电力系统分析课程设计电力系统两相断线计算与仿真

1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电力系统分析电力系统分析课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目： 电力系统两相断线计算与仿真（电力系统两相断线计算与仿真（2） 院（系）：院（系）： 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 教师职称：教师职称： 起止时间：起止时间：15-07-06 至至 15-07-17 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）： 教研室： 课程设计（论文）任务 原始资料：系统如图 各元件参数如下（各序参数相同）： g1、g2：sn=30mva，vn=10.5kv，x=0.3； t1: sn=31.5mv

2、a，vs%=9.5， k=10.5/121kv,ps=210kw, po=40kw,io%=0.85；yn/d-11 t2: sn=31.5mva，vs%=9.5， k=10.5/121kv,ps=180kw, po=35kw,io%=0.9；yn/d- 11 l1:线路长 80km，电阻 0.20/km，电抗 0.4/km，对地容纳 3.0010-6s/km； l2:线路长 75km，电阻 0.2/km，电抗 0.40/km，对地容纳 2.8810-6s/km； l3: 线路长 100km，电阻 0.18/km，电抗 0.38/km，对地容纳 2.7810-6s/km； 负荷：s3=52mv

3、a，功率因数为 0.9。 任务要求（支路 l3 发生 ac 两相断线）： 1 计算各元件的参数； 2 画出完整的系统等值电路图； 3 忽略对地支路，计算断点的 a、b 和 c 三相电压和电流； 4 忽略对地支路，计算其它各个节点的 a、b 和 c 三相电压和支路电流； 5 在系统正常运行方式下，对系统进行两相断线的 matlab 仿真； 6 将断线运行计算结果与仿真结果进行分析比较，得出结论。 指导教师评语及成绩 平时考核： 设计质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 g1 t1 1 l1 2 t2 g2 1:k k:1 l3 l2 3 s3 注：成绩：平时20% 论文质量60%

4、 答辩20% 以百分制计算 摘 要 凡造成电力系统运行不正常的任何连接或情况均称为电力系统的故障。电力 系统的故障有多种类型，如短路、断线或它们的组合。短路又称横向故障，断线 又称为纵向故障。断线故障可分为单相断线和两相断线。断线又称为非全相运行， 也是一种不对称故障。大多数情况下在电力系统中一次只有一处故障，称为简单 故障或单重故障，但有时可能有两处或两处以上故障同时发生，称为复杂故障或 多重故障。断线故障一旦发生，往往造成十分严重的后果，主要有：电力系统故 障计算主要研究 电力系统中发生故障（包括短路、断线和非正常操作）时故 障电流、电压及其在电力网中的分布。 关键词：电力系统；对称分量法

5、；matlab 仿真 目 录 第 1 章 绪论 .1 1.1 电力系统断线概述 .1 1.2 本文设计内容 .1 第 2 章 电力系统不对称故障计算原理 .3 2.1 对称分量法基本原理 .3 2.2 三相序阻抗及等值网络 .3 2.3 两相断线故障的计算步骤 .4 第 3 章 电力系统两相断线计算 .5 3.1 系统等值电路及元件参数计算 .5 3.2 系统等值电路及其化简 .7 3.3 两相断线计算 .10 第 4 章 两相断线的仿真 .15 4.1 仿真模型的建立 .15 4.2 仿真结果分析.17 第 5 章 总结 .19 参考文献 .20 第 1 章 绪论 1.1 电力系统断线概述

6、由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的 功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置（主要包括锅炉、汽轮机、发电机 及电厂辅助生产系统等）转化成电能，再经输、变电系统及配电系统将电能供应 到各负荷中心，通过各种设备再转换成动力、热、光等不同形式的能量，为地区 经济和人民生活服务。 在电力系统计算中有潮流计算，短路计算，分别求得电力系统在各个情 况下的参数，对于器件的选择，电能的分配等都有很重要的意义。在系统运行时 需要对故障发生后进行预防措施。电力系统简单故障是指电力系统的某处发生一 种故障的情况，简单不对称故障包括单相接地短路、两相短路、两相短路接地、 单相断开和两相

7、断开等。计算这些故障发生时电力系统的重要节点的参数可以使 我们经济有效地选取合适的电气设备。 电力系统简单故障是指电力系统的某处发生一种故障的情况，简单不对称故 障包括单相接地短路、两相短路、两相短路接地、单相断开和两相断开等。 电力系统短路称为横向故障。它指的是在网络的某节点 f 处出现了相与相或 相与零电位之间不正常接通的情况。发生横向故障时，由故障节点 f 与零电位节 点组成故障端口。还有另一种不对称的情况是纵向故障，它指的是网络中的两个 相邻节 f 和 f(两点都不是零电位节点)点之间出现了三项阻抗不相等或不正常断开 的情况。 造成非全相断开的原因有很多，例如某一线路单相接地短路后故障

