（电力系统及其自动化专业论文）电力系统断路器遮断容量实时校核研究.pdf

型幽型型型生兰竺堕塑l 一 ! ! 生至竺堑堕鲨望堑查里兰! ! 丝堡型窒 s h o r t c i r c u i tc u r r e n t s i n c r e a s i n gy e a rb yy e a r a b s t r a c t i n p o w e rs y s t e m s a r e i n c r e a s i n g w i t ht h e e c o n o m y i ti sa ni n s e c u r ef a c t o rf o rp o w e rs y s t e mo p e r a t i o ni f s h o r tc i r c u i tc l _ l r r e n t se x c e e db r e a k e r s i n t e r r u p t i n gc a p a b i l i t i e s g e n e r a l l y , t h e r ea r ef o u rm e a s u r e st ol i m i ts h o r t c i r c u i tc u r r e n t ：c o n s i d e r i n g f r o md e s i g n i n gp o w e r s y s t e m s ，c h a n g i n gt h en e t w o r kt o p o l o g y , a d d i n go rc h a n g i n g e q u i p m e n t s ，a d df a u l tc u r r e n tl i m i t e r ( f c l ) i n t op o w e r s y s t e m s e x c e p tt h ef i r s t a n dt h et h i r d m e a s u r e s ，c o n s i d e r i n g t h a tn of u n d a m e n t a l b r e a k t h r o u g h h a s h a p p e n e do ne x i s t i n gf a u l tc u r r e n tl i m i t e r sy e t ，t oc h a n g et h en e t w o r k t o p o l o g yi s t h eu n i q u ea t t a i n a b l ew a yt ol i m i ts h o r t c i r c u i tc u r r e n t s i ti sn e c e s s a r y t oc h e c kt h e i n t e r r u p t i n gc a p a b i l i t i e so f c i r c u i tb r e a k e ri nr e a ll i m eb e c a u s et h en e t w o r kv a r i e s t oc a l c u l a t e s h o r t c i r c u i tc u r r e n t si n a l a r g es y s t e mu s i n g ar e a l - t i m e s h o r t c i r c u i tc u r r e n ta n a l y s i st o t a l l yb a s e do ne m s s y s t e mi sf i r s ti n t r o d u c e di nt h i s p a p e r t h e n ，t h ep r i n c i p l e st og e tm a x i m u ms h o r t c i r c u i tt h r o u g hb r e a k e r sf o rt y p i c a l b r e a k e r c o n f i g u r a t i o n s b a s e do nt h er e s u l t o fr e a l t i m es h o r t c i r c u i tc u i r e u t c a l c u l a t i o na r ea n a l y z e di nd e t a i l t h ea n s ia n di e cm e t h o d sa n ds t a n d a r d so fr a t i n g b r e a k e r - i n t e r r u p t i n g c a p a b i l i t i e sa r ee x p l a i n e d s o m ea d v i c et oc h o o s eb r e a k e r sc o r r e c t l yi sa l s o p u t f o r w a r di nt h ee n do f t h i s p a p e r k e y w o r d s ：s h o r tc i r c u i tc u r r e n ta n a l y s i s ，c i r c u i tb r e a k e ri n t e r r u p t i n gc a p a b i l i t i e s s e c u r i t ya n a l y s i s ，r e a l - t i m ec h e c k 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出和研究意义 随着经济的发展，电力系统的容量逐年扩大，系统互联逐渐增强，短路电 流水平也逐渐增大，短路裕度将逐渐被用尽。