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基于MATLAB的电力系统仿真


基于 MATLAB 的电力系统仿真

的电力系统仿真 基于 MATLAB 的电力系统仿真
摘 要:目前,随着科学技术的发展和电能需求量的日益增长,电力系统规模越来越庞大,超
高压远距离输电、大容量发电机组、各种新型控制装置得到了广泛的应用,这对于合理利用能源, 充分挖掘现有的输电潜力和保护环境都有重要意义。另一方面,随着国民经济的高速发展,

以城市 为中心的区域性用电增长越来越快,大电网负荷中心的用电容量越来越大,长距离重负荷输电的情 况日益普遍,电力系统在人民的生活和工作中担任重要角色,电力系统的稳定运行直接影响的人们 的日常生活。随着电力系统的飞速发展和电网的日益扩大以及自动化程度的不断提高,电力系统中 许多计算和控制问题日益复杂,从技术和安全上考虑直接进行电力试验可能性很小,因此迫切要求 运用电力仿真来解决这些问题。电力系统仿真是将电力系统的模型化、数学化来模拟实际的电力系 统的运行,可以帮助人们通过计算机手段分析实际电力系统的各种运行情况,从而有效了解电力系统 概况。 本文根据电力系统的特点,利用 MATLAB 的动态仿真软件 Simulink 搭建了含发电机、变压器、 输电线路、无穷大电源等的系统的仿真模型,得到了在该系统主供电线路电源端发生三相短路接地 故障并由故障器自动跳闸隔离故障的仿真结果, 并分析了这一暂态过程。 通过仿真结果说明 MATIAB 电力系统工具箱是分析电力系统的有效工具。

关键词: 关键词:电力系统;三相短路;故障分析;matlab 仿真

Electric Power System Simulation Base on MATLAB
Abstract: Now, with the development of science and techmology and the growing demand for eletrical energy, power systems get increasingly large and long-distance EHV power transmission, large capacity electric generating set, as well as the various new control devices have been widely used. This has important significance to rationally utilizing energy resources, making full use of the existing electric systems’ delivery potential and protecting the environment. On the other hand, with the fast growth of the national economy, city-centered regional power consumption is rising more and more rapidly, power demand in large electric system’ laod centers is growing faster and faster, and long-distance and heavy-duty power transmission is more and more popular. Power system play an important part in people’s lives and work, power system and stable operation of a direct impact on the people’s daily life, with the rapid development of power systems and power grids is increasing with days and the degree of automation continuous improvement, many computing and control of the power system increasingly complex issues, it is impossioble to take a direct

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This paper base on the characteristics of the power system, using the software MATAB simulink built with generators,transformers,power line,such as the infinite power system simulation model, and has a simulation result of three-phase short-circuit fault which happen in the main power-supply line and the fault automatic tripping isolation by the three-phase fault, and analysis of this transient. The simulation results show MATLAB power system toolbox of the power system is an effective tool. Key words: Power system ;Three-phase short-circuit ;Fault analysis ;MATLAB simulation

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第一章
1.1 我国电力系统情况简介

绪论

电力系统是由发电厂、电力网和电力负荷组成的电能生产、传输和转化的系统。而 电力负荷则是该系统中所有电力用户的用电设备所消耗的电功率的总称, 有时也包括将 这些用电设备连接起来的配电网。目前,我国正处于经济快速发展的时期,电力系统也 步入了大电网、超高压、大机组、远距离的时代,但由于目前的经济发展速度远远超出 了国家的预期,导致近些年来出现全国范围内电力建设落后于国民经济发展水平的局 面,电力系统运行在接近电网极限输送能力状态的几率大大增加,从而较大程度上存在 着发生电压崩溃事故的威胁。 我国电力系统是随着我国电力工业的发展而逐步形成的。国民经济的迅速发展,我 国的电力工业得到相应的增长,逐步形成以大型发电厂和中心城市为核心、以不同电压 等级的输电线路为骨架的各大区、省级和地区的电力系统。目前,全国电网已经基本上 形成了 500 kV 和 330 kV 的骨干网架。大电网已覆盖全部城市和大部分农村;以三峡 为中心的全国联网工程开始启动,我国电网进入了远距离、超高压、跨大地区输电的新 阶段。1987 年全国发电装机容量跃上了 1 亿 kW 的台阶;从 1978 年起到 1999 年, 我国装机容量平均每年增加近 10GW,1997 年年底全国装机容量达到了 254GW 的水 平,年发电量也超过了 1100TWh,成功地实现了持续高速增长。自 1981 年中国的第一 条 500kV 输电线路投入运行以来,500kV 的线路已逐步成为各大电力系统的骨架和跨 省跨地区的联络线。 1.2 本课题研究的前景和意义 随着电力工业的发展,电力系统的规模越来越大,在这种情况下,许多大型的电力 科研实验很难进行,一是条件难以满足;二是从系统的安全角度来讲也是不允许进行实 验的;三是最初的一个新的设计构思、到通过软件进行实际情况的模拟、在应用到具体 的工程中,其工作量往往消耗大量的财力物力和人力,其过程中稍有失误都有可能前功 尽弃。考虑到以上情况,寻求一种最接近于电力系统实际运行状况的数字仿真工具十分 重要, 目前比较流行的电力系统仿真工具由以下几种: (1) 邦纳维尔电力局开发的 BPA 程序和 EMTP 程序; (2)曼尼托巴高压直流输电研究中心开发的 PSCAD/EMTDC 程序; (3)德国西门子公司研制的电力系统仿真软件 NETOMAC; (4)中国电力科学研究院 开发的电力系统分析综合程序 PSASP; (5)MathWorks 公司开发的科学与工程计算软件 MTATLAB。本文主要采用 MTALTB 进行电力系统的仿真,MATLAB 是有效的电力系 统仿真工具,它提供了简洁的工具,通过电力系统电路图的绘制,MATLAB 自动生成数 学模型,可以节省建立电力系统数学模型的建立。 1.3 本文的目的及主要内容 1.3 1.3.1 主要目的

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目前电力系统实验技术尚未完善,通过运用 MATLAB 对电力系统进行仿真分析, 分析结果证明仿真的有效性,从中得出仿真的方法和意义,从而将这种仿真运用到电力 系统的各个方面。 1.3 1.3.2 本文主要内容 1) 2) 3) 首先理论分析电力系统运行中短路的危害和发生短路时电气设备的状况及 系统的状况,并建立发电机和变压器的数学模型。 运用 simulink 建立简单的单机-无穷大系统进行仿真,对系统运行出现短路 情况时的仿真结果进行详细的分析。 建立带励磁系统的发电机系统,通过仿真结果分析带上励磁系统时电压和 电流的变化情况。

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第二章

电力系统理论分析

在电力系统的设计和运行中,都必须考虑到可能发生的故障和不正常运行情况,因 为它们会破坏电气设备的正常工作和影响对用户的供电。运行经验指出,故障大多是由 短路引起的。 电力系统中发生的短路有三相短路、两相短路、一相接地短路和两相接地短路等四 种。短路后,系统中出现的短路电流比正常负荷电流大得多。在电力系统中,短路电流 可达几万到几十万安,对系统产生极大的危害: 1)短路时要产生很大的电动力和很高的温度,使故障元件和短路电路中的其他元 件受到损害和破坏。 2)短路时的电压骤降,严重影响电气设备的正常运行。 3)严重的短路影响电力系统运行的稳定性,可使并列运行的发电机组失去同步, 造成系统解列。 由此可见,短路的后果十分严重,因此对于大容量电力系统发生三相短路的分析是 必要的。 2.1 同步发电机发生短路的暂态过程分析 同步发电机在电力系统中处于重要的地位。用户与发电厂的距离越来越远,发电机 三相突然短路的概率增大。由于同步发电机内部结构复杂,由多个具有电磁耦合关系的 绕组构成。 同步发电机突然短路的暂态过程所产生的冲击电流可能达到额定电流的十几 倍 ,对电机本身和相关的电气设备都可能产生严重的影响 ,因此对同步发电机动态特性 的研究历来是电力系统中的重要课题之一 。 而同步电机的突然三相短路 ,是电力系统的 最严重的故障,它是人们最为关心、研究最多的过渡过程,虽然短路过程所经历的时间 是极短的(通常约为 0. 1~0. 3 s ) ,但对电枢短路电流和转子电流的分析计算,却有着 非常重要的意义。 2.1.1 同步发电机的数学模型 同步发电机的数学模型 本文研究的是转极式的凸极同步发电机,除 a、b、c 三相定子绕组外还有转子上的 一个励磁绕组和两个阻尼绕组。在分析同步发电机的数学模型时,作如下假设:①发电 机参数恒定;②磁饱和、磁滞、涡流影响忽略不计;③定子三相对称;④忽略磁场高次 谐波;⑤不计涡流和磁滞损耗。发电机六个绕组存在相互的电磁耦合关系。同步发电机 的 d 轴和 q 轴等值电路图如图 2-1 所示。

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图 2-1

同步发电机的 d 轴和 q 轴等值电路图

根据电路定律,发电机六个绕组可以建立六个回路电压平衡方程,如下: d Vd = R s i d + ? d ? ω R ? q dt d Vq = R s i d + ? q + ω R ? q dt d ' V fd = R 'fd i 'fd + ? 'fd dt d ' ' ' ' Vkd = Rkd ikd + ? kd dt d ' ' ' ' Vkq1 = Rkq1ikq1 + ? kq1 dt d ' ' ' ' Vkq 2 = Rkq 2 ikq 2 + ? kq 2 dt 根据六个绕组之间的磁链耦合关系,得到发电机模型 dq0 坐标系中的磁链方程可 表述为:
' ? d = Ld id + Lmd (i 'fd + ikd ) ' ? q = Lq iq + Lmq ikq ' ? 'fd = L fd i fd + Lmd (id + ikq ) ' ? kd = Lkd ikd + Lmd (id + i 'fd ) ' ' ? kq1 = L'mq1imq1 + Lmq iq ' ' ? kq 2 = L'kq 2 ikq 2 + Lmq iq

其中: d、q——表示直轴和交轴分量; R、s——表示转子和定子分量; l、m——表示漏抗和激磁电抗;

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f、k——励磁绕组分量、阻尼绕组分量;

? d ? q ——表示轴定子绕组、轴定子绕组; ? fd —— 表示励磁绕组的磁链。
机械部分表达式如下:

? ω (t ) =

1 2H

∫ (T
0

t

m

? T e )dt ? K d ? ω (t )

ω (t ) = ?ω (t ) + ω 0
其中

?ω ——相对额定运行点的速度变化;
H ——转动惯量;
Tm ——机械转矩;

Te ——电磁转矩;

ω (t ) ——转子机械角;

K d ——阻尼系数;

ω0 ——额定运行点的速度(标幺值为 1) 。
2.1.2 同步发电机突然短路理论分析 同步发电机突然短路理论分析 1. 定子电流的计算 在分析突然三相短路时,可以利用叠加原理,认为不是发生了突然短路,而是在电 机的端头上突然加上了与叠加突然短路前的端电压大小相等但方向相反的三相电压。 这 样考虑时, 同步电机的突然三相短路问题就变成了下述两种工作情况的综合问题了, 即: ①与短路前一样的稳态运行状态; ②突然在电机端头上加上与突然短路前的端电压大小 相等但方向相反的三相电压。 将电机突然三相短路后的定子电流分为两部分来计算。将它们合并后,即得同步发 电机突然三相短路后的实际电流为: 1 1 ? " 1 1 ? ' E U ? Ta id = [( " ? )e Td + ( ' ? )e Td ]U cos δ + ? " e cos(t + δ ) xd xd xd xd x d xd
1 1 1

1 1 ?T " U ? iq = ( " ? )e q U sin δ + " e Ta sin(t + δ ) xq xq xq
其中
xd、xq ——d、q 轴同步电抗;

