電力系統(tǒng)單相斷線

1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學學電力系統(tǒng)分析電力系統(tǒng)分析課程設(shè)計（論文）課程設(shè)計（論文）題目：題目： 電力系統(tǒng)單相斷線計算與仿真（電力系統(tǒng)單相斷線計算與仿真（3）院（系）：院（系）： 電電 氣氣 工工 程程 學學 院院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 學學 號：號： 學生姓名：學生姓名： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 教師職稱：教師職稱： 起止時間：起止時間： 14-06-30 至至 14-07-11課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系）：電氣工程學院 教研室：電氣工程及其自動化課程設(shè)計（論文）任務(wù)原始資料：系統(tǒng)如圖各元件參數(shù)如下（各序參數(shù)相同）：G1、G2：SN=32MVA，VN=10

2、.5kV，X=0.3；T1: SN=35.5MVA，Vs%=10.5， k=10.5/121kV,Ps=180kW, Po=30kW,Io%=0.8；YN/d-11T2: SN=35.5MVA，Vs%=10.5， k=10.5/121kV,Ps=150kW, Po=25kW,Io%=0.9；YN/d-11L1:線路長 80km，電阻 0.22/km，電抗 0.4/km，對地容納 2.810-6S/km；L2:線路長 75km，電阻 0.22/km，電抗 0.42/km，對地容納 2.7810-6S/km； L3:線路長 70km，電阻 0.22/km，電抗 0.41/km，對地容納 2.810

3、-6S/km；負荷：S3=50MVA，功率因數(shù)為 0.85。任務(wù)要求（支路 L1 發(fā)生 A 相斷線時）：1 計算各元件的參數(shù)；2 畫出完整的系統(tǒng)等值電路圖；3 忽略對地支路，計算斷點的 A、B 和 C 三相電壓和電流；4 忽略對地支路，計算其它各個節(jié)點的 A、B 和 C 三相電壓和支路電流；5 在系統(tǒng)正常運行方式下，對系統(tǒng)進行單相斷線的 Matlab 仿真；6 將斷線運行計算結(jié)果與仿真結(jié)果進行分析比較，得出結(jié)論。指導(dǎo)教師評語及成績平時考核： 設(shè)計質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日G1 T1 1 L1 2 T2 G2 1:k k:1 L3 L2 3 S3 注：成績：平時20%

4、論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算摘 要電力系統(tǒng)是生產(chǎn)、輸送、分配和消費電能的各種電氣設(shè)備連接在一起而組成的整體。在電力系統(tǒng)的運行過程中，不可避免地會出現(xiàn)故障，盡管故障出現(xiàn)的幾率很小，持續(xù)的時間也不長，但產(chǎn)生的后果卻往往十分的嚴重。電力系統(tǒng)故障總的來說可以分為兩大類：橫向故障和縱向故障。橫向故障是指各種類型的短路，它包括三相短路、兩相短路、單相接地短路和兩相接地短路?？v向故障是指各種類型的斷線，它包括單相斷線、兩相斷線和三相斷線。本課設(shè)主要研究單相斷線，首先利用對稱分量法將電力系統(tǒng)分解為正序網(wǎng)絡(luò)、負序網(wǎng)絡(luò)和零序網(wǎng)絡(luò)，并且求出各自網(wǎng)絡(luò)的戴維南等效電路圖，然后計算各元件的參數(shù)，再代入正序網(wǎng)絡(luò)

