电力工程基础实验二：电力系统自动重合闸仿真分析一、实验目的1、了解电力系统自动重合闸的意义2、熟悉matlab中电力元件库3、了解matlab进行电力系统仿真的方法和步骤二、实验原理1电力系统的数学模型电力系统一般由发电机、变压器、电力线路和电力负荷构成。
电力系统的数学模型一般是由电力系统元件的数学模型组合构成。
MATLAB为电力系统的建模提供了简洁的工具，通过电力系统的电路图绘制，可以自动生成数学模型。
1．1电力系统元件库启动和退出电力系统元件库启动电力系统元件库的方法有几种，下面介绍两种最简单的方法。
(1)利用指令窗口（Command Windows）启动：在指令窗口中键入powerlib单击回车，则MATLAB软件中弹出电力系统元件对话框（powerlib）(2)利用开始（Start）导航区启动：单击开始按钮，选择仿真（Simulink）命令，再选择电力系统仿真命令（SimPowerSystem）,在弹出的对话框中选择电力系统元件库（Block Library）命令即可2．电力系统元件库简介在电力系统元件库对话框中包含了10类库元件，分别是电源元件（Electrical Sources）演示教程（Demos）、线路元件（Elements）附加元件（Extras）电力电子元件（Power Electronics）电机元件（Machines）电力图形用户接口（Powergui）连接器元件（Connectors）电力系统元件库模型（Powelib_models电路测量仪器（Measurements）1）电源元件●（1）直流电压源元件（DC Voltage Source）●直流电压源元件在电力系统中可以用来实现一个直流的电压源，如操作电源等。
MATLAB软件提供的直流电源为理想的直流电压源。
●（2）交流电压源元件（AC Voltage Source）●交流电压源可以用来实现理想的单相正弦交流电压。
●（3）交流电流源元件（AC Current Source）●MATLAB软件提供的交流电流源为一理想电流源●（4）受控电压源元件（Controlled Voltage Source）●MATLAB软件提供的受控电压源是由激励信号源控制的，激励源可以是交流激励源也可以是直流激励源。
●（5）受控电流源元件（Controlled Current Source）●（6）三相电源元件（3-Phase Source）●三相电源元件是电力系统设计中最常见的电路元件，也是最重要的元件，其运行特性对电力系统的运行状态起到决定性的作用。
三相电源元件提供了带有串联RL支路的三相电源。
●（7）三相可编程电压源元件（3-Phase Programmable Voltage Source）●三相可编程电压源是可以对其进行编程的三相电压源，它的幅值、相位、频率、谐波均可随时间进行变化，应用非常灵活。
其主要作用是提供一个幅值、相位、频率、基频分量进行实时变性编程的三相电压源；此外，还可以提供两个谐波分量，作用于基频信号。
2）线路元件线路元件库包括各种线性网络电路元件和非线性网络电路元件，线路元件共有4类分别是：支路元件（Elements）断路器元件（Circuit Breakers）变压器元件（Transformers）输配电线路元件（Lines）（1）支路元件（Elements）支路元件用来实现各种串并联支路或者负载元件，它包括12种元件（2）输配电线路元件（Lines）在电力系统设计和分析中，输配电线路一般用各种类型的等值电路来进行简化以便于简化分析。
输配电线路元件的作用就是构成各种线路的等值电路，在输配电线路元件中包括3种元件（3）断路器元件（Circuit Breakers）在电力系统中，断路器的作用是通断高压电力线路，可靠地接通或切断有载电路和故障电路。
断路器元件就是用来实现各种电路中的高压断路器。
在断路器元件中包括3种元件（4）变压器元件（Transformers）在电力系统中，电力变压器是最重要的电气设备，其作用是进行能量的传输并改变电压的等级。
变压器的种类有很多种，变压器元件就是用来设计实现各种类型的变压器。
在变压器元件种包括6种元件3）其他元件在电力系统元件库中还有其他元件：电力电子元件（Power Electronics）、电机元件（Machines）、连接器元件（Connectors）、电路测量仪器（Measurements）、附加元件（Extras），这些元件都具有特定的功能3．示例●下面以简单的例子来介绍如何使用这些电气元件。
●例1：交流电压源的叠加●设计的交流电路如图1所示，在此电路图中，交流电压源的幅值、频率、相位均不相同，可以通过仿真结果直接对各自电压源的输出和他们的叠加结果进行分析，这种分析方法简单、直接。
●电路图设计步骤●（1）从电源元件库选择交流电压源元件，复制后粘贴在电路图中。
