毕业设计（论文）-基于ATPDraw的电网故障仿真平台设计.doc

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1、山东理工大学 毕业设计题 目：基于ATPDraw的电网故障仿真平台设计学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 指导教师： 毕业设计（论文）时间：二八 年 二 月 二十五 日 六 月 十三 日 共 十六 周中文摘要摘 要随着社会对能源需求的增长和发电技术的进步，电力网络拓扑系统越来越复杂，运行难度也随之增加，而且发生的故障也难以用传统的分析方法进行预测，从而使得电力系统分析和仿真技术成为电力系统规划、设计、运行、分析及改造等过程中不可缺少的工具和手段。 本文首先介绍了电力系统仿真的必要性，简要对电磁暂态程序ATP-EMTP和MATLAB进行了说明，然后对电力系统中

2、发生的各种短路故障进行了数学分析，并在此基础上创建了基于ATPDraw和MATLAB仿真软件的故障仿真平台，利用电磁暂态程序的图形输入功能和MATLAB强大的计算功能和编程技术，绘制故障仿真波形图，从而为进一步分析提供依据。该方案通过设置不同的参数，可以对单相接地短路、两相短路、两相接地短路、三相接地短路进行仿真，绘制出各种故障发生时的电压、电流的波形。 关键词： 电力系统； ATP-EMTP； MATLAB； ATPDrawIABSTRACTABSTRACTAlong with the growth of energy demand and the technological progres

3、ses of power generation, topology for power system is becoming more and more comlex, the difficulty of operation is also increasing,furthermore,it makes hard to predict by traditional analysis method for the fault,and Power System Analysis and Simulation Technology become indispensable tools and ins

4、truments in the power systems planning, design, operation, analysis and transformation. The paper introduces the necessity of power system simulation in the first instance,and briefly describes the illustrations of ATP and MATLAB,then implements mathematical analysis for all kinds of faults, besides

5、 based on this and according to the ATP and MATLAB,we create the platform of fault simulation,using the EMTP which has the input function of graph and the MATLAB which has the powerful calculation and the programming technology, in order to provide evidence for analysis.This scheme could simulate th

6、e single-phase earth fault,two-phase short circuit,two-phase earth short circuit,three-phase short circuit , drawing up various voltage and current waveform of faults by setting different parametersKeywords: power system； ATP-EMTP； MATLAB； ATPDrawII目 录目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第一章 绪 论11.1 电力系统仿真的必要性11.

7、2 ATP-EMTP及MATLAB的发展概况11.2.1 ATP-EMTP的发展11.2.2 MATLAB的发展史21.3 本课题的主要工作及研究意义3第二章 仿真软件ATP-EMTP及MATLAB简介42.1 电磁暂态程序ATP-EMTP42.1.1 电磁暂态程序（ATP-EMTP）的数学模型42.1.2 ATP-EMTP的功能42.2 ATPDraw程序的使用652.2.1 ATPDraw程序的基本操作52.2.2 ATPDraw程序的基本元件72.3 图像处理软件MATLAB14第三章 电力系统故障仿真平台的建立183.1 单相故障边界条件分析183.2 两相故障边界条件分析183.3

8、三相短路故障分析193.4 故障仿真平台203.4.1 通用故障等效电路分析203.4.2 创建ATPDraw故障仿真平台21第四章 电力系统故障仿真分析254.1 单相故障仿真分析254.1.1. A相直接接地故障254.1.2. A相经阻抗接地284.2 两相故障仿真分析304.2.1. B、C两相直接短路故障304.2.2. B、C两相短路直接接地故障334.2.3. B、C两相经阻抗短路接地故障354.3 三相短路故障仿真分析38结 论41参 考 文 献42致 谢433第一章 绪 论第一章 绪 论1.1 电力系统仿真的必要性随着经济的快速发展，社会对能源需求迅速增长，导致电力系统规模不

