基于Simulink的电力系统短路故障分析
基于Simulink的电力系统短路故障分析
随着新型电力系统的发展，短路故障分析对于维持电网正常运行、提高电力系统稳定性的意义至关重要。本文采用MATLAB/Simulink电力系统分析工具箱进行电力传输系统建模与故障分析，通过对典型输电线路和无限大功率供配电系统的短路故障分析，深入理解在各种类型短路故障情况下的故障参量特点。
前 言
介绍了一种使用MATLAB/Simulink进行电力系统短路故障下电量波形的分析方法，供学习参考。
劳动编译局
2024年9月
摘 要
随着新型电力系统的发展，短路故障分析对于维持电网正常运行、提高电力系统稳定性的意义至关重要。首先指出电力系统短路分析原理，基于理论得出的常见短路故障下各故障参量特点。设计基于MATLAB/Simulink电力系统分析工具箱的简化电网模型并进行常见的短路故障类型仿真分析，据理论验证了仿真建模及结果的正确性，可作为电力系统分析手段。
关键词：电力系统分析；短路故障；建模仿真；MATLAB/Simulink
ABSTRACT
With the development of new power system, short-circuit fault analysis is very important to maintain the normal operation of power grid and improve the stability of power system. Firstly, the analysis principle of short circuit in power system is pointed out. Based on the theory, the characteristics of each fault parameter under common short circuit fault are obtained. The simplified power grid model based on MATLAB/Simulink power system analysis toolbox is designed and the common short-circuit fault types are simulated and analyzed. The correctness of the simulation modeling and results is verified according to the theory, which can be used as a means of power system analysis.
Key words: power system analysis; Short-circuit fault; Modeling and simulation; MATLAB/Simulink
1 绪论
“双碳目标”背景下，可实现新型能源综合利用的新型电力系统正逐渐成为支撑现代社会运行的基石。新型电力系统作为现代电力工业发展的必然趋势，不仅提高了电力传输的效率，也极大地推动了能源结构的优化和能源利用的高效化[1]。然而，随着近些年电力系统中新型电源及负载规模的增加，电力系统的复杂性也随之增加[2]。短路故障作为电力系统中常见的问题，其发生具有突发性和不可预测性，对电力系统的稳定运行构成了严重威胁。
为了提高继电保护装置检测短路故障的能力，本研究采用MATLAB/Simulink电力系统分析工具箱进行电力传输系统建模与故障分析。通过对典型输电线路和无限大功率供配电系统的短路故障分析，我们能够深入理解在各种类型短路故障情况下的故障参量特点[3]。这不仅为新型电力系统的故障诊断和处理提供了理论依据，而且对于研究和优化继电保护策略，确保电力系统在各种工况下都能正常、稳定工作具有重要的实际应用价值。
2 电力系统短路故障
2.1 短路故障分析的基本原理
电力系统中常见的短路故障类型包括单相接地短路（f (1)）、两相相间短路（f (2)）、两相短路接地（f (1,1)）三种不对称故障以及三相短路（f (3)）一种对称故障。本文主要针对三种不对称短路故障进行建模分析。
对于不对称短路故障的稳态求解，通常采取对称分量法进行分析，即对求解点的待求不规则三相电压电流相量分解为正序、负序、零序三种规则规则相量，利用故障边界条件基于等效序网实现求解。
2.2 非对称短路故障理论结论
2.2.1 单相对地短路f (1)
单相对地短路是指短路发生在三相中的某一相与大地之间，以A相短路为例，计算绘制故障处的电压电流相量图如图2-1。
A相发生接地短路时，对于电压，故障处A相电压为零，非故障相电压幅值发生变化但保持相等，且相角和为0°；对于电流，A相存在流向大地的故障电流，非故障相无故障电流。
2.2.2 两相相间短路f (2)
两相相间短路是指短路发生在三相中的某两相之间，以B、C相短路为例，计算绘制故障处的电压电流相量图如图2-2。
B、C相发生相间短路时，对于电压，故障处B、C相电压相等，且与A相成180°角；对于电流，A无故障电流，B、C两相故障电流等大反相，即存在互相流通的故障电流。值得注意的是，对于两相相间短路不存在零序分量，这是由于零序分量是由短路接地而产生的，对于不接地故障不存在零序故障分量。
2.2.3两相接地短路f (1,1)
两相接地短路是指短路发生在三相中的某两相与大地之间，以B、C相短路为例，计算绘制故障处的电压电流相量图如图2-3。
B、C相发生接地短路时，对于电压，故障处A相电压不为零，B、C两线接地变为0；对于电流，A相无故障电流，B、C两相存在大小相等相角互补的故障电流。
2.3 总结
