电力系统自动化课程设计

1、西安交通大学电力系统自动化课程设计报告院（部）别信息科学与电气工程学院姓 名学 号指导教师课程设计任务书题 目电力系统自动化课程设计院（部）信息科学与电气工程学院专 业电气工程及其自动化班 级学生姓名 学 号12 月15日至 12 月_26_日共 2 周指导教师（签字）负责人（签字）年 月 日一、设计内容及要求内容：利用不对称故障分析方法解决实例纵向不对称故障单相断相线路问 题。要求：求出各相的不对称分量，画出向量图，并在Matlab中进行模拟仿真，获得断相后电流、电压波形图。二、设计原始资料给定一个具体系统，假设当在 FF 发也相断相时，求断相处的负序，零序的电 流，电压及故障相中的电流，并

2、与故障前的电流进行比较。假定各元件参数已归算到以Sb=100MVA。 Ub二Uav为基准的标幺值。电源相电 动势归算到故障点电压级的标幺值为 Ea=j1.43。其余参数见复合序网图。三、设计完成后提交的文件和图表1 计算说明书部分根据题目要求求出故障点的对称分量和非对称分量的电流、电压 正常情况下线路负荷电流。对比手算结果与Matlab计算结果。2 仿真部分：根据所求电流、电压结果分别画出电压、电流向量图。利用Matlab软件仿真得出线路正常与线路发生断相时各测量点的电压、电流波 形。四、进程安排第一周：周一、周二：整合所有知识点及资料；周三一周五：完成手算及 Matlab计算与仿真;第二周：

3、周二、周三：完成设计报告；周四：交打印版设计报告；周五：答辩；五、主要参考资料1 刘万顺，黄少锋，徐玉琴，电力系统故障分析（第三版）M.北京：中国电力 出版社，2010.2 李维波，Matlab在电气工程中的应用M 北京：中国电力出版社，2007.3 钟麟，王峰.Matlab仿真技术与应用教程M.北京：国防工业出版社，2004.4 韩祯祥，吴国炎等.电力系统自动化.（第二版）M.北京：浙江大学出版社， 1993.目录第一章电力系统故障分析 81.1电力系统故障分析作用及意义 81.2电力系统故障概率 81.3电力系统故障计算的基本原则和规定 101.4不对称故障分析概述 111.5不对称故障分

4、析 111.6不对称故障分析计算步骤 12第二章纵向不对称故障分析 1 32.1纵向不对称故障分析 132.2断路故障的简略记号 1 32.3 一相断相故障分析 14第三章电力系统纵向故障分析实例计算分析 163.1电力系统纵向故障分析实例要求 163.2理论计算 163.3 Matlab 计算过程 183.4.电力系统故障实例仿真模型及各模块参数设置 203.5仿真波形结果 21课程总结 26课程设计心得 27附录 28参考文献 31Word资料在电力系统故障中，仅在一处发生不对称短路或断线的故障，称为简单不对 称故障。它通常分为两类：一类叫横向不对称故障，包括两相短路、单相接地 短路以及两

5、相接地短路三种类型。这种故障发生在系统中某一点的各相间或相与 地之间，是处于网络三相支路的横向，故称为横向不对称故障。另一类是发生 在网络三相支路的纵向，叫纵向不对称故障，包括一相和两相断相两种基本类型。不对称故障的分析计算是故障分析的基本内容之一。 在电力系统设计和运行 中，不对称故障时出现时各序对称分量以及各相电流、电压的分析计算，是选择电气设备、确定运行方式、整定继电保护、选用自动化设备和事故分析的重要依 据。在电力系统各种故障中，不对称故障所占的比例很大。当电力系统某点发生故障时，求出故障点处电流、电压的大小和特征，以及 网络中其他位置（如继电保护安装处）电流、电压的大小和特征。Abs

6、tractIn power system failure, occurs only asymmetrical short circuit or disconnection fault in one place, called simple asymmetrical fault. It is usually divided in to two categories: a class called asymmetric tran sverse faults, including two-phase short circuit, single-phase and two-phase ground s

7、hort circuit is shorted to ground three types. This failure occurs betwee n a point in each phase or phase to ground system, is in a three-phase branch network Iandscape, it is called a lateral asymmetry fault. occurs in the network and the other is a three-phase vertical bran ch, called the vertica

