电力系统暂态稳定性研究电气工程及其自动化毕业论文

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

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本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教

师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加

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本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研

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1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、

程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错

别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所

有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程

字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装

订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师： （签名） 单位： （盖章）

年 月 日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师： （签名） 单位： （盖章）

年 月 日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

评定成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）

年 月 日

教学系意见：

系主任： （签名）

年 月 日

摘要

随着电力工业的迅速发展，电力系统的规模日益庞大和复杂，出现的各种故

障，会给发电厂以及用户和电厂内的多种动力设备的安全带来威胁，并有可能导

致电力系统事故的扩大，从技术和安全上考虑直接进行电力试验可能性很小，迫

切要求运用电力仿真来解决这些问题，依据电网用电供电系统电路模型要求，因

此，论文利用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，能够满足电网可能遇到的多种故障方面运行的需要。

论文以MATLAB R2009b电力系统工具箱为平台，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，设计得到了在该系统发生各种

短路接地故障并故障切除的仿真结果。

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

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、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 电力系统；暂态稳定；MATLAB；单机—无穷大；

Abstract

With the rapid development of power industry, the scale of power system is

increasingly large and complex, all kinds of fault, to power plants and power plants

and urs in a variety of power equipment safety threat, and is likely to lead to the

expansion of power system accident, from the technical and safety considering direct

electricity experiment was carried out on the possibility is very small, urge electric

power simulation are ud to solve the problems, according to the power supply

system of power grid power circuit model, as a result, paper u MATLAB dynamic

simulation software Simulink has t up a simulation model for the single - infinite

power system, can satisfy the needs of the running of a fault may encounter a variety

of ways.

Paper R2009b with MATLAB toolbox power system as a platform, through

SimPowerSyetem t up power system in the operation of the common single -

infinity system model, design the various kinds of short-circuit ground fault occurs in

the system and simulation results of fault removed.

The main work is :

