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、
19、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。（6）实用的程序接口和发布平台新版本的Matlab可以利用Matlab编译器和C/C+数学库和图形库，将自己的Matlab程序自动转换为独立于Matlab运行的C和C+代码。允许用户编写可以和Matlab进行交互的C或C+语言程序。另外，Matlab网页服务程序还
20、容许在Web应用中使用自己的Matlab数学和图形程序。Matlab的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。工具箱是Matlab函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。（7）应用软件开发（包括用户界面）在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在输入输出方面，可以直接向Excel和HDF5进行连接。2.2 Simulink的简介Simuli
21、nk是Matlab最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。 Simulink是Matlab中的一种可视化仿真工具， 是一种基于Matlab的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号
22、处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI） ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。Simulink用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。.构架在
23、Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与Matlab 紧密集成，可以直接访问Matlab大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。 Simulink的特点：（1）丰富的可扩充的预定义模块库 （2）交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图 （3）以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理 （4）通过Model Explorer 导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码 （5）提供API用于与其他仿真
24、程序的连接或与手写代码集成 （6）使用Embedded Matlab 模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用Matlab算法 （7）使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式（Normal,Accelerator,Rapid Accelerator）来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型 （8）图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为 （9）可访问Matlab从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据 （10）模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。3 电力系统故障计算的基本原理3.1 短路计算的基本原则和规定电力
25、系统三相短路计算主要是短路电流周期分量的计算，在给定电源电势时，实际就是稳态交流电路的求解。在电力系统短路电流的工程计算中，许多实际问题的解决（如电网设计中的电气设备选择）并不需要十分精确的结果，于是产生了近似计算的方法。在近似计算中主要是对系统元件模型和标么值参数计算做了简化处理。在元件模型方面，忽略发电机、变压器和输电线路的电阻，不计输电线路的电容，略去变压器的励磁电流（三相三柱式变压器的零序等值电路除外），负荷忽略不计或只做近似估计。在标么值参数计算方面，在选取各级平均电压做为基准电压时，忽略各元件（电抗器除外）的额定电压之比，即所有变压器的标么变比都等于1。此外，有时还假定所有发电机的
26、电势具有相同的相位，加上所有元件仅用电抗表示，这就避免了复数运算，把短路电流的计算简化为直流电路的求解。短路计算的目的是为了选择导体和电器，并对其进行相关校验。基本假定：短路电流实用计算中，采用以下假设条件和原则：（1） 正常工作时，三相系统对称运行；（2） 所有电源的电动势相位角相同；（3） 系统中的同步和异步电机为理想电机，不考虑电机饱和、磁滞、涡流及导体集肤效应等影响；转子结构完全对称；定子三相绕组空间相差120电气角；（4） 电力系统中各原件的磁路不饱和，即带铁芯的电气设备电抗值不随电流大小变化；（5） 电力系统中所有电源都在额定负荷下运行，其中50%负荷接在高压母线上，50%负荷接在系统侧；（6） 同步电机都具有自动调整励磁装置（包括强行励磁）；（7） 短路发生在短路电流为最大值的瞬间；（8） 不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流；（9） 除计算短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻都略去不计；（10） 元件的计算参数均取其额定值，不考虑参数的误差和调整范围；（11） 输电线路的电容略去不计；（12） 用概率统计法制定短路电流运算曲线。一般规定： （1）验算导体和电器动稳定、热
