电力系统单相断线计算与仿真(4)

辽 宁 工 业 大 学

《电力系统分析》课程设计（论文）

题目： 电力系统单相断线计算与仿真（4）

院（系）： 工程技术学院 专业班级：电气工程及 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 起止时间： 15-06-15至15-06-26

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：工程技术学院 教研室：电气教研室 原始资料：系统如图 课程设计（论文）任务 G1 T1 2 L24 4 S2 1:k L23 L34 3 S1 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，电抗0.02，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0.01，电抗0.09，电压1.00； 负荷功率：S1=0.5+j0.15，S2=0.5=j0.1； 任务要求： 1 对系统进行潮流计算； 2 当L34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 I

摘 要

电力系统的设计和运行中，需要考虑到可能发生的故障和不正常的运行情况，防止其破坏对用户的供电和电气设备的正常工作。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。

本课设主要介绍有关电力系统故障的基本概念及故障计算中标幺值的特点，并通过断线计算对电力系统的运行状态有一个初步的认识，同时对电力系统进行不对称故障的分析计算，主要内容为单相断线的分析计算，最后，通过Matlab软件对单相断线故障进行仿真，观察仿真后的波形变化，将单相断线运行计算结果与各时刻线路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

II

目录

第1章绪论 .................................................................. 1

1.1电力系统概述 ......................................................... 1 1.2研究内容简介 ........................................................ 1 第2章潮流计算 .............................................................. 2

2.1潮流计算的意义 ....................................................... 2 2.2等值电路图 ........................................................... 2 2.3功率分布计算 ......................................................... 3 第3章对A相断线分析 ....................................................... 4

3.1对称分量法 ........................................................... 4

3.1.1正序网络 ....................................................... 4 3.1.2负序网络 ....................................................... 6 3.1.3零序网络 ....................................................... 7 3.2单相断线故障的计算 ................................................... 8 3．3各节点各相电压电流 ................................................ 10

3.3.1B相各点电压电流 ............................................... 10 3.3.2 A相各点电压电流 .............................................. 10 3.3.3 C相各点电压电流 ............................................. 11

第4章MATLAB仿真 ....................................................... 12

4.1MATLAB仿真电路图 ................................................. 12 4.2仿真结果分析比较 .................................................... 12 第5章课程设计总结 ......................................................... 15 参考文献 ................................................................... 16

III

第1章绪论

1.1电力系统概述

电能是现代社会中最重要、也是最方便的能源。电能具有许多优点，它可以方便地转化为别种形式的能；它的输送和分配易于实现；它的应用规模也很灵活。

电力系统要实现其功能，就需在各个环节和不同层次设置相应的信息与控制系统，以便对电能的生产和输运过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，确保用户获得安全、经济、优质的电能。建立结构合理的大型电力系统不仅便于电能生产与消费的集中管理、统一调度和分配，减少总装机容量，节省动力设施投资，且有利于地区能源资源的合理开发利用，更大限度地满足地区国民经济日益增长的用电需要。电力系统建设往往是国家及地区国民经济发展规划的重要组成部分。电力系统的出现，使高效、无污染、使用方便、易于调控的电能得到广泛应用，推动了社会生产各个领域的变化，开创了电力时代，发生了第二次技术革命。电力系统的规模和技术水准已成为一个国家经济发展水平的标志之一。

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。。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。

电力系统短路也称为横向故障。它指的是在网络的节点处出现了相与相或相与地之间不正常接通的情况。发生横向故障时，由故障节点与地之间组成故障端口。不对称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之间出现了不正常断开或三项阻抗不相等的情况。发生纵向故障时，由相邻两节点组成故障端口。 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研究内容简介

本文研究电力系统发生单相断线时各节点的电压和电流。首先对系统进行潮流计算，然后当L34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，计算各条支路各相的电压和电流， 在系统正常运行方式下，运用MATLAB对各种不同时刻A相断线进行仿真；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，得出结论。

1

第2章潮流计算

2.1潮流计算的意义

电力系统潮流计算是电力系统最基本的计算，也是最重要的计算。所谓潮流计算，

就是已知电网的接线方式与参数及运行条件，计算电力系统稳态运行各母线电压、各支路电流与功率及网损。对于正在运行的电力系统，通过潮流计算可以判断电网母线电压、支路电流和功率是否越限，如果有越限，就应采取措施，调整运行方式。对于正在规划的电力系统，通过潮流计算，可以为选择电网供电方案和电气设备提供依据。潮流计算还可以为继电保护和自动装置定整计算、电力系统故障计算和稳定计算等提供原始数据。

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。

2.2等值电路图

若要对系统进行潮流计算，需要画出系统的等值电路，根据各元件参数标幺值（各元件及电源的各序阻抗均相同）：

T1、T2：电阻0，电抗0.02，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0.01，电抗0.09，电压1.00； 负荷功率：S1=0.5+j0.15；S2=0.5+j0.1

