刘洪涛　赵朋洋　张灿煜　赵宇　王暄轶

摘 要：短路故障作为电力系统最常见同时也是危害最大的扰动，是检验电力系统是否具有暂态稳定性的重要依据。该文主要以Matlab SimPower Syetem电力系统工具箱作为平台，通过搭建电力系统单机-无穷大系统模型，来进行短路接地故障测试仿真。

关键词：暂态稳定 MATLAB大 短路故障

中图分类号：TM7 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）01（c）-0051-05

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，流过接地点电流小，因此称为小电流接地系统，而该系统接地故障最高。由于3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来分析非平稳信号。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。该文对电力系统短路故障下暂态稳定性的仿真系统进行了分析。

1 电力系统暂态稳定性简要分析

1.1 保证电力系统稳定运行的有效策略

提高电力系统暂态稳定的措施和提高静态稳定时不同，其首先考虑的是减少功率或能量差额的临时性措施。这一方面是由于急剧扰动下机械与电磁、负荷与电源的功率或能量差额比微小扰动大得多，另一方面又由于这种扰动往往是暂时性的。

通常情况下，故障的快速切除与自动重合闸是相互配合运行的，通过对功率的降低或提升能量差额保证电力系统的稳定运行，该措施经济且有效。单相重合也有利于提高负荷的稳定性，单向重合后满足系统电源的需求，达到负荷要求，进而有效维持负荷的稳定运行。

1.2 对电力系统稳定性的有效控制

电力系统稳定运行的第一道防线是电力系统暂态功角稳定控制。暂态稳定性是指电力系统在受到大干扰后，所有的同步发电机共同运行，经一定时间的调整后逐渐过渡到稳态运行，或者经一定调整恢复至最初状态。提高电力系统暂态稳定性的措施多种多样，该文以电力系统常见单机-无穷大系统为例，主要从电力系统稳定器、故障及时解除、单项自动重合闸及故障限流器等对保证电力系统稳定运行的作用上入手，对Matlab的电力系统仿真模块集SimPowerSystemsBlockset进行仿真分析。

2 模型特性及原理分析

2.1 电力系统暂态稳定定性分析

在电力系统的正常运行状态下，将原动机输入机械功率视作Pm，那么发电机所输出的电磁功率就会与其达成平衡状态，通过P1与Pm的交叉点进一步明确发电机工作点，也就是a点，与此相对应的功率角则为，具体如图2所示，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。

在发生短路的瞬间，由于不考虑定子回路的非周期分量，则周期分量的功率是可以突变的，于是发电机运行点由PI突然将为PII。又由于发电机组转子机械运动的惯性所致，功率角不可能突变，仍为。那么运行点由a点跃降到短路时功-角特性曲线PII上的b点。达b点后，输入的机械功率Pm大于输出的电磁功率PIIb，不平衡净加速功率大于零。依转子运动方程式，于是转子开始加速，即，功率角开始增大，，运行点将沿功-角特性曲线PII移动，设经过一段时间，当功率角增大至c时，此时运行在c点，速度达到最大。若在c点事切除线路故障，在切除线路故障的瞬间，仍由于不考虑定子回路电流的非周期分量及机组转子的机械惯性，为c，运行点从PII上的c点突升到PIII上的e点，此时速度仍为。在达到e点后，机械功率Pm

当短路故障切除得迟些，c更大时，在故障切除后，运行点沿功率PIII不断向功率角增大的方向移动过程中，虽然转子在不断减速，但运行点到达曲线PIII上的点时，转子的转速仍大于同步转速。于是运行点就要越过点，过了点后，情况发生逆转。由于Pm>PIII，发电机组转子又开始加速，而且加速度越来越大，功率转角无限增大，发电机与系统之间将失去同步，系统暂态不稳定。

2.2 单机-无穷大系统原理

假定联络阻抗为纯电感，则由发电机向无穷大系统送出去的有功功率的P为：

（1）

式中为包括发电机阻抗在内的发电机电动势到无穷大系统母线的总阻抗；为功角；Em为发电机电势；U为系统母线电压。

假定在发电机高压母线上发生三相金属性短路。T=t0时刻将故障解除，运用仿真模式对发电机的运行状态进一步观察与掌握。就我国目前发展情况下，对电力系统暂态稳定扰动模式的考核主要以三相短路作为标准之一[3]。所以，仿真故障模式选择了短路故障，考虑到PSS（Power System Stabilizer）属于Simulink下SimPowerSystem库的machines分支下的模块）作为励磁系统的一个子模块，它的输出时励磁输入信号的一种，通过On-Off开关控制投退。

