基于MATLAB/Simulink的電力故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

向俊將+李亦舒+周貌+趙政春

摘要：為了快速、便捷地了解電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況，文章以MATLAB為平臺(tái)設(shè)計(jì)了電力故障檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由三相交流電源、三相測(cè)量元件、三相短路器、三相雙繞組變壓器等器件等組成，可以對(duì)電路系統(tǒng)的輸出電流、電壓等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，了解電路的運(yùn)行情況。

關(guān)鍵詞：電力故障1；電力檢測(cè)系統(tǒng)2；仿真3

中圖分類號(hào)： TP373 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）31-0242-03

自從電被廣泛運(yùn)用到現(xiàn)實(shí)生活以來(lái)，維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定一直是值得思考的問(wèn)題。雖然在電力系統(tǒng)故障診斷中已經(jīng)提出了許多理論和方法，但是因?yàn)闊o(wú)法考慮到其實(shí)現(xiàn)的安全性，所以無(wú)法得知這些理論是否能夠應(yīng)用到實(shí)際的電路操作系統(tǒng)中。近年來(lái)電力網(wǎng)絡(luò)日益復(fù)雜，出現(xiàn)的問(wèn)題也越來(lái)越多，這要求有一個(gè)能更快速、便捷對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷的系統(tǒng)，由此仿真軟件應(yīng)運(yùn)而生。目前國(guó)外開(kāi)發(fā)的EMTP程序仿真、PSCAD/EMTDC程序以及中國(guó)開(kāi)發(fā)的PSASP等軟件都能夠很好地對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析。利用MATLAB，本文設(shè)計(jì)了電力故障檢測(cè)仿真系統(tǒng)，能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)中的短路情況進(jìn)行仿真分析。

1 電力系統(tǒng)模型

發(fā)電機(jī)組在水流力的作用下產(chǎn)生電能，之后，電壓經(jīng)過(guò)升壓變壓器進(jìn)行升壓、通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)輸送到各地，在負(fù)荷中心降壓之后，分配到負(fù)載。

2 電力故障

短路是一種常見(jiàn)的電力故障，通常情況下是導(dǎo)線被直接連在了電源兩端，它使電路發(fā)熱、負(fù)載不能正常工作。這時(shí)負(fù)載中的電流值雖然為零，但電路中的實(shí)際電流會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)電路的額定電流，因此短路會(huì)導(dǎo)致電路的毀壞，同時(shí)也會(huì)對(duì)人身財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。

短路有兩相短路、三相短路、單相接地短路以及兩相接地短路四種情況，其原理圖分別如圖2-圖5所示。

3 電力故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Simulink是MATLAB的一個(gè)重要組件，它是一個(gè)交互式的仿真集成環(huán)境，包含Discre、Continuous等模塊庫(kù)，可以運(yùn)用它建立故障檢測(cè)系統(tǒng)模型。在設(shè)置參數(shù)之后，模擬電力系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障情況，從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。同時(shí)，在Simulink中也可以自定義模塊。

1）模型的搭建：在Simulink模塊庫(kù)中找到Three Phase Soure、Three Phase VI Measurement、Three Phase Transformer（Two Windings）、Three Phase Fault、Powergui、Three Phase Parallel RLC Load、Distributed Parameters Line、Scope等模塊并移動(dòng)到新建的.xls文件中，通過(guò)簡(jiǎn)單的一些操作，將模塊構(gòu)建成系統(tǒng)。

2）參數(shù)的設(shè)置：分別雙擊各個(gè)模塊，在彈出的窗口中設(shè)置參數(shù)，設(shè)置同步電機(jī)的額定功率為50MVA，額定電壓為13.8V，頻率為60HZ；設(shè)置原線圈電壓為13.8V，副線圈電壓為220V；設(shè)置負(fù)載額定功率為50MVA；設(shè)置故障發(fā)生時(shí)間為0.01-0.05s時(shí)間段。短路情況可在Three Phase Fault中分別設(shè)置。

4 仿真結(jié)果與分析

4.1正常電流、電壓波形分析

電路處于正常的運(yùn)行狀態(tài)，所以電源電流、電壓均呈正弦規(guī)律變化，且各相的幅值均等，在相位上相差120度。

4.2兩相短路故障波形分析

在Three Phase Fault的參數(shù)設(shè)置中選中A、B，將A、B兩相設(shè)置為發(fā)生故障的相位，模擬A、B相發(fā)生兩相短路。

1）電壓故障分析：在0-0.01s時(shí)間段，此時(shí)三相電路短路故障發(fā)生器沒(méi)有工作，系統(tǒng)工作正常，各相電壓呈正弦規(guī)律變化；在0.01-0.05s時(shí)間段，三相電路短路故障發(fā)生器工作，電路的A、B兩相發(fā)生兩相短路，故障點(diǎn)的電壓變化到0V，C相電壓有提高；經(jīng)過(guò)0.05s之后，三相短路故障發(fā)生器停止工作，此時(shí)故障點(diǎn)A、B相電壓經(jīng)過(guò)短時(shí)間波動(dòng)后恢復(fù)正弦波形，C相電壓恢復(fù)正常。