(1) Building this simulation system of single - infinite under Simulink

(2) Fault simulation test analysis of system

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

： —；；；

SingleinfiniteSimPowerSyetemShort circuit faultsWavelet

transform

目录

绪论................................................................ 1

第一章 电力系统稳定性概述........................................... 1

1.1 电力系统的静态稳定性........................................... 1

1.2 电力系统的暂态稳定性........................................... 1

第二章 基于MATLAB的电力系统仿真 ................................... 3

2.1 电力系统稳定运行的控制......................................... 3

2.2 MATLAB及SimPowerSystem简介 ................................... 3

2.3 配电网的故障现状及分析......................................... 4

2.4 暂态稳定仿真流程............................................... 5

第三章 单机—无穷大暂态稳定仿真分析................................. 5

3.1 电力系统暂态稳定性分析......................................... 6

3.1.1 引起电力系统大扰动的原因...................................... 6

3.1.2 定性分析...................................................... 6

3.1.3 提高电力系统稳定性的措施...................................... 8

3.2 单机—无穷大系统原理........................................... 9

第四章Simulink下SimPowerSystem模型应用 ........................... 12

4.1 仿真模型的搭建................................................ 12

4.2 运行效果仿真图................................................ 13

4.2．1 改变故障模块中的短路类型.................................... 13

4.2．2 改变系统中的元件参数(改变线路的电阻)........................ 17

4.3 加入电容补偿器后的的仿真图.................................... 18

4.4 小结.......................................................... 22

第五章 结论和展望.................................................. 22

参考文献........................................................... 24

致 谢.............................................. 错误！未定义书签。

绪论

随着电力系统规模不断扩大，系统发生故障的影响也越来越大，尤其大区域

联网背景下的电力系统故障将会给经济、社会造成重大经济损失，因此保证电力

系统安全稳定运行是电力生产的首要任务。电力系统是一个复杂的动态系统， 一

方面，它必须时刻保证可靠的电能质量；另一方面，它又处于不断的扰动之中，

扰动发生的时间、地点、类型、严重程度均具有较大的随机性。当扰动发生后，

一旦发生稳定性问题，系统可能会在几秒内发生严重后果。对于系统某一特定的

稳定运行状态，以及对于某一特定的扰动，如果在扰动后系统能达到一个可以接

受的稳定运行状态，则系统运行处于暂态稳定。在电力系统规划、设计等工作中

都要进行大量的暂态稳定分析。通过暂态稳定分析，可以看到各种稳定措施的效

果以及稳定控制的性能。因此，通过时域仿真来验证电力系统在某一状态时是否

稳定，具有重要的理论和实际意义。

第一章 电力系统稳定性概述

1.1 电力系统的静态稳定性

电力系统的静态稳定性是指电力系统受到小干扰后，不发生自发震荡或

非周期性失步，自动恢复到初始运行状态的能力。电力系统几乎时时刻刻都

受到小的干扰。例如：系统中负荷的小变化；又如架空输电线路因摆动引起

的线间距离（影响线路电抗）的微小变化等等。因此，电力系统的静态稳定

问题实际就是确定系统的某个运行稳态能否保持的问题。

1.2 电力系统的暂态稳定性

电力系统暂态稳定性是指电力系统在某个运行情况下突然受到较大扰动

后，能否经过暂态过程达到新的稳定状态或恢复到原来的状态。这里所谓的

大干扰，一般是指短路故障、突然断开线路或减小发电机出力等。如果受到

大的干扰后仍能达到稳定运行，则电力系统在这种情况下是暂态稳定的。反

之，如果系统受到大的干扰后不能再建立稳态运行状态，而是各发电机组转

子间一直有相对运动，相对角不断的变化，因而系统的功率、电流和电压都

不断震荡，以致整个系统不再能继续运行下去，则称为系统在这种运行情况

下不能保持暂态稳定。引起电力系统大扰动的原因很多，归纳起来，主要有

以下几种。

一、引起电力系统大扰动的主要原因

（1）负荷的突然变化。如切除或投入大容量的用户引起较大的扰动。

（2）切除或投入系统的主要元件。如切除或投入较大容量的发电机、

变压器和较重要的线路引起的大的扰动。

（3）电力系统的短路故障。它对电力系统的扰动最为严重。在短路

故障中，其中以三相短路最为危险，引起电力系统的扰动最大，于是系统的

暂态稳定性常常遭到破坏。但此种严重故障发生的次数最少，据统计，在高

压电力系统中发生三相短路的次数一般占总短路次数的6%~7%左右。

两相接地短路和两相短路对于电力系统的扰动也较大，其中两相接地短路的

危害程度仅次于三相短路。但在一般的高压系统中发生这两种短路的次为

23%~24%左右，比三相短路发生的次数要多。

单相短路在高压系统中发生的次数最多，一般可占70%左右。但单相短

路对系统的扰动在短路故障中是最小的，其中瞬时性雷击单相短路又占单相

短路的70%左右，它对系统的影响就更小了。

二、暂态过程按时间分为下面三个阶段

（1）起始阶段：指故障后约1s内的时间段。在这期间系统中的保护和

自动装置有一系列的动作，例如切除故障线路和重合闸、切除发电机等。但

是在这个时间段中发电机的调节系统还来不及起到明显的作用。

（2）中间阶段：在起始阶段后，大约持续5s左右的时间段。在这期间

发电机组的调节系统已发挥作用。

（3）后期阶段：中间阶段以后的时间。这时动力设备中的过程影响到

电力系统的暂态过程。另外，系统中还将由于频率和电压的下降，发生自动

装置切除部分负荷等操作。

三、暂态稳定的分析方法

分析方法：不同于静态稳定问题的分析，不能做线性化处理，暂态稳定问题

研究的特点有：

（1） 暂态稳定性与否和原来运行方式及干扰种类有关。

（2） 系统暂态稳定过程是一个电磁暂态过程和机电暂态过程汇合在

一起的复杂的运动过程，它们互相作用、互相影响。

第二章 基于MATLAB的电力系统仿真

电力系统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。

2.1 电力系统稳定运行的控制

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。提高电力系统暂态稳定性的措施是多样的, 本文以单

机—无穷大系统为例, 主要利用matlb软件对单机—无穷大系统进行仿

真，对线路发生接地短路故障在一定时间内切除后，发电机的转速随时

间的变化情况,发电机转速的变化又影响了电力系统中电压、电流和发电

机电磁功率的变化。通过仿真参数来证明电力系统暂态稳定方面的理论。

2.2 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 Blockt）

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-Quebec'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力，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。