5、、負序網(wǎng)絡(luò)和零序網(wǎng)絡(luò)。當支路 L1 發(fā)生單相斷線故障時，計算斷點處的 A、B 和 C 三相電壓和電流，再計算其他各個節(jié)點的 A、B 和 C三相電壓和支路電流。最后利用 Matlab 進行仿真，將仿真結(jié)果與計算結(jié)果相比較，分析出現(xiàn)誤差的原因。關(guān)鍵詞：正序網(wǎng)絡(luò)；負序網(wǎng)絡(luò)；零序網(wǎng)絡(luò)；單相斷線本科生課程設(shè)計（論文）目 錄第 1 章 緒 論 .11.1 電力系統(tǒng)斷線概述 .11.2 本文設(shè)計內(nèi)容 .1第 2 章 電力系統(tǒng)不對稱故障計算原理 .22.1 對稱分量法基本原理 .22.2 三相序等值網(wǎng)絡(luò) .22.2.1 正序網(wǎng)絡(luò) .22.2.2 負序網(wǎng)絡(luò) .32.2.3 零序網(wǎng)絡(luò) .4第 3 章 電力系統(tǒng)單相

6、斷線計算 .53.1 系統(tǒng)電路圖 .53.2 各元件參數(shù)計算 .53.2.1 發(fā)電機標幺值參數(shù)計算 .53.2.2 變壓器標幺值參數(shù)計算 .53.2.3 線路標幺值參數(shù)計算 .63.3 潮流計算 .73.4 單相斷線計算 .83.4.1 故障處計算 .93.4.2 非故障處計算 .10第 4 章 單相斷線的仿真 .114.1 仿真模型的建立 .114.2 仿真結(jié)果及分析 .13第 5 章 總結(jié) .14參考文獻 .15本科生課程設(shè)計（論文）0第 1 章 緒 論1.1 電力系統(tǒng)斷線概述電力系統(tǒng)斷線也就是所謂的縱向故障，它指的是網(wǎng)絡(luò)中的兩個相鄰節(jié)點之間出現(xiàn)了不正常斷開或三相阻抗不相等的情況。發(fā)生縱向

7、故障時，由這兩個節(jié)點組成故障端口?？v向故障為不對稱故障，只是在故障口出現(xiàn)了某種不對稱狀態(tài)，系統(tǒng)其余部分的參數(shù)還是三相對稱的?？梢詰?yīng)用對稱分量法進行分析。首先在故障口插入一組不對稱電勢源來代替實際存在的不對稱狀態(tài)，然后將這組不對稱電勢源分解成正序，負序和零序分量。根據(jù)重疊原理，分別作出各序的等值網(wǎng)絡(luò)。從而可以列出各序網(wǎng)絡(luò)故障端口的電壓方程式進行計算。運行經(jīng)驗表明，電力系統(tǒng)各種故障中，單相短路占大多數(shù)，約為總故障數(shù)的65%，三相短路占 510%。雖然電力系統(tǒng)發(fā)生斷線的幾率很小，但故障產(chǎn)生的后果極為嚴重，必須引起足夠的重視。1.2 本文設(shè)計內(nèi)容本文設(shè)計內(nèi)容：在一個獨立閉式電力網(wǎng)絡(luò)中，支路 L1 發(fā)生

8、 A 相斷線。任務(wù)要求：1 計算各元件的參數(shù)；2 畫出完整的系統(tǒng)等值電路圖；3 忽略對地支路，計算斷點的 A、B 和 C 三相電壓和電流；4 忽略對地支路，計算其它各個節(jié)點的 A、B 和 C 三相電壓和支路電流；5 在系統(tǒng)正常運行方式下，對系統(tǒng)進行單相斷線的 Matlab 仿真；6 將斷線運行計算結(jié)果與仿真結(jié)果進行分析比較，得出結(jié)論。本科生課程設(shè)計（論文）1+-Va(1)+-E1+-E2jXG1jXT1jXL1jXT2jXT2jXL3jXL2jXS3+-Va(1)+-E1+-E2jXG1jXT1jXL1jXT2jXT2jXL3jXL2jXS3+-Va(1)+-E1+-E2jXG1jXT1jXL

