电力系统过电压实验指导.doc

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电力系统过电压实验指导书
电气与电子工程学院高电压与绝缘技术专业
2011年9月
实验一 MATLAB/SIMULINK软件应用基础
一．实验目的：
1．了解MATLAB/SIMULINK软件以及SimPowerSyetems库的特点.
2．熟练掌握SIMULINK模块的基本操作.
3．掌握振荡电路的暂态过程的仿真方法.
二．实验内容：
1．MATLAB/SIMULINK软件的特点:
MathWorks公司推出的MATLAB，具有优秀的数值计算能力和卓越的数据可视化能力，并以交互式程序设计的方式为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的科学计算环境.
SIMULINK是MATLAB中的一种基于框图设计思想的可视化仿真工具，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,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，已被广泛应用于控制理论、数字信号处理以及图像处理等领域中.
2．SimPowerSyetems库的特点：
SimPowerSystems库是SIMULINK中的一个专用模块库，是在SIMULINK环境下进行电力、电子系统建模和仿真的先进工具。 它提供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制，在仿真前自动将仿真系统图变化成状态方程描述的系统形式，然后在SIMULINK下进行仿真分析，可为电路、电力电子系统、电机系统、发电系统、输变电系统和配电计算提供了强有力的解决方法.
3．SIMULINK模块的基本操作：
1) 移动:
选中需要移动的模块后，按住鼠标左键不放，将其拖拽到所需位置即可。
2) 改变大小：
选中需要改变大小的模块后，直接拖拽模块四角出现的4个黑色标记即可。
3) 旋转：
选中需要旋转的模块，然后选择菜单命令“Format”中的“Rotate”，模块将顺时针方向旋转90度，而“Flip Block”可将模块旋转180度。
4) 复制:
选中需要复制的模块后，按住鼠标右键不放，将其拖拽到所需的位置即可，也可通过“Edit"菜单下的“Copy"和“Paste”命令来实现。
5) 删除：
选中需要删除的模块，按Delete键可直接将其删除
6) 选中多个模块：
当需要对多个模块同时进行操作时（如移动、复制和删除等），可按住Shift键,并用鼠标单击想要选中的模块.
7) 模块标签：
在标签的位置上双击鼠标，则模块标签进行编辑状态.编辑完标签后，在标签外的任意位置上单击鼠标，则出现新的合法标签。
8) 参数设定：
在SIMULINK中，几乎所有模块的参数都允许用户自行设置，只要双击要设置的模块或在模块上按鼠标键，在弹出的快捷菜单中选择相应的模块参数设置命令，就会弹出参数模块参数设置对话框，利用此对话框就可实现模块参数的设置。
4．振荡电路的暂态过程的仿真电路图:
三．实验要求：
在振荡电路的暂态过程的仿真电路中，已知电阻R = 2 kΩ，电容C = 2.5 μF，电感L = 2 H，电压源Vs = 100sin（100πt+ π/3)。试建立仿真电路,并观察电路中电流变化情况。
四．实验步骤：
1. 搭建仿真系统图:
运行MATLAB后,可通过在命令窗口（如图1—1所示）中输入simulink或是单击MATLAB工具栏中的Simulink图标，打开SIMULINK模块库浏览器主窗口（如图1-2所示).
图1—1 MATLAB命令窗口
点击图1-2菜单栏中的菜单项[File〉New>Model］（如图1-3所示），打开一个名为untitled的空模型窗口，以文件名exam1存盘(如图1—4所示）。
图1-3创建新模型的菜单项
图1-2 SIMULINK模块库浏览器主窗口 图1-4 创建的新模型文件
在图1—2中找到名为SimPowerSystems的模块库,双击该图标,以打开电力系统模块库如图1—5所示.
图1—5 SimPowerSystems模块库
单击“Electrical Sources”图标，打开该模块库,选中交流电压源模块(AC Voltage Source)，鼠标左键按下，拖曳到文件exam1中,鼠标左键松开，将其添加到exam1模型文件中.
在该交流电压源模块的标签位置双击，则模块标签呈现编辑状态,输入新标签vs，则电压源模块的名称将变更为vs.双击vs模块，打开其参数对话框，并按照图1—6输入电压幅值、相角和频率，然后单击确定回到文件exam1窗口中.
