【《配电网故障恢复MATLAB仿真研究》9600字】

I1绪论1.1题目背景及意义配电网处于电力系统的末端，具有地域分布广、电网规模大、设备种类多、网络连接多样、运行方式多变等鲜明特点REF_Ref18597\r\h[1]。配电网系统是电力传输的重要支持和保障，除了能够促使电量的安全传输之外，还可以提升整个电力传输的稳定性，为居民的用电安全奠定坚实的基础REF_Ref6556\r\h[2]。近年来,国家电网公司智能电网进入全面建设阶段,智能配电网的研究与试点工作也在深入推进,取得了较大的进步REF_Ref6602\r\h[3]。随着智能配电网建设的开展，科研、生产、建设和运行管理部门齐心协力，共同推动了配电自动化技术进步REF_Ref6641\r\h[4]。配电网络的故障恢复再生重构模块作为智能配电网的重要一部分，同时又是整个配电网络都能够安全、可靠地正常运行的一项重要保证，越来越广泛地受到了人们的重视和依赖。同时，配电网络的故障修复也被认为是当前我国电力系统发展中所需要研究的一个重要课题，因为其与我国配电网络的技术革新发展密不可分。电力系统运行中常发生安全故障，严重影响电力系统的安全、稳定运行REF_Ref6749\r\h[5]。随着我国配电网建设规模的进一步扩展，对于配电网建设运营的安全、稳定风险管理能力以及其运行机制均提出了严峻的挑战。同时，随着自然灾害发生的频率不断增高，从而导致造成大范围配电网的事故数量越来越大，这些都针对现有的配电网在工程中的正常使用提出了一定的挑战。1.2国内外研究现状随着现代我国经济社会市场经济和城市居住者日常生活中对使用电力的严重程度依赖文化程度日益明显提高。随着社会经济的不断发展，人们对供电质量和供电可靠性的要求越来越高．正是在这样的背景之下，近年来建设智能电网成了国际电力行业的热点REF_Ref6840\r\h[6]。在发达国家对于促进配电运输系统的基础建设和产业发展一直十分重视，投资的支持力度也很强，占整个我国配电运输系统项目总体设计投资的50%以上，其中大中型重点城市的单个配电系统项目的总投资往往最多的也可以长期达到60%以上，而且目前我国的各大电力企业，长期把自己产业发展的战略重心都全部放在了输电网，其配电网络的规模质量相比于发达国家仍然一直存在一定的发展差距。不过近年来，随着我国现代国民经济的快速发展以及走向现代化的人们对于电网供电的安全可靠性已经提出了更高的技术要求，国家电网公司、南方电网公司和主要的中国地方电网供电建设企业分别从2011年、2009年和2008年动工开始，配电网的规划建设项目总量和投资规模逐渐逐步扩大并远远完全超过了传统输电网。由于目前我国的配电网自动化建设工作和国外相比还是处于起步阶段。早期配电网络因为受到当时的经济环境和技术条件以及其他因素的限制，从而导致了配电网络的发展程度较低。近一个阶段，随着农村和城市的规模建设，企业的高速生存和发展，以及广大贫困乡村和城镇化土地的改造，社会主义现代化新农村建设，这几个方面都造成了对用电量和负荷快速增加，对供电的安全和可靠性提出了更高的要求。使得我国的配电网规划和发展并未适应社会各个方面的需要。供电服务质量也得不到有效的保障。早期所用线路，线径粗糙，再加之年久失修，线损比例相对较高，导致线损耗相对较大。目前，我国普通地区的电网功率损耗15%～20%，个别地区可以达到30%左右，这样就会对大量能源的消耗造成浪费，对环境也造成严重的污染。在对设备进行选型中，缺少统一的计划，最终造成新设备才刚开始使用，老设备也会出现问题，无法达到整体性优化的目标。在陈旧的配电网框上安装了先进的配电自动化系统，因此，出现了一次性的网架设施不相适应，主站的功能和控制端之间不相互匹配，通讯渠道容量过剩等问题。