MATLAB在电力系统短路故障仿真分析中的应用
作者简要介绍了MATLAB / Simpowersystems在电力系统仿真分析中的应用。利用MATLAB中SIMULINK和Simpowersystems工具箱构建了一个简单的电力系统输电线路模型并进行了三相短路故障仿真分析。由仿真结果验证了MATLAB 在电力系统研究方面是一个实用而且有效的工具。掌握MATLAB / SPS的使用对电力系统研究有很大的意义。
MATLAB是由美国Mathworks公司开发的大型软件，包含了数学计算和工程仿真两个部分。在数学计算部分，它提供了强大的矩阵处理和绘图功能，在工程仿真部分，涵盖了机械工程、生物工程、信息工程、电气工程等诸多领域，其功能强大，并且正在不断地完善。
随着电力工业的发展，电力系统的规模越来越大，对电力系统运行的安全与稳定性要求越来越高，然而实现的难度却越来越大。对于大型电力系统的研究，现场进行科研实验实现的难度大且危险性大。因此，寻求一种最接近于电力系统实际运行状况的仿真工具就变得尤为重要。
现有的电力系统仿真软件主要有EMTP、SPICE、NETOMAC、PSASP、MATLAB等，他们有着各自的优缺点。比如WMTP适用于没有换流器的大型电力网络， SPICE适用于有电力电子系统的小型网络[4]。与众多的电力系统分析软件相比，MATLAB具有易学、功能强大、开放性好、高效的数据仿真分析、方便灵活且价格便宜等优点。
MATLAB提供的Simulink工具箱和SPS（Simpowersystems）模块库是针对电气系统的可视化建模仿真分析工具，两者结合能快速而准确地对普通电路以及更复杂的电气系统进行仿真计算。因此它已成为电力科研工作者和工程技术人员对电力系统进行仿真分析，优化设计和辅助分析的理想工具。
本文首先介绍了MATLAB的电力系统仿真环境Simulink与其主要使用的SPS模块库，再通过一个实例叙述用MATLAB软件进行电力系统建模仿真并进行短路故障分析的基本过程。
1 SIMULINK简介
Simulink是MATLAB进行电力系统仿真的重要平台，Simulink下的SPS则提供建模仿真所需要的各种电力模型。
Simulink以工具库的形式挂接在MALAB上，是一个对动态系统进行建模、仿真的软件包。它为用户提供了框图式建模的模型接口，可以完成对连续系统、离散系统、连续和离散混合的线性和非线性系统的建模，也支持具有多种采样速率的多速率系统动态性能的仿真与分析。
Simulink按功能分类包含Continuous(连续环节)、Discontinuous (非线性环节)、Discrete (离散环节)、Logic and Operations（逻辑与位操作）、Lookup Tables（查询表）、Math Operations(数学运算)、Ports & Subsystems（端口和子系统）、Signal Attributes（信号属性）、Signal Routing（信号路由）、Sinks（接收器）、Source(输入源)等14类模块库。随着软件的发展，其子模型库也在不断地丰富和发展。
SPS是在Simulink环境下使用的模块库，它内部的模块采用变步长积分法，可以对非线性、刚性和非连续系统进行精确的仿真，并精确地检测出断点和开关发生时刻[7]。SPS模块库涵盖了包括电路、电力电子、电力系统等电工学科中的基本元件的仿真模型。主要有Electrical Sources（电源）、Elements（元器件）、Power Electronics（电力电子）、Machines（电机库）、measurements（测量）、Application Libraries（应用库）、Extra Libraries（附加元件库)和Powergui（图形用户界面）。如图1所示。
图1 SPS模块库
在Simulink平台下搭建好系统仿真模型后，启动仿真按钮就可对所建模型进行仿真。通过示波器（Scope）模块和其他的画图模块，可以在仿真进行的同时观察仿真结果[6]。并且经过相应设置，仿真的数据结果可以存放到MATLAB的工作空间（workspace）内，可供以后的计算、分析之用。
2 仿真模型的建立
电力系统中最常见的故障就是短路。短路主要分为三相短路、两相短路、单相短路。其中三相短路出现的概率不高, 却是电力系统最危险的故障, 而最常见的故障是单相接地短路, 约占短路总故障的65%～70%。下面以一个简单的电力系统为例，建立短路故障仿真模型，并验证MATLAB在电力系统仿真中的有效性。