9、断扩大，成为一个超高压、大容量、跨区域的巨大联合动力系统，其运行非常复杂，发生的事故也越来越难以用传统的分析方式进行预测。在2003年，美国加州东北部电网大面积停电事故给美国造成了巨大的经济损失，给全球的电力行业敲响了警钟，提醒人们，在规划和建设电力系统时，同时要对各种预想情况进行模拟，以防止各种事故的发生。因此，为了保证电力系统的安全运行，必须使用正确的电力系统仿真软件对电力系统进行仿真。电力系统仿真技术是系统仿真技术在电力系统上的具体应用。它是指对电力系统的物理过程建立数学模型，并建立适用于计算机的仿真模型，然后选择适当的数值计算方法和编制仿真程序，在计算机上进行试验、研究或培训的过程。统

10、计分析表明，通过适当的仿真能够发现电力系统在产品实现过程中50%的设计错误，因此仿真在产品设计和生产中，起着很重要的作用，可以缩短生产周期，降低生产成本。越是较复杂的仿真工具，越能更实际的反映电路系统，发现的设计错误也越多，对电路设计就越有帮助。目前，国内外主要的仿真应用软件有：加拿大UBC开发的电力系统分析程序EMTP；由国家电力科学院开发的基于DOS系统的电力系统分析综合程序PSASP；德国西门子公司开发的NETOMAC（network torsion machine control）电力系统仿真软件；Mathworks公司开发的MATLAB（7.0版本）中所包含的PSB（Power Sy

11、stem Blockset）工具箱；美国电力公司（PTI）开发的PSSE(Power System Simulation for engineering)电力系统工程仿真软件1。1.2 ATP-EMTP及MATLAB的发展概况1.2.1 ATP-EMTP的发展EMTP(Electromagnetic Transients Program)即电磁暂态分析程序，最初是由加拿大大不列颠哥伦比亚大学(UBC)的H.W.Dommel教授创立的，而后又经很多专家共同努力而日臻完善。 EMTP程序具有规模大、功能强、模拟真实等优点，目前在我国高等学校、科研、设计和制造等部门都得到了广泛的应用，并在一些国家级

12、重点项目的研究中都已使用EMTP程序。在1984年以前的十多年里，属于美国能源部的邦维尔电管局(BPA)主导了EMTP程序的开发工作，它在人力和财力上对EMTP程序的开发工作给予了极大的支持。当时的工作属于公共域内(public-domainwork),其成果可以免费提供给任何一个感兴趣的团体。1984年以后，EMTP程序主要分为两支，一支以DCG (EMTP Development Coordination Group，1982年由北美6个大型电力机构组成)、EPRI(美国电力科学研究院)为代表，试图将EMTP程序商业化(以下称其为商业化的EMTP)；另一支即ATPEMTP，它继续保持EMT

13、P程序的可免费使用性，但为了防止其成果被商业化的EMTP所利用，ATPEMTP不属于公共域内。1984年初，DCG的工作已对免费使用EMTP构成威胁，原BPAEMTP的开发者之一Dr.W.ScottMeyer为了维护EMTP的可免费使用性，1984年23月份，终止了12年的EMTP开发合同，将他所有的业余时间用来开发一个富有生命力的替代程序，ATP程序正式诞生于1984年秋。到目前为止，在世界上已形成了多个ATP-EMTP程序的用户协会，这些用户协会通常按地域划分，包括加拿大/美国EMTP用户协会（Canadian/American EMTP User Group）、拉丁美洲EMTP用户协会（

14、Latin American EMTP User Group）、欧洲EMTP用户协会（European ATP-EMTP User Group)、澳大利亚EMTP用户协会、南非EMTP用户协会、日本EMTP用户协会（Japanese ATP User Group )、韩国EMTP委员会（Korean EMTP Committee）以及中国台湾EMTP用户协会（包括香港和新加坡）2。1.2.2 MATLAB的发展史MATLAB名称是由两个英文单词Matrix和Laboratory的前三个字母组成。20世纪70年代后期，美国新墨西哥大学计算机系主任Cleve Moler教授为了便于教学，减轻学生编

