（电气工程专业论文）单机孤立系统故障分析和继电保护配置的研究.pdf

西安理工大学工程硕士学位论文 t i t l e ：r e s e a r c ho ff a u l _ ta n a l y s i sa n dr a l a yp r o t e c t i o n a l l o c a t i o no fs 丁a n d a l o n es y s t e m m a j o r ：e l e c t r i ce n g i n e e r i n g n a m e ：h o uw e i s u p e r v i s o r ：y u j i a n m i n g w u z h e n g f a n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： s i gn a t u r e ： a c c o r d i n gt of e a t u r e sa n df u n c t i o nr e q u i r e m e n to fg e n e r a t i n gu n i ta n dp o w e rn e t w o r k a b o u tr e s e r v e - p o w e rs 0 1 1 r c ei nf l o o dp r e v e n t i o no fw u j i a n ge l e c t r i cp o w e r # a n t a s s o c i a t i n g t h er e q u i r e m e n t so ft y p es e l e c t i n ga n dl a y o u to fl o w c a p a c i t yg e n e r a t i n gu n i ta n de l e c t r i c a l e x l u i p m e mo fm i d d l ea n dl o w - p r e s s u r ep o w e rn e t w o r k , t h ea u t h o rd e s i g n e da n dd e t e r m i n e t e d ap r o g r a mo fe l e c t r i cw i t i n gt o p o l o g y , e q u i p m e n ts e l e c t i n ga n dr e l a yp r o t e c t i o na l l o c a t i o n m o d e l e da n de m u l a t e dt h e s y s t e mu s i n g t h ep o w e r s y s t e ma n a l y s i s s o f t w a r eo f p a c k a g e a c c o r d i n gt h er e q u i r e m e n to fr c l a yp r o t e c t i o ns e t t i n gc a l c u l a t i o na n dp r o t e c t i o n a l l o c a t i o no ft h ew h d es y s t e m , t h ea n t h o rc o m p l e t e dt h e a n a l y s i s i n g o fs h o r t - c i r c u i t c u r r e n t ，c a l c u l a t i o n o fr e l a t e d p a r a m e t e r s ，a n df i x e dv a l u es e t t i n go fa l lp r o t e c t i n g e q u i p m e n t , t h er e s u l to fs h o r t - c i r c u i tc l l r r o nc a l c u l a t i o nw a ss a v e di nd a t ab a s ea n dt h ef i x e d v a l u es e t t i n gw a sg e n e r a t e dt ov a l u el i s tf o rs y s t e mo p e r a t i o n 。