近年来短路电流增大的趋势越来 越严重，它与系统稳定性问题1 起成为电力系统规划和运行方面需要注意的问 题。 短路电流增大主要有以下几个原因造成的： 电源设备：发电机单机容量增大、电源建没相对集中、装机容量不断增大； 输电设备：主干系统线路短、跨省区联网、电力网络联系增强。 以浙江电网为例，浙江省地域小、人口多、负荷密度大，拥有众多大容量 的港口电厂、水电厂、核电厂，电网密集，再加上电网中大量使用自耦变压器， 从而造成电网短路电流水平过高。目前，系统中多处的短路电流已接近或已超 过，i ：关的容量。随着嘉兴电厂二期、秦山核电二、三期、玉环电厂等大型电厂 的投j “，而近期还看不到更高一级电压等级出现的可能性，系统短路电流超标 ( 超过j 1 ：关的遮断容量) 的问题将会越来越严重。 短路电流增大会引起以下问题：建设费用增加：对通信线路的电磁感应危 害增加；铁塔附近的接触电压、跨步电压增大，危害人畜生命安全；架空导线 温升，线央过热；故障点的损伤增大，致使修复时间过长，并且会波及其它地 下埋没的设施。 为了保证电力系统安全稳定运行，必须找到切实可行的措施，限制短路电 流。目前，主要以下几种限制短路电流措施：在电力系统的规划设计阶段予以 考虑、改变电力系统运行方式、更换或者加装电力系统设备、投入故障限流器 等。 目前国内外虽然有一些故障限流器f c i ( f a u l tc u r r e n tl i m i t e r ) ，如采 _ | 1 | j 高温超导( 目前尚无使用) ，采用电力电子装置的。但f c l 目前仅用于较低 电压等级。用f 高压等级的f e e 虽然也f 在研究，但是近期难以取得突破性进 浙江凡学坝l j 学位论义 筇一章绪论 展。 在这种情况卜，主变分裂和网络分区等改变运行电网结构的方法成为控制 短路电流的唯一有效的手段。然而，电力系统是多变的，电网的拓扑改变后， 系统上某些点的短路电流就有可能超出相应开关的遮断电流，因此有必要进行 乜删短路电流的实时精视。从调度自动化的观点看，它属于安全分析的范畴。 要求自动化系统能根据网络拓扑的变化，实时地计算系统各点的短路电流，并 与丌关的遮断容量相比较，如有越限，及时通知运行人员，以便采取措施。 1 2 国内外状态 系统短路电流超标的现象在工业发达的国家也是存在的，日本就是典型的 例子。除了在电网规划时予以考虑之外，采取分裂运行方式是限制短路电流的 常用手段。近年来随着电网自动化系统的发展，实时监测成为可行的手段，已 经丌始得到重视。i e e e “电力系统计算机应用”( c o m p u t e r a p p l i c a t i o ni np o w e r ) 2 0 0 2 年第一期有“断路器遮断容量的自动检查”( a u t o c h e c kc i r c u i tb r e a k e r i n t e r r u p t i n gc a p a b i l i t i e s “”) 一文介绍了美国在这一方面的报道，但是这篇文章 介绍的实际上是一种离线算法。国内尚没有看到相关报道，但是短路电流超标 的问题已经引起越来越多的关注。 1 3 本文的工作 1 3 1 限制短路电流措施 主要从以下几个方面讲述限制短路电流的措施：在电力系统的规划设计阶 段予以考虑、改变电力系统运行方式、更换或者加装电力系统设备、投入故障 限流器。 1 3 2 实时短路电流计算 介绍如何用计算机进行大型网络的短路电流计算，以及实时监测短路电流 计算与离线短路电流算法的不同之处。 1 3 3 计算通过断路器的最大短路电流 短路电流计算得到节点短路电流和支路短路电流，但这都不等于通过断路 篇章绪论 器的最大短路电流。还需要根据电气接线方式、短路点位置计算通过俅台断路 器的最大短路电流。本文通过几种典型方式说明计算流经断路器最大短路电流 的暴本原则。 1 3 4 实时监测短路电流软件 简单讲述了实时监测短路电流软件的设计目标、设计原则、设计任务、以 及软件的运行环境和丌发甲台，并且详细地况明了软件的功能。 1 3 5 断路器容量校核标准 目前a n s i ( a m e r i c a nn a t i o n a l s t a n d a r d si n s t i t u t e ) 和i e c ( i n t e r n a t i o n a l e l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 标准是世界卜两种有影响力的描述断路器的额定 容量和测试方法标准，前者主要用在北美地区，后者主要应用在欧洲地区。