（电力系统及其自动化专业论文）配电网络图形化短路计算系统的研究与开发.pdf

配电网络幽形化短路计算系统的研究与开发 短路计算是电力系统中最基本的计算之一，随着蚓内外电力企业对配电网管理 重视程度的提高，配电网络图形化短路计算系统为配电网短路计算程序在日后的 成熟t i 发展提供了重要的参考。 关键词：配电网络；短路计算；图形界面；潮流计算；拓扑结构；组件式g i s 硕+ 学位论文 a b s t r a c t t h ep r o c e d u r eo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r ks h o r t 。c i r c u i tc a l c u l a t i o ni sa i m p o r t a n t i m p l e m e n tf o rd i s t r i b u t i o ns y s t e m sf a u l t sa n a l y s i sa n ds u b s t a t i o nd e s i g n r e c e n t l y m o s to fs h o r tc i r c u i tc a l c u l a t i o np r o c e d u r e sa r es u i t a b l ef o rt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，n o g r a p h i ci n t e r f a c ea n do p e r a t i o nc o m p l i c a t e dt h a tl i m i t st h ee x t e n s i o na n da p p l i c a t i o no f t h i ss o f t w a r ei nac e r t a i ne x t e n t t h u s ，a c c o r d i n gt ot h es p e c i a l i t yo fd i s t r i b u t i o n n e t w o r ks t r u c t u r ea n dw o r k i n gm o d e ，i ti s n e c e s s a r yt od e s i g na n dd e v e l o p a d i s t r i b u t i o ns h o r t - c i r c u i tc a l c u l a t i o ns y s t e mw h i c hh a sag r a p h i ci n t e r f a c e ，c o u l dg e t a c c u r a t ec o m p u t i n gr e s u l t sa n dc o n v e n i e n to p e r a t i o n t h ei n n o v a t i v ei d e ao fg r a p h i c c o m p o n e n t sm o d e l e di sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e r , a n dt h ea r i t h m e t i ct h e o r y ，m o d e l t r u s sa n dd e s i g np r o c e s sa r ea n a l y z e da n ds t u d i e dd e t a i l e d l yi nt h i sp a p e r t h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o ni n s t a n c e sp r o v et h a t i ti sac a l c u l a t i o n a la n da n a l y t i c a li m p l e m e n tf i l l e d w i t hp r a c t i c a lv a l u e s t h ep a p e ri s c o m p o s e do ft h r e ep a r t sw h i c ha r et h ea n a l y s i so fd i s t r i b u t i o n n e t w o r ks h o r t - c i r c u i tc a l c u l a t i o na r i t h m e t i c ，t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h e d i s t r i b u t i o nn e w t w o r k g r a p h i c s h o r t c i r c u i tc a l c u l a t i o n s y s t e m a n dt h ew h o l e c o n c e i v i n