故障状态下电力系统暂态稳定性研究毕业设计说明书

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1、吉林化工学院毕业设计说明书故障状态下电力系统暂态稳定性研究Research for Power System Transient Stability Analysis under Fault Conditions 学生学号： 0 学生姓名： 专业班级： 自动0903 指导教师： 职 称： 起止日期： 2013.03.042013.06.23吉 林 化 工 学 院Jilin Institute of Chemical Technology 摘 要本设计利用MATLAB的动态仿真软件Simulink搭建了单机无穷大电力系统的仿真模型，能够满足电网在其可能遇到的多种故障方面运行的需要。电力系统稳定器

2、，就是为抑制震荡而研究的一种励磁控制技术，用于提高电力系统稳定，解决震荡问题，是提高电力系统动态稳定性的重要措施之一。论文以MATLAB工具箱为平台，通过SimPowerSyetem 搭建了电力系统运行中常见的单机无穷大系统模型，实验得到了在该系统发生各种短路接地故障并由断路器自动跳闸隔离故障的仿真结果。并利用小波分析具有很强的信号特征提取能力，尤其对暂态突变信号或微弱变化信号的处理变现出明显的优势，达到了仿真的目的。 本文做的主要工作有： (1)Simulink下单机无穷大仿真系统的搭建； (2)系统故障仿真测试分析； (3)基于Haar小波的故障检测与分析。通过实例说明，若将该方法应用到电

3、力系统短路故障的诊断中，快速实现故障的自动诊断、检测，对于提高电力系统的稳定性具有十分重要的意义。关键词： 单机无穷大系统；SimPowerSyetem；短路故障；小波变换- I -AbstractThis design paper depend on the model of dynamic simulation by MATLAB build software Simulink infinite power system of single - simulation model, the grid in various fault may meet the needs of the run

4、ning of aspects.Power system stabilizer(pss) is to suppress a low frequency oscillation ofadditional excitation control. Improving power system dynamic ,lowing frequence oscillation problem solving is to improve power system dynamic stability of the important measures. The paper base on platform ver

5、sion of Matlab，According to SimPowerSyetem toolbox to build power operation of common singleinfinite system model, the experiment in the system was obtained by various circuit breaker automatically earthing faults and fault isolation of simulation results trip. Using the wavelet analysis and has str

6、ong ability of the signal feature extraction, especially for transient mutations signals or weak signal processing showed obvious advantages, Reaching purpose of the simulation.The main work is : (1) Building this simulation system of single - infinite under Simulink; (2) Fault simulation test analy

7、sis of system;(3) Fault detection and analysis based on Haar wavelet.Through examples, if this method to the power system fault diagnosis, fast fault detection and diagnosis, automatic for improving the stability of power system has important significance.keywords：Singleinfinite system；SimPower Syet

8、em；Short circuit faults；Wavelet transform- 33 -目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 MATLAB及SimPowerSystem简介11.2 配电网的故障现状及分析11.3 暂态稳定仿真流程2第2章 单机无穷大暂态稳定仿真分析42.1 复杂电力系统暂态稳定性分析42.2 单机无穷大系统原理42.3 结论5第3章 电力系统稳定器数学模型及仿真63.1 电力系统低频振荡的简化模型(Heffron-Philips模型)63.2 Power System Stabilizator的传递函数133.3 电力系统稳定器143.3.1 发电机轴

9、转速信号稳定器143.3.2 速度信号稳定器153.3.3 电功率信号稳定器163.4 MATLAB仿真模型163.5 各种提高暂态稳定性措施的运行效果仿真193.6 结论23第4章 信号特征提取244.1 小波变换的基本理论及应用244.2 小波函数的选择244.3 Haar小波变换原理264.4 小波变换在仿真中的应用264.5 结论29结 论31参考文献32附 录33致 谢34第1章 绪论 电力电缆在运行中易受到多种因素的影响而发生故障，威胁系统的安全可靠性，因此迅速、准确地探测出电缆故障并对其进行分析，对提高供电可靠性、减少故障修复费用及停电损失具有重要理论意义和实用价值1。目前，线路

10、保护已经进入微机保护时代，电力系统继电保护中的信号处理仍以分析为主，同时考虑到电力运行实际情况，在Matlab/Simulink平台下更好的运用仿真手段更突出了现实意义。1.1 MATLAB及SimPowerSystem简介 MATLAB是Matrix Laboratory(矩阵实验室)的缩写，由Mathworke公司开发的一套功能强大的软件，最早它主要用于科学计算。后来随着MATLAB功能的不断增强和应用的普及，很多领域的专家为MATLAB写了专门的工具箱，用以拓展MATLAB的功能，这大大扩大了MATLAB的应用范围。所以现在的MATLAB已不仅仅局限与现代控制系统分析和综合应用，它已是一