2.3 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。提

高电力系统暂态稳定性的措施是多样的。

利用matlb软件对单机—无穷大系统进行仿真，对线路发生接地短

路故障在一定时间内切除后，发电机的转速随时间的变化情况,发电机转

速的变化又影响了电力系统中电压、电流和发电机电磁功率的变化。通

过仿真参数来证明电力系统暂态稳定方面的理论。

2.4 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。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)、Powergui(图形用户界面graphical ur 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。

第三章 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。

3.1 电力系统暂态稳定性分析

3.1.1 引起电力系统大扰动的原因

主要有以下几种：

（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。

3.1.2 定性分析

在正常运行情况下，若原动机输入的机械功率为Pm，发电机输出的电磁

功率就与原动机输入的机械功率相平衡，发电机的工作点应由P和Pm线的

1

交点确定，即为a点，与此对应的功率角为，见图3.2中虚线所示为不计



0

阻尼作用的曲线，实线所示为计阻尼作用的曲线。



k

'

图3.1 电力系统暂态稳定 图3.2电力系统暂态不稳定

在发生短路瞬间，由于不考虑定子回路的非周期分量，则周期分量的功

率是可以突变的，于是发电机运行点有P突然将为P。又由于发电机组转

III

子机械运动的惯性所致，功率角不可能突变，仍为。那么运行点由a点





0

跃降到短路时功-角特性曲线P上的b点。达b点后，输入的机械功率Pm

II

大于输出的电磁功率P，不平衡净加速功率大于零。依转子运动方程式，

IIb

于是转子开始加速，即，功率角开始增大，，运行点将沿功

00







-角特性曲线P移动，设经过一段时间，当功率角增大至c时，此时运行

II



在c点，速度达到最大。若在c点事切除线路故障，在切除线路故障的



max

瞬间，仍由于不考虑定子回路电流的非周期分量及机组转子的机械惯性，



为c，运行点从P上的c点突升到P上的e点，此时速度仍为。在



II

III



max

达到e点后，机械功率Pm<P（电磁功率），转子开始减速。由于及

IIIe



eN



机组转子的惯性作用，则功率角还在增大，运行点沿P由e点向f点移动，



III

当到达f点时，其转速（同步转速），功率角不再继续增大，这时



eN





的功率角为最大功率角。但在f点，Pm<P，转子将继续减速，功率角



max

IIIf



开始减小，运行点仍将沿功-角特性曲线P从f点向e、k点移动。在k

III

点时有Pm=，减速停止，则速度达最小为。但由于转子机械惯性作

P

IIIk



min

用，功率角将继续减小，当过k点时Pm，在不平衡功率为正值的作用



III

下，转子开始加速，最后达到同步转带时为止，功率角不再减小，此时



N



功率角为最小值。然后又开始第二次振荡，功率角由小到大，运行点



min



沿功-角特性P越过k点又达f点。如果振荡过程中没有任何阻尼作用，这

III

种振荡将一直振荡下去。但事实上振荡过程中总有一定的阻尼作用，振荡逐

步衰减，系统将停留在一个新的运行点k继续同步运行，即为系统在大的扰

动后可保持暂态稳定性。电力系统暂态稳定性由图3.1所示。

当短路故障切除得迟些，c更大时，在故障切除后，运行点沿功率P



III

不断向功率角增大的方向移动过程中，虽然转子在不断减速，但运行点到达

曲线P上的点时，转子的转速仍大于同步转速。于是运行点就要越过

III

kk

''

点，过了点后，情况发生逆转。由于Pm>P，发电机组转子又开始加速，

k

'

