基于matlab的单机无穷大模型的暂态稳定性分析（毕业论文） - 图文

基于MATLAB的电力系统暂态稳定仿真分析

论文作者姓名：作 者 学 号：所 在 学 院：所 学 专 业：导师姓名职称：论文完成时间：

信息与电气工程学院

电气工程及其自动化 2012年5月28日

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湖 南 科 技 大 学

潇湘学院毕业设计（论文）

基于Matlab的电力系统暂

题 目

态稳定性分析 作学专学

者 院 业 号

信息与电气工程 电气工程及其自动化

二〇一二 年 五 月 三十一 日

指导教师

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湖 南 科 技 大 学

电气工程及其自动化 系 教研室 教研室主任: （签名） 2012 年 月 日 学生姓名 学号: 专业: 电气工程及其自动化

1 设计（论文）题目及专题： 基于MATLAB的电力系统暂态稳定性分析 2 学生设计（论文）时间：自 2012 年 2 月 20 日开始至 2012 年 6 月 8 日止 3 设计（论文）所用资源和参考资料：

王晶，翁国庆．张有兵．电力系统的MATLAB/SIMULINK仿真与应用．西安电子科技

大学出版社，2008年9月．

吴天明 谢小竹 彭彬.MALAB电力系统设计与分析。国防工业出版社，2004年1月。 陈跃.电气工程专业毕业设计指南电力系统分册。中国水利水电出版社，2003年8月。等

4 设计（论文）应完成的主要内容：

（1）Simulink下单机—无穷大仿真系统的搭建 （2）系统故障仿真测试分析

通过实例说明，若将该方法应用到电力系统短路故障的诊断中，快速实现故障的自动诊断、检测，对于提高电力系统的稳定性具有十分重要的意义。 5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求：

全部设计过程以论文的形式说明清楚，严格按照湖南科技大学潇湘学院本科毕业设计（论文）格式要求撰写。要求论文中包括电力系统暂态稳定性的基本介绍、以单机—无穷大系统为典型案例，用matlab搭建模型图，并通过参数的设定，分别得到电力系统在发生单相和三相短路时，其机端电压、电机相角和转速的实时仿真，并比较，在PSS投入和切除，以及迅速切除故障和延缓切除故障的仿真结果，得出结论。 6 发题时间： 2012 年 2 月 20 日

指导教师： （签名）

学 生： （签名）

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潇湘学院毕业设计（论文）指导人评语

[主要对学生毕业设计（论文）的工作态度，研究内容与方法，工作量，文献应用，创新性，实用性，科学性，文本（图纸）规范程度，存在的不足等进行综合评价]

指导人： （签名）

年 月 日

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指导人评定成绩：

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潇湘学院毕业设计（论文）评阅人评语

[主要对学生毕业设计（论文）的文本格式、图纸规范程度，工作量，研究内容与方法，实用性与科学性，结论和存在的不足等进行综合评价]

评阅人： （签名）

年 月 日

评阅人评定成绩：

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潇湘学院毕业设计（论文）答辩记录

日期：

学生： 学号： 班级： 题目： 提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：

1 设计（论文）说明书 共 2 设计（论文）图 纸 共 3 指导人、评阅人评语 共

毕业设计（论文）答辩委员会评语：

[主要对学生毕业设计（论文）的研究思路，设计（论文）质量，文本图纸规范程度和对设计（论文）的介绍，回答问题情况等进行综合评价]

页 页 页

答辩委员会主任： （签名）

委员： （签名）

（签名） （签名） （签名）

答辩成绩：

总评成绩：

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摘 要

随着电力工业的迅速发展，电力系统的规模日益庞大和复杂，出现的各种故障，会给发电厂以及用户和电厂内的多种动力设备的安全带来威胁，并有可能导致电力系统事故的扩大，从技术和安全上考虑直接进行电力试验可能性很小，迫切要求运用电力仿真来解决这些问题依据电网用电供电系统电路模型要求，因此，论文利用MATLAB的动态仿真软件Simulink搭建了单机—无穷大电力系统的仿真模型，能够满足电网在其可能遇到的多种故障方面运行的需要。

论文以MATLAB R2009a电力系统工具箱为平台，通过SimPowerSyetem 搭建了电力系统运行中常见的单机—无穷大系统模型，设计得到了在该系统发生各种短路接地故障并故障切除的仿真结果。

本文做的主要工作有：

（1）Simulink下单机—无穷大仿真系统的搭建 （2）系统故障仿真测试分析

通过实例说明，若将该方法应用到电力系统短路故障的诊断中，快速实现故障的自动诊断、检测，对于提高电力系统的稳定性具有十分重要的意义。

关键词 电力系统；暂态稳定；MATLAB；单机—无穷大；

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ABSTRACT

With the rapid development of electric power industry, electric power system, as an increasingly large scale and complicated power system fault, The user will give power plants and power equipment of the security threats, and may have caused the accident of power system, technology and safety considerations from directly power test possibility, urged using electric simulation to solve these problems based on grid power supply system, Therefore, paper depend on the model of dynamic simulation by MATLAB build software Simulink infinite power system of single - simulation model, the grid in various fault may meet the needs of the running of aspects.