t h er e s u l to fa c t u a lo p e r a t i o n a n dt e s ti n d i c a t e st h a tt h ee l e c t r i cw i t t i n gt o p o l o g yo fr e s e r v e - p o w e rs o u i e bi nf l o o d p r e v e n t i o no fw u j i a n ge l e c t r i cp o w e r1 , 1 a n ti sa d a p t i v e ，t h er e l a yp r o t e c t i o na l l o c a t i o na n d s e t t i n g c a l e u l a t i o ni sa b kt om e e ts y s t e md e m a n d k e yw o r d s ：s t a n d - a l o n es y s t e m ；f a u l ta n a l y s i s ；r e l a yp r o t e e t i o n ；s e t t i n ge a l e u l a t i o n 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重串明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名： 。_ ；i fr 一月，咽 学位论文使用授权声明 九i 本人i !薹一在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 i 已经在西安理工大棼申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权据有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图二协馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名导师签名：丝年。月，；日 第1 章绪论 l 绪论 1 1 课题的目的和意义 乌江渡水电站位于贵州省中部遵义县境内，南距贵阳市1 0 5 k r n a l 距遵义市5 5 a m , 原电站设计装机规模为6 3 0 m w , 安装3 台单机容量2 1 0 m w 水轮发电机组2 0 0 3 年扩建两 台2 5 0 m w 机组2 0 0 3 2 0 0 5 年对原2 1 0 m w 机组增容改造至2 5 0 m w , 电站现有装机规模 为1 2 5 0 m w , 安装5 台单机容量2 5 0 1 v l w 水轮发电机组，是目前贵州省最大的水电站。电站 在系统中的主要作用是调峰、调频、承担系统事故备用，是一顼以发电为主的综合利用 工程，是贵州电网的主力发电厂 电站水库为狭长河道型季调节水库，坝址以上流域面积2 7 7 9 0 k r a 2 ，多年平均径流量 1 5 8 亿m 3 ，多年平均流量5 0 2m 3 s ，库容2 l 亿矗t 为大型水利水电枢纽工程。乌江渡水 电站库区为峡谷河道型水库，库容小，调蓄作用不大，削减洪峰不显著，为减少季节性 电能的损失，采取无防洪库容调度方式。这种方式是在电站建设前依据设计资料两定 的，但随着电站的建设，下游目前已发展成具有数千人的乌江镇，城镇防洪标准低，约 为五年一遇的防洪标准。下游5 k m 范围内有2 1 0 国道乌江大桥、贵遵高等级公路大桥、 川黔铁路轿、乌江火车站等重要设旄，电站防洪要求高、任务重。由于防洪的需要，为保 证大坝的安全运行，需要建一独立的防洪备用电源，形成独立、可靠的防洪度汛电源。 本防洪备用电源项目建设一条全长5 1 3 m 引水遂道，额定流量为2 9 5m 3 s ，充分利用 扩建工程废弃的临时施工洞室等闲置空间，布置安装一台小型水轮发电机组，组建相对 独立可靠的防洪备用电源，主要任务是担任乌江渡水电站防洪备用电源任务，同时为充 分利用汛期水力资源，日常向近区负荷供电。根据地区负荷的实际状况，机组装机容量 为3 0 m w , 发电机经l o k v 断路器接一台1 0 1 5 7 5 3 5 k v , 5 0 q q o 5 0 0 0 0 3 5 0 0 0 k 、，a 变压器， 变压器1 5 7 5 k v 侧经快速熔断器及负荷开关可接入电力系统，必要时提供系统黑启动电 源，3 5 k v 侧经3 5 k v 母线送近区负荷。 乌江渡周边地区矿产资源丰富，附近有三家铁合金冶炼企业和一家黄磷生产企业， 分布在乌江两岸，在该防洪备用电源建设前业已形成，由于相应用电企业已不可能投入 资金进行设备改造，在此基础上对以上负荷供电的接线设计和设备选择必须适应负荷侧 的实际情况，以此为前提进行合理选择和优化，满足用电企业要求。 为保证该防洪备用电源的独立性、可靠性，机组日常不并入主网运行，为单机孤立 网系统，系统薄弱，同时所带地区负荷多为冶炼企业，负荷变动频繁，变辐大，机组稳 定运行、电能质量和稳定问题突出。当发生故障和不正常运行时，由于没有其它系统的 支撑，极易发生系统崩溃，稳定性问题突出，能否快速，准确切除故障是维持系统稳定 的关键，因此，正确合理地选择和配置继电保护装置和准确的定值整定计算就显得至关 重要。特别是发电杌采用杌端自并励励磁方式当在发电机机端或变压器高压倒短路时， 西安理工大学工程硕士学位论文 机端电压下降，引起励磁电压下降，进而影响机端电压进一步下降，强励能力明显降 低短路电流迅速衰减而不能维持在使发电机后备保护动作的水平上 由于其作为独立防洪备用电源的重要性，以及单机孤立网运行的特殊性和复杂性， 需要对该单机孤立网系统稳定问题、系统故障、机组和输电线路继电保护、发电机励磁 设备进行计算分析，合理选择、配置励磁设备及其参数，针对性地曝置系统中各继电保 护装置，采用灵敏度高、可靠性高的设备，提高教障反映能力和故障切除速度，同时不 降低继电保护装置可靠性，保证机组和系统的稳定运行和设备安全，提高供电可靠性和 电能质量。 