本 文对两种标准在短路电流计算、额定短路电流、直流分量处理、短时电流、闭 合电流等方面进行了洋细的比较，并且给出了一些选择断路器时建议。 我固国家技术监督局1 9 9 5 年4 月6f ：l 批准、1 9 9 6 0 10 l 开始实施的中 华人民共和国三相交流系统短路电流计算等效采用i e c 6 0 9 0 9 ( 1 9 8 8 ) 。本 文也简单介绍了这一标准。 浙江人学倾 。学位论文 第一章限制短路电流措施 第二章限制短路电流措施 2 1 合理规划电力系统限制短路电流 合理选择发电厂和电网的电气主接线，选择合适的变压器和电抗器，都能 达到限制短路电流的目的。 在发电厂内，可对部分机组采用专用线路，并将这种发电机变压器线路 单元连接到距其最近的枢杠变电所的母线上，可以避免发电厂母线上的容量过 分集中，从而降低发电厂母线处短路容量。 在变电站内，尽量少用联络自藕变压器，能限制大电流接地系统的单相接 地短路电流。 在大容量发电厂中，可以采用低压侧带分裂绕组的变压器，在水电厂扩大 单元组上也可以采用分裂绕组变压器。分裂绕组变压器在正常运行时阻抗较 小，短路时阻抗较大，能有效的限制短路电流。 为了限制配电装置的短路电流，可以在母线上装设分段电抗器。分段电抗 器只能限制发电机回路、变压器回路、母线上发生短路时的短路电流。 发电机、变压器等设备采用较高的阻抗可以限制短路电流。对发电机而言 阻抗增大短路比减小，空气间隙减小，设备的体积便可减小。采用高阻抗后带 来的优点是设备体积减小，励磁损耗、铁损、风损等空载损耗减小，使设备价 格便宜，励磁机容量减小；缺点是输出相同功率时相角差增大，降低静态稳定 性。对变压器而占，采用高阻抗，改善了系统短路电流的水平，减小了输电线 路对通信线路的干扰。缺点是：费用高，电压、无功损耗增大。 2 2 改变运行方式i 艰$ 1 j 短路电流 短路电流水平与电力系统的拓扑结构密切相关，而电力系统运行方式旦 改变，网路的拓扑结构也随之改变，适当改变系统的运行方式，可以增大系统 阻抗，限制短路电流，降低短路水平。从电网运行方面有以下几种措施： 电网解列运j 1 ：可将环形供电网解列运行，增大系统的阻抗，限制短路电 旃二章限制短路电流措施 流。电网解列i 玎分为经常解列和事故自动解列两种。电网经常解列时将机组和 线路分配在吖i 同的母线上，并将母线联络断路器或坶线分段断路器断丌运行， 可以显著减少短路电流。电网事故自动解列是指在正常情况下发电厂的母线联 络断路器或分段断路器闭合运行，当发生短路时，山自动装置先将母线或分段 断路器断丌，从而达到限制短路电流的目的。 变电站内部采用分裂运行方式：变电站母线分段，系统分解运行，阻抗增 大，有效的限制短路电流。有两种改变系统结构的方式：高低压母线分段运行 和低压母线并列运行。这两种方法简单、经济、有效，但会削弱系统互联的优 点。另外一种是正常情况下母线并列运行，故障时，母线分段运行，减小短路 电流。不过为了提高供电可靠性，应该加装备用电源自动投入装置。 2 3 更换或者加装电力系统设备 限流电抗器的采用：装设输电线路串联电抗器与母线分段电抗器这两种方 式可以限制短路电流。在输电线路馈线上装出线电抗器，限制短路电流效果较 好，从发电厂和用户整体来看比较合理和节省。在超高压、长距离输电线路大 多装设输电线路串联电抗器，增大阻抗，减小短路电流。另外它也补偿长距离 输电线路电容电流的影响，有效的改善线路末端电压水平。母线装设分段电抗 器装设在母线分段的地方，和采用分段母线的道理相同，同样是利用改变系统 联系和结构限制短路电流。另外也可以加装分裂电抗器，分裂电抗器在结构上 和普通电抗器相似，只是绕组中心有一个抽头。当分裂电抗器的电抗值与普通 电抗器的电抗值相同时，两者在短路时的限流作用一样，但正常运行时，分裂 电抗器的电压损失只是普通电抗器的一半，而且比普通电抗器多供出一倍的出 线，从而减少了电抗器的数目，减少了设备的占地面积，有利于没备布置，故 被广泛应用。 采用微机保护和综合自动化装置：从短路电流分析可知，发生短路后约 0 o l s 时问出现最大短路冲击电流，采用微机保护仅需0 0 0 5 s 就能断丌短路 回路，使设备避免承受最大短路电流的冲击，从而达到限制短路电流的目的。 采用高- 级电压：以上所讲的限制短路电流的对策只能起暂时或者局部 浙江人学坝i j 学位论文 第一幸限制短路电流措施 的作用。输电线路采用高级电压后，输电能力增强了，电力系统稳定改善了， 就可以将原来低电上k 等级的系统作为配电网考虑，予以分区、分片解列运行。 然而若币纯为了限制短路电流而采用高级电压，建设费用比加装电抗器高的 多。但是在单回路输电中，为了提高系统的稳定性，增加送电容量，适应系统 的发展，可以采用这种方法。 采用直流输电技术：交流电力系统互联或配电网容量增时，赢流输电可以 作为限制短路电流的措施。这是由于它的控制系统具有调节快、控制性能好的 特点，可以有效地限制短路电流，使其基本保持稳定。 2 4 故障限流器 通过改造电力系统结构如采用高一级电压、采用直流输电技术限制短路电 流水平的费用及其昂贵，通过改变电力系统运行方式来限制短路电流水平容易 造成电力系统运行的不稳定性。