The paper base on platform version of Matlab R2009a，According to SimPowerSyetem toolbox to build power operation of common single—infinite system model, the experiment in the system was obtained by various circuit breaker automatically earthing faults and fault isolation of simulation results trip.

The main work is :

(1) Building this simulation system of single - infinite under Simulink (2) Fault simulation test analysis of system

Through examples, if this method to the power system fault diagnosis, fast fault detection and diagnosis, automatic for improving the stability of power system has important significance.

keywords： Single—infinite；SimPowerSyetem；Short circuit faults；Wavelet transform

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目 录

第一章 电力系统稳定性概述 ......................................................................................... 1

1.1 电力系统的静态稳定性 .......................................................................................... 1 1.2 电力系统的暂态稳定性 .......................................................................................... 1

第二章 基于MATLAB的电力系统仿真 ................................................................ 3

2.1 电力系统稳定运行的控制 ................................................................................... 3 2.2 MATLAB及SimPowerSystem简介 ................................................................... 3 2.3 配电网的故障现状及分析...................................................................................... 4 2.4 暂态稳定仿真流程 ................................................................................................... 4

第3章 单机—无穷大暂态稳定仿真分析 ............................................................... 6

3.1 电力系统暂态稳定性分析...................................................................................... 6 3.1.1 引起电力系统大扰动的原因...................................................................6 3.1.2 定性分析...................................................................................................6 3.1.3 提高电力系统稳定性的措施...................................................................8

3.2 单机—无穷大系统原理 ........................................................................................ 10 3.3 结论 ................................................................. ...........................................................11

第四章 Simulink下SimPowerSystem模型应用..................................12

4.1 仿真系统模型步骤.......................................................................................12 4.2 仿真模型的搭建...........................................................................................13

4.2.1模型详细参数设置........................................................................ 15 4.3 各种提高暂态稳定性措施的运行效果仿真...............................................27 4.4 结论.............................................................................................................. 36

第五章 结论和展望..............................................................................................................37 参考文献.................................................................................................... 38 致谢.............................................................................................................39

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第一章 电力系统稳定性概述

1.1 电力系统的静态稳定性

电力系统的静态稳定性指的是正常运行的电力系统承受微小的、瞬时出现但又立即消失的扰动后，恢复到它原有运行状况的能力；或者，这种扰动虽不消失，但可用原有的运行状况近似的表示新运行状况的可能性。这也是电力系统在微小扰动下的稳定性，而这种扰动可以理解为任意不等于零的无限小扰动。正因为如此，任意描述电力系统运行状态的非线性方程式，都可以在原始运行点附近线性化。换言之，电力系统静态稳定性涉及的数学问题将是解线性化了的机电暂态过程方程式组的问题。

1.2 电力系统的暂态稳定性

电力系统暂态稳定性是指研究电力系统受到较大扰动后各发电机能否继续保持同步运行的问题。引起电力系统大扰动的原因很多，归纳起来，主要有一下几种。

一、引起电力系统大扰动的主要原因

（1）负荷的突然变化。如切除或投入大容量的用户引起较大的扰动。

（2）切除或投入系统的主要元件。如切除或投入较大容量的发电机、变压器和较重要的线路引起的大的扰动。

（3）电力系统的短路故障。它对电力系统的扰动最为严重。在短路故障中，其中以三相短路最为危险，引起电力系统的扰动最大，于是系统的暂态稳定性常常遭到破坏。但此种严重故障发生的次数最少，据统计，在高压电力系统中发生三相短路的次数一般占总短路次数的6%~7%左右。

两相接地短路和两相短路对于电力系统的扰动也较大，其中两相接地短路的危害程度仅次于三相短路。但在一般的高压系统中发生这两种短路的次数为23%~24%左右，比三相短路发生的次数要多。

单相短路在高压系统中发生的次数最多，一般可占70%左右。但单相短路对系统的扰动在短路故障中是最小的，其中瞬时性雷击单相短路又占单相短路的70%左右，它对系统的影响就更小了。

因此，电力系统如能经受住三相短路的扰动，则该系统的暂态稳定性是不成问题的，但以三相短路作为暂态稳定的条件是很不经济的。因此我国电力系统目前是以不对称短路作为暂态稳定研究的基础，逐步把暂态稳定提高到三相短路上来。