1 2 单机孤立系统继电保护发展现状 我国单机系统的继电保护技术从硬件设备上来讲经历机电式、晶体管式和微机式3 个发展阶段，早期的继电保护装置都是由电磁型、感应型或电动型继电器组成的，这些 继电器都具有机械转动部件，统称为机电式继电器，它们在早期的发变组和线路保护中 得到了广泛的应用。这种保护装置体积大、消耗功率大、动作速度慢、机械转动部分和 触点容易磨损或粘连，调试维护比较复杂1 1 上世纪5 0 年代，随晶体管的发展，出现了晶体管式继电保护装置。这种保护装置体 积小、动作速度快、无机械转动部分、无触点，被称为晶体管式保护装置。上世纪7 0 年 代晶体管式保护在我国被大量采用。集成电路技术的发展，可以将众多的晶体管集成在 一块芯片上，从而出现了体积更小、工作更可靠的集成电路元件。上世纪8 0 年代后期， 静态继电保护装置由晶体管式向集成电路式过渡，成为静态继电保护的主要形式。满足 了系统电压升高、容量逐渐增大的发展需要。 在上世纪6 0 年代末，已有了用小型计算机实现继电保护的设想，但由于小型计算机 当时价格昂贵。难予实际采用。但此时开始的对继电保护计算机算法的大量研究却为后 来微机保护的发展奠定了理论基础。随微处理器技术的发展，计算机价格急剧下降。在 上世纪7 0 年代后期，出现了性能比较完善的微机保护样机并投入系统试运行。上世纪 8 0 年代微机保护在一些国家被推广应用，这就是第三代的静态继电保护装置。也叫数字 型保护装置。到了2 0 世纪9 0 年代，微机保护在我国开始大量被应用。进入2 1 世纪，微 机保护已成为继电保护的主要形式。这种保护可用相同的硬件实现不同原理的保护。使 制造大为简化，生产标准化、批量化，硬件可靠性高。除了实现保护功能外，还可兼有 故障录波、故障测距、事件顺序记录、和保护管理中心计算机以及调度自动化系统通信 等功能，这对于保护的运行管理、电网事故分析、以及事故后的处理等有重要意义。另 外，它可以不断地对本身的硬件和软件自检，发现装置的异常情况并通知运行维护中 心，工作的可靠性很高近年来，微机保护在主设备和输电线路保护中得到了广泛和迅 速的推广和应用，在单机系统中，也开始逐步用新型的微机保护装置淘汰旧的晶体管 式、机电式保护装置，来提高保护动作可靠性，保证单机系统发电机组和线路的正常运 行。 2 第1 章绪论 近年来，随着智能技术的进一步发展，人工智能技术开始逐渐应用到电力系统中， 主要解决一些传统技术难以解决的问题，如绝缘在线检测、故障类型判断等，并取得了 一定的进展。专家预测，未来智能技术在控制领域必将得到更为广泛的应用，如何将智 能技术更好地应用到单机系统保护中，使其保护功能更加完善，动作更加可靠，是单机 系统继电保护技术发展的方向之一。 1 3 本文所做的工作 在对乌江电厂防洪备用电源系统机组和网络特点进行研究的基础上，结合中小容量 机组和中低压电网电气设备和继电保护的选型和配置要求，本文主要进行了以下几个方 面的工作： ( 1 ) 根据乌江电厂提供的原始资料，按照单机孤立系统的特点和负荷要求，确定了 乌江电厂防洪备用电源电气主接线方案，并对主要电气设备的型号、参数进行了选择。 ( 2 ) 根据具体机组和单机系统运行特点，确定该系统所有电气设备继电保护配置方 案和保护设备。 ( 3 ) 根据确定的保护配置方案要求，在p s a s p 软件环境中对该单机系统进行了仿 真，根据保护整定计算的要求在相应地点设置短路点并进行了短路电流计算，将计算结 果存入数据库以备整定计算使用。 ( 4 ) 按照保护配置方案，根据大型发电机变压器继电保护整定计算导则矿和3 l l o k v 电网继电保护装置运行整定规程，结合保护生产厂家说明书和电气设备参数。对 该系统配置的所有保护进行了定值整定计算，并将计算结果形成定值单以备系统运行使 用。 ( 5 ) 在完成乌江电厂防洪备用电源电气主接线系统电气主接线设计和继电保护配置 及定值整定计算后，对系统进行了实际调试运行。运行结果表明所设计的乌江电厂防洪 备用电源系统电气主接线合理、继电保护配置及定值整定计算能满足系统要求。 西安理工大学工程硕士擘住论文 2 单机孤立系统总体结构设计 2 1 系统设计目标和特点 乌江渡水电站装机容量1 2 5 0 m w , 安装5 台单机容量2 5 0 m w 水轮发电机组。由于乌 江渡水电站所处的地理位置和在系统中的地位，长期以来一直是贵州电网的第一调频厂 和主要调蜂电源，为维护系统的安全和正常运行做出了很大的贡献。乌江的扩机工程和 老机组改造增容工程完建后，乌江渡水电站在系统中的作用将更加突出：另外，乌江渡 水电站技改工程作为国家实施“西电东送”的重点工程，将为确保贵州2 0 0 3 年向广东送 电1 5 0 万乏o o 万k w 、2 0 0 5 年送电3 0 0 万 4 0 0 万k w 目标的实现起到举足轻重的作用， 因此，为确保大坝防洪安全，为满足电站防洪需要，保证大坝安全运行，需要建立一个 独立的防洪备用电源，其主要任务是担任乌江渡水电站防洪备用电源任务，同时为充分 利用汛期水利资源，日常向近区负荷供电 本系统机组设计装机容量为3 0 m w , 发电视经1 0 k v 断路器接一台三绕组变压器。