20電力系統(tǒng)兩相斷線計(jì)算與仿真1要點(diǎn)

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué)電力系統(tǒng)分析課程設(shè)計(jì)（論文）題目： 電力系統(tǒng)兩相斷線計(jì)算與仿真（1）院（系）： 電 氣 工 程 學(xué) 院 專業(yè)班級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 教師職稱： 起止時(shí)間：15-07-06至15-07-17課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語G1 T1 1 L1 2 T2 G2 1:k k:1 L3 L2 3 S3 院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室：電氣工程及其自動(dòng)化課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)GG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=30MVA，VN=10kV，X=0.2；T1: SN=31.5MVA，Vs%=10， k=10/121kV,Ps=200kW,

2、Po=33kW,Io%=0.9；YN/d-11T2: SN=31.5MVA，Vs%=9.5， k=10/121kV,Ps=180kW, Po=30kW,Io%=0.8；YN/d-11L1:線路長(zhǎng)80km，電阻0.18/km，電抗0.4/km，對(duì)地容納3.10×10-6S/km；L2:線路長(zhǎng)60km，電阻0.2/km，電抗0.42/km，對(duì)地容納3.00×10-6S/km； L3: 線路長(zhǎng)70km，電阻0.17/km，電抗0.4/km，對(duì)地容納2.88×10-6S/km；負(fù)荷：S3=45MVA，功率因數(shù)為0.9.任務(wù)要求（支路L3發(fā)生AC兩相斷線）：1 計(jì)算各元件的

3、參數(shù)；2 畫出完整的系統(tǒng)等值電路圖；3 忽略對(duì)地支路，計(jì)算斷點(diǎn)的A、B和C三相電壓和電流；4 忽略對(duì)地支路，計(jì)算其它各個(gè)節(jié)點(diǎn)的A、B和C三相電壓和支路電流；5 在系統(tǒng)正常運(yùn)行方式下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行兩相斷線的Matlab仿真；6 將斷線運(yùn)行計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行分析比較，得出結(jié)論。指導(dǎo)教師評(píng)語及成績(jī)平時(shí)考核： 設(shè)計(jì)質(zhì)量： 答辯： 總成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日注：成績(jī)：平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算摘 要電能供應(yīng)與國民經(jīng)濟(jì)的各部門及人民日常生活有著極為密切的關(guān)系，保證電能供應(yīng)的可靠性極其重要，但在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中時(shí)常會(huì)發(fā)生故障，兩相斷線就是故障中的一種，兩相斷線時(shí)斷線處

4、的電壓電流將發(fā)生很大變化，因此對(duì)斷線的研究很有必要。本次課程設(shè)計(jì)主要研究電力系統(tǒng)發(fā)生兩相斷線這種故障情況，在給出的雙側(cè)電源供電系統(tǒng)背景下，設(shè)計(jì)首先計(jì)算了系統(tǒng)各元件的參數(shù)；其次，畫出完整的系統(tǒng)等值電路圖；運(yùn)用對(duì)稱分量法將網(wǎng)絡(luò)分解為正序、逆序、零序三個(gè)對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)，在忽略對(duì)地支路和AC兩相斷線情況下，計(jì)算斷點(diǎn)的A、B、C三相電壓和電流及其它各個(gè)節(jié)點(diǎn)的A、B、C三相電壓和支路電流；在系統(tǒng)正常運(yùn)行方式下及兩相斷線情況下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了Matlab仿真。關(guān)鍵詞：兩相斷線；對(duì)稱分量法；等值電路目 錄第1章 緒論11.1 電力系統(tǒng)斷線概述11.2 本文設(shè)計(jì)內(nèi)容1第2章 電力系統(tǒng)不對(duì)稱故障計(jì)算原理22.1 對(duì)稱分量法