当电力系统受到大扰动时，表征系统运行状态下的各种电磁变量，如线路的电流、节点电压、发电机输出功率等都要发生急剧的变化。但是原动机的调速系统具有相当大的惯性，它必须经过一段时间后，才能改变原动机的功率。这样作用在发电机转子轴上输出的电磁功率与输入的机械功率之间的平衡遭到破坏，使发电机转子轴上作用一个不平衡转矩。在这个转矩作用下，发电机组转子开始改变其速度，使发电机的功率角改变，

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从而使发电机组各转子产生相对运动，即发电机组间产生了摇摆或振荡。发电机组转子相对角度的变化，发过来又将影响电力系统中电流、电压及发电机输出功率的变化。所以，由大的扰动引起的电力系统暂态过程是一个有电磁暂态过程和发电机组转子机械运动暂态过程交织在一起的复杂过程，即机电暂态过程。

精确地电力系统中所以电磁变量和机械运动变量在暂态过程中的变化，是非常复杂和困难的，从解决实际工程问题来说，往往是不必要的。而暂态稳定性分析计算的目的在于确定电力系统给定的大扰动下各发电机组能否继续保持同步运行，因此我们只需要确定表征发电机是否同步的发电机组转子运动特性便可以了。抓住这个要点后，我们就可以对暂态过程中各种复杂的现象进行具体的分析，找出其中对机组转子运动起主要影响主要作用的因素，在分析计算中加以考虑，而对于影响不大的因素加以忽略或作近似考虑。这样做，不仅大大的简化了分析计算工作，而且也更便于获得有关研究对象的更加明确清晰的概念。事实上，在忽略某些次要因素后，计算所得的结果与实际结果很接近，其误差在允许范围内。

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第二章 基于MATLAB的电力系统仿真

电力电缆在运行中易受到多种因素的影响而发生故障，威胁系统的安全可靠性，因此迅速、准确地探测出电缆故障并对其进行分析，对提高供电可靠性、减少故障修复费用及停电损失具有重要理论意义和实用价值[1]。目前，线路保护已经进入微机保护时代，电力系统继电保护中的信号处理仍以分析为主，同时考虑到电力运行实际情况，在Matlab/Simulink平台下更好的运用仿真手段更突出了现实意义。

2.1 电力系统稳定运行的控制

电力系统暂态功角稳定控制是电力系统稳定运行的第一道防线。暂态稳定性是指电力系统在受到大干扰( 如短路故障, 突然增加或减少发电机出力、大量负荷, 突然断开线路等) 后, 各同步发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力, 通常指第一或第二振荡周期不失步。提高电力系统暂态稳定性的措施是多样的, 本文以单机—无穷大系统为例, 主要对电力系统稳定器、快速切除故障、故障限流器、单相自动重合闸等措施在提高电力系统暂态稳定性方面的作用运用MATLAB 的电力系统仿真模块集SimPowerSystemsBlockset( 以下简称PSB) 进行仿真分析。

2.2 MATLAB及SimPowerSystem简介

MATLAB是Matrix Laboratory（矩阵实验室）的缩写，由Mathworke公司开发的

一套功能强大的软件，最早它主要用于科学计算。后来随着MATLAB功能的不断增强和应用的普及，很多领域的专家为MATLAB写了专门的工具箱，用以拓展MATLAB的功能，这大大扩大了MATLAB的应用范围。所以现在的MATLAB已不仅仅局限与现代控制系统分析和综合应用，它已是一种包罗众多学科的功能强大的技术计算语言，是当今世界上最优秀的数值计算软件之一。它强大的科学运算与可视化功能，简单易用，开放式可扩展环境，特别是所附带的30多种面向不同领域的工具箱支持，使得它在许多科学领域中成为计算机辅助设计和分析，算法研究和应用开发的基本工具和首选平台[2]。 MATLAB环境下的Simulink 是用于对复杂动态系统进行建模和仿真的图形化交互式平台。运行于Simulink下的PSB（Power System Blockset）是针对电力系统的工具箱，从Matlab 6.0开始它被重新命名为SPS（SimPowerSystem）。SimPowerSystem是以Hydro-Quebec'研究中心的专家为主的MATLAB的开发的工具箱，主要用于电力系统电力，电子电路的仿真。随着MATLAB的不断升级，SimPowerSystem也得到了很大的发展。现在，从MATLAB13版的开始，SimPowerSystem和SimMechanies一起作为现实模型产品族的成员，结合Simulink的使用，可以仿真电气，机械以及控制系统。使用SimPowerSystem，不需要学习复杂的软件命令，编写软件代码，用户可以专注于物理模

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型本身，通过与实际电路图非常相似的符号，表示复杂的电网，这有助于大大提高仿真的效率。

