小电流接地系统单相故障的GUI仿真设计

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摘要：在MATLAB的Simulink仿真平台上搭建小电流接地系统电路模型，完成GUI界面设计，对界面上参数进行设置后进行仿真，并对仿真波形进行分析，验证了小电流接地系统的故障特征和中性点不接地系统通过零序电流的幅值和相位判断故障线路和故障相的有效性。

关键词：小电流接地系统；建模；GUI仿真

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）29-0193-02

Simulation Design on Single-phase Fault of Small Current Grounding Power System Based on GUI

SUN Hao1，HUANG Wei2，DOU Zeng3

（1. College of Information and Control Engineering， Jilin Institute of Chemical Technology， Jilin 132022，China；2. Changchun Power Supply Company ， Jilin Electric Power Co. Ltd. ，Changchun 130021，China； 2. Information & Telecommunication Company ， Jilin Electric Power Co. Ltd. ，Changchun 130021，China ）

Abstract： The model of small current grounding power system circuit is built on the Simulink platform of MATLAB， and the GUI interface design is completed. The simulation is carried out after setting the interface parameters， and the simulation waveforms are analyzed， which verified fault characteristics of small current grounding power system and the validity of diagnosing the fault line and fault phase with the magnitude and phase of the zero sequence current.

Key words： small current grounding power system；modeling；GUI simulation

小电流接地系统是指中性点非直接接地系统，包括中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统等，这种系统发生单相接地故障时，由于不能构成短路回路，故障点的故障电流比负荷电流小得多，故障后，三相之间的线电压仍对称，对负荷供电无影响，也因此一般情况下允许继续运行1～2h[1]。但非故障相的电压升高[3]倍，为防止故障扩大，造成两相和三相短路，应及时发出信号，以便运行人员查找故障线路并消除故障。因此如何正确找到故障线路和故障相变得尤为重要。本文利用MATLAB软件，在其Simulink仿真平台上建立小电流接地系统模型，得出中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障后的系统零序电流、零序电压和故障点的故障电流等仿真波形并对其进行分析，并设计gui界面，对界面上组件进行编程，在GUI界面可直接修改仿真参数和观测仿真波形，使仿真更简单、便捷。

1 小电流接地系统仿真模型

在MATLAB的Simulink仿真平台上搭建中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统的模型[2-4]， 中性点不接地系统仿真模型如图1所示。

模型中三相交流电压源的内部接线方式为Y型联结， 4条输电线路均采用三相PI型电路模型，线路长度分别为120km、180km、2km和150km，其他参数相同，均为模块默认值。线路负荷均采用三相串联RLC负荷模型，有功负荷分别为1MW、0.2MW和2MW，其他参数相同，均为模块默认值。三条线路上均有三相电压电流测量模块，相当于电压电流互感器的作用，所有模块频率均设置为50Hz。模型中的“workspace”模块，是将数据输出到MATLAB工作空间，便于对输出数据进行操作，在GUI界面输出仿真波形。中性点经消弧线圈接地系统的模型是将中性点不接地系统仿真模型中三相交流电压源的内部接线方式设置为Yn型联结，在电源的中性点接入一个电阻和一个电感线圈相串联，其他相同。

2 GUI界面设计与仿真结果分析

2.1 GUI界面设计

小电流接地系统仿真界面由参数设置区域、仿真波形区域、仿真按钮和退出按钮构成。参数设置区域包括电源电压、仿真时间、模型选择、输电线路长度和负荷功率。波形区域选取6个坐标轴，分别显示故障线路的A相电压、故障点的接地电流、系统的零序电压以及各线路的零序电流波形。对各控件的回调函数进行编程，实现GUI对Simulink模型的调用【5】。演示界面如图2所示。

2.2 仿真结果分析

三相交流电压源电压设置为10.5kV，仿真结束时间设置为0.2S，算法选用“ode23tb”。Powergui模块设置采样时间为[1×10-5]S，系统在0.04S发生A相接地故障，分别对中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统进行仿真。

2.2.1 中性点不接地系统仿真

仿真结果如图3所示。

从图3中可看出0～0.04S，系统运行正常，无零序电流，系统在0.04S发生单相接地短路故障，故障线路的A相电流急剧增加，A相电压降为0，3条线路均有零序电流，其中线路1和2的零序电流均超前零序电压90°，线路3的零序电流滞后零序电压90°，即线路3和线路1、2的零序电流相位相差180°，线路3的零序电流较大，为线路1和2的零序电流之和，因此通过仿真可以判断故障线路为3，故障相为A相。

2.2.2 中性点经消弧线圈接地系统仿真

在电源的中性点接入的电阻为30[Ω]，电感为0.8697H，仿真结果如图4所示。

图4中故障点的接地电流有效值为4.35A，远远小于中性点不接地系统的故障相接地电流，补偿效果十分明显。线路1和线路2的零序电流为本身的电容电流，仍超前零序电压90°，实际方向为母线流向线路，线路3的实际方向与线路1和2的相同，因此不能通过电流的方向判断故障线路，通过零序电流的大小也很难判断故障相。

3 结论

本文在MATLAB的Simulink仿真平台上建立了小电流接地系统仿真模型并设计了GUI界面，对中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障进行仿真，通过波形的对比和分析，验证了小电流接地系统的故障特征以及零序电流比幅比相法对中性点不接地系统单相接地故障判别的有效性。

参考文献：

[1] 张保会，尹项根.电力系统继电保护[M].2版.北京：中国电力出版社，2010.

[2]周羽生，彭琢，韦肖燕，等.小电流接地系统单相故障的Matlab仿真[J].电力系统及其自动化学报，2009，21（4）：50-

[3]张耘川，王昕怡.基于 Matlab 的小电流接地系统单相故障仿真分析[J].电气技术，2012（4）： 9-11.

[4] 于群，曹娜.MATLAB/Simulink 电力系统建模与仿真[M].北京：机械工业出版社，2011.

[5] 刘宝柱，苏彦华，张宏林.MATLAB 7.0 从入门到精通[M].北京：人民邮电出版社，2010.