电力系统分析课程设计

目录

目录 ................................................................ 1 引言 ................................................................ 2 1电力系统单相和二相短路接地计算 ......... 3 1.1简单不对称故障的分析计算 ............... 3 1.2 单相接地和二相短路接地 .................. 3 1.2.1.正序等效定则 ................................ 3 1.2.2 单相接地短路分析 ..................... 4 1.2.3 二相短路接地分析 ..................... 6 1.3 两相短路接地和单相短路算例 .......... 7 2 仿真模型的设计与实现 .......................... 11 2.1 实例分析 ........................................... 11 2.2仿真参数设置..................................... 11 2.3仿真结果分析..................................... 12 2．3.1故障点电流波形 ....................... 12 2.3.2故障点电压波形图 ...................... 13 3 心得与体会 .............................................. 15 4 参考文献 .................................................. 16

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引言

随着电力工业的发展，电力系统的规模越来越大，在这种情况下，许多大型的电力科研实验很难进行，尤其是电力系统中对设备和人员等危害最大的事故故障，尤其是短路故障，而在分析解决事故故障时要不断的实验，在现实设备中很难实现，一是实际的条件难以满足；二是从系统的安全角度来讲也是不允许进行实验的。考虑这两种情况，寻求一种最接近于电力系统实际运行状况的数字仿真工具十分重要，而MATLAB软件中的SIMULINK是用来对动态系统进行建模、仿真和分析的集成开发环境，是结合了框图界面和交互仿真能力的非线性动态系统仿真工具，为解决具体的工程问题提供了更为快速、准确和简洁的途径。电力系统中输送和分配电能的部分称为电力网，它包括升降压变压器和各种电压等级的输电线路，动力系统、电力系统和电力网简单示意如图1-1。

图1-1 动力系统、电力系统和电力网示意图

电力系统的运行经验表明，在各种类型的短路中，单相短路占大多数，两相短路较少，三相短路的机会最少。所以我们应对单相短路引起足够的重视，对单相短路的研究是有其重要意义的，所以本章重点就是研究单相短路故障在MATLAB中的运用和分析。

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1电力系统单相和二相短路接地计算

1.1简单不对称故障的分析计算

在电力系统的故障中，仅在一处发生不对称短路或断线的故障称为简单不对称故障。它通常分为两类,一类叫横向不对称故障，包括两相短路，单相接地短路以及两相接地短路三种类型。这种故障发生在系统中某一点的一些相之间或相与地之间，是处于网络三相支路的横向，故称为横向不对称故障，其特点是由电力系统网络中的某一点（节点）和公共参考点（地接点）之间构成故障端口。该端口一个是高电位点，另一个是零电位点。另一类故障时发生在网络沿三相支路的纵向，叫纵向不对称故障，它包括一相断相和两相断相两种基本类型，其特点是由电力系统网络中的两个高电位之间构成故障端口。

分析计算不对称故障的方法很多，如对称分量法、??0分量法以及在abc坐标系统中直接进行计算等。目前实际中用的最多的和最基本的方法仍是对称分量法，现在就重点介绍这种方法，其他方法只做简略的介绍。 应用对称分量法分析计算简单不对称故障时，对于各序分量的求解一般有两种方法：一种是直接联立求解三序的电动势方程和三个边界条件方程；另一种是借助于复合序网进行求解，即根据不同故障类型所确定的边界条件，将三个序网络进行适当的链接，组成一个复合序网，通过对复合序网的计算，求出电流、电压的各序对称分量。由于这种方法比较简单，又容易记忆，因此应用较广。 在所讨论的各种不对称故障的分析计算中，求出的各序电流、电压对称分量及各相电流、电压值，一般都是指起始时或稳态时的基频分量。 在工程计算中都假定发电机转子是对称的，也就是忽略了不对称短路时的高次谐波分量。这种假定对稳极发电机和d轴及q轴都装有阻尼绕组的凸极发电机是比较切合实际的。

1.2 单相接地和二相短路接地

1.2.1.正序等效定则

由前述分析可知，在求解各种不对称故障时，故障支路的正序电流分量

（n）?Ika1可用如下同式表示。

（n）?Ika1?