5、基本原理22.2 三相序阻抗及等值網(wǎng)絡(luò)32.3 兩相斷線故障的計(jì)算步驟5第3章 電力系統(tǒng)兩相斷線計(jì)算83.1 系統(tǒng)等值電路及元件參數(shù)計(jì)算83.2 系統(tǒng)等值電路及其化簡(jiǎn)103.3 兩相斷線計(jì)算11第4章 兩相斷線的仿真144.1 仿真模型的建立144.2 仿真結(jié)果及分析15第5章 總結(jié)18參考文獻(xiàn)19第1章 緒論1.1 電力系統(tǒng)斷線概述在電力系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，不可避免的會(huì)發(fā)生故障，盡管故障出現(xiàn)的幾率很小，持續(xù)的時(shí)間也不長(zhǎng)，但產(chǎn)生的后果卻十分嚴(yán)重。電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)運(yùn)行狀態(tài)將發(fā)生巨大變化，輕則造成電流增大，電壓下降，從而危及電力設(shè)備的安全；重則將導(dǎo)致電力系統(tǒng)對(duì)用戶供電的故障，從而對(duì)國民經(jīng)濟(jì)造成重大

6、損失，因此對(duì)電力系統(tǒng)的故障應(yīng)高度重視。電力系統(tǒng)斷線屬于電力系統(tǒng)中的縱向故障，它是在故障口處出現(xiàn)了某種不對(duì)稱狀態(tài)，系統(tǒng)其余部分的參數(shù)還是對(duì)稱的，可以采用對(duì)稱分量法進(jìn)行分析。首先在故障口插入一組不對(duì)稱電勢(shì)源來代替實(shí)際存在的不對(duì)稱狀態(tài)，然后將這組不對(duì)稱電勢(shì)源分解成正序，負(fù)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)，列出各序網(wǎng)絡(luò)故障端口的電壓方程式。再根據(jù)非全相短線的具體邊界條件列出方程，進(jìn)而求解出斷口處的電壓電流。1.2 本文設(shè)計(jì)內(nèi)容本文的研究?jī)?nèi)容是對(duì)于電力網(wǎng)發(fā)生兩相斷線后各點(diǎn)的電壓電流的計(jì)算， 根據(jù)任務(wù)書內(nèi)容，本文第二章首先對(duì)電力系統(tǒng)不對(duì)稱故障計(jì)算原理進(jìn)行了分析，它包括對(duì)稱分量法的基本原理

7、，三相序阻抗及等值電路的制定方法和原則，兩相斷線的計(jì)算步驟。第三章對(duì)電力系統(tǒng)兩相斷線的計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)說明，系統(tǒng)等值電路及元件參數(shù)計(jì)算，系統(tǒng)等值電路的簡(jiǎn)化，兩相斷線的具體計(jì)算。第四章先在系統(tǒng)正常運(yùn)行方式下，對(duì)各相電壓和電流進(jìn)行Matlab仿真，然后再在斷線情況下對(duì)各節(jié)點(diǎn)電壓電流進(jìn)行仿真，最后將斷線運(yùn)行計(jì)算結(jié)果與斷線時(shí)系統(tǒng)的仿真結(jié)果進(jìn)行分析比較，得出了在斷線故障的情況下系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電壓變化情況和各條支路上電流的變化情況。第2章 電力系統(tǒng)不對(duì)稱故障計(jì)算原理2.1 對(duì)稱分量法基本原理對(duì)稱分量法是分析不對(duì)稱故障的主要方法，根據(jù)對(duì)稱分量法，一組不對(duì)稱的三相量可以分解成正序、負(fù)序和零序三相對(duì)稱的三向量。在不同

8、序別的對(duì)稱分量作用下，電力系統(tǒng)的各元件可能呈現(xiàn)不同的特性。在三相電路中，對(duì)于任意一組不對(duì)稱的三相相量，可以分解為三組三相對(duì)稱的相量，當(dāng)選擇a相作為基準(zhǔn)相時(shí)，三相相量與其對(duì)稱分量之間的關(guān)系為 (2-1)式中，運(yùn)算子，且有，；，分別為a相電流的正序，負(fù)序和零序分量，并且還有 (2-2)各序分量的向量圖如圖2.1所示。圖2.1 三相量的對(duì)稱分量電壓的三相相量與其對(duì)稱分量之間的關(guān)系與電流一樣。2.2 三相序阻抗及等值網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用對(duì)稱分量法分析計(jì)算不對(duì)稱故障時(shí)，首先必須做出電力系統(tǒng)的各序網(wǎng)絡(luò)。為此，應(yīng)根據(jù)電力系統(tǒng)的接線圖，中性點(diǎn)接地情況等原始資料，在故障點(diǎn)分別施加各序電勢(shì)，從故障點(diǎn)開始，逐步查明各序電流流

