电力系统故障分析与仿真(1)

提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。 （2）简单易用的程序语言

Matlab一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。新版本的Matlab语言是基于最为流行的C＋＋语言基础上的，因此语法特征与C＋＋语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是Matlab能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。 （3）强大的科学计算机数据处理能力

Matlab是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C++ 。在计算要求相同的情况下，使用Matlab的编程工作量会大大减少。Matlab的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。 （4）出色的图形处理功能

Matlab自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表

现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的Matlab对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如:图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），Matlab同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等,Matlab也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外新版本的Matlab还着重在

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图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。

（5）应用广泛的模块集合工具箱

Matlab对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。目前，Matlab已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。 （6）实用的程序接口和发布平台

新版本的Matlab可以利用Matlab编译器和C/C++数学库和图形库，将自己的

Matlab程序自动转换为独立于Matlab运行的C和C++代码。允许用户编写可以和Matlab进行交互的C或C++语言程序。另外，Matlab网页服务程序还容许在Web

应用中使用自己的Matlab数学和图形程序。Matlab的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。工具箱是Matlab函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。 （7）应用软件开发（包括用户界面）

在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在输入输出方面，可以直接向Excel和HDF5进行连接。

2.2 Simulink的简介

Simulink是Matlab最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综

合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。

Simulink是Matlab中的一种可视化仿真工具， 是一种基于Matlab的框图设

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计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

Simulink用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。.

构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与Matlab 紧密集成，可以直接访问Matlab大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。 Simulink的特点：

（1）丰富的可扩充的预定义模块库

（2）交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图 （3）以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理

（4）通过Model Explorer 导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码

（5）提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成

（6）使用Embedded Matlab? 模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用

Matlab算法

（7）使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式(Normal,Accelerator,Rapid

Accelerator)来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型

（8）图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为 （9）可访问Matlab从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据

（10）模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。

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3 电力系统故障计算的基本原理

3.1 短路计算的基本原则和规定

电力系统三相短路计算主要是短路电流周期分量的计算，在给定电源电势时，实际就是稳态交流电路的求解。

在电力系统短路电流的工程计算中，许多实际问题的解决（如电网设计中的电气设备选择）并不需要十分精确的结果，于是产生了近似计算的方法。在近似计算中主要是对系统元件模型和标么值参数计算做了简化处理。在元件模型方面，忽略发电机、变压器和输电线路的电阻，不计输电线路的电容，略去变压器的励磁电流（三相三柱式变压器的零序等值电路除外），负荷忽略不计或只做近似估计。在标么值参数计算方面，在选取各级平均电压做为基准电压时，忽略各元件(电抗器除外)的额定电压之比，即所有变压器的标么变比都等于1。此外，有时还假定所有发电机的电势具有相同的相位，加上所有元件仅用电抗表示，这就避免了复数运算，把短路电流的计算简化为直流电路的求解。

短路计算的目的是为了选择导体和电器，并对其进行相关校验。 基本假定：短路电流实用计算中，采用以下假设条件和原则： （1）正常工作时，三相系统对称运行； （2）所有电源的电动势相位角相同；

（3）系统中的同步和异步电机为理想电机，不考虑电机饱和、磁滞、涡流及导体集肤效应等影响；转子结构完全对称；定子三相绕组空间相差120°电气角； （4）电力系统中各原件的磁路不饱和，即带铁芯的电气设备电抗值不随电流大小变化；

（5）电力系统中所有电源都在额定负荷下运行，其中50%负荷接在高压母线上，

50%负荷接在系统侧；

（6）同步电机都具有自动调整励磁装置（包括强行励磁）； （7）短路发生在短路电流为最大值的瞬间；

（8）不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流；

（9）除计算短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻都略去不计；

（10）元件的计算参数均取其额定值，不考虑参数的误差和调整范围； （11）输电线路的电容略去不计；

（12）用概率统计法制定短路电流运算曲线。

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