2）電流故障分析：在0-0.01s時(shí)間段，系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，故障點(diǎn)A、B相電流幅值為0A；在0.01-0.05s時(shí)，三相電路短路故障發(fā)生器閉合，此時(shí)電路發(fā)生兩相短路，故障點(diǎn)A、B相電流呈正弦規(guī)律變化，由于短路裝置閉合時(shí)存在初始的輸入量和狀態(tài)量，所以波形分別向下、上移；在0.05s時(shí)，三相電路短路故障發(fā)生器停止工作，此時(shí)故障點(diǎn)A、B相電流恢復(fù)到0A，系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)；C相電流保持不變，一直為0A。

4.3三相短路故障波形分析

在Three Phase Fault的參數(shù)設(shè)置中將A、B、C三相設(shè)置為故障發(fā)生的相位，模擬A、B、C三相發(fā)生三相故障。

1）電壓故障分析：在0-0.01s時(shí)間段，由于三相短路故障發(fā)生器未工作，所以故障點(diǎn)各相的電壓變化正常；在0. 01-0.05s時(shí)間段時(shí)，電路發(fā)生三相短路，故障點(diǎn)各相電壓突變?yōu)?V；在0. 05s時(shí)，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行，經(jīng)過(guò)短時(shí)的震蕩，電壓均恢復(fù)為初始狀態(tài)。

2）電流故障分析：在0-0.01s時(shí)間段，由于三相短路故障發(fā)生器未工作，因而電流均為0A；在0.01-0.05s段，電路系統(tǒng)出現(xiàn)三相短路，故障點(diǎn)各相電流都發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)極短的時(shí)間的穩(wěn)定，電流呈正弦規(guī)律變化。在0.05s時(shí)，三相短路故障發(fā)生器停止工作，故障清除，系統(tǒng)恢復(fù)正常，故障點(diǎn)各相電流迅速變?yōu)?A。

4.4單相接地短路故障波形分析

在Three Phase Fault中將A相設(shè)置為電路故障發(fā)生的相位，選擇接地，模擬A相發(fā)生接地短路故障。

1）電壓故障分析：在0-0.01s時(shí)間段，電路正常運(yùn)行，且各項(xiàng)電壓為正弦規(guī)律變化；在0.01-0.05s時(shí)間段，電路系統(tǒng)出現(xiàn)三相短路故障，A相電壓迅速降為0V，B、C兩相電壓保持不變；在0. 05s時(shí)間點(diǎn)之后， 三相短路故障發(fā)生器不再工作，電路將恢復(fù)正常，即A、B、C三相的電壓在經(jīng)過(guò)短時(shí)間的震蕩后恢復(fù)正常。

2）電流故障分析：在0-0.01s時(shí)間段，電路正常運(yùn)行，三相電流均為0A；在0.01-0.05s時(shí)間段，電力系統(tǒng)出現(xiàn)A 相接地短路，此時(shí)A相電流出現(xiàn)正弦規(guī)律變化；在0.05s時(shí)間點(diǎn)之后，故障點(diǎn)清除，此時(shí)電路可以正常運(yùn)行，A相電流重新恢復(fù)正常，重新回到0A。此過(guò)程中B、C兩相電流一直不變。

4.5兩相接地短路故障分析：

模擬A、B兩相發(fā)生兩相接地故障。

1）電壓故障分析：在0-0.01s時(shí)間段，系統(tǒng)正常運(yùn)行；在0.01s-0.05s時(shí)間段，三相短路故障發(fā)生器工作，模擬A 相、B相發(fā)生兩相接地短路。此時(shí)A、B的兩相的電壓變?yōu)?V，C相電壓沒(méi)有發(fā)生明顯變化，在經(jīng)過(guò)小幅度的變化之后，電壓依然和故障之前的電壓保持一致；在0.05s后，三相短路故障發(fā)生器斷開(kāi)，A、B兩相電壓均經(jīng)過(guò)小幅度震蕩之后恢復(fù)原狀，C相電壓震蕩的幅度小于A、B相。

2）電流故障分析：在0-0.01s時(shí)間段，A、B、C三相的電流均為0A；在0.01-0.05s時(shí)間段，三相短路故障發(fā)生器開(kāi)始工作，模擬發(fā)生兩相接地短路。此時(shí)A、B相的電流突變?yōu)檎乙?guī)律變化但A相的電流波形向下，B相的電流波形向上；在0.05s 后，系統(tǒng)故障被排除，此時(shí)系統(tǒng)正常工作，電路中的A 相、B 相電流為0A，而在整個(gè)過(guò)程當(dāng)中，C相電流不受短路的影響，一直保持0A。

5 結(jié)論

在仿真過(guò)程當(dāng)中，利用MATLAB的仿真模塊，我們可以從其輸出的數(shù)據(jù)中，準(zhǔn)確判斷電路的故障類型，驗(yàn)證了MATLAB在仿真領(lǐng)域中的強(qiáng)大功能，由此可知，我們可以將MATLAB運(yùn)用到實(shí)際的電力系統(tǒng)中。比如當(dāng)電路系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，我們通過(guò)對(duì)電壓、電流進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)量之后，進(jìn)過(guò)技術(shù)處理，向系統(tǒng)輸入這些數(shù)據(jù)，得出系統(tǒng)發(fā)生的具體故障，從而進(jìn)行維護(hù)和管理。

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