变 压器中压侧经快速熔断器及负荷开关接乌江渡水电站5 撑机主变，3 5 k v 侧经3 5 k v 母线送 近区负荷。该机组日常运行不并入电网，所带地区负荷多为冶炼企业，负荷变动频繁， 变蝠大，机组稳定运行、孤立电网电能质量和稳定问题突出。为此需要对该单机孤立系 统网系统稳定问题、机组和输电线路继电保护、发电机励磁设备进行计算分析，合理选 择、配置励磁设备及其有关参数，保证机组和系统的稳定运行和设备安全，提高供电可 靠性和电能质量。 2 2 乌江3 0 m w 机组独立网络电气接线设计 根据乌江渡水电站资料，防洪备用电源机组主要供电近区负荷，当近区负荷减少为 零时，则向系统送电。近区最大负荷将达5 0 0 0 0 k 、，a ，其中江北铁合金厂3 0 0 0 0 k ，江 南铁合金厂2 0 0 0 0 k v a ，因防洪备用电源机组容量为3 0 0 0 0 k w ，尚需其他电源供给部分 容量。 由于近区负荷大，如采用发电机电压1 0 k v 出线直接向两铁合金厂供电，已超出 1 0 k v 线路的输送能力，将导致电压降大，损耗大，电能质量差，不宜采用如升压至 1 1 0 k v 出线，经江北变电站供电回路向两铁合金厂供电，则需要1 1 0 k v 升压设备，布置 场地大，投资高，发电机引出线长，调度由电网控制，也不宣采用。因此，防洪备用电 源机组近区供电推荐采用3 5 k v 出线，同时从乌江电厂璐机主变低压侧上网，以保证检 修时近区负荷供电。 电气主接线比较了3 种方案。 方案一：发电机电压采用1 5 ，7 5 k v 。出线直接与乌江电厂5 端l 主变低压侧连接，同 时升压至3 5 k v 供电近区负荷。接线示意见图2 - 1 正常运行时由防洪备用电源机组向两铁合金厂供电3 3 0 0 0 k v a ，由5 群机组供电 1 7 0 0 0 k v a ；当防洪备用电源机组故障或检修时由5 # 机组向两铁合金厂供电 4 第2 幸单机孤立系统总体结构设计 5 0 0 0 0 k v a ；当铁合金厂负荷减少为零时，防洪备用电源机组从5 # 机组主变低压侧上网 向系统送电。 该方案存在如下问题： 由于防洪备用电源机组直接与5 # 机组主变低压侧连接，防洪备用电源机组出口短 路电流达1 1 6 k v a ，而额定电流仅1 2 2 2 a ，发电机出口开关选择困难；若选用国外开 关，额定电流为1 0 0 0 0 a ，开断电流为1 2 0 k a ，价格达4 0 0 万元，显然不合理。 防洪备用电源机组容量为3 0 m w ，合理的发电机电压为1 0 5 k v ，若采用1 5 7 5 k v ， 价格将增加2 0 ，约1 2 0 万元 至 图2 1电气主线方案一简图 方案二：发电机电压1 0 5 k v ，升珏至1 5 7 5 k v 与5 # 机组主变低压侧连接，同时设 一台近区变压器，从1 5 7 5 k v 升压至3 5 k v ，向近区供电。接线示意见图2 2 。 正常运行时由防洪备用电源机组向两铁合金厂供电3 3 0 0 0 蝌a ，由5 # 机组供电 1 7 0 0 0k v a ；当防洪备用电源机组故障或检修时由5 # 机组向两铁合金厂供电5 0 0 0 0 k v a ；当铁合金厂负荷减少或为零时，防洪备用电源机组从主变低压侧上网向系统送 电。 该方案由于防洪备用电源机组通过升压变压器与5 # 机组主变低压侧连接，防洪备 用电源机组出口短路电流小，发电机出口断路器可选用真空开关，发电机电压l o 5k v ， 技术合理。缺点是需设2 台升压交，布置场地大；从5 # 机组母线引出2 个分支母线及 设2 套限流熔断器柜，对5 # 机组的可靠性影响比方案三大；设备投资比方案三多9 5 万 元 5 西安理工大学工程硕士学位论文 图2 - 2 电气主接线方案二简图 方案三：发电机电压l o 5k v ，采用三卷变压器，升压至1 5 7 5k v 与5 # 机组主变低 压侧连接，第三线圈3 5k v 向近区供电。接线示意见图2 - 3 正常运行时由防洪备用电源机组向两铁合金厂供电3 3 0 0 0k v a ，由5 # 机组供电 1 7 0 0 0k v a ；当防洪备用电源机组故障或检修时由5 # 机组向两铁合金厂供电5 0 0 0 0 k v a ：当铁合金厂负荷减少或为零时，防洪备用电源机组从5 # 机主变低压侧上网向系 统送电。 ， 该方案技术特点同方案二，但只用一台升压变，节省布置场地，对5 # 机组的可靠 性影响相对最小，设备投资最省。 因此，电气主接线选择方案三 图2 - 3电气主接线方案三简图 2 3 防洪备用电源系统主要电气设备设计和选型 根据系统设计目标和特点，在确定系统电气主接线方案的基础上，对防洪备用电源 6 第2 章单机孤立系统总体结构设计 系统主要电气设备型号和参数进行了选择，将其中的主要部分列举如下： l 、水轮发电机 由于水轮机转速高，发电机选用三相悬式水轮发电机，采用静止可控硅励磁系统。 