电力系统单相断线计算与仿真(3)

1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学电力系统计算电力系统计算课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目： 电力系统单相断线计算与仿真（电力系统单相断线计算与仿真（3）院（系）：院（系）： 电电 气气 工工 程程 学学 院院 专业班级：专业班级： 电气电气 09 学学 号：号： 0903030 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：12-07-02 至至 12-07-13课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：电气工程及其自动化课程设计（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

2、：SN=32MVA，VN=10.5kV，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:线路长 80km，电阻 0.22/km，电抗 0.4/km，对地容纳 2.810-6S/km；L2:线路长 75km，电阻 0.22/km，电抗 0.42/km，对地容纳 2.7810-6S/km； L3:线路长 70km，电阻 0.22/km，电抗 0.4

3、1/km，对地容纳 2.810-6S/km；负荷：S3=50MVA，功率因数为 0.85。任务要求（支路 L3 发生 A 相断线时）：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，对系统进行单相断线的 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

4、 S3 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要电力系统分析主要研究 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。本课设中，先计算各元件参数，然后采用对称分量法该网络分解为正，负，零序三个对称序网，并且求出戴维宁等效电路，再计算当 L3 支路发生单相断线时系统中各节点的各相电压和电流，计算各条支路各相的电压和电流，最后在系统正常运行方式下，对各种不同时刻单相断线进行 Matlab 仿真，将断线运行计算结果与各时刻断线的仿真结果进行分析比较。关键词：电力系统分析；单相短路：参数计算；对称分量法；Matlab 仿真本科生课程设计

5、（论文）目 录第 1 章 绪 论 .11.1 电力系统断线概述 .11.2 本文设计内容 .1第 2 章 电力系统单相断线计算 .22.1 系统等值电路图 .22.2 标幺值及参数计算 .22.2.1 发电机标幺值.22.2.2 变压器标幺值.22.2.3 线路标幺值.32.2.4 变压器参数计算.32.3 潮流计算 .42.3.1 潮流计算意义.42.3.2 潮流计算.4第 3 章 电力系统不对称故障计算 .73.1 对称分量发 .73.1.1 正序网络.83.1.2 负序网络.93.1.3 零序网络.103.2 单相断线故障的计算 .113.2.1 故障序电流.113.2.2 非故障序电流

6、.11第 4 章 单相断线的仿真 .134.1 仿真模型的建立 .134.2 仿真结果及分析 .14第 5 章 总结 .16参考文献 .17本科生课程设计（论文）1第 1 章 绪 论1.1 电力系统断线概述电力系统概况 在电力系统的运行过程中，不可避免地会出现故障，尽管故障出现的几率很小，持续的时间也不长，但产生的后果却往往十分的严重。电力系统发生故障时，运行状态将经历剧变化，轻则造成电流增大，电压下降，从而危及设备的安全或使设备无法正常运行；重则将导致电力系统对用户的正常供电局部甚至全部遭到破坏，从而对国民经济造成重大损失，因此对电力系统故障应以高度重视。凡造成电力系统运行不正常的任何连接或

7、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。断线故障可分为单相断线和两相断线，分别记为 。三相断线如同开断一条支路，一般不作为故障处理。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。造成断线原因有很多，如导线因机械负荷过载或因质量事故断开，或某处发生单相接地后断路器将故障相断开等。电力系统发生不对称纵向故障时，虽然不像不对称短路那样引起超大的短路电流和电压的急剧下降，但会产生大的负序和零序电流

8、。负序电流使发电机绕组过热，零序电流对通讯系统产生干扰，它们引起的电压电流不对称可能使某些继电保护误动作。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。断线故障可分为单相断线和两相断线，分别记为 。 本文通过对给定的系统进行参数计算、求支路单相断线的各相电压和电流、计算各条支路电压和电流和对系统进各种不同 A 相断线进行 matlab 仿真。最后通过数据对系统。进行分析比较，从而可以看出单相断线对电力系统的影响。本科生课程设计（论文）2第 2 章 电力系统单相断线计算2

9、.1 系统等值电路图图2.1系统等值电路图选取基准容量 SB=100MVA,选择第一段的额定电压为基准电压，即VB1=10.5kV。则=10.5kv, 则=121kv。1BV2BV2.2 标幺值及参数计算2.2.1 发电机标幺值0.9410.5100325 .100.32222G*1BIBGNNGNGVSSVXX0.9410.51003210.50.322212G*2BBGNNGNGVSSVXX2.2.2 变压器标幺值3 . 05 .101005 .355 .101005 .10100%22221*1BIBTINNTSTVSSVVX3 . 05 .101005 .355 .1010010.51

10、00%2222222*2BBNTNTSTVSSVVX本科生课程设计（论文）32.2.3 线路标幺值218. 01211004 . 0802221*1BBLLVSXX215. 012110042. 0752222*2BBLLVSXX196. 012110041. 0702223*3BBLLVSXX12. 012110022. 0802221*1BBLLVSRR112. 012110022. 0752222*2BBLLVSRR105. 012110022. 0702223*3BBLLVSRR0.033121100102.880)/(26-221*1BBLLVSBB0.031121100102.78