9、1jXT2jXT2jXL3jXL2jXS3+-Va(1)+-E1+-E2jXG1jXT1jXL1jXT2jXT2jXL3jXL2jXS3+-Va(1)+-E1+-E2jXG1jXT1jXL1jXT2jXT2jXL3jXL2jXS3+-Va(1)+-E1+-E2jXG1jXT1jXL1jXT2jXT2jXL3jXL2jXS3+-Va(1)+-E1+-E2jXG1jXT1jXL1jXT2jXT2jXL3jXL2jXS3+-Va(1)+-E1+-E2jXG1jXT1jXL1jXT2jXT2jXL3jXL2jXS3+-Va(1)+-E1+-E2jXG1jXT1jXL1jXT2jXT2jXL3jXL2j

10、XS3+-Va(1)+-E1+-E2jXG1jXT1jXL1jXT2jXT2jXL3jXL2jXS3+-Va(1)+-E1+-E2jXG1jXT1jXL1jXT2jXT2jXL3jXL2jXS3+-Va(1)+-E1+-E2jXG1jXT1jXL1jXT2jXT2jXL3jXL2jXS3+-Va(1)+-E1+-E2jXG1jXT1jXL1jXT2jXT2jXL3jXL2jXS3+-Va(1)+-E1+-E2jXG1jXT1jXL1jXT2jXT2jXL3jXL2jXS3+-Va(1)+-E1+-E2jXG1jXT1jXL1jXT2jXT2jXL3jXL2jXS3+-Va(1)+-E1+-E2

11、jXG1jXT1jXL1jXT2jXT2jXL3jXL2jXS3+-Va(1)+-E1+-E2jXG1jXT1jXL1jXT2jXT2jXL3jXL2jXS3第 2 章 電力系統(tǒng)不對稱故障計算原理2.1 對稱分量法基本原理對稱分量法是分析不對稱故障的常用方法，根據(jù)對稱分量法，任意一組不對稱的三相相量都可以分解為三組三相對稱的分量，這就是所謂的“三相相量對稱分量法”。對稱分量法是將不對稱的三相電流和電壓各自分解為三組對稱分量，它們是：（1）正序分量：三相正序分量的大小相等，相位彼此相差 2pi/3，相序與系統(tǒng)正常運行方式下的相同；（2）負序分量：三相負序分量的大小相等，相位彼此相差 2pi/3，

12、相序與正序相反；（3）零序分量：三相零序分量的大小相等，相位相同。2.2 三相序等值網(wǎng)絡(luò)在三相電路中，對于任意一組不對稱的三相相量（電流或電壓） ，可以分解為正序，負序和零序三相對稱的三相量。2.2.1 正序網(wǎng)絡(luò)正序網(wǎng)絡(luò)就是通常計算對稱短路時所用的等值網(wǎng)絡(luò)。除中性點接地阻抗、空載線路（不計導(dǎo)納）以及空載變壓器（不計勵磁電流）外，電力系統(tǒng)各元件均應(yīng)包括在正序網(wǎng)絡(luò)中，并且用相應(yīng)的正序參數(shù)和等值電路表示。由此可得，電力系統(tǒng)正序網(wǎng)絡(luò)圖如圖 2.1 所示。圖 2.1 電力系統(tǒng)正序網(wǎng)絡(luò)圖+-Va(1)+-E1+-E2jXG1jXT1jXL1jXT2jXT2jXL3jXL2jXS3+-Va(1)+-E1+-

13、E2jXG1jXT1jXL1jXT2jXT2jXL3jXL2jXS3+-Va(1)+-E1+-E2jXG1jXT1jXL1jXT2jXT2jXL3jXL2jXS3+-Va(1)+-E1+-E2jXG1jXT1jXL1jXT2jXT2jXL3jXL2jXS3+-Va(1)+-E1+-E2jXG1jXT1jXL1jXT2jXT2jXL3jXL2jXS3+-Va(1)+-E1+-E2jXG1jXT1jXL1jXT2jXT2jXL3jXL2jXS3+-Va(1)+-E1+-E2jXG1jXT1jXL1jXT2jXT2jXL3jXL2jXS3本科生課程設(shè)計（論文）2ff(2)jXIV.F(2)F(2)2

