基于MATLABSimulink电力系统短路故障分析与仿真

基于MATLAB/Simulink电力系统短路故障分析与仿真

摘要：

MATLAB有强大的运算绘图能力，给用户提供了各种领域的工具箱，而且编程语法简单易学。论文对电力系统的短路故障做了简要介绍并对短路故障的过程进行了理论分析和MATLAB软件在电力系统中的应用，介绍了Matlab／Simulink的基本特点及利用MATLAB进行电力系统仿真分析的基本方法和步骤。在仿真平台上，以单机—无穷大

系统为建模对象，通过选择模块，参数设置，以及连线，对电力系统的多种故障进行仿真分析。

关键词：MATLAB、短路故障、仿真、电力系统

Abstract：

MATLAB has powerful operation ability to draw, toolkit provides users with a variety of fields, and easy to learn programming grammar. Paper to give a brief introduction of fault of the power system and the process of fault are analyzed in theory and the application of MATLAB software in power system, this paper introduces the basic characteristics of MATLAB/Simulink and MATLAB power system simulation analysis of the basic methods and steps. On the simulation platform, with single - infinity system for modeling object, by selecting module, parameter Settings, as well as the attachment, a variety of fault simulation analysis of power system.

Keyword:MATLAB;Fault analysis;Simulation;Power System;

1

引言 ....................................................................................................................... 3 第一章： 课程设计任务书 ................................................................................ 3 1.1设计目的： .................................................................................................. 3 1.2原始资料： .................................................................................................. 4 1.3设计内容及要求： ...................................................................................... 4 第二章：电力系统短路故障仿真分析 .............................................................. 5 2.1元件参数标幺值计算：.............................................................................. 5 2.2等值电路: ................................................................................................... 10 第三章 ：电力系统仿真模型的构建 .............................................................. 10 3.1MATLAB简介: ......................................................................................... 11 3.2电力元件设计:........................................................................................... 11 3.2.1 三相电源: ........................................................................................... 11 3.2.2 变压器元件: ....................................................................................... 13 3.2.3输电线路: ............................................................................................ 14 3.3电力系统模型的搭建: .............................................................................. 15 第四章：模型仿真运行 .................................................................................... 21 4.1建立仿真模型： ........................................................................................ 21 4.2 仿真结果与分析： ................................................................................... 22 第五章: 总结 ..................................................................................................... 25 参考文献 ............................................................................................................. 25 附录：Simulink仿真模型 ............................................................................... 26

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引言

随着电力工业的发展，电力系统规划、运行和控制的复杂性亦日益增加，电力系统的生产和研究中仿真软件的应用也越来越广泛。现在，我们主要使用的电力系统仿真软件有：EMTP程序，用于电力系统电磁暂态计算，电力系统暂态过电压分析，暂态保护装置的综合选择等。PSCAD／EMTDC程序，典型应用是计算电力系统遭受扰动或参数变化时，参数随时间变化的规律。PSASP，其功能主要有稳态分析、故障分析和机电暂态分析。 还有MathWorks公司开发的MATLAB软件。在MATLAB中，电力系统模型可以在Simulink环境下直接搭建，也可以进行封装和自定义模块库，充分显现了其仿真平台的优越性。更重要的是，MATLAB提供了丰富的工具箱资源，以及大量的实用模块，使我们可以更加深入地研究电力系统的行为特性。

