M ATLAB 在电力系统三相短路故障分析中的应用电子质量（2013第10期）
MAT LAB 在电力系统三相短路故障分析中的应用
Application of M ATLAB in the Analysis of the Three-phase Pow er System Short Circuit
高正中, 孟祥杰, 李尧（山东科技大学信息与电气工程学院, 山东青岛266590）
Gao Zheng-zhong,Meng Xiang-jie,Li Yao(Collegeof Information and Electrical Engi-neering,Shandong University and Science and Technology,Shandong Qingdao 266590）
摘要：该文借助MATLAB 功能搭建了电力系统模型并仿真了其三相短路故障，通过该软件对故障发生后所得数据波形的分析，从而说明了M ATLAB 在电力系统研究方面是一个有力的辅助工具，掌握其使用方法对电力系统研究具有重要的实际意义。关键词：MATLAB ；电力系统仿真；三相短路故障中图分类号：TP391.9；TM743
文献标识码：A
文章编号：1003-0107(2013)10-0017-03
Abstract:In this paper,with the aid of MATLAB function to build the electric power system model and simu-lation of the three phase short circuit fault,through the software of fault happened after the analysis of the data waveform,thus illustrates the MATLAB in the study of power system is a powerful auxiliary tool,to master the use of electric power systems research has important practical significance. Key w ords:MATLAB;power system simulation;bolted three-phase fault CLC num ber:TP391.9；TM743
Docum ent code:A
Article ID ：1003-0107(2013)10-0017-03
0引言
M ATLAB 因为绘图功能强大和计算能力强，配以友好的动态仿真环境，主要用于数值计算及可视化图形处理，其优越的开发性、数据仿真分析高效的优点越来越成为从事电力网络系统学习和研究的重要仿真工具。作为一款优秀的综合性应用软件，利用其提供的Simulink 集成环境，可以方便地对电力系统进行模型的搭建和仿真[1]。Simulink 提供了充足的子模块库，我们可以根据相应模型搭建的需要，从各个子模块库中选用合适的模块。Simulink 中提供了各种基本模块，它们根据其主要应用领域和实现功能进行了分类化管理，给用户查找使用提供了便利。模块库的数量取决于用户安装，在电力系统仿真中，标准Simulink 模块库和电力系统模块库是必不可少的。本文将通过三相短路实例具体讲解其模块结构及应用。
是三相短路故障，电气设备设置足够的热稳定度和动稳定度及合理配置继电保护并整定其参数、限制短路电流都需要根据三相短路的数据整定[2]。所以，本文以无穷大功率电源供电系统三相短路故障进行仿真具有非常重要的意义。另外，电力系统设计，发电厂、变电站的运行，电气接线合理选择都可以从M ATLAB 仿真中获得重要依据。
1.1无穷大功率电源供电系统三相短路仿真
本文介绍电路发生三相短路的暂态过程，然后应用M ATLAB 进行仿真。无穷大功率电源是指电源电压幅值和频率均为恒定值，是一种相对理想的状态。假定在0.02s 时刻，三相短路故障发生处母线位于变压器低压侧，仿真得到其冲击电流大小以及电流的周期分量幅值。线路参数设置为，线路L =50km，X 1=0.4Ω/km，R 1=0.17Ω/km；变压器的额定容量值Sn =20MV ·A ，短路电压大小Us %=10.5，空载损耗ΔPo =22kW，短路损耗ΔPs =135kW，变压器变比K t =110/11，变压器空载电流I 0%=0.8，高低压侧绕组均采用常用的Y 形联结；并设供电点电压为110kV [1]。搭建其仿真模型，如图1所示。
1供电系统仿真模型建立
由于电力系统本身非常庞大，运行方式十分复杂，所以电力系统故障一般较为严重，而危害最严重的故障
基金项目：本论文的研究工作受山东省高校科技计划基金项目资助(编号：J12LN13)
作者简介：高正中(1971-) ，男，副教授，硕士，从事智能仪器与仪表技术，PLC 与工厂自动化等工作；孟祥杰(1986-) ，男，硕士研究生，研究方向为电力系统运行与控制。
