电力系统单相断线计算与仿真(3)

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（3）

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：电气工程及其自动化 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：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：电阻0，电抗0.15，电压1.02； 负荷功率：S1=0.4+j0.15，S2=0.45+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。

本论文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电力系统概况 ................................................. 1 1.2本设计研究内容 ............................................... 2 第2章 潮流计算 ...................................................... 3

2.1潮流计算的意义 ............................................... 3 2.2等值电路图 ................................................... 3 2.3潮流计算 ..................................................... 4 第3章 对A相断线分析 ................................................ 5 第4章 单相断线的仿真 .............................................. 10

4.1Matlab仿真电路图 ............................................ 10 4.2仿真结果及分析 .............................................. 11 第4章 总结 ........................................................ 13 参考文献 ............................................................ 14

III

第1章 绪论

1.1电力系统概况

电能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输电、变电和配电将电能供应到各电力系统由发电厂、送变电线路、供配电所和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的用户。为实现这一功能，电力系统在各个环节和不同层次还具有相应的信息与控制系统，对电能的生产过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，以保证用户获得安全、优质的电能。

由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置（主要包括锅炉、汽轮机、发电机及电厂辅助生产系统等）转化成电能，再经输、变电系统及配电系统将电能供应到各负荷中心，通过各种设备再转换成动力、热、光等不同形式的能量，为地区经济和人民生活服务。由于电源点与负荷中心多数处于不同地区，也无法大量储存，故其生产、输送、分配和消费都在同一时间内完成，并在同一地域内有机地组成一个整体，电能生产必须时刻保持与消费平衡。因此，电能的集中开发与分散使用，以及电能的连续供应与负荷的随机变化，就制约了电力系统的结构和运行。据此，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，使用高效、无污染、使用方便、易于控制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高低已成为一个国家经济发展水平的标志之一。

电力系统的发展是研究开发与生产实践相互推动、密切结合的过程，是电工理论、电工技术以及有关科学技术和材料、工艺、制造等共同进步的集中反映。电力系统的研究与开发，还在不同程度上直接或间接地对于信息、控制和系统理论以及计算技术起了推动作用。反过来，这些科学技术的进步又推动着电力系统现代化水平的日益提高。

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1.2本设计研究内容

配电网架空线路发生单相断线不接地故障因其危害性较小而长久以来一直没有受到人们的重视,对其故障特征也没有进行清晰的阐述。分析了配电网发生单相断线故障时负序电流的一般变化规律,为配电网断线故障选线提供了理论依据,并提出了基于能量测度的断线故障选线新方法。ATP-EMTP和Matlab仿真结果表明,提出的保护方案具有良好的可靠性和灵敏度。

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O(1)、O(2)。 本文通过对给定的系统进行潮流计算、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。

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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研究电力系统稳态运行情况的一种基本电气计算。它的任务是根据给定的运行条件和网路结构确定整个系统的运行状态，如各母线上的电压（幅值及相角）、网络中的功率分布以及功率损耗等。电力系统潮流计算的结果是电力系统稳定计算和故障分析的基础。

在电力系统运行方式和规划方案的研究中，都需要进行潮流计算以比较运行方式或规划供电方案的可行性、可靠性和经济性。同时，为了实时监控电力系统的运行状态，也需要进行大量而快速的潮流计算。因此，潮流计算是电力系统中应用最广泛、最基本和最重要的一种电气运算。在系统规划设计和安排系统的运行方式时，采用离线潮流计算；在电力系统运行状态的实时监控中，则采用在线潮流计算。

通过几十年的发展，潮流算法日趋成熟。近几年，对潮流算法的研究仍然是如何改善传统的潮流算法，即高斯-塞德尔法、牛顿法和快速解耦法。牛顿法，由于其在求解非线性潮流方程时采用的是逐次线性化的方法，为了进一步提高算法的收敛性和计算速度，人们考虑采用将泰勒级数的高阶项或非线性项也考虑进来，于是产生了二阶潮流算法。后来又提出了根据直角坐标形式的潮流方程是一个二次代数方程的特点，提出了采用直角坐标的保留非线性快速潮流算法。

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：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；

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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；S2=0.45+j0.1； 对2节点进行打开画出等值电路图。

图2.1

2.3潮流计算

(1)功率分布计算

112Q23B23VN0.03120.015

22112Q34B34VN0.032120.016

22112Q24B24VN0.03120.015

22(2)节点的运算负荷

S3S1jQ23jQ340.4j0.15j0.015j0.0160.4j0.119

(3)节点的运算负荷

S4S2jQ23jQ240.45j0.1j0.015j0.0160.45j0.069

(4)计算闭式网络的功率分布：

S23S3(Z23Z34)S4Z240.472j0.039

Z23Z34Z24S4(Z24Z34)S3Z230.377j0.0.248

Z23Z34Z24S34(5)验算：

S23S340.427j0.1300.517j0.0130.849j0.209 S3S40.45j0.1690.5j0.0690.85j0.22

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。

图3.1

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。

图3.2

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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

