（电力系统及其自动化专业论文）快切技术在区域供电系统中的应用.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文快切技术在区域供电系统中的应 用，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：一= i 垒盏逆日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 考垂堑l 2 日期：三! ! 竺! ：! 弓 导师签名： e t期：三! ! ! ：i ：! 华北电力大学硕士学位论文 摘要 典型的有源受电系统。当故障导致供电系统与外电网断开后，如何保证企业电网自 身的安全稳定已成为我国大中型企业所亟待解决的问题。本文根据典型大型企业电 网的结构特点，讨论了大型工业企业有源区域供电系统因故障而与外网解列的暂态 稳定性问题，分析了并网技术在供电系统中的应用。给出了稳态并网和暂态快速并 列两种方案。通过仿真验证了快速并列的可行性，为类似电网的稳定控制提供了参 考。最后，在感应电动机群的分组聚合方法研究方面，本文提出了新的分组方法， 大大提高了负荷模型中感应电动机仿真计算结果的精度。 关键词：孤网；稳态并网；快切；分组方法 a b s t r a c t a saf o r mo fd i s t r i b u t e dp o w e r , b a c k u pp o w e rp l a n th a sb e c o m ea ni m p o r t a n tp a r ti n c h i n a sp o w e rs y s t e m ，t h e yu s u a l l ys u p p l i e sp o w e rt or e g i o n a li m p o r t a n tc u s t o m e r s t h e p r o b l e m sa b o u tt h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo fr e g i o n a ls y s t e m si nl a r g e rp o w e rn e t w o r k s a r eu r g e n t l yn e e d e dt or e s o l v e o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e m si st h eh o wt oe n s u r e t h es t a b i l i t yo ft h e r e g i o n a ls y s t e m sw h e nt h em a i n 鲥dl o s t c o m b i n e dw i t ht h e p r a c t i c a lp r o j e c t ，t h i sp a p e rf u l l ys t u d i e st h es t a b i l i t yo ft h ei n d u s t r i a lp o w e rn e t w o r k w h e ne x t e r n a lf a u l t so c c u ra n dp r o p o s e 鲥dm e a s u r e s t w ok i n ds o l u t i o n so f s t e a d y - s t a t e g r i d - c o n n e c t e da n dt r a n s i e n tf a s tp a r a l l e la r eg i v e n v a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h es o l u t i o n sa r e i l l u s t r a t e dt h r o u g hs i m u l a t i o n p r o v i d ear e f e r e n c ef o rs t a b i l i t yc o n t r o lp l a n so fs i m i l a rg r i d a t l a s t ，a ni m p r o v e di n t e g r a t i o nm e t h o df o ri n d u c t i o nm o t o r si sp r o p o s e d s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ec a l c u l a t i o na c c u r a c yo fi n d u c t i o nm o t o r si nl o a dm o d e lc a nb