图1—6 交流电压源vs的参数设置对话框 图1—7 串联RLC支路的参数设置对话框
单击“Elements”图标,打开该模块库，选中串联RLC支路(Series RLC Branch），拖曳到文件exam1中;并将该元件标签更改为Z_eq；双击该元件，打开参数设置对话框，并按照图1-7进行设置。同时，从“Elements”库中选择接地元件（Ground block）,拖曳到exam1。
为了观测到回路电流的波形，模型总还需要添加两个元件：电流表和示波器。
单击“Measurements"图标 ,打开该模块库，选中电流表模块(Current Measurement)，拖曳到文件exam1中；双击“Simulink”图标，选中“Sinks"模块库中的示波器（Scope），拖曳到文件exam1中,从而完成电流表模块和示波器模块的添加，最后，重新排列各模块位置并连接，得到仿真电路如图1-8所示。
图1-8 振荡电路的暂态过程的仿真电路
2. 电路仿真：
在仿真开始前，将仿真终止时间设置为0。2，如图1-9所示。之后，单击图1-9中的“4”图标，就可进行数值仿真。仿真结束后,双击示波器，观察电流波形，如图1—10所示。

图1—9 仿真终止时间的设置
图1—10 振荡电路的暂态过程仿真结果
五．结果分析:
按题意，回路电流幅值为
初始相角为
观察图1—10的仿真结果可知，通过SIMULINK仿真所得到的电流波形幅值与理论计算结果一致，可见SIMULINK软件能很好的实现电路的仿真。
六．实验报告要求:
1、阐述对MATLAB/SIMULINK软件的认识；
2、参数RLC以及电压的幅值、相角的设置禁止出现雷同，否则一律作废；
3、要求有理论结果与仿真结果的对比分析。
实验二 长线路中波过程的仿真分析
一．实验目的：
1、了解描述输电线路的等值电路模型.
2、掌握SIMULINK中用于实现输电线路的等效模块及其对应参数含义。
3、掌握多段PI型等效电路模块实现长线路阻抗的频率特性。
二．实验内容:
1. 输电线路的等值电路模型：
输电线路的基本电气参数有电阻、电抗、电纳和电导，这些参数主要取决于导线的种类、尺寸和布置方式等因素。输电线路的参数实际上是沿线路均匀分布的，可将参数均匀分布的输电线路看成由无数个长度为dx的小段组成，若每单位长度导线的电感及电阻分别为L和R，每单位长度导线对地电容及电导分别为C和G，则单相等值电路如图2—1所示。
图2-1 输电线路的等效电路模型
2. RLC串联支路模块：
　　在电力系统中，对于电压等级不高的短线路(长度不超过100 km的架空线路），通常忽略线路电容的影响,用RLC串联支路来等效。SimPowerSystems库提供的RLC串联支路如图2-2所示，具体的参数含义如下：
图2-2 RLC串联支路图标
(1） “电阻”(Resistance R)文本框：电阻(单位:Ω)。
(2） “电感”(Inductance L）文本框：电感（单位：H）。
（3) “电容”(Capacitance C）文本框:电容(单位：F).
(4) “测量参数”（Measurements）下拉框：对以下变量进行测量。
① “无"（None)：不测量任何参数;
② “支路电压”（Branch voltages）：测量支路电压；
③ “支路电流”（Branch currents）：测量支路电流；
④ “所有变量”（Branch voltages and currents)：测量支路电压和电流。
注意：选中的测量变量需要通过万用表模块进行观察。
3. PI型等效电路模块：
　　在电力系统中，对于长度大于100 km的架空线路以及较长的电缆线路，电容的影响一般是不能忽略的。因此，潮流计算、暂态稳定分析等计算中常使用PI型电路等效模块，其等效电路及单相和三相图标如图2-3所示。
a) PI型等效电路 b) PI型等效电路模块单相和三相图标
图2-3 PI型等效电路及其模块图标
单相PI型等效电路模块的参数对话框中参数的含义：
（1) “基频”（Frequency used for RLC specification）文本框:仿真系统的基频用于计算RLC参数值。
　　(2) “单位长度电阻”（Positive— and zero—sequence resistances）文本框:正序和零序电阻[R1 R0]（单位：ohms/km).
　　(3） “单位长度电感”(Positive— and zero—sequence inductance）文本框：正序和零序电感[L1 L0]（单位：H/km)。
　　（4) “单位长度电容”(Positive- and zero-sequence capacitance)文本框：正序和零序电容[C1 C0］ （单位：F/km）.