15、写Fortran程序的负担，为两个矩阵运算软件包Linpack和Eispack编写了接口程序，这也许就算是MATLAB的第一个版本。1984年，在Jack Little的建议推动下，由Little、Morle、Steve Bangert三人合作，成立了MathWorks公司，同时把MATLAB正式推向市场。从那时开始，MATLAB的源代码采用C语言，除加强了原有的数值计算能力外，还增加了数据图形的可视化功能。1993年，MathWorks公司推出了MATLAB的4.0版本，系统平台由DOS改为Windows，推出了功能强大的、可视化的、交互环境的用于模拟非线性动态系统的工具Simulink，为

16、MATLAB进行实时数据分析、处理和硬件开发提供了组件。1997年，MathWorks公司推出了MATLAB的5.0版本，紧接着产生了5.1、5.2版本，至1999年MATLAB发展到5.3版本，在很多方面进一步改进了MATLAB的功能，随之推出全新版本Simulink3.0也达到了很高的档次。2000年10月推出的MATLAB6.0版本，在操作面上有了很大改观，同时还给出了程序发布窗口、历史信息窗口和变量管理窗口等，为用户提供了极大的方便。2001年6月，MATLAB6.1版即Simulink4.1版问世，功能已经十分强大，其虚拟显示工具箱更给仿真结果在三维视景下显示带来了新的解决方案。20

17、03年6月推出了MATLAB Release13，即MATLAB6.5/Simulink5.0，在核心数值算法、界面设计、外部接口和应用桌面等诸多方面有了极大的改进；2004年9月正式推出MATLAB Release14，即MATLAB7.0/Simulink6.0，其功能在原有的基础上又有了进一步的改进，是MATLAB目前最新的版本。MATLAB经过二十多年的研究与不断完善，现已成为国际上最流行的科学计算与工程计算软件工具之一，成为一种具有广泛应用前景的、全新的计算机高级编程语言。自20世纪90年代以来，在美国和欧洲的在大部分大学里，MATLAB成为学生所必须掌握的基本软件之一。在国际学术界

18、，MATLAB被确认为最准确可靠的科学计算标准软件3。1.3 本课题的主要工作及研究意义本文研究的是如何在电力系统暂态过程实时仿真中实现电磁暂态程序（EMTP）和MATLAB的结合。本文主要内容有如下几个方面：（1）电力系统仿真的必要性，ATP和MATLAB的发展历程；（2）有关电磁暂态程序（ATP-EMTP）的功能，图形输入程序ATPDraw的使用；有关MATLAB的功能特点，绘图功能，尤其是plot绘图函数；（3）对各种类型故障进行数学分析；（4）分析不同类型故障的仿真结果。本文要分析的故障类型主要有：单相接地短路、两相相间短路、两相接地短路、三相短路等情况。其基本过程为：首先利用ATPD

19、raw绘制仿真模型，然后对所要仿真的暂态过程进行离线计算，获得数据，并将数据按规定的格式生成仿真用的数据文件；然后将所得的数据送入MATLAB环境，对仿真的结果进行进一步的分析处理本文的研究意义是通过图形输入程序ATPDraw建立一个各种故障通用的仿真平台，只需在ATPDraw界面上改变相应元件的参数，借助微机建立数据文件，就可以仿真各种短路故障，无需更改元件或者在模拟仿真不同故障时，更换元件或重新建立不同的物理模型，使用起来非常方便，节省了时间。第二章 仿真软件ATP-EMTP及MATLAB简介第二章 仿真软件ATP-EMTP及MATLAB简介2.1 电磁暂态程序ATP-EMTP2.1.1