11、75)/(26-222*2BBLLVSBB0.028121100102.870)/(*26-2233BBLLVSBB2.2.4 变压器参数计算取 SN=100KVA,低压侧额定电压 VB=10.5KV。则变压器的参数如下所示。1) 对于变压器 T-1：1985101005 .10180103223221NNSTSVPR8 .115101005 .101005 .1010100%32321NNSTSVVX6-323201103 . 7105 .101001008 . 010100%NNTVSIB4-3-23201107 . 2105 .103010NTVPG2) 对于变压器 T-2：165410

12、1005 .10150103223222NNSTSVPR115.8101005 .1010010.510100%32322NNSTSVVX本科生课程设计（论文）46-3-232021016. 8105 .101001009 . 010100%NNTVSIB4-3-23202103 . 2105 .102510NTVPG2.3 潮流计算2.3.1 潮流计算意义潮流计算指在给定电力系统网络拓扑、元件参数和发电、负荷参量条件下，计算有功功率、无功功率及电压在电力网中的分布。潮流计算是根据给定的电网结构、参数和发电机、负荷等元件的运行条件，确定电力系统各部分稳态运行状态参数的计算。通常给定的运行条件有

13、系统中各电源和负荷点的功率、枢纽点电压、平衡点的电压和相位角。待求的运行状态参量包括电网各母线节点的电压幅值和相角，以及各支路的功率分布、网络的功率损耗等。 潮流计算是电力系统非常重要的分析计算，用以研究系统规划和运行中提出的各种问题。对规划中的电力系统，通过潮流计算可以检验所提出的电力系统规划方案能否满足各种运行方式的要求；对运行中的电力系统，通过潮流计算可以预知各种负荷变化和网络结构的改变会不会危及系统的安全，系统中所有母线的电压是否在允许的范围以内，系统中各种元件(线路、变压器等)是否会出现过负荷，以及可能出现过负荷时应事先采取哪些预防措施等。2.3.2 潮流计算将 G2 和 T2 等效

14、为输出负荷端，根据图 2.2 所示。进行潮流计算。可以得到各个节点的电流、电压。图 2.2 系统等值电路图95.j438.2511. 045j85. 0453SRl1+jxl1Rl2+jxl2Rl3+jxl3123s1s1s2s3s3s2s1s2本科生课程设计（论文）56 . 319. 0)33. 0017. 0(5 .1035)(2211221211jjjXRVSPSTTNGGT3 . 322. 0j0.3)(0.025 .1035)(2222222222jjXRVSPSTTNGGT6 . 3-81.346 . 3-19. 0-35111jjSSSTG3 . 3-78.323 . 3-22.

15、 0-35222jjSSSTG2 . 217. 1196. 0 j105. 010.535)(2233221213jjXRVSPSLLNL（7 . 4-44.662 . 217. 1-3 . 378.326 . 3-81.343213jjjjSSSSLj8.4442. 4j0.21)(0.115 .107 . 444.66)(2222222 32 32LLNSSLjXRVSPS44. 06 .10344. 842. 43 . 3-78.327 . 4-44.662232jjjjSSSSL 2 .217 .11j0.218)(0.125 .1044. 06 .103)(2221122 22 21

16、jjXRVSPSLLNSSL16.1711.1502 .217 .1144. 06 .1036 . 3-81.341211jjjjSSSSL74. 314.7144. 842. 47 . 444.6623 2jjSSSL18KV. 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 22VRQXPV

17、LLKVVVVV81.12025. 0)18. 0121()(22212112KVVVVV93.12012. 0)07. 0121()(22222223于是得其他各个节点的电流分别为：08. 0167 . 0121316.1711.1503111jjVSI本科生课程设计（论文）6021. 0954 . 081.120344. 0103.63222jjVSIj0.022-23 . 093.12037 . 444.663333jVSI本科生课程设计（论文）7第 3 章 电力系统不对称故障计算电力系统的短路通常称为横向故障。它指的是在网络的节点 f 处出现了相与相之间或者相与零电位之间不正常接通的情

18、况。发生横向故障时，有故障节点 f同零电位节点组成故障端口。不对称故障的另一种类型是所谓的纵向故障，它指的是网络中的两个相邻节点 f 和 f （都不是零电位节点）之间出现了不正常断开或者三相阻抗不相等的情况。发生纵向故障时，有 f 和 f这两个节点组成故障端口。图 3.1 单相断线示意图造成非全相断线的原因是很多的，例如某一线路单相接地短路后故障相开关跳闸；导线一相或者两相断线；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。3.1 对称分量发对称分量发是分析不对称故障的常用的方法，根据对称分量法，一组不对称的三相量可以分解成正序、负序和零序三相对称的三向量。在不同序别的对称分量

