一组电力系统自动化课程设计.docx

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一组电力系统自动化课程设计

山东交通学院

电力系统自动化课程设计报告

院（部）别信息科学与电气工程学院

姓名王新

学号130817142

指导教师黄欣

课程设计任务书

题目电力系统自动化课程设计

院（部）信息科学与电气工程学院

专业电气工程及其自动化

班级电升131

学生姓名王新

学号130817142

12月15日至12月26日共2周

指导教师（签字）

负责人（签字）

2014年12月26日

一、设计内容及要求

内容：

利用不对称故障分析方法解决实例——纵向不对称故障单相断相线路问题。

要求：

求出各相的不对称分量，画出向量图，并在Matlab中进行模拟仿真，获得断相后电流、电压波形图。

二、设计原始资料

给定一个具体系统，假设当在FF′发生a相断相时，求断相处的负序，零序的电流，电压及故障相中的电流，并与故障前的电流进行比较。

假定各元件参数已归算到以

=100MVA。

为基准的标幺值。

电源相电动势归算到故障点电压级的标幺值为

=j1.43。

其余参数见复合序网图。

三、设计完成后提交的文件和图表

1．计算说明书部分

根据题目要求求出故障点的对称分量和非对称分量的电流、电压。

正常情况下线路负荷电流。

对比手算结果与Matlab计算结果。

2.仿真部分：

根据所求电流、电压结果分别画出电压、电流向量图。

利用Matlab软件仿真得出线路正常与线路发生断相时各测量点的电压、电流波形。

四、进程安排

第一周：

周一、周二：

整合所有知识点及资料；

周三—周五：

完成手算及Matlab计算与仿真；

第二周：

周二、周三：

完成设计报告；

周四：

交打印版设计报告；

周五：

答辩；

五、主要参考资料

[1] 夏道止.[M] 电力系统分析（第二版）.北京.中国电力出版社.2011.

[2] 李光琦.[M] 电力系统暂态分析（第二版）.西安.中国电力出版社.2004.

[3] 熊信银.[M] 发电厂电气部分（第三版）.北京.中国电力出版社.2006.

摘要

电力系统发生使对称结构遭受破坏的短路或断路故障，由于短路会产生十分严重的后果，因而引起了高度重视。

除尽量消除导致短路、断路的原因外，还应在短路、断路故障发生后及时采取措施，尽量减少短路造成的损失，如采用继电保护将故障隔离，在合适的地点装设电抗器以限制短路电流，采用自动重合闸消除瞬时故障使系统尽快恢复正常等。

这些措施均须建立在故障计算的基础上。

在发电厂、变电所以及整个电力系统的设计工作中，都必须事先进行短路计算，以此作为合理选择电气接线、选用有足够热稳定度和动稳定度的电气设备及载流导体、确定限制短路电流的措施、合理配置各种继电保护并整定其参数等的重要依据。

因此故障计算对于电力系统的设计和安全运行具有十分重要的意义

基于对称分量法的基本理论，对称分量法采取的具体方法之一是解析法，即把该网络分解为正，负，零序三个对称序网，这三组对称序分量可分别按对称的三相电路分解。

计算机程序法。

通过计算机形成三个序网的节点导纳矩阵，然后利用高斯消去法通过相应公式对他们进行数据运算，即可求得故障端点的等值阻抗。

最后根据故障类型选取相关公式计算故障处各序电流，电压，进而合成三相电流电压。

进行了参数不对称电网故障计算方法的研究。

通过引计算机算法，系统介绍电网参数不对称的计算机算法方法。

根据断相故障和短路故障的特点，通过在故障点引入计算机算法，，给出了各种断相故障和短路故障的仿真计算。

此方法以将故障电网分为对称网络和不网络两部分，在程序法则下建立起不对称电网故障计算统一模型，根据线性电路的基本理论，并借助于相序参数变换技术完成故障计算。

关键词：

参数不对称；电网；故障计算

第一章电力系统故障分析

1.1电力系统故障分析意义

“电力系统故障分析”主要是研究电力系统中由于故障所引起的电磁暂态过程，搞清楚暂态发生的原因、发展过程及后果，从而为预防及消除电力系统的故障准备必要的理论知识。

电力系统发生使对称结构遭受破坏的短路或断路故障，由于短路会产生十分严重的后果，因而引起了高度重视。

除尽量消除导致短路、断路的原因外，还应在短路、断路故障发生后及时采取措施，尽量减少短路造成的损失，如采用继电保护将故障隔离，在合适的地点装设电抗器以限制短路电流，采用自动重合闸消除瞬时故障使系统尽快恢复正常等。