2.1 模型搭建
图2.1所示为一简单的供电系统电路图，现利用Simulink对其进行仿真模型的建立，再对变压器二次侧线路发生短路故障情况进行仿真分析。
图2.1 简单的供电系统电路图
在MATLAB命令窗口输入simulink语句，在弹出的simulink窗口下新建一个mdl文件并对其进行新的命名后，就可以开始向其中拖入需要的模型进行系统建模了。根据图2.11可知，构成该系统的主要模块为发电机、输电线路、三相变压器、负载、故障元件、测量仪器。
本文拟定仿真的电力系统中,使用简化同步电机( Simplified Synchronous Machine SI Units)作为系统的发电机；分别使用三相串联RLC负载（three-phase series RLC load ）和三相并联RLC负载（three-phase parallel RLC load）作为负载Load1和Load2；采用分布参数输电线元件(Distributed Parameter Line)作为输电线路；变压器为两绕组三相变压器（three-phase transformer two windings ）；三相短路故障发生器元件(three-Phase Fault)作为短路故障发生器。
在SPS模块库选择所需要的模块，复制到新建的mdl文件中，再将它们布置好并连接起来。搭建好的仿真电路图如图2.2所示。
图2.2 系统仿真模型
2.2 参数设置
简化同步电机：额定视在功率为200MVA,电压为2.3e5V,频率为50Hz；和简化同步电机模块输入端口相连的常数模块机械功率（Pm）为1.7e6，励磁参数设为（vf）55e3。
负载：Load1串联RLC负荷为有功功率负荷,负荷大小为15MW，Load2并联RLC容量为5MVA。三相变压器：变压器T的容量为210MVA,变比为230/13.8.高压侧额定电压为220kv。
三相短路故障发生器元件:转换状态设为[1 0]；转换时间，即故障起止时间设为[0.15 0.25]。测量选项选为Fault voltages and currents，即短路点的电压与电流。
由于电力系统是带发电机的刚性系统，因此采用ode15s,或者 ode23tb算法。本文选用变步长的ode23tb，仿真时间设置为0.4秒。
3 仿真分析
3.1电网正常运行状态仿真
对三相故障发生元件不做任何设置，启动仿真按钮，结束后查看仿真波形，结果如图3的(a)~(d)所示。通过各个波形可以看出电网正常运行时，Is、Vs各相幅值大小相等，相位相差120°。由于无故障发生，因而故障发生器处于断开状态，故障点没有电流流过，所以If为0，而故障点的电压Vf则相当于加载在输电线路上的电压。
图3 正常运行时的电压电流波形
3.2 三相短路故障仿真分析
本文对三相短路故障进行仿真分析。将三相故障元件的故障相选项A、B、C相都做勾选，并选择故障相接地选项。对于两相和单相短路故障仿真只需对相应故障相做勾选即可。做好设置后，激活仿真按钮，查看仿真波形，结果如图4的(a)~(d)所示。
图4 三相短路故障时的电压电流波形
根据波形可分析得：
机端电流Is：仿真开始时，三相短路故障元件断开，电路处于稳定运行状态，机端三相电流Is按正弦变化。0.15s时故障元件闭合，系统发生三相短路故障，机端三相电流发生变化，各相波形相对原来位置有所偏移。0.25s时，故障元件断开，三相短路故障移除，机端电流恢复正弦变化。机端电压Vs：稳定运行时机端三相电压也按照正弦变化，在0.15~0.25s的三相短路故障期间，机端各相电压的幅值均有相同幅度的减小，但依然按照正弦变化。故障切除后，电压又恢复到故障前状态。故障点电流If：仿真开始时，故障元件断开，电路处于稳定运行状态，因而故障点三相电流均为0。0.15s时故障元件闭合发生三相短路故障，故障点有电流通过，故故障点的A、B、C三相电流均发生了变化，相当于输电线路上的电流。在0.25s时，故障元件断开，三相短路故障移除，故障点的电流迅速下降为零。故障点电压Vf：进入仿真时，电路属于稳定运行，三项故障电压相当于加载在输电线路上的电压。在0.15s时，故障元件闭合，由于发生了三相接地短路，故障点三相电压迅速降为0。0.25s时故障切除，电压恢复为输电线电压，并在故障刚切断的时发生暂态波动。以上仿真结果与实际相符。改变系统中元器件等相关参数，能得到电力系统不同工况时的仿真结果，可以实现对电力系统的运行分析和故障判断。