11、种包罗众多学科的功能强大的技术计算语言，是当今世界上最优秀的数值计算软件之一。它强大的科学运算与可视化功能，简单易用，开放式可扩展环境，特别是所附带的30多种面向不同领域的工具箱支持，使得它在许多科学领域中成为计算机辅助设计和分析，算法研究和应用开发的基本工具和首选平台2。 MATLAB环境下的Simulink 是用于对复杂动态系统进行建模和仿真的图形化交互式平台。运行于Simulink下的PSB(Power System Blockset)是针对电力系统的工具箱，从Matlab 6.0开始它被重新命名为SPS(SimPowerSystem)。SimPowerSystem是以Hydro-Que

12、bec研究中心的专家为主的MATLAB的开发的工具箱，主要用于电力系统，电子电路的仿真。随着MATLAB的不断升级，SimPowerSystem也得到了很大的发展。现在，从MATLAB13版的开始，SimPowerSystem和SimMechanies一起作为现实模型产品族的成员，结合Simulink的使用，可以仿真电气，机械以及控制系统。使用SimPowerSystem，不需要学习复杂的软件命令，编写软件代码，用户可以专注于物理模型本身，通过与实际电路图非常相似的符号，表示复杂的电网，这有助于大大提高仿真的效率。1.2 配电网的故障现状及分析 电力系统中压配电网一般采用不直接接地或经消弧线圈

13、接地方式，因其发生接地故障时，流过接地点的电流小，所以称为小电流接地系统。此系统中接地故障最高，由于三个线电压仍然对称，不影响负荷连续供电，故不必立即跳闸，但接地后非故障相电压会升高，长时间带故障运行会影响系统安全，因此需要对故障时刻和故障线路进行检测。另外故障初期接地点常常伴有很大的接地电阻，各次谐波电流分量很小这将影响故障检测的灵敏度。因此，需要具有很强的处理微弱信号能力的数字信号处理方法去分析非平稳信号。 对配电网接地短路故障的研究，主要有利用短路后的稳态分量、谐波分量和暂态分量等几种方法。利用故障后的稳态分量进行故障检测，存在的问题是接地稳态分量太小常导致选线装置不能正确动作而且该方法

14、要求有一个持续的稳态短路过程因此在发生间歇性电弧接地时便不再适用，因此利用能对突变的微弱的非平稳故障信号进行精确处理的小波分析理论，可以很好地分析电力系统电磁暂态过程并提取出故障特征。 电力系统暂态功角稳定控制是电力系统稳定运行的第一道防线。暂态稳定性是指电力系统在受到大干扰(如短路故障，突然增加或减少发电机出力、大量负荷，突然断开线路等)后，各同步发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力。通常指第一或第二振荡周期不失步3。提高电力系统暂态稳定性的措施是多样的。 论文以单机无穷大系统为例。主要对电力系统稳定器、快速切除故障、单相自动重合闸等措施在提高电力系统暂态稳定性方面的

15、作用运用MATLAB的电力系统仿真模块集SimPowerSystems BIockset(以下简称SPS)进行仿真分析。备注：相对于Matlab6.0以前的PSB而言，SPS具有以下两方面改进：1)增加了滤去直流与谐波分量计算的相量法，取消了电气状态量不能跃变的约束， 将计算内容固定为额定频率下的交流量，仿真步长因此可由微秒级提高到毫秒级，从而减少了仿真步数、缩短了仿真时间。2)求解相量方程时，SPS采用了隐式梯形法，克服了微分与代数方程之间的交接误差而且具有良好的稳定性。由于对步长具有较好的鲁棒性，用户可以选择Simulink微分方程解算器提供的专门针对刚性系统的变步长数值积分方法，使解算器

16、视状态量变化趋势自动选择每一步的步长，而无须通过试算确定。1.3 暂态稳定仿真流程 由于电力系统的动态仿真研究将不能在实验室进行的电力系统运行模拟得以实现4。因此在判定一个电力系统设计的可行性时，都可以首先在计算机上进行动态仿真研究，它的突出优点是可行、简便、经济。Matlab电力系统工具箱包含的模块有：Electrical Sources(电源库)、Elements(元件库)、PowerElectronics(电力电子元件库)、Machines(电机库)、Connectors(连接器库)、Measurements(测量仪器库)、Extra Library(附加元件库)、Demos(示例库)、