第一章： 课程设计任务书

1.1设计目的：

本课程设计是高校工科电气类相关专业的一门专业实践课。其目的是： 1．进一步提高收集资料、专业制图、综述撰写能力；

2．通过设计掌握基本专业理论、专业知识、工程计算方法、工程应用能力及基本设计能力；

3．培养理论设计与实际应用相结合的能力，开发独立思维和见解的能力； 4．培养独立分析和寻求并解决工程实际问题的工作能力；

3

5．为毕业设计和实际工作打下坚实的基础。

1.2原始资料：

取基值S

B=120MV.A，V

B=V

av，各发电机电压标幺值E1=1.0，对于线路：

x1x2=0.4km，x03x1，对于负载：x11.2，x20.35，所需变压器及线路参数如图2所示已给出。

YN,d11463MWVA120MW10kVp015.7kWps73kWI%0.50)km0V%10.5s,10201(140,130GGGG80(75,70,62)km10MW15MWYN,d1116MWVA463MWxd\"0.134x20.161x0.060cosN0.8510kVp011kWps50kWI0%0.55Vs%10.5p013.2kWps63kWI0%0.55V%10.5s(12)80MWVs(23)%6.55MWVs(13)%17.5YN,Y,d11210MVAYN,d11210MWVA40(36,34,32)km25MW110kV25MWp018.6kWps89kWI%0.530MW0Vs%10.510kVp015.7kWps73kWI%0.5GG0Vs%10.530(28,25,20)kmp044kWps121kWI0%0.35Vs%10.570(75,65,60)km110kV110kV35kV

35kVYN,d11220MWVA20MWYN,d11216MWVA63MWVAp044kW10kVps121kWI0%0.35Vs%10.5GG35MW10kVGGGGGG415MWxd\"0.136x20.16x0.0730cosN0.8312MWxd\"0.136x20.161x0.0750cosN0.8150MWxd\"0.128x20.154x0.0540cosN0.85225MWxd\"0.128x20.157x0.05910cosN0.8图1. 电力系统接线示意图

1.3设计内容及要求：

（1）. 手工计算系统模型中各元件的参数标幺值； （2）. 画出系统等值简化电路图（数学模型）；

4

（3）. 利用MATLAB/SimPowerSystems工具箱，选择相关元件放置在合适的位置并按设计要求设置相关参数，然后连线构建成完整的系统不同短路故障仿真模型； （4）. 加入测量元件并设置不同节点不同类型的短路，有效设置好仿真参数后， 选择合适的仿真步长算法，然后运行系统电路，获得短路电流仿真计算结果表（即对12个节点所有短路类型的短路电流列表），记录并详细分析仿真结果； 用Matlab中Simulink组件的SimPowerSystems工具箱构建设计要求所给的电力系统模型，再在12个不同的母线上设置单相单路、两相短路、两相接地短路、三相短路，然后分别运行该系统，通过测量元件获得各个母线不同短路类型的短路电流。

（5）. 利用Matlab所提供的工具，设计电力系统短路故障仿真GUI图形用户界面，通过组件的设置，回调函数的编写以及最后的运行，把系统模型与图形界面联系起来，有利于故障类型的选择和波形的查看。（选择其中某1～2个节点设计其不同短路类型的GUI波形界面即可） （6）.撰写课程设计说明书。

注：上述3、4两步如直接通过MATLAB编写m程序并调试运行获得短路电流计算结果也可以。

第二章：电力系统短路故障仿真分析

2.1元件参数标幺值计算：

取基值SB=120MV.A，VB=Vav，各发电机电压标幺值E1=1.0，对于线路：x1x2=0.4，

kmx03x1，对于负载：x11.2，x20.35，所需变压器及线路参数如图2所示已给出。

5

10MWYN,d11463MWVA120MW10kVp015.7kWps73kWI%0.50km)0Vs%10.5,102010,13(140GGGG80(75,70,62)km15MWYN,d1116MWVA463MWxd\"0.134x20.161x0.060cosN0.8510kVp011kWps50kWI0%0.55Vs%10.5p013.2kWps63kWI0%0.55V%10.5s(12)80MWVs(23)%6.55MWVs(13)%17.5YN,Y,d11210MVAYN,d11210MWVA40(36,34,32)km25MW110kV25MWp018.6kWps89kWI%0.530MW0V%10.5s10kVp015.7kWps73kWI%0.5GG0Vs%10.5110kV110kVYN,d11220MWVA20MWYN,d11216MWVA63MWVAp044kW10kVps121kWI0%0.35Vs%10.5GG35MW10kVGGGGGG415MWxd\"0.136x20.16x0.0730cosN0.8

312MWxd\"0.136x20.161x0.0750cosN0.8150MWxd\"0.128x20.154x0.0540cosN0.85225MWxd\"0.128x20.157x0.05910cosN0.8

