电力系统及其自动化专业毕业设计

电力系统及其自动化专业 设 计 人 ： 学 号 ： 指导老师 ： 2 目录 一、 任务书 34 二、 网络参数的计算 59 三、 电力系统潮流的计算 1017 附： 解法潮流计算源程序及结果 0 四、 短路电流的计算 3146 附： 1、对称短路程序 .7 2、不对称短路程序 4346 五、 线路保护的整定 .4 六、 附录： a：对称短路计算的系统接线图 .b：零序网络图 66 c：潮流分布图 67 d：线路保护配置图 68 3 某 220网潮流计算及输电线路继电保护配置 4 (一 ) ：已知（ 1）系统最大运行方式为四台发电机满发和系统投入运行 ;系统最小运行方式为停两台发电机 (3),各负荷减半 . (2)系统各负荷及线路参数如图所示 ,各变压器及发电机型号分别为 : 4:54000 =3:20 4%YN,4:00 3%YN,520 1 5/% 0 YN,12=23= 1103 R ， (3) 线路参数如图中所示 . (二 ) ：设计任务 (1) 计算各元件阻抗标么值 (00j=并画出正序 ,负序 ,零序等效网络图 ; (2) 对系统进行潮流计算 ;(用 C 语言 ) (3) 对 5、 6、 7、 8 点进行各种 类型的短路电流计算 ;(4) 为线路 6择保护方式 ; (5) 对所选保护进行整定计算 ; (6) 对保护进行选型 ; (7) 画出保护原理图 ; (8) 书写设计说明书及准备答辩 . (三 ) ：设计成果 （ 1） 系统潮流分布图一张及短路电流表一份； （ 2） 线路保护配置图一张； （ 3） 保护原理图一张； （ 4） 设计说明书一份。 5 网 络 参 数 计 算 一、双绕组变压器的参数计算 变压器的参数一般是指其等值电路中的电阻 抗 导 T ，变压器的变比 K。根据铭牌上所给的短路损耗 路电压 空载损耗 载电流 前两个数据由短路试验得到，用以确定T；后两个数据由空载试验得到，用以确定 T。 1. 电阻 压器作短路试验时 ,将一侧绕组短接 ,在另一侧绕组施加电压 ,使短路绕组的电流达到额定值 相应的铁耗也小 ,可以认为短路损耗即等于变压器通过额定电流时原、副方绕组电阻的总损耗 常用 变压器三相额定容量和额定线电压进行参数计算 ,则公式为 :=WV103/. 电抗 当变压器通过额定电流时 ,在电抗上产生的电压降的 大小 ,可以用额定电压的百分数表示 ,对于大容量变压器 ,其绕组电阻比电抗小得多 ,则公式 : = V 103/100/. 电导 压器的电导是用来表示铁芯损耗的 绕组中的铜耗也很小 ,所以近似认为变压器的铁耗就等于空载损耗 ,则公式为 : =W 10V 4. 电纳 变压器的电纳代表变压器的励磁功率 与励磁功率对应的是无功分量 无功分量和空载电流在数值上几乎相等 . = 1000/V 5. 变压比 在三相电力系统计算中 ,变压器的变压比通常是指两侧绕组空载线电压的比值 变压比与原副方绕组匝数比相等 ;对于星三角形接法的变压器 ,变压比为原副方绕组匝数比的 3 倍 变压器不一定工作在主抽头上 ,因此 ,变压器运行中的实际变比 ,应是工作时两侧绕组实际抽头的空载线电压之比 . 二、 三绕组变压器的参数计算 三绕组变压器等值电路中的参数计算原则与双绕组变压器的相同 ,下面分别确定各参数的计算公式 . 1. 电阻 2,了确定三个绕组的等值阻抗 ,要有三个方程 ,为此 ,需要有三种短路试验的数据 按双绕组变压器来作 则有 ( 6 ( ( 求 出 各 绕 组 的 短 路 损 耗 后 , 便 可 导 出 双 绕 组 变 压 器 计 算 电 阻 相 同 形 式 的 算 式 ,即 :=WV103/2. 电抗 2,双绕组变压器一样 ,近似地认为电抗上的电压降就等于短路电压 后 ,与电阻的计算公式相似 ,各绕组的短路电压为 1/2(+) 1/2(+) 1/2(+) 各绕组的等值电抗为 :=V103/100/. 导纳 算与双绕组变压器相同 . 三 . 线路参数的计算 . 