因供电负荷基本为纯电阻负荷，发电机功率因数可取较高值。主要参数如下： 型式；立轴悬式 额定容量：3 0 m w 额定电压：1 0 5 l c v 额定功率因数：0 9 额定频率：5 0 i - i z 额定电流：1 8 3 3 a 额定转速：4 2 8 6 r m i n 2 、主变压器 主变压器容量根据两铁厂最大负荷选择，主要参数如下： 型式：三相三圈油浸风冷 型号：s f s l o - 5 0 0 0 0 ，3 5 额定容量 额定电压 额定频率 连接组别 5 0 0 0 0 5 0 0 0 0 3 5 0 0 0k v a 3 8 5 2 2 5 1 1 5 ，7 5 1 0 5k v 5 0 h z y ，y o ，d l l 3 、1 0 k v 设备 发电机出口断路器选用中置式开关柜，配用真空断路器。初步计算，1 0 k v 母线短路 电流为2 6 2k a ，最大工作电流为1 9 2 5 a ，选择发电机出口真空断路器主要参数如下： 型号：v d 4 额定电压：1 2 k v 。 额定电流：2 5 0 0 a 开断电流：3 1 5k a 额定频率：5 0 k 4 、发电机引出线 发电机引出线工作电流为1 9 2 5 a ，引出线采用1 0k v 交联聚乙烯干式电缆主要参 数如下： 型号：y 2 2 弓3 0 0 额定电压：8 7 1 0k v 电缆根数：4 根 5 、1 5 7 5 l 【v 保护设备 主变1 5 7 5k v 侧短路电流由4 # 、5 # 发电机及系统提供，萁值达到1 1 6 ：k a ! 断路 7 西安理工大学工程硕士学位论文 器开断电流不能满足要求。故选用限流熔断器柜作为保护设备。限流熔断器主要参数如 下： 型号：f s l n 额定电压：2 0 k v 额定电流：2 0 0 0 a 6 、3 5 l 【v 设备 3 5k v 设备选用手车式开关柜，配用真空断路器选择真空断路器主要参数如下： 型号：z n l 2 3 5 额定电压：3 5 l ( v 额定电流：1 2 5 0 a 开断电流：3 1 5k a 额定频率：5 0 h z 主要电气设备清单见表2 一l 表2 1主要电气一次设备汇总表 编名称型号与规格 苴 数备注 号位量 l 水轮发电机 s f 3 0 - 1 4 3 6 0 03 0 m wl o 5 k v 台 1 c o s d = 0 9 2 励磁变压器三相、干式、带外壳台 l 配电流互感器 3 电流互感器 l m z 1 01 0 k v2 5 0 0 1 a0 5 5 p 2 0 只 3 4 电流互感器 l m z 1 01 0k v2 5 0 0 1 ao 2 o 5 只 3 5 电流互感器 l m z 1 01o k v2 5 0 0 l a5 p 2 0 ，5 p 2 0 只 3 6 1 0 k v p t 柜 l o k v 面 i 7 1 0 k v 开关柜z s i 柜配v i m 真空开关1 2 k v面 1 2 5 0 0 a3 1 5 k a 8 p t 、避雷器柜 l o k v 面 l 9 i o k v 电缆y 2 2 3 3 0 01 0 k v m4 0 0 1 0 主变压器 s f s l 0 - 5 0 0 0 0 f 3 5 台 1 5 0 0 0 0 5 0 0 0 0 3 5 0 0 0 k v a3 8 5 2 2 5 1 5 7 5 1 0 5 k vx y 0 ，d l l 1 1 铜母线 1 1 订y 1 0 0 l o n l3 0 1 2 3 5 k v 开关柜配z n l 2 - 3 5 真空开关，1 2 5 0 a ，面 3 3 1 5 k a 1 3 3 5 k vp r 、避 3 5 k v 面 l 雷器柜 1 4 3 5 k v 电缆y 2 2 1 2 4 0 3 5 k vm3 0 0 0 1 5 3 5 k v 电缆y 2 2 1 1 2 0 3 5 k vm 3 0 0 0 1 63 5 k v 避雷器y 5 w 1 5 0 1 3 4 台 6 1 7 2 0 k v 电缆 y j v 2 2 3 3 0 02 0 l c vm 6 0 0 1 8 限流熔断器柜单相f s r n1 5 7 5k v2 0 0 0 a 1 2 0k a面 3 1 9 3 5 k v 架空线 k m5 第3 章系统故障计算和动态仿真 3 系统故障计算和动态仿真 电力系统继电保护整定计算，需要反复进行大量简单故障与复杂故障计算，短路电 流计算是继电保护整定的依据和基础。在对系统进行保护配置和定值整定之前，必须进 行故障分析和计算，本章将对系统故障计算和动态仿真的内容进行阐述。 3 。1 系统故障计算的计算机方法 3 1 1 概述 随着电力工业的发展，在电力系统规划、设计和运行中，需要进行大量的足够精确 与快速的计算与分析，故障计算也是如此，如果用手算或借助计算尺来进行，即使对于 很小的电力系统也是相当困难的为此，人们曾用建立系统模型的方法进行模拟计算： 1 9 1 6 年首次出现了电力系统直流计算台，专用于短路电流计算；1 9 2 9 年又出现了比直流 计算台功能更为完善的模拟计算装置t 楚流计算台，来进行电力系统多种计算，但由 于受交流计算台模拟系统的规模、计算速度、精确度的限制，很难满足现代大型电力系 统快速精确计算的要求 随着计算机技术的迅速发展，越来越多的计算机被用于解决电力系统的有关计算问 题，应用计算机进行电力系统故障分析与进行其他问题的计算一样，其中关键的部分是 建立准确的数学模型，采用恰当的计算方法并编制计算程序。 