我国配电网建设和自动化系统工程技术行业的相关标准虽然都已经出台，但是想要彻底解决各地不规范的配电网建设和自动化工程技术存在的问题，不是一天两天就可以得到解决的，还是需要一个漫长的过程。2配电网2.1配电网的组成配电系统是电力系统的重要组成部分，是输电网和用户之间的重要中间环节REF_Ref6919\r\h[7]。把整个电力系统中从高至低压配电再到配电的电力出口高压输送至电力用户端的此一段电力系统就被我们称之为高压配电(这也即高压变频器)。配电传输系统主要来说是由多种电网配电装置(或者配电元件)及其他的配电基础设备(又比如移动互联网)和各种电网配电基础设施综合组成的一种，它可以实时变换网上电压并直接给电网终端供电用户直接进行电源分配的一种电力资源网络传输系统。

配电网由直线架空式配电线路、杆塔、电缆、配电箱及变压器、开关配电装置、无线恒功电压调整器及补偿器和电容等各种配电装置和其他电力附属配电设施共同综合组成，它在我国电力传输网络建设中的主要作用功能就是为整个电力系统供电。从整个配电网的配套性质这一方面这个角度上来考虑，配电网的配套设备也就是可以直接归纳到作为一个用于变电站或者配电网的设备。2.2配电网的结构配电网通常都是采用大型闭环电网设计，开环式电网运行，其电网结构多为电磁辐射。采用这种新型闭环电路结构主要工作目的也就是为了大大改善系统正常运行的工作灵活性与系统供电的安全可靠；这种开环电路运行一方面工作目的主要是为了有效地通过限制一些断路器的内部故障波动电流，防止一些断路器在运行过程中电流超出电路掩盖器被遮断的电流容量而导致发生爆炸，另一方面工作目的主要是通过闭环控制电路故障电流波动率的范围，避免电路故障器在停电的情况影响波动范围发生变化。2.3配电网的特点配电网具有电压等级大、网络结构复杂，设备种类多样，作业地点数量大且面积广，安全性和环境条件相对恶劣等特征，所以配电网在建设过程中存在的安全和危害性影响因素相对比较多。配电信号线路的普通导线连接线径类型相对于普通输电信号线路的小，且"主线段与分歧线"以及"上、下相邻线路"的连接导线线径类型与其规格之间相差很大，导致各种类型配电线的连接线路之间由于短路率与阻抗的导线夹角相比φ较小，即r/x较大。不仅如此导致在各种输电网中所用的需要及时采用的短路潮流收敛计算式和各种常规收敛方法很难在我们进行各种配电电网短路潮流收敛计算式的过程中及时得到精确的潮流收敛，还有很多机会因为各种不同点位的故障可能发生的配网短路潮流电阻和偏角不一致，对于潮流保护系统动作的执行灵敏度、稳定性等等都会因此产生一定的不良影响。2.4配电网的规划传统配电网规划的主要任务是确定在规划期内何时、何地投建何种类型的输电线路及其回路数，以满足规划周期内的区域电力负荷需求，在确保达到线路载流能力、节点电压水平、供电可靠性等各类基本技术指标的前提下，追求系统投资成本的最小化REF_Ref7023\r\h[8]。

配电网总体规划主要是指通过分析并研究未来配电网负荷变化情况和城市配电网发展现状等因素而制定的一套系统拓展与改造相结合的规划。在尽可能地满足未来提高用户供电容量和提高电能质量的条件情况下，对于可能发生的各种接线形式、不同的供电线路个数和不同导线截面，以保证运行的经济性为主要衡量指标，选取最优或者次优的方案进行改造，从而让电力企业及其相关部门能够获得最佳利益。配电网使用总体规划的主要研究内容一般包括:电力配电网使用负荷变化预测、变电站规划优化、配电网主要基础配套设施规划优化、配电网使用潮流评估计算、正常及重大故障发生状况下的电网可靠性评估分析等。3Matlab简述3.1Matlab简介Matlab也就是"Matrix

