一組電力系統(tǒng)自動化課程設計

1、山東交通學院電力系統(tǒng)自動化課程設計報告院(部)別 信息科學與電氣工程學院 姓 名 王新 學 號 130817142 指導教師 黃欣 課 程 設 計 任 務 書題 目 電力系統(tǒng)自動化課程設計 院 (部) 信息科學與電氣工程學院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 電 升131 學生姓名 王新 學 號 130817142 12 月 15日至 12 月 26 日 共 2 周指導教師(簽字) 負 責 人(簽字) 2014年 12月 26日電力系統(tǒng)自動化課程設計一、設計內容及要求 內容：利用不對稱故障分析方法解決實例縱向不對稱故障單相斷相線路問題。 要求：求出各相的不對稱分量，畫出向量圖，并在Matla

2、b中進行模擬仿真，獲得斷相后電流、電壓波形圖。二、設計原始資料 給定一個具體系統(tǒng)，假設當在FF發(fā)生a相斷相時，求斷相處的負序，零序的電流，電壓及故障相中的電流，并與故障前的電流進行比較。 假定各元件參數(shù)已歸算到以=100MVA。 為基準的標幺值。電源相電動勢歸算到故障點電壓級的標幺值為=j1.43。其余參數(shù)見復合序網圖。三、設計完成后提交的文件和圖表1計算說明書部分 根據(jù)題目要求求出故障點的對稱分量和非對稱分量的電流、電壓。 正常情況下線路負荷電流。 對比手算結果與Matlab計算結果。2.仿真部分： 根據(jù)所求電流、電壓結果分別畫出電壓、電流向量圖。 利用Matlab軟件仿真得出線路正常與線路

3、發(fā)生斷相時各測量點的電壓、電流波形。四、進程安排 第一周：周一、周二：整合所有知識點及資料； 周三周五：完成手算及Matlab計算與仿真； 第二周：周二、周三：完成設計報告； 周四：交打印版設計報告； 周五：答辯；五、主要參考資料 1 夏道止.M 電力系統(tǒng)分析（第二版）.北京.中國電力出版社.2011. 2 李光琦.M 電力系統(tǒng)暫態(tài)分析(第二版).西安.中國電力出版社.2004. 3 熊信銀.M 發(fā)電廠電氣部分（第三版）.北京.中國電力出版社.2006.目錄摘 要2第一章 電力系統(tǒng)故障分析31.1電力系統(tǒng)故障分析意義31.2 電力系統(tǒng)

4、故障計算的基本原則和規(guī)定41.3電力系統(tǒng)故障概率41.4不對稱故障分析概述51.5不對稱故障分析51.6 不對稱故障分析計算步驟6第二章 縱向不對稱故障分析72.1縱向不對稱故障分析72.2斷路故障的簡略記號72.3一相斷相故障分析8第三章 電力系統(tǒng)縱向故障分析實例計算分析93.1電力系統(tǒng)縱向故障分析實例要求103.2理論計算103.3 Matlab計算過程123.4.電力系統(tǒng)故障實例仿真模型及各模塊參數(shù)設置143.5仿真波形結果15課程總結19課程設計心得20附錄21參考文獻23摘 要 電力系統(tǒng)發(fā)生使對稱結構遭受破壞的短路或斷路故障，由于短路會產生十分嚴重的后果，因而引起了高度重視。除盡量消

5、除導致短路、斷路的原因外，還應在短路、斷路故障發(fā)生后及時采取措施，盡量減少短路造成的損失，如采用繼電保護將故障隔離，在合適的地點裝設電抗器以限制短路電流，采用自動重合閘消除瞬時故障使系統(tǒng)盡快恢復正常等。這些措施均須建立在故障計算的基礎上。在發(fā)電廠、變電所以及整個電力系統(tǒng)的設計工作中，都必須事先進行短路計算，以此作為合理選擇電氣接線、選用有足夠熱穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度的電氣設備及載流導體、確定限制短路電流的措施、合理配置各種繼電保護并整定其參數(shù)等的重要依據(jù)。因此故障計算對于電力系統(tǒng)的設計和安全運行具有十分重要的意義基于對稱分量法的基本理論，對稱分量法采取的具體方法之一是解析法，即把該網絡分解為正，負，