目前，国内大多数发电厂采用人工手算的方式进行故障计算，通常采用近距离故障 查运算曲线法和远距离故障复合序网法。当网络结构或网络参数改变时，这两种方法计 算起来都非常烦琐，而由计算机进行，则较为简便。敌障计算程序从数据库中读取各个 设备位置坐标并利用深度优先搜索进行自动接线分析，得到节点导纳矩阵，通过处理节 点导纳矩阵得到故障计算需要的计算阻抗和综合阻抗值，从而得到故障计算结果。这种 方法，并不改变手工计算的原理，但用计算机处理网络结构改变或网络参数改变后的节 点导纳矩阵，非常方便，而且不会出错。脚 3 1 2 等值网络及其节点方程 ( 一) 节点导纳矩阵的形成 一般的电力系统计算机程序处理节点导纳矩阵时，采用优化节点编号，只保存非零 元素和非零元素的位置，但相应的数据结构比较复杂。而大多数发电厂系统采用简化一 次接线图，又将主系统和厂用系统分开保存在不同图上，所以每张图的结构并不复杂， 节点也不多。因此，部分应用于发电厂短路计算的软件程序定义适当大小的二维数组作 为节点导纳矩阵的类型。 ， 零序网与正序、负序网比较，节点少得多，有时甚至不存在所以该类软件将节点 导纳矩阵分成正序、负序和零序分别用三个数组保存，零序导纳矩阵采用与正序、负序 不同的编号。短路计算时，分别计算出序分量后，将零序节点编号根据节点坐标与正序 节点编号统一后，再合成相分量。这样按序保存节点导纳矩阵对后面用复合序网法计算 故障量是很方便的 西安理工大学工程硕士学位论文 ( 二) 导纳型节点方程 在n + 1 个节点的等值网络中， 节点数为1 1 个。 由电路理论知 以= 0 ；a r u 通常以大地作为参考点，并编号为0 ，所以独立 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 在式( 3 1 ) 和( 3 2 ) 中，各参数含义如下： 4 节点关联矩阵。 厶由各支路电流组成的b 元列向量。 以由各支路电压组成的b 元列向量。 i 卜一由各独立节点对参考点的电压组成的n 元列向量。 利用式( 3 一1 ) 及式( 3 2 ) 对网络原始支路特性方程 l b = y u h j h e 矗1 1 q 进行代换和整理，得 a y a t u = 以 ( 3 4 ) 式( 3 3 ) 和( 3 4 ) 中，各参数含义如下： l ，原始支路导纳矩阵。 以由各支路电压源磊所引起的电激流组成的6 元列向量 如令 y = a y a 7 ( 3 5 ) i = 以 ( 3 6 ) 则得节点导纳方程 y u = i ( 3 7 ) 它描述了节点电压u 与节点注入电流i 的关系。实际上，这就是大家所熟知的基 尔霍夫电流定律的矩阵表达式。式( 3 7 ) 中 j = 【j i 毛j l 厶r ( 3 8 ) 式( 3 8 ) 为节点电流n 元列向量， 之为负： u - - 鸭巩玩玩】r 1 0 它由各节点注入电流组成，并以流向节点为正，反 ( 3 9 ) 第3 章系统故障计算和动态仿真 y = 墨，墨： e 。 z 匕k 瓦 五瓦 瓦k ( 3 1 0 ) 式( 3 s ) 为节点导纳矩阵。它同时描述了网络的电路参数和连接方式。显然，y 为n 阶方阵，n 即网络中的独立节点数。 式( 3 7 ) 代表一组线性方程，它是对网络进行节点分析的基础方程当i 和y 己知时， 可由式( 3 乃解出u ，然后利用u 进一步计算网络中的其他电气量。如果在网络的任意节 点i 加一单位电压，两将其余节点全部接地时，则由各独立节点对参考点的电压组成的 n 元列向量u 可以表示为 u = i oo l o r ( 3 1 1 ) 则由式( 3 7 ) ，可得节点导纳矩阵中第1 列元素为 ， j i 厶五五 2 = 【艺。晶】o r ( 3 1 2 ) 由此可见，节点导纳矩阵中第i 列的对角元素虼，即节点i 的自导纳，。在数值上等 于第i 节点加单位电压，而其余节点全部接地时，从节点i 流向网络的注入电流，因其 与节点注入电流的规定方向一致。显然它应等于连至i 节点的各支路导纳之和。第i 列 的非对角元素匕，即节点i 与j 之间的互导纳，它在数值上等于节点i 加单位电压其他节 点都接地时，从节点j 流向网络的注入电流值，此时节点j 的电流实际上是从网络流 出，恰与规定正方向相反，所以它应等于节点i 与节点j 之问连接支路导纳的负值。显 然，凡与节点i 没有支路直接相连的那些节点k ，其珞为零。这些就是节点导纳矩阵元 素的物理意义 ( 三) 阻抗型节点方程 u = z ( 3 1 3 ) z 为节点阻抗矩阵 如果在网络的任一节点i 注入单位电流，而让其他节点的注入电流为零，则节点注 入电流矩阵中i 节点对应的元素为l ，其他节点元素为零。