9、通情況。凡是某一序電流能流通的元件，都必須包括在該序網(wǎng)絡(luò)中，并用相應(yīng)的序參數(shù)和等值電路表示，根據(jù)上述原則來制定三相序的等值電路。1、 正序網(wǎng)絡(luò)正序網(wǎng)絡(luò)就是通常計(jì)算對(duì)稱短路時(shí)所用的等值網(wǎng)絡(luò)。本電力系統(tǒng)中各元件均應(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。正序網(wǎng)絡(luò)如圖2.2所示。圖2.2 正序網(wǎng)絡(luò)等值電路圖 此外，從故障端口看正序網(wǎng)絡(luò)，它是一個(gè)有源網(wǎng)絡(luò)，可以用戴維南定理簡(jiǎn)化成如圖2.3形式。 圖2.3 戴維南正序等效電路二、負(fù)序網(wǎng)絡(luò)負(fù)序電流能流通的元件與正序電流的相同，但所有電源的負(fù)序電勢(shì)為零。因此，把正序網(wǎng)絡(luò)中各元件的參數(shù)都用負(fù)序參數(shù)代替，并令電源等于零，而在故障點(diǎn)引入代替故障條件的

10、不對(duì)稱電勢(shì)源中的負(fù)序分量，便得到負(fù)序網(wǎng)絡(luò)。各序參數(shù)相同所以得到負(fù)序網(wǎng)絡(luò)如圖2.4所示。圖2.4 負(fù)序網(wǎng)絡(luò)等值電路圖負(fù)序網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)無源網(wǎng)絡(luò)，利用戴維南等效定理將負(fù)序網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化為如圖2.5所示電路。圖2.5 戴維南負(fù)序等效電路三、零序網(wǎng)絡(luò)在故障點(diǎn)施加代表故障邊界條件的零序電勢(shì)是，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，而且電流的流通與變壓器中性點(diǎn)接地情況及變壓器的接法有密切的關(guān)系。變壓器Y接，繞組端點(diǎn)與外電路斷開，變壓器YN接繞組端點(diǎn)與外電路接通，變壓器d接與繞組端點(diǎn)外電路斷開但與勵(lì)磁支路并聯(lián)。負(fù)荷沒有零序。各序參數(shù)相同，得到零序等值電路如圖2.6所

11、示。圖2.6 零序等值電路圖從故障端口看零序網(wǎng)絡(luò)，也是一個(gè)無源網(wǎng)絡(luò)，可以簡(jiǎn)化為如圖2.7電路。圖2.7 戴維南零序等效電路2.3 兩相斷線故障的計(jì)算步驟對(duì)兩相斷線的計(jì)算，采用的是對(duì)稱分量法，首先在故障口ff插入一組不對(duì)稱電勢(shì)源來代替實(shí)際存在的不對(duì)稱狀態(tài)，然后將這組不對(duì)稱電勢(shì)源分解成正序、負(fù)序和零序。根據(jù)重疊原理，分別作出各序的等值網(wǎng)絡(luò)（如圖2.8所示）與不對(duì)稱短路時(shí)一樣，可以列出各序網(wǎng)絡(luò)故障端口的電壓方程式。圖2.8 各序等值網(wǎng)絡(luò)(2-3)式中，Vff是故障口ff的開路電壓，即當(dāng)f、f兩點(diǎn)間三相斷開時(shí)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的電源在端口ff產(chǎn)生的電壓；而分別為正序網(wǎng)絡(luò)、負(fù)序網(wǎng)絡(luò)和零序網(wǎng)絡(luò)從故障端口ff看進(jìn)去的

12、等值阻抗。方程式（2-3）包含了六個(gè)未知量，因此還需非全相斷線的具體邊界條件列出另外三個(gè)方程才能求解。兩相斷開故障處的邊界條件為用對(duì)稱分量法表示為 (2-4)滿足這樣邊界條件的復(fù)合序網(wǎng)如圖2.9所示。圖2.9 兩相斷開的復(fù)合序網(wǎng)故障處的電流 (2-5) 非故障相電流 (2-6)故障相斷口的電壓 (2-7)2第3章 電力系統(tǒng)兩相斷線計(jì)算3.1 系統(tǒng)等值電路及元件參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)實(shí)際接線圖如圖3.1所示。圖3.1 系統(tǒng)實(shí)際接線圖在系統(tǒng)等值電路中，發(fā)電機(jī)可以等效為一個(gè)電壓源和電阻的串聯(lián)，變壓器等效為一個(gè)電阻，線路等效為型網(wǎng)絡(luò)，負(fù)荷等效為一個(gè)電阻根據(jù)這些等效規(guī)則得到系統(tǒng)實(shí)際接線圖的等值電路圖如圖3.2所示