●步骤1：将电压源元件改名为U1●步骤2：双击交流电压源元件，对交流电压源元件的参数进行如下设置：图1 交流电压源的叠加电路图峰值振幅（Peak Amplitude ）：100初始相位（Phase ）：30频率（Frequency ）：60采样时间（Sample time ）：0测量选项（Measurements ）：选择不测量电气量步骤1：复制交流电压源元件并改名为U2步骤2：双击交流电压源元件，对交流电压源元件的参数进行如下设置： 峰值振幅（Peak Amplitude ）：75初始相位（Phase ）：60频率（Frequency ）：50采样时间（Sample time ）：0测量选项（Measurements ）：选择不测量电气量)6120sin(1001ππ+=t u )3100sin(752ππ+=t u（2）从线路元件库中选择串联RLC 支路对串联RLC 支路元件的参数进行如下设置：电阻（Resistance R ） 200电感（Inductance L ） 100e-3电容（Capacitance C）150e-6测量选项（Measurements）：选择不测量电气量（3）从电路测量仪器中选择电压计元件，复制后粘贴于电路图中。
（4）在仿真元件库（Simulink Liberary）中选择示波器，复制示波器并改变其名称为1。
（5）从连接元件库（Connectors）中选择接地及相应的元件进行合理的放置。
对该电路图进行接线，就可以完成电路图的绘制。
在接线时，如果提示颜色为红色，则表示在接线时出现了错误。
●仿真参数设置●在电路图菜单选项中，选择仿真（Simulation）菜单，激活仿真参数（Simulation Parameters）命令，即可弹出仿真参数对话框，根据相应选项对其进行设置：●开始时间（Start time）：0●停止时间（Stop time）：0.4●求解程序类型（Type）选项：可变步长（Variable），Ode45(Domand-Price) ●最大步长（Max step size）选项：自动（Auto）●最小步长（Min step size）选项：自动（Auto）●初始步长（Initial step size）选项：自动（Auto）●相对容差（Relative tolerance）选项：1e-3●绝对容差（Absolute tolerance）选项：1e-6●仿真结果及分析●合理设置示波器参数后，激活仿真按钮，得到仿真结果如图所示。
示波器1输出的电压波形为交流电压源U1和U2的叠加，横轴为时间轴，纵轴为电压幅值。
从仿真结果可见，在交流电路中，多个交流电压源共同作用的结果等效于一个非线性电压源。
图例1 仿真结果三、实验内容和步骤电力系统自动重合闸仿真分析，该系统电压等级为220kV，为双电源供电系统.目前我国的远距离输配电系统（220~1000kv）架空线路上，由于相间距离大，运行经验表明短路故障中大多都是单相接地短路。
在这种情况下，如果只把短路的那一相断开，其他两相仍然可以继续运行，就可以大大提高供电的可靠性和系统并列运行的稳定性。
这种方式的重合闸就叫做单相重合闸。
如果线路发生的事瞬时故障，则单相自动重合闸成功，则三相线路恢复正常运行。
如果是永久性故障，单相重合闸后，在继电器和断路器的作用下，故障相又一次被切除。
断路器二次跳闸后一般不会再次合闸。
220kv以上的断路器都是按相操作的，这样可以保证稳定性。
1）电路图设计按照前面介绍的建立电路图模型的方法建立如图所示的电路图模型。
2）仿真参数设置同步发电（Simplified Synchronous Machine）：连接类型：3线Y型连接；额定参数：[500e6 13.8e3 50]；机械参数：[56290 0.3 2]；内部阻抗：[1.9845 263.15e-3]；初始条件：[0.2 0 0,0,0 0,0,0]；三相变压器（3-Phase Transformer）额定功率和频率：[500e6 50]；一次绕组连接方式：三角形连接；一次绕组参数：[13.8e3 0.002 0.08]；二次绕组连接方式：星形连接；二次绕组参数：[220e3 0.002 0.08]；饱和铁芯：对三相变压器的饱和特性进行仿真；磁阻：200p.u励磁电感： 200p.u;等值线路元件：线路相数：3；频率：50HZ；单位长度电阻：[0.01165 0.2676];单位长度电感：[0.8679e-3 3.008e-3];单位长度电容：[13.41e-9 8.57e-9];线路长度：150km；测量：选择不测量电气量；三相电压源（3-Phase Source）：相电压有效值：220e3V；A相相角：0°；频率：50HZ；内部连接方式：Y型（表示三相电源Y型连接，中性点不接地）；三相短路电压：200e6；基准电压：220e6;设置三相串联RLC负载参数：三相串联RLC负载（Three-Phase series RLC load）如图 7：相电压：220e3V；频率：50HZ；三相有功功率：200e6/250W;感性无功功率：200e6Var;容性无功功率：0Var;设置三相串联RLC负载参数：三相串联RLC负载（Three-Phase series RLC load）如图：相电压：13.8e3V；频率：50HZ；三相有功功率：200e6W;感性无功功率：0Var;容性无功功率：0Var;设置断路器参数：断路器初始状态：closed；转换时间：[0.04 0.08]；阻值：0.001;过渡电阻：1e5;过渡电容：inf;仿真结果及分析●（1）线路单相重合闸的仿真分析●在电路图参数进行设置时，将断路器的故障相选为A相，断路器的初始状态为闭合，说明线路正常工作；断路器的转换时间设置为[0.04 0.08]，即线路在0.04s时发生A相接地短路，断路器断开，在0.08s时断路器重合，相当于临时故障切除后线路进行重合闸。