MATLAB电力系统仿真技术在水利电气自动化中的应用

晋成龙，桂宗能

（中水淮河规划设计研究有限公司，安徽合肥，230000）

0 引言

电气自动化设备水利系统的重要组成部分，如发电机、电动机、水泵、控制机柜、继电器、智能型清污机械、排水灌溉机械等。因此水利系统是集成了高压电技术、计算机与自动控制技术、机械工程等多领域交叉的复杂系统。因此，许多学者在水利系统的不同方面进行了众多的研究[1-3]。伍哲[4]认为对水文信息进行实时采集、传输、处理及预报一体自动化技术是有效解决洪水预报、防洪调度及水资源合理利用的手段。水情自动测报系统可高效准确地掌握上游可能发生的洪水，使洪水灾害造成的损失最大限度地减少。王伟平[5]对常用的预报模型特点进行分析，提出了一种“模型结构—参数法”，为各个不同的观测站建立预报模型，并设计了一种水情自动采集系统，实现了远端卫星小站与主站的数据通信。李景志[6]针对甘肃省张掖市盈科灌区的水渠灌溉系统进行了研究和分析，将计算机技术、传感器技术、数据采集处理技术、智能控制技术等融入无线局域网技术，设计了一种水利灌溉自动控制系统。系统成功实现了远程监控、管理以及灌溉水资源的合理调配。而在进行水利电气系统设计时，则需知晓电力系统潮流、系统稳定性等性能，而有时又需要对系统进行故障预测、诊断与分析，继电保护系统等的计算与分析等，因此可采用MATLAB电力系统仿真技术为解决上述问题。

1 MATLAB电力系统仿真技术

Cleve Moler和John Little等人合作成立了Mathworks软件公司，推出了商用MATLAB软件。随着时代的发展，MATLAB已广泛应用于各种仿真及计算领域，如通过符号计算求解微分方程，通过数值计算方法进行各种算法的运算，通过Simulink环境搭建电子电路仿真模型、电力系统模型、控制器与控制算法模型、机械系统动力学模型等。

Simulink是MATLAB提供的实现动态系统建模和仿真的环境，在Simulink中可通过框图建模或编程的方式搭建仿真计算模型，电力系统模块库（Power System Blockset）就集成在Simulink的库中，在该模块中可使用电力系统常见的元器件模型，如传输线路模型、发电机模型、RLC复杂模型、开关模型、继电器模型、三极管模型、变压器模型等。电力系统分析中常用的元件模型包括：同步电机模型、变压器模型、输电线模型、异步电机模型、负载模型。

RLC负载在MATLAB中的模型如图1所示。图中包括RLC并联模型、RLC串联模型、三相RLC并联模型和三相RLC串联模型，在Simulink环境中可通过拖动鼠标的方式将这些负载拖动至所有搭建的仿真模型中。

图1 MATLAB的RLC负载框图模型

2 电源供电系统三相短路仿真

短路问题是电力系统最常见的问题之一，在电力系统设计过程中，都必须事先进行短路计算和仿真，通过仿真计算的结果，分析得出较为合理的电气接线方式，确定限制短路电流的措施，并在电力系统中合理地配置继电保护等。

建立的电源供电系统三相短路仿真模型用到的主要元件包括：三相电源、三相RLC并联负载、三相RLC串联负载、变压器、三相电源与电流表、三相短路元件，仿真模型结构图如图2所示。

图2 电源供电三相短路MATLAB仿真模型

三相电源模型参数为：相电压110 KV、内部电阻为0.00529欧姆；三相RLC并联负载功率为5MW、额定相电压为13.8 KV；三相RLC串联负载电阻为8欧姆，电感为0.06 H；变压器磁阻990 pu，磁感106 pu，三相短路故障单元包括A相、B相、C相以及各两相组合及三相同时短路，因此该仿真模型可进行7种短路故障的仿真分析。

设置仿真时间为0.2秒，三相短路单元状态为A相、B相和C相同时短路，短路时刻为0.02秒，得到三相电流变化如图3所示。可知，在初始0.02秒内，三相电流基本维持在0A左右，而随着三相短路状态的发生，三相电流迅速变大，并随着时间的变化产生一定频率的变化，这与实际情况是相符合的。三相电流的变化进入稳态时，其幅值变化相等，且呈现相位差120度的变化规律。

图3 三相短路时系统三相电流变化

设置仿真时间为0.2秒，三相短路单元状态为A相、B相同时短路，C相正常，短路时刻为0.02秒，得到三相电流变化如图4所示。可知，在初始0.02秒内，三相电流基本维持在0A左右，而随着三相短路状态的发生，A和B两相电流迅速变大，并随着时间的变化产生一定频率的变化，C相电流一直保持为0A左右，这与实际情况是相符合的。A和B两相电流的变化进入稳态时，其幅值变化相等，且呈现相位差120度的变化规律。

图4 AB两相短路时系统三相电流变化

3 结束语

水利电气自动化设备是水利系统的重要组成部分，对相关电气设备的仿真分析对设计水利电气系统，事先知晓电气性能等具有重要研究价值。本文基于MATLAB电力系统仿真技术，介绍了电气仿真中常用的元件模型，并在Simulink环境中搭建了三相短路仿真模型，研究了三相短路与AB两相短路时的三相电流变换情况，为进一步研究其电气系统提供了参考。