输电线路的参数有四个 :反映线路通过电流时产生有功功率损失效应的电阻 ;反映载流导线周围产生磁场效应的电感 ;反映线路带电时绝缘介质中产生泄漏电流及导线附近空气游离而产生有功功率损失的电导 ;反映带电导线周围电场效应的电容 每单位长度的参数为 r、 x、 g 及 l( , R=于沿绝缘子的泄漏很小 ,可设 G=0. 四 . 标么值的折算 . 建立电力网络和电力系统的数学模型 ,需解决标么值的折算问题 . 进行电力系统计算时 ,除采用有单位的阻抗、导纳、电压、电流、功率等进行运算外 ,还可采用没有单位的阻抗、导纳、电压、电流、功率等的相对值进行运算 后者称标么制 是由于标么制具有计算结果清晰、便于迅速判断计算结果的正确性、可大量简化计算 等优点。 标么值 =实际有名值（任意单位） /基准值（与有名值同单位） 对于直接电气联系的网络 ,在制订标么值的等值电路时 ,各元件的参数必须按统一的基准值进行归算 因此 ,必须把不同基准值的标么阻抗换算成统一基准值的标么值 和 S,则电抗的实际有名值换算成标么值 ,即 在工程计算中规定 ,各个电压等级都以其平均额定电压 V 作为基准电压 各级平均额定电压规定为 37, 115, 230, 345, 525 7 根据原始数据及资料显示 ,通过公式计算可得 :(选择基准值 :00B=1、双绕组变压器 :2,号 20 ） （参数 4050S%=14%,N103/50 2202 103/1500002=T*= B/100/2302=T=03/100/42202103/100/150000=T*= B/00/2302=T=N1000/500001000/2302=0T*= B=0302/100=4 (型号 10 ) （ 参数 0747S%=13%,N 471102103/1500002=T*=00/1152=T=131102103/100/150000=T*=00/1152=T=500001000/1102=0T*=0152/100=、三绕组变压器 :8 (型号 20 220 15/% YN, %U %U%P) %（T=WV103/25 2302 103/1200002=* 0 0 0 0220100 2X 0 0 0 0220100 2X * X = *0X *02* 0 6 0 1 0 00 9 1115/230 121/242 K 3、联络变压器 30 110/231 10100 003 2*2* 线路 7:(5,双回路 ,3,7 为单回路 ) 型号为 2 400/75 参数为 :r=km,x=km,b=101=1/2Lr=75=3 75/2= 05=01*=R100/2302=B/00/2302= B=0302/100=2=2: 型号为 400/50 参数为 :r=km,x=km,b=102=Lr=50 x=0= b=00=02*=R100/1152= B/00/1152=2*= B=0152/100= 2=3: 型号为 185/70 参数为 :r=km,x=km,b=103=Lr=70 x=0= b=00=03*=RS B/00/1152= B/00/1152=3*= B=0152/100= 2=4: 型号为 150/74 参数为 :r=km,x=km,b=104=Lr=74 x=4= b=04=04*=R00/1152= B/00/1152=4*= B=0152/100= 2=5: 型号为 2 120/70 参数为 :r=km,x=km,b=105=1/2Lr=70= 70/2= 00=05*= B/00/1152= B/00/1152= B=0152/100= 2=6: 型号为 2 400/73 参数为 :r=km,x=km,b=106=1/2Lr=73= 73/2= 03=06*= B/00/2302= B/00/2302= B=0302/100= 2=7: 型号为 400/135 参数 为 :r=km,x=km,b=109 r=135 x=35= b=035=07*= B/00/2302= B/00/2302=7*= B=0302/100= 2=、 发电机 （型号： 0 00 X 6、 点 么值： 4： 80+ B=1.8+： 2+ B=： 20+ B=1.2+： 6+ B=0： 0+ B=0.4+、零序电抗标么值 : 45 58 4 (06)6(05)5(04)4(03)3(02)2(01)1(0 10 P Q 分解法潮流计算 主要步骤 1 导纳矩阵的形成 2 因子表的形成（三角分解法） 3 给定电压初值 4 计算不平衡功率 Pi(k)除以 Vi(k) 5 计算不平 衡功率 Qi(k)除以 Vi(k) 6 判断收敛性 7 回代，修正 i(k) ， Vi(k) 8 计算全线路功率 电力系统的潮流计算机算法 潮流计算的任务：对给定的运行条件确定运行状态，如果各母线上的电压（幅值及相角）网络中的功率分布以及功率损耗等，几个节点电力系统的潮流方程的一般形式 根据电力系统的实际运行条件，按给定变量的不同，一般节点可分三种： 1 点：有功功率 P 和无功功率 Q 给定的，节点电压（ V，）是待求量。 2 点：有功功 率 P 和电压幅值 V 给定的，节点的无功功率 Q 电压的相位角是待求量。 3 平衡节点：网络中至少有一个节点的有功功率 P 不能给定，此节点承担系统的有功功率平衡。 网络方程是线性方程，但由于在定解条件中不能给定节点电流，只能给出节点功率，从而使潮流方程变为非线性方程，由于平衡节点的电压已经给定，假设系统中有 n 个节点，其中有 m 个 n-(m+1)个 点和一个平衡节点，平衡节点不参加求解。 一、 形成导纳矩阵的方法及框图 11 1 形成导纳矩阵的程序框图 为了形成导纳矩阵，必须个计算机输入必要的原始数据，一条支路的 原始数据应包括两端的节点号和支路阻抗，对变压器支路的原始数据应包括他的变比，对于电力线路还应包括它的容纳，即： I ， J ， R ， X ， K（ ）。 对以上数据说明如下： （ 1） 当支路为接地支路时，规定节点 I 处置零， J 处填写接地支路所在的节点号，支路参数用阻抗填写，对于 K 处置零，但必须填写。 （ 2） 对于纯阻抗支路， K 处置零。 （ 3） 对于具有容纳的线路，电容电纳不作单独支路处理，而且把总容纳的一半负值填写在 K 处，其符号用以区别支路的性质。 （ 4） 对于变压器支路，采用下图所示等值电路，即非标准变比在 J 侧，变压器阻抗在 I 侧， K 处填写实际变化 2 框图 12 开 始 导 纳 矩 阵 清 零 1 , L 取支路 K 数据 I 、 J 、 R 、X 、 K （ - B / 2 ） 是接地支 路吗？ 是变压器支路吗？ 线路容纳追加到两节点自导纳中 P = 1 ， Q = 1 支路导纳追加到 I 节点的自导纳中 I 、 J 之间互导纳中 将支路导纳追加到 J 节点的自导纳中 C O N T I N U E 输 出 结 果 结 束 P = 1 P = 、 Q = k 注： 不记充电电容和非标准变比时，导纳矩阵的虚部 导纳矩阵的虚部 二、形成因子表的方法及框图 13 1用行消去过程形成因子表的程序框图 开 始 输入矩阵阶数 N ，定义数组 A （ N . N ) 读入矩阵元素 2 , N 1 , I - 1 A ( I , k ) = A ( I , k ) / A ( k , k ) k + 1 , N A ( I , J ) = A ( I , J ) + A ( I , k ) * A ( k , J ) C O N T I N U E C O N T I N U E C O N T I N U E 输 出 结 果 结束 2. 因子表的形成（三角分解法） 消去法求非线性方程组的一种常用算法是对方程式的系数矩阵 A 进行三角分解，在本次电力系统潮流计算中采用的三角分解是将非奇方阵 A 分解为单位下三角矩阵 L 和上三角矩阵 R 的乘积。 A=奇方阵 A 被表示为矩阵 L 和 R 的乘积：这两个三角矩阵称为 A 的因子矩阵，两个因子矩阵的元素计算公式： 11 1 , 2 , 1, 3 , 2 11 1 , , 2 , 1 将 A=入线性方程组，便得 ，这个方程又可以分解为以下两个方程： 14 展开为 1 1 1 1 1 321 n 3 2 1 = 321 r r r r r r r21= 2 1 先由方程组自上而下地依次算出 计算通式为 )n , 2 , 1 ( 11 顺用到下三角因子矩阵。