13、。圖3.1 系統(tǒng)等值電路圖圖3.2系統(tǒng)等值電路根據(jù)系統(tǒng)等值電路圖計(jì)算系統(tǒng)各元件參數(shù)如下：變壓器參數(shù)計(jì)算：變壓器的參數(shù)一般是指其等值電路中的電阻RT、電抗XT、電導(dǎo)GT和電納BT。變壓器電阻RT變壓器電抗XT變壓器電導(dǎo)GT變壓器電納BT輸電線路參數(shù)計(jì)算：輸電線路參數(shù)為電抗Z和電容B，電導(dǎo)很小忽略不計(jì)。線路L1電抗和電容線路L2電抗和電容線路L3電抗和電容負(fù)荷電阻和電抗3.2 系統(tǒng)等值電路及其化簡(jiǎn)在忽略了系統(tǒng)對(duì)地支路，和避免等值電路中出現(xiàn)串聯(lián)的理想變壓器，選取相鄰段的基準(zhǔn)電壓比為變壓器的變比，得到了系統(tǒng)等值電路圖3.1的簡(jiǎn)化圖。圖3.2 系統(tǒng)等值電路簡(jiǎn)化圖為了方便各節(jié)點(diǎn)電壓電流的計(jì)算對(duì)系統(tǒng)各元件參

14、數(shù)進(jìn)行標(biāo)幺值化。對(duì)G1，G2，T1，T2選取基準(zhǔn)電壓為10KV，基準(zhǔn)功率為100MVA，對(duì)線路和負(fù)荷選取基準(zhǔn)電壓為121KV，基準(zhǔn)功率為100MVA?；鶞?zhǔn)阻抗為發(fā)電機(jī)標(biāo)幺阻抗變壓器標(biāo)幺參數(shù)，忽略對(duì)地支路的電導(dǎo)電納輸電線標(biāo)幺阻抗，忽略對(duì)地支路中的電容負(fù)荷標(biāo)幺阻抗3.3 兩相斷線計(jì)算電力系統(tǒng)兩相斷線的計(jì)算采用的是對(duì)稱分量法。根據(jù)圖2.2，2.4，2.6計(jì)算得正序阻抗和等效電動(dòng)勢(shì)為負(fù)序等效阻抗零序等效阻抗根據(jù)公式(2-5)，(2-6)計(jì)算斷點(diǎn)處三相電流為B相實(shí)際電流值為 根據(jù)公式(2-7)計(jì)算斷點(diǎn)處三相電壓為斷口處A相電壓實(shí)際值為6.3KV。 斷口處C相電壓實(shí)際值為6.3KV。系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)三相電壓：節(jié)

15、點(diǎn)3正序電壓節(jié)點(diǎn)3負(fù)序電壓：節(jié)點(diǎn)3零序電壓節(jié)點(diǎn)3的A相電壓：同理可求得節(jié)點(diǎn)1，2的A相電壓節(jié)點(diǎn)3的B相電壓：同理可求得節(jié)點(diǎn)1,2的B相電壓 節(jié)點(diǎn)3的C相電壓：同理可求得節(jié)點(diǎn)1,2的C相電壓 各支路電流支路A相電流： 支路B相電流： 支路C相電流：第4章 兩相斷線的仿真4.1 仿真模型的建立隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，大型科研實(shí)驗(yàn)很難進(jìn)行，因此尋求一種最接近電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況的數(shù)字仿真工具十分重要。在電力系統(tǒng)中最常用的的仿真軟件是MATLAB中的Simulink模塊。它能很好的仿真系統(tǒng)正?；蚬收蠒r(shí)的狀態(tài)。根據(jù)圖3.1的系統(tǒng)等值網(wǎng)絡(luò)圖在MATLAB中的Simulink模塊庫中搭建