III

而且加速度越来越大，功率转角无限增大，发电机与系统之间将失去同步，



系统暂态不稳定。其情况如图3.2所示。

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。

3.1.3 提高电力系统稳定性的措施

1） 快速切除故障

2） 采用自动重合闸装置：

对应两种情况：①若系统发生瞬时故障，则可以通过自动化重合闸恢复到原

来状态（电磁功率最大）；②若为永久性故障，会使系统再次重合到故障上，

对系统冲击较大。

3） 强行励磁：提高电磁功率，以增加减速面积。

4） 串联电容器的强行补偿

指故障时对健全线路强制提高补偿度的措施。

补偿的方法：如双回路运行，两组电容器组均投入。切除一条输电线后，线

路感抗从X/2→X，X为健全线路的电抗，由于电抗的下降，使切除故障线

lll

路后的电磁功率下降，加速面积增大，为减少加速面积，应通过减少健全线

路的电抗来实现，即使在它上面串联电容器，同时切除一组，使其容抗从Xc/2

→Xc。

5） 采用电气制动

指当系统中发生故障后迅速接入电阻以消耗发电机的有功功率（增大电磁功

率），从而减少功率差额。

因为制动电阻在故障瞬时投入，因而使故障后P-δ曲线PII向上向左偏移。

欠制动：投入后减少的加速面积不足；

过制动：故障发生后，由于制动电阻的投入，加速面积很小，因而没有失步；

但是切除故障后，由于制动电阻同时被切除，因而PIII曲线不受

制动电阻的影响。当在PII曲线较低位置切除故障时，仍可能出现

与PT-PIII较大数值的较大的减速面积，因而仍可能在第二周波失

稳。

6） 变压器中性点经小电阻接地

不对称接地短路故障时，产生零序电流。变压器中性点通过小电阻接地，

则零序电流在中性点电阻上产生功率损耗，这部分功率消耗了一部分发电机

的电磁功率，因而减小了转子的不平衡功率，有利于系统的暂态稳定。

7） 减少原电机输出的机械功率

由于转子运动切除故障后，减小作用在转子上的剩余功率，增大减速面

积。减小原动机输出功率的措施有，以下两种措施对应的均为在切除故障的

同时采取的措施。

*采用快速的自动调速系统或快速关闭进汽门，电磁功率不变，但是由

于调速系统的作用，使机械功率相应减少，从而增大减速面积。

*切除连锁切机，在切除发电机组后，电磁功率下降，同时对应的机械

功率下降，一般认为下降的机械功率较电磁功率多，因而减速面积增大。；

3.2 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，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

[7]

处理，以简化模型，更有利于得出结论，简化计算过程。

图3.1 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：

PUsin

E





Z



m

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



Z

抗；

—功角；—发电机电势； —系统母线电压。



E

m

U

利用matlab来对系统进行仿真，主要针对的是在0.1s切除故障和0.55s

切除故障中发电机转速变化的情况的比较。改变故障模块中的短路类型，就

可以仿真系统在发生各种短路时的暂态稳定性；同样改变系统中元件参数

(如线路电阻、并联电抗等)就可以研究各种参数对系统的暂态稳定性的影

响。仿真图如下：

图3.2 单机无穷大电力系统仿真原理图

利用matlab来对系统进行仿真，主要针对的是在系统中加入电容补偿器对

系统有何改善，在0.1s切除故障和0.55s切除故障中发电机转速变化的情

况的比较。改变故障模块中的短路类型，就可以仿真系统在发生各种短路时

的暂态稳定性。

图3.3 改善的单机无穷大电力系统仿真原理图

串联电容补偿器就是在线路上串联电容器以补偿线路的电抗。采用串联

电容补偿器是提高交流输电线路输送能力，控制并行线路之间的功率分配和

增加电力系统稳定性的一种方法

第四章Simulink下SimPowerSystem模型应用

Simulink由于其能用最小的代价来模拟真实动态系统的运行，依托数

百种预定义系统环节模型、最先进有效地积分算法和直观的图形化工具，依

托强健的交互式仿真能力，可以方便调整模型参数设置，而电力系统

SimPowerSystem由于使用标准的电气符号、各种模型模块，高精度的仿真结

果，优化的仿真算法，大量的功能演示模型，充分发挥了SPS在电力系统仿

真的灵活仿真优势。

4.1 仿真模型的搭建

利用MATLAB下的SIMULINK软件和电力系统模块库(SimPowerSystems)