①负载标幺值：x11.2，x20.35 ②发电机电压标幺值：E1=1.0 ③变压器标幺值：

YN,d11 1*16MWV.A: 错误!未找到引用源。

错误!未找到引用源。

6

30(28,25,20)kmp044kWps121kWI0%0.35Vs%10.570(75,65,60)km35kV35kV错误!未找到引用源。

YN,d11 2*20MWV.A: 错误!未找到引用源。

错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。

错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。

错误!未找到引用源。 错误!未找到引用

源。

YN，d11 4*63MWV.A:错误!未找到引用源。

错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。

错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。

YN,d11 2*16MWV.A:错误!未找到引用源。

错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。

YN, Y,d11.2*10MV.A: 错误!未找到引用源。

7

YN,d11 63MWV.A:错误!未找到引用源。

错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。

YN,d11 2*10MWV.A:错误!未找到引用源。

错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。

④线路标幺值：

x1x2=0.4km，x03x1

40(36,34,32)km: 错误!未找到引用源。 40(36,34,32)km: 错误!未找到引用源。 40(36,34,32)km: 错误!未找到引用源。 140(130,120,100)km: 错误!未找到引用源。 140(130,120,100)km: 错误!未找到引用源。

8

140(130,120,100)km: 错误!未找到引用源。 80(75,70,62)km: 错误!未找到引用源。 80(75,70,62)km: 错误!未找到引用源。 80(75,70,62)km: 错误!未找到引用源。 70(75,65,60)km: 错误!未找到引用源。 70(75,65,60)km: 错误!未找到引用源。 70(75,65,60)km: 错误!未找到引用源。 30(28,25,20)km: 错误!未找到引用源。 30(28,25,20)km: 错误!未找到引用源。 30(28,25,20)km: 错误!未找到引用源。

2.2等值电路:

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第三章：电力系统仿真模型的构建

基于MATLAB/Simulink的电力系统仿真模型的构建。在Matlab的SimPowerSystems工具箱中利用相关的电力元件搭建仿真模型并运行系统，设置短路点得出访真结果。

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3.1MATLAB简介:

MATLAB有强大的运算绘图能力，给用户提供了各种领域的工具箱，而且编程语法简单易学。下面简单介绍一下一些工具箱。

①Simulink基本库，为用户提供了多种基本模块。它有两个显著功能，即仿真与连接，是实现动态系统建模、仿真的一个集成环境。②PSB(PowerSystemBlock)电力系统模块库，涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统的仿真模型，为电力研究者带来了更大的便利。它由以下8个子模块库组成：电源模块库(Electrical Sources)；基本元件模块库(Elements)；电力电子模块库(Power Electronics)；电机模块库(Machines)；连接模块库(Connectors)；测量模块库(Measurements)；附加模块(Extra Library)；电力图形用户接口(Powergui)。③GUI（用户图形界面）是程序的图形化界面。组件、图象窗口以及回应是创建界面所必须的三个基本元素。它提供用户一个常见的界面，以及一些控件，例如，按钮，列表框，菜单等。通常，还可以通过编程来实现多种功

3.2电力元件设计: 3.2.1 三相电源:

1. 元件模型

三相电源(3-Phase Source)元件的模型如图3-1 所示。

图3-1. 三相电源

2. 功能说明

三相电源是电路设计中常见的电路元件。三相电源是电路中最重要的元件，它的运行特性对电力系统的运行状态起决定性的影响。三相电源元件提供了带有串联RL 支路的三相电源。 3. 参数设置

双击三相电源元件，则弹出三相电源参数设置对话框，如图3-2所示。在三相电源参数设置对话框中包括两个区域，分别是三相电源说明和参数区域。

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图3-2. 三相电源参数设置对话框

参数:

参数中包含7 个选项，分别是相电压(Phase-to-phase rms voltage)、A 相相角(Phaseangle of phase A)、频率(Frequency)、内部连接方式(Internal connection)、短路阻抗值 (Specify impedance using short-circuit level)、三相电源电阻(Source resistance)和三相电源电感(Source inductance)选项。 ① 相电压(Phase-to-phase rms voltage)

