【導讀】型，能夠滿足電網(wǎng)在其可能遇到的多種故障方面運行的需要。定，解決震蕩問題，是提高電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的重要措施之一。隔離故障的仿真結果。并利用小波分析具有很強的信號特征提取能力，尤其對暫態(tài)突變信。號或微弱變化信號的處理變現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，達到了仿真的目的。Simulink下單機—無窮大仿真系統(tǒng)的搭建；基于Haar小波的故障檢測與分析。斷、檢測，對于提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有十分重要的意義。keywords：Single—infinitesystem；SimPowerSyetem；Shortcircuitfaults；Wavelet

　　

【正文】 Pe)是導致系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定破壞的主要原因。因此減少大擾動后發(fā)電機的加速功率是首先考慮的措施。因此提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的一些有效措施，包括電力系統(tǒng)穩(wěn)定器、快速切除故障、故障限流 器、自適應單相自動重合閘等，進行仿真分析。設置線路 L2 出口處發(fā)生短路故障 (故障發(fā)生時間均定在 ls)作為對系統(tǒng)的大擾動。在進行動態(tài)仿真時分別設置以下的一些情況： 設置線路 L2 出口處發(fā)生短路故障 (故障時間均發(fā)生在 1S)作為對系統(tǒng)最大的擾動。在進行動態(tài)仿真時分別設置以下的一些情況： 線路 L2 出口處發(fā)生 單相 接地短路， 時切除故障，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定器 PSS 的效果進行分析 (PSS 可通過切換開關進行投退 )，仿真結果見 圖 37 所示： 故障狀態(tài)下電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性研究 20 圖 37 ( 未加 PSS) 結論分析：未投入 PSS 時，盡管采用了快 速切除故障的措施。由于系統(tǒng)本身有延遲，故障斷開之后仍然出現(xiàn)短時間的震蕩， 秒后趨于穩(wěn)定。 圖 38 ( 加有 PSS) 結論分析：可知，對于單相接地短路故障，采用 PSS 可有效地增加系統(tǒng)對振蕩的阻尼效果，使波形更平緩，同時對其它故障諧波有一定的消除作用， 秒后趨于穩(wěn)定。 線路 L2 出口處發(fā)生 單相 接地短路，在 是切除故障，仿真時附加 PSS，仿真結果見圖 2 所示；將此仿真效果與 (1)中的 時切除故障的仿真結果進行比較，對快速切除故障的效果進行分析。 吉林化工學院畢業(yè)設計說明書 21 圖 39 ( 未加 PSS) 結論分析：未投入 PSS 時，系統(tǒng)發(fā)生故障時暫時失去穩(wěn)定性，造成的波動較大，穩(wěn)定性較差，震蕩持續(xù)時間較長， 秒后趨于穩(wěn)定。 圖 310 ( 加有 PSS) 結 論分析：采用 PSS 可有效地減弱系統(tǒng)的阻尼振蕩效果， 秒后使系統(tǒng)迅速地趨向穩(wěn)定。 線路 L2 出口處發(fā)生 三 相接地短路， ，仿真時不加 PSS，對自適應單相重合閘的效果進行分析， L2 故障相 (A 相 )，仿真結果見 圖 311。 故障狀態(tài)下電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性研究 22 圖 311 (三 相接地短路 ) 結 論分析：由于三相接地短路，系統(tǒng)脫離暫態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，隨著時間增加相電流會在短時間內迅速增加，此時系統(tǒng)崩潰。 短路故障的類型和發(fā)生及切除時間可由三相短路模塊 (ThreePhase Fault)進行設置。動態(tài)仿真時選擇 ode23tb，并采用略去直流分量和其他復雜濾波分量的 Phasors 法，可顯著地加快仿真速度。 由可知，對于單相接地短路這樣故障形式，采用 PSS 可有效地增加系統(tǒng)的阻尼振蕩效果，使系統(tǒng)迅速地趨向穩(wěn)定；而未投入 PSS 時，盡管采用了快速切除故障的措施，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。在系統(tǒng)附加 PSS 的前提下。對比圖 310 的慢切除故障和圖 38 中快速切除故障的發(fā)電機運行指標的仿真運行結果．