对2节点进行打开画出等值电路图，如图2.1所示。

2

图2.1等值电路图

2.3功率分布计算

?Q23??112 B23VN???0.03?12??0.015 （2-1）

22112 B34VN???0.032?12??0.016 （2-2）

22112 B24VN???0.03?12??0.015 （2-3）

22?Q34???Q24??3节点的运算负荷

S3?S1?J?Q23?J?Q34?0.45?j0.2?j0.015?j0.016?0.45?j0.169（2-4）

4节点的运算负荷

S4?S2?J?Q23?J?Q24?0.5?j0.1?j0.015?j0.016?0.5?j0.69（2-5）

计算闭式网络的功率分布：

S23???0.5?j0.119???0.03?j0.08?0.025?j0.07???0.5?j0.69???0.03?j0.07?0.03?j0.08?0.025?j0.07?0.03?j0.07S3(Z23?Z34)?S4Z24Z23?Z34?Z24?0.508?j0.355（2-6）

S34???0.05?j0.69???0.03?j0.07?0.025?j0.07???0.5?j0.119???0.03?j0.08?0.03?j0.08?0.025?j0.07?0.03?j0.07S4(Z24?Z34)?S3Z23Z23?Z34?Z24?0.62?j0.29（2-7）

验算：

S23?S34?0.508?j0.355?0.62?j0.29?1.128?j0.645 （2-8）

S3?S4?0.5?j0.119?0.5?j0.69?1?j0.88 （2-9）

可见计算结果误差很小无需重算.

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第3章对A相断线分析

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。

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。单相断线如图3.1所示。

abcff'图3.1单相断线

3.1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。

3.1.1正序网络

正序网络除中性点接地阻抗、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络中，并且用相应的正序参数和等值电路表示。正序网络电路及等效电路如图3.2、3.3所示。

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图3.2正序网络电路

图3.3正序网络等效电路图

对正序电路图进行星脚变换如图3.4所示。

图3.4正序网络星角变换等效电路图

星角变换公式：

5

X1?X2?X3?X2X30.08??0.02?0.09???0.03X1?X2?X30.08??0.02?0.09??0.15X1X3?0.02?0.09??0.15?0.05 （3-1）

?

X1?X2?X30.08??0.02?0.09??0.15X1X20.08?0.15??0.04X1?X2?X30.08??0.02?0.09??0.15由戴维南定理，对系统的正序、负序和零序网络进行化简，可得系统的等值电抗为：

jXFF(1)??j0.07?j0.03?//?j0.1?j0.05??j0.04?j0.07?j0.17

（3-2）

Eeq?0.49v

（3-3）

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图3.5所示。

图3.5正序网络戴维南等效电路图

3.1.2负序网络

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，把正序网络中的各元件的参数都用负序参数代替，并令电源电势等于零，而在短路点引入代替故障条件的不对称电势源中的负序分量，便得负序网络。负序网络电路如图3.6所示。

图3.6负序网络电路

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对正序电路图进行星角变换如图3.7所示。

图3.7负序网络星角变换等效电路图

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：

jXFF(2) ??j0.07?j0.03?//?j0.1?j0.05??j0.04?j0.07?j0.17 （3-4）

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图3.8所示。

图3.8负序网络戴维南等效电路图

3.1.3零序网络

在短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（或架空地线、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。零序网络电路如图3.9所示。

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图3.9零序网络电路

对于零序电路：

jXFF(0)?jXL?jXT//jXL?jXL2412334 ?j0.16 （3-5）

从故障点看零序网络，也是一个无源网络。简化后的零序网络如图3.10所示。

图3.10零序网络戴维南等效电路图

3.2单相断线故障的计算

故障处的边界条件为：

IFa=0，?VFb??VFc?0 （3-6）

???这些条件相同的两相短路接地条件完全相似。若用对称分量表示则得：

IF(1)+IF(2)+IF(0)=0 （3-7）

???8

?VF(1)=?VF(2)=?VF(0) （3-8）???根据边界条件绘出复合序网如图3.11所示。

图3.11单相断开的复合序网

故障处各序电流为：

?I?F(1)?j?VFF(1)XFF(1)?XFF(2)//XFF(0)??0.49j?0.17?0.17//0.16???j1.96 I?XFFF(0)?16(2)??XIF0.(1)??FF(2)?XFF(0)0.17?0.16???j1.96??j0.95 I?XFFF(2)?0.17(0)??XIF(1)??0.17?0.16???j1.96??j1.01 FF(2)?XFF(0)非故障相电流为：

I??3XFF(2)??j3?XFF(2)?2XFF(0)Fb?2XI?F(1)FF(2)?XFF(0)????3?0.17?j3??0.17?2?0.16?2??0.17?0.16????j1.96? ??2.52?j1.51