8、l asymmetry failures, in clud ing an off-phase and two-phase two basic types.An alysis and Calculatio n of asymmetry failure is one of the basic content of the fault analysis. In power system design and operation, when a fault occurs asymmetrical and symmetrical components of each sequenee analysis

9、to calculate the phase current, voltage, and is the choice of electrical equipment, determine the operating mode, relay setting, the choice of automation equipment and accident analysis of important in accordanee with. Various failures in the power system, a large perce ntage of asymmetric fault.Whe

10、n a point of power system failure, find fault current at the point, the size and characteristics of voltages, as well as other locations in the network (such as the installation of the relay) current, the size and characteristics of voltages.第一章电力系统故障分析1.1电力系统故障分析意义“电力系统故障分析”主要是研究电力系统中由于故障所引起的电磁暂态过

11、程，搞清楚暂态发生的原因、发展过程及后果，从而为预防及消除电力系统的故 障准备必要的理论知识。电力系统发生使对称结构遭受破坏的短路或断路故障，由于短路会产生十分 严重的后果，因而引起了高度重视。除尽量消除导致短路、断路的原因外，还应 在短路、断路故障发生后及时采取措施， 尽量减少短路造成的损失，如采用继电 保护将故障隔离，在合适的地点装设电抗器以限制短路电流， 采用自动重合闸消 除瞬时故障使系统尽快恢复正常等。这些措施均须建立在故障计算的基础上。在 发电厂、变电所以及整个电力系统的设计工作中， 都必须事先进行短路计算，以 此作为合理选择电气接线、选用有足够热稳定度和动稳定度的电气设备及载流导

12、体、确定限制短路电流的措施、合理配置各种继电保护并整定其参数等的重要依 据。因此故障计算对于电力系统的设计和安全运行具有十分重要的意义。1.2电力系统故障概率运行经验指出，架空输电线是电力系统中比较薄弱的环节， 发生短路的几率 最高，我国某电力系统多年统计出在不同范围内发生短路故障的相对次数列出如图所示线路范围发生几率在110kV线路上78.0%容量为6000kW 以上的发电机7.5%110kV变压器6.5%110kV母线8.0%图1.2.1 :不同范围能发生短路故障几率从图中的数字中可以看出单相短路几率占压倒性多数，国外的运行经验也证明了这一点。三相短路的几率是很小的，但这并不说明三相短路无

13、关紧要， 相反对三相短路应该加以重视，因为三相短路的情况最严重，有时为了最后论断 电力系统在短路情况下工作的可能性， 他起着决定性的作用。此外，研究三相短 路之所以重要，还由于我们在分析计算不对称短路时， 往往把不对称短路看成某种假定的三相短路来处理短路类型发生几率三相短路5%二相短路4%二相短路接地8%单相短路83%图1.2.2 : 110kV线路上各种类型短路故障几率1.3电力系统故障计算的基本原则和规定电力系统三相短路计算主要是短路电流周期分量的计算，在给定电源电势 时，实际就是稳态交流电路的求解。在电力系统短路电流的工程计算中，许多实际问题的解决（如电网设计中的 电气设备选择）并不需要

14、十分精确的结果，于是产生了近似计算的方法。在近似 计算中主要是对系统元件模型和标么值参数计算做了简化处理。在元件模型方 面，忽略发电机、变压器和输电线路的电阻，不计输电线路的电容，略去变压器 的励磁电流（三相三柱式变压器的零序等值电路除外），负荷忽略不计或只做近 似估计。在标么值参数计算方面，在选取各级平均电压做为基准电压时， 忽略各 元件（电抗器除外）的额定电压之比，即所有变压器的标么变比都等于1。此外，有时还假定所有发电机的电势具有相同的相位，加上所有元件仅用电抗表示，这就避免了复数运算，把短路电流的计算简化为直流电路的求解。短路计算的目的是为了选择导体和电器，并对其进行相关校验。基本假定