3 仿真与分析

3.1 仿真模型的搭建

利用Matlab下的Simulink软件与电力系统模块库对电力系统进行仿真分析，且具有很强的直观性，非常简单，用户通过图形化方式对仿真系统模型进行创建，在Simulink菜单下对系统仿真过程实行启动操作，示波器将仿真结果直接反映出来。通过对仿真原理的分析，运用Simulink软件仿真有效调整调节器，进而将系统仿真结果直观的显示出来，进而实现电力系统仿真设计。

连线各个模块并设置相关参数，电力系统单机-无穷大系统仿真模型如图4所示。

3.2 仿真结果分析

在大扰动状态下，电力系统暂态稳定性在发电机机械功率与电磁功率差额的影响下受到严重破坏。所以，要想有效保证电力系统的稳定运行，首先必须将发电机加速功率适当减小。另外，能有效提升电力系统稳定性的主要策略主要包含电力系统稳定器、故障及时解除、单项自动重合闸及故障限流器等，并以此为依据进行仿真设计与分析。

（1）L1中段发生单相接地短路，1S开始，1.5 s时将故障及时切除，全面分析电力系统稳定器PSS的效果（PSS可通过切换开关进行投退），仿真结果如图5～12所示。

结论分析：对比未加PSS和加有PSS系统的仿真波形可知，就电力系统单相接地短路故障而言，通过PSS使系统对震荡阻尼效果得以有效提升，并促进波形的快速恢复，同时消除其他故障谐波。

（2）故障点发生三相接地短路，1.1 s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，仿真结果如图13所示。

对于三相接地短路这样非常严重的故障形式，未投入PSS时，即使对故障进行了及时解除，但仍然没有提升系统的运行稳定性。当加入PSS后，仿真结果如图14所示。

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，对于非常严重的三相接地短路故障，采用PSS可有效地增加系统的阻尼振荡效果，从而使系统迅速地趋于稳定。

该仿真采用转子角速度变化量dω（p.u）电力系统稳定器PSS模块的输入信号。当未投入PSS时，尽管快速切除了故障，系统仍然失去稳定性。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，该次稳态故障仿真对自适应单相重合闸的效果进行了仿真分析。相对于以往传统的单相重合闸，自适应重合闸并非在盲目的状态下运行，而是在重合前对单相接地短路故障属性进行快速识别。如果判定为瞬时性故障，便执行重合进行操作；如果判定为永久性故障，便执行重合闭锁操作。对于瞬时性故障，选择重合进行操作，能够有效保证电力系统的稳定运行。在高压架空线路的运行中，经常发生短路故障，且故障属性多为瞬时性单相接地短路，执行重合闸操作可有效接触短路故障。因此，对单相重合闸的科学合理使用能够保证电力系统的可靠供电，提升其暂态稳定性。

4 结语

该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，搭建了电力系统各种模型，最终建立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了调试和分析，该次电力系统仿真优点突出，首先，部署成本低，建模效率高，能有效地降低试验风险，并且最大限度地保留了仿真的完整度，通过优化算法，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。其次，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，交互式应用不同的算法，进行参数优化。总之，利用Matlab强大的计算功能，提高仿真计算的灵活性和效率，为仿真与分析电力系统提供了一种新手段。

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[M].西安电子科技大学出版社，2008.

[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[M].2版.电子工业出版社，2008.

[3] 李颖.Simulink动态系统建模与仿真[M].2版.西安电子科技大学出版社，2009.

[4] 于贵江.基于小波分析的故障信号检测[D].哈尔滨理工大学学报，2003.

[5] 任震，石志强.小波变换及其在电力系统中的应用（二）理论基础[J].电力系统自动化，1997（12）：13-17.

[6] 吴军基，吴秋伟，杨伟.电力系统故障时刻提取的小波分析[J].电力系统保护与控制，2000，28（12）：1-3.

[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[J].电力自动化设备，2005，25（4）：51-55.

[8] 于群，曹娜.MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真[M].机械工业出版社，2011.

[9] 周煜智，徐政，唐庚.三種MMC-HVDC直流故障处理方法下电力系统暂态稳定性分析[J].中国电机工程学报，2015（7）：1621-1627.

[10] 宋杰，窦金生.不同短路故障情况下简单电力系统的暂态稳定性分析[J].电子设计工程，2015（11）：135-137.

[11] 张慧，邢玉林.电流补偿型故障限流器对电力系统暂态稳定性的影响研究[J].电气开关，2015（6）：87-90.

[12] 张会参，秦艳辉.基于SVC的异步风力发电机并网系统的暂态稳定性研究[J].电工电气，2011（2）：4-7.