进行系统仿真是十分简单和直观的，用户可以用图形化的方法直接建立起仿

真系统的模型，并通过SIMULINK环境中的菜单直接启动系统的仿真过程，

同时将结果在示波器上显示出来。对原理分析的基础上，利用SIMULINK软

件仿真能对调节器的参数进行更为方便的调整，可以更为直观地得到系统仿

真的结果，从而加深对电力系统仿真设计方法的理解。

本次仿真选出需要用到如下模块：

（1）Powerlib电力系统工具箱：

1）Electrical Sources中的Three-Pha Source（三相电源）模块

2）Elements 中的Three-Pha Parallel RLC Load（三相负载RLC并联）

模块和以及 Three-Pha Breaker （三相断路器）模块，Three-Pha Fault

（三相故障整流器）模块，Three-Pha Series PLC Load（三相PLC并联负

载）模块，Three-Pha Transformer（Two Windings）（三相变压器绕组）

模块，Three-Pha

PI Section line(三相分布传输线路)模块。

3）Machines里Synchronous Machine pu Standad（标么标准同步电机）

模块，Excitation System（励磁系统）模块，Hydraulic Turbine and

Governor（水轮机及调节器）模块

4）powergui 模块

（2）Simulink常用工具箱：Simulink 模块集Commonly Ud Blocks （常

用模块）下的 Constant（常量)模块，Bus Selector（信号总线选择器），

Terminator(信号终结模块)，Scope(示波器模块)，Ground（接地模块）。

4.2运行效果仿真图

4.2．1 改变故障模块中的短路类型

（1） 单相短路接地故障

图4.21 故障 0.1s后切除线路，发电机转速变化曲线图

图4.22 故障 0.55s后切除线路，发电机转速变化曲线图

（2）两相短路接地故障

图4.23 故障 0.1s后切除线路，发电机转速变化曲线图

图4.24 故障 0.55s后切除线路，发电机转速变化曲线图

（3）两相短路故障

图4.25 故障 0.1s后切除线路，发电机转速变化曲线图

图4.26 故障 0.55s后切除线路，发电机转速变化曲线图

（4）三相短路故障

图4.27 故障 0.1s后切除线路，发电机转速变化曲线图

图4.28 故障 0.55s后切除线路，发电机转速变化曲线图

图4.211 故障 0.1s后切除线路，发电机转速偏移角的变化曲线图

图4.211 故障 0.55s后切除线路，发电机转速偏移角的变化曲线图

结论分析：在故障0.1s后切除故障线路时，发电机的转速随时间的增加

而逐渐减小（在0.99-1.01之间变化），趋于稳定值，因此系统是稳定的；当

故障后0.55s切除故障线路是（切除时间大于极限切除时间），发电机的转速

随时间的增加而增大，系统是不稳定的。

短路故障的类型和发生及切除时间可由三相短路模块(Three-Pha

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。

4.2．2 改变系统中的元件参数(改变线路的电阻)