20、电磁暂态程序（ATP-EMTP）的数学模型电力系统包含有电机、变压器、输电线路、电缆、断路器、电抗器、电容器组、逆变器组、互感器、避雷器等设备，它们在结构功能和特性上千差万别，但从电路的角度来讲，除电源外，都可以用R、L、C来表征它们的这些功能和特征。目前，ATPEMTP的数学模型包括如下几种：（1）集总参数电阻R、电感L和电容C；（2）多相PI等值电路；（3）多相分布参数输电线路；（4）非线性电阻，这里v-i特性曲线是单值的；（5）非线性电感器，既可模拟常规的单值特性曲线，也可包括剩磁和磁滞；（6）时变电阻；（7）开关，用来模拟断路器、火花间隙及其它网络联接的改变，二极管和晶闸管也包括在内；

21、（8）电压和电流源，除了标准的数学函数波形外，用户还可用FORTRAN或TACS来定义波形；（9）动态旋转电机，除了模拟最常用的三相同步电机外，还可模拟单相、二相和三相感应电机和直流电机。它与TACS控制系统模型相联接，从而可模拟电压调节器和调速器等的动态特性。（10）控制系统可以用TACS（Transient Analysis of Control Systems）来实现，允许不同种类的非线性和逻辑运算。控制系统的输入和输出可以和EMTP的电网络相接口。WatcomATP-EMTP是一个真正的32位Windows应用程序，可以在Win9X/NT/2000/XP下运行，不能在Windows3.

22、x下运行。它的图形输出工具是PCPLOT和PLOTXY。ATP-EMTP还配备有图形输入程序ATPDraw，本文中使用的是ATPDraw4.2。ATPDraw4.2是一个32位程序，可以在Windows9X/NT/2000/XP下运行。ATPDraw作为ATP-EMTP的一个前处理程序,最终生成一个格式正确的ATP-EMTP的数据输入文件。ATPDraw支持70个标准元件和28个TACS模块，同时也支持MODELS，用户可以根据自己的需要创建所需要的电路模块4。2.1.2 ATP-EMTP的功能EMTP程序的基本功能是进行电力系统仿真计算，典型应用是预测电力系统在某个扰动（如开关投切或故障）之

23、后感兴趣的变量随时间变化的规律；将EMTP的稳态分析和电磁暂态分析相结合，可以作为电力系统谐波分析的有力工具。另外，EMTP程序也广泛应用于电力电子领域的仿真计算。同时，EMTP还可以用来计算单相或多相网络如：（1）在某一频率电源作用下的线性系统相量值，即可计算电力系统中的工频过电压；稳态值的计算可作为电磁暂态计算的初始条件；（2）程序自动地用步长f由fmin到fmax电源频率的变化，求解某一网络的自振频率；（3）能计算电路网络的暂态过程；（4）可求解各种非线性网络。由上述可知EMTP是一种进行电力系统仿真的强大工具，其对研究对象的限制微乎其微，可以用来求解电力系统单相或多相的稳态解与各种类型

24、的暂态解，可以包含有多个集中元件、分布参数、线性与非线性元件、依赖于频率变化的线路、各类型开关、电力电子元件、变压器及电机、多种类型电源、控制电路的任意组合而成的不同网络结构。并且根据电网建立起来有很多零元素的导纳矩阵，程序使用了稀疏矩阵技术，不但简化了计算，而且大幅度减少了存储单元及计算时间。总之，它不仅用来研究电力系统的电磁暂态过程，而且可以用来求解一般的电气电子线路，以及能等价地用电气电路来分析任何问题，都可以用EMTP来求解。近年来EMTP与实测结果的对比吻合，也证明了其计算结果的可信性。52.2 ATPDraw程序的使用62.2.1 ATPDraw程序的基本操作ATPDraw是对在M