6、零序三個對稱序網，這三組對稱序分量可分別按對稱的三相電路分解。計算機程序法。通過計算機形成三個序網的節(jié)點導納矩陣，然后利用高斯消去法通過相應公式對他們進行數(shù)據(jù)運算，即可求得故障端點的等值阻抗。最后根據(jù)故障類型選取相關公式計算故障處各序電流，電壓，進而合成三相電流電壓。 進行了參數(shù)不對稱電網故障計算方法的研究。通過引計算機算法，系統(tǒng)介紹電網參數(shù)不對稱的計算機算法方法。根據(jù)斷相故障和短路故障的特點，通過在故障點引入計算機算法，給出了各種斷相故障和短路故障的仿真計算。此方法以將故障電網分為對稱網絡和不網絡兩部分，在程序法則下建立起不對稱電網故障計算統(tǒng)一模型，根據(jù)線性電路的基本理論，并借助于相序參數(shù)變

7、換技術完成故障計算。關鍵詞：參數(shù)不對稱； 電網； 故障計算第一章 電力系統(tǒng)故障分析1.1電力系統(tǒng)故障分析意義 “電力系統(tǒng)故障分析”主要是研究電力系統(tǒng)中由于故障所引起的電磁暫態(tài)過程，搞清楚暫態(tài)發(fā)生的原因、發(fā)展過程及后果，從而為預防及消除電力系統(tǒng)的故障準備必要的理論知識。 電力系統(tǒng)發(fā)生使對稱結構遭受破壞的短路或斷路故障，由于短路會產生十分嚴重的后果，因而引起了高度重視。除盡量消除導致短路、斷路的原因外，還應在短路、斷路故障發(fā)生后及時采取措施，盡量減少短路造成的損失，如采用繼電保護將故障隔離，在合適的地點裝設電抗器以限制短路電流，采用自動重合閘消除瞬時故障使系統(tǒng)盡快恢復正常等。這些措施均須建立在故障

8、計算的基礎上。在發(fā)電廠、變電所以及整個電力系統(tǒng)的設計工作中，都必須事先進行短路計算，以此作為合理選擇電氣接線、選用有足夠熱穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度的電氣設備及載流導體、確定限制短路電流的措施、合理配置各種繼電保護并整定其參數(shù)等的重要依據(jù)。因此故障計算對于電力系統(tǒng)的設計和安全運行具有十分重要的意義。1.2 電力系統(tǒng)故障計算的基本原則和規(guī)定 電力系統(tǒng)三相短路計算主要是短路電流周期分量的計算，在給定電源電勢時，實際就是穩(wěn)態(tài)交流電路的求解。 在電力系統(tǒng)短路電流的工程計算中，許多實際問題的解決（如電網設計中的電氣設備選擇）并不需要十分精確的結果，于是產生了近似計算的方法。在近似計算中主要是對系統(tǒng)元件模型和標么值

9、參數(shù)計算做了簡化處理。在元件模型方面，忽略發(fā)電機、變壓器和輸電線路的電阻，不計輸電線路的電容，略去變壓器的勵磁電流（三相三柱式變壓器的零序等值電路除外），負荷忽略不計或只做近似估計。在標么值參數(shù)計算方面，在選取各級平均電壓做為基準電壓時，忽略各元件(電抗器除外)的額定電壓之比，即所有變壓器的標么變比都等于1。此外，有時還假定所有發(fā)電機的電勢具有相同的相位，加上所有元件僅用電抗表示，這就避免了復數(shù)運算，把短路電流的計算簡化為直流電路的求解。短路計算的目的是為了選擇導體和電器，并對其進行相關校驗?；炯俣ǘ搪冯娏鲗嵱糜嬎阒校捎靡韵录僭O條件和原則：（1）正常工作時，三相系統(tǒng)對稱運行；（2）所有電源