因此，为保证电力系统安全稳定运行，快速限 制短路电流水平，还要采取其他可行措施。随着灵活交流输电技术( f a c t s ) 的发展，故障限流器的应用研究已成为电网技术的研究课题之一。 故障限流器( f a u l tc u r r e n t1i m i t e r 简称f c l ) ，是一种限制短路电流的 电气设备。它的工作原理是，当发生短路故障时，自动投入限流阻抗，起到限 制短路电流的作用。理想的故障限流器应对电网的正常运行无影响，而在故障 情况下能够限制短路电流使其接近额定电流值，这样就可以解决既要求电网阻 抗小又要求短路电流小的矛盾。实现这种功能的电气装置基于快速开断电路、 谐振频率失调的l r 振荡回路和具有极大非线性电流一电压特性的元件，如半导 体，带铁心的线圈和超导体等。故障限流器主要有以下几类： 2 4 1 串联电弧设备 串联电弧设备的故障限流器，具有一个限流电阻，此电阻在t f 常情况下被 丌关点短接，在发生短路时，通过电子控制迅速将丌关打丌，电弧沿着电阻轨 道前进，不断增大电弧回路的电抗以至最终在转换室内熄灭，从而将限流电阻 接入主电路中，起到限制短路电流的作用。 浙江人学 _ 】i ! i ：学化论文 第一章限制短路电流措施 这种串联电弧设备受到动作次数的限制，使用寿命短。 2 4 2 谐振故障限流器 谐振故障限流器具有一个谐振电路，系统发生短路时，自动投入一个l 。c 谐振电路，使得整个系统线路的阻抗增大，从而达到限制短路电流的作用，当 谐振频率在某一范围时，能迅速限制过大的短路电流。 一般1 ：程上广泛应用的是电感线圈和电容器组成的并联谐振电路，电感并 不是理想的纯电感，而带一定的电阻，所以实际的并联电路如图所示”3 ： 图2 1 并联谐振电路 2 4 3 高温超导限流设备 8 0 年代中期出现了高温超导( h t s c ) 材料，这类超导材料不是金属，而是 氧化物陶瓷，能在比“常规”超导材料高得多的温度下，呈现超导特性，在某 些情况下临界温度高达1 0 0 k 。这些相对高温超导体，不需要昂贵的液氦，可 以代之以液氮，降低成本，使高温超导技术更适于一般应用。 超导体有一个特征就是在正常电流下，呈现超导特性，电阻几乎为零。如 果电流超过某一个阈值，超导特性就不复存在，电阻就迅速增大。这个也就是 超导所具有的超导正常态( 如图5 2 所示) ，正是利用超导的这个特征，才能 限制短路电流。高温超导故障限流器f 常运行时，通过的电流在阈值以f ，没 有电阻，没有起到任何作用，当发生短路故障时，短路电流迅速增大，超过了 闽值，超导体的电阻迅速增大，有效的限制了短路电流。高温超导故障限流器 能在较高电压下运行，同时集监测、转换、和限流一身，能在毫秒级有效的限 制短路电流。 浙江人学坝i 学位论文 第一章限制短路电流措施 图2 2 超导一正常态转换特性 目前高温超导体技术目前尚无使用。 2 4 4 固态故障限流器 固态故障限流器一般以电力电子元件作为线路开关，故障时投入限流阻抗 l ，从而限制短路电流。固态故障限流器在成本、动作速度以及控制方面有很 大的优势。固态故障限流器，由于结构不同，元件不同，目前有很多种。由于 g t o ( 门极可关断晶闸管) 在关断和投入时相对其他的电力电子开关有很多的 优点，凶此g t o 作为线路开关的故障限流器有很大的优势。文献就介绍了一 种用g i 、0 作线路开关的故障限流器。它的结构框图如图23 所示。 浙江人掣坝l 学化沦义 第一常限制短路电流措施 c t f c l - i ! 蚓路 图2 - 3g t o 故障限流器 虽然g t o 现在价格较高，但已呈下降趋势，由此g t o 越来越具有实用价值。 浙江人学倾l 学位论文第二市 实时短路电流计算 第三章实时短路电流计算 3 1 元件模型 计算短路电流时涉及到的系统兀件有发电机、变压器、线路 a 发电机模型：本文计算的短路电流为短路瞬时系统中的交流电流， 而短路后瞬时发电机可以用次暂态电动势和次暂态电抗等值，又假设d 轴 q 轴等值电抗均为x 。”，因此发电机可以采用e ”x 。”模型，正序、负序和零 序模型分别如图3 一l ( a ) 、( b ) 、( c ) 所示。 e 。 e v l ( a ) x 2 j 7 y 、r 、一 5 ( b ) x o 土 ( 。) 图3 1 发电机模型 如果没有给出x ：的值，就认为x 。等于x d ”。 b 变压器模型：变压器以阻抗表示，一般认为负序阻抗x ：等于正序阻抗 x 。零序模型与变压器的接线方式和接地方式有关。 c 线路模型：也是以阻抗表示，负序阻抗进等于正序阻抗x 。，零序阻抗 x 。，比正序阻抗大得多，一般约为正序阻抗的三倍。 浙江人学硕l 学位论殳第二章实时短路电流计算 3 2 短路电流计算 3 2 1 计算的条件和近似 1 、各发电机均削x 。”作为等值电抗，即假设d 轴q 轴等值电抗均为x 。”。发电 机等值电动势则为次暂念电动势一： e o = u n 七j iqx d ( 31 ) e 虽然并不具有那种在突然短路前后不变的特性，但从计算角度近似认为 e 不变是可取的。 