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电子质量（2013第10期）M ATLAB 在电力系统三相短路故障分析中的应用
图1
无穷大功率电源供电系统三相短路故障的仿真图
1.2参数设置
(1)变压器T 采用如图1所示的模型，根据给定的数据，计算折算到110kV 侧的参数如下：
变压器的电阻为：
N R T =ΔP S U ×103=4.08ΩN
2
数，按照仿真设置，当模型中所设故障点发生三相短路故障时，通过计算得到冲击电流大小以及电流周期分量幅值。
U m ·k t
=10.63kA
姨T L T L
时间常数T A 为：I m =
T A =(L T +LL )/(R T +RL )=0.0211s 则短路冲击电流为：i im =(1+e-0.01/0.0211) I m =17.3kA
在三相短路故障模块中输入短路故障时刻发生在0.02s ，点击运行，对模型进行仿真，在示波器中查看得到的三相短路故障时的电流波形，如图2所示。2.2仿真结果比较
根据实例及给定数据推算所得，上述的冲击电流大小和电流周期分量幅值分别为17.3kA 和10.63kA ，这是理论上计算的准确量。而我们根据数据搭建模型仿真后，可以通过示波器中所得到的冲击电流，即图2中的最高瞬时电流处的电流值，经过放大后很清楚地看到冲击电流值为17.33kA ，而短路电流周期分量值为10.58kA 。所以，通过模型得到的冲击电流值以及短路电流周期分量值分别和其对应的理论值间的误差为0.17%和0.47%，这充分说明了Simulink 所搭模型的准确性。
变压器的电抗为：
X T =U %×U ×103=63.53Ω
N
2
则变压器的漏感为：L T =X T /(2πf )=0.202H变压器的励磁电阻为：R m =U ×103=5.5×105ΩΔP 0
2变压器的励磁电抗为：X m =100U ×103=75625Ω
0N
2N
变压器的励磁电感为：L m =X M /(2πf )=240.8H
(2)输电线L 采用如图1所示的模型，根据给定的参数计算可得：
R L =r 1×l =8.5ΩX L =x 1×l =20ΩL L =X L /2πf =0.064H
(3)为了将变压器低压侧准确测量到的电压、电流信号转换成Simulink 信号，需要设置三相电压电流测量模块，此模块相当于电压、电流互感器的作用。仿真时，故障点的故障类型参数采用三相线路故障模块来设置[3]。
(4)仿真参数的对话框，仿真起始时间设置为0s ，终止时间设置为0.2s ，其他参数设置为默认设置。
3结论
本文通过对三相短路故障的仿真, 介绍了M ATLAB 软件并熟悉了其在电力系统中的应用，对初学者需要利用Simulink 和工具箱的基础上进行仿真，其模块化的建模仿真分析方法能够避免繁杂的编程过程，配合显示直观的图形以及超强信号处理功能, 能对电路及更复杂的电气系统进行仿真，计算快速而准确，并且为电力系统研究者提供第一手资料。
2仿真结果及分析
2.1理论值计算
根据前面搭建的电力系统模型中各模块所设参
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M ATLAB 在电力系统三相短路故障分析中的应用电子质量（2013第10期
）
图2
三相短路故障电流波形图
参考文献：
[1]汤广福, 许家治, 刘正之. 一种新型六相双Y 同步电机数学模型的分析和研究[J].大电机技术,1996,(4).[2]于群, 曹娜.M ATLAB/Simulink电力系统建模与仿真
[M].北京:机械工业出版社,2011.
[3]刘晋.M ATLAB 在电力系统短路故障仿真分析中的应用[J].电气技术,2012,(11):49-52.
上接4
页
3结束语
本文研究了基于ARM 的矿井电网漏电保护装置，本装置可以提高保护的可靠性、快速性和灵动性，其中附加直流电源漏电保护还可以实现动作无死区、保护全面，对整个供电系统具有电流电容的补偿作用，零序电流保护可以实现放射式电网中的横向选择性漏电保护。总之，本漏电保护装置实现了对供电系统漏电保护的综合保护，应用前景广阔。
究[J].煤矿机械,2008,29(1):154-155.
[2]亓连超. 基于DSP 矿用低压电网新型选择性漏电保护装置的研究[J].煤矿现代化,2009,(2):58-60.
[3]胡昌伦, 公茂法, 张晓明, 等. 基于FPGA 的井下电网综合保护系统研究[J].煤炭科学技术,2010,38(12):80-83. [4]马立国, 公茂法, 夏文华, 等. 基于DSP 的矿井下电网漏电保护配置方法的研究[J].煤矿机械,2012,33(5):206-208.
[5]孙勇. 煤矿井下电网漏电保护系统设计[J].煤炭科学技术,2012,40(5):81-85.
