摘要：以中性点不接地系统同一点两相接地短路故障作为研究内容，阐述其故障理论原理和电压相量分布。选取局部电网作为本体，在MATLAB/SimPowerSystem平台上搭建220kV电源端到10kV馈线发生一点两相接地短路故障的仿真模型，通过仿真得到从系统到短路故障点的电压波形及电压分布数值。仿真结果与故障的理论原理相符，说明仿真模型正确；而且，通过改变仿真模型中故障元件的故障类型，还能对中性点不接地系统同一点做单相接地、相间短路、三相接地短路故障分析，凸显了该模型在分析中性点不接地系统同一点短路故障时的灵活性、实用性、高效性。
关键词：两相接地；短路故障；不接地系统；MATLAB；Simulink
Simulation analysis of two-phase ground fault in Ungrounded System based on MATLAB
JIAN Zhichao
(Dongguan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Dongguan, Guangdong 523000)
Abstract：Based on the research of the two-phase ground fault in ungrounded system, the fault theory and voltage vector distribution are described. Select the local power grid as ontology, 220kV power is built on the MATLAB/SimPowerSystem platform to the 10kV feeder a two-phase ground fault simulation model, obtained by simulation from the system to the numerical voltage waveform and voltage distribution of short circuit fault point. The simulation results are consistent with the theory of fault; Through the change of fault type fault components in the simulation model, but also on the neutral ground system analysis, phase fault and three-phase ground fault phase to the same point, highlighting the model in analysis of neutral point with a short circuit fault flexibility, practicality and efficiency of the system.
Key words：Two-phase ground; Short circuit fault; Ungrounded system; MATLAB; Simulink
0 前言
MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
1 中性点不接地系统同一接地故障理论原理
在中性点不接地系统中最常见的故障为单相接地故障，虽然这种故障不影响对用户的供电，但如不及时处理，由于非故障相的电压升高为线电压后，会造成系统中对地绝缘薄弱的地方闪络，进而发展成为两相接地故障[1]。中性点不接地系统两相接地短路和单纯的相间短路有一定区别，针对这种故障类型，利用相量图和MATLAB进行详细分析，总结在这种故障情况下系统各点电压、电流关系。
如图 1 所示系统，母线Q电压等级为220kV，母线P电压等级为110kV，母线M电压等级为10kV，其中变压器 T2低压侧为中性点不接地系统。为简化分析，假定电网负荷为0，线路、变压器阻抗只考虑电抗分量，即阻抗角为90°。
1.1 故障点电压、电流相量图分析
如图 1所 示，假设K点发生B、C两相金属性接地故障。由于变压器T2低压侧为中性点不接地系统，因此在发生B、C两相接地短路时并没有电流流入大地，也就是说，电流的计算方法和相量表示仍和B、C相间短路故障相同，但不同的是故障点处B、C相对地电压将变成零，而A相对地电压将升高至额定电压的1.5倍[1]。故障点K电流、电压可以由图2所示相量图表示。
图1 局部电网示意图
Fig. 1 Partial net
图2 故障点电流电压相量图
Fig. 2 Current and voltage vector fault point
1.2系统各处电压分布情况
实际上，我们最为关心的是系统各处母线上感受到的电压情况，下面我们看一下K点发生BC两相金属性接地故障时，系统各处电压的分布，如图3。我们可以看出：在中性点不接地系统中，中性点对地的电压位移等于0.5
,如图3中M母线、K点所示；在中性点接地系统中，中性点对地电压位移又恢复正常，表现出的形式与B、 C相间故障完全相同[1]。
图3 系统各处电压分布相量图
Fig. 3 Current and voltage vector fault point
2 搭建仿真模型
2.1仿真参数
整个仿真模型当中，变压器参数计算是比较复杂的环节，如图1中110kV变压器T2为例，选取型号为SZ10-50000/110TH变压器，计算变压器的标幺值。其变压器参数如下表。可以计算变压器的短路参数和励磁参数。
表1 SZ10-50000/110TH变压器铭牌
Tab. 1 Transformer nameplate of SZ10-50000/110TH
2.1.1变压器T2短路参数计算：
变压器容量
，负载损耗
，变高侧额定电压
，额定电压分接时短路阻抗
。
计算短路电阻
计算短路电抗
计算短路电感
2.1.2变压器T2励磁参数计算：
变压器容量
，空载损耗
，空载电流
，变高侧额定电压
。
计算励磁电阻
计算励磁电抗
计算励磁电感
2.1.3变压器T2标幺值（pu）计算：
电阻基准值
短路电阻标幺值
励磁电阻标幺值
电感基准值
短路电感标幺值
励磁电感标幺值
在MATLAB/SimPowerSystem中找到双边变压器（Three-Phase Transformer）元器件，如图4所示，双击该元器件，在Configuration菜单中选中原边和副边线圈接线方式均为Y接，中性点不接地；在Parameters菜单中输入上述计算参数如表2变压器T2所示。
变压器T1参数计算方式与变压器T2计算方法相同，其余参数具体设置如表2所示。
图4 双边变压器元件
Fig. 4 Three-Phase Transformer
图5 110kV变压器T2参数设置
Fig. 5 110kV TransformerBlock Parameters
2.2仿真模型搭建
根据图1搭建局部电网仿真图如图6所示，在每一级母线中还包含子系统Subsystem，如图7所示，主要用于把母线的电压波形进行有效值和相角的分离，使得能直接从数字示波器上显示数值。算法设置为ode23tb，步长设置为可变步长，仿真时间为0.08秒。
表2 主要参数设置表