这些措施均须建立在故障计算的基础上。

在发电厂、变电所以及整个电力系统的设计工作中，都必须事先进行短路计算，以此作为合理选择电气接线、选用有足够热稳定度和动稳定度的电气设备及载流导体、确定限制短路电流的措施、合理配置各种继电保护并整定其参数等的重要依据。

因此故障计算对于电力系统的设计和安全运行具有十分重要的意义。

1.2电力系统故障计算的基本原则和规定

电力系统三相短路计算主要是短路电流周期分量的计算，在给定电源电势时，实际就是稳态交流电路的求解。

在电力系统短路电流的工程计算中，许多实际问题的解决（如电网设计中的电气设备选择）并不需要十分精确的结果，于是产生了近似计算的方法。

在近似计算中主要是对系统元件模型和标么值参数计算做了简化处理。

在元件模型方面，忽略发电机、变压器和输电线路的电阻，不计输电线路的电容，略去变压器的励磁电流（三相三柱式变压器的零序等值电路除外），负荷忽略不计或只做近似估计。

在标么值参数计算方面，在选取各级平均电压做为基准电压时，忽略各元件（电抗器除外）的额定电压之比，即所有变压器的标么变比都等于1。

此外，有时还假定所有发电机的电势具有相同的相位，加上所有元件仅用电抗表示，这就避免了复数运算，把短路电流的计算简化为直流电路的求解。

短路计算的目的是为了选择导体和电器，并对其进行相关校验。

基本假定短路电流实用计算中，采用以下假设条件和原则：

（1）正常工作时，三相系统对称运行；

（2）所有电源的电动势相位角相同；

（3）系统中的同步和异步电机为理想电机，不考虑电机饱和、磁滞、涡流及导体集肤效应等影响；转子结构完全对称；定子三相绕组空间相差120°电气角；

（4）电力系统中各原件的磁路不饱和，即带铁芯的电气设备电抗值不随电流大小变化；

（5）电力系统中所有电源都在额定负荷下运行，其中50%负荷接在高压母线上，50%负荷接在系统侧；

（6）同步电机都具有自动调整励磁装置（包括强行励磁）；

（7）短路发生在短路电流为最大值的瞬间；

（8）不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流；

（9）除计算短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻都略去不计；

（10）元件的计算参数均取其额定值，不考虑参数的误差和调整范围；

（11）输电线路的电容略去不计；

用概率统计法制定短路电流运算曲线。

一般规定：

（1）验算导体和电器动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流，应按本工程的设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划（一般为本期工程建成的5～10年）。

确定短路电流时，应按可能发生最大短路电流的正常接线方式，而不应按仅在仅在切换过程中可能并列运行的接线方式；

（2）在电气网络中应考虑具有反馈作用的异步电动机的影响；

（3）选择导体和电器时，对不带电抗器回路的计算短路点应选择在正常接线方式时短路电流为最大的地点。

对加装电抗器的6～10KV出线与厂用分支线回路，除其母线和母线隔离开关之间隔板前的引线和套管，计算短路点应选择在电抗器前，其余导体和电器的计算短路点一般选择在电抗器后；

（4）导体和电器的动稳定、热稳定和电器的开断电流，一般按三相短路验算。

若发电机出口的两相短路或中性点直接接地系统及自耦变压器等回路中的单相、两相接地短路较三相严重时，则应按严重情况计算。

1.3电力系统故障概率

运行经验指出，架空输电线是电力系统中比较薄弱的环节，发生短路的几率最高，我国某电力系统多年统计出在不同范围内发生短路故障的相对次数列出如图1.2.1所示。

线路范围

发生几率

在110kV线路上

容量为6000kW以上的发电机

110kV变压器

110kV母线

78.0%

7.5%

6.5%

8.0%

图1.2.1：

不同范围能发生短路故障几率

从图1.2.2中的数字中可以看出单相短路几率占压倒性多数，国外的运行经验也证明了这一点。

三相短路的几率是很小的，但这并不说明三相短路无关紧要，相反对三相短路应该加以重视，因为三相短路的情况最严重，有时为了最后论断电力系统在短路情况下工作的可能性，他起着决定性的作用。