e i m p r o v e d x uk a i ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e m sa n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yx i a os h i w u k e y w o r d s ：i s o l a t e d 鲥d ；鲥d c o n n e c t e d ；q u i c ks u p p l ys w i t c h i n g ；c l u s t e r i n gm e t h o d 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景和意义。1 1 2 国内外厂用电切换研究现状2 1 3 自动准同期装置研究现状2 1 4 感应电动机参数聚合研究现状3 1 5 本文的主要内容4 第二章典型企业电网及其数学模型6 2 1 包钢企业电网简介6 2 1 1 包钢系统概述6 2 1 28 l 变系统构成7 2 2p s a s p 简介及数学模型瞳引9 2 2 1p s a s p 的暂态稳定计算功能一9 2 2 2 外部大电网等值模型l l 2 2 3 汽轮发电机的数学模型1 1 2 2 4 原动机调速系统数学模型1 2 2 2 5 汽轮发电机的励磁系统数学模型1 3 2 2 6 负荷模型1 4 2 3 本章小结。1 5 第三章包钢电网的稳定性分析及解决1 6 3 1 包钢稳定问题的原因分析1 6 3 2 包钢稳定问题的解决办法1 8 3 3 稳态并列分析1 8 3 3 1 稳态合环电流的计算方法1 8 3 3 2 合环冲击电流计算模型及公式1 9 3 3 3 稳态并网等值电路及合环计算结果2 2 3 3 4 并网前电压幅值与相角的确定2 3 3 3 5 控制措施2 5 3 4 本章小结2 6 第四章包钢电网孤网后快速准同期并列方案的分析2 7 4 1 快速准同期并列方案的意义2 7 t t 华北电力大学硕士学位论文 4 2 快速准同期并列装置的应用分析2 7 4 2 1 切换原理及分析2 7 4 2 2 快切装置的优点和分析3 l 4 3 电源切换暂态分析3 2 4 3 2 快切装置的整定3 4 4 3 3 仿真验证3 5 4 4 本章小结3 6 第五章感应电动机群动态等值的参数聚合3 7 5 1 感应电动机模型3 7 5 2 感应电动机容量加权聚合法3 9 5 3 感应电动机聚合分组方法一3 9 5 4 算例分析4 0 5 5 本章小结4 8 第六章结论4 9 参考文献5 0 致谢5 0 在学期间发表论文和参加科研情况5 4 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早三百 下匕 1 1 课题研究的背景和意义 近年来，随着国民经济的飞速发展，国有大中型企业也随之发展迅速。钢铁、 石化等行业对生产过程中产生的附加产品进行回收利用，新建了大量的自备发电机 组，并且为了稳定与供电可靠性，这些自备机组一般都与地区大电网并联运行【l 训。 与此同时，增加了企业电网的复杂程度，给电网原有继电保护和安全稳定性带来了 深远影响。以大型钢铁企业为例，大型钢铁企业供电系统的自备机组容量有限，供 电系统的稳定性主要依赖于外网。当企业供电系统与外系统交换功率很大时，一旦 相联的输电线路故障跳闸，供电系统将与外系统断开而孤网运行，自备电厂企业内 部的供电已无法依靠系统电源，只能靠自备发电机。如果不采取有效的稳定控制措 施，这样的小容量孤立系统中，单纯依靠低周减载装置调整负荷，使之与出力平衡， 维持周波的稳定是很困难的。很可能发生高周切机或低周瓦解的情况，造成用户停 电。尤其是在大型用电企业用电量极大，占全社会总用电量的7 0 以上的现有情况 下【5 l ，一旦停电，不仅造成生产停产，还可能造成大用电设备的损坏，直接关系到 企业的经济效益。在这种情况下，如何保证大型企业电网解列后的稳定运行是大型 工业企业所亟待解决的问题。 传统切负荷是电网解列后保证其稳定运行的重要手段之一。但是对于大型钢铁 这样的企业负荷大都属于i 类负荷，不允许轻易切除。这样，切负荷措施只可作为 后备措施。本文从负荷供电可靠性出发，首选采用快速准同期并列措施，即将解列 后的小型孤网并入大型强健电网，从而将小型孤网拖入同步，最终回到稳定运行状 态。 目前，电力系统中的同期并列操作分为2 种情况：一是发电厂中的机组与电网 之间的同期并列；二是枢纽变电站中两个个电网之间( 母线与线路之间) 的同期并 列以及环网并列操作。对于枢纽变电站的并列操作，由于受严格的同期条件的限制， 目前的同期并列依靠手工操作，速度慢、自动化程度低、操作难度大、操作涉及面 广、成功率低，使得变电站中现有同期并列操作的自动化程度远远落后于电网的整 体技术水平。