14、2ff .我們可以從故障端口看正序網(wǎng)絡(luò)，它是一個有源網(wǎng)絡(luò)，可以用戴維南定理簡化成圖 2.2 的形式。 圖 2.2 戴維南正序等效圖2.2.2 負序網(wǎng)絡(luò)負序電流能流通的元件與正序電流的相同，但所有的電源的負序電勢為零。因此，把正序網(wǎng)絡(luò)中各元件的參數(shù)都用負序參數(shù)代替，并令電源電勢等于零，而在短路點引入代替故障條件的不對稱電勢源中的負序分量，便得到負序網(wǎng)絡(luò)，如圖 2.3 所示。圖 2.3 電力系統(tǒng)負序網(wǎng)絡(luò)圖從故障端口看負序網(wǎng)絡(luò)，它是一個無源網(wǎng)絡(luò)，化簡后如圖 2.4 所示。圖 2.4 戴維南負序等效圖ff(1)jXE+-.eqIV.F(1)F(1)11ff .+-Va(2)jXG1jXT1jXL1jX

15、T2jXT2jXL3jXL2jXS3本科生課程設(shè)計（論文）3ff(0)jXF(0)I.ff 00VF(0).2.2.3 零序網(wǎng)絡(luò)在斷線處施加代表故障邊界條件的零序電勢時，由于三相零序電流大小及相位相同，它們必須經(jīng)過大地（或者架空地線、電纜包皮等）才能構(gòu)成通路。由此可得，電力系統(tǒng)零序網(wǎng)絡(luò)圖如圖 2.5 所示。圖 2.5 電力系統(tǒng)零序網(wǎng)絡(luò)圖從故障端口看負序網(wǎng)絡(luò)，它也是一個無源網(wǎng)絡(luò)，化簡后如圖 2.6 所示。圖 2.6 戴維南零序等效圖+-Va(0)jXT1jXL1jXT2jXL3jXL2本科生課程設(shè)計（論文）4第 3 章 電力系統(tǒng)單相斷線計算3.1 系統(tǒng)電路圖系統(tǒng)的電路圖如圖3.1所示。圖3.1

16、電力系統(tǒng)電路圖3.2 各元件參數(shù)計算本課設(shè)的參數(shù)表示方法完全采用標幺值的形式，標幺制是相對單位制的一種，在標幺制中各物理量都用標幺值表。標幺值=實際有名值（任意單位）基準值（與有名值同單位）本課設(shè)選取基準功率 SB=100MVA,我們選擇第一段的額定電壓為基準電壓，VB1=10.5kV，VB2=121kV，VB3=10.5kV。3.2.1 發(fā)電機標幺值參數(shù)計算 3.2.2 變壓器標幺值參數(shù)計算X T1X L1X T2X L3X L2X S3X G2K :11:KX G10.9410.5100325 .100.32222G*1BIBGNNGNGVSSVXX0.9410.51003210.50.3

17、22212G*2BBGNNGNGVSSVXX3 . 05 .101005 .355 .101005 .10100%22221*1BIBTINNTSTVSSVVX本科生課程設(shè)計（論文）53.2.3 線路標幺值參數(shù)計算系統(tǒng)圖給出變壓器一側(cè)為 Y 接線，另一側(cè)為 接線，所以我們要將電阻進行星角變換。星角變換如圖 3.2 和 3.3 所示。 圖 3.2 角形接線圖 圖 3.3 星形接線圖 已知各線路的阻抗為： L1：Z13= 0.12+j0.218 L2：Z12= 0.112+j0.215 L3：Z23= 0.105+j0.196Y 接線轉(zhuǎn)換 接線公式： Z1=Z12Z13(Z12+Z23+Z13)

18、(3-1) Z2=Z23Z12(Z12+Z23+Z13) (3-2) Z3=Z13Z23(Z12+Z23+Z13) (3-3) 將各阻抗代入上述公式中，可得：218. 01211004 . 0802221*1BBLLVSXX215. 012110042. 0752222*2BBLLVSXX196. 012110041. 0702223*3BBLLVSXX3 . 05 .101005 .355 .1010010.5100%2222222*2BBNTNTSTVSSVVX12. 012110022. 0802221*1BBLLVSRR112. 012110022. 0752222*2BBLLVSRR