2.3 配电网的故障现状及分析

电力系统中压配电网一般采用不直接接地或经消弧线圈接地方式，因其发生接地故障时，流过接地点的电流小，所以称为小电流接地系统。此系统中接地故障最高，由于三个线电压仍然对称，不影响负荷连续供电，故不必立即跳闸，但接地后非故障相电压会升高，长时间带故障运行会影响系统安全，因此需要对故障时刻和故障线路进行检测。另外故障初期接地点常常伴有很大的接地电阻，各次谐波电流分量很小这将影响故障检测的灵敏度。因此，需要具有很强的处理微弱信号能力的数字信号处理方法去分析非平稳信号。

对配电网接地短路故障的研究，主要有利用短路后的稳态分量、谐波分量和暂态分量等几种方法。利用故障后的稳态分量进行故障检测，存在的问题是接地稳态分量太小常导致选线装置不能正确动作而且该方法要求有一个持续的稳态短路过程因此在发生间歇性电弧接地时便不再适用，因此利用能对突变的微弱的非平稳故障信号进行精确处理的小波分析理论,可以很好地分析电力系统电磁暂态过程并提取出故障特征,。 电力系统暂态功角稳定控制是电力系统稳定运行的第一道防线。暂态稳定性是指电力系统在受到大干扰(如短路故障，突然增加或减少发电机出力、大量负荷，突然断开线路等)后，各同步发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力。通常指第一或第二振荡周期不失步。提高电力系统暂态稳定性的措施是多样的。 论文以单机—无穷大系统为例。主要对电力系统稳定器、快速切除故障、单相自动重合闸等措施在提高电力系统暂态稳定性方面的作用运用MATLAB的电力系统仿真模块集SimPowerSystems BIockset(以下简称SPS)进行仿真分析。

2.4 暂态稳定仿真流程

由于电力系统的动态仿真研究将不能在实验室进行的电力系统运行模拟得以实现。

因此在判定一个电力系统设计的可行性时，都可以首先在计算机上进行动态仿真研究，它的突出优点是可行、简便、经济。Matlab电力系统工具箱包含的模块有：Electrical Sources(电源库)、Elements(元件库)、PowerElectronics(电力电子元件库)、Machines(电机库)、Connectors(连接器库)、Measurements(测量仪器库)、Extra Library(附加元件库)、Demos(示例库)、Powergui(图形用户界面graphical user interface)等，

为了研究电力系统的特性，搭建的系统应最大限度的再现实际中的电力系统。利用模块库中封装好的模块搭建系统，对各环节元件作了一定的理想化。对各元件的参数也

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作了一定的取舍与简化，随着模块库的不断更新与完善，利用已有模块搭建的系统基本能模拟实际电力系统的特性．成为对电力系统进行分析、设计、仿真的一个有力工具。

SPS仿真电力系统流程图：

启动Matlab/Simulink 在simulink下新建.model文件。把相关的电力系统模块拖入到.model文件中 设置好相关元器件的参数，并搭建模型 在simulink/simulink parameters 对话框中设定合适的变步长积分方法 开始仿真，系统会检查出错误和警告，若有，则一一解决 图 2.1 SPS仿真电力系统流程图

得出结果，并对本次仿真分析，得出结论

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第3章 单机—无穷大暂态稳定仿真分析

电力系统稳定性问题是指电力系统运行中受到扰动后能否保持发电机间同步运行的问题，根据扰动大小所确定的稳态问题的性质，把它分为静态稳定和暂态稳定。所谓电力系统静态稳定性，一般是指电力系统在运行中受到微小扰动后，独立地恢复到它原来的运行状态的能力。电力系统的暂态稳定是指电力系统在某个运行情况下突然受到大的干扰后，能否经过暂态过程达到新的稳态运行状态或者恢复到原来的状态。这里所谓的大干扰，是相对于小干扰而言的。如果系统受到大的干扰后仍能达到稳定运行，则系统在这种运行情况下是暂态稳定的。反之，如果系统受到大的干扰后不能建立稳态运行状态，而是各发电机组转子间一直有相对运动，相对角不断变化，因而系统的功率电流和电压都不断振荡，以至整个系统不能再继续运行下去，则称为系统在这种运行情况下不能保持暂态稳定。

3.1 电力系统暂态稳定性分析

3.1.1 引起电力系统大扰动的原因 主要有以下几种：

（1）负荷的突然变化，如投入或切除大容量的用户等； （2）切除或投入系统的主要原件，如发电机，变压器及线路等； （3）发生短路故障。

其中短路故障的扰动最为厉害，常以此作为检验系统是否具有暂态稳定的依据。而且短路故障中，单相接地短路故障最多。在发生短路的情况下，电力系统从一种状态激烈变化到另一种状态，产生复杂的暂态现象。在三相系统中，可能发生的短路有：三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路等。当动态电路从某一稳定状态转换到另一稳定状态时，一些物理量（如电容电压，电感电流等）并不会突变，而是需要一定时间。在这期间，电路将呈现出不同于稳态的特别现象，即电路的过渡过程或暂态现象。分析电路的暂态现象时，可建立电压电流的微分方程，并按初始来求解。