4 结语
通过一个简单的电力系统模型，利用MATLAB进行建模仿真分析，仿真结果表明MATLAB具有强大的仿真功能。它这种模块化的建模仿真分析方法避免了繁杂冗长的编程过程，且仿真结果逼近系统实际行为，是电力系统分析的理想工具。它方便、实用、灵活的特点，为电力系统研究者提供了一个有效的研究平台。
（编自《电气技术》，作者为刘晋。）
解决方案丨高校电力电子实时仿真创新实验系统应用
随着数字技术的飞速发展，传统实验室的资源受限和效率低下已经不能满足科研和工程实践的需求。因此，基于数字化技术的仿真实验应运而生。
电力电子实时仿真实验
电力电子实时仿真实验是一种利用仿真软件和相关设备进行电力电子系统仿真和实验的虚拟实验室。它主要用于电力电子器件、电力电子系统和电能转换技术的研究、开发和教学。
实验课程
Easygo 电力电子实时仿真实验系统提供了配套的课程实验指导书以及教师版实验参考。由于实时仿真系统平台的开放性，用户还可以自己添加更多的教学或创新型的实验内容。所有实验均包含离线程序，控制算法实时程序，电路仿真实时程序等。
教学应用方向
电力电子器件研究： 提升学科知识和理解可以模拟和分析各种电力电子器件（如开关器件、变换器、逆变器等）的特性和性能，进行参数优化和设计验证。
电力电子系统设计： 培养创新思维和解决问题的能力通过仿真实验室，可以对电力电子系统（如电力转换装置、电动车驱动系统、太阳能逆变系统等）进行建模和仿真，验证系统的稳定性和效能。
控制策略研究： 培育创业精神和实践能力仿真实验室可以模拟电力电子系统的控制策略，评估不同的控制算法和参数对系统性能的影响。
教学培训： 激发学生学习兴趣和主动性电力电子仿真实验室可以作为电力电子专业的实践教学平台，帮助学生理解和掌握电力电子技术和电路设计的基本原理。
综上所述，电力电子仿真实验具有高效、安全、可控和多功能的特点，对电力电子研究和教学具有重要意义，能够推动电力电子技术的发展和应用。
基于EasyGo的电力电子仿真实验系统
EasyGo实时仿真实验系统旨在为电气相关专业的本科生和研究生提供技术领先、性能优异的创新实验平台，基于该建设方案构建的创新实验基地，能够辅助本科生和研究生进行 、选修课的教学和实验。
EasyGo电力电子实时仿真实验系统是一种基于V型架构构建的实验系统，是现有各种教学与科研实验室的数字化和虚拟化。
其基本原理是用运行着数学模型的实时仿真器来模拟实际电力电子系统的特性行为和各种工况，同时将控制算法模型通过快速控制器进行验证，两者通过实际的I/O接口连接，来进行闭环的测试验证。
平台架构
学生学习路线
电力电子实时仿真实验系统
1、快速原型控制器（RCP）
CBox 采用实时CPU+FPGA的硬件架构，将Matlab/Simulink搭建的电力电子控制算法模型自动生成与下载，无需进行底层代码编写和硬件控制电路设计，与实际的被控对象连接来进行闭环测试，快速实现算法原理验证。
2、实时仿真器 (HIL)
MicroBox 采用FPGA芯片架构，用来仿真电力电子主电路拓扑。电路模型通过Simulink图形化软件任意搭建，无需进行FPGA编译，将电力电子电路的暂态特性通过硬件接口输出，操作简单，节省学生搭建实物电路的时间与精力。
3、物理信号转接盒
用于仿真器与控制器之间传递信号，控制器采集电压电流信号，实时运算后输出控制指令，再通过转接盒将信号传给仿真器。同时配备BNC观测端，方便学生在实验中用示波器观察实际信号，对系统运行原理有更直观的认识。
4、上位机
用于运行DeskSim实时仿真软件，通过网络将不同模型部署到不同的硬件平台上，并对模型进行配置与实时监控，并可将数据进行存储于后续分析。
核心产品1：快速控制器CBox
快速控制器CBox采取CPU+FPGA的硬件架构，帮助用户在安全舒适的实验室快速调试和验证控制算法。
平台的独特优势：
▍丰富的模拟与数字信号接口
▍灵活配置的人界交互与配置界面
▍可将算法模型程序部署到CPU或FPGA硬件平台上运行
控制速率最快可达1MHz，满足不同应用需求的客户，助力先进控制算法在电力电子与电力传动领域中的科研教学中的创新实践。
利用快速原型控制器CBox 可以将Simulink控制算法模型快速实现验证，与实际的被控对象连接来进行闭环测试。
可为用户节省在嵌入式芯片上重新编写和实现算法过程的时间；在一个验证过的硬件平台上开发，既可以加快项目周期，也可以隔离开发过程中的软硬件问题；