19、105. 012110022. 0702223*3BBLLVSRRZ12Z13Z23S3Z1Z2S3Z3本科生課程設(shè)計（論文）6 Z1=0.09+j0.194 Z2=0.105+j0.21 Z3=0.098+j0.199 由戴維南定理可得，對系統(tǒng)的正序網(wǎng)絡(luò)進行化簡，可得正序網(wǎng)絡(luò)的等效電抗為 0.517，等效電壓源為 1.048V。由戴維南定理可得，對系統(tǒng)的負序網(wǎng)絡(luò)進行化簡，可得負序網(wǎng)絡(luò)的等效電抗為 0.517。 由戴維南定理可得，對系統(tǒng)的零序網(wǎng)絡(luò)進行化簡，可得零序網(wǎng)絡(luò)的等效電抗為 0.34。3.3 潮流計算我們可以將 G2 和 T2 等效為輸出負荷，然后進行潮流計算，可以得到各個節(jié)點的電流、電

20、壓。如圖 3.4 所示。 圖 3.4 潮流計算等值電路圖95.j438.2511. 045j85. 0453S 6 . 3-81.346 . 3-19. 0-35111jjSSSTG3 . 3-78.323 . 3-22. 0-35222jjSSSTG7 . 4-44.662 . 217. 1-3 . 378.326 . 3-81.343213jjjjSSSSLRl1+jxl1Rl2+jxl2Rl3+jxl3123s1s1s2s3s3s2s1s26 . 319. 0)33. 0017. 0(5 .1035)(2211221211jjjXRVSPSTTNGGT3 . 322. 0j0.3)(0.

21、025 .1035)(2222222222jjXRVSPSTTNGGT2 . 217. 1196. 0 j105. 010.535)(2233221213jjXRVSPSLLNL（j8.4442. 4j0.21)(0.115 .107 . 444.66)(2222222 32 32LLNSSLjXRVSPS本科生課程設(shè)計（論文）7 44. 06 .10344. 842. 43 . 3-78.327 . 4-44.662232jjjjSSSSL 16.1711.1502 .217 .1144. 06 .1036 . 3-81.341211jjjjSSSSL 74. 314.7144. 842.

22、47 . 444.6623 2jjSSSL KVVVVV81.12025. 0)18. 0121()(22212112 KVVVVV93.12012. 0)07. 0121()(22222223便可以得到其他各個節(jié)點的電流，它們分別為：3.4 單相斷線計算 電力系統(tǒng)故障總的來說可以分為兩大類：橫向故障和縱向故障。橫向故障是指各種類型的短路。縱向故障是指各種類型的斷線，它指的是網(wǎng)絡(luò)中的兩個相鄰節(jié)點 f 和 f（都不是零電位節(jié)點）之間出現(xiàn)了不正常斷開或三相阻抗不相等的情況。發(fā)生縱向故障時，由 f 和 f這兩個節(jié)點組成故障端口。本課設(shè)研究單相斷線，如圖 3.5 所示。2 .217 .11j0.218

23、)(0.125 .1044. 06 .103)(2221122 22 21jjXRVSPSLLNSSL18KV. 01210.21816. 710.1211.15011 11 11VXQRPVLL25KV. 012112. 07.161-218. 0150.1111 11 11VRQXPVLL07KV. 0121215. 074. 3112. 0.141722 22 22VXQRPVLL12KV. 0121112. 074. 3215. 014.7122 22 22VRQXPVLL08. 0167 . 0121316.1711.1503111jjVSI021. 0954 . 081.12034

