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第一章 绪论
1.1课程设计的目的及意义
电力系统是一个大规模、时变的复杂系统,对国民经济起着非常重要的作用，而与之对应的问题即为保障电力系统的安全稳定运行。电力系统发生使对称结构遭受破坏的短路故障，由于短路会产生十分严重的后果，因而引起了高度重视。除尽量消除导致短路的原因外，还应在短路故障发生后及时采取措施，尽量减少短路造成的损失，如采用继电保护将故障隔离，在合适的地点装设电抗器以限制短路电流，采用自动重合闸消除瞬时故障使系统尽快恢复正常等。这些措施均须建立在故障计算的基础上。在发电厂、变电所以及整个电力系统的设计工作中，都必须事先进行短路计算，以此作为合理选择电气接线、选用有足够热稳定度和动稳定度的电气设备及载流导体、确定限制短路电流的措施、合理配置各种继电保护并整定其参数等的重要依据。
通过运用MATLAB软件进行的仿真，了解在输电线路上发生各种故障时的系统变化情况。有针对性的改善输电线路所装设的保护装置，使其能够在线路出现故障时迅速做出反应，保证线路安全运行，同时运行人员也可以根据保护装置动作情况很快地判断出故障点所处位置，为线路检修争取宝贵时间并减少因故障而带来的巨大损失。安置在输电线路上的保护装置，当被保护的元件发生故障时，能自动、迅速、有选择的将故障从电力系统中切除，以保证其余部分恢复正常运行，并使故障元件免于继续受伤害。当被保护元件发生异常运行状态时，经一定延时动作于信号，以使值班人员采取措施[3]。
1.2 Matlab软件简介
MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。 是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，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解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
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MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。可以直接调用，用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户直接进行下载就可以用[3]。
1.3 国内外研究现状
电力系统故障分析是关系到电力系统安全稳定运行的重要问题，国内外从20世纪80年代起已经进行了大量的研究工作，提出了多种故障分析技术和方法，但实际系统中该问题并未很好地解决。随着电力系统规模日趋庞大，结构更加复杂，对电力系统故障诊断提出了更高的要求。目前，国内外提出了许多电力系统故障诊断的技术和方法，主要有专家系统、人工神经网络、优化技术、Petri网络、模糊集理论、粗糙集理论、多代理技术[5-8]。针对电力系统运行实际情况，从技术和安全上考虑无法进行实际故障实验，因此开展电力系统系统仿真与故障分析工作具有重要实践指导价值。随着电力工业的发展，电力系统规划、运行和控制的复杂性亦日益增加，在电力系统的生产和研究中，仿真软件的应用也越来越广泛。现在，我们主要使用的电力系统仿真软件有：EMTP仿真程序，用于电力系统电磁暂态计算，电力系统暂态过电压分析等。PSCAD/EMTDC程序，应用是计算电力系统遭受扰动和参数变化时，参数随时间变化的规律。以及中国电科院开发的仿真软件PSASP,其功能主要有稳态分析、故障分析和机电暂态分析。还有Math works公司开发的MATlAB软件。MATLAB自身的特点使它获得了对应的应用学科，特别是对边缘学科和交叉学科的极强适应能力，并很快成为应用学科计算机辅助分析、设计、仿真已至教学等不可缺少的基础软件。在MATLAB中，电力系统模型可以在Simulink环境下直接搭建，也可以进行封装和自定义模块库，充分显现了其仿真平台的优越性。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、
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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。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[9-11]。