如果在计算中忽略负荷( 后祥) ，则短路前为空载状态，所有电源的次暂态 电动势均取为额定电压，即标么值是l ，而且同相位。 当短路点远离电源时，可将发电机端电压母线看作是恒定电压源，电压源 取为额定电压。 2 、在电网方面，作短路电流计算时可以比潮流计算简化。一般可以忽略线路 对地电容和变压器的励磁回路，因为短路时电网电压较低，这些对“地” 支路的电流较f 常运行时更小，而短路电流更大。 3 、鉴于负荷的不确定性，本文忽略负荷的影响。这样近似的可行性是基于负 荷电流较短路电流小得多的原故。 3 2 2 迭加原理 迭加定理：对于一个具有唯一解的线性电路，有几个独立电源共同作用所 形成的各支路电流或者电压，是各个独立电源分别单独作用的结果时在各相应 支路中形成的电流或者电压的迭加。 对于如图3 2 ( a ) 所示的简单系统，当3 节点发生三相短路时，它的等值 电路为3 - 2 ( b ) ，1 、2 两节点的电压为1 ，3 节点电压为0 ，应用迭加原理后 等值电路如图32 ( ( ：) 所示： 浙江人学坝i 学位论文第二章实时短路电流计算 ( a ) ( b ) ( c ) ( j 下常情况) 图3 2 迭加原理 上 敞障情况 2 浙江人学坝 j 学化沱殳第二睁实时短路电流计算 3 2 3 对称短路电流计算 3 2 3 1 迭加原理的应用 故障后的网络状太看成足两种情况的迭加，一种是故障前的状念见图33 ( a ) ，即正常运行方式的计算结果，还有一种是各发电机的电动势均为零，而 仅在故障点d 加一电动势，该电势值刚好与第一种情况下敞障点d 的电雎v “ 相等，但极性相反，如图33 ( b ) 所示。这样当两种情况迭加时，刚好使故 障点d 的电压在单相图中等于零，相当j ：三相短路。按第二种情况计算所得的 电流即短路电流中的故障分量，与第一种情况的计算结果迭加起来，就可得到 总的短路电流。 ( a ) 图3 3 对称短路迭加原理的应用 3 2 3 2 采用导纳矩阵进行短路计算 短路计算主要采用迭加方法，即将故障前各节点的电压与故障后切出所有 电源，在故障点注入单位电流节点电压相迭加。 网络节点电压与电流的关系用导纳矩阵形式表示： 式巾j ，是一对称的稀疏导纳矩阵，可以将其分解为下列三个矩阵的乘积( 三 角分解) ： y = l b l ( 3 - 3 ) 式 ，是一个稀疏的下三角矩阵，口是一个对角矩阵，根据给定的电流j 浙江人学坝i j 学似沦文 笫二章实时短路电流计算 通过的代和回代计算就可以求得v 计算节点d 上发生对称短路时的短路电流。存故障点注入一单位电流( 其 他各节点的电流为零) ，按式( 3 - 2 ) 求出的电压值也就是故障点d 于其他各节 点( k ) 问的自阻抗z 。和互阻抗z 。再根据( 34 ) 、( 35 ) 式得到故障点的 短路乜流和故障点短路电流在各节点所产生的电爪分量。 i 。严一v d “。z “( 3 - 4 ) ( 3 5 ) 然后根据各节点的电压计算各个支路的电流。由于我们不考虑正常运行时 的负1 岢电流( 忽略负荷) ，所以短路电流就不需要再迭加。 自阻抗和互阻抗的回代方程为： j z 口= 一( l k i z 目+ f “z 目) ( 3 6 ) i = j + l z 沪 ( f f 。z 。 ：j + l 3 2 4 简单不对称短路计算 ( 3 7 ) 电力系统中不对称短路有单相接地短路，两相接地短路，两相短路。作断 路器遮段容量校核时只考虑简单故障，即只考虑电力系统中发生一处故障的情 况。 电力系统的不对称故障分析计算采用对称分量法。 3 24 1 对称分量法 根据对称分量法的原理，任何不对称的三个矢量c 、吒、只都可以分解 为三个对称的矢量系统：零序分量系统、萨序分量系统、负序分量系统。 零序分量系统：c 。、只。、e 。，这三个矢量在数值。卜和相位上都桐等， 第二章实时短路电流计算 f j 。2 。2 f 。 ( 38 ) l i 序分量系统：e ，、圪。、f ，这三个矢量数值相等，但是相位e 按a 、 b 、c 的次序分别超前1 2 。”，即如令a = 0 j 1 2 i ) = - ；+ j 竽，则 吒l = n2 1 ( 3 - 9 ) t 。2 a e ( 31 0 ) 负序分量系统：c ：、e ：、c ：，这三个矢量在数值上相等，在相位上按 a 、b 、c 的次序分别滞后1 2 0 0 ，即 民：= qc 2 ( 3 - 1 1 ) ( 3 1 2 ) 不对称的三个矢量e 、圪、e 可以用这三组对称分量表示： e = c l + c 2 + 疋o ( 3 1 3 ) e = e 1 + e 2 + 圪o ( 3 - 1 4 ) c = t l + t 2 十疋o ( 3 1 5 ) 通常在计算中，取a 相作为基准相，即把b 、c 相有关分量用a 相的相应 分量来代替。这样不对称的三个矢量只、n 、只与以a 相为基准的对称分量 c 。、c ：、c 。有如下的关系： 浙江人学坝1 学位论义 弟二章实时短路电流计算 及 九 一 一1 。 c ( 1 e ， c ： r 11 1 - ) 1f ：o | i 硝z 口h l 1 ad 2 t ： 厂111 1 1 ，。 ：；i ，d 口：忪 3 l 口2 酣定 3 2 4 2 不对称故障分析 ( 3 1 6 ) ( 3 一】7 ) 当电力系统发生不对称故障时，电力网络各点电压出现不对称的情况。但 尤论发生什么形式的不对称故障，我们总是假定各发电机内电势是对称的，即 发电机只有f 序电势，没有零序电势和负序电势。这时将故障处的电压分解为 三个对称分量匕。、圪、k ：，根据等值发电机原理可以得到( 参看图3 4 ) ： ( a ) d u k ， 吒。= o + z 以 屹，= 蜡o ，喝： 图3 4 等值相序网络 ( 3 1 8 ) ( 3 一1 9 ) ( 32 0 ) 式r f z 。z - 、z 。分别为零序网络从故障端i _ _ | 看进去的等值阻抗：，。、， d 2 v 也 d 2 浙江人学坝1 学位论文笫二章实时短路电流计算 ，。为零序、证序、负序网络的故障端口电流，其方向与电压的方向相反；嘭? 为i f 序网络的丌路电压。 - l 述方程中有六个未知变量，即屹。、圪。、圪：、。、，。、。，只有 二个方程式，凶此我们还需要找到另外三个方程式就可以解出各个序劂的电压 和电流分量。 在发生简单不对称故障时，图34 所示的等值相序网络中的d 。、d ：、d 。 都成为网络的中性点。因此，式( 3 - 1 8 )( 3 - 2 0 ) 中从各序网故障端口看进 去的阻抗z nz ，、z z 就应等于各序网故障节点的自阻抗z m 一、z “、z m 。式中，。、 、，：就是各序网故障点的短路电流。其方向取注入电流的方向。因此，简 单不刺称短路的情况下，式3 1 8 ) 一( 32 0 ) 可以改写为 圪o2 0 + z d d o ，。o 圪】= 嘴+ z “，。 3 2 4 3 单相接地短路 ( 3 - 2 1 ) ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) 另外三个方程都是通过不同的短路形式下故障点不同的边界条件得到。由 于两相接地短路和两相短路的短路电流都比单相接地短路的小，因此就以单相 接地短路为例分析，仍然以a 相为基准： v v b v j f畸一 浙￥i 一人学顺i ：学位论文第章实时短路电流计算 图35 单相接地短路的边界条件 如图35 所示，当a 相发生接地短路时，故障点的边界条件为 k ，2 0 ，。2 0 ( 3 2 4 ) ( 3 - 2 5 ) ( 3 2 6 ) 由式( 3 - 1 6 ) 将上述边界条件转换为用序分量表示的边界条件 1d 0 2i ，1 2i ，2 圪o + 圪1 + 圪22 0 ( 3 - 2 7 ) ( 3 2 8 ) 联立式( 3 - 2 1 ) ( 3 - 2 2 ) ( 3 - 2 3 ) 以及式( 32 7 ) ( 3 - 2 8 ) 可以得到各序网 在故障点的电流值： 乏一百罢瓦 然后根据式( 3 - 2 1 ) 至( 3 - 2 3 ) 得到故障点的电压值。 ( 3 2 9 ) 由各序分量的电流值和电压值可以看出，在单相接地短路故障的情况下， 各序网在故障点的电流相等，而各序网在故障点的电压之和等于零。根据这个 关系可以得到联系各序网的复合序网。如图3 6 所示 浙江人学埘1 学位论文鹕二章 实时短路电流计算 图3 - 6 单相接地短路的复合序网 简堆不对称故障的计算程序由输入数据、形成序网以及序网的导纳矩阵、 计算序网故障节点的自、互阻抗、计算各序网故障点的电流和电压、计算各序 网其它节点的电压和支路电流几个部分组成，原理框图如图3 7 所示： 浙江人学顺i j 学位沦义 帮三章实时短路电流计算 i丌始l 0 输入数据 0 形成序刚以及 导纳矩阵 0 计算序网故障 点的自互阻抗 0 计算故障点的 序电流和电压 0 十算序网节点电压 和支路电流 山 形成相电压和 相电流 l 结束 i 图3 7 计算简单不对称短路的原理框图 3 2 5 短路电流计算时用到的几种优化方法 3 2 5 1 采用稀疏存储方法 由于导纳矩阵是一个零元素很多的稀疏对称矩阵，分解后得到的三角矩 阵一般也是稀疏矩阵。为了节约内存及避免在计算机内对零元素的运算，在 计算机内存中只存储三角矩阵的非零元素。拟先采用三元组方法存储导纳矩 阵的上三角或者下三角的非零元素，如果不满足计算速度要求可以采用十字 链表法或者因子表法存储。 3 2 5 2 节点编号优化方法 由于我们只在计算机内存中存储三角矩阵的非零元素，所以三角矩阵中非 零元素的个数对内存的需要量以及程序的计算速度都有直接的影响。 一般的讲，导纳矩阵非零元素的分布和分解后三角矩阵是不同的，在分解 过程中会产生注入元素，注入元素的多少与节点编号有关，不同的节点编号方 筇三章实时短路电流计算 案所得到的注入元素的数甘也不年闩同。 节点编号优化就是寻求一种使存导纳矩阵分解为二角矩阼的过程中所产 生的注入元素最少的节点编号方式。节点优化编号可以分为三类： 静态按最少出线支路数编号：这种方法也称为静态优化法。首先统计电力 网络各节点的出线支路数，按节点出线支路数少的节点顺序编号 动态地按最少山线支路数编号：这种方法也称为半动态优化法。每消去一 个节点后，立即修正尚未编号节点的出线支路数。然后选其中出线支路数最少 的一个节点进行编号，这样可以预期得到更好的效果。 