电力系统单相断线计算与仿真(3)课程设计

PAGEPAGEIII辽宁工业大学《电力系统计算》课程设计（论文）题目：电力系统单相断线计算与仿真（3）院（系）：电气工程学院专业班级：学号：学生姓名：指导教师：教师职称：起止时间：本科生课程设计（论文）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G1T12LG1T12L244T2GGG1:kk:1L23L343S1GGG各元件参数标幺值如下（各元件及电源的各序阻抗均相同）：T1、T2：电阻0.01，电抗0.15，k=1.08，标准变比侧YN接线，另一侧Δ接线；L24:电阻0.03，电抗0.07，对地容纳0.03；L23:电阻0.03，电抗0.08，对地容纳0.03；L34:电阻0.025，电抗0.07，对地容纳0.032；G1、G2：电阻0，电抗0.15，电压1.02；负荷功率：S1=0.4+j0.15；任务要求：1对系统进行潮流计算；2当L23支路发生A相断线时，计算系统中各节点的各相电压和电流；3计算各条支路各相的电压和电流；4在系统正常运行方式下，对各种不同时刻A相断线进行Matlab仿真；5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，得出结论。指导教师评语及成绩平时考核：设计质量：论文格式：总成绩：指导教师签字：年月日注：成绩：平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

摘要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。电力系统的断路通常也称为纵向故障，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三相阻抗不相等的情况，本次将讨论纵向不对称故障的一种极端状态，即一相断开的运行状态。造成单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；导线一相断线；分相检修线路或开关设备以及开关合闸过程中三相接触头不同时接通等。本次课设主要研究电力系统发生单相断线时的计算与Matlab仿真。首先对发生单相断线的电力系统网络进行潮流计算求出电力网的功率分布及最大电压损耗，并在L23支路发生A相断线时，计算系统中各节点的各相电压和电流与各条支路各相的电压和电流。然后在系统正常运行方式下，对各种不同时刻A相断线进行Matlab仿真，最后，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，得出结论。关键词：单相断线；潮流计算；Matlab仿真目录TOC\o"1-3"\f\h\z第1章绪论 11.1电力系统的单相断线概况 11.2本文研究内容 1第2章潮流计算 22.1等效电路图 22.2电路的星角变换 32.3等值电路图的网络参数设定 32.4功率和节点电压计算 4第3章系统单相断线分析 53.1对称分量法 63.2参数求取与计算 7第4章两相断线的计算 94.1单相（a）断线的边界条件为 94.2单相断线的复合序网 104.3计算各节点的电压及各支路电流 10第5章MATLAB仿真 11第6章课程设计总结 13参考文献 14PAGE15绪论电力系统的单相断线概况发生单相断线故障，将导致三相电流和三相电压的不对称，系统处于非全相运行状态，会出现负序电流，将使电能质量变坏，对用户产生不良影响，使电动机转子产生附加损耗及发热，破坏其正常工作，减少出力，降低寿命，同时还对继电保护产生影响，并造成系统损耗增加，影响运行的经济性。因而一旦发生单相断线故障后，需要及时正确地处理事故，了解这种故障的特点，否则，很可能会因为误判断，造成处理延误，而扩大事故范围。本文研究内容本文研究的是在一个独立闭式电力网络中。L23突然发生单相断线故障要求我们对以下进行计算和Matlab仿真1．对系统进行潮流计算；2．当L23支路发生A相断线时，计算系统中各节点的各相电压和电流；3．计算各条支路各相的电压和电流；4．在系统正常运行方式下，对各种不同时刻A相断线进行Matlab仿真；5．将断线运行计算结果与各时刻断线仿真结果进行分析比较，得出结论。