Laboratory"的一种英文拼音缩写，意思也就是“矩阵实验室”，它同时也是当今世界美国很普遍并且流行的一种新型科学计算应用软件。随着我国现代化的信息科学技术、计算机科学技术的不断发展至今，科学计算在各种科学领域都已经开始得到了广泛的科学研究和推广应用。在许多科学领域中，例如过程控制计算理论、时间学和序列计算分析、系统计算仿真、图像学和信号计算处理等都会大有所应的体现出来。3.2Matlab的功能Matlab系统有着强大的网络特性，可以被现代人们广泛用来在国际网络上实时进行许许多种类型的分析工作，具体功能包括内容如下：模拟数值符号分析系统中的模拟数值和数字符号计算、工程与信息科学系统画图、控制管理系统工程设计与科学仿真、数字图像处理仿真技术、数字信号图像处理仿真技术、通讯通信系统工程设计与科学仿真、财务和信用金融系统工程等。3.3Simulink的应用Simulink是放在Matlab应用软件下的一个应用附加集成组件，是一个专门基于用来对各种类型动态信息系统中的信息模型进行系统建模、仿真和数据分析的放在Matlab应用软件中的集成工具包。它不仅是一种能够支持连续、离散以及二者相互作用混合的一种线性、非线性处理系统，同时它本身还是一种能够支持一个具有不同的部分而且可以拥有不同频率采样处理频率的多种不同采样处理频率的自动仿真处理系统。其主要的技术功能之一就是通过对现有自动化控制系统的自动建模、方针和设计分析进行实现，可以预先地对系统软件进行自动仿真与设计分析，按照现有自动化系统仿真的最优控制效果图的要求对原来系统进行自动调试及对自动控制管理系统的各项控制参数功能进行自动整定。Simulink的次序仿真与计算分析的主要仿真步骤就是根据先后序的次序仿真顺序及其表示方式为：从仿真模块数据库中自动选取所应用需要的各种动态基本功能仿真模块，建立一个功能结构图仿真模型，设置各种相应的功能仿真处理参数，进行各种动态功能仿真并通过视频图像观察功能输出的仿真结果，针对各种功能输出的仿真结果分别进行仿真分析和计算比较。Simulink是Matlab的一个重要组件，在Simulink环境下，用户无需编程，只需要通过简单的鼠标点击操作，即可方便地把数学模型转化为软件模型，完成动态系统建模与仿真REF_Ref7157\r\h[11]。

Simulink该模块库为系统用户设计提供了丰富的各种可以用来描述信息系统基本设计特性的各种典型设计环节，有各种信号源系统模块化的库(source)，接受系统软件模块化的库(sinks)，连续系统软件模块化的库(continuous)，离散系统软件模块化的库(discrete)，非连续系统软件模块化的库(signalrouting)，信号源与属性系统模块化的库(signalattributes)，数学库与运算系统模块化的库(mathoperations)，逻辑与基本位操作模块库(logicandbitoperations)等等，此外它们里面还特别包含了一些专门可以用于某些相关学科领域进行系统仿真的模拟工具盒。

4三相电路4.1三相电路故障4.1.1三相四线电路目前我国的配电网在供电中大部分是采取三相四线的方式。如下图4-1所示的是三相四线控制的示意图：图4-1三相四线制示意图从图4-1中我们可以清楚地看出此种供电方式下可以给用户提供两种不同的电压，线电压(380V)和相电压(220V)，可以很好地适应不同类型的用户。三相四线制的供电比较理想的工作状态，特别是三相负载平衡，此时其中线的电流均值为零，从一个理论上来分析此时的中线电流可有或无，不会直接影响整个设备的正常工作。但是在现实情况下三相平衡仅仅是相对的，不平衡则绝对的，所以在现实中使用中的三相中线都是必须具备的，这样我们就能够很好地保证每一相电压的稳定和输出。4.1.2接地故障与短路故障单相接地就是即使没有零接地线也可用更多的零接大地线代替零接地线。