即 i = f 00 - - 1 o r ( 3 1 4 ) 将式( 3 1 4 ) 带入式( 3 1 ) ，可得节点阻抗阵z 的第i 列元素 西安理工大擘工程硕士擘住论文 u l ： ： u ： z l 。z i ： z 2 。z 之 z l 磊 乙乙： z “ 乙 ： 乙 ： 2 0 瓦 z 2 。 ： 瓦 ： z 二 z l ， 乙 ： 乙 ： 乙 ( 3 1 5 ) 从上述节点阻抗矩阵元素的计算过程，可以看出它的物理意义及特点：节点阻抗矩阵 的对角元素z i i 。即节点i 的自阻抗，在数值上等于在节点i 注入单位电流，其他节点注 入电流均为零时，节点i 的电压。因此，从电路参数角度来看，z i ；是节点i 与地之间的 等值阻抗，也即所谓戴维南等值阻抗。所以只要节点i 与带有接地支路的网络有通路存 在，则z 。必为一非零的有限值“。 3 1 , 3 复合序网法 ( 一) 原理说明 复合序网图法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联 结，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。在 求解各种不对称故障时，故障支路的正序电流分量j 躁可用如下通式表示 f 嘲= 焉丽 ( 3 1 6 ) 式中色。一故障前故障点基准相的运行电压： z i z 一正序网络对故障点综合阻抗： 2 7 一与短路故障类型有关的阻抗( 三相短路时。z ? 卸：两相短路时， z ? = z 2 ：两相接地短路时，z ，1 = z 2 + z o z ) 。 由上式可见，不对称短路故障时故障支路的正序分量电流，等于故障点每相加上 一个附加阻抗z 妒后发生三相短路的电流。故障点故障相电流的绝对值厶帕与故障支路 的正序分量电流五。“成正比，可表示为 五= 册o 搿 ( 3 1 7 ) 式中，坍”为与短路类型有关的比例系数，其值见下袭3 1 表3 - i 不同短路故障类型时小加的取值 故障类型三相短路 两相短路 两相接地短路两相接地短路 埘( 。)l历 压j l 一五( x - - z z + l x o z ) ： 3 在应用对称分量法进行计算时需要选一个基准相，根据电厂实际情况，不必计算出 不同基准相时的短路计算结果，所以多数系统均以a 相为基准相。 ( 二) 网络各序综合阻抗的计算方法 1 2 第3 章系统故障计算和动态仿真 以正序节点阻抗矩阵为例，由节点阻抗矩阵的物理意义可以看出，节点k 短路时的 综合阻抗z l ，即为节点i 与地之间的等值阻抗，在节点阻抗矩阵中为z 。所以只要求出节 点k 的自阻抗z 。就可以得到综合阻抗z l ， 由( 3 1 5 ) 式可知，z 0 数值上等于在节点l 注入单位电流，其他节点注入电流均为零 时，节点k 的电压。 由于节点导纳矩阵y 很容易根据电力系统的接线及电路参数直接形成。所以节点阻 抗矩阵z 可通过对y 求逆得到。程序采用常用的消元求逆法，也称希普利( s h i p l e ”法 一般说来，对于 1 x 的节点导纳矩阵y ，要进行n 次消元运算，才能求出y 的逆矩 阵z 如果第k 次变换前的矩阵为f “，交换后为y l “，则依次变换的运算过程为 ( 1 ) 将k 行k 列的对角元取负倒数值，即 1 】誉= 一二v k - o ( 3 1 s ) ( 2 ) 用k 行k 列的对角元去除k 列和k 行的全部非对角元取负值，即 瑶”s 一器 扣锄o 1 9 ) 驴：一罢 一 j 址 ( ，= l ，2 ，一；，幻( 3 2 0 ) ( 3 ) 将i 行k 列与k 行j 列的元素相乘再除以k 行k 列对角取负值，与i 行j 列的元素 相加，即 ， v ( t - o v f k - z ) 矿= 垆1 一竺杀等一 u = l ，2 ，n ；j j )( 3 2 1 ) 1 艋 将节点导纳矩阵按上述方法经过n 次( e pk 分别等于，1 ，2 ，n ) 变换后，并将所得 结果取负值，便是节点阻抗矩阵。 ( 三) 网络节点电流电压的计算 计算出综合阻抗后，就可得到短路点总短路电流k ，：，五。 根据阻抗型节点方程的物理意义可知，当网络的故障节点蛀入单位故障电流时， 各节点电压( 以正序为例) 研1f 五。 啦ii 乙 ! li i 研。，i ：1 乙 ；ii ； 蚪l 【乙 实际故障时节点i 电压为： 正序： 谚= l 一玩x l ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) 西安理工大擘工程硕士学位论文 负序：玩= 也五2 零序： 谚= - u , o o 3 2 应用p s a s p 软件建模及故障计算 ( 3 2 4 ) 0 2 5 ) 3 2 1 电力系统分析综合程序p s a s p 简介 “电力系统分析综合程序”( p o w e rs y s t e ma n a l y s i ss o f t w a r ep a c k a g e 。