17、Powergui(图形用户界面graphical user interface)等。 为了研究电力系统的特性，搭建的系统应最大限度的再现实际中的电力系统。利用模块库中封装好的模块搭建系统，对各环节元件作了一定的理想化。对各元件的参数也作了一定的取舍与简化，随着模块库的不断更新与完善，利用已有模块搭建的系统基本能模拟实际电力系统的特性，成为对电力系统进行分析、设计、仿真的一个有力工具5。SPS仿真电力系统流程图如图1-1所示： 图1-1 SPS仿真电力系统流程图第2章 单机无穷大暂态稳定仿真分析 电力系统稳定性问题是指电力系统运行中受到扰动后能否保持发电机间同步运行的问题，根据扰动大小所确定的稳

18、态问题的性质，把它分为静态稳定和暂态稳定。所谓电力系统静态稳定性，一般是指电力系统在运行中受到微小扰动后，独立地恢复到它原来的运行状态的能力。电力系统的暂态稳定是指电力系统在某个运行情况下突然受到大的干扰后，能否经过暂态过程达到新的稳态运行状态或者恢复到原来的状态。这里所谓的大干扰，是相对于小干扰而言的。如果系统受到大的干扰后仍能达到稳定运行，则系统在这种运行情况下是暂态稳定的。反之，如果系统受到大的干扰后不能建立稳态运行状态，而是各发电机组转子间一直有相对运动，相对角不断变化，因而系统的功率电流和电压都不断振荡，以至整个系统不能再继续运行下去，则称为系统在这种运行情况下不能保持暂态稳定6。2

19、.1 复杂电力系统暂态稳定性分析引起电力系统大扰动的原因主要有下列几种：1) 负荷的突然变化，如投入或切除大容量的用户等； 2) 切除或投入系统的主要原件，如发电机，变压器及线路等； 3) 发生短路故障。 其中短路故障的扰动最为厉害，常以此作为检验系统是否具有暂态稳定的依据。而且短路故障中，单相接地短路故障最多。在发生短路的情况下，电力系统从一种状态激烈变化到另一种状态，产生复杂的暂态现象。在三相系统中，可能发生的短路有：三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路等。当动态电路从某一稳定状态转换到另一稳定状态时，一些物理量(如电容电压，电感电流等)并不会突变，而是需要一定时间。在这期间，电

20、路将呈现出不同于稳态的特别现象，即电路的过渡过程或暂态现象。分析电路的暂态现象时，可建立电压电流的微分方程，并按初始来求解。MATLAB提供了常微分方程初值问题的数值解法，对于稳态一般用快速而准确的ode45函数，对于暂态一般用ode23函数。也可采用自适应变不长的求解方法，即当解的变化较快时，步长会自动的变小，从而提高计算精度。2.2 单机无穷大系统原理电力系统运行稳定分析中，常采用的模型是单机对无穷大系统(SIMB)，单机无穷大系统认为功率无穷大，频率恒定，电压恒定，是工程上最常用的手段，也是电力系统模拟仿真最简单、最基本的的运行方式，即对现实进行近似处理，以简化模型，更有利于得出结论，简

21、化计算过程。无输电线的单机无穷大系统原理图如2-1所示：图2-1 无输电线的单机无穷大系统原理图假定联络阻抗为纯电感，则由发电机向无穷大系统送出去的有功功率的P为： (2-1)式中包括发电机阻抗在内的发电机电动势到无穷大系统母线的总阻抗。其中功角；发电机电势；系统母线电压。假定在发电机高压母线上发生三相金属性短路。时刻切除故障，可以将采用仿真来观察发电机运行情况。在我国，目前仍然以三相短路作为考核暂态稳定的扰动模式之一。因此在以下的仿真中采用的故障形式为短路故障为主，考虑到PSS(Power System Stabilizer 属于Simulink下SimPowerSystem库的machin

22、es分支下的模块)作为励磁系统的一个子模块，它的输出时励磁输入信号的一种，通过On-Off开关控制投退。专门为抑制低频振荡而研究的一种附加励磁控制技术。它在励磁电压调节器中，引入领先于轴速度的附加信号，产生一个正阻尼转矩，去克服原励磁电压调节器中产生的负阻尼转矩作用。用于提高电力系统阻尼、解决低频振荡问题，是提高电力系统动态稳定性的重要措施之一。它抽取与此振荡有关的信号，如发电机有功功率、转速或频率，加以处理，产生的附加信号加到励磁调节器中，使发电机产生阻尼低频振荡的附加力矩。2.3 结论PSS能有效改善阻尼低频振荡，是提高电力系统小信号稳定成本最低、收效最大的方法。因此短路故障仿真和PSS模

23、块的应用结合是研究电力系统稳定的重要手段。第3章 电力系统稳定器数学模型及仿真20世纪70年代发展起来的电力系统稳定器是科学技术上的一项突破，对于世界上各国大型电力系统的运行，产生了重大的影响，在研究方法上也给予人们重要的启示。它的出现不是完全依靠理论及数学上的方法构造或设计出来的，而是在人们长期的工程实践中，根据对于物理过程的深刻理解，结合控制理论及电子技术发展起来的。可以说，它是理论与实践相互结合的一个范例7。由于励磁调节器、励磁系统及发电机磁场绕组的相位滞后特性，使电压调节器产生了相位滞后于功角并与转速变化反相位的负阻尼转矩，这就是电压调节过分灵敏时产生振荡的原因。这样，在励磁系统中采用