可見快速切除故障對于提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性有著決定性的作用。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器 PSS模塊的輸入信號即可采用發(fā)電 機加速功率的 Pa=PmPe()也可以采用轉子角速度變化量 dω()， 本仿真采用后一種。而未投入 PSS 時，盡管采用了快速切除故障的措施，系統(tǒng)仍失去了穩(wěn)定性。同時采用自動重合閘也是提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的一個有效經(jīng)濟地方法，本次穩(wěn)態(tài)故障仿真對自適應單相重合閘的效果進行仿真分析。與傳統(tǒng)的單相重合閘不同，自適應重合閘不是盲目進行，可 在重合前判別單相接地短路故障的性質，若為永久性故障，則重合閉鎖；若為瞬時性故障，則重合進行閉鎖；若為瞬時性故障，則重合進行。由 上 可知，若單相接地短路為瞬時性故障，重合成功可有效提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。由于高壓架空線路以發(fā)生瞬時性單相接地短路故障居多 (占線路故障的 70%80%)，而一般重合閘的成功率可達 90%以上，因此單相重合閘的使用可以提高供電的可靠性和暫態(tài)穩(wěn)定性。 吉林化工學院畢業(yè)設計說明書 23 結論 MATLAB SPS 集直觀性、技巧性和操作的簡易性于一身，是一款較優(yōu)秀的電力系統(tǒng)仿真軟件，同時 SPS 提供豐富的 Help 文檔，有 利于使用者進行學習。本次仿真以 單機 —無窮大 系統(tǒng)為對象進行仿真。分析了運行故障對穩(wěn)態(tài)的干擾，對實際電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定具有參考價值，仿真實踐表明， SPS 是電力系統(tǒng)機電暫態(tài)穩(wěn)定分析的有力工具。 故障狀態(tài)下電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性研究 24 第 4 章 信號特征提取 小波分析可以對信號特征進行檢測提取。 與 Fourier 變換相比，小波變換是時間 (空間 )頻率的局部化分析，它通過伸縮平移運算對信號 (函數(shù) )逐步進行多尺度細化，最終達到高頻處時間細分，低頻處頻率細分，能自動適應時頻信號分析的要求，從而可聚焦到信號的任意細節(jié)，解決了 Fourier 變換的困難問題， 小波變換對信號特征的提取， 成為繼Fourier 變換以來在科學方法上的重大突破 [10]。 小波變換的基本理論及應用 小波分析是當前應用數(shù)學中一個迅速發(fā)展的新領域。與 Fourier 變換、窗口 Fourier變換 (Gabor 變換 )相比，小波變換是空間 (時間 )和頻率的局域變換，通過伸縮和平移等運算功能對函數(shù)或信號進行多尺度細化分析，解決了 Fourier變換不能解決的許多困難問題，小波分析在電力系統(tǒng)中的應用雖然起步較晚，但近幾年發(fā)展很迅速，成為研究的熱點，內容已涉及許多領域，利用小波分析良 好的時頻局部化特性，實現(xiàn)對頻帶信息的提取，為僅利用某頻率 (或頻帶 )信息而實現(xiàn)目標的算法，提供一種有效的預處理方法；實現(xiàn)時變諧波檢測；對現(xiàn)場信號實現(xiàn)有效的信噪分離；提取和識別電力系統(tǒng)故障特征信息等。小波變換的優(yōu)點在于其分頻特性，可以將信號中不同的頻率成分分解出來，從而能夠更加清晰的提取出各線路零序電流信號中某頻段注入響應信號的時域特征，為故障選線中進行特征信息的提取提供了依據(jù) [11]。 小波函數(shù)的選擇 小波函數(shù)在理論上有無限多種，由其引出的小波基所具有的性質也各不相同，可以滿足各種問題的需要 。但對同一個信號利用不同的小波基進行處理，取得的效果并不相同，甚至差異較大。所以為了得到令人滿意的結果，就必須對小波函數(shù)進行適當?shù)倪x取。通常的做法是把各種小波函數(shù)分類，并總結出每類小波函數(shù)的性質和特點，結合要解決的問題來確定使用哪一類，并在該類中進行試驗比較來確定使用哪一個小波函數(shù)。 小波母函數(shù)的選取，要根據(jù)實際需要，要求小波母函數(shù)具有某些性質，如正交性、對稱性、正則性、消失矩的階數(shù)等等 [12]。正交性使小波變換具有快速算法；對稱性則使得小波變換具有線性相位；正則性對于信號或圖像的重構獲得較好的平滑效果是非 常有用的。小波函數(shù)的消失矩越高，則對于信號的奇異性檢測比較有利。時域支撐區(qū)太長的小波母函數(shù)將不利于計算速度的提高，因此，在需要考慮計算時間消耗的場合，應優(yōu)先用時域支撐區(qū)較短的小波母函數(shù)。 