p s a s p ) 是中国 电力科学研究院开发的一套历史悠久、功能强大、使用方便的电力系统分析程序，基于 电网基础数据库、固定模型库以及用户自定义模型库的支持，p s a s p 可进行电力系统 ( 输电、供电和配电系统) 的各种计算分析，在p s a s p 7 0 中设计和开发了图模一体化支 持平台，：应用该平台可以方便地建立电网分析的各种数据。绘制所需要的各种电网图形 ( 单线图、地理位置接线图、厂站主接线图等) ；该平台服务于p s a s p 的各种计算， 在此之上可以进行各种分析计算，并输出各种计算结果。 在本文中，将应用p s a s p 的图模一体化平台环境和故障分析模块进行建模和仿真分 析。 3 2 2 利用p s a s p 进行图形化建模 利用p s a s p 软件进行图形化建模，就是在p s a s p 的软件环境下，利用软件提供的 图元工具，在软件平台上搭建出系统的单相接线图，然后再利用软件的短路计算模块对 相应地点设置故障，进行故障分析计算。因此，图形化建模是整个系统故障分析计算的 基础。本文先简单介绍图形化建模的主要过程 进入p s a s p 的单线图编辑界面，从文件菜单中选择新建工程或单击工具栏中的新建 工程图标，程序会提示新建工程的保存位置，新建的单线图界面如图3 1 所示： 图3 一l 单线图编辑界面 在当前的单线图编辑界面中，上方为菜单栏和工具栏，可设鼍添加、删除、放大、 缩小图形及对图形格式作各种处理，工具栏的部分按钮可完成厂站主接线模板、单线图 编辑、潮流、短路、暂态稳定、网损分析、最优潮流、继电保护等功能。界面的右侧为 1 4 第3 章系统故障计算和动态仿真 系统的元件库，使用时，只需选中相应的元件，在适当的位置，单击鼠标左键，即可将 相应的元件绘制在绘图板中。 按照乌江电厂3 0 m w 防洪备用电源及负荷的电气一次接线图( 见附录1 ) ，根据 继电保护配置和整定计算的需要，对系统分析和相应的简化后，在单线图编辑界面中搭 建的系统一次接线图如图3 2 所示。 圈3 - - 2 乌江防洪备用电源及负荷系统模型图 在该系统一次接线图中，元件数据分为以下几类： ( 1 ) 发电机： 在本系统图中，6 # 机为3 0 m w 防洪备用电源，按照第二章方案三要求，在其主变 压器中压侧通过开关连接5 # 机组主变低压侧，图中5 # 机和4 # 机为乌江电厂两台额定 容量为2 8 7 5 m v a 的发电机，经过变比为2 4 2 2 2 5 ，1 5 7 5 k v 的变压器连接到2 2 0 k v 电网，在本次仿真中，用一台容量为无穷大的发电机模拟2 2 0 k v 系统 在发电机参数输入界面中，按照软件要求填入发电机的基本数据，包括节点类型、 额定容量、额定功率和电压、有功及无功出力上下限等基本数据，保存后就可以进行后 续的计算。需要特别指出的是，在p s a s p 中，对发电机采用不同的短路计算模型，分别 用一个数字表示，不同的数据表示暂态电势、次暂态电势等变化情况，本文选用同步机 模型为4 ，参数组号为o ，表示次暂态电势恒定。 ( 2 ) 变压器 本系统中涉及两类变压器模型，双绕组变压器和三绕组变压器除6 # 机主变压器 为三绕组变压器外，其余均为双绕组压器，包括励磁变压器、3 5 k v 变电站3 1 b 、3 2 1 3 变 压器及4 # 机和5 # 机的升压变压器。其数据的输入过程与三绕组变压器类似，下面以三 绕组变压器为例说明如何进行变压器参数设置 在变压器参数输入界面中，按照软件要求填入变压器的基本数据，包括名称、连接 西安理工大擘工程硕士学住论文 方式、阻抗及交比、各侧绕组额定容量、额定功率和电压、短路损耗和短路电压百分数 ( 哟、空载损耗和空载电流百分数，如果变压器有抽头。还需填写抽头信息。保存后就可 以进行后续的计算 ( 3 ) 母线 在本系统中，有三个电压等级，1 0 5 k v ，1 5 7 5 k v 和3 5 k v ，除以上这些必须设置的 母线外，在利用p s a s p 软件进行仿真时，结合乌江电厂防洪电源的实际情况。有以下几 处需增设母线。 电厂内发电机和变压器直接相连处，应将发电机和变压器的低压侧连到同一条 母线上，如图3 2 中6 # 机、4 # 杌、5 # 机与其各自主变相连的情况。 对于交流线，双绕组变压器这类双端元件，在建模时，需要两条母线与之相 连，此时，额外增加的母线起节点的作用，将此类元件与其他元件相连。如图 一3 - - 2 中江元线、江洞线等交流线和3 1 b 、3 2 b 等双绕组变压器与其他元件相连 的情况。 ：对于三绕组变压器，除上述情况外，还需增加一条星形等值电路中心，该母线 为计算各侧变比的基准侧，此类母线不需要指定基准电压 在母线参数输入界面中。按照软件要求填入母线的基本数据，包括母线的基准电 压，取该母线电压等级的平均额定电压，单相和三相容量取母线断路器的额定短路容 量。保存后就可以进行后续的计算。 ( 4 ) 交流线 在p s a s p 软像孛电网的交流线部分包括输送交流功率的架空线路及电厂与变电所之 间的联络线。 架空线路：根据其排列方式计算出架空线路的几何均距，再结合线路型号查手册， 取得其单位长度阻抗和单位长度电纳。 架空线路的几何均距计算方法如下： d = q d 2 岛 ( 3 2 6 ) 如果线路是水平排列的，则上式可简化如下 d ；还西 ( 3 2 7