24、某个附加信号，经过相位补偿，使其产生正阻尼转矩的想法就自然产生了。将这个想法用硬件加以实现，就构成了电力系统稳定器。本章通过以海佛容一飞利蒲斯(HeffronPhilips)模型为依据，分析了发电机同步转矩及阻尼转矩，确定了励磁控制系统的作用可以等效为提供了附加的阻尼及同步转矩，而系统的机电振荡频率主要是由发电机转子机械惯性环节决定的。这样，根据一定性能指标就可以计算出稳定器应该补偿的角度及稳定器的参数。 本章将由数学模型人手，介绍有关电力系统稳定器的基本原理、分析及设计方法。3.1 电力系统低频振荡的简化模型(Heffron-Philips模型)下图3-1所示为单机无穷大系统：图3-1 单机

25、无穷大系统在上图中所示的单机无穷大系统中，如果略去同步电机的定子电阻、定子电流的直流分量(即认为)，以及阻尼绕组的作用，并且认为在小扰动过程中，发电机的转速变化很小，可以略去，则派克方程将具有下述形式 ： (3-1) (3-2) (3-3) (3-4)另外，电抗后的假想电动势为： (3-5)发电机的电磁转矩为： (3-6)如果将外电抗看作是发电机漏抗的一部分，则可得： (3-7) (3-8)由(3-7)、(3-8)可解得： (3-9) (3-10)这样，发电机的基本方程式集中在一起： (3-11) (3-12) (3-13) (3-14) (3-15) (3-16) (3-17)另外还有下述辅

26、助方程： (3-18) (3-19) (3-20) (3-21)在上面的方程式中，、以标幺值表示，t以秒表示，以秒表示，以弧度表示。如果发电机正常运转时遭到干扰，各状态量均产生偏差，各状态偏差、及表示如下8： (3-22)上也可写成： (3-23)其中： (3-24) (3-25) (3-26)其中： (3-27) (3-28) (3-29)其中： (3-30) (3-31)上述式子组成了同步电机数学模型如图3-2所示：图3-2 同步电机数学模型上述各式中的下脚标0 表示初始稳态，为同步发电机直轴同步电抗，为同步发电机的直轴暂态电抗,为同步发电机交轴同步电抗。的表达式为： (3-32)上述式中

27、的 为升压变压器电抗与线路电抗之和，上述式中下标0表示稳态初始值；式中、分别为发电机的外功角和暂态电势对电磁转矩的影响；、分别为外功角和暂态电势的变化对q 轴电势的影响；而、分别为外功角和q轴暂态电势的变化对机端电压的影响9。由于反映的是发电机转子在同步小振荡时功角的变化对发电机定子电压的影响，而定子电压偏差通常是励磁调节器电压反馈调节的主要依据，通过它可将励磁调节问题和转子的摆动联系起来。另外，发电机的功角通过和对q 轴的暂态电势产生影响，并由此影响发电机的电磁转矩，但由于电磁惯性的存在，产生的电磁转矩的变化将滞后于功角的变化，这正是产生负阻尼的原因。为了便于分析问题，我们仅考虑图3-2中的

28、电磁环节，励磁控制系统对发电机电磁功率的影响，即转子角度偏差产生电压偏差引起的电压调节器作用所产生的功率分量，得到图3-3所示：图3-3 转矩与电动势间传递函数框图整个励磁系统开环传递函数可表示为： (3-33) (3-34) (3-35)将、代入上式得： (3-36)将s=代入式(3-36)后，经过简化可得：因快速系统的很小，可以认为，而因而略去分母中第一项，则： (3-37)设则： (3-38)因s=，式子(3-38)可以表示为： (3-39)式子(3-39)表明，因磁链变化(包括电压调节器的作用)产生的转矩可以分成两个部分量，即与成比例的同步转矩及与转速成比例的阻尼转矩，其中： (3-4

29、0) (3-41)设，则：及分别称为同步转矩系数及阻尼转矩系数。式(3-40)、式(3-41)表示有电压调节器时的同步及阻尼转矩系数，它们与K5有关。在大功角的条件下，由于 0的局面。从物理意义上理解，即： (3-42)即功角增大，发电机端电压升高。如果由于某种原因引发了一个的功角变化，即转子有了一个加速向前的摆动，由此引起发电机端电压变化，即电压升高；这时励磁调节器将做出使转子励磁电压降低的反应。显然励磁调节器的这种反应减小了电机的同步力矩，是不利于限制转子摆幅的。从这里我们可以看到，在维持发电机端电压恒定和保证发电机稳定运行，这两种对励磁调节的需求之间是存在着一定矛盾的，在实际的生产中必需