参考文献：
[1]米启超, 赵红梅. 煤矿井下低压电网选择性漏电保护研
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MAT LAB 在电力系统三相短路故障分析中的应用
Application of M ATLAB in the Analysis of the Three-phase Pow er System Short Circuit
高正中, 孟祥杰, 李尧（山东科技大学信息与电气工程学院, 山东青岛266590）
Gao Zheng-zhong,Meng Xiang-jie,Li Yao(Collegeof Information and Electrical Engi-neering,Shandong University and Science and Technology,Shandong Qingdao 266590）
摘要：该文借助MATLAB 功能搭建了电力系统模型并仿真了其三相短路故障，通过该软件对故障发生后所得数据波形的分析，从而说明了M ATLAB 在电力系统研究方面是一个有力的辅助工具，掌握其使用方法对电力系统研究具有重要的实际意义。关键词：MATLAB ；电力系统仿真；三相短路故障中图分类号：TP391.9；TM743
文献标识码：A
文章编号：1003-0107(2013)10-0017-03
Abstract:In this paper,with the aid of MATLAB function to build the electric power system model and simu-lation of the three phase short circuit fault,through the software of fault happened after the analysis of the data waveform,thus illustrates the MATLAB in the study of power system is a powerful auxiliary tool,to master the use of electric power systems research has important practical significance. Key w ords:MATLAB;power system simulation;bolted three-phase fault CLC num ber:TP391.9；TM743
Docum ent code:A
Article ID ：1003-0107(2013)10-0017-03
0引言
M ATLAB 因为绘图功能强大和计算能力强，配以友好的动态仿真环境，主要用于数值计算及可视化图形处理，其优越的开发性、数据仿真分析高效的优点越来越成为从事电力网络系统学习和研究的重要仿真工具。作为一款优秀的综合性应用软件，利用其提供的Simulink 集成环境，可以方便地对电力系统进行模型的搭建和仿真[1]。Simulink 提供了充足的子模块库，我们可以根据相应模型搭建的需要，从各个子模块库中选用合适的模块。Simulink 中提供了各种基本模块，它们根据其主要应用领域和实现功能进行了分类化管理，给用户查找使用提供了便利。模块库的数量取决于用户安装，在电力系统仿真中，标准Simulink 模块库和电力系统模块库是必不可少的。本文将通过三相短路实例具体讲解其模块结构及应用。
是三相短路故障，电气设备设置足够的热稳定度和动稳定度及合理配置继电保护并整定其参数、限制短路电流都需要根据三相短路的数据整定[2]。所以，本文以无穷大功率电源供电系统三相短路故障进行仿真具有非常重要的意义。另外，电力系统设计，发电厂、变电站的运行，电气接线合理选择都可以从M ATLAB 仿真中获得重要依据。
1.1无穷大功率电源供电系统三相短路仿真
本文介绍电路发生三相短路的暂态过程，然后应用M ATLAB 进行仿真。无穷大功率电源是指电源电压幅值和频率均为恒定值，是一种相对理想的状态。假定在0.02s 时刻，三相短路故障发生处母线位于变压器低压侧，仿真得到其冲击电流大小以及电流的周期分量幅值。线路参数设置为，线路L =50km，X 1=0.4Ω/km，R 1=0.17Ω/km；变压器的额定容量值Sn =20MV ·A ，短路电压大小Us %=10.5，空载损耗ΔPo =22kW，短路损耗ΔPs =135kW，变压器变比K t =110/11，变压器空载电流I 0%=0.8，高低压侧绕组均采用常用的Y 形联结；并设供电点电压为110kV [1]。搭建其仿真模型，如图1所示。
1供电系统仿真模型建立
由于电力系统本身非常庞大，运行方式十分复杂，所以电力系统故障一般较为严重，而危害最严重的故障
基金项目：本论文的研究工作受山东省高校科技计划基金项目资助(编号：J12LN13)
作者简介：高正中(1971-) ，男，副教授，硕士，从事智能仪器与仪表技术，PLC 与工厂自动化等工作；孟祥杰(1986-) ，男，硕士研究生，研究方向为电力系统运行与控制。