此外，研究三相短路之所以重要，还由于我们在分析计算不对称短路时，往往把不对称短路看成某种假定的三相短路来处理。

短路类型

发生几率

三相短路

二相短路

二相短路接地

单相短路

5%

4%

8%

83%

图1.2.2：

110kV线路上各种类型短路故障几率

1.4不对称故障分析概述

在电力系统故障中，仅在一处发生不对称短路或断线的故障，称为简单不对称故障。

它通常分为两类：

一类叫横向不对称故障，包括两相短路、单相接地短路以及两相接地短路三种类型。

这种故障发生在系统中某一点的各相间或相与地之间，是处于网络三相支路的横向，故称为横向不对称故障。

另一类是发生在网络三相支路的纵向，叫纵向不对称故障，包括一相和两相断相两种基本类型。

1.5不对称故障分析

不对称故障的分析计算是故障分析的基本内容之一。

在电力系统设计和运行中，不对称故障时出现时各序对称分量以及各相电流、电压的分析计算，是选择电气设备、确定运行方式、整定继电保护、选用自动化设备和事故分析的重要依据。

在电力系统各种故障中，不对称故障所占的比例很大。

当电力系统某点发生故障时，求出故障点处电流、电压的大小和特征，以及网络中其他位置（如继电保护安装处）电流、电压的大小和特征。

不对称故障分析计算不对称故障的方法很多，如对称分量法,

分量法，以及在

坐标系统中直接进行计算等。

实际应用最广泛、最基本的方法仍是对称分量法。

应用对称分量法分析计算简单不对称故障时，对各序分量的求解，一般有两种方式：

一种是直接的联立求解三个序的电动势方程和三个边界条件方程；另一种是借组于复合序网图进行求解，将三相不对称的问题转化为对称的一相进行求解，即根据不同的故障类型所确定的边界条件，将三个序网络进行适当的连接，组成一个一相的复合序网，通过对复合序网进行计算，便可求出电流、电压的各序对称分量，还可以根据需要，通过叠加方法获得三相的电压、电流。

由于复合序网图的求解方法比较简单，具有通用性，又容易记忆，因此应用较广。

1.6不对称故障分析计算步骤

（1）先计算出短路或短路点处待求得正序、负序、零序电压和电流，共六个未知数（主要的待求电气量是三个未知电流）。

（2）利用正序、零序、负序的电路关系，进一步求出各支路或某一位置的电流、电压。

（3）将三个电气量进行合成，求出所关心位置的三相电流和电压。

第二章纵向不对称故障分析

2.1纵向不对称故障分析

纵向不对称故障主要包括单项断路和两项断路，故称非全相运行。

造成非全相运行的原因很多，例如：

一相或两相的导线断线；分相检修线路或开关设备；开关在合闸过程中三相触头不同时的接通；某一线路单相接地后，故障相开关跳闸等。

电力系统在发生纵向不对称故障时，虽然不出现危险的大电流和引起电压的急剧波动，但系统中会产生负序和零序分量。

负序电流的出现对发电机转子有危害，且将影响发电机的出力和损坏绝缘。

零序电流的出现对通信系统则有干扰作用。

此外，对于系统中反应不对称故障的继电保护装置，则要考虑是否引起不动作或拒动作的问题。

为了便于采取必要的措施，以便处理和解决上述诸类问题，就需要对纵向不对称故障进行分析计算。

2.2断路故障的简略记号

断路故障的简略记号如图2.2所示：

断路类型

示意图

代表符号

单相断路

二相断路

图2.2断路故障的简略记号

2.3一相断相故障分析

在不对称故障中，a相发生一相断相故障后，系统接线图如图2.3.1所示，系统等效图如图2.3.2所示。

图2.3.1a相断相系统接线图图2.3.2a相断相系统等效图

设图2.3.1中的F、F’处发生a相断相，那么，可以很清楚地看到，与图2.3.2对应的a相的边界条件为：

；

；

选a相作为基准相之后，将其转换为对称分量表示，得：

根据这个对称分量的边界条件，可以在断相处将三个序网络合成一个复合序网，如图2.3.3所示。

有复合序网求出断相处的各序分量：

图2.3.3a相断相时的复合序网络

第三章电力系统纵向故障分析实例计算分析

3.1电力系统纵向故障分析实例要求

如下图3.1.1所示的系统，当在FF′发生a相断相时，求断相处的负序，零序的电流，电压及故障相中的电流，并与故障前的电流进行比较。

假定各元件参数已归算到以

=100MVA.