动态的按增加出线数最少编号：这种方法也称为动态优化法。用以上两种 方法编号，只能保证消去过程中出现新支路的可能性减少，但并不定保证在 消去这些节点时出现的新支路最少。比较严格的方法应该是按消去节点后增加 出线数最少的原则编号。 由于电力网络中节点的出线不会太多，因此建议采用静态优化或者半动态 优化方法。 3 3 实时短路电流计算与离线方法的不同 3 3 1 软件与e m s 紧密结合 软件与e m s 结合主要表现在以下两个方面：首先短路电流实时监测软件应 具备使用e i c s 其它功能模块输出结果的能力。其次是短路电流实时监测软件能 被e m s 其它模块调用及其输出结果能被e m s 其它模块使用。e m s 各个功能模块 的输出结果都放到e m s 的数据库中，其他功能模块都可以使用这个输出结果。 也就是说e m s 各个功能模块与e m s 的数据库相作用。短路电流实时监测软件与 e m s 的关系如图3 8 所示。 浙江人学坝 。学位论文 第一幸实时短路电流计算 图3 8 实时监测短路电流软件与e m s 的关系图 3 3 2 自动形成零序网 山于短路计算中考虑单相接地短路情况，因此，在短路电流实时计算中， 就需要零序网络。一般e m s 系统的网络拓扑分析模块只产生正序网络拓扑，这 就要求我们根据网络的结线方式、开关开合状态、变压器的接线方式和变压 器中性点的接地与否形成零序计算网络，具体的方法由短路点向外搜索，直到 形成零网岛为止。同样，在得到序电流之后也要合成相电流，就会遇到相角转 移问题，同样也要进行搜索分析。 浙“人学坝 学位论史筇y u 章通过断路器最大短路电流的计算 第四章通过断路器最大短路电流的计算 丁1 筇叫章通过断路器最大短路电流的计算 机组的电流。取其大者作为校核断路器1 的容量的标准。 发 组b 图4 - 2 发电机断路器 4 3 一台半断路器接线 台半断路器的接线方式如图43 所示。 对于中间断路器2 ，从线路a 或b 出口短路时的短路电流中选其大者。 流过断路器1 的短路电流有两种可能，计算方法与图1 线路断路器相同。 l o 1e 4 口 2 口 5e 3 口6 口 讨 图4 - 3 一台半断路器接线方式 4 4 单母线带旁路的接线方式 单母线带旁路的接线方式如图4 4 所示。旁路断路器1 平时是断开的，当 断路器2 、或3 、或4 检修时，1 就闭合，分别通过1 向线路a 、或b 、或c 供 浙人学倾l 学位论文 抑旧章通过断路器最大短路电流的计算 电。 1 口 丁一 2 口3 口4 口 图4 4 单母线带旁母的接线方式 因此，断路器l 要遮断的短路电流为线路a 、线路b 和线路c 中的最大者。 但是由于本文是实时计算，没有必要每次都比较三条线路的短路电流，每次计 算时只需将旁路断路器与其替代的线路断路器相同处理即可。 4 5 单母线分段接线方式 单母线分段接线方式如图45 所示。分段断路器1 正常运行时是闭合的， 通过1 的短路电流为下列两种情况： 当母线i 段发生短路时，线路c 、d 的短路电流： 当母线i i 段发生短路时，线路a 、b 的短路电流； 取其大者进行校验。 第章通过断路器最大短路电流的计算 弘e u 。1 l 图45 单母线分段接线方式 4 6 双母线接线方式 双母线接线方式如图4 6 所示。假设线路a 、b 是连在母线i 上，线路 c 连在母线i i 上，则流过母联断路器4 的短路电流有下列两种情况： 母线i 短路，线路c 的电流； 母线l i 短路，线路a 、b 的电流之和； 取其大者进行校验。 母线i 时线i i 图4 - 6 双母线接线方式 4 还有一些其他的接线方式比如单母线分段兼旁路、双母线分段、双母线带 旁路等接线方式，都可以依照上述六种典型接线方式处理，它们的接线方式和 通过断路器短路电流的计算原则如下。 浙江人学f _ l ；! 卜学位论文第u u 章通过断路器最大短路电流的计算 4 7 单母线分段兼旁路 接线图如图4 7 所示： 6 一i h i i ，册j 2 口3 口 u 4 口 e 1 图47 单母线分段兼旁路 断路器1 为分段断路器，6 为旁路断路器，其余的2 、3 、4 、5 断路器为普 通的线路断路器。 线路断路器按4 1 所述的原则计算； 旁路断路器6 按4 4 所述的原则计算； 如果旁路断路器6 是断开的，分段断路器1 按4 5 所述的原则计算；如果 有一个线路断路器检修例如2 需要检修，那么旁路断路器6 就闭合，代替断路 器2 进行工作，这时候如果母线i i 发生短路，则流过断路器1 的短路电流为仍 为支路a 、b 的短路电流之和，与4 5 所述的原则相同。 4 8 双母线分段接线方式 接线图如图4 8 所示： 浙江人学倾j 学位论文 帮帝通过断路器最大短路电流的计算 5 图4 - 8 双母线分段接线方式 4 主要考虑分段断路器6 ，两个母联断路器4 、5 ，根据以下几种运行方式分 别分析： 1 ) 当分段断路器6 闭合时，母联断路器4 、5 最多只能有一个闭合，假设 断路器4 闭合。相当于双母线接线方式，并且两组母线同时工作，断路器4 通过的最大短路电流可以由4 6 所述的原则计算。 