综上所述结合电路实际可推断，当A相接地短路时A相电流增大、电压减小，同时出现零序分量；当B相和C相发生短路时，B、C两相电流从0开始突然增大，电流反相，无零序分量，A相电流为0，B、C相电压由一定的幅值开始减小，故障相正序电压和负序电压相互叠加使得这两相电压降低；当B、C两相接地短路时，B、C两相的电流从0开始突然增大，同时电压降低，出现零序分量，三相的零序电流与非故障相反相，则非故障相电流减小、故障相电流增大；三相的零序电压与非故障相同相，则非故障相电压增大、故障相电压减小[4]。
3 短路故障分析模型搭建
3.1 建模原理
本研究采用MATLAB/Simulink电力系统分析工具箱进行简化典型电力传输系统建模，并进行上述三种短路故障的仿真分析。
3.1.1 无限大功率电源
无限大功率电源是一个相对于外电路的概念，它指的是在电源外部遇到短路、断线等干扰时，仍能维持端电压和频率恒定的电源。在研究暂态过程时，我们通常假设某些电源具有无限的容量和趋近于零的内阻抗，这样的电源被称为无限大功率电源[5]。当电力系统遭遇短路故障，由于电源本身容量巨大，其电压幅度和频率几乎不受影响。然而，电源之外的电力系统部分，其功率会随着故障引起的电压和电流变化而变化。因此在建模中可将被分析对象以外的电路建模为无限大功率电源。
3.1.2 输电网示意图
为简化建模与参数设置，本研究基于简化的典型输电网进行建模，输电网络示意图如图3-1，主要包括发电机、升压变压器、输电线路、降压变压器和无限大功率配电网。
在电力系统中，故障常发生于架空输电线路，该线路是电力系统最为薄弱的一个环节，80%的电力系统故障发生于此[6]。根据我国电力部门发布的统计报告，我国不同范围内发生电力系统故障的概率，如表3-1所示。为此本研究选择升压变压器二次侧出口处输电线路为短路故障点。
3.2 电力系统建模参数
采用MATLAB R2021a/Simulink电力系统分析工具箱模块建立的物理模型如图3-1，主要包括主电路、故障电压测量部分和故障电流测量部分。
主电路中发电机使用Three-Phase Source模块实现，升压变压器和降压变压器使用Three-Phase Transformer(Two Windings)模块实现，传输线使用Distributed Line模块实现，配电网路使用大容量发电机作为无穷大功率电源实现，使用Three-Phase Fault模块在输电线对应位置进行短路故障类型与时间控制；故障电压与故障电流测量部分中使用Three-Phase V-I Measurement获得故障点前线路电压与电流，使用Multimeter模块测量故障处电压与故障电流，并通过Sequence Analyzer模块测量故障点各序分量。为测量故障后稳态故障电压与电流相角，使用Enabled Subsystem封装三个TTL模块并利用step模块产生阶跃信号使其在达到稳态后使能，从而测量各故障相量角度。
各模块建模参数见附录表I，表格中未提及的模块参数均使用默认参数。其中发电机、变压器的端口相间电压根据输电网电压等级乘以调整系数进行设定；设故障在仿真开始后的10/50s发生，阶跃信号均设置在0.7s产生。
4 仿真结果与分析
4.1 仿真环境
基于Sequence Analyzer模块计算序分量需要一定时间，设定仿真开始时间为0.02s，停止时间为1s。为了提高计算精度，使用ode23tb算法。
4.2仿真结果
4.2.1 无故障网络标题
电网络正常运行时的仿真波形如图4-1所示。可以看到在发电机起动阶段出现了正序电压电流分量和负序电压电流分量，此后正序分量不断上升并达到稳态值，负序分量不断衰减至0，电机最终在0.15s左右到达稳定状态，产生稳定的三相波。
4.2.2 单相对地短路
以A相接地为例，单相对地短路故障下的仿真波形如图4-2。由故障电压波形可以看到故障发生后A相电压变为0，B、C相电压基本不受影响，由故障电压相角波形可以看到故障后B、C相电压相角互为倒相，由故障电压序分量幅值波形可以看出单相接地故障导致线路中的正序电压降低，且产生了负序与零序电压。由故障电流波形可以看出故障发生后A相产生故障电流并经约0.3s到达稳态，由故障电流序分量幅值波形图可以看出故障发生后电路中产生了幅值相等的正、负、零序电流。以上仿真现象与理论计算结果相符。
4.2.3 两相相间短路
以B、C相间短路为例，仿真波形如图4-3。由故障电压波形可以看到故障发生后B、C相电压幅值变小为原来的一半，且保持相位一致，A相电压基本不受影响；由故障电压相角波形可以看到故障后B、C相电压相位保持一致且与A相倒相；由故障电压序分量幅值波形可以看出故障导致线路中的正序电压降低，且产生了负序电压，而无零序电压。由故障电流波形图和故障电流相位图可以看出故障发生后B、C相产生了等大反向的故障电流并经约0.4s到达稳态；由故障电流序分量幅值波形图可以看出故障发生后电路中产生了幅值相等的正、负序电流，而产生的零序电流幅值仅有0.12A，可近似为零。以上仿真现象与理论计算结果基本相符。
4.2.3 两相接地短路
以B、C相短路接地为例，仿真波形如图4-3。由故障电压波形可以看到故障发生后B、C相电压幅值变为0，A相电压减小；由故障电压序分量幅值波形可以看出故障导致线路中的正序电压降低，且产生了负序、零序电压，且三序电压幅值相等。由故障电流波形图和故障电流相位图可以看出故障发生后B、C相产生了大小相等的故障电流并经约0.4s到达稳态，稳态时两电流相位互补；由故障电流序分量幅值波形图可以看出故障发生后电路中产生了正、负、零序电流。以上仿真现象与理论计算结果基本相符。
结 论
通过MATLAB/Simulink，我们构建了典型简化电网和无穷大电源系统的仿真模型。该模型用于模拟不同类型的短路故障，并分析故障期间电压和电流的变化特征。通过信号处理和波形绘制，我们研究了故障参量在达到稳态后的运行情况。此外，我们将仿真结果与理论计算结果进行了比较，以验证系统模型的准确性。仿真结果不仅证实了模型的正确性，还验证了在短路故障发生时，系统电源电压和电源端电流的稳定性。
随着我国新型电力系统的快速发展，供配电系统的结构也变得越来越复杂。在这样的背景下，基于MATLAB/Simulink的电力系统建模可以包含新型器件的电力系统分析中发挥重要作用。