（5) “线路长度”(Line section length)文本框：线路长度(单位：km)。
　　长度不超过300 km的线路可用一个PI型电路来代替，对于更长的线路,可用串级联接的多个PI型电路来模拟。PI型电路限制了线路中电压、电流的频率变化范围,可以满足基频下的电力系统以及电力系统与控制系统之间的相互关系的计算精度，但是对于研究开关开合时的瞬变过程等含高频暂态分量的问题时，就不能不考虑分布参数的特性了，这时应该使用分布参数线路模块.
4. 多段PI型等效电路模块实现长线路阻抗的频率特性仿真:
一条300 kV、50 Hz、500 km的输电线路,其z=(0。1+j0.5）Ω/km，y=j3。2×10-6 S/km,试分析用多段PI型等效参数表示的线路阻抗的频率特性.
三．实验步骤：
(1) 理论分析。由已知，L=0.0016 H，C = 0。0102 μF，可得线路传播速度为
电压在300km线路上从其首段传播到尾端的时间为T==1。212 ms
振荡频率为Hz
按理论分析，第一次谐振发生在1/4 f，即频率206 Hz处。此后，每206 + n × 412 Hz（n=1，2，…)，即618，1031，1444，…处均发生谐振。
（2) 按图2-4搭建仿真电路.选用的各模块的名称及提取路径如表2—1所示。
图2-4 多段PI型等效电路模块仿真电路图
表2—1 仿真各模块的名称及其提取路径
模 块 名
提 取 路 径
交流电压源Vs
SimPowerSystems/Electrical Sources
串联RLC支路Rs_eq
SimPowerSystems/Elements
PI型等效电路Pi Line
SimPowerSystems/Elements
串联RLC负荷110Mvar
SimPowerSystems/Elements
接地模块Ground
SimPowerSystems/Elements
电压测量模块V1
SimPowerSystems/Measurements
阻抗测量模块ZB
SimPowerSystems/Measurements
增益模块G
Simulink/Commonly Used Blocks
示波器Scope V1
Simulink/Sinks
电力系统图形用户界面powergui
SimPowerSystems
（3） 设置模块参数和仿真参数。设置PI型输电线路参数如图2-5所示。交流电压源Vs的频率等于50 Hz、幅值等于300 ×/ kV、相角为0°。等效阻抗Rs_eq的电阻为2。0 Ω、电感为20/（100π) H。串联RLC负荷大小为0.37 + j110 MVA，额定电压有效值为300/ kV。
打开菜单［Simulation>Configuration Parameters]，在“Solver options”窗口中选择变步长“Variable-step”和“ode15s”，并将“Stop time”设置为0。1。
图2—5 PI型输电线路参数 图2—6 阻抗的依频特性
(4） 仿真及结果.开始仿真，双击Powergui模块，在弹出的窗口中单击“阻抗依频特性测量” (Impedance vs Frequency Measurement）按键，出现新的GUI窗口.该窗口中，只有一个默认的阻抗测量模块ZB,选择频率范围为[0:2:1500］（从0 Hz到1500 Hz，步长为2 Hz），纵坐标选为对数坐标，设置参数后，单击“显示/保留”(Display/Save）按键，出现阻抗的依频特性如图2—6所示。
四．实验报告要求:
1、观察不同段数的PI型等效参数表示的线路阻抗的频率特性；
2、要求有理论结果与仿真结果的对比分析。
实验三 电力系统电磁暂态仿真分析基础
一． 实验目的
1、 了解电力系统中存在电磁暂态过程的原因和研究方法。
2、 掌握单相断路器模块的参数设置和使用方法。
3、 掌握输电线路中电磁暂态仿真分析过程。
二．实验内容
1. 电磁暂态过程存在原因及其研究方法：
为了更好的保证电力系统的安全运行，经济运行，并保证电能质量，应该考虑任何电力系统故障的情况，并加以研究。电力系统正常运行的破坏多半是由短路故障引起的。发生短路时，系统从一种状态变到另一种状态,并伴随产生复杂的电磁暂态现象。所以有必要对电力系统电磁暂态进行研究。
目前，电力系统暂态分析的研究理论已越来越完善,但基本上是通过建立数学模型，并解数学方程来分析的，一般很难理解其推导过程,现在通过SIMULINK机械开关设备，如断路器模块或者电力电子设备的开断直观的实现电力系统的电磁暂态过程。
2. 单相断路器模块介绍:
SimPowerSystems库提供的断路器模块可以对开关的投切进行仿真。断路器合闸后等效于电阻值为Ron的电阻元件，Ron是很小的值,相对外电路可以忽略。断路器断开时等效于无穷大电阻,熄弧过程通过电流过零时断开断路器完成，开关的投切操作可以受外部或内部信号的控制.单相断路器模块图标如图3-1所示。
图3-1 单相断路器模块图标
　该模块的参数包括：
　（1） “断路器电阻"(Breaker resistance Ron)文本框：断路器投合时的内部电阻(单位:Ω).断路器电阻不能为0.