潮流计算潮流计算是电力系统分析中的一种最基本的计算，对电力网络的各种设计方案及各种运行方式进行潮流计算，可以得到电网各节点的电压，并求得网络的潮流及网络中元件的电力损耗，进而求得电能损耗。因而，通过潮流计算可以分析网络的电压水平高低、功率分布和电力损耗的合理性和经济性等，从而对该网络的设计及运行做出评价。本文通过潮流计算得出故障前断口电压及各个节点的正常电压。本系统为两端电源供电的简单闭式网络，它的功率分布及电压损耗的计算如下。等效电路图根据任务书中给定的电路图和给定的数据，系统图可以简化为图2.1化简图2.1化简电路图G10.15jG20.15jT10.01+0.15jL240.03+0.07jT20.01+0.15jL230.03+0.08jL340.025+0.07j0.4+0.15j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，进一步可以画出系统的等效电路图。图2.2等效电路图电路的星角变换根据本文设计要求标准变比侧YN接线，另一侧Δ接线。我们将要进行系统的潮流计算，首先需要完成系统参数计算，为了得到系统地参数和进行计算的方便性我们有必要将系统进行星角变换如图所示图2.3角形接线图2.4星形接线YN接线转换Δ接线公式；(2-1)(2-2)(2-3)因为=0.03+0.08j;=0.03+0.07j;=0.025+0.07j代入上式得，=（0.025+0.07j）（0.03+0.08j）/(0.025+0.07j+0.03+0.07j+0.03+0.08j)=0.0088+0.025j=(0.03+0.07j)(0.025+0.07j)/(0.055+0.07j+0.03+0.07j+0.08j)=-0.00046+0.031j=(0.03+0.08j)(0.03+0.07j)/(0.025+0.07j+0.03+0.07j+0.03+0.08j)=0.011+0.025j等值电路图的网络参数设定由图2.2对于三角形接线：网络L24:网络L23:网络L34:对于星形接线：网络L23’:网络L34’:网络L:变压器T1：ZT1=0.02j变压器T2：ZT2=0.02j发电机G1：ZG1=0.01+0.09j，VG1=1.00发电机G2：ZG2=0.01+0.09j，VG2=1.00变比：k=1.05负荷功率：S1=0.4+j0.15功率和节点电压计算该部分计算由三部分组成，一是由假设节点电压相等的情况下求取中间环形网络的功率，二是由中间求得的功率求两端的功率，三是由求得的两端的功率求得节点电压，再由节点电压求得中间功率的实际值。1.由，求由公式可得：=0.1856+0.0574j=0.2144+0.0626j2.由上步求得的功率求两端的功率由功率守恒得：-0.03j+0.1856+0.0574j=0.1856+0.0274j-0.031j+0.2144+0.0626j=0.2144+0.0316j变压器T1消耗的功率:0.0004+0.0053j变压器T2消耗的功率:0.0005+0.0070j从而求得：0.1856+0.0274j+0.0005+0.0070j=0.1860+0.0327j0.2144+0.0316j+0.0004+0.0053j=0.2144+0.0386j3.由两端功率求节点电压=[(0.1860*0.01)+(0.0327*0.015)]/1.05=0.0022=[(0.1860*0.015)-(0.0327*0.01)]/1.05=0.0023所以：=1.042同理可得：1.0484.由节点二和四的节点电压求功率分布有公式得：+=0.2553+0.0650j-0.0092+0.0237j=0.2461+0.0887j+=0.1293+0.0640j其中；经整理得：系统单相断线分析电力系统的故障分为两类，一类是短路故障，也称为横向故障，另一种类型就是纵向故障，是沿电能传播方向发生的故障，即断线，又称为非全相运行,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三相阻抗不相等的情况。造成非全相运行的原因很多，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，虽然不象不对称短路那样引起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。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。断线故障可分为单相断线和两相断线,发生纵向故障时，由f和f'这两个节点组成故障端口。本文研究单相断线情况如图图3.1单相断线对称分量法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。