25、S-Windows操作系统的平台上的ElectromagneticTransien-ts程序（EMTP）的ATP版本的一个图形输入预处理程序。程序在Windows操作系统9x/Nt/2000/XP下面的BorlandDelphi2.0和运行中被写。ATPDraw支持多种电路模型，使多个电路同时工作和拷贝电路之间的信息成为可能。各种的标准电路编辑措施（复制/粘贴、旋转、输出/进口、撤销、还原/重做）在ATPDraw中是有效的。除此之外，ATPDraw支持视窗操作系统剪贴板和原文件输出。启动ATPDraw程序，进入ATPDraw初始窗口界面，如图2-1所示：图2-1 ATPDraw的初始窗口用鼠标

26、左键点击File选项，再点选New选项，此时会开启一新的空白窗口，即新文件操作窗口，如图2-2所示。图2-2 ATPDraw新文件操作窗口ATPDraw的操作界面主要包括以下几个部分：1标题栏。标题栏显示的是当前操作的文件名称，当前工作模式及最小化、最大化/还原、关闭按钮。2菜单栏，菜单栏起了统领绘制模型所有功能模块的作用，包括建立模型过程中最常用的一些命令。菜单项包括File、Edit、View、ATP、Objects、Tools、Window、Help，单击这些菜单即可打开下拉菜单。下拉菜单中显示了各功能子菜单，以及执行该项功能的热键和快捷键。3工具栏。菜单栏下面就是工具栏，工具栏提供了一

27、些常用命令的快速访问按钮。单击某个按钮即可执行相应的操作。4绘图栏。工具栏下面的空白区域就是绘图栏，用户可以在此区域中绘制各种模型。用户在绘图栏中用鼠标右键单击，在弹出的菜单中即可选择所需的绘图元件。用户选用过某元件后，该元件就会在工具栏右边出现，下次再要选用时，只要用鼠标左键单击它即可。移动元件：在该元件上按住鼠标左键不放，拖曳鼠标来移动每个元件。旋转元件：左键单击元件即可将其选中，在该元件上按一下鼠标右键，每按一下会向右旋转90。设定元件：在该元件上按鼠标左键两下，即可进入设定该元件的窗口。2.2.2 ATPDraw程序的基本元件1三相正弦波电压源（Ac3ph）加入方法如图2-3所示。用鼠

28、标左键双击电源图标，进入设定窗口，如图2-4所示，选择“Voltage”即为电压源。Amp.：电源相电压振幅，单位是V。f：电源的频率，单位为Hz。Pha：电源的初始相角，单位视A1而定。A1：A1=0，单位为度（degrees）。A10，单位为秒（seconds）。TStart：电源启动时间，单位为秒。TStop：电源停止时间，单位为秒。当TStop=0，代表永不停止。Lable：元件命名。图2-3 三相电源加入菜单图2-4 三相电源参数设置窗口2三相可独立操作的时控开关（swit_3xt）加入方法如图2-5所示。用鼠标左键双击开关图标，进入设定窗口，如图2-6所示。T-cl_1、T-cl_

29、2、T-cl_3：分别为A、B、C三相开关闭合时间，单位为秒。T-op_1、T-op_2、T-op_3：分别为A、B、C三相开关打开时间,单位为秒。Lable：元件命名，可不设。图2-5 三相时控开关加入菜单图2-6 三相时控开关参数设置窗口3支路电流探针（Probe Curr）和节点电压探针（Probe Volt）加入方法分别如图2-7和图28所示。这两种探针分别可测支路三相电流和节点三相对地电压，设置窗口如图2-9所示。图2-7 电流探针加入菜单图2-8 电压探针加入菜单图2-9 探针设置窗口4三相分路器（splitter）加入方法如图2-10所示。分路器可将系统中的三相分离出来，从上到下

30、依次为A相、B相、C相。图2-10 三相分路器加入菜单5电阻(Resistor)加入方法如图2-11所示。用鼠标左键双击电阻图标，进入设定窗口，如图2-12所示。RES：电阻值参数，单位为。Output：控制该支路的数据输出，不同的数值代表要求输出不同。0-No不输出1-Current，支路电流输出2-Voltage，支路电压输出3-Current&Voltage，支路电流与电压同时输出4-Power&Energy，支路功率与能量消耗输出图2-11 电阻加入菜单图2-12 电阻参数设置窗口6 对称三相线路分布参数模型（linezt_3）加入方法如图2-13所示。用鼠标左键双击线路图标，进入设定