go fs h o r tc i r c u i tc a l c u l a t i o ns y s t e mb a s e do l lc o m g i s f i r s to fa 1 1 t h e f a m i l i a rf a u l tc o m p u t a t i o nm e t h o d si np o w e rs y s t e ma r ea n a l y z e da n di n t r o d u c e di n d e t a i l ，a n dt h ef a u l tc u r r e n tc o m p e n s a t i o nm e t h o df o rd i s t r i b u t i o ns h o r tc a l c u l a t i o ni s s t u d i e di nt h i sp a p e r t h i sm e t h o dc o m b i n e st h ef a u l tc u r r e n tc o m p e n s a t i o na n da c t u a l p h a s es e q u e n c ep r e s e n t a t i o n f i r s t l y , i tt r e a t st h et h r e ep h a s e f l o wc a l c u l a t i o nr e s u l t sa s t h es t a t eo fb e f o r e f a u l t ，t h e nc o m p u t e st h ef a u l tc o m p e n s a t i o nc u r r e n to ff a u l tp o i n tb y m a k i n gu s eo fc a l c u l a t i o n a l r e s u l t sa n df a u l tb o u n d a r yc o n d i t i o n s a t l a s t ，i t s u p e r p o s e st h ef a u l tc o m p e n s a t i o nc u r r e n tt of a u l tn o d e a f t e ro n eb a c k f o r w a r d ，t h e f a u l tc u r r e n to fb r a n c h e sa n dt h ev o l t a g eo fn o d e sc o u l db ec o m p u t e d t h em e t h o d u s e di nt h r e ep h a s ef l o wc a l c u l a t i o ni sl a y e r - - b y - l a y e rb a c k f o r w a r ds w e e pm e t h o d w h i c hi sm o s te f f i c i e n t t h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kg r a p h i cs h o r t c i r c u i tc a l c u l a t i o ns y s t e mi sm a d eu po f s e v e np a r t si n c l u d i n gd a t a b a s e ，n e t w o r kg r a p h i ce d i t o r ，m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，s e a r c h m o d u l e ，s h o r tc a l c u l a t i o nm o d u l e ，e q u i p m e n t sc h o i c em o d u l ca n do u t p u tm o d u l e d a t a b a s ei sc o m p o s e do ft h en e t w o r kt o p o l o g yd a t a b a s ea n dd y n a m i cd a t a b a s e + t h e n e t w o r ks t r u c t u r e ，w o r k i n gm o d ea n dc o m p o n e n t s p a r a m e t r i c a li n f o r m a t i o n sa f es a v e d i l 配电网络图形化短路计算系统的研究与开发 i nn e t w o r kt o p o l o g yd a t a b a s e ，a n dt h em i d d l er e s u l t s ，t e m p o r a r yi n f o r m a t i o na r e r e c o r d e di nt h ed y n a m i cd a t a b a s e t h ei d e ao fg r a p h i cc o m p o n e n t sm o d e l e di su s e dt o d e v e l o pt h en e t w o r kg r a p h i ce d i t o ri n n o v a t i v e l y , a n d t h en e wg r a p h i cm o d e l 。 “c r u n o d e ”i sa l s od e f i n e d a c c o r d i n gt ot h ec o n n e c t i o nb e t w e e nc r u n o d ea n do t h e r c o m p o n e n t s ，t h e n e t w o r k t o p o l o g i c s t r u c t u r ea r i t h m e t i ci s a c q u i r e dt h r o u g h b r e a d t h f i r s ts e a r c ha n a l y s i s i ns h o r tc a l c u l a t i o nm o d u l ，t w oc o m p u t a t i o nm o d e s i n c l u d i n gc e r t a i np o i n tf a u l ta n de q u a lp o r t i o n so fl i n e f a u l tc a nb es e t f o u rs h o r t m o d e sw h i c ha r es i n g l ep h a s ef a u l t ，p h a s et op h a s ef a u l t ，p h a s et oe a r t hf a u l ta n dt h r e e p h a s ef a u l tc a nb ec o m p u t e d b a s e do nt h es h o r tc o m p u t a t i o nr e s u l t s ，t h et y p e so f b r e a ka n ds w i t c hi nt r a n s f o r m e rl o o p s ，f e e d e rl o o p sa n db u sc o n n e c t i o nc a nb es e l e c t e d l a s t l y ，t h er e s u l t so fs h o r tc a l c u l a t i o na n dt y p ec h o i c e sc a nb ed i s p l a y e dt ou s e r si n i n t u i t i o n i s t i cf o r m t h ec o m p o n e n tt e c h n i q u ei st h em a i n s t r e a mo fs o f t w a r et e c h n i q u e sn o w a d a y s c o m g i si st h ea p p l i c a t i o no fo b j e c to r i e n t e dt e c h n i q u ea n dc o m p o n e n tt e c h n i q u ei n t h eg i ss o f t w a r e d e v e l o p m e n t t h es h o r tc i r c u i t c a l c u l a t i o ns y s t e md e v e l o p e db y c o m g i st e c h n i q u ec o u l ds o l v et h el i m i t a t i o n ss u c ha st h en o n s t a n d a r do fg r a p h p l o t t i n g a n dt h ei n c o n v e n i e n c eo fd a t a i n p u t o r o u t p u t t h es y s t e m s w h o l e s t r u c t u r e ，t h ed a t a b a s ed e s i g na n dt h ef u n c t i o n sc h a r a c t e r i s t i c sa r ed i s c u s s e di nd e t a i li n t h ep a p er t h es u c c e s so f s y s t e m sd e v e l o p i n gw i l lp r o v i d ew i d e rs p a c ef o rs h o r t c i r c u i ts y s