1.正序等值电路图图3.2正序等值电路图正序网络中，除中性点接地阻抗、空载线路（不计导纳）以及空载变压器（不计励磁电流）外，电力系统各元件均应包括在正序网路中，并且用相应的正序参数和等值电路表示。此外，还需要在断口引入代替故障条件的不对称电势源中的正序分量从即故障端口看正序网络，它是一个有源网络，可以用戴维南定理化简成下图。图3.3正序等值电路图化简图2.负序等值电路图图3.4负序等值电路图图3.5负序等值电路图化简图3.零序等值电路图图3.6零序等值电路图图3.7零序等值电路图化简图参数求取与计算A断线故障的通用电压方程中共含六个未知量和，而方程数仅三，故需补充三个方程才能求解，其由具体故障的边界条件提供。对单相断线故障o(1)，设a相发生断线，其边界条件为化为序量形式，得到不难发现，上述边界条件与两相接地短路时的边界条件在形式上完全相同，故其复合序网亦为并联型复合序网，如图3.8.图3.8复合序网由图可写出;断口开路电压的求取不是易事，常需再进行一次潮流计算得到，因而应避免这一困难。由断线时的正序网络，当正常运行，即未断线时，=0，断口处的电流即为正常运行时电流。代入式（4－135）得到只要知道了断口正常运行时的电流（潮流计算中已求得）和断口各序等值阻抗，即可容易地求出断口处各序电流，从而各相电流电压及非故障处电流电压均可求得。对实用计算，只计电抗，引入则可推得非故障相电流为由以上介绍可见，要分析断线故障，首先必须求取端口的各序等值阻抗，而后再对单相断线、两相断线进行具体分析。下面分别予以介绍。端口等值阻抗的求取和短路时求取短路点等值阻抗一样，断线时断口处的等值阻抗既可通过网络化简，由串并联及星网变换得到，也可由节点阻抗矩阵得到。前者仅适用于简单系统，后者是实际电力系统故障分析中采用的方法，也是计算机分析时采用的方法。短路时短路点的等值阻抗是节点阻抗矩阵中该点的自阻抗，因而只要由节点导纳矩阵求出节点阻抗矩阵，则网络各点短路时的等效阻抗均知晓，余下计算十分简单。但断线时并非如此，即使得到了节点阻抗矩阵，也还需要通过一定计算才能求出端口的等值阻抗。下面就推导这一关系，采用的方式是：先给出结论，然后予以证明，最后用实例验证。结论：断线时断口等值阻抗的计算公式为式中为断口所在支路ij的阻抗，为未断线时原网络节点阻抗矩阵中的元素。两相断线的计算单相（a）断线的边界条件为=0，==0这些条件同两项短路接地的条件完全相似。若对称分量表示则得++=0==由此可以算出故障各序电流为==-=-单相断线的复合序网根据上述边界条件可以画出单相断开的复合序网如图4.1所示：图4.1单项断线的复合序网电路图计算各节点的电压及各支路电流1.非故障相电流==0.1834=-=-0.1402=-=-0.98562.断口相的断口电压=3=jI=j0.2890KV==0MATLAB仿真MATLAB有强大的运算绘图能力，给用户提供了各种领域的工具箱，而且编程语法简单易学。下面简单介绍一下本次仿真建模中需要用到的工具箱。Simulink基本库，为用户提供了多种基本模块。它有两个显著功能，即仿真与连接，是实现动态系统建模、仿真的一个集成环境电力系统模块库，涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统的仿真模型，为电力研究者带来了更大的便利。它由以下8个子模块库组成：电源模块库；基本元件模块库；电力电子模块库；电机模块库；连接模块库；测量模块库；附加模块；电力图形用户接口。GUI（用户图形界面）是程序的图形化界面。组件、图象窗口以及回应是创建界面所必须的三个基本元素。它提供用户一个常见的界面，以及一些控件，例如，按钮，列表框，菜单等。通常，还可以通过编程来实现多种功能。图5.1电力系统故障仿真模型图5.2节点处b、c相电流波形图图5.3节点处各相电压波形图图5.4节点各相电压波形图在MATLAB下，将所需的组件拖入到空白界面，有坐标轴，按钮，静态文本框，列表框以及单选按钮，然后排列整齐。选中任意一个组件双击，便可以在弹出的属性查看器窗口查看或者修改组件的属性。如；颜色、字体、名称等。打开系统自动生成的与当前界面相对应的文件，开始在相应的组件回调函数名下编写程序，使组件在界面运行时通过程序响应一定得功能。完成组件回调函数的编写就可以运行文件了，若出现问题，回到MATLAB主窗口查看报错信息，进行修改。通过MATLAB对电力系统仿真研究，结果表明，仿真波形基本符合理论分析。课程设计总结本论文研究的不对称故障是单相断线，对系统在正常运