　（2） “初始状态”（Initial state)文本框：断路器初始状态。断路器为合闸状态，输入1,对应的图标显示投合状态；输入0,表示断路器为断开状态.
　（3） “缓冲电阻”(Snubber resistance Rs）文本框：并联缓冲电路中的电阻值（单位：Ω).缓冲电阻值设为inf时，将取消缓冲电阻。
4） “缓冲电容"(Snubber capacitance Cs)文本框：并联缓冲电路中的电容值(单位：F)。缓冲电容值设为0时，将取消缓冲电容；缓冲电容值设为inf时，缓冲电路为纯电阻性电路。
(5) “开关动作时间”(Switching times）文本框：采用内部控制方式时，输入一个时间向量以控制开关动作时间。从开关初始状态开始，断路器在每个时间点动作一次。例如，初始状态为0，在时间向量的第一个时间点，开关投合,第二个时间点，开关打开。如果选中外部控制方式，该文本框不可见。
(6） “外部控制”(External control of switching times）复选框：选中该复选框,断路器模块上将出现一个外部控制信号输入端.开关时间由外部逻辑信号（0或1）控制。
3. 输电线路的电磁暂态过程仿真：
（1) 问题描述：线电压为300 kV的电压源经过一个断路器和300 km的输电线路向负荷供电，按照图3—2建立仿真电路图并对该系统的电磁振荡进行仿真。
图3-2 仿真电路图
表3—1选用的各模块的名称及提取路径
模 块 名
提 取 路 径
交流电压源Vs
SimPowerSystems/Electrical Sources
串联RLC支路Rs_eq
SimPowerSystems/Elements
并联RLC支路Z_eq
SimPowerSystems/Elements
断路器模块Breaker
SimPowerSystems/Elements
PI型等效电路PI Line
SimPowerSystems/Elements
串联RLC负荷110Mvar
SimPowerSystems/Elements
接地模块
SimPowerSystems/Elements
电压表模块V1、V2
SimPowerSystems/Measurements
增益模块
Simulink/Commonly Used Blocks/Gain
示波器Scope V1、V2
Simulink/Sinks
电力系统图形用户界面powergui
SimPowerSystems
(2) 设置模块参数和仿真参数:仿真电路中的Rs_eq模块，Z_eq模块，Pi Section Line模块,110Mvar负载以及断路器模块的参数设置如图3-3所示.求解算法选择“Ode23tb”,仿真结束时间取为0.02 s.
a) Rs_eq模块参数设置 b） Z_eq模块参数设置
c） Pi Section Line模块参数设置 d) 110Mvar负载模块参数设置
e) 断路器模块参数设置
图3-3 各模块仿真参数的设置
(3） 仿真结果:运行仿真电路后，得到如图3-4所示。断路器在0。005 s合闸时,系统中产生了高频振荡.
图3—4 110Mvar负载两端的电压变化情况
三．实验要求：
1、观察PI型段数为10时，110Mvar负载两端的电压变化情况；
2、试分析高频振荡产生的原因。
实验四 不对称接地引起工频电压升高的仿真分析
一．实验目的
1．掌握不对称接地引起工频电压升高的原因。
2．掌握三相变压器模块和三相故障模块的参数设置和使用方法。
3．掌握不对称接地引起工频电压升高的仿真分析方法。
二．实验内容
1. 不对称接地引起工频电压升高的原因：
在输电线路中，最常见的故障形式是不对称接地，其中当系统发生单相不对称对地短路故障时，短路引起的零序电流会使健全相上出现较高的工频电压升高。特殊情况下，两相短路接地也会出现较高的工频电压，但此种概率极小。此外，单相接地时工频电压升高值是确定阀式避雷器灭弧电压的依据.
2. 三相变压器模块和三相故障模块介绍：
三相双绕组变压器的单相等效电路和对应的仿真模块图标如图4-1所示。
a) 三相双绕组变压器的单相等效电路 b） 三相双绕组变压器模块图标
图4-1 三相双绕组变压器模型
三相双绕组变压器模块的主要参数:
(1) “额定功率和频率"（Nominal power and frequency）文本框:额定功率Pn(单位：VA）和额定频率fn(单位：Hz）。
（2) “一次绕组连接方式"（Winding 1 (ABC) connection)下拉框:一次绕组的连接方式.