24、4. 0103.63222jjVSIj0.022-23 . 093.12037 . 444.663333jVSIabcff本科生課程設(shè)計（論文）8圖 3.5 單相斷線示意圖3.4.1 故障處計算 故障處的邊界條件為： =0 （3-4）0.FAIFbVFcV若用對稱分量則表示則得： （3-5）.0.21.3.2.10FFFFFFVVVIII滿足這些邊界條件的復(fù)合序網(wǎng)如圖 3.6 所示。+-EeqZff(1)Zff(2)Zff(0)f1f1f2f2f0f0VF(1)VF(2)VF(0)IF(1)IF(2)IF(0) 圖 3.6 單相斷開的復(fù)合序網(wǎng)圖 故障處各序電流為： (3-6) .12020.F

25、F0FF2FF10.1.1020.2)/XX(XFFFFFFFFffFFFFFFFFFIXXXIjVIIXXXI 由上述公式得故障處各序電流分別為：本科生課程設(shè)計（論文）9 =2j/(j 0.34 0.517/（0.34+0.517）+0.517)=2.57.1FI =-0.34/(0.34+0.517) 2.57=-1.02.2FI =-0.517/(0.34+0.517) 2.57=1.550.FI故障相的斷口電壓為：58. 157. 234. 0517. 034. 0517. 03j3j3.102021jIXXXXVVFFFFFFFFFFFa=0FbVFcV3.4.2 非故障處計算非故障

26、相電流： （3-7）.102022.102022.b)()(FFFFFFFFFFcFFFFFFFFFFIXXXaXaIIXXXaXaI于是可以得出非故障相電流為：08. 157. 2)34. 0517. 034. 0e517. 0e (120240.bjjFI58. 057. 2)34. 0517. 034. 0e517. 0e (240120.jjFcI本科生課程設(shè)計（論文）10第 4 章 單相斷線的仿真4.1 仿真模型的建立Matlab 具有強大的運算繪圖能力，為用戶提供了各種領(lǐng)域的工具箱，而且編程語法簡單易學。我們可以在 Matlab 中建立電力系統(tǒng)的基本模型。在建立模型初期，會遇到一些

27、設(shè)置上的困難，通過不斷地調(diào)整，我最終完成了系統(tǒng)仿真。在對故障模型進行仿真的時候，可以體會到 Matlab 強大的仿真能力，為電氣工作者提供了簡便、有效地仿真研究方法。我們可以直觀地進行故障類型的選擇和波形的查看。本課設(shè)仿真出了兩個仿真圖形，第一個圖形為：系統(tǒng)正常運行時，無任何故障，電力系統(tǒng)各個節(jié)點的電壓，電流的波形。第二個圖形為：系統(tǒng)發(fā)生單相斷線故障時（線路 L1 發(fā)生 A 相斷線） ，電力系統(tǒng)各個節(jié)點的電壓，電流的波形。通過兩個仿真圖形的對比，我們可以直觀、清晰地看出系統(tǒng)發(fā)生單相斷線故障時電壓，電流波形的變化程度。方便了我們對單相斷線故障處進行分析，同時我們也清楚地了解到單相斷線對我們的危害

28、，同時這也給我們敲響警鐘，我們在日常生活中要對電力系統(tǒng)嚴謹操作。所以此次課設(shè)的研究題目非常有必要，而且對于電網(wǎng)的研究十分重要。圖 4.1 系統(tǒng)仿真圖本科生課程設(shè)計（論文）11圖 4.2 系統(tǒng)正常運行仿真圖圖 4.3 系統(tǒng)出現(xiàn)單相斷線仿真圖本科生課程設(shè)計（論文）124.2 仿真結(jié)果及分析本文提出了負序電流和故障相電壓的能量測度保護。 基于負序電流的能量測度斷線保護具有如下特點: (1) 單相斷線故障產(chǎn)生的負序電流在系統(tǒng)中的分配不受中性點接地方式的影響,能量測度保護原理可以適合各種中性點接地方式。(2) 斷線故障的暫態(tài)諧波量主要為低次，提高了線路的靈敏度。 (3) 單相斷線故障和單相接地故障的能量測度相差很大，在接地故障時