15、短路电流实用计算中，采用以下假设条件和原则：正常工作时，三相系统对称运行；所有电源的电动势相位角相同；系统中的同步和异步电机为理想电机， 不考虑电机饱和、磁滞、涡流及导体 集肤效应等影响；转子结构完全对称；定子三相绕组空间相差120。电气角；电力系统中各原件的磁路不饱和，即带铁芯的电气设备电抗值不随电流大小 变化；电力系统中所有电源都在额定负荷下运行， 其中50%负荷接在咼压母线上， 50%负荷接在系统侧；同步电机都具有自动调整励磁装置（包括强行励磁）；短路发生在短路电流为最大值的瞬间；不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流；除计算短路电流的衰减时间常数和低压网络的短路电流外，元件的电阻都略

16、 去不计；元件的计算参数均取其额定值，不考虑参数的误差和调整范围；输电线路的电容略去不计；用概率统计法制定短路电流运算曲线。一般规定：(1 )验算导体和电器动稳定、热稳定以及电器开断电流所用的短路电流， 应按本工程的设计规划容量计算，并考虑电力系统的远景发展规划(一般为本期 工程建成的510年)。确定短路电流时，应按可能发生最大短路电流的正常接 线方式，而不应按仅在仅在切换过程中可能并列运行的接线方式；(2 )在电气网络中应考虑具有反馈作用的异步电动机的影响；(3) 选择导体和电器时，对不带电抗器回路的计算短路点应选择在正常接线方式时短路电流为最大的地点。对加装电抗器的 610KV出线与厂用分

17、支线 回路，除其母线和母线隔离开关之间隔板前的引线和套管，计算短路点应选择在电抗器前，其余导体和电器的计算短路点一般选择在电抗器后；(4) 导体和电器的动稳定、热稳定和电器的开断电流，一般按三相短路验 算。若发电机出口的两相短路或中性点直接接地系统及自耦变压器等回路中的单 相、两相接地短路较三相严重时，则应按严重情况计算。1.4不对称故障分析概述在电力系统故障中，仅在一处发生不对称短路或断线的故障，称为简单不对 称故障。它通常分为两类：一类叫横向不对称故障，包括两相短路、单相接地 短路以及两相接地短路三种类型。这种故障发生在系统中某一点的各相间或相与 地之间，是处于网络三相支路的横向，故称为横

18、向不对称故障。另一类是发生 在网络三相支路的纵向，叫纵向不对称故障，包括一相和两相断相两种基本类型。1.5不对称故障分析不对称故障的分析计算是故障分析的基本内容之一。 在电力系统设计和运行 中，不对称故障时出现时各序对称分量以及各相电流、 电压的分析计算，是选择 电气设备、确定运行方式、整定继电保护、选用自动化设备和事故分析的重要依 据。在电力系统各种故障中，不对称故障所占的比例很大。当电力系统某点发生故障时，求出故障点处电流、电压的大小和特征，以及 网络中其他位置（如继电保护安装处）电流、电压的大小和特征。不对称故障分析计算不对称故障的方法很多，如对称分量法，、川0分量法，以及在abc坐标系

19、统中直接进行计算等。实际应用最广泛、最基本的方法仍是对 称分量法。应用对称分量法分析计算简单不对称故障时， 对各序分量的求解，一般有两 种方式：一种是直接的联立求解三个序的电动势方程和三个边界条件方程；另一种是借组于复合序网图进行求解，将三相不对称的问题转化为对称的一相进行求 解，即根据不同的故障类型所确定的边界条件，将三个序网络进行适当的连接， 组成一个一相的复合序网，通过对复合序网进行计算，便可求出电流、电压的各 序对称分量，还可以根据需要，通过叠加方法获得三相的电压、电流。由于复合 序网图的求解方法比较简单，具有通用性，又容易记忆，因此应用较广。1.6不对称故障分析计算步骤（1 ）先计算

20、出短路或短路点处待求得正序、负序、零序电压和电流，共六 个未知数（主要的待求电气量是三个未知电流）。（2 ）利用正序、零序、负序的电路关系，进一步求出各支路或某一位置的 电流、电压。（3 ）将三个电气量进行合成，求出所关心位置的三相电流和电压。第二章 纵向不对称故障分析2.1纵向不对称故障分析纵向不对称故障主要包括单项断路和两项断路，故称非全相运行。造成非全 相运行的原因很多，例如：一相或两相的导线断线；分相检修线路或开关设备； 开关在合闸过程中三相触头不同时的接通； 某一线路单相接地后，故障相开关跳 闸等。电力系统在发生纵向不对称故障时， 虽然不出现危险的大电流和引起电压 的急剧波动，但系统