t e m se x p a n s i o n s h o r tc i r c u i tc a l c u l a t i o ni so n eo fm o s tp r i m a r yc o m p u t a t i o ni np o w e rs y s t e m w i t ht h ei n c r e a s eo fr e c o g n i t i o ne x t e n tt od i s t r i b u t i o nm a n a g m e n t ，t h i ss y s t e ma f f o r d s m a n yi m p o r t a n tr e f e r e n c e st ot h em a t u r a t i o na n dd e v e l o p m e n to fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s h o r tc a l c u l a t i o np r o c e d u r ei nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ；s h o r tc a l c u l a t i o n ；g r a p h i ci n t e r f a c e ；f l o w c a l c u l a t i o n ；t o p o l o g i c a ls t r u c t u r e ；e q u i p m e n tc h o i c e ；c o m g i s 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：专匈 日期：砖年厂月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： - 7 剖心 日期：曲f 年r 月fy 目 日期：1 ，奄年y 月ij 日 ， a 一一、 j 向献 硕士学位论文 1 1 课题的背景及意义 第1 章绪论 短路是电力系统中危害最严重的一种故障，在电力系统设计和运行的许多j ： 作中都须有短路计算的结果作为依据。以往人们比较注重发输电的管理和研究， 现在已有一套成熟的输电网短路计算方法。自2 0 世纪8 0 年代中期以来，随着国 内外电力企业对配电网管理重视程度的提高，对配电网短路电流计算r 益重视起 来但由于配电网与输电网在网络结构及系统运彳亍方式上有许多不同之处，如配 电嘲通常以环型结构设计、开环方式运行，正常运行时又是辐射型树状结构；支 路参数r x 的比值较大；分支线较多；单相负荷、主干馈线上的单相和两相“辐 射状支线”以及不相等的三相负荷的存在，而使系统通常是不对称的：中性点非 有效接地，使得传统的对称分量法不再适合于配电网的短路电流计算，因此研究 适合于配电网特点的短路电流计算方法是非常必要的。论文所讨论的配电网短路 计算系统采用的是基于故障电流补偿的配电网短路电流计算方法，该方法物理概 念清晰，计算过程简单，在计算辐射状配电网短路电流时具有可靠、高效的特点。 在电力系统和电气设备的设计和运行中，短路计算是解决一系列技术问题所 必不可缺的基本计算，这些问题主要是： ( 1 ) 选择有足够机械稳定度和热稳定度的电气设备，例如断路器、互感器、 瓷瓶、母线、电缆等，必须以短路计算作为依据。这里包括计算冲击电流以校验 设备的电动力稳定度；计算若干时刻的短路电流周期分量以及校验设备的热稳定 度：计算指定时刻的短路电流有效值以及校验断路器的断流能力等。 ( 2 ) 为了合理地配置各种继电保护和自动装置并正确整定其参数，必须对电 j j 踟中发生的各种短路进行计算和分析。 ( 3 ) 在设计和选择发电厂和电力系统主接线时，为了比较各种不同方案的接 线圈，确定是否需要采取限制短路电流的措施等，需进行必要的短路电流讨算。 ( 4 ) 进行电力系统暂态稳定计算，研究短路对用户工作的影响等，也包含有 部分短路计算的内容。 解决以上问题若采用手工计算，则耗时耗力，且容易出现差错。用计算机计 算，可大大减少计算量和提高计算精度。目前大多数部门是采用无图形界面的l i j 路汁算系统，不能自动产q ：节点、支路编号，用户不能卣观地了解网络结构、修 l 曳l n 网运行方式，凼此丌发套使用方便、界面友好的短路电流计算程序是一 带 配电网络图形化短路计算系统的研究与开发 必要的。论文所讨论的配电网图形化短路计算系统针对配电网特有的网络结构以 及运行方式，采用实际的a b c 三相模型进行分析，简便有效地解决了配电网短路 计算问题。系统克服了以往短路计算程序使用不便，缺乏良好人机界面等诸多缺 陷，很大程度上提高了工作效率，减轻了使用者的工作量，具有较高的实用价值。 1 2 电力系统短路的常用计算方法 所谓短路，是指一切不正常的相与相之间或相与地( 对于中性点接地的系统) 发生通路的情况。电力系统正常运行的破坏多半是由短路故障引起的。发生短路 时，系统从一种状态剧变到另一种状态，并伴随产生复杂的暂态现象。电力系统 中的短路计算分为对称的三相短路计算及不对称短路计算。