31、窗口，如图2-14所示。R/l+：正序电阻参数，单位为/m。R/l0：零序电阻参数，单位为/m。L+：正序电感参数，单位为mH/m。L+：零序电感参数，单位为mH/m。C+：正序电感参数，单位为uF/m。C0：零序电感参数，单位为uF/m。Length：线路长度，单位为m。图2-13 对称三相线路分布参数模型加入菜单图2-14 对称三相线路分布参数设置窗口7. 单相时控开关（Swichtc_sup）加入方法如图2-15所示。用鼠标左键双击开关图标，进入设定窗口，如图2-16所示。T-cl：开关闭合时间，单位为s。T-op：开关打开时间，单位为s。 图2-15 单相时控开关加入菜单图216 单相

32、时控开关参数设置窗口8无耦合三相阻抗元件(Rlc_3)各相阻抗值相等，用于模拟电源系统阻抗。加入方法如图2-17所示。用鼠标左键双击阻抗图标，进入设定窗口，如图2-18所示。R：电阻，单位为。L：电感，单位为mH。C：电容，单位为uF。图2-17 无耦合三相阻抗元件加入菜单图2-18 无耦合三相阻抗元件参数设置窗口2.3 图像处理软件MATLABMATLAB之所以成为世界顶尖的科学计算与数学应用软件,是因为它随着版本的升级与不断完善而具有愈来愈强大的功能。(1)数值计算功能。MATLAB出色的数值计算功能是使之优于其他数学应用软件的决定性因素之一。(2)符号计算功能。科学计算有数值计算与符号计

33、算之分,仅有优异的数值计算功能并不能满足解决科学计算时的全部需要。1993年,MathWorks公司开发出在MATLAB环境下实现符号计算功能的系统组件。(3)数据分析功能。MATLAB不但在科学计算方面具有强大的功能,而且在数值计算结果的分析和数据可视化方面也有着其他同类软件难以匹敌的优势。(4)动态仿真功能。MATLAB提供了一个模拟动态系统的交互式程序SIMULINK,允许用户在屏幕上绘制框图来模拟一个系统,并能动态地控制该系统。MATLAB既是一种计算机语言，又是一个集成编程环境。MATLAB的主窗口如图219所示。图219 MATLAB主窗口本文着重使用的是MATLAB的绘图功能。语

34、句plot()是MATLAB最基本的二维图形绘制语句，这是绘制线性x-y坐标图最常用的命令。使用这条语句绘制图形时不必考虑坐标平面的大小，x轴和y轴的刻度也是自动标出的。plot()函数调用格式为： plot(x) 省缺自变量绘图格式。 如果x为实数，等价于plot(x,x)。 如果x为复数，等价于plot(real(x),image(x)。plot(x,y) 基本格式，以y(x)函数关系作出直角坐标图。如果y为n*m矩阵，则以x自变量，作出m条曲线。plot(x1,y1,x2,y2,) 多条曲线绘图格式。例如：在命令行中输入以下程序：x=0:2*pi/90:2*pi；y=sin(x)；plo

35、y(x,y)其图形如下所示：在用plot()函数绘图时，还可以在函数中添加部分参数来指定线条样式，以便于确定各线条所代表的含义。plot绘图函数的各参数的意义如下表所示。表2-1 plot绘图函数的参数参 数意 义参 数意 义r红 色-实 线g绿 色-虚 线b蓝 色:点 线y黄 色-.点 划 线m洋 红 色o圆 圈c青 色x叉 号w白 色+加 号k黑 色s正 方 形*星 号d菱 形.点 号若要同时改变颜色及图线状态，只要在坐标对后面加上相关字串即可。例如，x=0:2*pi/90:2*pi；Plot(x,sin(x),co,x,cos(x),g*)；图形如下图所示：MATLAB实现对电力系统的仿