10、的電動勢相位角相同；（3）系統(tǒng)中的同步和異步電機為理想電機，不考慮電機飽和、磁滯、渦流及導體集膚效應等影響；轉子結構完全對稱；定子三相繞組空間相差120°電氣角；（4）電力系統(tǒng)中各原件的磁路不飽和，即帶鐵芯的電氣設備電抗值不隨電流大小變化；（5）電力系統(tǒng)中所有電源都在額定負荷下運行，其中50%負荷接在高壓母線上，50%負荷接在系統(tǒng)側；（6）同步電機都具有自動調整勵磁裝置（包括強行勵磁）；（7）短路發(fā)生在短路電流為最大值的瞬間；（8）不考慮短路點的電弧阻抗和變壓器的勵磁電流；（9）除計算短路電流的衰減時間常數(shù)和低壓網絡的短路電流外，元件的電阻都略去不計；（10）元件的計算參數(shù)均取其額定

11、值，不考慮參數(shù)的誤差和調整范圍；（11）輸電線路的電容略去不計；用概率統(tǒng)計法制定短路電流運算曲線。一般規(guī)定：（1）驗算導體和電器動穩(wěn)定、熱穩(wěn)定以及電器開斷電流所用的短路電流，應按本工程的設計規(guī)劃容量計算，并考慮電力系統(tǒng)的遠景發(fā)展規(guī)劃（一般為本期工程建成的510年）。確定短路電流時，應按可能發(fā)生最大短路電流的正常接線方式，而不應按僅在僅在切換過程中可能并列運行的接線方式；（2）在電氣網絡中應考慮具有反饋作用的異步電動機的影響；（3）選擇導體和電器時，對不帶電抗器回路的計算短路點應選擇在正常接線方式時短路電流為最大的地點。對加裝電抗器的610KV出線與廠用分支線回路，除其母線和母線隔離開關之間隔板

12、前的引線和套管，計算短路點應選擇在電抗器前，其余導體和電器的計算短路點一般選擇在電抗器后；（4）導體和電器的動穩(wěn)定、熱穩(wěn)定和電器的開斷電流，一般按三相短路驗算。若發(fā)電機出口的兩相短路或中性點直接接地系統(tǒng)及自耦變壓器等回路中的單相、兩相接地短路較三相嚴重時，則應按嚴重情況計算。1.3電力系統(tǒng)故障概率運行經驗指出，架空輸電線是電力系統(tǒng)中比較薄弱的環(huán)節(jié)，發(fā)生短路的幾率最高，我國某電力系統(tǒng)多年統(tǒng)計出在不同范圍內發(fā)生短路故障的相對次數(shù)列出如圖1.2.1所示。 線路范圍發(fā)生幾率在110kV線路上容量為6000kW以上的發(fā)電機110kV變壓器110kV母線78.0%7.5%6.5%8.0%圖1.2.1：不同

13、范圍能發(fā)生短路故障幾率從圖1.2.2中的數(shù)字中可以看出單相短路幾率占壓倒性多數(shù)，國外的運行經驗也證明了這一點。三相短路的幾率是很小的，但這并不說明三相短路無關緊要，相反對三相短路應該加以重視，因為三相短路的情況最嚴重，有時為了最后論斷電力系統(tǒng)在短路情況下工作的可能性，他起著決定性的作用。此外，研究三相短路之所以重要，還由于我們在分析計算不對稱短路時，往往把不對稱短路看成某種假定的三相短路來處理。短路類型發(fā)生幾率三相短路二相短路二相短路接地單相短路5%4%8%83%圖1.2.2：110kV線路上各種類型短路故障幾率1.4不對稱故障分析概述 在電力系統(tǒng)故障中，僅在一處發(fā)生不對稱短路或斷線的故障，稱

14、為簡單不對稱故障。它通常分為兩類：一類叫橫向不對稱故障，包括兩相短路、單相接地短路以及兩相接地短路三種類型。這種故障發(fā)生在系統(tǒng)中某一點的各相間或相與地之間，是處于網絡三相支路的橫向，故稱為橫向不對稱故障。另一類是發(fā)生在網絡三相支路的縱向，叫縱向不對稱故障，包括一相和兩相斷相兩種基本類型。1.5不對稱故障分析 不對稱故障的分析計算是故障分析的基本內容之一。在電力系統(tǒng)設計和運行中，不對稱故障時出現(xiàn)時各序對稱分量以及各相電流、電壓的分析計算，是選擇電氣設備、確定運行方式、整定繼電保護、選用自動化設備和事故分析的重要依據(jù)。在電力系統(tǒng)各種故障中，不對稱故障所占的比例很大。 當電力系統(tǒng)某點發(fā)生故障時，求出