(3) “一次绕组参数”(Winding parameters）文本框：额定线电压有效值（单位：V）、电阻（单位：p。u.)和漏感(单位:p.u。)。
(4) “二次绕组连接方式”(Winding 2 （abc） connection）下拉框：二次绕组的连接方式。
（5） “二次绕组参数”(Winding parameters)文本框：额定线电压有效值(单位：V)、电阻（单位：p.u.）和漏感(单位：p.u。）。
注：一次、二次绕组漏感和电阻的标幺值以额定功率和一次、二次侧各自的额定相电压为基准值，计算公式如式（4—1）：
（4—1）
SimPowerSystems库中提供的三相故障模块是由三个独立的断路器组成的，能实现对相—相故障和相-地故障模拟的模块，其等效电路和模块图标分别如图4—2和图4—3所示。
图4-2 三相故障模块等效电路 图4—3 三相故障模块图标
三相故障模块的主要参数含义如下：
（1） “A相故障”（Phase A Fault）复选框:选中该复选框后表示允许A相断路器动作，否则A相断路器将保持初始状态。
(2) “B相故障”（Phase B Fault）复选框：选中该复选框后表示允许B相断路器动作，否则B相断路器将保持初始状态.
（3) “C相故障”(Phase C Fault)复选框：选中该复选框后表示允许C相断路器动作,否则C相断路器将保持初始状态。
（4） “故障电阻"（Fault resistances Ron)文本框：断路器投合时的内部电阻(单位：Ω)。故障电阻不能为0.
(5) “接地故障”(Ground Fault)复选框：选中该复选框后表示允许接地故障.通过和各个开关配合可以实现多种接地故障。未选中该复选框时，系统自动设置大地电阻为106 Ω。
(6） “大地电阻"(Ground resistance Rg）文本框:接地故障时的大地电阻(单位：Ω）。大地电阻不能为0。选中接地故障复选框后，该文本框可见。
（7) “切换状态”（Transition status)文本框：设置断路器的开关状态，断路器按照该文本框设置状态进行切换.采用内部控制方式时，该文本框可见。断路器的初始状态默认为与该文本框中第一个状态量相反的状态。
（8） “切换时间”（Transition times)文本框：设置断路器的动作时间，断路器按照该文本框设置的时间进行切换。
3. 不对称接地引起工频电压升高的仿真内容：
线电压为37kV的星形三相交流电源，通过一个额定功率为Pn=180kVA，变比为V1n/V2n = 525V/10000V的升压变压器后，接到一条长为300km的空载输电线路上，试对该空载线路末端发生A相接地故障时，其他两相电压的变化情况进行仿真.
三．实验步骤
(1） 按照图4—4搭建仿真电路，选用的各模块的名称及提取路径如表4—1所示。
图4-4 不对称接地引起工频电压升高的仿真
表4-1选用的各模块的名称及提取路径
模 块 名
提 取 路 径
交流电压源Va, Vb， Vc
SimPowerSystems/Electrical Sources
三相双绕组变压器
SimPowerSystems/Elements
分布参数线路
SimPowerSystems/Elements
三相故障
SimPowerSystems/Elements
万能表Multimeter
SimPowerSystems/Measurements
接地模块
SimPowerSystems/Elements
信号分离器Demux
Simulink/Commonly Used Block
示波器Scope
Simulink/Sinks
（2) 设置模块参数。交流电压源Va、Vb和Vc为频率等于50 Hz、幅值等于37×/ kV、相角相差120°的正序三相电压.三相双绕组变压器模块、分布参数线路模块和三相故障模块的具体参数设置分别如图4-5至图4—7所示.
双击万用表模块打开万用表参数设置窗口如图4—8所示,依次选择窗口中可测量的参数的输电线路A相电压、B相电压和C相电压。
图4—5三相双绕组变压器模块参数设置 图4-6分布参数线路模块参数设置
图4—7三相故障模块参数设置 图4—8万用表参数设置
(3)仿真参数.选择ode23tb算法，仿真结束时间取为0。2 s。
四．实验结果
开始仿真,得到空载输电线路的A相线路末端在0。06秒发生接地故障前后,A相，B相和C相三条线路上的电压变化情况如图4—9所示.
图4—9 A相线路末端在0。06秒发生接地故障前后三条线路上的电压变化情况
（从上到下依次为A相电压，B相电压和C相电压)