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δ ——同步发电机的功角;
Td" ——纵轴超瞬变电流衰减的时间常数; Td' ——纵轴瞬变电流衰减的时间常数;
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Ta ——定子非周期电流衰减的时间常数;
U ——同步发电机机端的相电压有效值。

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转子电流的计算 突然三相短路后,电机转子中的电流,也象计算定子电流一样,可以分成两部分来计

算,即:①原来稳态三相对称运行时的转子电流。②突然在电机端头上加上与突然短路 前的端电压大小相等但方向相反的三相电压所引起的转子电流。 将电机突然三相短路后的转子电流分为两部分来计算,将它们合并后,即得同步发 电机突然三相短路后的实际电流为: ① 当转子上没有阻尼绕组时,则:
i fd x U ? ' x U ? U = + ad ' e Td cos δ ? ad ' e Ta cos(t + δ ) R fd x ffd x d x ffd xd
1 1

②当转子上有阻尼绕组时,则:
i fd
2 X x ? xad 1 x U 1 ? " x 1 ?' = + [( 11d ad ? ad ' )e Ta + ad ' e ta ]U cos δ 2 " R fd X 11d X ffd ? xad xd X ffd xd x ffd x d 1 1

2 X 11d xad ? xad U ? Ta + e cos(t + δ ) 2 " X 11d X ffd ? xad xd xd

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阻尼绕组中的实际电流,在短路前,即稳态对称运行时,阻尼绕组的电流为零,因 此,突然三相短路后的阻尼绕组的实际电流为:
2 2 X x ? xad U ? Td" X 11d x ad ? xad U ? Ta ild = 11d ad e cos δ ? e cos(t + δ ) 2 " 2 " X 11d X ffd ? xad xd X 11d X ffd ? xad x d xd 1 1

xaq U ? xq'' xaq U ? Ta ilq = e sin δ + e sin(t + δ ) '' " X 11q xd X 11q x q
其中
xad 、xaq ——d、q 轴电枢反应电抗; R fd ——励磁绕组电阻; X ffd ——励磁绕组电抗; X 11d 、X 11q ——d、q 轴阻尼绕组电抗。

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2.2 变压器短路分析
电力变压器是电力系统的核心设备之一 ,其稳定、可靠运行对电力系统安全起到 非常重要的作用。然而,由于设计制造技术、工艺以及运行维护水平的限制 ,变压器的 故障还是时有发生 ,尤其是近年来逐步引起人们重视的变压器近区或出口短路故障, 大大影响了电力系统的安全稳定运行。统计资料表明,在变压器损坏的原因中 ,70% 以上是由于变压器发生了出口短路的大电流冲击导致低压绕组变形造成的。因此,采取

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切实有效措施提高低压绕组强度,对确保变压器的安全稳定运行有重要的意义。 。 电力变压器在发生出口短路时的电动力和机械力的作用下, 绕组的尺寸或形状发生 不可逆的变化,产生绕组变形。绕组变形包括轴向和径向尺寸的变化,器身位移,绕组 扭曲、匝间短路等,是电力系统安全运行的一大隐患。变压器绕组经受短路故障后,有 的虽未立即发生损坏,但对变压器造成的潜在危害值得引起重视: 1)绕组机械性能发生变化。 由于短路的累积效应作用, 当再次遭受短路电流冲击时, 将可能使绕组承受不住巨大电动力的作用而失稳。 2)绝缘强度下降。一旦遭受过电压,有可能发生绕组短路,致使变压器绝缘被击穿; 或在正常运行工况下,因局部放电的持续作用,使已有的绝缘损伤逐渐加重,从而导致 变压器绝缘被击穿。 3) 累积效应。运行经验表明,运行变压器一旦发生绕组变形,将导致累积效应, 出现恶性循环。 从计算分析和生产实践可知, 一至二次电流峰值的冲击就导致变压器损坏事故的几 率是很小的,但遭受过短路电流冲击的变压器已经存在一定的安全隐患。对绕组已产生 变形但仍在运行的变压器而言,虽然并不一定会立即发生绝缘击穿事故,但当再遭受也 许并不大的过电流或过电压,甚至在正常运行的电磁动作用下,也可能导致变压器绝缘 击穿。影响系统的稳定运行。 2.2.1 变压器数学模型建立 电力系统中的变压器通常是三相的,而三相变压器的磁路结构型式、绕组接线方式 、中点接地与否等多种因素对励磁涌流、每相输出电流有着较 (主要包括 Y 型和 D 型) 大影响。首先描述单相双组变压器数学模型,然后根据绕组接线方式推导出三相之的连 接关系方程,建立三相变压器数学模型。 1. 单相变压器的数学模型 假定单相变压器一、二次绕组匝数分别为和,考虑绕组漏磁通,一、二次绕组的磁 通表示为:
Φ1 = Φ l1 + Φm Φ2 = Φ l 2 + Φm

1) 磁链方程

式中

Φm ——主磁通;
Φ l1、Φ l 2 ——分别是一、二次绕组的漏磁通。

由磁链定义,一次绕组的磁链为:

λ 1 = Ν1Φ1 = Ν1(Φ11 + Φ12)
式中: Φ l1 ——漏磁通,由一次绕组的磁动势 Ν1Ι1 建立;
Ρl1 ——漏磁通路径磁导率;
Φm ——主磁通,由一、二次绕组的总磁势 Ν1Ι1 + Ν 2Ι 2 建立;
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Ρm ——互磁通路径磁导率。

方程(3)的右端另作表示:

λ1 = Ν1[ Ν1Ι1Ρl1 + ( Ν1Ι1 + Ν 2Ι 2)Ρm]
2 2 = ( Ν 1 Ρl1 + Ν 1 Ρm ) + Ν1Ν 2ΡmΙ 2

类似地,二次绕组磁链为:

λ 2 = Ν 2(Φ12 + Φm)
= ( Ν 2 Ρl 2 + Ν 2 Ρm) + Ν1Ν 2ΡmΙ1 2 2

则一、二次绕组关于绕组感应的表达式为:
1

[λ ]= [L L ][ΙΙ ] L L λ
11 12 1 2 21 22 2

式中:

L11 L 22 ——分别一、二次绕组自感; L12 L 21 ——分别为一、二次绕组互感。其中
2 2 L11 = Ν 1 Ρ11 + Ν 1 Ρm = Ll1 + Lm1

L 22 = Ν 2 Ρ12 + Ν 2 Ρm = Ll 2 + Lm 2 2 2
L12 = L 21 = Ν1Ν 2Ρm

2) 电压方程

用 Ll1 + Lm1 替换 L11 ,用 Ν 2 Lm1Ι 2 / Ν1 替换 L12Ι 2 ,一次绕组感应电压可以写为: dλ 1 dΙ1 d [Ι1 + ( Ν 2 / Ν1)Ι 2] e1 = = Ll1 + Lm1 dt dt dt dΙ1 d = Ll1 + Lm1 (Ι1 + Ι '2 ) dt dt 式中: Ι '2 为二次侧电流折合到一次侧的折算值。绕组端电压为感应电压和阻抗压 降之和,对于一次绕组,即
u1 = Ι1r1 + e1 = Ι1r1 + L11 dΙ1 d + Lm1 (Ι1 + Ι '2 ) dt dt

类似地,二次绕组端电压可以写为: Ν1 Ν1 Ν1 ' ' u2 = u 2 = ( Ι 2)( ) 2 r 2 + e2 Ν2 Ν2 Ν2
' = Ι '2 r2' + L12

dΙ '2 d + Lml (Ι1 + Ι '2 ) dt dt

3) 连接关系方程

变压器等效电路如图 2-2 所示,一次侧三相绕组相电压可直接由输入交流电压计算

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得到:

?u AB = u A0 ? u B 0 ? ?u BC = u B 0 ? uC 0 ?u = u ? u C0 A0 ? CA
式中: uA0 uB 0 uC 0 ——每相输入交流电压。

图 2-2

变压器等效电路图

二次绕组中点接地,接地点为 G,二次侧三相绕组线电压为:

?u an = u aG ? u nG ? ?ubn = ubG ? u nG ?u = u ? u cG nG ? cn
式中: u nG ——中点对地电压, u nG = (ia + ib + ic ) Rn ; Rn ——接地阻抗; u aG 、 ubG 、 ucG ——分别为每相对地电压。
其中,一次侧三相绕组线电流:

?i A = i AB ? iCA ? ?iB = iBC ? i AB ?i = i ? i ? C CA BC
式中: i AB 、 iBC 、 iCA ——分别为一次侧三相绕组的输出电流。 2.2.2 变压器短路分析 电力变压器短路故障主要是指副边输电线路上的短路。假定电网的容量很大,短路 电流不至于引起电力电网电压下降,忽略空载电流,突发短路时一次侧电路的微分方程 为:
u1 = 2U 1 sin(ωt + α 0 ) = i K R K + LK di K dt

解此常系数微分方程有

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iK = 2 I K sin(ωt + α 0 ? φK ) + Ce

? t

TK

' '' = iK + iK

' ' 式中: i K ——突发短路电流稳态分量的瞬时值, i K = 2 I K sin(ωt + ? K ) ;

2 I K ——突发短路电流稳态分量的幅值, 2 I K = 2U 1
' ? K —— i K 与 u1 的相位差, ? K ≈ π 2 ;
'' '' i K ——突发短路电流暂态分量的瞬时值, i K = C e ? t TK

2 2 RK + X K





TK ——暂态电流衰减的时间常数, TK = LK
C ——积分常数,由初始条件决定。

RK



变压器短路时,由于负载电流比短路电流小得多,可以忽略,认为是空载情况下发 生,即 t=0 时, i K = 0 。可得 C = I K 2 cos α 0 突发短路电流为:
i K = 2 I K sin(ωt + α 0 ) + 2 I K cos α 0 e
?1 TK

突发短路电流最大值为:

i K max = 2 I K (1 + e



TK

) = K y 2I K

式中: K y ——突发短路电流最大值与稳态短路电流最大值的比值,中小型电力变 压器 K y =1.2~1.4,大型电力变压器 K y =1.7~1.8。 由此可见,短路产生的冲击电流最大值可达额定电流的 10~20 倍。

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第 3 章 基于 MATLAB 的单机-无穷大系统模型建立
3.1 MATLAB 简介 MATLAB 是由美国 Mathworks 公司开发的一套高性能的数值计算和可视化大型软 件 ,它是以矩阵运算为基础 ,把计算、可视化、程序设计融合在一个交互的工作环境 中 ,在此环境中可以实现工程计算、算法研究、建模和仿真、应用程序开发等,其在 科学计算、工程设计和系统仿真中运用很广泛。在 MATLAB 中包括了两大部分 ,数学 计算和工程仿真 ,其中在工程仿真方面 ,MATLAB 提供的软件支持涉及到各个工程 领域 ,并且在不断完善。MATLAB 所具有的程序设计灵活 ,直观 ,图形功能强大的 优点使其已经发展成为多学科 ,多平台的强大的大型软件。MATLAB 提供的 Simulink 工具箱是一个在 MATLAB 环境下用于对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包 ,它 提供了用方框图进行建模的接口 , 与传统的仿真建模相比 , 更加直观、 灵活。 Simulink 的作用是在程序块间的互联基础上建立起一个系统。每个程序块由输入向量 ,输出向 量以及表示状态变量的向量等 3 个要素组成。在计算前 ,需要初始化并赋初值 ,程 序块按照需要更新的次序分类 ,然后用 ODE 计算程序通过数值积分来模拟系统。 MATLAN 含有大量的 ODE 计算程序 ,有固定步长的 ,有可变步长的 为求解复杂的 系统提供了方便。MATLAB 在电力系统建模和仿真的应用主要由电力系统仿真模块 SimPowerSystem 来完成的。 MATLAB 是将计算、可视化、程序设计融合在一起的功能强大的平台,电力系统 仿真是将电力系统的模型化、数学化来模拟实际的电力系统的运行 ,由于电力系统是 个复杂的系统 ,运行方式也十分复杂 ,因此采用传统的方式进行仿真计算工作量大 , 也不直观。 MATLAB 的出现给电力系统仿真带来了新的方法和手段。 通过 MATLAB 的 SimPowerSystem 的模块对电力系统中的应用进行仿真 ,从而说明其在电力系统仿真中 的运用电力系统的仿真可以帮助人们通过计算机手段分析实际电力系统的各种运行情 况,通过故障仿真得出了相关的电压稳定性方面的结论,从而证明了这种仿真的正确性 和在分析应用中的可行性。 3.2 Simulink 中电力系统模块库简介 Simulink 是一种用来实现计算机仿真的软件工具。 它是 MATLAB 的一个附加组件, 可用于实现各种动态系统(括连续系统、离散系统和混合系统)的建模、分析和仿真。 Simulink 对仿真的实现可以应用于动力系统、信息控制、通信设计、金融财会及生物医 学等各个领域的研究中。 Simulink 实际上提供了一个系统级的建模与动态仿真的图形用户环境,并且凭借 MATLAB 在科学计算上的天然优势,建立了从设计构思到最终要求的可视化桥梁,大 大弥补了传统设计和开发工具的不足。它可以使系统的输入变得相当容易且直观,同时 可以容易地改变输入信号的形式, 对仿真算法和仿真参数的选择以及对输出结果的处理