配电网接地系统中，单相接地故障发生率最高，约占全部故障总数的80%~90%左右，因此，配电网单相接地故障处理系统的研究意义重大REF_Ref7248\r\h[12]。相间电路接地时的短路电流即供电火线与其他供电火线之间的接地短路，相当危险，瞬时断电产生的短路电流很大。虽然发生两相短路接地故障的概率相对较小，但其对电力系统的危害却很大REF_Ref7314\r\h[13]。相指的也就是三个三相交流电势在三个相位不同方向上的相对角度，三相电势指的就是三个点在相位不同方向上相相角度大小差别不同的三个交流电势。所谓的高频单相接地供电技术就是指在三相高频交流稳压供电电路系统中一根直接的接地相线和一条大地线直接形成等于零电位的接地状态了，即这条直接接地线的单相输出接地电位和这条大地线直接输入输出电位都一样应该一定是“零”。相间供电短路主要原因是一种情况泛指在三相短的交流相线供电电路系统中两根短的交流供电相线之间的短路绝缘性能受到很大破坏，从而直接导致短路电流相接触的一种现象，此时短路可能会直接产生很大的相间短路电流，属于严重的一种交流相线供电短路事故。4.1.3断路故障三相中一旦所需要连接的一相所在电源相上发生了电压断路，只会大大影响连接到电源的本相，其他两个相之间的有源电压依然可以保持恒定，确保所有的连接在这两个电源相上的各种通用电器电路装置仍然一样可以正常工作运行。但是，零线断开后,由于负荷不平衡而造成中性点位移,三相电压不再成互为120REF_Ref7389\r\h[14]。致使三相电压不平衡，即有的相电压过高，可能烧毁电器设备，有的相电压过低，电器设备无法正常使用。4.2零序电流配电网中性点接地方式与供电可靠性、继电保护、过电压、人身安全等问题密切相关，是电力系统安全与经济运行的基础问题之一REF_Ref7461\r\h[15]。在目前为止我国，电力系统中的零线接地工作方式一般可以大致性地划分如下为3种：一种就是高压中性点直接零线接地；二是中性点经高压消弧后的接地线圈也可作为零点接地；三是中性点不接地。110kV及以上的交流电网通常也是直接采用一个中性点直接供电接地。在这类供电系统中，由于单相接地上的中性点短路是直接的，当电机发生多路单相接地中性故障时，其单相接地中性短路的产生电流非常大。故称此接地系统为一种带有较大输出电流的接地系统。

3kV~35kV接地电网通常接地是一种采用电网中性点经线圈消弧后对线圈进行接地的一种方式或采用中性点不消弧接地的一种方式。在这类接地系统中，当接地电网某个相之间短路发生了电流接地系统故障时，由于不能直接组成一个小型短路供电回路，接地系统故障的发生电流很小，所以我们称此类接地系统又称为一个小型大电流接地系统。

在这样一个供电系统中，正常的工作情况下，系统中的三相接地电流的方差方式是指其矢量和它的频率都应该等于零，即ia+ib+ic=0；因此例如，5故障仿真与故障分析5.1接地故障与短路故障分析下面设计了一个变压器中性点经消弧线圈接地，拓扑结构采用三分三连结构的三相电路。并且使用Matlab仿真观察了电路中发生故障后电压和电流的波形变化，故障恢复之后电压和电流的波形变化以及故障恢复后零序电流是否消失。配电网的仿真模型结构如下所示，中性点采用经消弧线圈，拓扑结构采用三分三连。并在线路2设置了故障点，系统的总运行时间为0.2s，运行算法采用可变步长。