8、相开关跳 闸；导线一相或两相断线；分相检修线路或开关设备以及开关合闸过程中三相触 头不同时接通等。 1.2 本文设计内容 电力系统运行不正常的任何连接或情况均称为电力系统的故障。电力系统的 故障有多种类型，如短路、断线或它们的组合。短路称为横向故障，而断线故障 又称为纵向故障。本文的研究内容是对于电力网发生两相断线前后各点的电压电 流的计算，将两相断线不对称故障用对称分量法分解为正序、负序和零序网络。 对称分量法是分析不对称故障的常用方法，可以对发生断线后故障处和非故障处 各点电压和电流计算。系统各元件参数会进行计算以及电路图的绘制，并且进行 matlab 仿真。 第 2 章 电力系统不对称故

9、障计算原理 2.1 对称分量法基本原理 三个不对称的相量，可以唯一地分解为三相对称的相量。因此在线性电路中， 系统发生不对称短路时，将网络中出现的三相不对称的电压和电流，分解为正负 零序三组对称分量，分别按对称三相电路去解，然后将其结果叠加起来。这种分 析不对称三相电路的方法叫对称分量法。 在一个三相对称的元件中（例如线路、变压器和发电机） ，如果流过三相正 序电流，则在于按键上的三相电压降也是正序的；负序零序同理。各序电压降与 各序电流成线性关系；当电路中流过某一序分量的电流时，只产生同意分量的电 压降。在应用对称分量法分析计算不对称故障时，首先必须做出电力系统的各序 网络。为此，应根据电力

10、系统的接线图、中性点接地情况等原始资料，在故障点 分别施加各序电势，从故障点开始，逐步查明各序电流流通的情况。凡是某一序 电流能流通的元件，都必须包括在该序网络中，并用相应的序参数和等值电路表 示。根据给定的电路图和上述的原则做出正序、负序和零序网络，忽略对地支路 和电阻影响。 2.2 三相序阻抗及等值网络 a：所谓的序阻抗是指元件三相参数对称时，元件两端某一序的电压降落与 通过该元件同一序电流的比值。序阻抗分为正序阻抗，负序阻抗和零序阻抗。 (1)正序阻抗：应用对称分量法计算时，正序电压与正序电流之比。 (2)负序阻抗：应用对称分量法计算时，负序电压与负序电流之比。 (3)零序阻抗：应用对称

11、分量法计算时，零序电压与零序电流之比。 等效电路图就是把实际网络简化，使电路计算直观简单，根据课设的电路图， 可以画出等效电路图。 b：等效电路图 。 图 2.1 根据任务书中给定的电路图和给定的数据，系统图简化电路图如图 2.1 所示。 g1 0.15j g2 0.15j t1 0.2j l24 0.03+0.08j t2 0.2j l23 0.023+0.068j l34 0.02+0.06j 0.4+0.15j 图 2.2 化简电路图 为了求取网络中的功率分布，可以采用近似的算法，先忽略网络中的功率损 耗，由于发电机和变压器的参数相同，假设节点 2 和节点 4 的电压相同，进一步 可以画

12、出系统的等效电路图。 z23 s23 i23 z34 s34 i34 z24 s24 i24 2342 s3s4 jqb24jqb23 . . . 图 2.3 等效电路图 2.3 两相断线故障的计算步骤 （1）对各个元件进行参数计算； （2）画等效电路图； （3）通过对称分量法将网络分解为正序，负序和零序网络，并计算各相参数。 第 3 章 电力系统两相断线计算 3.1 系统等值电路及元件参数计算 系统等值电路图如图 3.1 所示 图 3.1 系统电路图 （1）元件参数计算 a：变压器 t1 电阻 r： y310 y130 y120y210 y230 y320 z3 z1zt2zt1 z2 s3

13、 12 3 xg1xg2 3 22 1 106 5 . 31 21 . 0 30 n bs t s sp r 电抗： 1 . 0 100 5 . 31 305 .10 100 % 1 n bx t s sv x 电导 g： 3 2 2 0 1 10 5 .31 033 . 0 bn b t sv vp g b：变压器 t2 电阻 r： 3 22 2 107 5 . 31 22. 030 n bs t s sp r 电抗： 1 . 0 100 5 . 31 30 5 . 10 100 % 2 n bx t s sv x 电导 g： 3 2 2 0 2 104 . 1 5 . 31 045 . 0