为基准的标幺值。

电源相电动势归算到故障点电压级的标幺值为

=j1.43。

其余参数见图3.1.2复合序网图。

图3.1.1a相断相后系统接线图

图3.1.2给定复合序网络图

3.2理论计算

a相断相时，求故障点处的负序及零序电流电压以及非故障点的电流

、

以a相为基准，对应断相时的复合序网图如上图所示。

由复合序网图可知：

非故障相的电流为：

正常情况下流过线路的负荷电流为：

从上面计算结果可知，a相断相时，非故障相（b、c相）中的电流比断相增加18.9%，所以发生单相断相故障时要注意非故障的过负荷问题。

电流向量图如图3.2.1所示

图3.2.1电流向量图

电压向量图如图3.2.2所示

图3.2.2电压向量图

3.3Matlab计算过程

基准值：

SB=100

基准值：

Ea1z=0+1.4300i

正负零序线路各元器件给定阻抗标幺值:

正负零序线路总阻抗标幺值:

X1z=2

X2z=1.1500

X0z=0.9700

各序分量:

Ia1=0.5661

Ia2=-0.2590

Ia0=-0.3071

Ua1=0+0.2979i

Ua2=0+0.2979i

Ua0=0+0.2979i

非故障相电流值:

Ia=0

Ib=-0.4606-0.7145i

Ic=-0.4606+0.7145i

正常情况下流过线路的负荷电流:

Ia1z=0.7150

Ipercentage=0.1890

电流向量图如图3.3.1所示

图3.3.1Matlab计算电流向量图

电压向量图如图3.3.2所示

图3.3.2Matlab计算电压向量图

3.4.电力系统故障实例仿真模型及各模块参数设置

实例仿真模型及各模块参数设置整个正常时电路图如图3.4.1所示。

图3.4.1仿真模型

3.5仿真波形结果

正常情况各测量点电压仿真波形如图3.5.1及电流仿真波形如图3.5.2所示。

图3.5.1正常情况下测量点电压仿真波形

图3.5.2正常情况下测量点电流仿真波形

a相发生断相后各测量点测得仿真电压及电流波形如图3.5.3、图3.5.4、图3.5.5、图3.5.6所示。

图3.5.3a相断相后靠近发电机的变压器的电压仿真波形

图3.5.4a相断相后靠近发电机的变压器的电流仿真波形

图3.5.5a相断相后线路的电压仿真波形

图3.5.6a相断相后线路的电流仿真波形

仿真波形分析

如图3.5.3、图3.5.4所示，当a相发生断相后，靠近发电机的变压器产生的电压波形不变，电流波形发生畸变。

如图3.5.5、图3.5.6所示，当a相发生断相后，靠近发电机的变压器产生的电压波形a相幅值变小，b、c相不变；电流波形a相为零，其它相幅值变小。

课程总结

分析表明，中性点不接地系统单相断相故障是故障相对地电压升高，两健全相电压降低，并随断开相对地电容的减小量占非故障时对地电容的不同比例，系统各相对地电压，中性点不对称电压的大小及相位局限在一定范围内变化，分析结果与故障现象时一致的。

而最常见的单相接地故障，是故障相对地电压降低，两健全相对地电压升高。

根据这种不同特征，可判断是单相接地故障还是断相故障，减少故障的排除时间，尽快使系统恢复到正常运行状态。

课程设计心得

本次故障分析课程设计让我和我的队员在实际操作技能上有了很大的进步，将理论与实践很好的结合了起来。

课程设计初期，我们遇到的问题就是计算问题，大家的计算结果在细微处有差异，在我们的讨论中，最后得出了最佳计算方案。

然后是对Matlab的使用，由陌生到熟悉，我和我的队友一起学习，共同探讨，最终完成了此次课程设计。

此次课程设计，不仅是对我们所学知识的一个汇总，同时也是我们培养自主学习能力和动手能力的一次机会。

在课程设计的过程中，我学到了很多课本上没有的相关知识，更学会了面对新事物时要有好奇心、求知欲、进取心，遇到困难时，要不气馁，不放弃，不骄不躁，冷静的找到解决问题的方法。

这些也是我在今后的生活和学习中都要坚持的态度。

与此同时，我要感谢我的指导老师，在我们遇到问题时，她适时的给予我们帮助与指导，她学识的渊博、对工作的认真态度，让我们敬佩，也是我今后走向工作岗位的榜样。

同样我要感谢我的队友，遇到问题时我们一起查阅资料，一起商议解决问题，在调试过程中互相提供指导，这让我体会到了团队合作的重要性，更增进了同学之间的友谊。

这次实训，我们真的学到了很多，非常感谢这次机会。

、

不积跬步无以至千里，不积小流无以成江河！

以后会更加注重细节的处理。

附录

参考程序

disp（'基准值：

'）;