9

（3-9）

3-10）

3-11）

3-12）

（ （ （

IFc????3XFF(2)?j3XFF(2)?2XFF(0)2XFF(2)?XFF(0)????I?F(1)?3?0.17?j3??0.17?2?0.16????j1.96? （3-13）

2??0.17?0.16???2.52?j1.51故障相断口电压为：

?VF?3?VF(1)?j??3XFF(2)XFF(0)XFF(2)?XFF(0)IF(1)?j?3?0.17?0.16（3-14） ???j1.96??0.25

0.17?0.163．3各节点各相电压电流

3.3.1B相各点电压电流

此时我们选取电路中的每一相的相电压基准VP?B为三相中的线电压基准VB VP?B?则相应的每相的容量基准SP?B作为SB SP?B?3VB （3-15） 31SB （3-16） 3在这过程中，标幺值没有改变，此时节点2、3、4的B相电压为：

V2b=0.07 V3b=0.08

V4b=0.11

3.3.2 A相各点电压电流

V1a=0.64-0.48j （3-17） 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的输送功率。

P12?Q12?S1?(R1?jX1)V1?S3?P?QB2(R2?jX2)VB10

2B （3-18）

将公式代入到3-7式子中，就可以得到 V2a?0.02

V3a=0.03 V4a=0.07

代入I?

S V

I2a=-0.06j I3a=-0.14j I4a=-0.2j

3.3.3 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：

V2C=0.16

V3C=0.14

V4C=0.07

C相电流：

I2C=-1.46-j0.3 I3C=-1.46-j0.47 I4C=-2.52-j0.48

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第4章MATLAB仿真

4.1MATLAB仿真电路图

系统仿真图如图4.1，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，并将故障电阻 设为100k（无穷大近似断线）。故障时间段可通过Transition times来安排故障起始时间和切除时间分别为0.13和0.25。其余模块的参数设置都要根据系统要求进行适当修改，在此不再作过多叙述。对上述模型进行仿真前，需要选择仿真步长的算法，由于电力系统是带发电机的刚性系统，因此算法ode15s，ode23tb适合采用，仿真停止时间设定为0.4秒。经过一系列选择，设置后，就可以对系统开始仿真。仿真电路如图4.1所示。

图4.1 Matlab仿真电路图

4.2仿真结果分析比较

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，并将故障电阻 设为100k（无穷大近似断线）。故障时间段可通过Transition times来安排故障起始时间和切除时间分别为0.13和0.25。其余模块的参数设置都要根据系统要求进行适当修改，在此不再作过多叙述。对上述模型进行仿真前，需要选择仿真步长的算法，由

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于电力系统是带发电机的刚性系统，因此算法ode15s，ode23tb适合采用，仿真停止时间设定为0.4秒。经过一系列选择，设置后，就可以对系统开始仿真了。

仿真结果如图4.2所示。

图3.2 故障点A相电压波形图

图3.3 故障点B相电压波形图

图4.2 故障点C相电压波形图

本文对小电流接地系统单相断线故障时负序电流的分布进行了研究,提出了基于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详细的仿真分析。 基于负序电流的能量测度断线保护具有如下特点:

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(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。

(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。

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第5章课程设计总结

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

电力系统故障计算是电力系统基本计算中的第二大计算。本文内容分为三章：第一章主要介绍电力系统故障的分类以及主要介绍本文要求的单相断线的基本情况。第二章主要对电路进行潮流计算。第三章用对称分量法画正序、负序、零序等效电路，计算出L34处A相断线的各节点的电压电流和各支路的电压电流。第四章通过Matlab仿真进行进一步的分析单相断线对电力系统的影响。

从电力工程实验角度讲，由于现代电力系统是一个超高压、大容量、跨区域的巨大联合动力系统，许多大型电力实验一则实际条件难以满足，二则系统的安全运行也不允许进行实验。将Matlab仿真引入，可以改变脱离实际工程的困难。用了Matlab的模块的图形可视化和交互功能。通过仿真电路，改变关键参数观察该参数对整个系统的影响过程，使我们对知识印像深刻。

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参考文献

[1] 何仰赞.温增银.电力系统分析.华中科技大学出版社，2001 [2] 李光奇.电力系统暂态分析.水利电力出版社，1995 [3] 陈行.电力系统稳态分析.水利电力出版社，1995 [4] 韩祯祥等.电力系统分析.浙江大学出版社，1993 [5] 华智明.电力系统稳态计算.重庆大学出版社，1991 [6] 陆敏政.电力系统习题集.水利电力出版社，1990

[7] 吴天明等.MATLAB电力系统设计与分析.国防工业出版，2007 [8]于永源 电力系统分析（第二版） 北京：中国电力出版社，2004.3 [9]何仰赞 电力系统分析（第三版） 北京：水利电力出版社，2004.6 [10]电力系统计算 北京：水利电力出版社，1993.12

[11]李厚仁 精通MATLAB综合辅导与指南 西安大学出版社，1998.1 [12]纪雯 电力系统设计手册 北京：中国电力出版社，1998.6

[13]杨淑英 电力系统概论 北京：中国电力出版社.2003.7

[14]曹绳敏 电力系统课程设计及毕业设计参考资料 北京：中国电力出版社，1998.3

[15]罗建军 MATLAB教程 电子工业出版社.2005

[16]陈春 电网故障系统中故障分析与判断 国网电力科学研究院.2011.9 [17]孙丽华 电力工程基础 机械工业出版社.2006

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jyfh.html