在电力系统短路电流 的 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，于是产生了许多近似计算的方法，如三相短路电流的实用计算、 起始次暂态电流和冲击电流的实用计算等；对于电力系统中网络参数对称的不对 称短路计算，对称分量法很好地解决了此问题。这些计算方法应用广泛，它们已 成为国内外电力行业普遍确认的方法和编制程序的主要依据，为之后派生的各种 改进短路计算方法打下了坚实的基础。 1 2 1 电力系统短路分类 电力系统短路分为对称和不对称两种类型。对称短路也称三相短路，o ) ，不对 称短路指单相短路，”、两相短路，2 和两相接地短路，。1 ) i 卜2 1 。运行经验表明，在 卜述各种类型的短路中，最常见是单相短路，约占短路总故障的6 5 7 0 ，两 相短路约占1 0 1 5 ，两相接地短路约占1 0 2 0 ，三相短路约占5 ( 图1 1 所示为各种短路的示意图) 。三相短路发生的频率虽然较低，但它却是各种短路故 障中最严重的一种，之所以称其为最严曩故障，并不是其短路电流最大，而是其 对系统的危害最大。 三相短路时，短路点的各相电压下降为零( 这罩假定短路为纯金属性短路) ， 短路电流较正常情况大大增加，网络中各点电压均会大幅度下降，破坏用电设备 的n ：常运行，会造成自身发热，甚至烧毁，并导致电网电压进一步下降。当短路 点距电源点不远而持续时f c l j 又较长时，三相短路会使并列运行的发电厂失去同步， 造成解列，从而破坏系统的稳定运行，导致大面积停电。 4 i 对称短路对系统的危害没有这样严重，如在大接地系统中发生单相接地短路 故障，除故障相的电压为零外，非故障相还可继续保持难常电压运行。这钟情况 下，按相重合闸装置只切除故障相而不是三相的原理，不对称短路对系统稳定的 危害较小。 硕士学位论文 图1 t 各种短路的示意图和代表符号 1 2 2 三相短路电流的实用计算 1 基于节点方程的三相短路计算 ( 1 ) 电力系统节点方程的建立 利用节点方程作短路计算，需要形成系统的节点导纳( 或照抗) 矩阵。首先根 据给定的电力系统运行方式制定系统的等值电路，并进行各元件标幺值参数的计 算，然后利用变压器和线路的参数形成不含发电机和负荷的节点导纳矩阵y 。 发电机作为含源支路通常表示为电势源& 与阻抗z 。的串联支路，接于发电机端 接点i 和零电位之间，电势源层r 的施加点i 成为电势源接点，而支路的端接i 点则 为无源节点。在建立节点方程时，经常将发电机支路表示为电流源，；( ；占，z i ) 和导 纳m ( - 1 暑) 的并联组合，电流源，r 的注入点i 成为电流源节点，而节点i 则成为零 电位点( 短路点) ，如图1 2 所示。接入发电机支路后，k 阵中与机端节点i 对应 的对角线元素应增加发电机导纳y 。 有源支路用电流源表示时，最终形成的系统节点导纳y 与k 阵同阶。在需要 利用已知电势进行短路计算时，是否需要增设电势源节点( 如节点f ) 并相应扩大 导纳矩阵的阶次，这取决于所选用的求解方法。 节点的负荷在短路计算中一般作为节点接地支路并用恒定阻抗表示，其数值由 短路前瞬间的负荷功率和节点实际电压算出，即 z l d j = 曙s 或y l d ；s l d 嘭 ( 1 1 ) 1 ，点k 接入负荷，相当于在h 阵中与节点k 对应的对角元素中增加负荷导纳 y i j j t 。 最后形成包括所有发电机支路和负荷支路的节点方程如下 y v = ， ( 12 ) 3 配电网络图形化短路计算系统的研究与开发 式中，y 阵与y 阵阶次相同，其差别只在于y 阵不含发电机和负荷：节点电流 向量，中只有发电机端节点的电流不为零。有非零电流源注入的节点成为有源节 点。 图1 2 发电机和负荷等值电路的接入 系统中的同步调相机可按发电机处理。在进行起始次暂态电流计算时，大型同 步电动机，感应电动机以及电动机为主要成分的综合负荷，特别是在短路点进出 的这些负荷，必要时也可以用有源支路表示，若仿照发电机进行处理。 在实际的短路计算中，为了简化计算工作，常对系统元件模型和标幺参数计算 作出简化处理。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) ， 负荷忽略不计或当作恒定电抗，或当作某种临时附加电源。在标幺参数计算方面， 在选取各级平均额定电压作为基准电压时，忽略各元件( 电抗器除外) 的额定电 压和相应电压级平均额定电压的差别，认为变压器变比等于其对应侧平均额定电 压之比，即所有变压器的标幺变比都等于1 。此外，有时还假定所有发电机的电势 具有相同的电位，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。 ( 2 ) 利用节点阻抗矩阵计算短路电流 假定系统中的节点f 经过渡阻抗z ，发生短路。这个过渡阻抗z ，不参与形成网 络的节点导纳( 或阻抗) 矩阵。图1 3 中方框内的有源网络代表系统正常状态的等 值网络。 若保持故障处的边界条件不变，把网络的原有部分同故障支路分开。