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上也更加灵活自由。 由于 Simulink 可以很方便地创建和维护一个完整的模型,评估不同算法和结构并 验证系统性能,另外 Simulink 还可以与 MATLAB 中的 DSP 工具箱、信号处理工具箱以 及通讯工具箱等联合使用,进而实现软硬件的接口,从而成为实用的控制软件。 在 MATLAB 命令窗口键入 Simulink 命令,或单击 MATLAB 工具栏中的 Simulink 图标,则可以打开 Simulink 模型库窗口。如图 3-1 所示。这一模型库包括以下各个子模 型库:Sources(输入源)、Siuk(输出方式)、Discrete(离散时间模型)、Function & Tables(功 能列表)、 Math(数学方法)、 Signals&System(信号或系统)、 Linear(线性环节)、 Nonlinear(非 线性环节)、Connections(连接及接口)等。

图 3-1

simulink 模型库

在 MATLAB 命令窗口中键入 powerlib 命令,则打开电力系统模块库,如图 3-2 所 示。还可以从 Simulink 模块浏览窗口直接启动。 该 模 块 库 中 有 很 多 模 块 组 , 主 要 有 电 源 元 件 ( Electricial sources ) 线 路 元件 、 (Elements) 、 电 力 电 子 元 件 (Power Electronics) 、 电 机 元 件 (Machines) 、 连 接 器 元 件 (Connectors) 、电路测量仪器(Measurements) 、附加元件(Extras) 、演示(Demos)、电 力图形用户接口(Powergui)等,双击每一个图标都可以打开一个模块组。

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图 3-2 1) 电源模块

电力系统模块库

电源元件库中包含 7 种电源元件,如图 3-3 所示,分别是直流电压源(DC Voltage Soures)元件、交流电压源(AC Voltage Soures)元件、交流电流源(AC Current Soures) 元件、受控电压源(Controlled Voltage Soures)元件、受控电流源(Controlled Current 元件、 三相电源 (3-phase Soures) 元件和三相可编程电压源 (3-phase Programmable Soures) Voltage Soures)元件。

图 3-3 2) 线路元件模块

电源元件库

线路元件库中包含了各种线性网络电路元件和非线性网络电路元件。 双击线路元件 库图标,弹出线路元件库对话框,如图 3-4 所示,图中包含了 4 类线路元件,分别是支 路(Elements)元件、输配电线路(Lines)元件、断路器(Circult Breakers)元件和变 压器(Transformers)元件。

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图 3-4 3 ) 电力电子元件库

线路元件库

电力电子模块库包括理想开关 (Ideal Switch) 二极管 、 (Diode) 晶闸管 、 (Thyristor) 、 可关断晶闸管(GTO) 、功率场效应管(MOSFET) 、绝缘门极晶体管(IGBT)等模块, 此外还有 2 个附加的控制模块组和一个整流桥,如图 3-5 所示。

图 3-5 4 ) 电机元件库

电力电子元件

电机元件库包括同步 电机(Synchronous Machines) 、异步电机( Asynchronous Machines) 、直流电机(DC Machines) 、调节器(Prime Movers and Regulators)和电机 输出测量分配器(Machines Measurements)等。如图 3-6 所示。

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图 3-6 5) 连接器元件

电机元件库

连接器模块库包括 10 个常用的连接器模块,如图 3-7 所示。

图 3-7 6) 测量元件

连接器元件

测量元件库包含电压表、电流表、万用表和各种附加的子模块等,如图 3-8 所示。

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图 3-8 7) 附加和演示模块

测量元件库

附加模块包括了上述各元件库中的附加元件,演示模块主要提供一些演示实例。 8) 电力系统分析元件 电力系统分析元件模型是用来分析电路和电力系统的工具。MATLAB 软件提供的 电力系统分析元件是一种功能强大的电力系统分析工具,如图 3-9 所示,使用电力系统 分析工具可以进行稳态和暂态的频域分析,主要包括:

图 3-9 ① 值; ②

电力系统分析元件

Powergui 模块可以显示系统稳定状态的电流和电压及电路所有的状态变量 为了执行仿真,Powergui 模块允许修改初始状态;

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③ 机模块; ④ ⑤ ⑥

Powergui 可以执行负载潮流的计算,并且为了从稳态时开始仿真可以初始化

包括三相电机在内的三相网络,三相电机的类型为简化的同步电机、同步电机或异步电 当电路中出现阻抗测量模块时,Powergui 也可以显示阻抗随频率变化的波形; 如果用户拥有控制工具箱,Powergui 模块可以产生用户自己系统的空间模块, Powergui 可以产生扩展名为 .rep 的结果报告文件,这个文件包含测量模块、

自动打开 LTI 相对于时域和频域的观测器接口; 电源、非线性模块等系统的稳定状态值。 3.3 系统模型的建立 系统模型如图 3-10 所示。

图 3-10 3.4 基于 simulink 的模型建立

单机-无穷大系统

simulink 模型建立主要包括以下元件:简化发电机、电压-电流测量元件、断路器、 变压器、输电线路、负载、短路故障发生器等,搭建仿真模型如图 3-11 所示。

图 3-11 3.5 设计流程 3.5.1 模块选择

单机-无穷大系统仿真图

1)从电机元件库中选择简化的同步电机元件,复制后粘贴在电路图中,如图 3-12 所示。

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基于 MATLAB 的电力系统仿真

步骤一:将简化的同步电机元件名称改为:简化发电机。 步骤二:双击简化的同步电机元件,在简化的同步电机(Simplified Synchronous Machine SI Unit)元件参数对话框中进行设置,如图所示。

图 3-12 设置参数如下:

简化同步电机模型及其参数对话框

连接类型(connection type) :[3-wire Y] 电机额定参数(nominal power,L-Lvolt and freq) :[1000e6 机械参数(mechanical) :[56290 初始状态(Initial condition) 0 :[ 0 0 2] 000 000] 内部电阻(Internal impedance) :[1.9845, 263.15e-3] 步骤三:设置施于简化的同步电机上的功率。 该机械功率使用一个常数发生器来设置,如图 3-13 所示 将常数发生器元件名称改为:机械功率。 双击常数发生器元件,在参数对话框中将数值设为 700e6,作为机械功率值。 步骤四:设置电压幅值 电压幅值使用一个常数发生器来设置,如图 3-13 所示,将常数发生器的名称改为: 电压幅值。 315e3 50]

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基于 MATLAB 的电力系统仿真

将常数发生器数值改为 156e3 作为电压幅值。

图 3-13

常数发生器元件及参数对话框

2)从测量元件库中选择三相电压-电流测量(3-phase V-I Measurements)元件,复制后 粘贴在电路图中,如图 3-14 所示,将三相电压-电流测量元件名称改为:发电机电压电流值。

图 3-14

三相电压-电流测量元件及参数对话框

双击三相电压-电流测量元件, 在三相电压-电流测量元件参数对话框进行如下设置: 电 压 测 量 选 项 中 包 括 3 个 选 项 , 分 别 是 不 测 量 电 压 ( no ) 测 量 相 电 压 、 (phase-to-ground)和测量线电压(phase-to-phase) 。电流测量选项中有测量和不测量选 项,在本例中选择测量相电压和测量电流选项。 单击 OK 按钮完成对电压-电流测量元件的参数设置。
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基于 MATLAB 的电力系统仿真

3)从线路元件库中选择三相电路短路故障发生器元件,复制后粘贴在电路图中,如图 3-15 所示。 步骤一:双击三相电路短路故障发生器元件,在三相电路短路故障发生器元件参 数对话框中进行设置,如图 3-15 所示。三相电路短路故障发生器元件参数对话框中包 括 10 各选项,分别是故障相选择(Phase Fault) 、故障点电阻(Fault resistances Ron) 、 故障相接地(Ground Fault) 、外部控制(Exeternal contorl of fault) 、转换状态(Transition status) 、转换时间(Transition times) 、内部计时器的采样时间(Sample time of the Ts) 、 缓 冲 电 阻 ( Snubber resistance Rp ) 缓 冲 电 容 ( Snubber Capacitance Cp ) 和 测 量 、 (Measurements) 。

图 3-15 三相电路短路故障发生器及参数对话框 参数设置如下: 故障点电阻(Fault resistances Ron) :0.001 0] 0.3] 故障点接地电阻(Ground resietances Rg) :0.001 转换状态(Transition status) 1 :[ 转换时间(Transition times) :[0.2

内部计时器的采样时间(Sample time of the Ts) :0 缓冲电阻(Snubber resistance Rp) :1e6 缓冲电容(Snubber Capacitance Cp) :inf

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基于 MATLAB 的电力系统仿真

测量(Measurements) :选择不测量选项 单击 OK 按钮完成对三相电路短路故障发生器的设置。 步骤二:同样的方法设置其他两个三相电路短路故障发生器。 4) 从线路元件库三相断路器元件,复制后粘贴在电路图中,如图 3-16 所示。 双击三相短路器元件,在三相短路器元件参数对话框中进行设置,如图 3-16 所示。 三相短路器元件参数对话框包含以下选项:初始状态(Initial status of breakers) ;故障相 选择 (Switching of A、 C) 转换时间 B、 ; (Transition time) 内部计时器的采样时间 ; (Sample time of the Ts) 外部控制时间 ; (Extarnal control of switching times) 断路器电阻 ; (Breakers resistance Ron) ;迟滞电阻(Snubbers resistance Rp) ;迟滞电容(snubbers capacitance Cp) 和测量(Measurements) 。

图 3-16 三相断路器的参数设置如下:

三相断路器及参数对话框

初始状态(Initial status of breakers) : 故障相选择(Switching of A、B、C) :A、B、C 三相都选择 转换时间(Transition time) :[0.01] 内部计时器的采样时间(Sample time of the Ts) :0 外部控制时间(Extarnal control of switching times) :不选择
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基于 MATLAB 的电力系统仿真

断路器电阻(Breakers resistance Ron) :0.001 迟滞电阻(Snubbers resistance Rp) :1e6 迟滞电容(snubbers capacitance Cp) :inf 测量(Measurements) :选择不测量选项 单击 OK 按钮完成对三相短路器的设置。 5) 从线路元件库中选择三相变压器元件,复制后粘贴在电路图中,如图 3-17 所示。 步骤一:将变压器的名称改为:变压器。 步骤二:双击三相变压器元件,在变压器元件参数对话框中进行设置,如图 3-17 所示。变压器元件参数对话框包含以下选项:

图 3-17

三相变压器及参数对话框

额 定 功 率 和 频 率 ( Nominal power and frequency) 原 边 绕 组 接 法 ( winding1 ; connaction) ;原边绕组参数(winding parancters) ;副边绕组接法(winding2 connaction) ; 副 边 绕 组 参 数 ( winding parancters ) 磁 阻 ( Magnetiration resistance Rm ) 磁 感 ; ; (Magnetiration reactance Lm)和测量(Measurements) 。 变压器参数设置如下: 额定功率和频率(Nominal power and frequency) :[250e6 原边绕组接法(winding1 connaction) :Y 原边绕组参数(winding parancters) 424.35e3 , :[ 0.002 , 0.08 ] 50]

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基于 MATLAB 的电力系统仿真

副边绕组接法(winding2 connaction) :Delta(D11) 副边绕组参数(winding parancters) 315e3 , :[ 磁阻(Magnetiration resistance Rm) :500 磁感(Magnetiration reactance Lm) :500 测量(Measurements) :选择不测量选项 单击 OK 按钮完成对三相变压器的设置。 6)从线路元件库中选择三相分布参数传输线元件,复制后粘贴在电路图中,如图 3-18 所示。 0.002 , 0.08]

图 3-18

分布参数传输线及参数对话框

步骤一:将分布参数传输线元件名称改为 步骤二:双击分布参数传输线元件,在分布参数传输线元件参数对话框中进行设 置,如图 3-18 所示。参数设置如下: 线路相数(Number of phase N) :3 用于电阻、电感和电容的频率(Frequency) :50 单位长度电阻(resistance per unit length) 0.01273 :[ 0.3846] 4.1264e-3 ] 7.751e-9 ] 单位长度电感(Inductance per unit length) 0.9337e-3 :[ 单位长度电容(Capacitance per unit length) 12.74e-9 :[ 线路长度(Line Length) :300 测量(Meadurements) :选择不测量电气量

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基于 MATLAB 的电力系统仿真

单击 OK 按钮完成对三相分布参数传输线的设置。 7)从线路元件库中选择三相串联 RLC 负载元件,复制后粘贴在电路图中,如图 3-19 所示。

图 3-19

三相串联 RLC 负荷元件及参数对话框

步骤一:将三相串联 RLC 负载元件的名称改为:串联负荷。 步骤二:双击三相串联 RLC 负载元件,在三相串联 RLC 负载元件参数对话框中进 行设置,如图 3-19 所示。三相串联 RLC 负载元件参数对话框包含 5 个选项,分别是额 定相电压(Nominal phase-phase voltage) ,额定频率(Nominal frequency) ,三相有功功 率 (Three-phase active power P) 三相感性无功功率 , (Three-phase inductive reactive power ,三相容性无功功率(Three-phase capacitive reactive power Qc)选项。 Ql) 三相串联 RLC 负载元件参数设置如下: 额定相电压(Nominal phase-phase voltage) :500e3 额定频率(Nominal frequency) :50 三相有功功率(Three-phase active power P) :50e6 三相感性无功功率(Three-phase inductive reactive power Ql) :0 三相容性无功功率(Three-phase capacitive reactive power Qc) :0 单击 OK 按钮完成对三相串联 RLC 负载元件参数的设置 8) 在命令窗口键入如下命令: 》 》simulink 单击回车后,弹出仿真元件库对话框。 在 sinks 目录下选择示波器元件拖拽到电路图中。复制示波器元件,用于测量其它
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基于 MATLAB 的电力系统仿真

电气量。 9) 从电气测量仪器库中选择万用表元件,复制后粘贴在电路图中。 双击万用表元件弹出万用表元件参数对话框,在万用表元件参数对话框中,显示有 可测量电气量,选择要测量的电气量进行测量。 10)选择接地元件、节点等,进行合理放置。 对电路图进行接线即可完成电路图的绘制。 3.5.2 化情况。 在仿真的菜单选项中,选择仿真菜单,激活仿真参数命令,弹出仿真参数对话框。 根据暂态过程时间的估算,对仿真参数进行如下设置: 开始时间(Start time) :0.0 停止时间(Stop time) :0.5 求解程序类型(Type)选项:可变步长(Variable--step) ,ode23tb(dtiff/TR-BDF2) 最大步长(Max step size)选项:自动(auto) 最小步长(Min step size)选项:自动(auto) 初始步长(Intial step size)选项:自动(auto) 相对容差(Relative tolerance)选项:1e-3 绝对容差(Absolute tolerance)选项:自动(auto) 3.6 仿真结果分析 3.6.1 项。 设置完电路图和仿真参数后,下面进行电路仿真。激活仿真按钮,查看仿真波形。 1)故障点电流波形图 在发电机故障器中的测量选项中选择故障电压和电流选项, 对故障点的电压和电流 进行测量。其它两个故障器均选择不测量选项。 在万用表元件中选择故障点 A 相电流作为测量电气量。激活仿真按钮,则故障点 A 相电流波形图如图 3-20 所示。由图形可以得出以下结论:在稳态时,故障点 A 相电流 由于三相电路短路故障发生器处于断开状态,所以电流为 0A。在 0.2S 时,三相电路短 路故障发生器闭合, 此时电路发生三相短路, 故障点 A 相电流发生变化, 电流波形上移。 在 0.3s 时,三相电路短路故障发生器断开,相当于排除故障,此时,故障点的电压迅速 变为 0A。 发电机出口短路仿真结果 将三相电路短路故障发生器的故障相选择中三相故障都选择, 并选择故障相接地选 仿真参数设置 当电路图设计完成后,对其进行仿真,以达到观察系统稳定运行及发生短路时的状态变

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基于 MATLAB 的电力系统仿真

图 3-20

故障点 A 相电流

在万用表元件中选择故障点 B 相电流作为测量电气量。激活仿真按钮,则故障点 B 相电流波形图如图 3-21 所示。由图形可以得出以下结论:在稳态时,故障点 B 相电流 由于三相电路短路故障发生器处于断开状态,所以电流为 0A。在 0.2S 时,三相电路短 电流波形下降。 路故障发生器闭合, 此时电路发生三相短路, 故障点 A 相电流发生变化, 在 0.3s 时,三相电路短路故障发生器断开,相当于排除故障,此时,故障点的电压迅速 变为 0A。

图 3-21

故障点 B 相电流

在万用表元件中选择故障点 C 相电流作为测量电气量。激活仿真按钮,则故障点 C 相电流波形图如图 3-22 所示。由图形可以得出以下结论:在稳态时,故障点 A 相电流 由于三相电路短路故障发生器处于断开状态,所以电流为 0A。在 0.2S 时,三相电路短 路故障发生器闭合, 此时电路发生三相短路, 故障点 C 相电流发生变化, 电流波形上移。 在 0.3s 时,三相电路短路故障发生器断开,相当于排除故障,此时,故障点的电压迅速 变为 0A。

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基于 MATLAB 的电力系统仿真

图 3-22

故障点 C 相电流

在万用表元件中选择故障点 A 相、B 相、C 相电流作为测量电气量。激活仿真按钮, 则故障点 A 相、B 相、C 相电流波形图如图 3-23 所示。

图 3-23 2)故障点的电压波形图

故障点三相电流

在万用表元件中选择故障点 A 相、B 相和 C 相电压作为测量电气量。激活仿真按 钮,则故障点 A 相、B 相和 C 相电压波形图如图 3-24 所示。由图形可以得出以下结论: 在稳态时,故障点三相电压由于三相短路故障发生器处于断开状态,其实际电压为发电 机出口母线上的电压。在 0.2s 时,三相短路故障发生器闭合,此时发生三相短路,故障 点三相电压由于发生三相接地短路,因而各相电压为 0V。在 0.3s 时,三相短路故障发 生器打开,相当于排除故障,此时三相实际电压为母线电压,发生暂态波动。

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基于 MATLAB 的电力系统仿真

图 3-24 3)发电机端电流波形

故障点三相电压

在向量选择器中选择故障点 A 相电流作为测量电气量。激活仿真按钮,则故障点 A 相电流波形图如图 3-25 所示,由图形可以得出一下结论:在稳态时,A 相电流由于三 相故障发生器处于断开状态,因而 A 相电流呈正弦变化。在 0.2s 时,三相短路故障发 生器闭合,此时发生三相短路,A 相电流发生变化,由波形可以看出波形整体上移,此 时短路电流很大,最大幅值达到 2300V,为正常时电流的 10 倍左右,然后波形逐步下移。 在 0.3s 时,三相短路故障发生器断开,相当于排除故障,此时 A 相电流波动恢复弦变 化。

图 3-25

发电机 A 相电流

在向量选择器中选择发电机 B 相电流作为测量电气量。激活仿真按钮,则发电机 B 相电流波形图如图 3-26 所示,由图形可以得出以下结论:在稳态时,B 相电流由于三相 故障发生器处于断开状态,因而 B 相电流呈正弦变化。在 0.2s 时,三相短路故障发生 器闭合,此时发生三相短路,B 相电流发生变化,由波形可以看出波形整体下移,此时 短路电流很大,最大幅值为-2300V,为正常时电流的 10 倍左右。在 0.3s 时,三相短路

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基于 MATLAB 的电力系统仿真

故障发生器断开,相当于排除故障,此时 B 相电流恢复稳态运行。

图 3-26

发电机 B 相电流

在向量选择器中选择发电机 C 相电流作为测量电气量。激活仿真按钮,则发电机 C 相电流波形图如图 3-27 所示,由图形得出以下结论:在稳态时,C 相电流由于三相故障 发生器处于断开状态,因而 C 相电流呈正弦变化。在 0.2s 时,三相短路故障发生器闭 合,此时发生三相短路,C 相电流发生变化,电流幅值变大,为正常时电流的 10 倍左 右。在 0.3s 时,三相短路故障发生器断开,相当于排除故障,此时 C 相电流恢复恢复 稳态运行,波形呈正弦变化。

图 3-27 得:发电机发生短路时短路电流很大。

发电机 C 相电流

在万用表元件中选择发电机三相电流作为测量电气量,如图 3-28 所示,由图形可

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基于 MATLAB 的电力系统仿真

图 3-28 4)发电机端电压波形

发电机三相电流

在向量选择器中选择发电机 A 相电压作为测量电气量。激活仿真按钮,则发电机 A 相电压波形图如图 3-29 所示,由图形可以得出以下结论:在稳态时,发电机 A 相电压 为正弦变化,在 0.2s 时,发生三相短路,电压立刻变为 0V。在 0.3s 时,三相短路故障 发生器断开,相当于排除故障,此时,A 相电压恢复为正弦变化。

图 3-29

发电机 A 相电压

在向量选择器中选择发电机 B 相电压作为测量电气量。激活仿真按钮,则发电机 B 相电压波形图如图 3-30 所示,由图形可以得出以下结论:在稳态时,发电机 B 相电压 为正弦变化,在 0.2s 时,发生三相短路,电压立刻变为 0V。在 0.3s 时,三相短路故障 发生器断开,相当于排除故障,此时,B 相电压恢复为正弦变化。

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基于 MATLAB 的电力系统仿真

图 3-30

发电机 B 相电压

在向量选择器中选择发电机 C 相电压作为测量电气量。激活仿真按钮,则发电机 C 相电压波形图如图 3-31 所示,由图形可以得出以下结论:在稳态时,发电机 C 相电压 为正弦变化,在 0.2s 时,发生三相短路,电压立刻变为 0V。在 0.3s 时,三相短路故障 发生器断开,相当于排除故障,此时,C 相电压恢复为正弦变化。