14、 bn b t sv vp g c：线路 l1 电抗 x： 07 . 0 115 304 . 080 4 . 080 22 1 b b l v s x 电阻 r： 035 . 0 115 302 . 080 2 . 080 22 1 b b l v s r 电纳 b： 3 262 6 1 108 30 11510380 10380 b b l s v b d：线路 l2 电抗 x： 06 . 0 115 304 . 070 4 . 070 22 2 b b l v s x 电阻 r： 03 . 0 115 302 . 070 2 . 070 22 2 b b l v s r 电纳 b： 3 2

15、62 6 2 108 30 1151078 . 2 80 1078 . 2 80 b b l s v b e：线路 l3； 电抗 x： 07 . 0 115 304 . 075 4 . 075 22 3 b b l v s x 电阻 r： 03 . 0 115 3017. 075 17. 075 22 3 b b l v s r 电纳 b： 3 262 6 3 108 30 1151088 . 2 75 1088 . 2 75 b b l s v b f：负载 s3； 电阻 r： 54 . 0 50 30 9 . 09 . 0 3 n b s s s r 电抗 x：24 . 0 50 30 4

16、 . 0 3 s x 3.2 系统等值电路及其化简 a 相断线时各电压与电流除中性点接地阻抗、空载线路以及空载变压器外， 电力系统各元件均应包括在正序网络中，并且用相应的正序参数和等值电路表示， 得到正序网络，如图 3.2 所示。 图 3.2 正序电路图 对正序电路图进行星角变换 星角变换计算公式为： （3-1 2342 2 233442 3423 3 233442 4234 4 233442 zz z zzz zz z zzz zz z zzz ） 将各阻抗代入公式，可得 由戴维南定理，对系统的正序网络进行化简，经计算可得系统的等值电抗为： 05 . 0 )1( ff x 可以用戴维南定理简

17、化，因为它为有源网络，如图 3.3 的形式，其中，等值电动 势为 jeeq05 . 0 ff(1) jx e + - . eq i v . . f(1) f(1) 1 1 f f . . 图 3.3 正序戴维南等效图 负序电流能流通的元件与正序电流相同，但所有电源的负序电势为零。因此 ff(2) jx i v . . f(2) f(2) 2 2 f f . . 把正序网络中各元件的参数都用负序参数代替，并令电源等于零，而在故障点引 入代替故障条件的不对称电势源中的负序分量，便得到负序网络，如图 3.4 所示。 图 3.4 负序电路图 在计算负序参数时，运用的公式和步骤和正序的相同，因此将相应的

18、数据代 入公式可得其等值阻抗： 5 . 0 )1()2( ffff xx 经简化后的负序网络如图 3.5 所示。 图 3.5 负序戴维南等效电路图 在断路点施加代表故障边界条件的零序电势时，由于三相零序电流大小相位 及相位相同，它们必须经过大地才能构成通路，而且电流的流通与变压器中性点 接地情况及变压器的接法有密切的关系，该电力系统的零序网路如图 3.6 所示。 图 3.6 零序电路图 类似可得： 12 . 0 )0( ff x 从故障点看零序网络，也是一个无源网络。简化后的零序网络示如图 3.7 所示。 图 3.7 零序戴维南等效电路图 3.3 两相断线计算 我们可以应用对称分量法对纵向故障

19、进行分析。首先在故障口 f 和 f之间 插入一组不对称电势源来代替实际存在的不对称状态，然后在这组不对称电势源 ff(0) jx f(0) i . . f f 0 0 v f(0) . . . 分解成正序、负序和零序。根据重叠原理，分别作出各序的等值网络如图 3.8 所 示。 图 3.8 各序网络戴维南等效图 （3-2） (0) ff(1)(1)(1) (2)(2)(2) (0)(0)(0) . . . ffff ffff ffff vziv ziv ziv 上式中，是故障口 ff的开路电压，而分别为正序网络、 (0) ff . v(1)ffz(2)ffz(0)ffz 负序网络和零序网络从故障

20、端口 ff看进去的等值阻抗。 若网络各元件都用纯电抗表示，则方程式（3-2）写成 （3-3） (0) ff(1)(1)(1) (2)(2)(2) (0)(0)(0) . . . j j j ffff ffff ffff vxiv xiv xiv 故障处的边界条件为：，这些条件同单相短路的边界条0, 0 fbfcfa vii 件相似，若用对称分量表示则得 （3- (1)(2)(0) (1)(2)(0) . . 0 fff fff iii vvv 4） 满足这样边界条件的复合序网如图 3.9。故障处的电流 ff(1)+- ff v (0) . z i i f(2) f(0) v v f(1) f(

21、2) f(0)v ff(2) ff(0) z z . . . if(1) . . . f f f f f f 1 1 2 2 0 0 . . （3- ff (1)(2)(0) . . j fff v iii （0） ff(1)ff(2)ff(0)（x+x+x） 5） 图 3.9 复合序网 公式 jeveq ff05 . 0 . )0( . jzzffff05. 0)2( . )1( . jzff12 . 0 )0( . 将上述数据带入到公式 3-5 中，其中，可得 (0) ff . eq ve 22 . 0 )0( . )2( . )1( . fffiii 非故障相电流为 （3-6）(1) .