方程组的求解属于回代过程，只顺用到上三角因子矩阵以 及经过消元变换的右端常数向量，方程组可以自下而上地逐步算出待求量，其计算通式为： 三、节点电压的表示： 1. 极坐标表示法： )( s in 节点功率方程表示为： s o s( c （两节点电压的相位角） 方程式把节点功率表示为节点电压的幅值和相角的函数 ) 1 , 1n ( )()1(1)1()1( 5 在有 n 个节点的系统中，假定第 1 m 号节点为 点，第 m+1节点为平衡节点。 点的电压幅值 是给定的。因此，只剩下 节点的电压相角 1 m 个节点的电压幅值 对 于 每 一 个 点 或 每 一 个 点 都 可 以 列 写 一 个 有 功 功 率 不 平 衡 方 程 ：) 1, 2 , 1i ( 0)s i nc 对于每一个 点可以列写一个无功功率不平衡方程式： ) m , 2 , 1i ( 0)c i n(1 所以可以写出修正方程式 V V 1 其中 121 21 121n 3212 16 四、 解法 1在交流高压电网中，输电线路的电抗要比电阻大得多，系统中母线有功功率的变化主要受电压相位的影响，无功功率的变化规则主要受母线电压幅值变化的影响，在修正方程式的系数矩阵中，偏导数和 是相当小的，作为简化第一步，可将方程中 N、 k 略去不计，既认为它们的元素都等于零，这样，便可分解为 和 m 阶的两个方程： 1 所谓 解法，节点有功功率不平衡量又用于修正电压的相位。节点的无功功率不平衡量值用于修正电压幅值，方程、分别轮流迭代。 2. H、 L 元素都是节点电压幅值和相角差函数，其数值在迭代过程中是不断变化的，从而，最关键的一步是把系数矩阵 H、 L 简化为常数矩阵。 方法：在一般情况下，在线路两端电压的相角差是不大的（不超过 200 ）， 因此，以为B s , 1c o s ，此外，与系统各节点无功功率相适应的导纳 2或 矩阵 H、 L 可简化为11 22 将分别带入 得： 11 11 1 2 12 即： 112211 1,12,11,11,222211,1131211 112211 2211 21利 用计算节点功率的不平衡量 ,用修正方程解出修正量及 V,并换下述条件 : m a x m a 这就完成分解法的计算了 . 17 3. 解法计算潮流的程序框图 开 始 输入原始数据 形成矩阵 B 及 B 形成 B ， B 因子表 设 P Q 节点电压初值，各节点电压相角初值 置迭代次数 K = 0 计算 N - 1 ) 个 ( m ) 个 迭代收敛了吗？ 利用 B 因子表对右端项变换 回代求解 修正电压角 利用 B 对右端项变换 回代求解 修正电压模 k = k + 1 计算支路功率 计算支路功率损耗 输出结果 结束 18 解法源程序 #) a=1,k,i,j,d=1,m,n,ls,nl,z1005,003,p,q,r,x,kb,b,g; 00100,00100,00100,00100,v100,w100; 00,00,e100,f100,002,002,00,00,00; t,t1,tp,tq,p1,p2,q1,q2,n); 电力系统潮流计算 n); n); 指导老师： 设计： 2002 年 12 月 n); n); n); 注：各参数用标么值表示 n); n); n); 请选择 :12345);%d,&a); a=1) a=2) a=3) a=4) ); 请输入系统的节点数 N:);%d,&n); 请输入系统的支路数 );%d,& 请输入系统的 点数 M:);%d,&m); k=1; ybii=ybiiybjj=ybjj p=1;q=1;p=1;p2:p=kb*kb;q=p3:ygii=ygii+g;ybii=ybii+b; ygij=ygij-g/q;ybij=ybij-b/q; ygji=ygij;ybji=ybij; p4:ygjj=ygjj+g/p;ybjj=ybjj+b/p; /*形成 i=1; i=1; *利用 子表对右端项变换 */ a4:i=1; ggk1=vi*vi*(ij); ttk1=vi*vi*(ij); ggk2=1vj*vj*(ij)/ttk2=vj*vj*(ij)/ ggk1=p1;ggk2=*有功 */ ttk1=q1+kb*vi*vi;/*无功 */ ttk2=q2+kb*vj*vj; /*计算支路功率损耗 */ k=1;52 （三）第段的整定计算 动作阻抗通常按躲过最小负荷阻抗 对全阻抗继电器 对方向阻抗继电器 )c o s (m i 上两式中 最小负荷阻抗，m a xm i 可靠系数，取 继电器的返回参数，取 负荷自起动参数；取 .5 电网额定相电压； 分别为阻抗元件的最灵敏角和负荷阻抗角。 第段保护的灵敏系数： 作近后备时 作远后备时 a x K 式中 相邻线路末端短路 时，实际可能的最大分支系数。 保护的动作时限 （四）、继电器阻抗值：（五）、起动元件的整定：负序电流与零序电流元件作为装置的起动元件，与相电流元件辅助起动元件配合，起动发信并构成振荡闭锁回路。 53 负序与零序电流元件按以下原则整定： 1）、本线路末端两相短路负序电流元件灵敏度大于 4 2）、本线路末端单相或两相接地短路，负序或零序电流元件灵敏度均大于 4 3）、距离保护第段保护范围末端两相短路，负序电流元件灵敏度大于 2 4）、距离保护第段保护范围末端单相或两相接地短路，负序或零序电流元 件灵敏度均大于 2 相电流元件的整定为： 最大负荷电流 可靠系数，取 .3 返回系数，取 54 55 四、零序电流保护的整定 计算 在中性点直接接地的线路中，接地故障占总故障次数的 90%以上。因此，接地短路的保护是高压电网中的重要保护之一。 接地短路的保护可以采用带零序电流补偿的接地距离保护或高频保护，也可以采用零序电流保护。 一、 零序电流保护瞬时段（段）的整定计算 （ 1） 躲开线路末端接地短路时最大零序电流 中 可靠系数，取 1.3 接地短路的最大零序电流。 单相接地短路时的零序电流为 01)1,1(0 2 33 01)1,1(0 233 灵敏度校验： %20%10 0m i n 零序电流保护（段）的整定计算 按躲开本线路末端母线上变压器的另一侧母线接地短路时流过的最大零序电流整定： m a 线路末端变压器另一侧母线发生接地短路时 流过保护的最大零序电流 灵敏度校验： 三、 零序电流保护（段）的整定计算 （ 1）躲开下一线路始端三相短路时的 式中 25.1 m a xm a x 非周期分量系数，采用重合闸加速后取 1. 52，否则取 1 56 电流互感器的同型系数，同型时取 同时取 1 电流互感器的 10%误差，取 相邻线路始端三相的最大短路电流 灵敏度校验：作近后备时： I 本线路末端接地短路时最小零序电流 作远后备时： a i I 相邻线路末端接地短路时最小零序电流 最大分支系数 四、 零序方向元件灵敏度的校验 零序方向元件（继电器）在零序电流保护中是个判断功能元件，要求它比零序电流各段保护有较高的灵敏度。阶段式零序电流保护一般共用一个方向元件。根据零序电流、电压的分布规律，当接地短路点远离保护安装处时，其灵敏度将逐渐降低。因此，零序方向元件的灵敏度应按零序电流保护中最后一段保护的保护范围末端进行校验，要求灵敏系数不 小于 本线路的灵敏系数要求不小于 2。 方向元件的灵敏系数计算为 0 0000 33式中 零序方向元件端子上的短路零序功率； 0U、0I 分别为在灵敏度校验点放生的接地短路，保护安装处的零序电压和流过保护的零序电流； 分别为电流互感器的变流比和电压互感器的零序电压变比。通常电压互感器的变比有两种，即3100/3,100/3 00 及； 零序方向元件的动作功率，一般可以从继电器技术说明书中可查得，感应型零序方向继电器动作功率约为 20管型和整流型的零序方向继电器动作功率约为（ 23） 57 58 相间相间相间L H J 3 L J（交流电流回路）信号7 X J+ X 号回路）+ K M - K 1 J（直流回路） 59 6 线故障，流过 7 侧保护的电流（ 7 母线故障，流过 6 侧保护的电流（ 13(d )2(d )1.1(d 1(d 小运行方式 )3(d )2(d )1.1