?Ea1?X1??X(n)? （1-1）

?式中 Ea1?------故前故障点基准相的运行相电压；

(n)(3) Z?------与短路故障类型有关的阻抗（三相短路时，Z??0；两相短路

3

(2)Z??Z2?时，；两相接地短路时，

Z(1.1)??Z2??Z0?Z2??Z0?；单相接地短路时，

Z(1)??Z2??Z0?）。

（n）?由式（1-1）可见，不对称短路故障时故障支路的正序分量电流 Ika1， 等

于故障点每相加上一个附加阻抗Z定则。

故障点故障相电流的绝对值Ik为

(n)(n)?后发生三相短路的电流。这就是正序等效

(n)与故障支路的正序分量电流Ik1成正比，可表示

Ik(n)?m(n)Ik1 （1-2）

(n)(n)式中 m为与短路类型有关的比例系数，其值见表1

表1 不同短路故障类型的m

故障类型 三相短路 两相短路 两相接地短路 单相接地短路

(n) m 1

(n)3

31?x2?x0?(x2??x0?)2 3

1.2.2 单相接地短路分析

假定a相接地短路，短路处以相量表示的边界条件方程为

??0??UI?Ikc?0 （1-3） kakb； 转换为对称分量关系 ??U??U??U??0或U???(U??U?)?Ukaka1ka2ka0ka1ka2ka0??1????Ika1?Ika2?Ika0?Ika?3? （1-4）

?Ika1??Ea1???Ika2??Ika0Z1??Z2??Z0? （1-5）

4

图1-2单相接地短路时的复合序网图

U?ka2???Ika2Z2????Ika1Z2??U????I??ka0ka0Z0????Ika1Z0??U?ka1??（U?ka2?U?ka0）???Ika1（Z2??Z0?）?E?al???I?ka1Z1???

短路处的各序功率为

S?k（s）?U?k（s）?Ik（s） （s=1,2,0） 根据对称分量的合成公式，可得各相电流、电压为 ?Ika??Ika1??Ika2??Ika0?3?Ika1?3?Ika2?3?Ika0???I2?kb?（a?a?1)?Ika1??Ikc?0?? U?ka?U?ka1?U?ka2?U?ka0?0?U?2kb?aU?ka1?aU?ka2?U?ka0??I22?ka1[(a?a)Z2??(a?1)Z0?]?U?kc?aU?ka1?a2U?2?ka2?U?ka0??Ika1[(a?a)Z2??(a?1)Z0?]?

图1-3 单相接地短路处的电压电流相量图

5

1-6）(1-7) 1-8）1-9） （

（

（

从以上的分析计算可知，单相接地短路有以下一些基本特点：

?（1）短路处故障中的各序电流大小相等，方向相同，故障相中的电Ika= ???IIka1ka23=3=3Ika0，而两个非故障相中的电流均为零。

（2）短路处正序电流的大小与在短路点原正序网络上增加一个附加阻抗

Z(1)??Z2??Z0?而发生三相短路时的电流相等。 （3）短路点故障相的电压等于零。

1.2.3 二相短路接地分析

图1-4两相短路接地

?I?(0)fa(1)?Vfj(Xff(1)?Xff(2)//Xff(0))

?IX(2)??ff(0)XI?fafa(1)ff(2)?Xff(0)

I??fa(0)??Xff(2)XIfa(1)ff(2)?Xff(0)

V???Xff(2)Xff(0)?fa(1)?Vfa(2)?Vfa(0)?jXIfa(1)ff(2)?Xff(0)短路点故障相得电流为

I??fb?a2I??fa(1)?aIfa(2)?Ifa(0)?(a2?Xff(2)?aXff(0)X)I?fa(1)ff(2)?Xff(0)

?I???2)?a2Xff(0)?fc?aIfa(1)?a2Ifa(2)?Ifa(0)?(a?Xff(X)Ifa(1)ff(2)?Xff(0) 根据上式可以得到两相短路接地时故障相电流的绝对值为

I(1,1)?IXff(2)?f?Ifbfc?31?Xff(0)(Xff(2)?X2Ifa(1)ff(0))

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1-10）

1-11）

（ （

Ifa(1)短路点非故障相电压为

jXff(1)Vfa(1)Vfa?3Vfa(1)?j??3Xff(2)Xff(0)Xff(2)?Xff(0)Vf(0)Ifa(1)

jXff(2)?Ifa(2)Vfa(2)

图1-5二相短路接地时的复合序网

Ifa(3)jXff(3)Vfa(3)1.3 两相短路接地和单相短路算例

例:电力系统接线如图所示，在f点发生接地短路，试绘各序网络，并计算电源的等值电势Eq和短路点的各序输入电抗Xff(1)、Xff(2)、Xff(0)以及两相接地短路电流的值。系统各元件的参数如下：

E?1.67,x(1)?0.9,x(2)?0.45;发电机 Sn?120MV?V,Vn?10.5KV,1

; 变压器T-1Sn?60MV?V,Vs%?10.5,Kt1?10.5/115 T-2Sn?60MV?V,Vs%?10.5,Kt2?115/6.3； 线路L每回路l?105km,x(1)?0.4?/km,x(0)?3x(1); 负荷LD-1Sn?60MV?A,x(1)?1.2,x(2)?0.35; LD-2Sn?40MV?A,x(1)?1.2,x(2)?0.35

