小论文 自动0903

摘 要：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，采用励磁调节器与稳定器(AVR+PSS)相结合的方式实现电压控制及调节。利用Harr小波变化分析信号特征，对暂态突变信号进行分析。通过仿真结果验证了该模型的可行性以及小波分析的有效性。

关键词：单机—无穷大；AVR+PSS；小波变换

0 引 言

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，因此迅速和准确地探测出电缆故障并对其进行分析，对提高供电可靠性并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。小波分析是当前应用数学中一个迅速发展的新领域。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，为故障选线中进行特征信息的提取提供了依据。

1 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，简化计算过程。单机—无穷大系统原理如图1所示：

图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EUsinZm （1）

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式中Z—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；Em—发电机电势；U—系统母线电压。 2 仿真设计

2.1 Power System 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：

xtg1 （2）

21()x2x

TAK3Td'0K6KA式中，是低频振荡频率，x ，x。KA、TA分别

'Td'0TA2K3Td0TAK6KA'XdXeKA代表励磁系统时间常数Ge(s)的增益和惯性时间常数。K3，

1TAsXdXeK6Xe，Xl为输电线路电抗。 'XdXe 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：

G(s)1T1s1T3s

1T2s1T4sPSS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)，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。 2.2 Matlab仿真模型

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， 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

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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[2]。

励磁控制器参数如下：

Tr0.02，Ka300，Ta0.001，Tb0，Tc0，Kf0.001，Tf0.1，Efmin11.5，Efmax11.5。

其中Tr为传感器时间常数，Ka为放大倍数，Ta为晶闸管整流时间常数，Tb为滞后时间常数，Tc为超前时间常数，Kf为负反馈放大倍数，Tf阻尼绕组时间常数，Efmin和Efmax为励磁电压输出限幅。

建立电力系统稳定器仿真模型如图2所示：

图2 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：

Tr0.03，Tw2，T10.05，T20.02，T33，T45.4，Vsmin0.15，Vsmax0.15

其中Tr为传感器时间常数，Tw为隔直时间常数，T1、T3为PSS超前时间常数，T2、T4为PSS滞后时间常数，Vsmin和Vsmax为输出限幅。

对各个模块连线并进行相关参数进行设置电力单机—无穷大系统仿真模型为：

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图3 单机—无穷大系统Simulink仿真模型

2.3 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(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2S)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：

图 4 (1.3S切除 未加PSS) 图 5 (1.3S切除 加有PSS)

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图 6 (1.6S 未加PSS) 图 7 (1.6S 加有PSS)

图 8 (三相接地短路)

上图图4中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。对于图5单相接地短路故障，采用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。图6为未投入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。而图7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8。

由以上可知，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7的慢切除故障和图5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[3]。

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

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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。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。 3 信号特征提取

在Matlab中利用小波变换程序对仿真结果进行信号特征提取，（2S短路，2.6S恢复）特征提取图像为：

图9 未处理原始时域信号

图10 第一次小波变换提取高频分量图 图11第二次小波变换后的高频分量

图12 未处理的原始时域信号

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图13 第一次小波变换提取的高频分量 图14 第二次小波变换后的高频分量

故障发生瞬间，对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，如图10，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11为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，把对系统影响的高频信号进行了更清晰的分解。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0.001S。

综上所诉，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[4]。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。 4 结论

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

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统提供了一种新的手段。

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[M].西安:西安电子科

技大学出版社,2008.167-168.

[2] 李晨,蒋得珑,程生安.电力系统暂态稳定分析方法的现状与发展[J].电子技术出版

社,2012,3(1):11-15.

[3] 陈涛.PSS参数计算和稳定分析[M].贵阳市:贵州大学出版社,2007.74-85.

[4] 朱正伟.基于小波理论的电力系统故障检测方法研究[M].南京:南京大学出

版,2006.95-124.

Power System Transient Stability Analysis under Fault

Conditions

Zhao Yan-biao , Jin Hong-jiao*

(Class-0903, Major of Automation, College of Information &Control Engineering)

Abstract: This paper builds a simulation model for the Single—infinite power system based on MATLAB /Simulink. Achieving to control and regulat the voltage for the electric generator in the form of the excitation regulator and stabilizator combination Using Harr wavelet transformation to analysis the signal properties and the transient signal. The simulation results verify the feasibility of the model and the effectiveness of wavelet analysis.

Key words: single—infinite; simpowersyetem; short circuit faults; savelet transform

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