针对以上电网之间并列存在的一些问题，本文将快切装置应用于电网 的同期并列装置中，从而快速有效的将两电网并列，为维护电网的安全与稳定提供 了新的发展方向。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 国内外厂用电切换研究现状 在厂用电切换方面，国内外都是经历了从备用电源自动投入装置到备用电源快 速切换装置的两个阶段。 国外早在2 0 世纪5 0 年代后期就已经开始采用快速切换方式，装置现在基本已 经微机化，较好地解决了厂用电源在切换过程中对大型锅炉运行工况的稳定性及对 旋转负载的冲击影响。快速切换装置在国外早已普遍采用，特别是在发电厂厂用电 或其它有高压电动机场合，如钢铁、化工煤炭和冶金等大型工业企业的变电站电源 切换中，以同时方式切换为主，结合快速开关的快速切换装置应用的更多。国外微 机型厂用电快速切换装置主要有a b b 公司的s u e 3 0 0 0 型智能型快切装置、 s i e m e n s 公司的a u e 2 型两开关式快切装置和a u e 3 型三开关式快切装置【6 】。 国内开始选用快速切换装置的时间较晚，运行经验相对较少。以往国内广泛采 用的是备用电源自投方式，简称b z t 装置。b z t 装置一般都是用工作电源辅助接点 直接启动备用电源投入，电源开关多为少油开关，这种方式无相频检测，厂用电切 换时极易造成投入的电源系统过流保护动作，切换成功率低或切换时间长，电动机 易受冲击损坏或缩短寿命。国内在2 0 世纪9 0 年代后期才逐步开始选用快速切换装 置。随着真空开关和s f 6 开关的广泛应用，开关开断和闭合速度已经能够满足快速 切换的要求，并且随着机组容量的不断增大，人们逐渐认识到切换安全的重要性， 采用快切装置已刻不容缓。截至目前，国内也己经开展了大型火力发电厂厂用电切 换动态过程的机理和快速切换装置设计方面的大量研究工作。理论方面，清华大学 的高景德教授在8 0 年代提出了单台异步电动机及电动机群在重投入过程中过渡过 程的数值计算方法【7 1 。哈尔滨理工大学的汤蕴璎教授提出了异步电机断电重投暂态 过程的动态分析法【8 】；天津大学的余贻鑫教授开发了研究电动机群在厂用电母线切 换过程中的动态仿真软件包( b u s t p ) 【9 1 ；阿城继电器厂的晏国华提出了厂用电切换 的相量分析方法 1 0 1 ；武汉大学的叶念国教授对快速切换装置的功能进行了重新的定 位【1 。 装置设计方面，国内科研院所和生产厂家都相继推出了自己的产品。像南京东 大金智电气自动化有限公司开发出了m f c 2 0 0 0 微机厂用电快速切换装置，深圳市 国立智深电力科技有限公司生产的s i d 系列厂用电快切装置；武汉佳音电力科技设 备有限公司生产的x k q 系列厂用电电源切换装置等等。 1 3 自动准同期装置研究现状 同期装置是同步发电机并网的重要设备，其主要准则是将发电机无冲击地平滑 并入电网，而且要快速地完成这一过程。该过程是应遵循的规则是在两电源的压差、 2j 华北电力大学硕士学位论文 频差小于允许值且相角差接近零度时完成并网操作。准同步是一种很小冲击的并网 方式，最原始的准同期方法是用三个灯泡的灯光熄灭法或者灯光旋转法，灯光法又 称为理想整步法。由于它对并网条件逐一检查和调整，所以费时比较多。后来改用 指针式电磁绕组的整步表构成的手动准同期装置及简单的电磁继电器、电子元件构 成的模拟式半自动或自动准同期装置。 王伟基于d s p 的自动准同期装置的研制： 国电自动化研究院硕士学位论文 南京：国电自动化研究院，2 0 0 6 ，2 - 6 ，3 9 - 4 8 自动准同期装置的发展大致可分为两个过程。 卓乐友，叶念国，翁乐阳等， 微机自动准同期装置的设计和应用中国电力出版社，2 0 0 2 第一代自动准同期装置是模拟式自动准同期装置，以许继的z z q 3 和z z q s 为 代表，它用分立晶体管元件搭建硬件电路，对同期条件进行检测和处理。z z q 3 和 z z q s 自动准同期装置的出现，极大地提高了并网速度和可靠性，但由于模拟式同 期装置用模拟电子元件拟合，必然带来诸如导前时间不稳定，阻容电路作为微分电 路是有条件的，构成装置元器件参数漂移不稳定的问题。模拟式的同期装置合闸准 确度比较低，它无法指示装置的运行状态，不能进行故障自检等，现在己经基本被 淘汰。 第二代自动准同期装置是微机式自动准同期装置，微处理器的诞生对自动准同 期装置技术指标的提升产生了质的飞跃，我国是世界上微机准同期装置最早研制的。 国家之一，1 9 8 2 年在安徽陈村水电站成功投入了第一台微机同步装置，8 0 年代中， 期又陆续推出了一些类似装置。目前国内有许多科研、制造单位都在进行微机自动 准同步装置的研制。深圳市智能设备开发有限公司研制的s i d 一2 系列多功能微机 准同期装置比较具有代表性。