G

（a）

Et?1.671/0.92/0.214/0.195/2.43/0.216/3.6Va(1)

(b)

7

1/0.52/0.214/0.195/0.7f23/0.21Va(2)f06/1.052/0.214/0.57O0

（c） （d） 图1-6电力系统接线图（a）及正（b）、负（c）、零（d）序网络 解 （一）参数标幺值的计算

O2 选取基准功率Sn?120MV?A基准电压Vb?Vav，计算出各元件的各序电抗的标幺值。计算结果标于各序网络图中。计算过程如下：

X(1)Sg120120?0.9??0.9??0.9X(2)?0.45??0.5??0.45Sn120S120n， Vs%SB120Vs%SB120??0.105??0.21XT2???0.105??0.21100STN60100STN60,

Va(0)SgXTI?

（二）制定各序网络

正序和负序网络，包含了图中所有元件[图（b）,(C)]。因零序电流仅在线路L上和变压器T-1中流通，所以零序网络只包含着两个元件[图(d)]。 （三）进行网络化简，求正序等值电势和各序输入电抗 正序和负序网络的化简过程示图1-6对于正序网络，先将支路1和5并联的路7。

E7?E1X5X1X51.67?2.40.9?2.4??1.22,X7???0.66X1?X50.9?2.4X1?X50.9?2.4

将支路7、2和4 相串联的支路9，其电抗和电势分别为

E9?E7?1.22,X9?X7?X2?X4?0.66?0.21?0.19?1.06 将支路3、6串联得9，其电抗为X8?X3?X6?0.21?3.6?3.81 将支路8和支路9并联得等值电势和输入电抗分别为

E7?E9X8X8X91.22?3.813.81?1.06??0.95,Xff(1)???0.83X9?X81.06?3.81X8?X93.81?1.06

X1X50.5?0.7??0.29X1?X50.5?0.7 X8?X3?X6?0.21?1.05?1.26

对于负序网络

X7?Xff(2)?X8X91.26?0.67??0.44X9?X7?X2?X4?0.29?0.21?0.19?0.69 X8?X91.26?0.67对于零序网络

Xff(0)?X3?X6?0.21?1.05?0.78

8

f270.66E7?1.22f120.2140.1983.81Va(2)70.2720.2140.1981.26Va(2)Va(0)O1f1O2f2E7?1.2291.0683.81Va(1)90.6781.26Va(2)O1f1O2f2Xff(1)0.83Xff(1)0.44Eeq?0.95Va(1)Va(2)O

（a） (b) 图1-7 正序(a)和负序(b)网络的化简过程

（四）两相接地短路电流

O12

再计算出此时的短路的附加电抗X?和的值，即能确定短路电流，则有

115kV侧的基准电流为

=1.52

(1)

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（五）单相短路电流

?I（n）1?ka1?E?aX1??X(n)?

X(1)??X2??X0??0.44?0.78?1.22I120B?3?115KA?0.6KAm(1)?3I(1)0.95f?3?0.6?0.83?0.6?2.4453KA

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2 仿真模型的设计与实现

2.1 实例分析

图2-1恒定电压源电路模型

恒定电压源电路模型如图2-1所示。使用理想三相电压源作为电路的供电电源；使用分布参数输电线路作为输电线路，输电线line1的长度为100km，输电线路line2的长度为100km；使用三相电路短路故障发生器进行不同类型的短路。电压源为Y接类型，输电线路line2端为中性点接地。拟定仿真的电力系统如图所示,使用理想三相电压源作为电路的电源,电压源为Y型连接,中性点不接地;使用分布参数输电线作为输电线路,两条输电线路的参数设置相同,Line1 末端为中性点接地; 使用三相短路故障发生器使电路发生A相接地短路。

2.2仿真参数设置

当电路图设计完成后，对其进行仿真，达到观察短路接地电路中暂态变化情况。

在设置的三相电路短路故障发生器，将接地短路时间设置为[0.01 0.04]之间。根据接地短路发生时间设置仿真参数。

在电路图的菜单选项中，选择仿真菜单，激活仿真参数命令，弹出参数对话框。 根据对暂态过程时间估算，对仿真参数进行如下设置： 三相电源：电压初始相位为0，频率为默认50Hz不变，Y型接法 输电线路：线路长度100Km，其余参数保持为默认值不变。