21、中会产生负序和零序分量。负序电流的出现对发电机转子有 危害，且将影响发电机的出力和损坏绝缘。 零序电流的出现对通信系统则有干扰 作用。此外，对于系统中反应不对称故障的继电保护装置，则要考虑是否引起不动作或拒动作的问题。为了便于采取必要的措施，以便处理和解决上述诸类问题， 就需要对纵向不对称故障进行分析计算。2.2断路故障的简略记号断路故障的简略记号如图2.2所示:断路类型示意图代表符号单相断路FF1二相断路FF2图2.2断路故障的简略记号2.3 相断相故障分析在不对称故障中,a相发生一相断相故障后,系统接线图如图所示,系统等效图如图所示dUjFFI dUa IdUb .Zm人NZnFFZn图2

22、.3.1 a相断相系统接线图图2.3.2 a相断相系统等效图设图中的F、F处发生a相断相，那么，可以很清楚地看到，与图 对应的a相的边界条件为：LLLI a =0 ； .；：Ub = 0 ； - U - 0选a相作为基准相之后，将其转换为对称分量表示，得:fL _-、I I al 十 | a2十 I a3 = 0L严 UaliUa2“Ua0,根据这个对称分量的边界条件，可以在断相处将三个序网络合成一个复合序网，如图所示。有复合序网求出断相处的各序分量：alX2 ”X2、X。、 E Ia2a0，UaiUa2Ua0 屯坐显X2Z+ XdZEamF1F1Ean图233a相断相时的复合序网络第三章电力

23、系统纵向故障分析实例计算分析3.1电力系统纵向故障分析实例要求如下图所示的系统，当在FF 发生a相断相时，求断相处的负 序，零 序的电流，电压及故障相中的电流，并与故障前的电流进行比较。假定各元件参数已归算到以Sb=100MVA. Ub二Uav为基准的标幺值。电源相 电动势归算到故障点电压级的标幺值为 Ea=j1.43。其余参数见图复合序网 图。图3.1.1 a相断相后系统接线图图给定复合序网络图3.2理论计算L La相断相时，求故障点处的负序及零序电流电压以及非故障点的电流Ib、Ic以a相为基准，对应断相时的复合序网图如上图所示。由复合序网图可知：X1、二 0.25 0.2 0.15 0.2

24、 1.2 = 2 x2 广 0.250.2 0.150.20.35 =1.15x , =0.20.570.2 二 0.97KiEaZj1.43j(Xi 仝旦)j(21.15 0.97 )X2、心1.15 0.97二 0.565a2-illXo=_0.565 m 凹一X2、X0、1.15 0.97-0.258Ula1alX2杯X。、0565肿需=-0.307= U a0=0.565X2X。1.15 0.971.150.97j 0.297非故障相的电流为：lb：山2 a0 =0.565 240 -0.258 120 -0.307=-0.461-j0.714 = 0.85 237l山：2山2 Ia0

25、 =0.565 120 -0.258 240 -0.307=-0.461 j0.714 = 0.85 123正常情况下流过线路的负荷电流为:llEai 二 j1.43jx” j2二 0.715I b 一 I b1b10.85 - 0.7150.715100%二 18.9%从上面计算结果可知，a相断相时，非故障相（b、c相）中的电流比断相 增加18.9%，所以发生单相断相故障时要注意非故障的过负荷问题。电流向量图如图所示图321电流向量图电压向量图如图所示图电压向量图3.3 Matlab计算过程基准值：SB =100基准值：Ea1z =0 + 1.4300i正负零序线路各元器件给定阻抗标幺值正负

26、零序线路总阻抗标幺值：X1z =X2z =1.1500X0z =0.9700各序分量：Ia1 =0.5661Ia2 =-0.2590Ia0 =-0.3071Ua1 =0 + 0.2979iUa2 =0 + 0.2979iUa0 =0 + 0.2979i非故障相电流值：la =0lb =-0.4606 - 0.7145iIc =-0.4606 + 0.7145i正常情况下流过线路的负荷电流Ia1z =0.7150Iperce ntage =0.1890电流向量图如图所示图3.3.1 Matlab计算电流向量图电压向量图如图所示图3.3.2 Matlab 计算电压向量图3.4.电力系统故障实例仿真