吉林化工學院畢業(yè)設計說明書 25 )(,)()(1,),b(. 2W Rfdta bttfafaf Lba ?????? ??? ?? ??? ）（ (41) (1)f (t)是要進行變換的函數(shù)它必須滿足平方可積條件即 ??? dttf 2)( 。這個條件保證f(t)是一個有限能量的 函數(shù)這是小波變換收斂的必要條件在工程上所處理的信號一般情況下都是有限能量的因此這個條件容易滿足 [13]。 (2)y (t) 是母小波或基小波函數(shù)之所以這樣稱呼是因為在變換中由它的伸縮和平移會派生出一系列小波函數(shù) b,a{ (t)}? ： )()( 21, ???? bttab ?? ? (42) 為了區(qū)別母小波或基小波函數(shù) y (t) 我們稱伸 縮平移而成的一族函數(shù) b,a{ (t)}? 為 子小波或子波。并不是任何函數(shù)都可以作為母小波函數(shù)，它必須滿足容許條件： ??? ??? ????? d02)(C (43) 其中 )(t? 的傅立葉變換容許條件的提出主要保證小波變換的反變換存在因為任何變換都必須存在反變換才有實際 意義。 常用的基本小波中 Haar小波是最簡單的小波函數(shù)。它的函數(shù)定義為： (44) Haar小波有很多優(yōu)點，如： (1)Haar計算簡單，因為小波僅取 +1和 1； (2)Haar小波在時域是緊支撐的，即其非零區(qū)間為 (0， 1)； 故障狀態(tài)下電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性研究 26 (3)Haar波是對稱的。 Haar小波是目前唯一一個既具有對稱型又是有限支撐的正交小波 。 但 Haar小波是不連續(xù)小波，由于 ? ?0)( dttt? ，因此 在)(t? ? =0處只有一階零點，這就使得 Haar小波在實際的信號分析與處理中受到了限制。綜合來說本論文中 Haar小波對于這種仿真信號還是非常完美的。 Haar 小波變換原理 對于數(shù)字信號序列 )(nf 進行 Haar 小波變換，可由下列公式直接進行離散化，用小波系數(shù)來表征變化結果，則有下面的形式： (45) 其算法由下圖表示： 圖 41 Haar小波原理 )(Gn 表示高通濾波器， )(Hn 表示低通濾波器， 2? 表示下抽樣。 小波變換在仿真中的應用 在 Matlab中利用小波變換程序對仿真結果進行信號特征提取，小波變換程序見附錄(2S短路， )特征提取圖像為： 吉林化工學院畢業(yè)設計說明書 27 圖 42 未處理的原始時域信號 圖 43 第一次小波變換提取的高頻分量 結論：故障發(fā)生瞬間，對信號進行小波變換后會產生明顯的突變高頻分量，由于對信號進行第一次小波分解，突變非常明顯，最開始突變?yōu)楣收习l(fā)生時，第二次突變?yōu)楣收锨谐龝r，對故障分析為單相接地短路故障，每個采樣點時間間隔為 。 故障狀態(tài)下電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性研究 28 圖 44 第二次小波變換后的高頻分量 結論：由于對第一次分解后的低頻部分進行第二次小波變換，其中電網(wǎng)系統(tǒng)的延遲和信號故障的噪聲對小波變化的干擾，在第二次的小波變換中，突變的高頻分量包含了許多小的干擾噪聲，顯示了小波變換的多尺度分析，把對系統(tǒng)產生影響的高頻信號進行了更清晰的分解。 對比 (2S 短路， 恢復 )，現(xiàn)在設定短路故障時間為 (3S 短路， 恢復 )特征提取圖像為： 圖 45 未處理的原始時域信號 吉林化工學院畢業(yè)設計說明書 29 圖 46 第一次小波變換提取的高頻分量 圖 47 第二次小波變換后的高頻分量 結論：當故障時間由 (2S 短路， 恢復 )改為 (3S 短路， 恢復 )，小波變換后的波形與時頻無關，同種故障在其它參數(shù)都一致的情況下小波變換后的小波圖像幾乎完全一致。只要系統(tǒng)突變，突變點就會被檢測出來，由此可知，對于任何未知的故障信號，經(jīng)過小波變換后，可以把某個突變點發(fā)生的高頻分量檢測出來，故障開始和結束都會產生這樣的信號，每個采樣點時間間隔為 [14]。 結論 小波變換具有表征信號突變特征的能力以及對非平穩(wěn)信號的良好的處理效果，本質上是一濾波過程，但 它優(yōu)于傳統(tǒng)的數(shù)字濾波方法。子波分析方法對弱信號實時處理的結果表明，小波變換方法可以根據(jù)信號和噪聲的不同特性進行非線性濾波，在改善信噪比的同時，具有很高的時間 (位置 ) 分辨率，而且對信號的形式不敏感，這是傳統(tǒng)的濾波方故障狀態(tài)下電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性研究 30 法所無法比擬的。