3.1.2 定性分析

在正常运行情况下，若原动机输入的机械功率为Pm，发电机输出的电磁功率就与原动机输入的机械功率相平衡，发电机的工作点应由P1和Pm线的交点确定，即为a点，与此对应的功率角为?0，见图3.2中虚线所示为不计阻尼作用的曲线，实线所示为计阻尼作用的曲线。?k'

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第4章Simulink下SimPowerSystem模型应用

Simulink由于其能用最小的代价来模拟真实动态系统的运行，依托数百种预定义系

统环节模型、最先进有效地积分算法和直观的图形化工具，依托强健的交互式仿真能力，可以方便调整模型参数设置，而电力系统SimPowerSystem由于使用标准的电气符号、各种模型模块，高精度的仿真结果，优化的仿真算法，大量的功能演示模型，充分发挥了SPS在电力系统仿真的灵活仿真优势。

4.1 仿真系统模型步骤

(1) 进入MATLAB环境，键入Simulink命令或直接用鼠标点Simulink按键即可

打开相应的系统模型库：

图4.1 Simulink界面图示

(2) 对于电力方面仿真应用模块，Matlab从专业角度对其专门设置了Powerlib模拟库，用于对复杂的电气系统进行分析和研究，应用非常方便，集成了所需电力方面的所有方面，启动步骤是：进入MATLAB环境，键入Powerlib命令，出现图4.2：

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图4.2 Powerlib模块图示

(3)建立系统框图：选择File/New菜单项，建立New Model，再打开所需模块库的图标，根据本次电力仿真选取相应模块，用鼠标点中其中子模块并拖动到模型窗口中去，两个模块的连接只需用鼠标点一下起点模块的输出端并拖动到终点模块的输入端即可。

4.2 仿真模型的搭建

利用MATLAB下的SIMULINK软件和电力系统模块库(SimPowerSystems)进行系

统仿真是十分简单和直观的，用户可以用图形化的方法直接建立起仿真系统的模型，并通过SIMULINK环境中的菜单直接启动系统的仿真过程，同时将结果在示波器上显示出来。对原理分析的基础上，利用SIMULINK软件仿真能对调节器的参数进行更为方便的调整，可以更为直观地得到系统仿真的结果，从而加深对电力系统仿真设计方法的理解。

本次仿真选出需要用到如下模块： （1）Powerlib电力系统工具箱：

1）Electrical Sources中的Three-Phase Source（三相电源）模块

2）Elements 中的Three-Phase Parallel RLC Load（三相负载RLC并联）模块和Ground（交流接地）模块 以及 Three-Phase Breaker （三相断路器）模块，Three-Phase Fault （三相故障整流器）模块，Distributed Parameters Line（分布参数线路）模块，Three-Phase Transformer（Two Windings）（三相变压器绕组）模块

3）Machines里Synchronous Machine pu Standad（标么标准同步电机）模块，Excitation System（励磁系统）模块，Generic Power System Stabilizer（通用电力系统稳定器）模块

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4）Measurements里Voltage Measurement（电压测量）模块 5）powergui 模块 （2）Simulink常用工具箱：

1）Simulink 模块集Commonly Used Blocks （常用模块）下的 Constant（常量)模块，Demux（多路分配器）模块，Gain （获得）模块，Ground模块（直流），Scope （显示器）模块，Sum（求和）模块

2）Signal Routing（信号路由）模块库下的 Manual Switch （手动开关）模块 3）SimPowerSystem（电力系统）模块库下的Machines集中Machines Measurement Demux（电机测量复合） 模块，需要双击设置相关的输入输出接口。 至此，我们已经把仿真结构框图所需的模块都已拖入模型编辑窗口。

图4.3 模块拖动选择后的效果图

对各个模块连线并进行相关参数进行设置，电力单机—无穷大系统仿真模型为：

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图4.4 单机—无穷大系统Simulink仿真模型

4.2.1模型详细参数设置

修改模块参数：双击模块图案，则出现关于该图案的对话框，通过修改对话框内容来设定模块的参数。

（1）双击Gain模块，弹出图4.5所示的对话框，在Gain栏目里设置相关系数即可。

图4.5 Gain模块参数设置

（2）双击Constant模块，弹出图4.6和图4.7所示的对话框，在Constant value里

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设置参数即可。

图4.6 Constant模块Pmec参数设置

图4.7 Constant 模块Vref参数设置为常数

（3）双击Sum模块，弹出图4.8所示的对话框，在Icon shape里选择round（隐式）即可，由于仿真所需为加法模式，List of signs栏目不需要设置。