30、对二者进行协调。当发电机运行在大功率角时， 0，此时： (3-43)如转子有一个加速向前的摆动，此时发电机电压下降，励磁调节器作用于增加励磁电压，这虽然是我们所需要的，然而，由于转子电磁惯性或调节器滞后环节(如积分环节) 的存在，这一调节作用产生的转子电流变化在相位上将滞后于发电机转子电压的变化，以至当转子转而向回摆动时，此时转子电流仍然很大，这将使得发电机电磁力矩仍具有很大的数值，其影响是使回摆力度增大，从而使转子摆幅加大；如此转子在摆动过程中因上述滞后效应而使摆动能量逐次积累而不断加大，从而又使摆幅不断加大，形成的结果正是自发振荡，这就是负阻尼形成的物理机制。3.2 Power Syste

31、m Stabilizator的传递函数如前所述，励磁系统和发电机绕组具有相位滞后的特性，这个滞后的相位角可以被表达为： (3-44)式中，是低频振荡频率， ，。、分别代表励磁系统时间常数的增益和惯性时间常数。，为输电线路电抗。为了抵消这个滞后相角，PSS必须有超前环节。通常超前环节是两级，其传递函数可以表示为：PSS是为了抑制低频振荡而设置的，正常运行时，PSS不应当起作用，在低频振荡发生时，PSS才起作用，只有这样才不致影响正常运行时励磁控制系统的常规功能。为了使得采用附加信号的PSS不致对发电机的电压产生持续的影响，PSS还需要一个隔离信号稳态值的环节，.其传递函数为KcTs/(1+Ts)

32、，它是一个实际的微分环节，只提取变化量而隔离稳态值。式中Kc是PSS的放大倍数，用以调节所提供的阻尼的大小，使用时按需要来整定。3.3 电力系统稳定器本文主要研究的是以发电机转速为输入信号的电力系统稳定器。3.3.1 发电机轴转速信号稳定器转速信号稳定器与发电机的连接，转速信号通过稳定器(其传递函数为)送到电压调节器参考点。由稳定器提供的附加电磁转矩为： (3-45)其中： (3-46)是稳定器作用必须经过的设备的传递函数，它反映了励磁系统，发电机及电力系统的特性。环节具有下述性质：(1)由于系数是随着负荷的增加而增大的，而是随着负荷的增大而减小的，因而的增益是随负荷的增大而增大的。所以我们说

33、，稳定器的作用，即稳定器产生的阻尼转矩也是随负荷增加而增大的。这是所希望的，有利于稳定器的适应性。(2)因为、也随线路阻抗而改变： (3-47) (3-48)数值较大，数值较小，当系统结构增强时，即线路阻抗减小时，增大，而减小，的增益增大，也即是稳定器的作用增大，增大，并且的相位滞后也要增大(因为)变大。3.3.2 速度信号稳定器利用系统结构最强(最小)及满负荷的运行方式来调整参数。因为这时稳定器回路具有最大增益，同时它要补偿的滞后角最大。注意，这是从安全的角度，即从避免因稳定器作用过强产生振荡的角度提出来的。但是，当发电机与系统联系变弱时，也就是更需要稳定器的阻尼作用时，它的作用却减小了，这

34、是以速度为信号的稳定器的第一个特点。它的第二个特点是，为了补偿励磁系统的相位滞后，以速度为信号的稳定器必须采用领先网络，这种网络高频段的增益较大，因而对于噪声干扰要特别加以考虑，尤其是转轴本身的扭转振荡(大约在20周期左右)，通过转速信号传人稳定器，使振荡加剧，这时就需要设置专门的带阻滤波器。第三个特点是，转速的测量是用机械的方法，比起电气量(如频率)要困难，精度也不高。而且有时为了避免引入转轴本身扭转振荡，还需要将测量转速的传感器装置在大轴扭转振荡的波节处，这也增加测转速的麻烦。3.3.3 电功率信号稳定器前面已经分析过，以电功率负值为信号的稳定器，当原动机功率不变时，它相当于过剩功率或加速

35、功率，所以稳定器网络所需补偿的角度减小，甚至具有相角滞后特性，也就是说，对高频端增益将衰减，这对于防止轴扭转振荡，干扰及噪声有很大的好处。这是以功率为信号的稳定器最大优点。但是当快速增加或减小原动机的功率时，它的“反调作用”是有害的，尤其是当工作到人工稳定区时，这种反调作用会使静态功率极限下降。所以对远距离送电的发电机组，使用这种信号仍不够满足需求。由于电功率稳定器，要使功率信号通过滞后网络或是积分环节变成速度信号，所以这种稳定器对于负荷的变化及系统强弱的变化，与速度稳定器大体相同。3.4 MATLAB仿真模型仿真建立的仿真系统包括同步发电机(1000MW)、升压变压器、模拟负载、励磁调节器、