容易看到， 对了：汇常状态的网络而言，发生短路相当于在故障节点f 增加了一个注入电流一， ( 短路电流以流出故障点为正，节点电流则以注入为正) 。因此，网络中任一节点 i 的电压可衷示为 k 5 蒌z i i l j - z f ，i sk 3 式q ，g 为网络内有源节点的集合。 硕士学位论文 + 图1 3 对称短路分析 由式( 1 3 ) 可见，任一节点f 的电压都由两项叠加而成。第一项是y 符号下 j ；， 的总和，它表示，= o 时由网络内所有电源在节点f 产生的电压，也就是短路前瞬 ( o ) 问正常运行状态下的节点电压，这是节点电压的正常分量，记为n 。第二项是当 网络中所有电流源都断开，电势源都短按时，仅仅由短路电流，在节点i 产生的电 压，这就是节点电压的故障分量。上述两个分量的叠加，就等于发生短路后节点f 的实际电压，即 y = 矿一一z g i t 公式( 1 4 ) 也适用于故障节点f ，于是有 ( 0 ) = v i z fi f f 0 ) 式中，v f 2 荟z 口7 ，是短路前故障点的正常电压 称输入阻抗。 ( 1 4 ) ( 1 5 ) 是故障节点f 的自阻抗，也 方程式( 1 5 ) 也可以根据戴维南定理直接写出。故障点的边际条件为 k z ，i it 0 ( 1 6 ) 由方程式( 1 5 ) 和( 1 6 ) 可解出 j ，兰 兰! ( 1 7 ) z 口+ z f 而阕络中任一节点的电压为 谚：一土( 1 8 ) ? z + z f 从公式( 1 7 ) 和( 1 8 ) 可以看到，式中所用到的阻抗矩阵元素都带有列标f 。 这就是酏，如果网络在正常状态下的节点电压为已知，为了进行短路计算，只颈 利用节点阻抗矩阵中与故障点f 对应的一列元素。因此，尽管是采用了阻抗型的 节点方程，但是并不需要作出全部阻抗矩阵。在短路的实际计算中，一般只需形 成嘲络的节点导纳矩阵，并根据具体要求，求出导纳矩阵的某一列或菜几列7 i 索 即可。这种故障电流叠加法为以后的配电网络短路计算奠定了基础。 在不要求精确计算的场合，可以不计负荷电流的影响。在形成节点导纳矩阵时， 所仃节点的负荷都略去小计，短路l 网络处1 空载状态，各节点电压的j ：常分艟 配电网络图形化短路计算系统的研究与开发 的标幺值都取作等于1 。这样，公式( 1 7 ) 和( 1 8 ) 便分别简化为 j ，一! ( 1 9 ) z q z f 痧：1 一土( 1 1 0 ) j z f + z | 金属性短路时z ，= o ，因此只要知道节点阻抗矩阵的有关元素就可以作短路计 算了。 2 短路电流周期分量的近似计算 在短路电流的最简化计算中，可以假定短路电路联接到内阻抗为零的恒电势电 源上。因此，短路电流周期分量的幅值不随时间两变化，只有非周期分量是衰减 的。 计算时略去负荷，选定基准功率品和基准电压= 圪，算出短路点输入电抗 的标幺值x 。，而电源的电势标幺值取作1 ，于是短路电流周期分量的标幺值为 ，p 。1 x ( 1 1 1 ) 有名值为 lp 。i p 1 b 一1 8 x #t 1 1 2 ) 相应的短路功率为 s ，s b x # ( 1 1 3 ) 这样算出的短路电流( 或短路功率) 要比实际的大些。但是它们的差别随短路 点距离的增大而迅速地减小。因为短路点愈远，电源电压恒定的假设条件就愈接 近实际情况。利用这种简化的算法，可以对短路电流( 或短路功率) 的最大可能 值作出近似的估计。 在计算电力系统某个发电厂( 或变电所) 内的短路电流时，往往缺乏整个系统 的详细数据。在这种情况下，可以把整个系统( 该发电厂或变电所除外) 或它的 一部分看作是一个由无限大功率电源供电的网络。发电厂、变电所所和线路可以 表示为经一定的电抗x 接于该网络的无限大功率电源。如果接于无限大功率电源 的母线发生三相短路时，该部分系统的短路电流是己知的，则无限大功率电源到 该母线之间的电抗石，可以利用公式( 1 1 2 ) 或( 1 1 3 ) 推算出来。 x ；= i a i s2 s b | s s 0 l j l 4 ) 式中，。和s ；都用有名值；以+ 是以& 为基准功率的电抗标幺值。 1 2 3 不对称短路故障计算 ( 1 ) 对称分：蕈= 法简介 电力系统中解决不射称敞障常用的计算方法为对称分量法。对称分量浊是种 硕士学位论文 线性变换法，它将a ，b ，c 三相电压电流分解成三组a ，b ，c 三相平衡的电压电 流分别称为正序、负序和零序电量，每组序电流流过三相平衡元件组成的电力 系统网络时其等值电路相间电量的关系是解耦的，每序都可用单相电路模型描述。 最后再将序分量分析的结果合成为三相的电流电压。 令一个i 相交流电路的三相电流为“。；也l t r ，定义三组三帽电流，其中一 组电流a ，b ，c 三相电流相同，称为零序电流，其a 相电流用e 表示：第二组电 流a ，b ，c 三相为正相序，称为正序电流，其a 相电流用j ：表示；第三组电流a b ，c 为负相序，其a 相电流用e 表示。把三组零序、正序、负序电流中的a 相电 流放在一起写成矢量- 【e 0 。1 e ，三序a 相电流组成新的坐标系，成为0 ，1 ， 2 坐标。，“和，“2 之间有下面线性关系： ，4 “。