它是我国最早从事微机准同期控制器研究、开发、生 产的企业之一，相继推出了q s a 型、s i d 一1 型、s i d 一2 型、s i d - - 2 v 系列发电机 用微机准同期控制器及s i d 一2 t 系列线路用微机准同期控制器。 目前，随着电力系统规模的不断扩大，同期操作已越出了单台发电机对电网并 网的范畴，整座电厂对电网、电网对电网的同期已提到电力系统运行需求的议事日 程上。也就是说过去那种一台发电机与电网进行同期只是电力系统运行的一部份操 作，而更多可能发生的是一个电厂通过输电线路对电网的同期及一个电网通过输电 线路对另一个电网的同期。特别是当电力系统发生大的解列事故时，更是非常需要 快速地完成这类形式的同期操作。 叶念国从一次电网解体事故看输电线路配置 同期装置的迫切性 c 中国继电保护及自动化行业年会论文集，2 0 0 7 1 4 感应电动机参数聚合研究现状 目前，在大型工业( 钢厂、化工、石油等) 企业中，特别是在发电厂厂用电系 统中，随着数量以及容量的增加，感应电动机负荷所占比重越来越大【1 3 】。与此同时， 3u 华北电力大学硕士学位论文 在系统数字仿真中，电力负荷模型及其参数对该仿真精度的影响是很大的【1 4 - 1 5 】。 1 9 9 6 年7 月美国西部大停电事故的事后分析报告指出，采用不同的负荷模型进行仿 真将得到不同、甚至截然相反的分析结果【1 6 】。而且，我国大型工业企业为了保证稳 定和可靠性，目前都呈区域互联状态。由于负荷模型对电压稳定有着直接影响【1 7 】， 有效、可靠的负荷模型直接关系到系统的安全与稳定。因此，研究适用于各类大型 工业( 钢厂、化工、石油等) 企业的负荷模型以及探求适用于的分析方法具有重要 的现实意义。 大型企业的用电系统实际负荷是由众多且特性各异的用电设备组成，负荷的结 构及特性参数都非常复杂，这无疑大大增加了数字仿真的计算量和难度【1 8 】。而且， 受电力系统数字仿真规模等因素的约束，在仿真中不可能对接于母线上的所有感应 电动机逐一建模 1 9 , 2 0 】。因此，在实际仿真计算中，往往通过聚合方法将特性相近的 电动机加以聚合，以简化仿真分析过程。 自上个世纪7 0 年代后，大量科研工作者开始在电动机群聚合这一领域进行了 广泛而深入的研究。文献 2 1 】忽略了定子电阻，进而形成电动机的近似等值电路， 以此为基础进行电动机的聚合处理；文献【2 2 】利用电机的7 个电气参数来进行等值 和聚合处理；文献 2 3 【2 4 】所给的方法，在电力系统参数存在某些未知量时仍然有效； 文献 2 5 】 2 6 】使用戴维南定理和变压器形等值电机电路来聚合电动机群等等。 为获取电力系统的综合负荷模型，统计综合法得到了较多的关注，并已在实际 电网中应用【2 7 1 。其中，等值电动机的聚合一般从模型参数的聚合入手，采用基于容 量加权的方法获得。感应电动机负荷的聚合主要解决以下两个问题： 一是感应电动机模型的选取。由于感应电动机在大型企业用电系统中的重要地 位和作用，其模型的准确性对系统仿真结果的可信度影响很大，选择一个适合本企 业感应电动机的模型显的至关重要。 二是聚合分组的方法。在不同的工业企业中，感应电动机的大小型号可能差异 很大，甚至在同一企业不同部门之间也可能存在不同型号且特性差异巨大的感应电 动机。此时进行简单的电动机聚合将会产生较大误差，单一的模型无法描述整体负 荷的特性。解决的办法是按照感应电动机特性分组，再将同一特性的感应电动机负 荷聚合。选取哪种分组方法对聚合的效果影响很大，是本文研究的一个重点。 1 5 本文的主要内容 ( 1 ) 本文的第二章，以某大型钢铁企业包钢电力系统为例，根据电网结构的 具体参数，通过分析及一些假设，利用p s a s p 仿真软件，构建了整个电网的仿真模 型。分析了电力系统元件的数学模型，包括发电机模型、调压器模型、原动机及调 速器模型、电力系统稳定器模型和负荷模型。 4 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 本文的第三章，根据包钢电力系统的稳定问题，本文采取将8 1 变与8 0 变 进行并网的措施，包括稳态并列，和暂态紧急快速并列。对于稳态并列措施，通过 叠加法原理，计算了稳态合环电流和暂态合环冲击电流。最后给出了稳态电流满足 合闸条件的最大范围。 ( 3 ) 本文的第四章，对于紧急快速并列措施，采用快切的原理加以分析。首 先给出了快速准同期的意义和原理阐述。然后通过对工作母线断电失压的分析，给 出了快切装置的整定值，包括频率差整定和相角差整定。最后通过p s a s p 仿真加以 验证，证明暂态合闸是快速并有效的。 ( 4 ) 本文的最后一章，主要研究了感应电动机群的分组聚合方法，通过比较 分析，本文提出了根据额定滑差与惯性常数乘积的大小的改进感应电动机加权聚合 法，取得了非常好的聚合效果。利用p s a s p 对其进行了验证，证明了其有效性和广 泛应用性。 