36、电力系统稳定器、电网电源等设备，采用MATLAB仿真软件，建立了基于MATLAB/Simulink的单机无穷大系统仿真模型，并在Simulink环境下进行了仿真。SimPower System中提供了大量的仿真模型，这使得仿真系统构造非常方便，图3-4 就是MATLAB提供的励磁控制器模型。整个仿真系统绝大多数的元件都是由MATLAB/Simulink提供，为了保证问题研究具有普遍性，本文以单机无穷大系统作为研究对象，同时依据问题研究的侧重点，忽略原动机的出力变化，即认为原动机供给同步发电机恒定的机械功率，这时候的整个机组工作在恒功率运行状态。下图为MATLAB/Simulink中供励磁控制器

37、模型：图3-4 励磁控制器模型励磁控制器参数如下：，。其中为传感器时间常数，为放大倍数，为晶闸管整流时间常数， 为滞后时间常数，为超前时间常数，为负反馈放大倍数， 阻尼绕组时间常数，和为励磁电压输出限幅。电力系统稳定器仿真模型如图3-5所示：图3-5 电力系统稳定器模型当以转速偏差为PSS输入信号时，PSS参数设置如下：，5，5其中为传感器时间常数，为隔直时间常数，、为PSS超前时间常数，、为PSS滞后时间常数，和为输出限幅。本次仿真选出需要用到如下模块： (1)Powerlib电力系统工具箱： Electrical Sources 中的 Three-Phase Source(三相电源)模块

38、Element中的Three-Phase Parallel RLC Load(三相负载RLC并联)模块和Ground(交流接地)模块 以及 Three-Phase Breaker(三相断路器)模块，Three-Phase Fault(三相故障整流器)模块，Distributed Parameters Line(分布参数线路)模块，Three-Phase Transformer(Two Windings)(三相变压器绕组)模块 Machines里Synchronous Machine pu Standad(标么标准同步电机) 模块，Excitation System(励磁系统)模块，Generi

39、c Power System Stabilizer(通用电力系统稳定器)模块 Measurements里Voltage Measurement(电压测量)模块 powergui 模块 (2)Simulink常用工具箱： Simulink 模块集Commonly Used Blocks (常用模块)下的 Constant(常量)模块，Demux(多路分配器)模块，Gain (获得)模块，Ground模块(直流)，Scope (显示器)模块，Sum(求和)模块 Signal Routing(信号路由)模块库下的 Manual Switch (手动开关)模块 SimPowerSystem(电力系统)

40、模块库下的Machines集中Machines Measurement Demux(电机测量复合)模块，需要双击设置相关的输入输出接口。对各个模块连线并进行相关参数进行设置得到单机无穷大系统仿真模型为：图3-6 单机无穷大系统Simulink仿真模型3.5 各种提高暂态稳定性措施的运行效果仿真由于大扰动后发电机机械功率和电磁功率的差额(即加速功率Pm-Pe)是导致系统暂态稳定破坏的主要原因。因此减少大扰动后发电机的加速功率是首先考虑的措施。因此提高电力系统暂态稳定性的一些有效措施，包括电力系统稳定器、快速切除故障、故障限流器、自适应单相自动重合闸等，进行仿真分析。设置线路L2出口处发生短路故障

41、(故障发生时间均定在ls)作为对系统的大扰动。在进行动态仿真时分别设置以下的一些情况：设置线路L2出口处发生短路故障(故障时间均发生在1S)作为对系统最大的扰动。在进行动态仿真时分别设置以下的一些情况：线路L2出口处发生单相接地短路，1.3S时切除故障，对电力系统稳定器PSS的效果进行分析(PSS可通过切换开关进行投退)，仿真结果见图3-7所示：图3-7 (1.3S切除 未加PSS)结论分析：未投入PSS时，尽管采用了快速切除故障的措施。由于系统本身有延迟，故障断开之后仍然出现短时间的震荡，3.05秒后趋于稳定。 图3-8 (1.3S切除 加有PSS)结论分析：可知，对于单相接地短路故障，采用