图 3-31

发电机 C 相电压

在万用表元件中选择发电机三相电压作为测量电气量, 则得出发电机三相电压波形 图如图 3-32 所示,由图形可以得出:发电机短路期间,各相的电压均为 0V。

图 3-32

发电机三相电压
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基于 MATLAB 的电力系统仿真

5)变压器端短路电流和短路电压波形 在万用表元件中选择变压器三相电流作为测量电气量,则得变压器电流波形如图 3-33 所示,由图形可得:在稳态时,变压器电流呈正玄变化,在 0.2s 时,发电机端发生 三相短路,受到冲击电流的影响,变压器电流迅速上升,由于变压器存在磁感应,电流 慢慢趋于零,在 0.3s 时,三相短路故障发生器断开,相当于排除故障,此时,变压器电 流恢复正玄变化,发生暂态过程。

图 3-33

变压器三相电压

在万用表元件中选择变压器三相电压作为测量电气量, 则变压器电压波形如图 3-34 所示,由波形得出:在稳态时,变压器电压波形呈正玄变化,在 0.2s 时,发生三相短路, 由于变压器存在磁势,电压不能突变为零,而是趋于减小,最后变为零。在 0.3s 时,三 相短路故障器断开,排除故障,此时变压器电压恢复正常的正玄变化。

图 3-34

变压器三相电压

3.6.2 变压器端发生短路仿真结果分析 设置完电路图后,将仿真参数中的开始时间改为 0.5s 和结束时间改为 0.8s,将变压 器短路故障器选项中选择测量故障电压和电流选项,进行该故障点的电压和电流的测 量,其他两个故障器均选不测量选项。下面进行电路仿真。激活仿真按钮,查看仿真波 形图。
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基于 MATLAB 的电力系统仿真

1)故障点电流波形图 在万用表元件中选择故障点 A 相电流作为测量电气量。激活仿真按钮,则故障点 A 相电流波形图如图 3-35 所示。由图形可以得出以下结论:在稳态时,故障点 A 相电流 由于三相电路短路故障发生器处于断开状态,所以电流为 0A。在 0.6S 时,三相电路短 路故障发生器闭合, 此时电路发生三相短路, 故障点 A 相电流发生变化, 电流波形上移, 然后逐步下降。在 0.7s 时,三相电路短路故障发生器断开,相当于排除故障,此时,故 障点的电流迅速变为 0A。

图 3-35

故障点 A 相电流

在万用表元件中选择故障点 B 相电流作为测量电气量。激活仿真按钮,则故障点 B 相电流波形图如图 3-36 所示。由图形可以得出以下结论:由图形可以得出以下结论: 在稳态时,故障点 B 相电流由于三相电路短路故障发生器处于断开状态,所以电流为 0A。在 0.6s 时,三相电路短路故障发生器闭合,此时电路发生三相短路,故障点 B 相 电流发生变化,电流波形下移,然后逐步上移。在 0.7s 时,三相电路短路故障发生器断 开,相当于排除故障,此时,故障点的电流迅速变为 0A。

图 3-36

故障点 B 相电流

在万用表元件中选择故障点 C 相电流作为测量电气量。激活仿真按钮,则故障点 C
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基于 MATLAB 的电力系统仿真

相电流波形图如图 3-37 所示。由图形可以得出以下结论:由图形可以得出以下结论: 在稳态时,故障点 C 相电流由于三相电路短路故障发生器处于断开状态,所以电流为 0A。在 0.6S 时,三相电路短路故障发生器闭合,此时电路发生三相短路,故障点 C 相 电流发生变化,电流波形上移。在 0.7s 时,三相电路短路故障发生器断开,相当于排除 故障,此时,故障点的电压迅速变为 0A。

图 3-37

故障点 C 相电流

在万用表元件中选择故障点 A 相、 相、 相电流作为测量电气量。 B C 激活仿真按钮, 则故障点 A 相、B 相、C 相电流波形图如图 3-38 所示。

图 3-38

故障点三相电流

在万用表元件中选择故障点 A 相、 相、 相电压作为测量电气量。 B C 激活仿真按钮, 则故障点 A 相、B 相、C 相电压波形图如图 3-39 所示,由图形得出以下结论:稳态时, 故障点的电压为变压器端的电压,发生短路时,故障点的电压迅速变为 0V。在 0.7s 时 恢复常态,此时发生暂态过程。

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基于 MATLAB 的电力系统仿真

图 3-39 2)变压器短路电流波形

故障点三相电压

在向量选择器中选择变压器 A 相电流作为测量电气量。激活仿真按钮,则变压器 A 相电流波形图如图 3-40 所示。由图形可以得出一下结论:在稳态时,A 相电流由于三 相故障发生器处于断开状态,因而 A 相电流呈正弦变化。在 0.6s 时,三相短路故障发 生器闭合,此时发生三相短路,A 相电流发生变化,由波形可以看出波形整体上移,此 时短路电流很大,然后波形逐步下降。在 0.7s 时,三相短路故障发生器断开,相当于排 除故障,此时 A 相电流波动恢复正弦变化。

图 3-40

变压器 A 相电流

在向量选择器中选择变压器 B 相电流作为测量电气量。激活仿真按钮,则变压器 B 相电流波形图如图 3-41 所示,由图形可以得出一下结论:在稳态时,A 相电流由于三 相故障发生器处于断开状态,因而 B 相电流呈正弦变化。在 0.6s 时,三相短路故障发 生器闭合,此时发生三相短路,B 相电流发生变化,由波形可以看出波形整体下降,此 时短路电流很大。在 0.7s 时,三相短路故障发生器断开,相当于排除故障,此时 B 相 电流波动恢复正弦变化。

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基于 MATLAB 的电力系统仿真

图 3-41

变压器 B 相电流

在向量选择器中选择变压器 C 相电流作为测量电气量。激活仿真按钮,则变压器 C 相电流波形图如图 3-42 所示,由图形可以得出一下结论:在稳态时,C 相电流由于三相 故障发生器处于断开状态,因而 C 相电流呈正弦变化。在 0.6s 时,三相短路故障发生 器闭合,此时发生三相短路,C 相电流发生变化,此时短路电流很大,为正常时电流的 10 倍左右。在 0.7s 时,三相短路故障发生器断开,相当于排除故障,此时 C 相电流波 动恢复正弦变化。

图 3-42

变压器 C 相电流

在万用表元件中选择变压器三相电流作为测量电气量, 则得变压器三相电流波形如 图 3-43 所示,由波形图可以看出,变压器发生短路时,短路电流很大,是正常状态下 的几倍甚至更高。

图 3-43

变压器三相电流
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基于 MATLAB 的电力系统仿真

3)变压器短路电压波形 在向量选择器中选择变压器 A 相电压作为测量电气量。激活仿真按钮,则变压器 A 相电压波形图如图 3-44 所示。

图 3-44 变压器 A 相电压 由图可以得出:在稳态时,由于实现短路故障发生器处于打开状态,变压器电压呈 正弦变化,在 0.6s 时,三相短路故障发生器闭合,此时发生三相短路,变压器电压迅速 变为 0V。在 0.7s 时,三相短路故障发生器打开,排除故障,变压器电压恢复稳态运行。 在向量选择器中选择变压器 B 相电压作为测量电气量。激活仿真按钮,则变压器 B 相电压波形图如图 3-45 所示,由图得出:在正常运行时,变压器电压波形呈正弦变化, 在 0.6s 到 0.7s 时段内发生短路,变压器电压迅速变为 0V。0.7s 后,电压由恢复正常运 行状态。

图 3-45

变压器 B 相电压

在向量选择器中选择变压器 C 相电压作为测量电气量。激活仿真按钮,则变压器 C 相电压波形图如图 3-46 所示,由图得出以下结论:在 0.6s 到 0.7s 时段内发生短路,变 压器电压迅速变为 0V,0.7s 后,电压恢复稳态运行,恢复过程中伴有短时的暂态过程。

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基于 MATLAB 的电力系统仿真

图 3-46 图 3-47 所示。

变压器 C 相电压

在向量选择器中选择变压器 ABC 三相作为测量电气量,则变压器三相电压波形如

图 3-47

变压器三相电压

4)变压器短路时发电机的电流和电压波形 在向量选择器中选择发电机三相电流作为测量电气量,则发电机三相短路波形如图 3-48 所示,由图形得出:变压器发生短路时,发电机电流迅速变化,然后逐步趋于稳态, 在 0.7s 时,故障排除,发电机电流恢复正常运行状态。

图 3-48

发电机三相电流
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基于 MATLAB 的电力系统仿真

在向量选择器中选择发电机三相电压作为测量电气量,则发电机电压波形如图 3-49 所示,由波形可以得出以下结论:在 0.6s 到 0.7s 变压器发生短路期间,发电机端的电压 减小,幅值为正常运行时的一半,0.7s 后,故障排除,发电机电压恢复正常运行状态, 此时有短时的暂态过程。

图 3-49 3.6.3 线路末端发生短路

发电机三相电压

设置完电路图后,将仿真参数中的开始时间改为 0.8s 和结束时间改为 1.2s,将变压 器短路故障器选项中选择测量故障电压和电流选项,进行该故障点的电压和电流的测 量,其他两个故障器均选不测量选项。激活仿真按钮,查看仿真波形图。 1) 故障点的电流波形 在万用表元件中选择故障点的故障电流作为测量电气量, 则得出故障点短路电流波 形如图 3-50 所示,由图得:在稳态时,故障点电流为 0A,在 0.9s 时,发生三相接地短 路,故障点有电流通过,此时电流很大,然后逐步下降,在 1.0s 时三相短路故障发生器 打开,排除故障,此时故障点电流立刻恢复为 0A。

图 3-50

故障点三相电流
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基于 MATLAB 的电力系统仿真

2) 故障点的电压波形 在万用表元件中选择故障点电压作为测量电气量,则故障点电压波形如图 3-51 所 示,由图可得:在稳态时,故障点的电压为线路上的电压,波形呈正玄变化,在 0.9s 时发生短路,故障点电压迅速变为 0V。在 1.0s 时,故障排除,但由波形可以看出电压 无法恢复正常,系统受到破坏。

图 3-51 故障点三相电压 3)发电机端电流波形 在万用表元件中选择发电机电流作为测量电气量, 则得到发电机电流波形如图 3-52 所示,在 0.9s 时,线路末端发生三相短路,发电机端电流受到短路的影响,电流迅速上 升, 然后逐步趋于下降。 1.0s 时, 在 故障排除, 由于发电机受到短路电流冲击受到损坏, 发电机电流无法恢复正常运行,幅值变为 0V。

图 3-52

发电机三相电流

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基于 MATLAB 的电力系统仿真

4)发电机端电压波形 在万用表元件中选择发电机电压作为测量电气量, 则得出发电机电压波形如图 3-53 所示,稳态时,发电机电压呈正弦变化,在 0.9s 时,线路末端发生三相短路,受到短路 电流的影响,发电机电压发生暂态过程,最后趋于稳定,在 1.0s 时,故障排除,发电机 电压恢复正常。

图 3-53 5)变压器端电流波形

发电机三相电压

在万用表元件中选择变压器电流作为测量电气量,则得出变压器电流波形如图 3-54 所示,在稳态时,变压器电流呈正玄变化,在 0.9s 时线路末端发生三相短路,变压器电 流迅速上升,然后趋于下降,在 1.0s 时,故障排除,但由于受到电流冲击,变压器电流 无法恢复正常运行,电流值为零。

图 3-54

变压器三相电流

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基于 MATLAB 的电力系统仿真

6)变压器端短路电压波形 在万用表元件中选择变压器电压作为测量电气量, 则得出变压器电压波形如图 3-55 所示,有图形得出以下结论:变压器正常运行时电压波形呈正弦变化,在 0.9s 时,发生 短路,变压器电压下降,同时伴有暂态过程,然后逐步趋于稳定,在 1.0s 时,故障排除, 变压器电压恢复正常运行状态。