15、故障點處電流、電壓的大小和特征，以及網絡中其他位置（如繼電保護安裝處）電流、電壓的大小和特征。 不對稱故障分析計算不對稱故障的方法很多，如對稱分量法,分量法，以及在坐標系統(tǒng)中直接進行計算等。實際應用最廣泛、最基本的方法仍是對稱分量法。 應用對稱分量法分析計算簡單不對稱故障時，對各序分量的求解，一般有兩種方式：一種是直接的聯(lián)立求解三個序的電動勢方程和三個邊界條件方程；另一種是借組于復合序網圖進行求解，將三相不對稱的問題轉化為對稱的一相進行求解，即根據(jù)不同的故障類型所確定的邊界條件，將三個序網絡進行適當?shù)倪B接，組成一個一相的復合序網，通過對復合序網進行計算，便可求出電流、電壓的各序對稱分量，還可以

16、根據(jù)需要，通過疊加方法獲得三相的電壓、電流。由于復合序網圖的求解方法比較簡單，具有通用性，又容易記憶，因此應用較廣。1.6 不對稱故障分析計算步驟（1）先計算出短路或短路點處待求得正序、負序、零序電壓和電流，共六個未知數(shù)（主要的待求電氣量是三個未知電流）。（2）利用正序、零序、負序的電路關系，進一步求出各支路或某一位置的電流、電壓。（3）將三個電氣量進行合成，求出所關心位置的三相電流和電壓。第二章 縱向不對稱故障分析2.1縱向不對稱故障分析 縱向不對稱故障主要包括單項斷路和兩項斷路，故稱非全相運行。造成非全相運行的原因很多，例如：一相或兩相的導線斷線；分相檢修線路或開關設備；開關在合閘過程中三

17、相觸頭不同時的接通；某一線路單相接地后，故障相開關跳閘等。電力系統(tǒng)在發(fā)生縱向不對稱故障時，雖然不出現(xiàn)危險的大電流和引起電壓的急劇波動，但系統(tǒng)中會產生負序和零序分量。負序電流的出現(xiàn)對發(fā)電機轉子有危害，且將影響發(fā)電機的出力和損壞絕緣。零序電流的出現(xiàn)對通信系統(tǒng)則有干擾作用。此外，對于系統(tǒng)中反應不對稱故障的繼電保護裝置，則要考慮是否引起不動作或拒動作的問題。為了便于采取必要的措施，以便處理和解決上述諸類問題，就需要對縱向不對稱故障進行分析計算。2.2斷路故障的簡略記號斷路故障的簡略記號如圖2.2所示：斷路類型示意圖代表符號單相斷路二相斷路圖2.2 斷路故障的簡略記號第 23 頁2.3一相斷相故障分析

18、在不對稱故障中，a相發(fā)生一相斷相故障后，系統(tǒng)接線圖如圖2.3.1所示，系統(tǒng)等效圖如圖2.3.2所示。 圖2.3.1 a相斷相系統(tǒng)接線圖 圖2.3.2 a相斷相系統(tǒng)等效圖 設圖2.3.1中的F、F處發(fā)生a相斷相，那么，可以很清楚地看到，與圖2.3.2對應的a相的邊界條件為：；選a相作為基準相之后，將其轉換為對稱分量表示，得： 根據(jù)這個對稱分量的邊界條件，可以在斷相處將三個序網絡合成一個復合序網，如圖2.3.3所示。 有復合序網求出斷相處的各序分量： 圖2.3.3 a相斷相時的復合序網絡第三章 電力系統(tǒng)縱向故障分析實例計算分析3.1電力系統(tǒng)縱向故障分析實例要求 如下圖3.1.1所示的系統(tǒng)，當在FF