16、了如下圖4.1的系統(tǒng)仿真電路圖。利用Three-phase Breaker元件來產(chǎn)生兩相斷線情況，利用示波器檢測(cè)了系統(tǒng)線路上兩點(diǎn)的電壓和電流的情況，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)仿真的各個(gè)模塊進(jìn)行了參數(shù)設(shè)置。系統(tǒng)仿真圖主要由系統(tǒng)等值電路和測(cè)量模塊構(gòu)成。圖4.1 系統(tǒng)仿真圖4.2 仿真結(jié)果及分析系統(tǒng)斷點(diǎn)處的A、B、C三相電壓仿真如圖4.4所示。圖4.4 斷點(diǎn)三相電壓仿真圖仿真圖從上到下依次是A、C、B相電流。在正常情況下系統(tǒng)沒有出現(xiàn)斷線故障，在線路上兩點(diǎn)之間的電壓為0V，仿真結(jié)果跟實(shí)際情況吻合，在0.2秒后L3線上出現(xiàn)兩相斷線，在斷口處的A、C兩相產(chǎn)生了峰值大約是9KV的脈振電壓這與計(jì)算的有效值為6.3KV的斷

17、口電壓相差不大，在發(fā)生斷線后，未斷的B相電壓還是0V，與實(shí)際情況吻合。系統(tǒng)斷點(diǎn)處A、B、C三相電流仿真如圖4.5所示。在系統(tǒng)正常運(yùn)行狀況下線路中三相電流均存在且幅值相同，相角互差180°，仿真結(jié)果與實(shí)際情況相一致，在0.2秒時(shí)系統(tǒng)發(fā)生AC兩相斷線，此時(shí)AC兩相電流應(yīng)為0，如圖仿真結(jié)果AC兩相波形為兩條數(shù)值為0的直線，這與實(shí)際情況相一致，而此時(shí)B相未斷，電流應(yīng)還存在，如圖仿真結(jié)果B相電流波形為幅值70的正弦波，與實(shí)際一致，第三章中計(jì)算得到的B相電流有效值為43A，與仿真結(jié)果49A有13%的誤差，誤差來源是，輸電線路參數(shù)設(shè)置時(shí)忽略了線路上的電阻值，而采用的是感性輸電線路代替的。圖4.5斷

18、點(diǎn)三相電流仿真圖各線路上的電流仿真圖如圖4.6所示，從上到下依次為L(zhǎng)1，L2，L3線路的電流仿真波形。圖4.6 線路上電流波形圖在系統(tǒng)正常情況下，L1兩端電位相等，所以在正常情況下L1線上的電流基本為0，在0.2秒后系統(tǒng)在L3線路上出現(xiàn)了AC兩相斷線，L1線上的B相基本未受影響還是0，AC兩相受到很大影響產(chǎn)生了峰值為75A的正弦波電流，有效值為50A ,這與計(jì)算得到的44A相差不大，誤差的產(chǎn)生是由于線路經(jīng)過簡(jiǎn)化，忽略了電阻。由于系統(tǒng)是雙電源供電，線路基本對(duì)稱，在正常情況下兩電源各經(jīng)L3和L2對(duì)負(fù)荷供電所以L2上的電流在正常情況下應(yīng)與L3上電流相等，仿真結(jié)果與實(shí)際一致。在0.2秒后系統(tǒng)發(fā)生故障后

19、，電源均經(jīng)過L2對(duì)負(fù)荷供電，所以在數(shù)值上L2電流應(yīng)增大一倍，如圖仿真結(jié)果，L2電流由75A變?yōu)?50A，非故障相B相電流未受影響。L3電流波形即斷口處電流波形，上面已經(jīng)分析過，只有B相有電流，AC故障相電流均消失。系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電壓仿真如圖4.7所示。圖4.7 節(jié)點(diǎn)處電壓波形圖在負(fù)荷較小且正序阻抗與零序序阻抗大小一致的情況下，斷線對(duì)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的電壓影響不大，第三章計(jì)算得正序阻抗為0.6，零序阻抗為0.58，所以各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓波形還為正弦波。相壓的幅值為90KV，與實(shí)際值99KV相差不大，誤差的來源同電流的情況，忽略了線路電阻值。第5章 總結(jié)本課程設(shè)計(jì)研究的是電力系統(tǒng)兩相斷線，在L3處發(fā)生AC兩相斷線后計(jì)算斷點(diǎn)的A、B和C三相電壓和電流，以及系統(tǒng)的其它各個(gè)節(jié)點(diǎn)的A、B和C三相電壓和支路電流，并對(duì)故障情況進(jìn)行仿真。兩相斷線