图 3-55

变压器三相电压

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基于 MATLAB 的电力系统仿真

第 4 章 带励磁系统的电力系统分析
目前的发电机都带有自动调节系统,其作用是在发电机电压变动时,能自动地调节 励磁电流,维持发电机端的电压在一定的范围内。 4.1 基于 simulink 的基本模型建立 Simulink 模型建立包括以下元件:发电机、水轮机调节器、励磁系统、电机测量元 件、断路器、变压器、负载、输电线路、短路故障器、无穷大电源等。如图 4-1 所示。

图 4-1

带励磁的系统仿真模型

4.2 设计流程 1)从电机元件库中选择基本的同步电机(Synchronous Machine Pu Standard)元件, 复制后粘贴在电路图中,如图4-2所示。 步骤一:将基本同步发电机元件名称改为:发电机。 步骤二:双击同步发电机元件,在其元件参数对话框中进行设置,如图4-2所示。 基本同步发电机元件对话框总包括 9 个选项,分别是转子类型,电机的额定参数, 定子的参数(电阻 Rs,漏感 Lls、Lmd、Lmq)励磁绕组参数(电阻 Rf’、漏感 Llfd’) , 阻尼绕组(d 轴电阻 Rkd’、漏感 Llkd’,q 轴电阻 Rkql’、漏感 Llkq’) ,机械特性参数(转 动惯量、摩擦系数和极对) ,初始状态(速率的偏差、转角、线电流幅值、相位角和励 磁电压)等。发电机元件参数设置如下: 转子类型(Rotor type) :凸极式 额定参数(Nominal power,volt and freq) 186e6 :[ 定子参数(stator) 2.907e-3 :[ 励磁绕组(field) 5.9013e-4 :[ 阻尼绕组(Dampers) 1.19e-2 :[ 3.089e-4 3.07e-4 ] 4.9e-4 2.00e-2 0 15 ] 1.036e-3 ] 3.216e-3 10.5e3 50 1037 ] 9.715e-4 ]

机械特性参数(Mechanical) 3.895e6 :[

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基于 MATLAB 的电力系统仿真

初始状态(Initial conditions) 0 0 :[

000

000

61 ]

图 4-2

发电机元件及参数对话框

单击 OK 按钮完成发电机元件参数的设置。 2)从电机元件库中选择电机测量(Meachine Measurement)元件,复制后粘贴在电 路图中,如图 4-3 所示。双击电机测量元件,在电机测量元件参数对话框中进行设置, 如图 4-3 所示。电机测量元件参数设置如下: 在对话框中选择定子电流 (Stator currents) 转子电压 , (Stator voltage ) 转速 , (Rotor ,转速偏差(Rotor Speed deviation)和功率(Output active power) Speed) 选项。

图 4-3

电机测量元件及参数对话框

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基于 MATLAB 的电力系统仿真

单击 OK 完成对发电机测量元件参数设置。 3)从电机元件库中选择励磁系统(Excitation system)元件,复制后粘贴在电路图中,如 图 4-4 所示。

图 4-4 发电机励磁系统及参数对话框 双击励磁系统元件,在励磁系统元件参数对话框中进行设置,参数设置如下: 滤波器的时间常数(Low-pass filter time constant) :20e-3 增益和时间常数(Regulator gain and time constant) 300 :[ 励磁(Exciter) 1 :[ 0] 0.0 ] 瞬态增益减少(Transient gain reduction ) 0.0 :[ 0.011 ] 调节器的输出和增益(Regulator output limits and gain) [ -11 : 1.28 ] 单击 OK 完成对励磁系统元件参数设置 11 0] 初始电压和励磁电压(Regulator values of terminal voltage and fidls voltage) 1 :[ 0.001 ]

阻尼滤波器的增益和时间常数(Damping filter gian and time constant) 0.01 :[

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基于 MATLAB 的电力系统仿真

4)

从电机元件库中选择水轮机调节系统(HTG)元件,复制后粘贴在电路图中,如图

4-5 所示。

图 4-5

水轮机调节系统及参数对话框

双击水轮机调节器,在其参数对话框中进行如下设置: 电机参数(Servo-motor) 10 :[ 0.01 ] [ 0.01 0.9715 -0.1 0.1 ] 1.163 0.105 0 0.01 ] 水轮机参数(Hydraulic turbine) 0 :[ 下降参数(Droop reference) :0 初始功率(Initial mechanical) :1 步骤三:设置施于水轮机上的参考速度。该参考速度使用一个常数发生器来设置, 如图 3-13 所示。 将常数发生器元件名称改为:参考速度。 双击常数发生器元件对话框,如图 3-13 所示。设置常数数值为 1(为标幺值) ,作 为参考速度值。 步骤四:设置参考功率。参考功率值使用常数发生器来设置,如图 3-13 所示。 将常数发生器元件名称改为:参考功率。 双击常数发生器元件对话框,如图 3-13 所示。将常数数值改为 1(为标幺值) ,作 为参考功率值。 2.67 ] 导叶开度(Gate opening limits):

参数下降及调节(Permanent droop and regulator) 0.05 :[

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基于 MATLAB 的电力系统仿真

5)从测量元件库中选择三相电压—电流测量(3-phase VI Measurement)元件,复 制后粘贴在电路图中,如图 3-14 所示。双击三相电压-电流测量元件,在三相电压-电流 测量元件参数对话框中进行设置,如图 3-14 所示。 在三相电压-电流测量元件参数对话框设置参数如下: 电压测量(Voltage measurement)包括 3 个选项,分别是不测量电压(no) ,测量 相电压(phase-to-phase)和测量线电压(phase-to-ground) ,选择测量线电压选项,用来 测量发电机突然短路后三相电压的变化。 电流测量 (Current measurement) 选择测量 (yes) 选项。 单击 OK 按钮完成对三相电压-电流测量元件参数的设置。 6)从线路元件库中选择三相电路短路故障发生器元件,复制后粘贴在电路图中, 如图 3-15 所示。 步骤一:将三相电路短路故障器的名称改为:发电机短路故障器。 步骤二:双击三相电路短路故障发生器元件,在三相电路短路故障发生器元件参 数对话框中进行设置,如图 3-15 所示。三相电路短路故障发生器元件参数对话框中包 括 10 各选项,分别是故障相选择(Phase Fault) 、故障点电阻(Fault resistances Ron) 、 故障相接地(Ground Fault) 、外部控制(Exeternal contorl of fault) 、转换状态(Transition 、转换时间(Transition times) 、内部计时器的采样时间(Sample time of the Ts) 、 status) 缓 冲 电 阻 ( Snubber resistance Rp ) 缓 冲 电 容 ( Snubber Capacitance Cp ) 和 测 量 、 (Measurements) 。 参数设置如下: 故障点电阻(Fault resistances Ron) :0.001 0] 0.3 ] 故障点接地电阻(Ground resietances Rg) :0.001 转换状态(Transition status) 1 :[ 转换时间(Transition times) 0.2 :[

内部计时器的采样时间(Sample time of the Ts) :0 缓冲电阻(Snubber resistance Rp) :1e6 缓冲电容(Snubber Capacitance Cp) :inf 测量(Measurements) :选择测量故障电压和电流选项 单击 OK 按钮完成对三相电路短路故障发生器的设置。 步骤三:同样的方法设置另一三相电路短路故障发生器,将名称改为无穷大故障 器,作为无穷大短路故障,将参数对话框中的转换时间改为[ 0.6 上。 7)从线路元件库三相断路器元件,复制后粘贴在电路图中,如图 3-16 所示。双击三相 短路器元件,在三相短路器元件参数对话框中进行设置,如图 3-16 所示,三相短路器 元件参数对话框包含以下选项:初始状态(Initial status of breakers) ;故障相选择
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0.7 ],其余的参数同

基于 MATLAB 的电力系统仿真

(Switching of A、B、C) ;转换时间(Transition time) ;内部计时器的采样时间(Sample time of the Ts) 外部控制时间 ; (Extarnal control of switching times) 断路器电阻 ; (Breakers resistance Ron) ;迟滞电阻(Snubbers resistance Rp) ;迟滞电容(snubbers capacitance Cp) 和测量(Measurements) 。 三相断路器的参数设置如下: 初始状态(Initial status of breakers) :打开(open) 故障相选择(Switching of A、B、C) A、B、C 三相都选择 : 转换时间(Transition time) 0.1 ] :[ 内部计时器的采样时间(Sample time of the Ts) :0 外部控制时间(Extarnal control of switching times) :不选 断路器电阻(Breakers resistance Ron) :0.001 迟滞电阻(Snubbers resistance Rp) :1e6 迟滞电容(snubbers capacitance Cp) :inf 测量(Measurements) :选择不测量选项 单击 OK 按钮完成对三相短路器的设置。 同样的方法设置另一三相断路器的参数。 8) 从线路元件库中选择三相变压器元件,复制后粘贴在电路图中,如图 3-18 所示。 步骤一:将变压器的名称改为:10.5/110kv 主变。 步骤二:双击三相变压器元件,在变压器元件参数对话框中进行设置,如图 3-18 所示。变压器元件参数对话框包含以下选项: 额 定 功 率 和 频 率 ( Nominal power and frequency ) 原 边 绕 组 接 法 ( winding1 ; connaction) ;原边绕组参数(winding parancters) ;副边绕组接法(winding2 connaction) ; ; ; 副 边 绕 组 参 数 ( winding parancters ) 磁 阻 ( Magnetiration resistance Rm ) 磁 感 (Magnetiration reactance Lm)和测量(Measurements) 。 变压器参数设置如下: 额定功率和频率(Nominal power and frequency) 1e6 :[ 原边绕组参数(winding parancters) 10.5e3 :[ 副边绕组参数(winding parancters) 110e3 :[ 磁阻(Magnetiration resistance Rm) :500 磁感(Magnetiration reactance Lm) :500 测量(Measurements) :选择不测量选项 单击 OK 按钮完成对三相变压器的设置。 步骤三:同样的方法设置另一三相变压器,将变压器名称改为:10.5/0.4kv 厂变,
50

50 ]

原边绕组接法(winding1 connaction) :选择 Dleta(D11)接法 0.002 0.002 0.08 ] 0.08 ] 副边绕组接法(winding2 connaction) :选择 Yg 接法

基于 MATLAB 的电力系统仿真

作为厂变。参数设置如下: 额定功率和频率(Nominal power and frequency) 250e3 :[ 原边绕组接法(winding1 connaction) :选择 Y 接法 原边绕组参数(winding parancters) 10.5e3 :[ 副边绕组参数(winding parancters) 0.4e3 :[ 磁阻(Magnetiration resistance Rm) :500 磁感(Magnetiration reactance Lm) :500 测量(Measurements) :选择不测量选项 单击 OK 按钮完成对三相变压器的设置。 9)从线路元件库中选择三相分布参数传输线元件,复制后粘贴在电路图中,如图 3-18 所示。 步骤一:将分布参数传输线元件名称改为:输电线路。 步骤二: 双击分布参数传输线元件, 在分布参数传输线元件参数对话框中进行设置, 如图 3-18 所示。参数设置如下: 线路相数(Number of phase N) :3 用于电阻、电感和电容的频率(Frequency used for RLC per unit length) :50 单位长度电阻(resistance per unit length) 0.01273 :[ 0.386 ] 4.1264e-3 ] 7.751e-9 ] 单位长度电感(Inductance per unit length) 0.9337e-3 :[ 单位长度电容(Capacitance per unit length) 12.74e-9 :[ 线路长度(Line Length) :3000 测量(Meadurements) :选择不测量电气量 单击 OK 按钮完成对三相分布参数传输线的设置。 10)从线路元件库中选择三相串联 RLC 负载元件,复制后粘贴在电路图中,如图 3-19 所示。 步骤一:将三相串联 RLC 负载元件的名称改为:线路负荷。 步骤二:双击三相串联 RLC 负载元件,在三相串联 RLC 负载元件参数对话框中进 行设置,如图 3-20 所示。三相串联 RLC 负载元件参数对话框包含 5 个选项,分别是额 定相电压(Nominal phase-phase voltage) ,额定频率(Nominal frequency) ,三相有功功 率 (Three-phase active power P) 三相感性无功功率 , (Three-phase inductive reactive power Ql) ,三相容性无功功率(Three-phase capacitive reactive power Qc)选项。 三相串联 RLC 负载元件参数设置如下: 额定相电压(Nominal phase-phase voltage) :10.5 额定频率(Nominal frequency) :50 三相有功功率(Three-phase active power P) :50e6
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50 ]