s ，0 1 2( 1 1 5 ) 式中s 是对称分量交换矩阵，该矩阵和它的逆矩阵分别是 和式中a ；_ 1 2 0 。，是复数算子。对于电压矢量，也有类似的变换关系 ( 1 1 6 ) 矿= s v( 1 1 7 ) 用相分量描述的三相电路的电路方程是 a b e曲c 矿= z ”6 i( 1 1 8 ) 式巾z “是3 3 阶矩阵。将( 1 1 7 ) 和( 1 1 8 ) 式的变换式代入则序分量的电流电 脏关系为 0 1 20 1 2 y ：z 0 1 2 ， ( 1 1 9 ) l矿口 1矿口h n 阻 h阻一 。一3 _ d ， r 配电网络图形化短路计算系统的研究与开发 式中 z0 1 2 = s 1 z 。k s( 1 2 0 ) 对于电力系统元件，z “。是具有某种对称性质的满矩阵，当( 1 2 0 ) 式中的s 和 s 。选取为( 1 1 6 ) 式的变换矩阵时，z “2 将成为对角线矩阵，这意味着三序电量 之问解耦。这里的解耦不仅指三组序分量中任意一组其三相等值电路中三相电量 之间解耦，而且对于三组序分量电量中，某一相分量也解耦，如正序a 相、负序a 相和零序a 相这三序a 相电量解耦。这说明，由三相平衡元件组成的电网用序分 量研究，各序等值电路相互独立。对称分量法可以方便地解决三相平衡元件不对 称故障问题。 ( 2 ) 用序分量分析不对称故障 发生故障的电力系统可分成两部分，一部分是除故障点的故障电路以外的部 分，这部分网络结构复杂，但其组成元件的阻抗矩阵都具有某种对称性质，可用 对称分量变换将这部分网络的网络方程各序网之间解耦。另一部分是故障电路， 这部分电路可能是三相阻抗不平衡的，经对称分量变换后三序电量之间将产生耦 合，但由于故障点不多，也不会产生很大的困难。 本文用图1 4 来示意地说明如何用对称分量分析不对称故障。图1 4 示出的是 除了相问短路的不对称故障以外的情况。虚线左边是戴维南等值电路表示的电力 系统模型，虚线右边是故障电路模型。 故障点 电力系统网络 故障电路 图1 4 以序分量来分析不对称故障 在图1 4 中，电力系统网络是有源的，其中发电机只发出正序电动势，所以负 序网和零序嘲是无源网。负序网中的负序电流和零序网中的电流是由于故障电路 三序电量之间有耦合，和正序网构成回路，由正序电源驱动产生的。 1 3 配电网络 在现代电力系统中，大型的发电厂往往远离负荷中心，发电厂发出的电能， 般要通过高压或超高压输电网送到负荷中心，然后在负荷中心由电压等级较低的 网络把电能分配到不同电胍等级的川j 、。这种在电力网中t 要起分配f 乜能作r f j 的 配电网络图形化短路计算系统的研究与开发 i 芭中 z z s 1 z 。“s( 1 2 0 ) 对于电力系统兀件，z “是具有某种对称性质的满矩阵，当( 1 2 0 ) 式中的s 和 s 。选取为( 1 1 6 ) 式的变换矩阵时，z “2 将成为对角线矩阵，这意味着三序电量 之间解耦。这里的解耦不仅指三组序分量中任意一组其三t 相等值电路中三相电量 之间解耦，而且对于三组序分量电量中，某一相分量也解耦，如正序a 相、负序a 相和零序a 相这三序a 相电量解耦。选说明，由三相平衡元件组成的电网用序分 量研究，各序等值电路相互独立。对称分量法可以方便地解决三拥平衡兀件币对 称故障问题。 ( 2 ) 用序分量分析不对称故障 发生故障的电力系统可分成两部分，一部分是除故障点的故障电路以外的部 分，这部分刚络结构复杂，但其组成元件的阻抗矩阵都具有某种对称性质，可用 对称分最变换将这部分网络的网络方程各序网之间解耦。另一部分是故障电路， 这部分电路可能是三相阻抗不平衡的，经对称分最变换后三序电量之间将产生耦 台，但由于故障点不多，也不会产牛很大的困难。 本文用圈1 4 来示意地说明如何用对称分量分析不对称故障。图1 4 示出的是 除了相问短路的不对称故障以外的情况。虚线左边是戴维南等值电路表示的电力 系统模型，虚线右边是故障电路模型。 故障点 电力系统髓路 故障电路 圈1 4 以序分量来分析不对称故障 在图1 4 中，电力系统网络是有源的，其中发电机只发出正序电动势，所以负 序网莆l 零序嘲是无源网。负序网中的负序电流和零序网中的电流是由于故障电路 三序电量之m 有耦台，和正序阿构成凼路，由j _ l = 序电源骊动产生的。 1 3 配电网络 在现代电力系统巾，大型的发电厂往往远离负荷中心，发电厂发出的电能，一 般要通过 岛爪或超高压输电网送到负荷中心，然后在负荷叶1 心由电压等级较低的 嗍络把电能分配到小| d 电压等级的用户。 嘲络把电能分配到不同电l i 、等级的j j 户。 这种在电力网巾主要起分配电能作h = 朗 这种存电力网巾主要起分配电能作, 4 j 时 硕士学位论文 网络称为配电网络”1 。 1 3 1 配电网络特点 1 3 1 1 配电网络电压等级 当输送功率一定时，电压越高，电流就越小，所以提高电压是提高电网输送能 力、降低网损、提高电能质量的有效措施。但是电压提高，电气设备的投资就要 增大。因此配电网络的电压等级的选择对于电网规划以及短路计算中电气设备的 选择起着主导作用。 