Z2Z23Z42Z23Z34ZZ34Z23Z23Z34ZZ42Z34Z23Z34Z星角变换计算公式为： Z3Z442 4242由戴维南定理，对系统的正序网络进行化简，经计算可得系统的等值电抗为：

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为如图形式，其中，等值电动势为

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。

图 3.4

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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。

图3.5

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。

图3.6

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下图。

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图3.7

故障处的边界条件为：

IFa=0，VFbVFc0

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 VF(1)=VF(2)=VF(0)

故障处的各序电流为：



IF(1)=



V(0)ff'j(XFF(1)XFF(2)//XFF(0))XFF(0)XFF(2)XFF(0)XFF(2)XFF(2)XFF(0)IF(1)



IF(2)=

IF(0)=非故障相电流：

IF(1)

2XFF(2)aXFF(0)IFb=aXFF(2)XFF(0)IF(1) IF(1) IFcXFF(2)a2XFF(0)=aXFF(2)XFF(0)故障相的断口电压：

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VF=3VF(1)=j3XFF(2)XFF(0)XFF(2)XFF(0)IF(1)

由正序图可知：

Xff(1)=（0.02+0.08j）∥(0.02+0.08j+2+0.07j)+(0.03+0.08j+0.02j+0.01+0.08j) Xff(1)=0.1141+0.9752j 由负序图可知：

Xff(2)=（0.01+0.08j）∥(0.02+0.08j+1.02+6.67j)+(0.03+0.09j+0.02j+0.01+0.09j) Xff(2)=0.1141+0.9752j 由零序图可知

Xff(0)=0.02j∥（0.02+0.08j）+（0.03+0.08j+0.02j） Xff(0)=0.0316+0.1106j 故障处各序电流为：

IF(1)=

V(0)ff'j(XFF(1)XFF(2)//XFF(0))

=2/(0.1241+0.9752j+0.1241+0.9852j∥0.0616+0.606j) =0.0259+0.1166j

IF(2)=XFF(0)XFF(2)XFF(0)IF(1)

 =-(0.0216+0.1206j)×（0.029+0.1126j）/（0.1541+0.952j+0.0356+0.1506j） =-（0.0561+0.1231j）

IF(0)=XFF(2)XFF(2)XFF(0)IF(1)

 =-（0.1141+0.9752j）×（0.0319+0.1196j）（/0.1141+0.9752j+0.0316+0.1106j） =-（0.1457+1.2150j） 非故障相电流为：

IFb=(-3XFF(2)-j3(XFF(2)+2XFF(0)))/2(XFF(2)+XFF(0))=4.8305+2.8650j

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第4章 单相断线的仿真

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。

Matlab 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。故障点各相。

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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。

在正常工作情况下，各节点电压电流波形如图4.2所示，顺序往下依次为各节点的电压和电流，分别为V1，V2，V3，I1，I2，I3，根据波形观察其正常运行时其个点的参数值很符合理想的实际情况。

在节点1处对线路3进行两项断线处理，再次运行，可以得到相应的波形图，如图4.3和图4.4所示。图4.3从上到下依次为节点1电压、断口处电压、节点3的电压，图4.4为断线处的电流，其仿真X轴坐标与图4.1相同，观察断线后的波形，可以观察出断线后对于节点的影响。

图4.2 仿真波形图

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图4.3 电压图

图4.4 电流图

由图4.3，图4.4可得知，断线处的电压和电流，波动比正常相的较大，由此可知，电力系统断线对系统将产生很大的危害，设计电力系统工程时，进行电力系统的计算是非常必要的，能保证系统安全稳定运行，减少经济损失，保证电力设备和人员安全。

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第4章 总结

短暂的课程设计结束了，课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。

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。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。

在此感谢我们的电气教研室各位老师，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次课程设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。

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参考文献

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[6] 王宝华.电力系统故障分析.中国电力出版社,2006 [7] 于永源,杨绮霁. 北京:电力系统分析（第二版），2007

[8] 于永源. 杨绮雯. 电力系统分析. 北京：中国电力出版社, 1996 [9] 张步涵. 电力系统工程基础. 北京：华中科技大学出版社, 2002 [10] 夏道止. 电力系统分析. 北京：中国电力出版社, 2004 [11] 刘万顺. 电力系统故障分析. 北京：中国电力出版社, 1995

[12]《电气工程师手册》第二版编辑委员会. 北京:机械工业出版社, 2000 [13]彭建飞. MATLAB在电力系统仿真研究中的应用[J]. 计算机仿真, 2005 [14] 夏道止.电力系统分析.中国电力出版社.2004年

[15] 西安交通大学主编.电力系统工程基础.电力工业出版社.1981年

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