Tab. 2 Main parameter setting sheet
图6 局部电网仿真模型图
Fig. 6 Simulation model of Partial net
图7 傅里叶分析Subsystem子系统图
Fig. 7 Subsystem of Fourier
表3 仿真结果数据表
Tab. 3 Simulation result data sheet
3 仿真分析
3.1仿真数据分析
仿真得到的各点电压数据如表3所示，将表3数据导入Excel表格分析工具，作出的相量图如图8所示，M点与K点位不接地系统，中性点的对地电压位移为0.5
，其余N、P、Q均为中性点直接接地系统，中性点对地电压位移又恢复正常，表现出的形式与B、 C相间故障完全相同，仿真分析与上述1.2点分析相符，说明仿真模型正确。
图8 仿真结果相量图
Fig. 8 vector of simulation result
3.2仿真波形分析
由于故障元器件中设置了故障开始时间为[1/50]，即仿真从0.02s后进入故障状态。
从K点仿真的波形图图9分析得到，K点在0.02s开始B、C相电压变为0，A相电压增大为原来的1.5倍，与故障点处B、C相对地电压将变成零， A相对地电压将升高至额定电压的1.5倍的理论分析相符；0.02s后B、C短路电流增大至2000A，而A相电流始终为0，与B、C两相接地短路故障类型的现象相符，说明仿真正确。
图9 K点电压、电流波形图
Fig. 9 K Point Voltage and current waveform
图10 M点电压、电流波形图
Fig. 10 M Point Voltage and current waveform
从M点仿真波形图图10分析得到，M点作为中性点不接地系统，在0.02s后，A相电压增大为额定电压1.5倍，B、C相电压均被拉低，而且相位相反；由于A点不是故障点，A点电流始终为0，B、C相电流也突然增大至2000A，而且反相。
从N、P、Q点仿真波形图图11、图12、图13得到，这三点均为中性点接地系统，在0.02s之后，A相电压波形始终没有发生改变，B、C相电压波形发生了突变，具体原因为相位发生了改变，而且越远离故障点，突变越不明显，在系统侧Q点，相位突变为0；而电流A相电流始终为0，B、C相电流突然增大而且反相。
图11 N点电压、电流波形图
Fig. 11 N Point Voltage and current waveform
图12 P点电压、电流波形图
Fig. 12 P Point Voltage and current waveform
图13 Q点电压、电流波形图
Fig. 13 Q Point Voltage and current waveform
4 结语
通过对中性点不接地系统同一点两相接地短路故障进行MATLAB仿真，利用仿真得到的数据、波形对发生故障时的系统各点电压、电流关系进行梳理，得出仿真结果与故障的理论原理相符，说明搭建的仿真模型正确。而且，通过改变仿真模型中故障元件的故障类型，还能对中性点不接地系统同一点做单相接地、相间短路、三相接地短路故障分析，凸显了该模型在分析中性点不接地系统同一点短路故障时的灵活性、实用性、高效性。
参考文献
[1]张波,王越.中性点不接地系统同一点两相接地短路故障分析[J].继电器,2007,35(15):59-61.
ZHANG Bo,WANG Yue.Analyis of two-phase grounding fault of isolated neutral system[J]. 2007,35(15):59-61.
[2]刘春晓,张俊峰,陈亦平,张建新,徐敏,王官宏.异步联网方式下云南电网超低频振荡的机理分析与仿真[J].南方电网技术,2016,10(7)：29-34.
LIU Chunxiao,ZHANG Junfeng,CHEN Yiping,ZHANG Jianxin,XU Min,WANG Guanhong. Mechanism Analysis and Simulation on Ultra Low Frequency Oscillation of Yunnan Power Grid in Asynchronous Interconnection Mode[J].SOUTHERN POWER SYSTEM TECHNOLOGY, 2016,10(7)：29-34.
[3]高伟,何瑞文.基于MATLAB和PSASP的电力系统仿真研究[J].广东电力,2005,18(1) :9-11.
GAO Wei,HE Ruiwen.A study of power simulation based on MATLAB and PSASP[J].GUANGDONG ELECTRIC POWER, 2005,18(1) :9-11.
[4]李蕾,程汉湘,澎湃,陈杏灿,杨健.基于MATLAB的磁阀式可控电抗器仿真建模[J].广东电力,2016,29(2):45-47.
LEI Lei,CHENG Hanxiang,PENG Pai,CHEN Xingcan,YANG Jian. Simulating Modeling of Magnetically Controlled Reactor Based on MATLAB [J]. GUANGDONG ELECTRIC POWER, 2016,29(2):45-47.
[5]田铭兴,杨雪凇,顾生杰.基于MATLAB磁饱和式可控电抗器的仿真参数及过渡时间分析[J]. 电力自动化设备,2013,33(6):47-51.
TIAN Mingxing,YANG Xuesong,GU Shengjjie.The Analysis of Transition Time and Parameters Based on MATLAB Simulation Model of Magnetic Saturation Type Controlled Reactor[J]. Electric Power Automation Equipment, 2013,33(6):47-51.
[6]李颖.Simulink动态系统建模与仿真[M].西安：西安电子科技大学出版社,2009.
[7]陈桂明,等.应用MATLAB建模与仿真[M].北京:科学出版社,2001.
[8]王江,付文利，等.基于MATLAB/Simulink系统仿真权威指南[M].北京:机械工程出版社,2013.
[9]于群,曹娜. MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真[M].北京:机械工程出版社,2011.
[10]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,2015.
[11]何仰赞，温增银.电力系统分析(第三版)[M].武汉:华中科技大学出版社，2002.
作者简介：
简志超（1989），男，广东东莞。工程师，工学学士，主要从事变电站继保自动化专业方向。
论文作者:简志超
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/8
标签：电压论文; 故障论文; 系统论文; 变压器论文; 波形论文; 电流论文; 所示论文; 《电力设备》2019年第6期论文;