36、真和分析，传统上有二种独立的方法：一种是传统的编程方法,即通过大量的代码来实现电力系统的建模、稳态计算和暂态分析等等；但由于MATLAB提供了用户可以直接调用已有的高性能数值计算。如矩阵求差、数值微、积分等等,较使用C或Fortran语言开发其源程序却要简洁得多,可节省大量的内存空间和开发时间。另一种是Simulink平台上进行仿真分析,按建模方法分为器件级仿真(又称为物理建模)和系统级仿真(又称为数学建模)。其中器件级仿真是利用MATLAB的PSB中固有元件模型构建新元件的物理模型,该方法一般适用于探讨元件的内部性能；系统仿真是利用MATLAB/SIMULINK中的控制模块来构建新元件的数学

37、模型,该方法是研究元件的外部特性。在MATLAB/SIMULINK平台上,借助于鼠标点击和拖放以及一些必要的参数设置即可实现对电力系统的稳态和暂态分析,并可方便地研究各种先进的控制方法对电力系统的控制效果。在实际应用中,特别是对复杂电力系统的仿真分析,两种方法通常交替融合使用。应用MATLAB 进行电力系统仿真的主要步骤为： 系统模型的建立；设置仿真参数和控制算法的实现；进行暂态仿真； 结果分析。使用ATPDraw程序,可以更方便的创建完整的仿真模型电路。对仿真模型输入参数，借助微机建立数据文件，通过转化程序，使数据文件转化成MATLAB文件，利用MATLAB高效的数据仿真分析，特别是信号处理

38、和直观的的图形显示功能，能快速而准确地对电路及更复杂的电气系统进行仿真、计算，从而节省了大量的人力物力，为现代大型电力系统故障研究提供了条件。717第三章 电力系统故障仿真平台的建立第三章 电力系统故障仿真平台的建立3.1 单相故障边界条件分析1. A相直接接地故障当系统中的f点发生单相（A相）直接短路接地故障时，其短路点的不对称电流和电压可以用图3-1表示。很明显，短路点的边界条件为a相在短路点f的对地电压为零，b相和c相从短路点流出的电流为零，即系统图3-1 A相短路接地 （3-1）2. A相经阻抗接地当系统中f点发生单相（A相）短路接地故障时，在一般情况下，接地点往往产生电弧，这相当于故

39、障点经过阻抗接地。系统图3-2 A相经阻抗接地在此情况下，短路点的电压和电流如图3-2所示，从而可以列出短路点的边界条件为： （3-2）3.2 两相故障边界条件分析1. B、C两相直接短路故障当系统中f点发生两相（B、C两相）直接短路时，短路点处的电流和电压可以用图3-3表示：系统 图3-3 B、C两相短路并由此可以列出短路点的边界条件为 (3-3)2. B、C两相短路直接接地故障当系统中发生B、C两相直接短路接地时，短路点处的电压和电流可以用图3-4表示，系统图3-4 B、C两相短路接地从而可以列出相分量的边界条件为 （3-4）3. B、C两相短路经阻抗接地故障如果B、C两相经阻抗接地，如图

40、3-5系统 图3-5 B、C两相经阻抗接地则故障点的边界条件为 （3-5）3.3 三相短路故障分析如果发生三相短路，如图3-6所示系统图3-6 三相短路则故障点相电流的边界条件为 （3-6）对于相电压的边界条件，我们用以下模型计算：图3-7三相短路计算模型其中， 为电源内阻，为线路阻抗，和为中点，以为参考点，由结点电压法可得由于，所以即： （3-7）3.4 故障仿真平台3.4.1 通用故障等效电路分析在三相系统中，发生的常见的短路故障基本有三相短路、单相对地短路、两相短路和两相对地短路。我们通过对这些故障类型的分析，可以得出，三相系统短路时，对于短路点的相电压和相电流的个数是不变的，只是发生短