相电压表征的是三相电源A 相、B 相和C 相的相电压。相电压的单位是伏(V)，本次仿真计算选择相电压为10KV。

② 频率(Frequency)

频率选项表示三相电源的电源频率值。频率的单位是赫兹(Hz)。本次仿真计算选择50Hz。

③A 相相角(Phaseangle of phase A)

A 相相角表示的是三相电源A 相的相位角。A 相相角的单位是度( °)。例如，A相相角是10°，则根据三相电源的相角特征得出B 相相角是－110°，而B 相相角是130°，本次仿真计算中选A相相角为0.

④内部连接方式(Internal connection)

内部连接方式表征的是三相电源的内部连接方式，如图3-3 所示。

图3-3. 内部连接方式

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内部连接方式有3 种，分别是： Y 型： 表示三相电源Y 型连接，中性点不接地。 Yn 型： 表示三相电源Y 型连接，中性点接过渡电阻或者消弧线圈接地. Yg 型： JU本次仿真计算中内部连接选择Y型连接。 ⑤ 三相电源电感(Source inductance)

三相电源电感表示的是三相电源的电感值。三相电源电感的单位是H。 ⑥短路阻抗值 (Specify impedance using short-circuit level)

短路阻抗值选项用来设定在短路情况下的阻抗数值。本次仿真计算短路阻抗根据系统所给的参数选择。

表示三相电源Y 型连接：中性点直接接地。 3.2.2 变压器元件:

在电力系统电路中，变压器元件用来实现各种电路中的变压器。在变压器元件中包括 6 种元件，在本次仿真计算中采用三相变压器（双绕组）元件及三相变压器（三绕组）元件。

1、元件模型，如图3-4所示。

图3-4.三相变压器（双绕组）元件及三相变压器（三绕组）元件

2 、参数设置

双击三相变压器（双绕组）元件及三相变压器（三绕组）元件，则弹出参数设置对话框，如图3-5所示。在三相电源参数设置对话框中包括两个区域，分别是三相电源说明和参数区域。

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图3-5 三相变压器（双绕组）元件及三相变压器（三绕组）元件

参数:

参数包含3个选项，分别是变压器容量及频率（Nomianl Power and frequency）,两(三)个绕组电压、电阻、电感（Winding parameters）, 各相绕组内部连接方式(Internal connection)

3.2.3输电线路:

输电线路有两种包括双回线和单回线：

1、元件模型，如图3-6所示

图3-6. 输电线路元件

2、 参数设置

双击三相输电线路元件，在三相输电线路元件对话框中进行设置，如图3-7 所示。

图3-7.三相输电线路元件参数设置选项框

参数:

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在输电线路元件对话框中包含 5 种选项，分别是频率(Frequency used for RLC specification)、正序阻抗和零序阻抗(Positive and zero sequence resistances)选项、正序电感和零序电感(Positive and zero sequence inductances)选项、正序电容和零序电容 (Positive and zero sequence capacitances)选项和线路长度(Line section length)选项。

① 频率 (Frequency used for RLC specification

频率选项用来设置三相π型输电线路元件的频率，用来计算参数。 ② 正序阻抗和零序阻抗 (Positive and zero sequence resistances)

正序阻抗和零序阻抗选项用来设置三相π型输电线路元件的正序阻抗和零序阻抗。 ③ 正序电感和零序电感 (Positive and zero sequence inductances)

正序电感和零序电感选项用来设置三相π型输电线路元件的正序电感和零序电感。 ④正序电容和零序电容 (Positive and zero sequence capacitances)

正序电容和零序电容选项用来设置三相π型输电线路元件的正序电容和零序电容。 ⑤ 线路长度 (Line section length)

线路长度选项用来设置三相π型输电线路元件的输电线长度。

3.3电力系统模型的搭建:

一、从电源元件库选择三相电源(3-Phase Source)元件，复制后粘贴在电路图中。

步骤①：将交流电流源元件依次编号G1、G2、…G14。

步骤②：双击交流电流源元件，在交流电流源元件参数对话框中如下设置： 初始相位(Phase)： 频率(Frequency)： 内部连接方式（internal connection）: 测量(Measurements)选项： 峰值振幅(Peak Amplitude)： 0 50 Y 选择不测量 10KV 单击 OK按钮完成对三相电源(3-Phase Source)元件的设置。

二、从线路元件(Elements)库中选择变压器（双绕组及三绕组）元件，复制后粘贴在电路图中。

步骤①：将交流变压器元件依次编号。

步骤②：双击变压器元件，在变压器元件参数对话框中如下设置：

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容量（Nominal）: 频率(Frequency)： 各绕组参数设置： 双绕组内部连接方式（internal connection）: 三绕组内部连接方式（internal connection） ： 测量(Measurements)选项： 单击 OK按钮完成对变压器元件的设置。

50 根据系统选择 根据系统选择 Yn(ABC) D11(abc) Yn(ABC)Y(a2b2c2)D11(a3b3c3) 选择不测量 三、从线路元件(Elements)库中选择输电线路（双回线型及单回线型）元件，复制后粘贴在电路图中。

步骤①：将输电线路元件元件依次编号线路的长度。

步骤②：双击输电线路元件，在输电线路元件参数对话框中如下设置： 频率(Frequency)： 50 单位长度阻抗（Resistance per 0.01273 unit length）： 单位长度电感(Inductance per 0.9337e-3 unit length )： 单位长度电容(Capacitance per 12.74e-9 unit length )： 线路长度： 在本例中，三相π型输电线路元件的参数如下设置： 频率： 正序阻抗和零序阻抗： 正序电感和零序电感： 正序电容和零序电容： 线路长度(Line Length)： 测量(Measurements)选项：

四、 下面对测量元件进行设计。

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0.3864 4.1264e-3 7.751e-9 根据系统不同决定 50 0.01273 0.9337e-3 12.74e-9 根据系统选择 选择不测量 0.3684 4.1264e-3 7.751e-9 从电路测量仪器(Measurements)库中选择电流计(Current Measurement)元件，复制后 粘贴在电路图中。

将电压计元件名称改为 I，表示对电源电压进行测量。双击电压计元件，在弹出的 电压计参数设置对话框中看到，输出的信号为电流幅值。

五、选择接地(Ground)元件、节点等，进行合理放置，如图 3-8 所示（阴影部分表示含有子系统）。

图 3-8 系统所需的各元件

各子系统详细连图

①4*15MW发电机子系统如图2-9所示

图3-9. 4*15MW发电机子系统

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②2*20MW三相双绕组变压器如图2-10所示

图3-10. 2*20MW三相双绕组变压器子系统

③4*63MW三相双绕组变压器如图2-11所示

图3-11. 4*63MW三相双绕组变压器子系统

④3*12MW发电机子系统如图2-12所示

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图3-12 .3*12MW发电机子系统

⑤63MW发电机变压器子系统如图2-13所示

图3-13 .63MW发电机变压器子系统

⑤2*10MW三相双绕组变压器子系统如图3-14所示

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图3-14 2*10MW三相双绕组变压器子系统

⑥2*25MW发电机子系统如图3-15所示

图3-15. 2*25MW发电机子系统

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第四章：模型仿真运行

4.1建立仿真模型：

图4-1.系统仿真模型

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图中，短路故障是用三相故障元件来模拟的，在该模块的参数设置中选择A项以及接地故障(Ground Fault)，并将故障电阻Ron和接地电阻Rg都设为0.001（很小，但不能为零）。故障时间段可通过Transition times来安排故障起始时间和切除时间分别为0.13和0.25。其余模块的参数设置都要根据系统要求进行适当修改，在此不再作过多叙述。对上述模型进行仿真前，需要选择仿真步长的算法，由于电力系统是带发电机的刚性系统，因此算法ode15s，ode23tb适合采用，仿真停止时间设定为0.4秒。经过一系列选择，设置后，就可以对系统开始仿真了。