配电网按电压等级来分类，可分为高压配电网( 3 5 l l o k v ) 、中压配电网( 6 l o k v ) 、低压配电网( 2 2 0 3 8 0 v ) ；按供电区的功能来分类，可分为城市配电网、 农村配电网和工厂配电网等。 电力网的电压等级一般根据输送功率和输电距离来选择，其应用的大致范围可 参考表1 1 。 表1 1 电力网电压等级的选择及应用范围 电力网额定电压( k v )线路结构辅送功率( m w ) 输送距离( k i n )应用范围 o 2 2 架空线 0 0 5 以下0 1 5 以下 o 2 2 电缆线 0 1 以下0 2 以下低压 0 3 8架空线0 1 以下0 2 5 以下配电网 0 3 8电缆线0 1 7 5 以下o 3 5 以f 6 架空线2 以下 1 0 5 6电缆线3 以下8 以下中压 1 0 架空线3 以下 1 5 8 配电网 1 0 电缆线5 以下 1 0 以下 3 5架空线2 1 0 5 0 2 0高压 1 1 架空线 l o 5 01 5 0 5 0配电网 2 2 0架空线1 0 0 3 0 0 3 0 0 1 0 0 输电网 1 3 1 2 配电网络接线方式 配电网的接线是由高、中、低压配电线路和联系它们的变、配电所组成的。在 选择配电网的接线方式时，必须考虑供电可靠、操作安全、有利于自动化、运行 灵活、基建投资省、运行费用低、留有发展余地等基本要求。不管是农村配电网 还是城市配电网，其接线方式根据供电可靠性的要求基本上可分为有备用和无备 f n 两人类挝。采用无备用接线方式时，当任一网线故障就会使用户停电，一般应 j _ h 在供电可靠性要求不高的农村网或中、低压配电网。有备用的接线方式符合nl 原则的可靠陆要求，一回线故障不会造成对用，、停电。城市电力网一般选择手j 备 配电网络图形化短路计算系统的研究与开发 用的接线方式，而且往往根据负荷的大小，分布以及对供电可靠性的不同要求， 选取几种方式相结合的混合接线型式。 1 高压配电网的接线方式 现代大、中城市的配电网，大部分从2 2 0 k v 及以上电网取得电源，由于可靠 性要求很高，故一般这种电网的接线方式为建于城市外围的架空线双环网。当负 荷增长需要接入新电源而使环网的短路容量超过规定时，应在现有环网外围建设 高一级电压的环网，将原有的环网开环分片运行以降低短路容量，并避免电磁环 网。在负荷密集、用电量很大的市区，可采用2 2 0 k v 深入市区的供电方式。 高压配电网包括1 1 0 、6 3 和3 5 k v 的线路和变电所。根据采用的架空线或电缆 及变电所中变压器的容量和台数，选择有备用的接线方式。变电所接线尽量简化。 采用架空线路时，以两回路为宜：采用电缆线路时可分为多回路。为充分利用通 道，市区高压架空线可同杆双回架设。为避免双回路同时故障停电而使变电所全 停，应尽可能在双侧有电源，如图1 5 所示。条件不具备时，可加强中压电网的联 络，在双回路同时故障时，由中压电网倒入保安电力。 娄e爿誊 变电所甲变电所乙 圈1 5 两侧电源分段的高压配电网 2 中压配电网的接线方式 中压配电网由l o k v 线路、配电所、开闭所、箱式配电所、杆架变压器等组成， 主要是分布面广的公用电网。中压配电网的规曳l j 符合以下原则： ( 1 ) 中压配电网可根据高压变电所的位置和负荷分布分成若干相对独立的分 区。分区配电网具有大致明确的供电范围， 一般不交错重叠。分区配电网的供电 范围将随新增加的高压配电变电所及负荷的增长丽进行调整。 ( 2 ) 高压配电变电所中压出线开关停用时，能通过中压电网转移负荷，对用 户不停电。 ( 3 ) 高压变电所之间的中压电网具有足够的联络容量，正常时开环运行，砰 常时能转移负荷。 ( 4 ) 严格控制专用线和不带负荷的联络线，以节约走廊和提高设备利用率。 ( 5 ) 中压配电网具有较强的适应性，主干线导线截面可按长远规划选型并 次建成，在负荷发展不能满足需要时，可增加新的馈入点或插入新的变电所，而 乓结构堆本不变。 1 0 硕士学位论文 市区中压架空配电网为沿道路架设的环行布局网络，在道路交叉口连接。全网 在适当地点用杆架开关分断，形成多区段( 区段中又分段) 、多连接的丌环运行网 络。 每条架空线分段是为了故障或检修时，不会造成全线停电。若配置自动化装置， 可茳即自动操作，隔离故障段，对非故障段恢复供电。 3 低压配电网的接线方式。 城市低压配电方式与用户建筑结构、进户装表方式以及负荷分布有关。由f 低 压负荷分散，进户点多，从经济角度出发，仍以架空线为主，并与中压线路合枰 架设。规划低压电网时，必须考虑配电变压器的容量及其供电范围和导线截面， 使电网适应日益增多的电力负荷，而不需多次调大导线截面。低压电网接线的原 则为： ( 1 ) 供电半径一般不超过4 0 0 m 。 ( 2 ) 选定干线和支线的导线规格及配电变压器的容量均满足以下要求：a 当变压器故障时，可将负荷拆开，向邻近电网2 3 个方向转移；b 故障转移负荷 时，导线运行率不超过1 0 0 ，线路末端电压降不超过规定。 1 3 2 配电网络可靠性分析 配电网络的可靠性与配电系统接线方式、网络拓扑结构密切相关”】。在辐射型 配电网络中，每一个用户负