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图4.8 Sum模块参数设置为

++

（4）双击Machines Measurement Demux模块，弹出图4.9所示的对话框，选择vs_qd，d_theta，dw，设置完成。

图4.9 Machines Measurement Demux模块参数设置

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（5）双击Excitation System模块，弹出图4.10所示的对话框，参数默认即可。

图4.10 Excitation System模块参数设置

（6）双击 Generic Power System Stabilizer模块，弹出图4.11所示的对话框，默认参数即可。

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图4.11 PSS模块参数设置

（7）双击 Three-Phase Parallel RLC Load模块，弹出图4.12所示的对话框，设置Nominal frequency fn （hz）（额定频率）为50hz，Active power P（w）为1，Inductive reactive Power QL（positive var）为1，Capacitive reactive power Qc（negative var）为1。

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图4.12

Three-Phase Parallel RLC Load模块参数设置

（8）双击Synchronous Machine pu Standard模块，弹出图4.13所示的对话框，设置Configuration页面下Rotor type为“Round”模式，同时Parameters页面下分别设置【Pn(VA) Vn(Vrms）fn(Hz)】为[900e6 20e3 50] ，【Xd Xd? Xd?? Xq Xq? Xq?? X1】（pu）为[ 1.81, 0.3, 0.23, 1.73, 0.57, 0.25, 0.22 ] ,【Tdo? Tdo?? Tq? Tq??】（s）为[ 1.3201, 0.0231,

???F(pu)??p】为[0.3047 0.00987 2] ，0.3371, 0.0295 ] ，Rs （pu）为 0.0095 ，【H(s)

【dw(%) th(deg) ia，ib，ic(pu) pha，phb，phc(peg) Vf(pu)】为 [ 0 0 0 0 0 0 0 0 1 ] 。

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图4.13

Synchronous Machine pu Standard模块参数设置

（9）双击Three-Phase Transformer (Two Windings)模块，弹出图4.14所示的对话框，设置Configuration页面下Winding 1 connection (ABC terminals)为Delta (D1),同时Winding 2 connection (ABC terminals)为Yg，Parameters页面下Units为pu，【Pn(VA) ,fn(Hz)】分别为 [ 900e6 , 50 ]，【V1 Ph-Ph(Vrms) ,R1(pu) ,L1(pu)】为[ 20e3 , 1e-6 , 0 ] ，【V2 Ph-Ph(Vrms) ,R2(pu) ,L2(pu)】为[ 230e3 , 1e-6 , 0.153 ] ，Rm(pu)为500 ，Lm(pu)为500 ，其它默认即可。

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图4.19 powergui模块图示

Phasor frequency(Hz)输入\即可，选择后仿真为潮流计算方式

4.3 各种提高暂态稳定性措施的运行效果仿真

由于大扰动后发电机机械功率和电磁功率的差额(即加速功率Pm-Pe)是导致系统

暂态稳定破坏的主要原因。因此减少大扰动后发电机的加速功率是首先考虑的措施。因此提高电力系统暂态稳定性的一些有效措施，包括电力系统稳定器、快速切除故障、故障限流器、自适应单相自动重合闸等，进行仿真分析。设置线路L2出口处发生短路故障(故障发生时间均定在ls)作为对系统的大扰动。在进行动态仿真时分别设置以下的一些情况：

设置线路L2出口处发生短路故障(故障时间均发生在2S)作为对系统最大的扰动。

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在进行动态仿真时分别设置以下的一些情况：

(1)线路L2出口处发生单相接地短路，2.06S时切除故障，对电力系统稳定器PSS的效果进行分析(PSS可通过切换开关进行投退)，仿真结果见图4.20、4.21、4.22和4.23、4.24、4.25所示。

图4.20 机端电压(2.06S切除 未加PSS)

图4.21 相角(2.06S切除 未加PSS)

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图4.22 转速(2.06S切除 未加PSS)

结论分析：未投入PSS时，尽管采用了快速切除故障的措施。由于系统本身有延迟，

故障断开之后仍然出现震荡。

图4.23 机端电压（2.06S切除 加有PSS)

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图4.24 相角（2.06S切除 加有PSS)

图4.25 转速（2.06S切除 加有PSS)

结论分析：可知，对于单相接地短路故障，采用PSS可有效地增加系统对振荡的阻

尼效果，使波形更平缓，同时对其它故障谐波有较大的消除作用。

(2)线路L2出口处发生单相接地短路，在2.12S时间切除故障，仿真时附加PSS，仿真结果见图4.26、4.27和4.28 所示；将此仿真效果与(1)中的2.06S时切除故障的仿真结果进行比较，对快速切除故障的效果进行分析。