同时，用户可以很方便地在上位机实时控制器上，观测各种变量和波形，省去用户编写上位机界面的时间与精力，可更好的集中精力在核心的控制算法的实现和调试上。
核心产品2：实时仿真器MicroBox
MicroBox 是一款一体化电力电子FPGA实时仿真产品，可与实际设备进行连接来进行控制算法的实时验证。
配置上DeskSim软件，可完成系统电力电子模型纳秒级运行，实时调参，数据记录等功能，从而进行半实物仿真，硬件在环测试。
Hardware-In-the-Loop Testing，即HIL。
MicroBox 通过IO信号或者通信同控制板构成闭环，来对弱电的控制器进行测试。
这样一种测试方式常常也被称为控制器硬件在环仿真测试测试或半实物仿真测试。这里“硬件”主要是指控制部分，已经不是纯软件仿真中的一些控制框图，而是一个真实的控制器或者快速原型控制器。
软件使用流程
不管是快速控制器,还是实时仿真器，均采用同一款的软件DeskSim操作即可，简单2步，即可完成实验。
产品特色
为本科生的双创工作、毕业设计提供实验平台。
适合相对复杂的并网型系统实验和故障实验，无需各种平台或模块切换，直接快速服务于教学与研究工作，打通产学研一体化的培养路线。
为科学研究提供了完整的实验样机研制流程和测试条件，加快科学研究的实验进程，有利于创新思想的快速验证,全方位培养学生的动手实践和设计创新能力，实现研究型人才的多元化培养目标。
支持设计型、研究型创新实验的开展,使仿真与实验同步，循序渐进，环环紧扣，提高实验的安全性，改变现有实验模式，有助于培养学生严谨、认真、安全的实验素质，适应创新型人才和卓越工程师的培养需要。
贯彻以产出为导向”,“以学生为中心”和“持续改进”的理念，提高实验室教学技术水平，助力工程教育专业认证。
相关问答
psb在 电力 系统中啥意思?Matlab的电力系统工具箱PSB(powersystemblock)含有丰富的电力系统元件模型,包括电源、电机、电力电子、控制和测量以及三相元件库等,再借助于其他模块库或工...
matlab电力 如何旋转元件?单击元件,在菜单中有一个format,里面有一个rotateblock,可以旋转的。也可以ctrl+R实现.单击元件,在菜单中有一个format,里面有一个rotateblock,可以旋转的。...
学 matlab 用哪本书比较好?最基本的函数,help如果英文不好的,推荐几本的中文我在学的,各有特点。《MATLAB函数速查手册》偏重基本函数介绍。《MATLAB从零到进阶》感觉更偏重函数应用...
黑龙江科技大学自动化专业书有哪些?黑龙江科技大学自动化专业书主要包括:自动控制原理,电工电子技术、模拟电路、数字电路、古典控制理论,现代控制理论,计算机控制理论、信号与系统,计算机组成...
学自动化的学长学姐能给点考研选方向的经验建议吗? 申请方工大和沈阳自动化研究所应该是最强的。控制理论和控制工程,模式识别都有机器人的方向。如果想进行机器人控制理论的研究,就报双控;如果想...控制理...
关于继电保护的 MATLAB 仿真怎么做?，继电保护仿真培训系统好...[回答]这个应该因人而异,继电保护是电力系统的基础祥源,供电企业大的大多和继保有关。想要学好继保,一定要理论实际,有其在现场作业,回家后要想想,看有没...
烦行家们!有没有谁了解!!关于继电保护的 MATLAB 仿真怎么做?，...[回答]武汉世纪华胜科技有限公司目前拥有发电厂变电站仿真系统、电力系统远程图像监控系统、高压电气设备测试仪器仪表以及中小型水电站微机监控系统等十...
电气自动话专业的学生,必须学会的电脑软件是什么?-ZOL问答PSPICE,,PSCAD,都是电力系统分析软件。matlab的电力系统仿真也很好用,并且由于其强大的数值分析能力,在大多数工程科学中都有应用,这个软件学了一定会有帮助。...
模拟屏的原理图?， 电力 模拟屏优势有哪些??[回答]PLECS产品是一套能在MATLAB和Simulink环境下快速模拟电力电子电路系统的工具。可以用来绘制一般电气原理图,真是喜欢用的话要把图纸导出为位图备份...
还有谁知道!菏泽华能电气 电力 安装批发厂家， 电力 安装销量高吗??[回答]都差不多,最起码各个公共课都要学。到了大二之后才开始学习一些专业方向上的课程,但电气专业的课程比如模电、数电、电力系统分析等等都要学。很棒...