19、發(fā)生 a相斷相時，求斷相處的負序，零序的電流，電壓及故障相中的電流，并與故障前的電流進行比較。 假定各元件參數(shù)已歸算到以=100MVA. 為基準的標幺值。電源相電動勢歸算到故障點電壓級的標幺值為=j1.43。其余參數(shù)見圖3.1.2復合序網圖。圖3.1.1 a相斷相后系統(tǒng)接線圖圖3.1.2 給定復合序網絡圖3.2理論計算 a相斷相時，求故障點處的負序及零序電流電壓以及非故障點的電流、以a相為基準，對應斷相時的復合序網圖如上圖所示。由復合序網圖可知：非故障相的電流為：正常情況下流過線路的負荷電流為： 從上面計算結果可知，a相斷相時，非故障相（b、c相）中的電流比斷相增加18.9%，所以發(fā)生單相斷相

20、故障時要注意非故障的過負荷問題。電流向量圖如圖3.2.1所示圖3.2.1 電流向量圖電壓向量圖如圖3.2.2所示圖3.2.2 電壓向量圖3.3 Matlab計算過程基準值：SB =100基準值：Ea1z = 0 + 1.4300i正負零序線路各元器件給定阻抗標幺值:正負零序線路總阻抗標幺值:X1z =2 X2z =1.1500X0z =0.9700各序分量:Ia1 =0.5661Ia2 =-0.2590Ia0 =-0.3071Ua1 =0 + 0.2979iUa2 =0 + 0.2979iUa0 =0 + 0.2979i非故障相電流值:Ia =0Ib =-0.4606 - 0.7145iIc

21、=-0.4606 + 0.7145i正常情況下流過線路的負荷電流:Ia1z =0.7150Ipercentage =0.1890電流向量圖如圖3.3.1所示圖3.3.1 Matlab計算電流向量圖電壓向量圖如圖3.3.2所示圖3.3.2 Matlab計算電壓向量圖3.4.電力系統(tǒng)故障實例仿真模型及各模塊參數(shù)設置實例仿真模型及各模塊參數(shù)設置整個正常時電路圖如圖3.4.1所示。圖3.4.1 仿真模型3.5仿真波形結果正常情況各測量點電壓仿真波形如圖3.5.1及電流仿真波形如圖3.5.2所示。圖3.5.1 正常情況下測量點電壓仿真波形圖3.5.2 正常情況下測量點電流仿真波形a相發(fā)生斷相后各測量點測

22、得仿真電壓及電流波形如圖3.5.3、圖3.5.4、圖3.5.5、圖3.5.6所示。圖3.5.3 a相斷相后靠近發(fā)電機的變壓器的電壓仿真波形圖3.5.4 a相斷相后靠近發(fā)電機的變壓器的電流仿真波形圖3.5.5 a相斷相后線路的電壓仿真波形圖3.5.6 a相斷相后線路的電流仿真波形仿真波形分析 如圖3.5.3、圖3.5.4所示，當a相發(fā)生斷相后，靠近發(fā)電機的變壓器產生的電壓波形不變，電流波形發(fā)生畸變。 如圖3.5.5、圖3.5.6所示，當a相發(fā)生斷相后，靠近發(fā)電機的變壓器產生的電壓波形a相幅值變小，b、c相不變；電流波形a相為零，其它相幅值變小。課程總結分析表明，中性點不接地系統(tǒng)單相斷相故障是故障

23、相對地電壓升高，兩健全相電壓降低，并隨斷開相對地電容的減小量占非故障時對地電容的不同比例，系統(tǒng)各相對地電壓，中性點不對稱電壓的大小及相位局限在一定范圍內變化，分析結果與故障現(xiàn)象時一致的。而最常見的單相接地故障，是故障相對地電壓降低，兩健全相對地電壓升高。根據(jù)這種不同特征，可判斷是單相接地故障還是斷相故障，減少故障的排除時間，盡快使系統(tǒng)恢復到正常運行狀態(tài)。 課程設計心得 本次故障分析課程設計讓我和我的隊員在實際操作技能上有了很大的進步，將理論與實踐很好的結合了起來。課程設計初期，我們遇到的問題就是計算問題，大家的計算結果在細微處有差異，在我們的討論中，最后得出了最佳計算方案。然后是對Matlab