42、PSS可有效地增加系统对振荡的阻尼效果，使波形更平缓，同时对其它故障谐波有一定的消除作用，1.7秒后趋于稳定。线路L2出口处发生单相接地短路，在1.6S是切除故障，仿真时附加PSS，仿真结果见图2所示；将此仿真效果与(1)中的1.3S时切除故障的仿真结果进行比较，对快速切除故障的效果进行分析。 图3-9 (1.6S切除 未加PSS) 结论分析：未投入PSS时，系统发生故障时暂时失去稳定性，造成的波动较大，稳定性较差，震荡持续时间较长，2.6秒后趋于稳定。 图3-10 (1.6S切除 加有PSS)结论分析：采用PSS可有效地减弱系统的阻尼振荡效果，1.3秒后使系统迅速地趋向稳定。线路L2出口处发

43、生三相接地短路，1.3S时切除故障，仿真时不加PSS，对自适应单相重合闸的效果进行分析，3.3S时重合L2故障相(A相)，仿真结果见图3-11。图3-11 (三相接地短路)结论分析：由于三相接地短路，系统脱离暂态稳定状态，随着时间增加相电流会在短时间内迅速增加，此时系统崩溃。短路故障的类型和发生及切除时间可由三相短路模块(Three-Phase Fault)进行设置。动态仿真时选择ode23tb，并采用略去直流分量和其他复杂滤波分量的Phasors法，可显著地加快仿真速度。由可知，对于单相接地短路这样故障形式，采用PSS可有效地增加系统的阻尼振荡效果，使系统迅速地趋向稳定；而未投入PSS时，尽

44、管采用了快速切除故障的措施，系统稳定性较差。在系统附加PSS的前提下。对比图3-10的慢切除故障和图3-8中快速切除故障的发电机运行指标的仿真运行结果可见快速切除故障对于提高电力系统暂态稳定性有着决定性的作用。电力系统稳定器PSS模块的输入信号即可采用发电机加速功率的Pa=Pm-Pe(p.u)也可以采用转子角速度变化量d(p.u)，本仿真采用后一种。而未投入PSS时，尽管采用了快速切除故障的措施，系统仍失去了稳定性。同时采用自动重合闸也是提高系统暂态稳定性的一个有效经济地方法，本次稳态故障仿真对自适应单相重合闸的效果进行仿真分析。与传统的单相重合闸不同，自适应重合闸不是盲目进行，可在重合前判别

45、单相接地短路故障的性质，若为永久性故障，则重合闭锁；若为瞬时性故障，则重合进行闭锁；若为瞬时性故障，则重合进行。由上可知，若单相接地短路为瞬时性故障，重合成功可有效提高系统的暂态稳定性。由于高压架空线路以发生瞬时性单相接地短路故障居多(占线路故障的70%-80%)，而一般重合闸的成功率可达90%以上，因此单相重合闸的使用可以提高供电的可靠性和暂态稳定性。3.6 结论MATLAB SPS集直观性、技巧性和操作的简易性于一身，是一款较优秀的电力系统仿真软件，同时SPS提供丰富的Help文档，有利于使用者进行学习。本次仿真以单机无穷大系统为对象进行仿真。分析了运行故障对稳态的干扰，对实际电力系统暂态

46、稳定具有参考价值，仿真实践表明，SPS是电力系统机电暂态稳定分析的有力工具。第4章 信号特征提取小波分析可以对信号特征进行检测提取。与Fourier变换相比，小波变换是时间(空间)频率的局部化分析，它通过伸缩平移运算对信号(函数)逐步进行多尺度细化，最终达到高频处时间细分，低频处频率细分，能自动适应时频信号分析的要求，从而可聚焦到信号的任意细节，解决了Fourier变换的困难问题，小波变换对信号特征的提取，成为继Fourier变换以来在科学方法上的重大突破10。4.1 小波变换的基本理论及应用小波分析是当前应用数学中一个迅速发展的新领域。与Fourier变换、窗口Fourier变换(Gabor

47、变换)相比，小波变换是空间(时间)和频率的局域变换，通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度细化分析，解决了Fourier变换不能解决的许多困难问题，小波分析在电力系统中的应用虽然起步较晚，但近几年发展很迅速，成为研究的热点，内容已涉及许多领域，利用小波分析良好的时频局部化特性，实现对频带信息的提取，为仅利用某频率(或频带)信息而实现目标的算法，提供一种有效的预处理方法；实现时变谐波检测；对现场信号实现有效的信噪分离；提取和识别电力系统故障特征信息等。小波变换的优点在于其分频特性，可以将信号中不同的频率成分分解出来，从而能够更加清晰的提取出各线路零序电流信号中某频段注入响应信号的时域特征