19、作用下，电力系统的各元件可能呈现不同的特性。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。ffabc本科生课程设计（论文）8E1E2Va(1)jXG1jXT1jXL1jXT2jXG2jXL3jXL2jXS33.1.1 正序网络正序网络就是通常计算对称短路时所用的等值网络。除中性点接地阻抗、空载线路（不计导纳）以及

20、空载变压器（不计励磁电流）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。如图 3.2：图 3.2 系统正序网络对正序电路图进行星脚变换：已知各线路的阻抗为： L1：Z13= 0.12+j0.218 L2：Z12= 0.112+j0.215 L3：Z23= 0.105+j0.196星角变换公式： (3-1) 将各阻抗代入公式 3-1 中，可得Z1=0.09+j0.194Z2=0.105+j0.21Z3=0.098+j0.199由戴维南定理，对系统的正序、负序和零序网络进行化简，可得系统的等值本科生课程设计（论文）9Va(1)jXG1jXT1jXL1jXT2jXG2j

21、XL3jXL2jXS3电抗为 0.517。从故障口看正序网络，它是一个有源网络，可以用戴维南定理简化如下图的形式。图 3.3 正序戴维南等效图3.1.2 负序网络负序电流能流通的元件与正序电流的相同，但所有电源的负序电势为零。因此，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，因此将相应的数据代入公式可得其等值电抗为 0.517。从故障点看进去，负序网络是一个无源网络。经简化后的负序网络如下图 3.5ff(1)jXE+-.eqIV.

22、F(1)F(1)11ff .本科生课程设计（论文）10ff(2)jXIV.F(2)F(2)22ff .ff(0)jXF(0)I.ff 00VF(0).Va(1)jXL 1jXL 3jXL 2图 3.5 负序戴维南等效电路图3.1.3 零序网络在故障点施加代表故障边界条件的零序电势是，由于三相零序电流大小及相位相同，它们必须经过大地（或者架空地线、电缆包皮等）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下图 3.6： 图 3.6 零序电路图对于零序电路 Xff0=X6+X7+X8=0.12+0.1+0.12=0.34从故障点看零序网络，也是

23、一个无源网络。简化后的零序网络如下图 3.7本科生课程设计（论文）11图 3.7 零序戴维南等效电路图3.2 单相断线故障的计算3.2.1 故障序电流故障处边界条件为公式（3-2） 。 （3-20.FAI0.FcFbVV）若用对称分量则表示为 2-2. （3-3.0.21.3.2.10FFFFFFVVVIII）按公式（3-3）即可计算出故障处各序电流。 (3-4) .12020.FF0FF2FF10.1.1020.2)/XX(XFFFFFFFFffFFFFFFFFFIXXXIjVIIXXXI由公式(3-4)得故障处各序电流分别为：=2j/(j 0.34 0.517/（0.34+0.517）+0

24、.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故障相端口电压为：58. 157. 234. 0517. 034. 0517. 03j3j3.102021jIXXXXVVFFFFFFFFFFFa=0FbVFcV本科生课程设计（论文）123.2.2 非故障序电流非故障相电流如公式。 （3-5）.102022.102022.b)()(FFFFFFFFFFcFFFFFFFFFFIXXXaXaIIXXXaXaI于是可以得出非故障相电流。08. 157. 2)34. 0517. 034.

25、0e517. 0e (120240.bjjFI58. 057. 2)34. 0517. 034. 0e517. 0e (240120.jjFcI本科生课程设计（论文）13第 4 章 单相断线的仿真4.1 仿真模型的建立图 3.1 系统仿真图Matlab 仿真电路图 系统仿真图如图 3.1，图中断线故障是用三相故障元件来模拟的，在该模块的参数设置中选择 A 相断线。故障点各相图 3.2 断线 A 相电压本科生课程设计（论文）14图 3.3 断线 B 相电压图 3.4 断线 C 相电压4.2 仿真结果及分析本文提出了负序电流和故障相电压的能量测度保护。并对单相断线故障产生的负序电流分布进行了仿真分

26、析。 基于负序电流的能量测度断线保护具有如下特点: (1) 单相断线故障产生的负序电流由故障点流向整个系统,其中绝大部分经故障线路流向电源。故障线路负序电流远大于非故障线路,方向与故障相电压相位和与流向系统的负序电流方向都相反。 (2) 单相断线故障产生的负序电流在系统中的分配不受中性点接地方式的影响,能量测度保护原理可以适合各种中性点接地方式。 本科生课程设计（论文）15(3) 故障线路的能量测度和非故障线路的能量测度正负相反，大小相差很大。故障线路的能量测度是整个系统最小负值，所提保护方案能可靠动作。 (4) 单相断线故障和单相接地故障的能量测度相差很大，在接地故障时所提保护方案不会误动。 (5) 此保护具有很高的可靠性和灵敏度。 本文首次对基于负序电流馈线断线保护进行了理论分析。该技术有待于进一步研究,以满足现场实际运行要求。