三相短路故障发生器：A相接地短路，0.01s发生短路，0.04s排除故障 仿真参数的设置：起始时间为0s，终止时间为0.1s，变步长。

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2.3仿真结果分析

将三相电路短路故障发生器中的 故障相选择为A相故障,并选择故障相接地选项。

设置完电路图和仿真参数后，下面进行电路仿真。激活仿真按钮，查看仿真波形图。

2．3.1故障点电流波形

图2-2 单相故障点A相电流波形图 图2-3单相故障点B相电流波形图

图2-4 单相故障点C相电流波形图 图2-5单相故障点ABC相电故障点电流。

分析：万用元件M中选择故障点A相电流，作为测量电气量。激活仿真按钮，则故障点A相电流波形图如图2-2所示。在稳态时，故障点A相电流由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，因而电流为0A。在0.01s时,三相电

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路短路故障发生器闭合,此时电路发生A相接地短路,故障点A相电流发生变化,由于闭合时由初始输入量和初始状态量，因而故障点A相电流波形上移。在0.04s时,三相电路短路故障发生器打开,相当于排除故障,此时故障点A相电流迅速下降为0A。

选择故障点B相和C相电流，作为测量电气量。激活仿真按钮，则故障点B和C相电流波形如图2-4和图2-5所示。由图形可以得出以下结论：在A相发生单相短路时,故障点B相和C相电流没有变化,始终为0。

2.3.2故障点电压波形图

图2-6 单相故障点A相电压波形图 图2-6 单相故障点B相电压波形图

图2-7单相故障点C相电压波形图

分析：

（1）在万用元件M中选择故障点A相电压,作为测量电气量。激活仿真按钮,则

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故障点A相电压波形图如图2-6所示。由图形可以得出以下结论：在稳态时，故障点A相电压由于三相电路短路故障发生器处于断开状态，因而电压为正弦波形。在0.01s时,三相电路短路故障发生器闭合,此时电路发生A相接地短路,故障点A相电压发生变化,突变为0。在0.04s时,三相电路短路故障发生器打开,相当于排除故障,此时故障点A相电压波动恢复正弦波形。

(2)在万用元件M中选择故障点B和C相电压，作为测量电气量。激活仿真按钮，则故障点B相和C相电压波形如图2-6和2-7所示。由图形可以得出以下结论：由图形可以得出以下结论:在A相短路，其B、C两相的电压波形应为一对称波形使得B、C两相的电压波形叠加在一起时成一角度。

图2-8 单相接地电源端电压、电流波形图

（3）电源端电压、电流波形图。在电源端输出的电压信号，分别选择A、B、C三相电压、电流作为测量电气量。激活仿真按钮，则电压、电流波形图如图2-8所示。由图形可以得出以下结论：在三相短路过程中，电源端的三相电压、电流只有一些波动，但是没有发生显著的变化。

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3 心得与体会

本文介绍了 Matlab 及 Simulink/在电力系统中的简单应用。通过几个实例可以看出Matlab软件在工程计算和系统仿真上的优越性 ,它为电力工程人员提供了一个方便快捷的分析计算工具。在复杂电力系统和暂态领域中有很大的实用价值。

通过此次课程设计，也锻炼了我们主动去发现问题、分析问题和解决问题的能力，使我收获颇多。

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4 参考文献

主要参考资料：

[1] 何仰赞 温增银.电力系统分析[M] 武汉：华中科技大学出版社 2002

[2] 熊信银 张步涵.电力系统工程基础[M] 武汉：华中科技大学出版社 2003

[3]李广凯，李庚银. 电力系统仿真软件综述[J]. 电气电子教学学报，2005（6）：61-65.

[4]彭建飞，任岷，王树锦. MATLAB在电力系统仿真研究中的应用[J]. 计算机仿真，2005（6）：193-196.

[5]李广凯，李庚银. 电力系统仿真软件综述[J]. 电气电子教学学报，2005（6）：61-65.

[6]樊艳芳，蔺红. MATLAB_SIMULINK在电力系统仿真中的应用[J]. 新疆大学学报，2004（5）：205-207.

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4 参考文献

主要参考资料：

[1] 何仰赞 温增银.电力系统分析[M] 武汉：华中科技大学出版社 2002

[2] 熊信银 张步涵.电力系统工程基础[M] 武汉：华中科技大学出版社 2003

[3]李广凯，李庚银. 电力系统仿真软件综述[J]. 电气电子教学学报，2005（6）：61-65.

[4]彭建飞，任岷，王树锦. MATLAB在电力系统仿真研究中的应用[J]. 计算机仿真，2005（6）：193-196.

[5]李广凯，李庚银. 电力系统仿真软件综述[J]. 电气电子教学学报，2005（6）：61-65.

[6]樊艳芳，蔺红. MATLAB_SIMULINK在电力系统仿真中的应用[J]. 新疆大学学报，2004（5）：205-207.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/l7f3.html