1.4 研究的主要内容及设计成果的应用价值
了解电力系统的主要故障类型，掌握相应的故障分析方法。主要内容包括故障后电流的计算、短路容量的计算、故障后系统中各点电压的计算以及其他的一些分析和计算，如故障时线路电流与电压之间的相位关系等。其目的在于应用这些计算结果进行继电保护设计和整定值计算，开关电器、串联电抗器、母线、绝缘子等电气设备的设计，制定限制短路电流的措施和稳定性分析等。短路故障分析主要是对典型的电力系统故障进行理论分析，分为三相短路，单相接地短路，两相短路，两相接地短路四种[12]。了解不同类型的短路故障现象对如何处理短路故障有重大意义。其中三相短路的几率是很小的，但其情况最严重，有时为了最后论断电力系统在短路情况下工作的可能性，它起着决定性的作用。此外，研究三相短路之所以重要，还由于我们在分析计算不对称短路时，往往把不对称短路看成某种假定的三相短路来处理。通过利用MATLAB软件本身提供的三相短路故障器，设置短路的所有情况，建立相关模型，我们可以对电力系统的常见各种类型的故障仿真和分析[13-17]。
1.5 本课题所作工作
本课题目的是对电力系统的故障进行分析，并运用Matlab软件的Simulink工具搭建电力系统故障模型进行电力系统故障仿真，得出仿真结果，其中包括单相接地短路故障、两相相间短路故障、两相接地短路故障、三相短路故障的模型搭建，通过示波器得出短路故障点的电压、电流、各序电压、电流的波形，得到仿真结果。
通过计算分析可以清晰直观的得出各类短路故障时，短路点的电压、电流的变化情况，分析序分量，又可以知道哪些情况下会出现哪些序分量，并且它们大致的变化、与短路量的对应关系又是如何。分析得出这些，就可以对各类短路故
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障的电压、电流、序分量的大致波形走向有一个大致的映像，然后就可以将电力系统故障的分析计算结果与Matlab仿真的分析结果进行比较，从而得出是否具有一致性的结论，同时也验证Matlab在电力系统仿真中是否具有真正作用。
第二章 电力系统故障分析
2.1常见短路故障介绍
电力系统的故障一般分为简单故障和各种复杂故障。简单故障是指电力系统正常运行时某一处发生短路或断线故障的情况，其又可分为短路故障（横向故障）和断线故障（纵向故障），而复杂故障则是指两个或两个以上简单故障的组合。短路故障有4种类型：三相短路（F(3)）、两相短路（F(2)）、单相接地短路（F(1)）和两相短路接地（F(1.1)）；断线故障分为一相断线和两相断线。本文主要对各短路故障进行建模分析。
短路产生的原因有很多，主要有以下几个方面：
（1）.元件损坏例如绝缘材料的自然老化，设计，安装维护不良所带来的设备缺陷发展成短路等，
(2).气象条件恶化例如雷击造成的闪络放电或避雷器动作，架空线路由于大风或导线覆冰引起电杆倒塌
(3）. 违规操作，例如运行人员带负荷拉刀闸，线路或设备检修后未拆除接地线就加上电压等；
(4). 其他，例如挖沟损伤电缆，鸟兽跨接在裸露的载流部分等。
表2.1.1 短路的简略记号
短路类型
三相短路
二相短路
单相短路
示意图 代表符号
F(3) F(2) F(1)
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二相短路接地
F(1.1)
表2.1.2 不同范围能发生短路故障几率
线路范围 在110kV线路上 容量为6000kW以上的发电机
110kV变压器 110kV母线
发生几率 78.0% 7.5% 6.5% 8.0%
表2.1.3 110kV线路上各种类型短路故障几率
短路类型 三相短路 二相短路 二相短路接地 单相短路
发生几率 5% 4% 8% 83%
2.2短路故障危害及分析内容
随着短路类型、发生地点和持续时间的不同，短路的后果可能只破坏局部地区的正常供电，也可能威胁整个系统的安全运行。短路的危险后果一般有以下的几个方面：
（1）.短路故障使短路点附近的支路中出现比正常值大许多倍的电流，由于短路电流的电动力效应，导体间将产生很大的机械应力，可能使导体和它们的支架遭到破坏。
（2）．短路电流使设备发热增加，短路持续时间较长时，设备可能过热以致损坏。
（3）. 短路时系统电压大幅度下降，对用户影响很大。系统中最主要的电力负荷是异步电动机，它的电磁转矩同端电压的平方成正比，电压下降时，电动机