0.002 0.002

0.08 ] 0.08 ]

副边绕组接法(winding2 connaction) :选择 Yn 接法

基于 MATLAB 的电力系统仿真

三相感性无功功率(Three-phase inductive reactive power Ql) :0 三相容性无功功率(Three-phase capacitive reactive power Qc) :0 单击 OK 按钮完成对三相串联 RLC 负载元件参数的设置 步骤三:同样的方法设置另外两个三相串联 RLC 负载元件。 11)从电源元件库中选择理想三相电源(3-phase Source)元件,复制后粘贴在电 路图中,如图 4-6 所示。 双击理想三相电源元件,在理想三相电源元件参数对话框中进行设置,如图 4-6 所 示。 三相电源元件参数设置如下: 相电压有效值(Phase-to-Phase rms voltage) :350e3 A 相相角(phase angle of phase A) :-30 频率(Frenquency) :50 内部连接方式(Internal connection) :选择 Yg 选项 三相电源电阻(Source resistance) :0.276 三相电源电感(Source inductance) :2.93e-3

图 4-6

三相电源元件及参数对话框

单击 OK 按钮完成对理想三相电源元件参数的设置 12)在指令窗口中键入如下命令: 》 》simulink
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基于 MATLAB 的电力系统仿真

单击回车键后,弹出仿真元件库对话框。 在 sinks 目录下选择示波器元件拖拽到电路图中。复制示波器元件,用于测量其它 电气量。 13)从电气测量仪器库中选择万用表元件和电压测量元件,复制后粘贴在电路图 中。 双击万用表元件弹出万用表元件参数对话框,在万用表元件参数对话框中,显示有 可测量电气量,选择要测量的电气量进行测量。 电源测量元件用于测量发电机 A 相电压及连接 RSM 用于励磁系统的反馈。 14)从电力系统元件库中选择电力系统分析工具,复制后粘贴在电路图中。 15)选择接地元件、节点等,进行合理放置。 对电路图进行接线即可完成电路图的绘制。 16) 仿真参数设置 当电路图设计完成后,对其进行仿真,以达到观察系统稳定运行及发生短路时的状 态变化情况。 在仿真的菜单选项中,选择仿真菜单,激活仿真参数命令,弹出仿真参数对话框。 根据暂态过程时间的估算,对仿真参数进行如下设置: 开始时间(Start time) :0.0 停止时间(Stop time) :0.5 求解程序类型(Type)选项:可变步长(Variable--step) ,ode23tb(stiff/ TR-BDF2) 最大步长(Max step size)选项:自动(auto) 最小步长(Min step size)选项:自动(auto) 初始步长(Intial step size)选项:自动(auto) 相对容差(Relative tolerance)选项:1e-3 绝对容差(Absolute tolerance)选项:自动(auto) 4.3 仿真结果分析 设置完电路图和仿真参数后,下面进行电路仿真。激活仿真按钮,查看仿真波形。 1.发电机端短路时电流和电压波形图 发电机电流波形图如图 4-7 所示,由图中的波形可知:发电机端电流在 0.1s 时带上 系统负荷,电流稍有上升,发电机电流呈正弦变化,在 0.2s 时,三相短路故障发生器闭 合, 发生三相短路, 发电机短路迅速上升, 0.3s 时故障发生器断开, 在 相当于排除故障, 发电机电流恢复正常运行状态。 从发电机整个波形可以看出, 由于发电机带有励磁系统, 能自动调节发电机电流。

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基于 MATLAB 的电力系统仿真

图 4-7

发电机三相电流

发电机 A 相电压波形图如图 4-8 所示,有波形可以得出以下结论:在稳态时,发电 机电压呈正弦变化,在 0.2s 时,三相短路故障发生器闭合,此时发生三相短路,发电机 电压迅速变为 0V,在 0.3s 时,故障器断开,故障排除,此时发电机电压恢复正常运行, 由于发电机带有励磁系统,能自动调节发电机的电压,将电压维持在一定的范围内。

图 4-8

发电机 A 相电压

在万用表元件中选择故障点三相电压作为测量电气量, 则得故障点的电压波形如图 4-9 所示,由波形得出以下结论:在稳态时,故障点电压为发电机端电压,呈正弦变化, 在 0.2s 时发生三相短路,故障点电压迅速变为 0V,0.3s 时,故障器断开,排除故障, 此时电压恢复,由于发电机带有励磁系统,能自动调节发电机的电压,将电压维持在一 定的范围内。

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基于 MATLAB 的电力系统仿真

图 4-9

故障点三相电压

在万用表元件中选择故障点的三相电流作为测量电气量, 则得出故障点的电流波形 如图 4-10 所示,分析波形可以得出: 在 0.2s 到 0.3s 期间发生三相短路,故障点的电流 迅速增大,然后逐步下降。

图 4-10 2. 无穷大短路时电压和电流波形

故障点三相电流

将仿真参数对话框中的时间参数设置为: 开始时间设为 0.6s,结束时间设为 1s, 无穷 大故障短路时间为 0.8s 到 0.9s,下面进行电路仿真。激活仿真按钮,查看仿真波形。 发电机端电压如图 4-11 所示,在 0.8s 时,发生三相短路,电压下降,0.9s 时故障 器断开,故障排除,电压恢复正常运行。

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图 4-11

发电机三相电压

选择发电机三相电流作为测量电气量,则发电机端短路波形如图 4-12 所示。由图 形可以得出:发电机在 0.8s 到 0.9s 短路期间电流增大,0.9s 后,故障排除,发电机电流 恢复正常运行, 从整个波形可以看出, 由于发电机带有励磁, 电流波动在一定的范围内。

图 4-12

发电机三相电流

在万用表元件中选择故障点的三相短路作为测量电气量, 则故障点的电流波形如图 4-13 所示。由图形得出一下结论:在稳态时,由于短路故障发生器处于断开状态,故障 点的电流为 0A,在 0.8s 时,发生三相短路,故障点电流迅速上升,在 0.9s 时,故障发 生器断开,故障排除,故障点电流立刻变为 0A。

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基于 MATLAB 的电力系统仿真

图 4-13

故障点三相电流

在万用表元件中选择故障点三相电压作为测量电气量,则故障点的电压波形如图 4-14 所示,由图形可得:在 0.8s 到 0.9s 短路期间,故障点的电压突变为 0V,0.9s 后,故障排除,电压恢复正常运行。

图 4-14 4.4 运用电力系统分析工具分析

故障点三相电压

电力系统分析元件模型是用来分析电路和电力系统的工具。 双击电力系统分析工具 元件,在弹出的对话框中单击线性观察器(Use LTI Viewer)选项,则弹出线性时变观 察器对话框,如图 4-15 所示。

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图 4-15

线性时变观察器对话框

线性时变观察器对话框中包括两栏,分别是系统输入量和系统输出量。在系统输入 在系统输出量中选择发电机 AB 相电压作为 量一栏中选择发电机 A 相电流作为输入量, 输出量,再单击使用线性时变观察器(Open New LTI Viewer)按钮,则弹出线性时变观 察器对话框,如图 4-16 所示。

图 4-16

线性时变观察器中发电机电流-电压关系

使用电力系统分析元件还可以获取稳态电压和电流向量, 在电力系统分析工具上单 击稳态电流和电压(Steady-State Voltage and Currents)选项,则弹出稳态电流和电压对 话框,如图 4-17 所示。

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图 4-17

稳态电压和电流向量

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第 5 章 结论
通过建立电力系统的基本模型,参考实际电力系统参数,对系统的参数进行设置, 模拟电力系统运行,对电力系统运行中出现的故障进行设置,模拟故障时系统状态,得 出各时段的电压和电流波形图,通过分析各个波形,了解了发生三相短路故障时电力系 统的详细情况。 当发电机出线端发生突然短路故障后,电机便处于突然短路的过渡过程中,这个过 程虽然短暂,但短路电流的峰值很大,可达额定电流的 10 倍以上。同时,发生突然短 路时,电功率无法输出,使发电机转速升高而失去同步,破坏了系统运行的稳定性。从 仿真结果看出,在发电机出线端发生短路时,发电机及变压器等电气设备在短路故障排 除后均能恢复正常运行。 变压器稳态运行时,电流和电压等的幅值基本保持不变,当受到较大的扰动时,如 副边发生突然短路故障,则变压器将会从一种稳定运行状态过度到另一种稳定运行状 态,变压器出现瞬变过程时,出现过大电流现象。 带自动调节励磁系统的发电机仿真中, 从仿真结果可以看出发电机电压和电流的波 形与实际的较为接近,在电枢电流最小时,线路压降最小,此时的电枢端电压为最大。 在仿真过程中由于没有足够的参数已知值,大部分参数都是假定的,因此与实际的 电力系统仿真有一定的差距。由于某些参数设置还是不够理想,仿真结果误差较大,这 是本文的不完善之处。从整体的仿真结果看,MATLAB 是电力系统仿真的有效工具。

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基于 MATLAB 的电力系统仿真

参考文献
1. 吴天明 谢小竹 彭彬 编著。MATLAB 电力系统设计与分析。北京:国防工业出版社, 2004 2. 洪乃刚 编著。电力电子和电力拖动控制系统的 MATLAB 仿真。北京:机械工业出版 社,2006 3. 刘天琪,邱晓燕编著。电力系统分析理论。北京:科学出版社,2005 4. 何仰赞,温增银,汪复英,周勤慧编著。电力系统分析。武汉:华中工业出版社,1984 5. 周渊深主编。交直流调速系统与 MATLAB 仿真。北京:中国电力出版社,2003 6. 黄忠霖编著。控制系统 MATLAB 计算及仿真。北京:国防工业出版社,2001 7. 薛定宇,陈阳泉编著。基于 MATLAB/SIMULINK 的系统仿真技术与应用。北京:清华 大学出版社,2002 8. 唐向宏,岳恒立,郑雪峰编著。MATLAB 及在电子信息类课程中的应用。北京:电子 工业出版社,2006 9. 陈坚编著。交流电机数学模型及调速系统。北京:国防工业出版社,1989 10. 唐永哲编著。电力传动自动控制系统。西安:西安电子科技大学出版社,1998 11. 朱英浩。新编变压器实用技术问答。沈阳:辽宁科学技术出版社,1999 12. 陈化钢。电气设备预防性试验技术问答。北京:中国水利水电出版社,1998 13. 廖晓钟编著。电气传动与调速系统。北京:中国电力出版社,1998 14. 贺益康编著。交流电机调速系统计算机仿真。杭州:浙江大学出版社,1993 15. 刘介才编著。工厂供电。北京:机械工业出版社,2004 16. 季一峰主编。水电站电气部分。武汉:电力工业出版社,1985 17. 陈道舜主编。电机学。中国水利出版社。 18. 周平等。变压器内部故障的仿真模型及特性分析。江苏:江南大学学报,2004 19. 陈伯时主编。电力拖动自动控制系统。北京:机械工业出版社,2003 20. 张少如,李志军,吴永俭,杜志强。MATLAB 与电力系统仿真。石家庄:河北工业大 学学报,2005

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基于 MATLAB 的电力系统仿真 附录:

110Kv power supply system relay protection function brief analysis
Not only the 110Kv power supply system relay protection function brief analysis electrical power system security and the reliability relate electrical power system itself the movement, similarly relates in the power transmission scope the factories and mines, the enterprise, whether the inhabitant uses electricity normally.Because simultaneously the electrical power system has the strong connectivity, electrical power system interior any barrier all possibly affects the overall system normal operation, thus we must complete the power supply system practically the relay protection question. First, the 11OKV power supply system Generally speaking electrical power system including the electricity generation, changes the electricity, the electric transmission, the power distribution and uses electricity and so on five links, between five links restricted mutually, cooperates mutually has facilitated the electrical power system stability together.But in fact, because these five links not always in the identical place, the identical time complete, the electric transmission must surmount the vast area, simultaneously the electrical power system must not carry on the connection with the equipment, thus strengthened its movement environment complexity, causes electrical power system the zero failure rate to guarantee with difficulty.The 110Kv power supply system is in the entire electrical power system important constituent, it whether safe, stable, reliable movement, not only relates the system own movement quality, whether moreover relates in its power transmission scope general user normal prompt using electricity, it the economical normal development and the society is stably taking on the important energy safeguard duty to the power transmission scope in.Therefore the 110KV power supply system design and the movement management must observe national comprehensively the related standard and the standard, as well as correlation area specifically standard standard.In the 110Kv power supply system is containing a subsystems and two subsystems.Two subsystems were opposite in a subsystems are complex, violate the subsystems to include the relay protection installment, the automatic device and the secondary circuit.The relay protection installment is uses for in the power supply system to a subsystems to carry on the surveillance, the survey, the control and the protection, is composed set of special automatic devices by the relay.The reasonable relay protection installment correct establishment to guarantees the 110Kv power supply system the normal operation to have the positive function. Second, the relay protection digs reads and the related principle Electrical power system rapid development to the relay protection to propose unceasingly the new request, the electronic technology, the computer technology and the communication rapid development unceasingly has poured into the new vigor for the relay protection technology development. The relay protection is refers when in the electrical power system electric power part (for example generator, line and so on) or electrical power system itself has occurred the

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基于 MATLAB 的电力系统仿真 breakdown endangers the electrical power system safe operation, can to the attendant promptly send out the warning signal, or directly to the circuit breaker which controls sends out the trip order to terminate one kind of automated protection which these events develop, the relay protection equipment can monitor the electrical equipment the normal work situation, and sends out the prompt signal differently according to the normal work situation and the equipment movement maintenance condition, in order to the attendant carries on prompt processing, either carries on the adjustment automatically by the protective device, either continues these to move possibly can cause the accident electrical equipment to excise.Response normal work situation relay protection equipment common belt certain time-lag action. The relay protection principle of work mainly has used in the electrical power system the part has when the short circuit or the unusual situation the electrical quantity (electric current, voltage, power, frequency and so on) change as well as in transformer fuel tank when breakdown occurs the massive gas and the oil stream speed increase or the flowing tubing head pressure intensity increase the higher condition.The electrical power system request provides the safekeeping of security for it to continue the electricity installment to have following performance: (1) reliability. The reliability is refers to the protection to be supposed to move time the body should act reliably.Should not when the movement should reliable not act.The reliability is to the relay protection installment performance most basic request. (2) selectivity. The selectivity is refers first by the breakdown equipment logical 'OR' circuit itself protection excision breakdown, when the breakdown equipment logical 'OR' circuit itself protection or the circuit breaker resist moves, only then allows by the neighboring equipment to protect, the line protection or the circuit breaker malfunction protection excision breakdown.In order to guarantee has in the coordinate request protection and the identical protection has the coordinate request two parts (for example start and trip part or block system and movement part) the selectivity to the neighboring equipment and the line, its sensitivity coefficient and the operating time, should coordinate mutually in the ordinary circumstances. (3) sensitivity. The sensitivity is refers when the equipment logical 'OR' circuit occurs by the extent of protection in the metallicity short circuit, the protective device should have the essential sensitivity coefficient, each kind of protection smallest sensitivity coefficient has the specific stipulation in the regulations.Selectivity and sensitive request, through relay protection installation realization. (4) speed. The speed is refers to the protective device to be supposed to excise the short circuit breakdown as soon as possible, its date enhances the system stability, reduces the breakdown equipment and the line damage degree, reduces the breakdown to affect the scope, enhances automatic switches on again with the emergency power supply or the emergency apparatus automatic investment effect and so on. Third, relay protection in 11OKV power supply system Chen Ai function 1. The guarantee continues the electricity system the reliability is plays the relay
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基于 MATLAB 的电力系统仿真 protection installment role the premise. Continues the electricity system the reliability is plays the relay protection installment role the premise.Generally speaking the relay protection reliability mainly by the disposition reasonable, the quality and the technical performance fine relay protection installment as well as the normal movement maintenance and the management guaranteed. 2. Relay protection in electrical power system safe operation function. The relay protection mainly has following two points in the electrical power system safe operation function: (1) safeguard electrical power system security.When is protected when the electrical power system part breaks down, should rapidly accurately for be separated from the breakdown part recent circuit breaker by this part relay protection equipment to send out the trip order, causes the breakdown part to interrupt promptly from the electrical power system, by maximum limit reduces to the electrical power system part itself damage, reduces to the electrical power system safe power supply influence, and satisfies the electrical power system certain specific requests (for example maintenance electrical power system transition condition stable and so on). (2)pair of electrical power system normal work carries on the prompt.Responded the electrical equipment the normal work situation, (whether there is and different e.g. frequent attendant) does send out the signal according to the normal work situation and the equipment movement maintenance condition, in order to the attendant carries on processing, either carries on the adjustment automatically by the equipment, either continues these to move can cause the accident electrical equipment to excise.Response normal work situation relay protection installment permission belt certain time-lag action. (3) pair of electrical power system movement carries on the monitoring.The relay protection is not merely an accident processing and the response installment, simultaneously also is monitors the electrical power system normal operation the installment. The relay protection is the electrical power system safe normal operation important safeguard, at present oneself after obtained the widespread application, along with the science and technology unceasing progress, the relay protection technology presents day by day to the microcomputer, the network, the intellectualization, protects, the control, the survey and the data communication integration development tendency.

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基于 MATLAB 的电力系统仿真

110KV 110KV供电系统继电保护作用浅析
电力系统的安全性和可靠性不仅关系到电力系统本身的运行,同样关系到送电范围内的厂矿、 企业、居民能否正常用电。同时由于电力系统具有较强的连通性,电力系统内部的任何一个障碍都 可能影响到整个系统的正常运行,因而我们必须切实做好供电系统的继电保护问题。 11OKV 一、 11OKV 供电系统 一般来说电力系统包括发电、变电、输电、配电和用电等五个环节,五个环节之间相互制约、 相互合作共同促成了电力系统的稳定。但事实上,由于这五个环节不总是在同一地点、同一时间完 成的,输电要跨越辽阔的地区,同时电力系统要与不间的设备进行连接,从而增强了其运行环境的 复杂性,导致电力系统的零故障率难以保证。110Kv供电系统是整个电力系统中的重要组成部分,其 能否安全、稳定、可靠的运行,不仅关系到系统自身的运行质量,而且关系到其送电范围内广大的 用户能否正常及时的用电,其对送电范围内经济的正常发展和社会的稳定担当着重要的能源保障任 务。因此110KV供电系统的设计和运行管理必须全面遵守国家的有关标准和规范,以及相关地区的具 体规范标准。110Kv供电系统中包含着一次系统和二次系统。二次系统相对于一次系统较为复杂,犯 次系统包括了继电保护装置、自动装置和二次回路。继电保护装置是在供电系统中用来对一次系统 进行监视、测量、控制和保护,由继电器来组成的一套专门的自动装置。合理的继电保护装置的正 确设置对确保110Kv供电系统的正常运行有着积极的作用。 继电保护的撅念及相关原理 二、 继电保护的撅念及相关原理 电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求,电子技术、计算机技术与通信技术的飞速 发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力。 继电保护是指当电力系统中的电力元件(如发电机、线路等)或电力系统本身发生了故障危及电 力系统安全运行时,能够向值班人员及时发出警告信号,或者直接向所控制的断路器发出跳闸命令 以终止这些事件发展的一种自动化保护,继电保护装置能够监控电气设备的不正常工作情况,并根 据不正常工作情况和设备运行维护条件的不同发出提示信号,以便值班人员进行及时处理,或由保 护装置自动进行调整,或将那些继续运行可能会引起事故的电气设备予以切除。反应不正常工作情 况的继电保护装置一般带一定的延时动作。 继电保护的工作原理主要是利用了电力系统中元件发生短路或异常情况时电气量(电流、电压、 功率、 频率等)的变化以及变压器油箱内故障时发生的大量瓦斯和油流速度的增大或油压强度的增高 等条件。电力系统要求为其提供安全保护的继电装置具备以下性能: (1) 可靠性 。 可靠性是指保护该动体时应可靠动作。不该动作时应可靠不动作。可靠性是对继电 保护装置性能的最根本的要求。 〔2) 选择性 。 选择性是指首先由故障设备或线路本身的保护切除故障,当故障设备或线路本身的 保护或断路器拒动时,才允许由相邻设备保护、线路保护或断路器失灵保护切除故障。为保证对相 邻设备和线路有配合要求的保护和同一保护内有配合要求的两元件(如启动与跳闸元件或闭锁与动 作元件)的选择性,其灵敏系数及动作时间,在一般情况下应相互配合。 (3) 灵敏性 。 灵敏性是指在设备或线路的被保护范围内发生金属性短路时,保护装置应具有必要 的灵敏系数,各类保护的最小灵敏系数在规程中有具体规定。选择性和灵敏性的要求,通过继电保 护的整定实现。 (4) 速动性 。 速动性是指保护装置应尽快地切除短路故障,其日的是提高系统稳定性,减轻故障 设备和线路的损坏程度,缩小故障波及范围,提高自动重合闸和备用电源或备用设备自动投入的效 果等。

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基于 MATLAB 的电力系统仿真 继电保护在11OKV 11OKV供电系统障碍中的作用 三、 继电保护在11OKV供电系统障碍中的作用 1. 保证继电系统的可靠性是发挥继电保护装置作用的前提。 继电系统的可靠性是发挥继电保护装置作用的前提。一般来说继电保护的可靠性主要由配置合 理、质量和技术性能优良的继电保护装置以及正常的运行维护和管理来保证。 2. 继电保护在电力系统安全运行中的作用。 继电保护在电力系统安全运行中的作用主要有以下两点: (1) 保障电力系统的安全性。当被保护的电力系统元件发生故障时,应该由该元件的继电保护装置 迅速准确地给脱离故障元件最近的断路器发出跳闸命令,使故障元件及时从电力系统中断开,以最 大限度地减少对电力系统元件本身的损坏,降低对电力系统安全供电的影响,并满足电力系统的某 些特定要求(如保持电力系统的暂态稳定性等)。 (2) 对电力系统的不正常工作进行提示。反应电气设备的不正常工作情况,并根据不正常工作情况 和设备运行维护条件的不同(例如有无经常值班人员)发出信号,以便值班人员进行处理,或由装置 自动地进行调整,或将那些继续运行会引起事故的电气设备予以切除。反应不正常工作情况的继电 保护装置允许带一定的延时动作。 (3) 对电力系统的运行进行监控。继电保护不仅仅是一个事故处理与反应装置,同时也是监控电力 系统正常运行的装置。 继电保护是电力系统安全正常运行的重要保障,目前己经得到了广泛的应用,随着科学技术的 不断进步,继电保护技术日益呈现出向微机化,网络化,智能化,保护、控制、测量和数据通信一 体化发展的趋势。

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基于 MATLAB 的电力系统仿真

致 谢

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