24、的使用，由陌生到熟悉，我和我的隊友一起學習，共同探討，最終完成了此次課程設計。此次課程設計，不僅是對我們所學知識的一個匯總，同時也是我們培養(yǎng)自主學習能力和動手能力的一次機會。在課程設計的過程中，我學到了很多課本上沒有的相關知識，更學會了面對新事物時要有好奇心、求知欲、進取心，遇到困難時，要不氣餒，不放棄，不驕不躁，冷靜的找到解決問題的方法。這些也是我在今后的生活和學習中都要堅持的態(tài)度。 與此同時，我要感謝我的指導老師，在我們遇到問題時，她適時的給予我們幫助與指導，她學識的淵博、對工作的認真態(tài)度，讓我們敬佩，也是我今后走向工作崗位的榜樣。同樣我要感謝我的隊友，遇到問題時我們一起查閱資料，一起商議

25、解決問題，在調試過程中互相提供指導，這讓我體會到了團隊合作的重要性，更增進了同學之間的友誼。這次實訓，我們真的學到了很多，非常感謝這次機會。、 不積跬步無以至千里，不積小流無以成江河！以后會更加注重細節(jié)的處理。附錄參考程序disp('基準值：');SB=100 disp('基準值：');Ea1z=1.43i disp('正負零序線路各元器件給定阻抗標幺值:');X1=0.25; %正序X2=0.2;X3=0.15; X4=0.2;X5=1.2; X6=0.25; %負序X7=0.2;X8=0.15;X9=0.2;X10=0.35;X11=0.2;

26、 %零序X12=0.57;X13=0.2;disp('正負零序線路總阻抗標幺值:');X1z=X1+X2+X3+X4+X5;X2z=X6+X7+X8+X9+X10; X0z=X11+X12+X13; X1z X2zX0zdisp('各序分量:');Ia1=Ea1z/(X1z+X2z*X0z/(X2z+X0z)*j);Ia2=-Ia1*(X0z/(X2z+X0z);Ia0=-Ia1*(X2z/(X2z+X0z);Ia1 Ia2Ia0Ua1=(Ia1*(X2z*X0z/(X2z+X0z)*j;Ua2=(Ia1*(X2z*X0z/(X2z+X0z)*j;Ua0=(Ia

27、1*(X2z*X0z/(X2z+X0z)*j;Ua1Ua2Ua0disp('非故障相電流值:');a=-1/2+3(1/2)/2*j;Ia=0;Ib=a2*Ia1+a*Ia2+Ia0;Ic=a*Ia1+a2*Ia2+Ia0;IaIbIcdisp('正常情況下流過線路的負荷電流:');Ia1z=Ea1z/(X1z*j);Ipercentage=(real(Ib)2+imag(Ib)2)(1/2)-Ia1z)/Ia1z;Ia1zIpercentagedisp('各分量向量:');Ib1=Ia1*a;Ic1=Ia1*a2;Ib2=Ia2*a2;Ic2=

28、Ia2*a;figure(1);compass(Ia,Ib,Ic,Ia1,Ib1,Ic1,Ia2,Ib2,Ic2,Ia0);text(real(Ia),imag(Ia),'Ia','color','b');text(real(Ib),imag(Ib),'Ib','color','m');text(real(Ic),imag(Ic),'Ic','color','r');text(real(Ia1),imag(Ia),'Ia1','

29、color','b');text(real(Ib1),imag(Ib),'Ib1','color','m');text(real(Ic1),imag(Ic),'Ic1','color','r');text(real(Ia0),imag(Ia),'Ia0','color','b');text(real(Ia2),imag(Ia),'Ia2','color','y');text(real(Ib2),imag(Ib),'Ib2','color','m');text(real(Ic2),imag(Ic),'Ic2','color','g')Ua=Ua1*3;Ub=0;Uc=0;Ub1=Ua1*a;Uc1=Ua1*a