图4.221 故障 0.1s后切除线路，发电机转速变化曲线图

图4.222 故障 0.55s后切除线路，发电机转速变化曲线图

图4.223 故障 0.1s后切除线路，发电机转速偏移角的变化曲线图

图4.224 故障 0.55s后切除线路，发电机转速偏移角的变化曲线图

4.3 加入电容补偿器后的的仿真图

（1）两相短路故障

图4.31 故障 0.1s后切除线路，发电机转速变化曲线图

图4.32 故障 0.55s后切除线路，发电机转速变化曲线图

（2）三相短路故障

图4.33 故障 0.1s后切除线路，发电机转速变化曲线图

图4.34 故障 0.55s后切除线路，发电机转速变化曲线图

（3）单相短路接地故障

图4.35 故障 0.1s后切除线路，发电机转速变化曲线图

图4.36 故障 0.55s后切除线路，发电机转速变化曲线图

（4）两相短路接地故障

图4.37 故障 0.1s后切除线路，发电机转速变化曲线图

图4.38 故障 0.55s后切除线路，发电机转速变化曲线图

图4.39 故障 0.1s后切除线路，发电机转速偏移角的变化曲线图

图4.310 故障 0.55s后切除线路，发电机转速偏移角的变化曲线图

结论分析：在加入电容补偿器后系统的稳定性发生了变化，不论是0.1s

还是0.55s的时间内切除故障，发电机的转速随时间的增加而增大。系统不

稳定。

4.4 小结

当电力系统发生故障时，希望能快速对系统进行仿真分析以此来分析系

统的稳定性。本文运用Mtlab来对单机无穷大系统进行暂态稳定的仿真，针

对的是在不同时间内对不同的故障进行图形的比较和在改善系统时在不同

时间内不同故障进行图形的比较。未改善的系统，在0.1s内切除故障时，发

电机的转速随时间的增大而逐渐减小，趋于稳定值，因此系统是稳定的；当

0.55s后切除故障时，发电机的转速随时间的增加而增大，系统是不稳定的。

而改善的系统无论是在0.1s还是0.55s切除故障，发电机的转速随时间的增

加而增大，系统是不稳定的。MATLAB用来对电力系统进行数学仿真，达到对

电力系统在各种情形下的动态过程进行研究并选择系统的最佳运行方式等

目的。

第五章 结论和展望

随着现代电力系统的飞速发展，复杂的电力控制系统在技术和安全对电

网的要求越来越高，其可能遇到的多种情况正在考验着电力运行的可持续性

和稳定性，期间自动化技术的进步正在弥补这这种巨大落差，更好的对电网

系统各种故障的检测和分析成为了当前热门的研究课题，更具有非常实用的

现实意义。

本论文通过对电力系统暂态稳定性研究领域故障判断分析，以

MATLAB/Simulink为电力系统仿真应用平台，基于MATLAB语言的电力系统工

具箱，非常方便地搭建了电力系统各种模型，并且将这些模型保存起来，最

终建立了较复杂的系统仿真模型。运用小波变换对故障信号进行特征提取，

完成了对故障检测点的实时分析和研究，对电力系统运行中易出现的故障问

题进行调试和分析，通过仿真运算验证了方法的正确和可行性，总之，利用

MATLAB强大的计算功能和编程技术，提高仿真计算的灵活性和效率，为仿真

电力系统，分析电力系统提供了一种新的手段。

本次电力系统仿真主要有以下优点：

1）部署成本低，建模效率高，能有效地降低试验风险，并且最大限度的

保留了仿真的完整度，通过优化的算法，达到了很高的精度，并且为更加复

杂的电力系统提供了研究参考。

2）易用性强，界面友好，操作使用非常方便。可以任意增加相关模块，

并且可以定制模块元件或代码，交互式应用最大限度的快速评估不同算法，

进行参数优化。

有待进一步研究的工作：

1) 对故障信号的提取过程尚需要进行进一步的研究。比如说故障测

距方面，通过对故障的检测，运用各种不同的方法测量出故障发生的具体位

置和时间，以此加深对电力系统应用理解。

2) 由于配电电网一般是高压电，仿真用到的模型能否优化使其达到

更接近现实情况的匹配，近代直流高压电HDVC系统的模型对仿真的验证有待

研究。

参考文献

[1] 王晶，翁国庆．张有兵．电力系统的MATLAB/SIMULINK仿真与应用．西安电子

科技大学出版社，2008年9月．

[2] 李国勇，谢克明．杨丽娟．计算机仿真技术与CAD—基于MATLAB的控制系统（第

二版）．电子工业出版社，2008年6月．

[3] 李颖．Simulink动态系统建模与仿真（第二版）．西安电子科技大学出版社，2009

年11月．

[4] 于贵江．基于小波分析的故障信号检测．哈尔滨理工大学学报，2003年2月．

[5] 任震．黄雯莹．石志强．小波变换及其在电力系统中的应用，电力系统自动化，1997

年3月．

[6] 吴军基，吴秋伟，杨伟．电力系统故障时刻提取的小波分析，继电器学报，2000

年12月．

[7] 周兆庆，陈星莺．Matlab电力系统工具箱在电力系统机电暂态仿真中的应用，电力

自动化设备期刊，2005年4月．

[8] 于群 曹娜. MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真,机械工业出版社，2011年5月.