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图4.26 机端电压（2.12S切除 加有PSS)

图4.27 转速（2.12S切除 加有PSS)

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图4.28 相角（2.12S切除 加有PSS)

结论分析： 未投入PSS时，系统发生故障时暂时失去稳定性，相比图4.20、4.21

和4.22，2.12S后系统达到稳定状态需要时间更长，而且造成的波动较大，稳定性更差一些，震荡持续时间较长，由于进一步对参数进行了设置，所示的稳态波形更加平稳。 (3)线路L2出口处发生三相接地短路，2.06S时切除故障，仿真时不加PSS，对自适应单相重合闸的效果进行分析，仿真结果见图4.29、4.30和4.31所示。

图4.29 机端电压(三相接地短路 2.06s切除故障，未加PSS)

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图4.30 转速(三相接地短路 2.06s切除故障，未加PSS)

图4.31 相角(三相接地短路 2.06s切除故障，未加PSS)

对于三相接地短路这样非常严重的故障形式，未投入PSS 时, 尽管采用了快速切除

故障的措施, 系统仍失去了稳定性。当加入PSS后，仿真结果如图4.32、4.33和4.34所示：

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图4.32 机端电压(三相接地短路 2.06s切除故障，加PSS)

图4.33 相角(三相接地短路 2.06s切除故障，加PSS)

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图4.34 相角(三相接地短路 2.06s切除故障，加PSS)

结论分析：由于三相接地短路，系统脱离暂态稳定状态，随时间增加相电流会在短时间内迅速增加，对于三相接地短路这样非常严重的故障形式, 采用PSS 可有效地增加系统的阻尼振荡效果, 使系统迅速地趋向稳定。

短路故障的类型和发生及切除时间可由三相短路模块(Three-Phase Fault)进行设置。动态仿真时选择ode23tb，并采用略去直流分量和其他复杂滤波分量的Phasors法，可显著地加快仿真速度。

由可知，对于单相接地短路这样故障形式，采用PSS可有效地增加系统的阻尼振荡效果，使系统迅速地趋向稳定；而未投入PSS时，尽管采用了快速切除故障的措施，系统稳定性较差。在系统附加PSS的前提下。对比图4.26、4.27和4.28的慢切除故障和图4.20、4.21和4.22中快速切除故障的发电机运行指标的仿真运行结果．可见快速切除故障对于提高电力系统暂态稳定性有着决定性的作用。

电力系统稳定器PSS模块的输入信号即可采用发电机加速功率的Pa=Pm-Pe(p.u),也可以采用转子角速度变化量dω(p.u),本仿真采用后一种。而未投入PSS时，尽管采用了快速切除故障的措施，系统仍失去了稳定性。同时采用自动重合闸也是提高系统暂态稳定性的一个有效经济地方法，本次稳态故障仿真对自适应单相重合闸的效果进行仿真分析。与传统的单相重合闸不同，自适应重合闸不是盲目进行，可在重合前判别单相接地短路故障的性质，若为永久性故障，则重合闭锁；若为瞬时性故障，则重合进行闭锁；若为瞬时性故障，则重合进行。由图3可知，若单相接地短路为瞬时性故障，重合成功可有效提高系统的暂态稳定性。由于高压架空线路以发生瞬时性单相接地短路故障居多(占线路故障的70%-80%)，而一般重合闸的成功率可达90%以上，因此单相重合闸的使用可以提高供电的可靠性和暂态稳定性。

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4.4 小结

MATLAB SPS集直观性、技巧性和操作的简易性于一身，是一款较优秀的电力系统

仿真软件，同时SPS提供丰富的Help文档，有利于使用者进行学习。本次仿真以单机—无穷大系统或两极系统为对象进行仿真。分析了运行故障对稳态的干扰，对实际电力系统暂态稳定具有参考价值，仿真实践表明，SPS是电力系统机电暂态稳定分析的有力工具。

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第五章 结论和展望

随着现代电力系统的飞速发展，复杂的电力控制系统在技术和安全对电网的要求越

来越高，其可能遇到的多种情况正在考验着电力运行的可持续性和稳定性，期间自动化技术的进步正在弥补这这种巨大落差，更好的对电网系统各种故障的检测和分析成为了当前热门的研究课题，更具有非常实用的现实意义。

本论文通过对电力系统暂态稳定性研究领域故障判断分析，以MATLAB/Simulink为电力系统仿真应用平台，基于MATLAB语言的电力系统工具箱，非常方便地搭建了电力系统各种模型，并且将这些模型保存起来，最终建立了较复杂的系统仿真模型。运用小波变换对故障信号进行特征提取，完成了对故障检测点的实时分析和研究，对电力系统运行中易出现的故障问题进行调试和分析，通过仿真运算验证了方法的正确和可行性，总之，利用MATLAB强大的计算功能和编程技术，提高仿真计算的灵活性和效率，为仿真电力系统，分析电力系统提供了一种新的手段。 本次电力系统仿真主要有以下优点：