27、模型及各模块参数设置实例仿真模型及各模块参数设置整个正常时电路图如图所示所示。图341仿真模型实例仿真模型及各模块参数设置整个不正常时电路图如图图仿真模型3.5仿真波形结果正常情况各测量点电压仿真波形如图及电流仿真波形如图所示图正常情况下测量点电压仿真波形图正常情况下测量点电流仿真波形a相发生断相后各测量点测得仿真电压及电流波形如图、图、图、图所示。图3.5.3 a相断相后靠近发电机的变压器的电压仿真波形图3.5.4 a相断相后靠近发电机的变压器的电流仿真波形图3.5.5 a相断相后线路的电压仿真波形图3.5.6 a相断相后线路的电流仿真波形仿真波形分析如图、图所示，当a相发生断相后，靠近发电

28、机的变压器产生 的电压波形不变，电流波形发生畸变。如图、图所示，当a相发生断相后，靠近发电机的变压器产生 的电压波形a相幅值变小，b、c相不变；电流波形a相为零，其它相幅值变小。课程总结本次课程设计充分利用了 MATLAB强大的仿真功能，将电力系统发生故障时 电压随时间变化情况形象的展示出来， 加深了我对电力系统故障的认识，为今后 深化学习相关知识打下了坚实的基础。知识就是力量，学无止境。在科学的道路上没有平坦的大道，只有沿着陡峭 山路不畏艰险而勇于攀登的人，才有希望达到光辉的顶点。今后我要更加努力学 习来提高知识水平和能力，为社会建设与发展贡献自己的一份力量。课程设计心得通过本次课程设计，提

29、高了我分析问题、解决问题的能力，提高了团队协作能 力，加深了对专业知识的理解与认识，感到获益匪浅。通过课程设计我认识到学习是一个循序渐进的过程，需要不断积累，只有这样 才可以转化为能力。在课程设计过程中需要有耐心，勇于探索科学的真理。本次 课程设计是大学四年级最后一次课程设计了， 感觉时间过得很快。在课程设计过 程中感谢小组同学的帮助，感谢老师的陪伴。附录参考程序disp(基准值：);SB=100disp(基准值：);Ea1z=1.43idisp(正负零序线路各元器件给定阻抗标幺值：);X1=0.25;% 正序X2=0.2;X3=0.15;X4=0.2;X5=1.2;X6=0.25;% 负序X

30、7=0.2;X8=0.15;X9=0.2;X10=0.35;X1仁0.2;%零序X12=0.57;X13=0.2;disp(正负零序线路总阻抗标幺值:);X1z=X1+X2+X3+X4+X5;X2z=X6+X7+X8+X9+X10;X0z=X11+X12+X13;X1zX2zX0zdisp(各序分量:);Ia1= Ea1z/(X1z+X2z*X0z/(X2z+X0z)*j);Ia2=-Ia1*(X0z/(X2z+X0z);Ia0=-Ia1*(X2z/(X2z+X0z);Ia1Ia2Ia0Ua1=(la1*(X2z*X0z/(X2z+X0z)*j;Ua2=(la1*(X2z*X0z/(X2z+X

31、0z)*j;Ua0=(la1*(X2z*X0z/(X2z+X0z)*j;Ua1Ua2Ua0disp(非故障相电流值:);a=-1/2+3A(1/2)/2*j;la=0;lb=aA2*la1+a*la2+laO;lc=a*la1+aA2*la2+laO;lalblcdisp(正常情况下流过线路的负荷电流:);la1z=Ea1z/(X1z*j);lperce ntage=(real(lb)A2+imag(lb)A2)A(l/2)-la1z)/la1 z; lalzlperce ntagedisp(各分量向量:);lb1= la1*a;lc1=la1*aA2;lb2=la2*aA2;lc2=la2*a;figure(1);compass(la,lb,lc,la1,lb1,lc1,la2,lb