48、，为故障选线中进行特征信息的提取提供了依据11。4.2 小波函数的选择 小波函数在理论上有无限多种，由其引出的小波基所具有的性质也各不相同，可以满足各种问题的需要。但对同一个信号利用不同的小波基进行处理，取得的效果并不相同，甚至差异较大。所以为了得到令人满意的结果，就必须对小波函数进行适当的选取。通常的做法是把各种小波函数分类，并总结出每类小波函数的性质和特点，结合要解决的问题来确定使用哪一类，并在该类中进行试验比较来确定使用哪一个小波函数。小波母函数的选取，要根据实际需要，要求小波母函数具有某些性质，如正交性、对称性、正则性、消失矩的阶数等等12。正交性使小波变换具有快速算法；对称性则使得小

49、波变换具有线性相位；正则性对于信号或图像的重构获得较好的平滑效果是非常有用的。小波函数的消失矩越高，则对于信号的奇异性检测比较有利。时域支撑区太长的小波母函数将不利于计算速度的提高，因此，在需要考虑计算时间消耗的场合，应优先用时域支撑区较短的小波母函数。 (4-1) (1)f (t)是要进行变换的函数它必须满足平方可积条件即 。这个条件保证f(t)是一个有限能量的函数这是小波变换收敛的必要条件在工程上所处理的信号一般情况下都是有限能量的因此这个条件容易满足13。 (2)y (t) 是母小波或基小波函数之所以这样称呼是因为在变换中由它的伸缩和平移会派生出一系列小波函数： (4-2)为了区别母小波

50、或基小波函数y (t) 我们称伸缩平移而成的一族函数为子小波或子波。并不是任何函数都可以作为母小波函数，它必须满足容许条件： (4-3)其中的傅立叶变换容许条件的提出主要保证小波变换的反变换存在因为任何变换都必须存在反变换才有实际意义。常用的基本小波中 Haar小波是最简单的小波函数。它的函数定义为： (4-4)Haar小波有很多优点，如： (1)Haar计算简单，因为小波仅取+1和-1； (2)Haar小波在时域是紧支撑的，即其非零区间为(0，1)；(3)Haar波是对称的。Haar小波是目前唯一一个既具有对称型又是有限支撑的正交小波。但Haar小波是不连续小波，由于，因此=0处只有一阶零点

51、，这就使得Haar小波在实际的信号分析与处理中受到了限制。综合来说本论文中Haar小波对于这种仿真信号还是非常完美的。 4.3 Haar小波变换原理对于数字信号序列进行Haar小波变换，可由下列公式直接进行离散化，用小波系数来表征变化结果，则有下面的形式： (4-5) 其算法由下图表示：图4-1 Haar小波原理表示高通滤波器，表示低通滤波器，2表示下抽样。4.4 小波变换在仿真中的应用在Matlab中利用小波变换程序对仿真结果进行信号特征提取，小波变换程序见附录(2S短路，2.6S恢复)特征提取图像为：图4-2 未处理的原始时域信号图4-3 第一次小波变换提取的高频分量结论：故障发生瞬间，对

52、信号进行小波变换后会产生明显的突变高频分量，由于对信号进行第一次小波分解，突变非常明显，最开始突变为故障发生时，第二次突变为故障切除时，对故障分析为单相接地短路故障，每个采样点时间间隔为0.001S。 图4-4 第二次小波变换后的高频分量结论：由于对第一次分解后的低频部分进行第二次小波变换，其中电网系统的延迟和信号故障的噪声对小波变化的干扰，在第二次的小波变换中，突变的高频分量包含了许多小的干扰噪声，显示了小波变换的多尺度分析，把对系统产生影响的高频信号进行了更清晰的分解。对比(2S短路，2.6S恢复)，现在设定短路故障时间为(3S短路，3.6S恢复)特征提取图像为： 图4-5 未处理的原始时

53、域信号 图4-6 第一次小波变换提取的高频分量图4-7 第二次小波变换后的高频分量结论：当故障时间由(2S短路，2.6S恢复)改为(3S短路，3.6S恢复)，小波变换后的波形与时频无关，同种故障在其它参数都一致的情况下小波变换后的小波图像几乎完全一致。只要系统突变，突变点就会被检测出来，由此可知，对于任何未知的故障信号，经过小波变换后，可以把某个突变点发生的高频分量检测出来，故障开始和结束都会产生这样的信号，每个采样点时间间隔为0.001S14。4.5 结论小波变换具有表征信号突变特征的能力以及对非平稳信号的良好的处理效果，本质上是一滤波过程，但它优于传统的数字滤波方法。子波分析方法对弱信号实时处理的结果表明，小波变换方法可以根据信号和噪声的不同特性进行非线性滤波，在改善信噪比的同时，具有很高的时间(位置) 分辨率，而且对信号的形式不敏感，这是传统的滤波方法所无法比拟的。因此，小波变换方法特别适合于弱信号的检测和定位，本文通过实例说明，若将该方法应用到电力系统短路故障的诊断中，快速实现故障的自动诊断，对于提高电力系统的稳定性具有十分重要的意义。结 论随着现代电力系统的