其余三种短路故障的模型与图4相同，唯一需要修改的地方则是三相故障元件的设置。当要对两相（假设B、C两相）短路故障进行仿真时，只需选择B相和C相，此时接地电阻默认值为10E6欧姆；两相短路接地故障需在两相短路故障设置的基础上多加一个接地选项，并将接地电阻设置为0.001；三相短路故障的设置就是将A、B、C三相全部选中。断线故障是用三相断路器来模拟的，断路器的初始状态设为闭合，某相发生断线故障时就选择改变与该相相连的断路器状态，使之打开。

4.2 仿真结果与分析：

本文以node1为例介绍仿真结果并对各个故障进行分析，测量A相接地短路时A、B、C相电压电流；A、B两相短路时A、B、C各相电压电流；A、B两相接地短路时各相电压电流；A、B、C三相短路时各相电压电流，并对其进行分析。

图4-2.A相接地短路时故障点电压电流波形

由图4-2所示的波形可以发现，仿真开始时，系统工作在稳定状态，三相电压、电流对称，都按正弦波变化，当A相0．13 8接地短路时，A相对地电压剧降为零，B，C两非故障相电压基本没有发生变化；再观察电流，在故障发生前，三相的对地电流都为0，单相接地短路以后，A相电流迅速增大为短路电流，占相和C相电流则保持原样．故障后三相电压、电流不再对称，说明单相接地短路为不对称短路．故障切除后。三相电压电流经暂态后达到新的稳定状态．

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图4-3 .A、B两相短路时故障点电压电流波形

图4-4 A、B两相接地短路时故障点电压电流波形

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图4-5 A、B、C三相短路时故障点电压电流波形

改变A相接地短路元件参数为三相短路，得到线路三相短路时故障点的电压、电流波形，如图4-5所示。故障之前，系统工作在稳定状态，三相电压、电流对称，在0．13 S时发生三相短路，三相电压为O V，三相电流迅速上升为短路电流，并保持为三相对称，说明三相短路为对称性短路。故障切除后，三相电压电流最终达到新的稳态，并重新恢复三相对称运行的工作状态。

以上仿真分析结果符合实际，且两相短路、两相短路接地的波形图经理论分析也均符合实际。

分别对node1~node2的不同短路类型进行跟踪测量，可得到相对应的短路电流。列表如下:

短路类型 节点编号 node1 node2 node3 node4 node5 node6 node7 node8 node9 node10 node11 node12 单相短路（KA） 两相短路(KA) 两相短路接地(KA) 三相短路(KA) 0.38 2.79 3.25 1.79 16.55 4.93 2.45 5.49 2.46 1.23 0.83 0.29 0.40 3.25 5.46 1.53 13.46 7.86 3.93 4.17 3.95 1.49 0.75 0.57 0.35 3.22 6.46 1.52 19.27 4.96 3.22 6.16 4.43 1.48 0.93 0.56 0.48 2.43 6.23 1.72 26.62 4.88 4.46 5.15 4.84 1.57 0.69 0.43 24

第五章: 总结

本论文介绍了电力系统故障的基本特点，探索了电力系统故障中最常见的短路计算一些常用的计算方法，和Matlab的基本特点及应用的基本方法和步骤，在Matlab软件中电力系统仿真如何应用SimPowerSystems模块库构建电力系统故障的仿真模型并对其仿真结果进行分析，得出了以下结论：应用Matlab/Simulink进行仿真分析的结果和理论计算的结果相差不大，Matlab仿真工具室一种很实用的工具。

在建模初期，会遇到一些参数设置上的困难，通过不断地调整初始参数最终完成仿真。通过这次论文的撰写，我对电力系统故障以及Matlab软件有了更深的认识，更扎实的掌握了电力系统短路故障方面的知识，体会到MATLAB强大的仿真能力，为电气工作者提供了简便、直观、有效地仿真仿真研究方法。

但由于实践经验缺乏，本文肯定有很多不足之处，恳切希望老师给予批评指正。

参考文献

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附录：Simulink仿真模型

图：Simulink

仿真模型

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