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章典型企业电网及其数学模型 2 1 包钢企业电网简介 2 1 1 包钢系统概述 随着包钢生产规模逐步扩大，目前包钢电网的用电负荷已由2 0 0 4 年的4 0 0 m w 发展到7 5 0 m w ，自备发电能力由2 0 0 4 年的i o o m w 发展到5 0 0 m w 。系统简图如图 2 1 所示。 图2 1 包钢电网8 1 # 变系统示意图 包钢电网总共包含5 个外电源点：2 2 0 k v 高新变、张家营变、l l o k v 第一热电 厂、桥西变电所、麻池变电所。在正常运行方式下，依托5 个外电源点分区运行。 主要的5 个分区电网为：8 l 变系统、8 0 变系统、7 2 变系统、7 1 变系统、桥西变系 统。其中，8 l 变的2 2 0 k v 母线并列运行，l l o k v 母线分两段运行；8 0 变的2 2 0 k v 母 线分列运行，1 l o k v 母线分列运行；7 2 变的1 l o k v 母线分列运行；7 l 变的l l o k v 母 线分列运行。各分区电网之间存在并列运行点，可以通过变电所1 1 0 k v 母联、1 l o k v 备用线路进行分区电网并列，实现相互支援。 在包钢电网中，8 1 # 变系统所带负荷占总负荷的6 2 ，而且大部分是重要负荷， 是本文分析的重点。8 1 # 变系统主要由高新变和c c p p 电厂( 两台1 3 5 万k w 机组) 6 华北电力大学硕士学位论文 提供电源。高新变通过两回2 2 0 k v 线路接入8 1 # 变电站，c c p p 电厂通过两回1 1 0 k v 线路接入8 1 # 变电站。8 1 # 变电站通过1 1 0 k v 线路向包钢电网8 1 # 变系统的各个1 1 0 k v 变电站提供电源。 2 1 28 1 变系统构成 包钢电网中8 1 变系统是由1 个2 2 0 k v 变电站( 8 1 # 变电站) 、7 个1 1 0 k v 变电 站( 7 4 # 变电站、7 5 # 变电站、5 1 # 变电站、7 8 # 变电站、7 0 # 变电站、7 7 # 变电站、7 3 # 变电站) 以及c c p p 电厂组成。 ( 1 ) 8 1 群变电站 外网高新变电站送包钢两回2 2 0 k v 线路：高新变至包钢8 1 # 变电所新钢i 回、 新钢i i 回，如图2 2 所示。 图2 - 28 1 # 变电所主接线图 8 1 # 变电站包括四台2 2 0 11 0 1 0 5 k v 的1 8 0 m v a 变压器。2 2 0 k v 主接线采用双 母线分段接线，1 1 0 k v 主接线采用双母线双分段接线。其中2 2 0 k v 母线并列运行， 四段1 1 0 k v 母线分列成两段运行。l 撑主变投运于1 1 0 k v 的i 母，2 撑主变投运于1 1 0 k v 的i i 母，3 群主变投运于1 1 0 k v 的i i i 母，4 撑主变投运于1 1 0 k v 的i v 母。1 1 0 k v 的 i 、i i 母并列运行，1 1 0 k v 的i i i 、i v 母并列运行。1 1 0 k v i _ 1 1 1 分段、i i i v 分段热 备用。 ( 2 ) c c p p 电厂 c c p p 电厂的两台机组均采用发电机一变压器接线方式，每台发电机通过一条 1 1 0 k v 线路接到8 1 # 变电站的分列1 1 0 k v 母线上。 c c p p 发电机组是燃用低热值高炉煤气的联合循环发电机组，具有节能、环保、 发电等多重功能。该机组以高炉产生的副产品高炉煤气和焦炉煤气为燃料，在 7 华北电力大学硕士学位论文 燃气一蒸汽联合循环发电机组中发电。通过c c p p 对高炉煤气的回收利用，既可减 少高炉煤气的散放、降低能源损失、减轻大气环境污染，又能利用此装置较高的热 电效率获得大量电能。以3 0 万k w 的c c p p 机组为例，每小时可燃烧高炉煤气4 7 万立方米、焦炉煤气4 2 万立方米，每小时最大发电量可达3 0 万千瓦时，年发电量 达2 3 亿千瓦时以上。比同等水平的热电厂年可节约标准煤7 0 万吨以上，年利用高 炉煤气约3 3 亿标准立方米，每年可减少一氧化碳排放1 0 亿标准立方米、减少二氧 化碳排放约1 9 0 万吨。 ( 3 ) 7 4 # 变电站 7 4 # 变1 1 0 k v 主接线采用单母线分段接线，母线采用分列运行方式。两回1 1 0 k v 的进线电源线路全部由8 1 # 变出线。 ( 4 ) 7 5 # 变电站 7 5 # 变l1 0 k v 主接线采用单母线分段接线，母线采用分列运行方式。3 台8 0 m v a 1 1 0 1 0 k v 的变压器，三回1 1 0 k v 进线电源线路全部由8 1 # 变出线。进线与变压器装 机容量均满足n 1 备用原则。 ( 5 ) 5 1 # 变电站 5 1 # 变1 1 0 k v 主接线采用双母线接线分列运行方式，四回进线、两回出线，并 且两回1 1 0 k v 线路能承担全部负荷。两回来自一电厂2 2 0 k v 变电所1 1 0 k v 母线， 另两回来自8 1 # 变电所1 1 0 k v 母线。4 台1 1 0 1 0 k v 5 0 m v a 变压器规模。当任一台变 压器故障或检修时均能保证北部电网的正常生产。 ( 6 ) 7 8 # 变电站 7 8 # 变1 1 0 k v 主接线采用双母双分段接线分列运行方式，四回进线，两路来自 8 0 # 变电所11 0 k v 母线，另两路来自8 1 # 变电所l1 0 k v 母线，并且两回11 0 k v 线路 能承担全部负荷。 ( 7 ) 7 0 # 变电站 7 0 # 变l1 0 k v 主接线采用双母双分段接线分列运行方式，三回进线，来自8 1 # 变电所1 1 0 k v 母线。 ( 8 ) 7 7 # 变电站 7 7 # 变11 0 k v 主接线采用双母双分段接线分列运行方式，三回进线，来自8 1 # 变电所1 1 0 k v 母线。 ( 9 ) 7 3 # 变电站 7 3 # 变l1 0 k v 主接线采用单母线双分段接线方式的分列运行方式，四回进线。 1 1 0 k v 两回电源线路来自5 1 # 变，另两回电源线路来自7 6 # 变。 8 华北电力大学硕士学位论文 2 2p s a s p 简介及数学模型2 8 1 p s a s p 是一套功能强大、使用方便的电力系统分析程序，是具有我国自主知识 产权的大型软件包。它由中国电力科学院研制，主要用于电力系统的运行、设计、 研究。用于电力系统规划设计人员确定经济合理、技术可行的规划设计方案；运行 调度人员确定系统运行方式、分析系统事故、寻求反事故措施；科研人员研究新设 备、新元件投入系统等新问题以及高等院校用于教学和研究。 p s a s p 由电网基础数据库、固定模型库以及用户自定义模型库所支持，能实现 电力系统( 输电、供电和配电系统) 的各种计算分析，包括： ( 1 ) 稳态分析的潮流计算、网损分析、最优潮流和无功优化、静态安全分析、 谐波分析、静态等值等。 ( 2 ) 故障分析的短路计算、复杂故障计算以及继电保护整定计算等。 ( 3 ) 机电暂态计算分析的暂态稳定计算、直接法暂态稳定计算、电压稳定计 算、小干扰稳定计算、动态等值、马达起动、控制参数优化与协调以及电磁一机电 暂态分析的次同步写真计算等。 本论文中主要用到的就是潮流和暂态稳定计算程序。 p s a s p 提供了各种发电机的实用模型以及负荷的静态模型、动态模型和综合负 荷模型。节点扰动里面提供了各种扰动方式，包括切机、切负荷、切线路及冲击性 负荷等，还提供了用户自定义模型。 p s a s p 有着友好、方便的人机界面，如基于图形的数据输入和图上操作，自定 义模型图以及图形、曲线、报表等各种形式输入。p s a s p 与e x c e l 、a u t o c a d 、 m a t l a b 等通用的软件分析工具有着方便的接口，可充分利用这些软件的资源。 2 2 1p s a s p 的暂态稳定计算功能 p s a s p 的主要功能之一是暂态稳定计算，用于分析电力系统遭受大干扰( 如发 生短路故障、负荷瞬间发生较大的突变、切除大容量的发电、输电或变电设备等) 后，系统同步运行稳定性的问题。它是分析事故、研究提高系统稳定性措施、设计 选择合理电网结构的重要手段。暂态稳定计算的数学模型包括一次电网的数学描述 ( 网络方程) ，发电机、负荷、无功补偿、直流输电、发电机的调压器、调速器、 电力系统稳定器、继电保护等一次设备和二次装置动态过程的数学描述( 微分方 程) ，以及各种可能发生的扰动方式和稳定措施的模拟等。 p s a s p 的暂态计算流程如图2 1 ： 9 华北电力大学硕士学位论文 二，：， 数据录入和编辑l | 文本考或匿形歹亨i 毪 o ! 。 ? 、 _ 、! f ： - 。，；： 电网基础数据库l用户自定义模型库l ：一茸， ，。 匿耱计算主骐部势， ；一二- _ ： 暂态截赫髓 ，“1 l 7 。： 妻：4 ：， j i j 誊一? ； 一、2 计算作业的定义 七嚣 簪一 f 二 一一n ：i j ： 北j ( 潮流作业，故障， ” ： 二 ； 方式，扰动信息， 象?。 ：， 输出选择和计算控 ； ；ji，- t ；， ： ： = 制等) ： j 。 “ ： 一 0 ；：一”7 ：， 一 ，。、?!ii ：执行计算执 计算 + ，：， i ；+ ；! 。 ：。： _ - 。 ；二纛 j ，“” 1 二。一6 7 计算结果库 ? ；：，。7， j ： ” ； 结果的编辑和输出i - - r 争民衰：i j ，囊 ” 。 