22、 3ffii 所以 66. 0 . fi 即 aa v s i b b f 100 1153 100030 66 . 0 3 2 . 1 故障相断口的电压为： （3-7） (1) (2)(0) (1) (2)(0) . 22 . 22 j()(1) j()(1) f fbffff f fcffff vaa xaxi va axaxi 式 3-7 中， 120 13 =cos120 + sin120 =- 22 j aejj 。 。 2120 13 =- 22 j aej 。 将所得数据带入式中 3-7，可得 0 . fb v jv fa 48 . 0 36 . 0 . jvfc06 . 0 3

23、 . 0 . 即 kvkvv fa 6948 . 0 36. 0115 22 kvkvvfc3506 . 0 3 . 0115 22 b 相各点电压电流 在求 b 相各点电压和电流时，我们可以选取电路中的每一相的相电压基准 为三相中的线电压基准： bp v b v bbp vv 3 3 则相应的每相的容量基准作为 bp s b s bbp ss 3 1 在这过程中，标幺值没有改变，此时节点 1,2,3 的 b 相电压为 v1b=1.03 v2b=1.02 v3b=1.02 a 相各点电压电流 v1a=0.64-0.48j 将节点 2 分成两点，得到两个开式网，分别求其两个开式网对节点 2 的输

24、送 功率 （3-8） )( )( 22 2 2 3 11 1 2 1 2 1 1 jxr v qp s jxr v qp s b bb 将公式代入到 3-8 式子中，就可以得到 v1+0.80+0.17j v2a=0.78+0.2j v3a=0.82+0.18j 代入 s i v i2a=0.34+0.06j i3a=0.53+0.14j i4a=0.42+0.2j c 相各点电压电流 同理，c 相电压与 b 相计算相同 c 相电压： v1c=-0.47-0.8j v2c=-0.42-0.8j v3c=-0.45-0.83j c 相电流： i1c=-0.08-j0.3 i2c=-0.11-j0

25、.47 i3c=-0.11-j0.48 第 4 章 两相断线的仿真 4.1 仿真模型的建立 matlab 和 mathematica、maple 并称为三大数学软件。它在数学类科技应用 软件中在数值计算方面首屈一指。matlab 可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、 实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、 控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 matlab 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式 十分相似，故用 matlab 来解算问题要比用 c，fortran 等语言完成相同的事情简 捷得多，并且 mat

26、lab 也吸收了像 maple 等软件的优点，使 matlab 成为一个强大 的数学软件。在新的版本中也加入了对 c，fortran，c+，java 的支持。可以直 接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到 matlab 函数库中方便自己以后 调用，此外许多的 matlab 爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行 下载就可以用。 matlab 主要功能有：（1）数值分析（2）.数值和符号计算(3).工程与科学绘 图（4）控制系统的设计与仿真（5）.数字图像处理（6）.数字信号处理（7）通 讯系统设计与仿真（8）财务与金融工程 simulink 具有从目标硬件上的 simulink

27、直接运行模型的能力,其特点如下 ：(1) 高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱 出来；(2) 具有完备的图形处理功能,实现计算结果和编程的可视化；(3) 友好 的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握；(4) 功能 丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等) ,为用户提供了大量方便 实用的处理工具。本次设计应用 matlab 软件的 simulink 功能，根据任务给出的 电路图和计算出的参数做出如图 4.1 的仿真电路图。 图 4.1 仿真电路图 4.2 仿真结果分析 在正常工作情况下，根据波形观察其正常运行时其个点的参数值很符合理想 的实际情况，顺序往下依次为各节点的电压和电流，分别为 v1，v2，v3，i1，i2，i3 图 4.2 仿真波形图 在节点 1 处对线路 3 进行两相断线处理，再次运行，可以得到相应的波形图 （图 4.3,图 4.4） ，图 4.3 从上到下依次为节点 1 电压、断口处电压、节点 3 的电 压，图 4.4 为断线处的电流，其仿真 x 轴坐标与图 4.1 相同， 图 4.3 电压图 图 4.4 电流图 由上图可知，断线处的电压和电流，波动比正常相的较大，由此可知，电力 系统断线对系统将产生很大的危害，所以为了能保