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电子质量（2013第10期）M ATLAB 在电力系统三相短路故障分析中的应用
图1
无穷大功率电源供电系统三相短路故障的仿真图
1.2参数设置
(1)变压器T 采用如图1所示的模型，根据给定的数据，计算折算到110kV 侧的参数如下：
变压器的电阻为：
N R T =ΔP S U ×103=4.08ΩN
2
数，按照仿真设置，当模型中所设故障点发生三相短路故障时，通过计算得到冲击电流大小以及电流周期分量幅值。
U m ·k t
=10.63kA
姨T L T L
时间常数T A 为：I m =
T A =(L T +LL )/(R T +RL )=0.0211s 则短路冲击电流为：i im =(1+e-0.01/0.0211) I m =17.3kA
在三相短路故障模块中输入短路故障时刻发生在0.02s ，点击运行，对模型进行仿真，在示波器中查看得到的三相短路故障时的电流波形，如图2所示。2.2仿真结果比较
根据实例及给定数据推算所得，上述的冲击电流大小和电流周期分量幅值分别为17.3kA 和10.63kA ，这是理论上计算的准确量。而我们根据数据搭建模型仿真后，可以通过示波器中所得到的冲击电流，即图2中的最高瞬时电流处的电流值，经过放大后很清楚地看到冲击电流值为17.33kA ，而短路电流周期分量值为10.58kA 。所以，通过模型得到的冲击电流值以及短路电流周期分量值分别和其对应的理论值间的误差为0.17%和0.47%，这充分说明了Simulink 所搭模型的准确性。
变压器的电抗为：
X T =U %×U ×103=63.53Ω
N
2
则变压器的漏感为：L T =X T /(2πf )=0.202H变压器的励磁电阻为：R m =U ×103=5.5×105ΩΔP 0
2变压器的励磁电抗为：X m =100U ×103=75625Ω
0N
2N
变压器的励磁电感为：L m =X M /(2πf )=240.8H
(2)输电线L 采用如图1所示的模型，根据给定的参数计算可得：
R L =r 1×l =8.5ΩX L =x 1×l =20ΩL L =X L /2πf =0.064H
(3)为了将变压器低压侧准确测量到的电压、电流信号转换成Simulink 信号，需要设置三相电压电流测量模块，此模块相当于电压、电流互感器的作用。仿真时，故障点的故障类型参数采用三相线路故障模块来设置[3]。
(4)仿真参数的对话框，仿真起始时间设置为0s ，终止时间设置为0.2s ，其他参数设置为默认设置。
3结论
本文通过对三相短路故障的仿真, 介绍了M ATLAB 软件并熟悉了其在电力系统中的应用，对初学者需要利用Simulink 和工具箱的基础上进行仿真，其模块化的建模仿真分析方法能够避免繁杂的编程过程，配合显示直观的图形以及超强信号处理功能, 能对电路及更复杂的电气系统进行仿真，计算快速而准确，并且为电力系统研究者提供第一手资料。
2仿真结果及分析
2.1理论值计算
根据前面搭建的电力系统模型中各模块所设参
18
M ATLAB 在电力系统三相短路故障分析中的应用电子质量（2013第10期
）
图2
三相短路故障电流波形图
参考文献：
[1]汤广福, 许家治, 刘正之. 一种新型六相双Y 同步电机数学模型的分析和研究[J].大电机技术,1996,(4).[2]于群, 曹娜.M ATLAB/Simulink电力系统建模与仿真
[M].北京:机械工业出版社,2011.
[3]刘晋.M ATLAB 在电力系统短路故障仿真分析中的应用[J].电气技术,2012,(11):49-52.
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本文研究了基于ARM 的矿井电网漏电保护装置，本装置可以提高保护的可靠性、快速性和灵动性，其中附加直流电源漏电保护还可以实现动作无死区、保护全面，对整个供电系统具有电流电容的补偿作用，零序电流保护可以实现放射式电网中的横向选择性漏电保护。总之，本漏电保护装置实现了对供电系统漏电保护的综合保护，应用前景广阔。
究[J].煤矿机械,2008,29(1):154-155.
[2]亓连超. 基于DSP 矿用低压电网新型选择性漏电保护装置的研究[J].煤矿现代化,2009,(2):58-60.
[3]胡昌伦, 公茂法, 张晓明, 等. 基于FPGA 的井下电网综合保护系统研究[J].煤炭科学技术,2010,38(12):80-83. [4]马立国, 公茂法, 夏文华, 等. 基于DSP 的矿井下电网漏电保护配置方法的研究[J].煤矿机械,2012,33(5):206-208.
[5]孙勇. 煤矿井下电网漏电保护系统设计[J].煤炭科学技术,2012,40(5):81-85.
参考文献：
[1]米启超, 赵红梅. 煤矿井下低压电网选择性漏电保护研
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