u ； lllt监 图2 1p s a s p 的暂态仿真流程 p s a s p 暂态稳定计算的主要功能可概括为以下几个方面： ( 1 ) 一般模型的计算功能 可计算交直流混合电力系统；程序提供的常用系统元件模型( 固定模型) 如下： 同步电机模型( 7 种) ；励磁调节器模型；原动机调速器模型；电力系统稳定器( p s s ) 模型；感应电动机及综合动态负荷模型：静态负荷模型；静止无功补偿器模型；直 流输电模型：可考虑变电站( 主接线) 内部的开关状态对系统网络结构的影响。 ( 2 ) 复杂故障方式的计算功能 可同时考虑多处三相对称故障，包括三相短路，三相断线，串联电容保护三相 击穿等；在不对称故障下，可考虑输电线零序互感的影响；可同时考虑多处不对称 故障，包括单相短路，单相负荷投入，两相短路，两相接地，单相断线，两相断线， 串联电容器不对称击穿等；既可做暂态稳定计算，也可做短路电流计算( 在程序中 做不解微分方程处理) ，及动态过程中的复杂故障短路电流计算；能给出三相不平 衡方式下序电压，序电流，相电压，相电流的分布。可做输电线工频暂态过电压及 1 0 华北电力大学硕士学位论文 潜供电流计算分析； ( 3 ) 扰动方式和稳定措施模拟的计算功能 在p s a s p 暂态稳定中，除网络故障外，还设置了一些扰动方式，用以模拟电力 系统的某些冲击和稳定措施，其功能可概括如下：冲击负荷对电力系统影响的动态 仿真；励磁回路电压波动的模拟；负荷功率随机波动的模拟；发电机出力跟踪调节 的模拟；调压器励磁电压快速调整的模拟；调速器汽门快速调整的模拟；按不同准 则( 时间、低电压、低频率、频率差、线路过电流、异步电动机自身过电流) 切除母 线上的部分和全部负荷；按不同准则( 时间、低电压、低频率、角度差、零序过电 流、正序过电流) 开断线路开关。按不同准则( 时间、角度、高频率、频率差、过 电流) ；减少母线上的部分和全部机组的出力； ( 4 ) 通过用户自定义模型的方法建立各种模型以实现所需的计算功能 电力系统各种一次设备模型，如不同型号的同步电机，异步电机，静止无功补 偿器等；随不同工程而异的超高压直流输电线路及其控制系统的模型；电力系统各 种自动装置的模型，如：各种类型的调压器、调速器、电力系统稳定器( p s s ) 及各 种继电保护和安全自动装置等；灵活交流输电系统( f a c t s ) 的元件的模型，如： 可控硅串联补偿器( t c s c ) ，统一潮流控制器( u p f c ) 等。 2 2 2 外部大电网等值模型 仿真分析需使用简化的电网结构。外部大电网可以等效为一无穷大电源，模型 采用e 7 电势恒定的2 阶同步发电机模型。模型的微分方程只有2 阶的转子运动方程： 乃警= 鲁一( 一l ) 一d 一磊) 2 砥 ( 2 一1 ) 一d 8 ： (dt 2 ( r o - i ) 2 7 r f o ( 2 - 2 ) 模型采用以下参数：晶= 9 9 9 9 9 m v a ，等效发电机参数为：弼= o 1 ，乃= 1 0 0 s ， d = 2 0 。 2 2 3 汽轮发电机的数学模型 同步发电机是电力系统的电源。其动态特性或者动态数学模型是研究电力系统 动态行为的基础。电力系统的稳定性问题，在很大程度上也是同步发电机的稳定运 行问题。理解同步发电机的特性和建立其精确的数学模型是极为重要的。在实际工 程问题中，常常根据不同的要求对同步发电机的模型作不同程度的简化，以便在不 同的场合使用，所以就推导出发电机实用模型，如二阶经典模型、三阶模型、四阶 华北电力大学硕士学位论文 模型、五阶模型、六阶模型等。包钢8 1 变系统2 台自备发电机组的数据充分，仿 真中所用的汽轮发电机采用彰、彰、e 、e 电势变化的6 阶模型，是发电机最为 精细的实用模型。模型中发电机转子d 轴励磁绕组f 及阻尼绕组d 的次暂态和暂态 电磁过程分别以彰和e 电势变化表示；q 轴考虑阻尼绕组q 和g 的次暂态和暂态电 磁过程，分别以e 和髟电势变化表示。隐极机考虑g 的电磁暂态过程，以描述隐 极转子等值阻尼绕组电感和时间常数大，对应暂态过程阻尼强的物理本质。 模型方程式如下 砥鲁= 勘一蟛+ ( 局一形) l + ( 一1 ) 】 ( 2 3 ) 碥等= 母( 形厶+ 鬈+ 硫鲁 鲁= 一群+ ( 局一z ) 蜀警= 一髟+ ( z 一彤) + 群+ 碥鲁 乃警= 鲁一帆一驴脚一础万五 d 6 ： 1 ) 2 dt 2 ：( 6 0 - 1 ) 2 万f o ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 上述各方程均以标么值形式写出，其中发电机角度6 的单位为弧度；角速度 的单位是以额定角速度2 万厶( 弧度秒) 为基准的标么值；厶为5 0 h z ；时间t 的单 位为秒。饱和系数磁= l + b a 掌o 。1 ，a ，b ，n 为饱和参数；d 为阻尼系数，单位 为秒，由于本模型已详细计入阻尼绕组的电气阻尼，仅机械阻尼很小，d 取为零， 不考虑饱和影响。 