断路器6 的最大短路电流由两种情况： 当在母线i i 发生短路时，通过断路器6 的短路电流为连接在i 和i i i 母线上 的支路短路电流之和； 当在母线i i i 发生短路时，通过断路器6 的短路电流为连接在i 和i i 母线上 的支路短路电流之和； 两者取其大者作为断路器6 遮断容量的校核标准。 2 ) 当母联断路器4 、5 都断开，分段断路器6 闭合时，此种情况相当于单 母线分段接线方式。通过断路器6 的最大短路电流可由4 5 所述的原则计算。 3 ) 当分段断路器6 断开、母联断路器4 、5 都闭合时，断路器4 、5 地位 相同，以断路器4 为例说明通过母联断路器最大短路电流的计算原则，通过母 联断路器4 的短路电流有两种情况： 母线i 处发生短路时，通过断路器4 的短路电流为连接在i i 和i i i 母线卜的 浙江人学颂l j 学位论文 第9 u 章通过断路器最大短路电流的计算 支路短路电流之和 母线i i i 处发生短路时，通过断路器4 的短路电流为连接存i i 和i 母线上的 支路短路电流之和； 两者取其大者作为断路器4 遮断容量的校核标准。 4 ) 当分段断路器6 断开、母联断路器4 闭合、母联断路器5 断丌时，此 种情况下相当于母线i 平i j i i l 同时工作的双母线运行方式，通过断路器4 的最大 短路电流由4 6 所述的原则计算。 5 ) 当分段断路器6 断丌、母联断路器5 闭合、母联断路器4 断开时，此 种情况下相当于母线i 和i i 同时工作的双母线运行方式，通过断路器4 的最大 短路电流由4 6 所述的原则计算。 4 9 双母线兼旁路接线方式 接线方式如图4 - 9 所示： 5 口4 ! n l 1 一 l 1 li li 1i l _ j il uu 口2 口3 口 i】 图4 9 双母线兼旁路接线方式 主要考虑通过母联断路器5 和旁路断路器4 的最大短路电流。 通过旁路断路器4 的最大短路电流可以参照4 4 中所述原则计算。 浙江人学倾j ：学位论文 第章通过断路器最大短路电流的计算 当旁路断路器4 断丌时，通过母联断路器5 的最大短路电流可以参照4 6 中所述原则计算；假如线路断路器1 检修，旁路断路器4 闭合，把断路器4 当作断路器1 对待，仍然可以山4 6 中所述原则计算通过母联断路器5 的最大 短路电流。 浙江人学坝l 学位论文 第五市实时监测短路电流软件概述 第五章实时监测短路电流软件概述 5 1 软件设计目标 为浙江省电力通信中心提供个能实时监测断路器遮断容量的手段。具体 目标为： a 实现实时读取电网数据包括f 序数据和零序数据。 b 形成f 序网和零序网。 c 形成短路电流计算列表 d 实时计算短路电流。 e 实时监测断路器遮断容量。 5 2 软件设计原则 a 网络实时数据都来源于e m s 数据库。 b 短路电流计算需要考虑两种短路情况，即三相短路和单相接地短路。 原因是浙江电网密集，又大鼍采用自藕变压器，可能导致发生单相短 路时的短路电流比发生三相短路的短路电流大。 c 正序网中发电机用次暂态ex d 模型。 d 短路电流计算采用近似算法，不考虑负荷，j f 常运行时各节电的电压 为1 o 。 e 只校核1 i o k v 及以上电压等级的断路器的遮断容量。 f 建立友好的用户界面和系统维护功能。 浙江人学 ! i i i 学位论文 筇五章实时监测短路电流软件概述 g 建立功能完备数据接| 方式。 5 3 软件设计任务 a 确定软件结构、丌发平台和运行环境。 b 确定软件功能。 c 确定短路电流计算方法。 d 确定系统数据库内容及结构。 e 确定软件人机界面。 f 确定软件数据接口功能。 g 开发软件包。 5 4 运行环境、开发平台及配置 运行环境：软件运行在浙江省电力通信调度中心的一台u n i x 平台下的服务 器上。 软件开发平台：软件，f 发平台采用标准c + 十为开发工具，在e m s 提供的二 次平台上进行开发，软件在u n i x 操作系统下运行。标准c + + 作为一种具有封 装、继承、重载以及支持动态联编特性的面向对象的语言，在开发本软件时能 够实时、有效的实现需要的功能。 基本硬件配置： 服务器的硬件配置：浙江省电力通信调度中心有两台服务器通过网关与 c n u 相连。每个服务器的配置为： 1 2 8 m br a m 4 1 g bs c s ih d 1 4 4 h 1 bf 1 0 p p yd o 2 f a s tp c i ( 1 0 1 0 0m b t ) e t h e m e tc a r d s 浙t i i 人学坝l 。学位论文 菊血章实时监删短路电流软件概述 l c dr o m 1 x5 ”m o n i t o r ( 1 0 2 4 7 6 8 ) 客户机的硬件配置：两个服务器下面还有3 个客户机相连。每个客户机的配置 为 6 4m br a m 1 4 4 1 bf l o p p yd d 2 1 0 0 b a s ete t h e m e tc a r d s 1x 6 0 0 m b3 2c d r o m 1x h i g hr e s o l u t i o n6 r a p h i c sc a r d l x 2 l ”c o l o fm o n i t o r ( 1 2 8 0 x 1 0 2