[9] 于永源 杨琦雯.电力系统分析.中国电力出版社，2007年8月.

[10] 吴天明 谢小竹 彭彬.MALAB电力系统设计与分析.国防工业出版社，2004年1月.

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教

师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加

以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研

究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历

而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，

均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作 者 签 名： 日 期：

指导教师签名： 日 期：

使用授权说明

本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论

文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电

子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供

目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制

手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分

或全部内容。

作者签名： 日 期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研

究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文

不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研

究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完

全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名： 日期： 年 月 日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，

同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，

允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位

论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩

印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名： 日期： 年 月 日

导师签名： 日期： 年 月 日

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师： （签名） 单位： （盖章）

年 月 日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师： （签名） 单位： （盖章）

年 月 日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

评定成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）

年 月 日

教学系意见：

系主任： （签名）

年 月 日

2

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作所

取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本论文

不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要

贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意识到本声

明的法律结果由本人承担。

学位论文作者（本人签名）： 年 月 日

学位论文出版授权书

本人及导师完全同意《中国博士学位论文全文数据库出版章程》、《中国优秀硕

士学位论文全文数据库出版章程》(以下简称“章程”)，愿意将本人的学位论文提

交“中国学术期刊（光盘版）电子杂志社”在《中国博士学位论文全文数据库》、《中

国优秀硕士学位论文全文数据库》中全文发表和以电子、网络形式公开出版，并同

意编入CNKI《中国知识资源总库》，在《中国博硕士学位论文评价数据库》中使用和

在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益。

论文密级：

□公开 □保密（___年__月至__年__月）(保密的学位论文在解密后应遵守此协议)

作者签名：_______ 导师签名：_______

_______年_____月_____日 _______年_____月_____日

3

独 创 声 明

本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的

指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。

尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何

其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重

要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律后果由本人承担。

作者签名:

二〇一〇年九月二十日

毕业设计（论文）使用授权声明

本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）

的规定。

本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学

校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制

手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立

目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允

许他人依法合理使用。

（保密论文在解密后遵守此规定）

作者签名:

二〇一〇年九月二十日

4

致 谢

时间飞逝，大学的学习生活很快就要过去，在这四年的学习生活中，收获了

很多，而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。

首先非常感谢学校开设这个课题，为本人日后从事计算机方面的工作提供了

经验，奠定了基础。本次毕业设计大概持续了半年，现在终于到结尾了。本次毕

业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。经过这次毕业设计，我的能力有了

很大的提高，比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方

方面面都有很大的进步。这期间凝聚了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。

没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。

首先，我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导，在我的论文书写

及设计过程中给了我大量的帮助和指导，为我理清了设计思路和操作方法，并对

我所做的课题提出了有效的改进方案。郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲

人不倦的态度给我留下了深刻的印象。从他身上，我学到了许多能受益终生的东

西。再次对周巍老师表示衷心的感谢。

其次，我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格

要求，感谢他们对我学习上和生活上的帮助，使我了解了许多专业知识和为人的

道理，能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量。

另外，我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持，与

他们一起学习、生活，让我在大学期间生活的很充实，给我留下了很多难忘的回

忆。

最后，我要感谢我的父母对我的关系和理解，如果没有他们在我的学习生涯

中的无私奉献和默默支持，我将无法顺利完成今天的学业。

四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽

的难舍与眷恋。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所

学的知识应用到实际工作中去。

回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我

孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。

学友情深，情同兄妹。四年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我

留下了值得珍藏的最美好的记忆。

在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，

无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一

直以来对我的抚养与培育。

最后，我要特别感谢我的导师赵达睿老师、和研究生助教熊伟丽老师。是他

们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励，给了我很多解决问题的思

路，在此表示衷心的感激。老师们认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚

的理论水平都使我收益匪浅。他无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮

助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢

他耐心的辅导。在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助，帮助解决了不少

的难点，使得论文能够及时完成，这里一并表示真诚的感谢。

5