41、路的相数不同，接地阻抗不同，所以我们可以图3-8所示的模型，通过不同开关的组合，来模拟不同的短路故障：系统图3-8等效故障电路当开关k3、k4断开，k1、k2闭合时，可以模拟三相短路故障；当开关k1、k2、k3断开，k4闭合时，可以模拟A相对地短路故障；当开关k2、k3、k4断开，k1闭合时，可以模拟b、c两相短路故障；当开关k2、k4断开，k1、k3闭合时，可以模拟b、c两相接地短路故障。在简单环形三相输电网中，我们同样可以利用上面的故障模型来描述输电网中发生的故障，如图3-9所示：RLCRLCRLCZ-TZ-TZ-TZ-T图3-9 故障通用等效电路3.4.2 创建ATPDraw故障仿真平台

42、ATPDraw是一种图形预处理程序，支持多种电路模型，可以创建完整的仿真模型电路。启动ATPDraw程序，进入ATPDraw初始窗口界面第一步,点击File下的new项,以建成一个新的电路窗口文件。第二步,在新建的空白页中单击鼠标右键,就会出现一个元件选择菜单,点击所需元件,其模型的图标就会出现在新建的电路窗口文件中。第三步，给元件赋值。双击选出的元件图标,即可弹出添加参数的对话框,参数修改完后点击ok键即可保存赋值。下图为ATPDraw建立的故障仿真模型电路其中：电源为500kv三相交流电源，频率为50 Hz，电压等级为500 kV，幅值均为408248 V。三个电源的初始相位依次为、60。

43、采用三个Rlc_3元件模拟系统阻抗（三相具有相同的电阻、电感和电容），三个系统阻抗元件的电感值取39.8 mH，电阻和电容值均为0。U1至U2线路长度为150 km。把U1-U2线路分为两段，M2点为故障点，线路分布参数如下：R0=0.1847 /km，L0=3.601 mH/km，C0=7.52 nF/kmR1=0.0174 /km，L1=0.967 mH/km，C1=12.03 nF/km故障支路包含三相分路器、单相电阻（模拟过渡电阻）和单相时控开关三种元件。在M1测量点设置一个节点电压探针和一个支路电流探针，以输出M1点三相电压和三相电流信号。同时在M2测量点设置一个节点电压探针和一个支

44、路电流探针，以输出M2点三相电压和三相电流信号。完成电路图后,点击ATPSetting项可弹出对话框,选择Simulation菜单，设置采样步长10s，仿真计算时间Tmax0.06s，然后，选择菜单栏中ATPrun ATP或直接按F2，则电磁暂态分析程序（EMTP）将对所建立的模型进行计算，生成具有一定格式的仿真数据，同时生成相应的文件。再单击菜单栏中的ATPPL42MAT，将仿真生成的PL4格式文件转换成MAT格式。运行MATLAB软件，在MATLAB中打开上述MAT文件，就可绘制测量点的三相电压和电流波形。24第四章 电力系统故障仿真分析第四章 电力系统故障仿真分析本文的仿真分析的主要对象：电网的故障点发生的单相接地故障（A相接地故障）、两相接地故障（BC相接地故障）、两相相间短路（BC相间短路）和三相短路时，检测点和故障点的三相电压、电流波形。在ATPDraw环境下，打开电网故障仿真平台的结构图文件，点击ATPSetting项，弹出对话框，设置采样步长10s，仿真计算时间Tmax0.06s。4.1 单相故障仿真分析当开关K1、K2、K3断开，K4闭合时，仿真平台可以模拟A相接地故障。设置参数：K1、K2、K3：T-cl=1s、T-op=2s；K4：T-cl= 0.01s、T-op=1s。4.1.1. A相直接接地故障设置接地电阻：0欧姆，故障距离：50km。选