SB=100

disp（'基准值：

'）;

Ea1z=1.43i

disp（'正负零序线路各元器件给定阻抗标幺值:

'）;

X1=0.25;%正序

X2=0.2;

X3=0.15;

X4=0.2;

X5=1.2;

X6=0.25;%负序

X7=0.2;

X8=0.15;

X9=0.2;

X10=0.35;

X11=0.2;%零序

X12=0.57;

X13=0.2;

disp（'正负零序线路总阻抗标幺值:

'）;

X1z=X1+X2+X3+X4+X5;

X2z=X6+X7+X8+X9+X10;

X0z=X11+X12+X13;

X1z

X2z

X0z

disp（'各序分量:

'）;

Ia1=Ea1z/（（X1z+X2z*X0z/（X2z+X0z））*j）;

Ia2=-Ia1*（X0z/（X2z+X0z））;

Ia0=-Ia1*（X2z/（X2z+X0z））;

Ia1

Ia2

Ia0

Ua1=（Ia1*（X2z*X0z/（X2z+X0z）））*j;

Ua2=（Ia1*（X2z*X0z/（X2z+X0z）））*j;

Ua0=（Ia1*（X2z*X0z/（X2z+X0z）））*j;

Ua1

Ua2

Ua0

disp（'非故障相电流值:

'）;

a=-1/2+3^（1/2）/2*j;

Ia=0;

Ib=a^2*Ia1+a*Ia2+Ia0;

Ic=a*Ia1+a^2*Ia2+Ia0;

Ia

Ib

Ic

disp（'正常情况下流过线路的负荷电流:

'）;

Ia1z=Ea1z/（X1z*j）;

Ipercentage=（（real（Ib）^2+imag（Ib）^2）^（1/2）-Ia1z）/Ia1z;

Ia1z

Ipercentage

disp（'各分量向量:

'）;

Ib1=Ia1*a;

Ic1=Ia1*a^2;

Ib2=Ia2*a^2;

Ic2=Ia2*a;

figure

（1）;

compass（[Ia,Ib,Ic,Ia1,Ib1,Ic1,Ia2,Ib2,Ic2,Ia0]）;

text（real（Ia）,imag（Ia）,'Ia','color','b'）;

text（real（Ib）,imag（Ib）,'Ib','color','m'）;

text（real（Ic）,imag（Ic）,'Ic','color','r'）;

text（real（Ia1）,imag（Ia）,'Ia1','color','b'）;

text（real（Ib1）,imag（Ib）,'Ib1','color','m'）;

text（real（Ic1）,imag（Ic）,'Ic1','color','r'）;

text（real（Ia0）,imag（Ia）,'Ia0','color','b'）;

text（real（Ia2）,imag（Ia）,'Ia2','color','y'）;

text（real（Ib2）,imag（Ib）,'Ib2','color','m'）;

text（real（Ic2）,imag（Ic）,'Ic2','color','g'）

Ua=Ua1*3;

Ub=0;

Uc=0;

Ub1=Ua1*a;

Uc1=Ua1*a^2;

Ub2=Ua2*a^2;

Uc2=Ua2*a;

figure

（2）;

compass（[Ua,Ub,Uc,Ua1,Ub1,Uc1,Ua2,Ub2,Uc2,Ua0]）;

text（real（Ua）,imag（Ua）,'Ua','color','b'）;

text（real（Ub）,imag（Ub）,'Ub','color','m'）;

text（real（Uc）,imag（Uc）,'Uc','color','r'）;

text（real（Ua1）,imag（Ua1）,'Ua1','color','b'）;

text（real（Ub1）,imag（Ub1）,'Ub1','color','m'）;

text（real（Uc1）,imag（Uc1）,'Uc1','color','r'）;

text（real（Ua2）,imag（Ua2）,'Ua2','color','b'）;

text（real（Ub2）,imag（Ub2）,'Ub2','color','y'）;

text（real（Uc2）,imag（Uc2）,'Uc2','color','m'）;

text（real（Ua0）,imag（Ua0）,'Ua0','color','g'）;

参考文献

【1】何仰赞，温增银. 电力系统分析［上册]. 武汉：

华中科技大学出版社，2001 

【2】何仰赞，温增银. 电力系统分析［下册]. 武汉：

华中科技大学出版社，2001 

【3】MATLAB基础及其应用教程（北京大学版 周开利，邓春晖主编）北京大学出版社，200 

【4】电力系统的MATLAB/SIMULINK仿真与应用（西安电子科技大学出版社  2008）