因此，小波變換方法特別適合于弱信號的檢測和定位，本文通過實例說明，若將該方法應用到電力系統(tǒng)短路故障的診斷中，快速實現(xiàn)故障的自動診斷，對于提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有十分重要的意義。 吉林化工學院畢業(yè)設計說明書 31 結 論 隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展，復雜的電力控制系統(tǒng)在技術和安全對電網(wǎng)的要求越來越高，其可能 遇到的多種情況正在考驗著電力運行的可持續(xù)性和穩(wěn)定性，期間自動化技術的進步正在彌補這這種巨大落差，更好的對電網(wǎng)系統(tǒng)各種故障的檢測和分析成為了當前熱門的研究課題，更具有非常實用的現(xiàn)實意義。 本論文通過對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性研究領域故障判斷分析，以 MATLAB/Simulink為電力系統(tǒng)仿真應用平臺， 基于 MATLAB語言的電力系統(tǒng)工具箱，非常方便地 搭建了 電力系統(tǒng)各種模型，并且將這些模型保存起來， 最終 建立 了較 復雜的系統(tǒng)仿真模型。 運用小波變換對故障信號進行特征提取，完成了對故障檢測點的實時分析和研究，對電力系統(tǒng)運行中易 出現(xiàn)的故障問題進行調試和分析，通過仿真運算驗證了方法的正確和可行性，總之 ，利用 MATLAB強大的計算功能和編程技術，提高仿真計算的靈活性和效率，為仿真電力系統(tǒng)，分析電力系統(tǒng)提供了一種新的手段。 本次電力系統(tǒng)仿真主要有以下優(yōu)點： 1) 部署成本低，建模效率高，能有效地降低試驗風險，并且最大限度的保留了仿真的完整度，通過優(yōu)化的算法，達到了很高的精度，并且為更加復雜的電力系統(tǒng)提供了研究參考。 2) 易用性強，界面友好，操作使用非常方便?？梢匀我庠黾酉嚓P模塊，并且可以定制模塊元件或代碼，交互式應用最大限度的 快速評估不同算法，進行參數(shù)優(yōu)化。 有待進一步研究的工作： 1) 對故障信號的提取過程尚需要進行進一步的研究。比如說故障測距方面，通過對故障的檢測，運用各種不同的方法測量出故障發(fā)生的具體位置和時間，以此加深對電力系統(tǒng)應用理解。 2) 由于配電電網(wǎng)一般是高壓電，仿真用到的模型能否優(yōu)化使其達到更接近現(xiàn)實情況的匹配，近代直流高壓電 HDVC系統(tǒng)的模型對仿真的驗證有待研究。 3) 最優(yōu)小波函數(shù)的選擇對仿真結果的影響極為重大，快速準確的找到最優(yōu)小波函數(shù)同樣是亟需解決的問題。 故障狀態(tài)下電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性研究 32 參考文獻 [1] 王 晶 ,翁國慶 ,張有兵 .電力系統(tǒng)的 MATLAB/SIMULINK仿真與應用 [M].西安 :西安電子科技大學出版社 ,. [2] 李國勇 ,謝克明 ,楊麗娟 .計算機仿真技術與 CAD— 基于 MATLAB的控制系統(tǒng) (第二版 )[M].北京 :電子工業(yè)出版社 ,. [3] 李穎 .Simulink動態(tài)系統(tǒng)建模與仿真 (第二版 )[M].西安 :西安電子科技大學出 社 ,. [4] 李晨 ,蔣得瓏 ,程生安 .電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析方法的現(xiàn)狀與發(fā)展 [J].電子技術出版 社 ,2020,3(1): 1115. [5] 王正風 .電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析若干問題研究 [M].南京 :東南大學出版社 ,. [6] 崔凱 .電力系統(tǒng)概率暫態(tài)穩(wěn)定性分析與控制方法研究 [M].天津 :天津大學出版社 ,. [7] 陳濤 .PSS參數(shù)計算和穩(wěn)定分析 [M].貴陽市 :貴州大學出版社 ,. [8] 陳曉東 .電力系統(tǒng)穩(wěn)定器設計 [M].濟南市 :山東大學出版社 ,. [9] 倪以信 ,陳壽孫 ,張寶霖 .動態(tài)電力系統(tǒng)的理論和分析 [J].清華大學出版社 ,2020,5(2):260291. [10] 朱正偉 .基于小波理論的電力系統(tǒng)故障檢測方法研究 [M].南京 :南京 大學 出版 ,. [11] 陳海宴 ,崔東艷 ,涅輝哲 .小波變換在電力系統(tǒng)應用中的發(fā)展前景研究 [M].北京 :北京理工大學 出版 社 ,. [12] ChengPing Huang, ChiJui Wu, YungSung Chuang. Test Results