1）部署成本低，建模效率高，能有效地降低试验风险，并且最大限度的保留了仿真的完整度，通过优化的算法，达到了很高的精度，并且为更加复杂的电力系统提供了研究参考。

2）易用性强，界面友好，操作使用非常方便。可以任意增加相关模块，并且可以定制模块元件或代码，交互式应用最大限度的快速评估不同算法，进行参数优化。 有待进一步研究的工作：

1) 对故障信号的提取过程尚需要进行进一步的研究。比如说故障测距方面，通过对故障的检测，运用各种不同的方法测量出故障发生的具体位置和时间，以此加深对电力系统应用理解。

2) 由于配电电网一般是高压电，仿真用到的模型能否优化使其达到更接近现实情况的匹配，近代直流高压电HDVC系统的模型对仿真的验证有待研究。

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参考文献

[1] 王晶，翁国庆．张有兵．电力系统的MATLAB/SIMULINK仿真与应用．西安电子科技大学出版社，2008年9月．

[2] 李国勇，谢克明．杨丽娟．计算机仿真技术与CAD—基于MATLAB的控制系统（第二版）．电子工业出版社，2008年6月．

[3] 李颖．Simulink动态系统建模与仿真（第二版）．西安电子科技大学出版社，2009年11月． [4] 于贵江．基于小波分析的故障信号检测．哈尔滨理工大学学报，2003年2月．

[5] 任震．黄雯莹．石志强．小波变换及其在电力系统中的应用，电力系统自动化，1997年3月． [6] 吴军基，吴秋伟，杨伟．电力系统故障时刻提取的小波分析，继电器学报，2000年12月． [7] 周兆庆，陈星莺．Matlab电力系统工具箱在电力系统机电暂态仿真中的应用，电力自动化设备期刊，2005年4月．

[8] 于群 曹娜. MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真,机械工业出版社，2011年5月. [9] 于永源 杨琦雯.电力系统分析.中国电力出版社，2007年8月.

[10] 吴天明 谢小竹 彭彬.MALAB电力系统设计与分析.国防工业出版社，2004年1月. [11] 陈跃.电气工程专业毕业设计指南电力系统分册. 中国水利水电出版社，2003年8月.

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致 谢

时间过得真快，转眼间，已经在湖南科技大学度过了四个年头，这四年是我人生中很重要的四年，我不仅能够接触到传道授业解惑的良师，还能认识许在多方面比我优秀的同学、朋友。他们不仅能够授我知识、学问，而且从更多方面指导我的人生，使我更加完善自己。这里留下了我求学的足迹，这里见证了我成长的点滴。努力了将近三个月的毕业设计终于要出炉了，在这期间，收获了太多太多，从刚开始的彷徨与困惑，到现在脑海中清晰的设计思路和步骤，离不开老师和同学们的帮助和鼓励！

本次设计是在我的导师朱红萍老师的指导下完成的，从最初我对本次设计的不了解到能够整体把握再到比较顺利的完成本次设计，这一步一步的走来，其中都包含了朱老师耐心的指引和教导。通过本次设计，我从宏观上把握了基于Matlab的电力系统仿真方法，朱老师让我从简单的单机—无穷大系统入手，进而对电力系统的仿真研究有了一个清晰的思路，和具体的了解！并且在朱老师细心的指导下，成功得到了MATLAB的电力系统暂态稳定性分析的仿真结果，验证了投入PSS（电力系统稳定器）和快速切除故障对提高电力系统的稳定的积极作用！同样在本次设计中老师始终践行着“授人以鱼，不如授之以渔”的原则，她教导我们遇到问题先自己解决，自己解决不了的小组讨论，讨论还得不到结论的再找老师一起讨论。这种学习模式的大大提高了学习的自主能动性，发挥了团队合作精神。在此，我向张老师表示我最诚挚的谢意。

此外还要感谢我们班上的几位同学，在设计的整个过程中，我们相互讨论，也解决了一定的问题，从你们身上我看到了“认真”二字，在无形中也促使我更加用心的完成本次设计。

感谢我的父母，对我二十多年来辛勤的养育，他们对我无条件的支持，让我可以去追求自己的梦想，他们的爱是我前行的动力。

在设计的过程中，也得到了许多同学宝贵的建议，在此一并致以诚挚的谢意。 最后，衷心的感谢信息学院的每位老师，谢谢你们在学习上、生活中给予我的关心与支持。

衷心祝愿湖南科技大学的明天更加美好！！！

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