2 2 4 原动机调速系统数学模型 为了保证向用户每时每刻提供合格的电能，就必须保证电力系统的电压、频率 以及热网供汽压力的稳定。而这些均与机组转速有关，当然电压还受到发电机励磁 电流大小的影响，所以汽轮机就必须具有自己的调节系统。调速器一般通过控制汽 轮机的汽门开度或水轮机的导水叶开度来实现功率和频率调节。它的主要任务是： 既要保证机组能及时满足用户对电能的要求，又要使机组的转速维持在规定的范围 内，同时在电网或热网出现故障时，要保证机组自身的安全。 大型水轮机的调速器主要有机械调速器和电气液压调速器两类，大型汽轮机的 1 2 华北电力人学硕士学位论文 调速器主要有液压调速器和工频电液调速器两类，在电力系统分析中一般采用简化 模型。p s a s p 中的调速器只有一种模型，是一种水火机组均适用的模型。对于机械 式液压调速系统( 如高速弹性调速器调速系统) 和全液压调速系统( 如旋转阻尼器 调速系统) ，虽然在结构上有差别，但其调节原理相同，都可以采用如图2 4 所示模 型来表示。 图2 4 汽轮机调速系统的 2 2 5 汽轮发电机的励磁系统数学模型 励磁系统向发电机提供励磁功率，起着调节电压、保持发电机端电压或枢纽点 电压恒定的作用，并可控制并列运行发电机的无功功率分配。它对同步机的动态行 为有很大的影响，可以帮助提高系统的稳定极限。特别是现代电力电子技术的快速 发展，使快速响应、高放大倍数的励磁系统得以实现，这极大地改善了电力系统的 暂态稳定性。在电力系统分析的某些场合需要考虑励磁系统对电力系统稳定性的影 响。 发电机励磁系统的基本功能是给发电机的励磁系统提供合适的直流电流，用以 在发电机定子空间产生磁场。 励磁系统由主励磁系统和自动励磁调节两部分组成，前者用来提供发电机的励 磁电流，后者用于对励磁电流进行调节和控制。根据产生励磁电流方式的不同，励 磁系统可以分为以下三类：( 1 ) 直流励磁系统，它通过直流励磁机供给发电机励磁 功率；( 2 ) 交流励磁系统，它通过交流励磁机及半导体可控或不可控整流供给发电 机励磁功率；( 3 ) 静止励磁系统，它从机端或电网经变压器取得功率，经可控整流 供给发电机励磁功率，其形式通常为自并励( 激) 的或自复励( 激) 的。 由于本文仿真所选故障类型为外部配电网与系统间联络线断开故障，而自备电 厂与外部电网之间基本上没有交换无功功率，所以本文的研究着重于故障后电流的 仿真分析。在p s a s p 中不具有非线性励磁系统，需要通过用户自定义模型来对非线 性励磁系统进行建模。为了简化分析，本文仿真分析中采用常规励磁系统。根据其 调节原理和控制规律采用p s a s p 提供的如下模型，模型图2 5 所示。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 2 2 6 负荷模型 图2 5 励磁调节系统的结构 在系统电压和频率快速变化时，应考虑负荷的动态特性，并用微分方程描写， 称之为动态负荷。由于电力系统的动态负荷主要成分是感应电动机，因此通常就用 感应电动机作为负荷动态模型。负荷的等值感应电动机参数可采用经验参数，亦可 进行实测和估计。 负荷的动态模型有考虑感应电机机械暂态、机电暂态和电磁暂态三种形式，在 电力系统暂态稳定分析中一般不采用计及感应电机电磁暂态的动态负荷模型，该模 型只有在系统电磁暂态过程中，要精确计及扰动点附近动态负荷的作用时才考虑使 用考虑机械暂态的负荷动态模型，能较准确的反映转子绕组电磁暂态对电磁力矩的 影响。相对于只考虑机械暂态的负荷模型在暂态过程中具有更好的仿真精度，得到 了广泛的应用。 本文采用的负荷动态模型为忽略定子绕组暂态，考虑感应电动机转子回路电磁 暂态过程和转子机械运动暂态过程的负荷动态模型。等值电路图如图2 - 6 所示。 图2 6 感应电动机负荷等值电路 负荷模型是决定仿真结果可信度的关键因素之一，长期以来，在电力系统动态 分析中，我国电力部门采用感应电动机和恒阻抗并联的综合负荷模型，如湖南电网 采用6 5 的感应电动机和3 5 恒定阻抗负荷模型。我国采用感应电动机模型的参数 一直以来是所谓的“典型参数 。综合负荷由静态负荷与动态负荷两部分并联组成， 静态部分用恒定导纳等值，动态部分用一台感应电动机等值。对于实际的电网，目 1 4 华北电力大学硕士学位论文 前还无法提出准确的模型及获得参数。对于包钢电网来说，生活区负荷和企业照明 负荷所占容量很少，其余基本上全为电动机负荷，本文中，负荷采用9 0 的感应电 动机和1 0 的恒定阻抗负荷模型，参数采用“典型参数 。 2 3 本章小结 本章给出了包钢企业电网的结构，并对其进行简要说明。根据电网结构的具体 参数，通过分析及一些假设，利用p s a s p 仿真软件，构建了整个电网的仿真模型， 为接下来的仿真分析奠定了基础。作为研究动态过程的数学模型，必须能够正确描 述各元件的动态特性，进而才能准确地刻