图5-1配电网仿真模型当线路2中发生a相单相接地故障时，该系统的故障持续期为故障时间为0.02s～0.04s，模块设置如下所示：图5-2单相接地故障模块设置线路1、2、3的零序电压电流波形图分别如下所示：图5-3线路1的零序电压电流波形图图5-4线路2的零序电压电流波形图图5-5线路3的零序电压电流波形图从这张图中我们可以清楚地看到，0～0.02s时，系统仍然处于正常工作状态，即系统没有任何一条线路发生故障的情况时候，线路1、2、3电压的电流均没有任何零序的分量，而在0.02s时有一条线路产生了单相接地的故障，可以清楚地看到三条线路均产生了零序电压电流的分量，这主要是因为系统发生了故障后，配电网系统的电压、电流输入。现了一种不对称的现象，对地会产生一定的零序电压与一定的电流。同时也使我们可以清楚地看出，虽然线路1和线路3中所有零序电压和零序电流的分量一个相位都是完全相同的，因为都往下偏，但是线路2中所有零序电压和零序电流的分量一个朝下，一个朝上，这主要是因为系统发生了故障后相位会发生变化，利用这种特性，也可以验证是线路2发生了故障，即也实现了故障的选线，根据下述3种情况中的零序分量相位，也均可验证故障的选线，效果较好。同时可以看到，当0.04s故障恢复后，三条线路的零序分量逐渐消失，这是因为故障恢复过程需要一个缓冲的时间，大概在0.2s的时候系统没有了零序分量，效果较好。同时，可以从示波器中看出，当线路二发生一个单相接地的短路故障时，发生的故障时间大约为0.02s，故障恢复时间大约为0.04s，线路二的三相电压和三相电流的波形分别如下所示，可以看到0.02s～0.04s发生故障时，a相电压变小，bc两相的电压都出现了电压暂升的现象，在0.04s故障恢复后，线路2的三相电压和三相电流恢复了正常，效果比较具有可靠性。图5-6示波器波形图当线路2发生ab两相相间短路时，故障时间为0.02s～0.04s，模块设置如下所示：图5-7两相相间短路模块设置线路1、2、3的零序电压电流波形图分别如下所示：图5-8线路1的零序电压电流波形图图5-9线路2的零序电压电流波形图图5-10线路3的零序电压电流波形图从这张图中我们可以清楚地看到，0～0.02s时，系统仍然处于正常工作状态，即系统没有任何一条线路发生故障的情况时候，线路1、2、3电压的电流均没有任何零序的分量，而在0.02s时有一条线路产生了两相相间短路的故障，可以清楚地看到三条线路均产生了零序电压电流的分量，这主要是因为系统发生了故障后，配电网系统的电压、电流输入。出现了一种不对称的现象，对地会产生一定的零序电压与一定的电流。同时也使我们可以清楚地看出，虽然线路1和线路3中所有零序电压和零序电流的分量一个相位都是完全相同的，因为都往下偏，但是线路2中所有零序电压和零序电流的分量一个朝下，一个朝上，这主要是因为系统发生了故障后相位会发生变化，利用这种特性，也可以验证是线路2发生了故障，即也实现了故障的选线。同时可以看到，当0.04s故障恢复后，三条线路的零序分量逐渐消失，这是因为故障恢复过程需要一个缓冲的时间，大概在0.2s的时候系统没有了零序分量，效果较好。当线路2发生ab两相相间接地短路时，故障时间为0.02s～0.04s，模块设置如下所示：图5-11两相相间接地短路模块设置线路1、2、3的零序电压电流波形图分别如下所示：图5-12线路1的零序电压电流波形图图5-13线路2的零序电压电流波形图图5-14线路3的零序电压电流波形图从这张图中我们可以清楚地看到，0～0.02s时，系统仍然处于正常工作状态，即系统没有任何一条线路发生故障的情况时候，线路1、2、3电压的电流均没有任何零序的分量，而在0.02s时有一条线路产生了两相相间接地短路的故障，可以清楚地看到三条线路均产生了零序电压电流的分量，这主要是因为系统发生了故障后，配电网系统的电压、电流输入。出现了一种不对称的现象，对地会产生一定的零序电压与一定的电流。同时也使我们可以清楚地看出，虽然线路1和线路3中所有零序电压和零序电流的分量一个相位都是完全相同的，因为都往下偏，但是线路2中所有零序电压和零序电流的分量一个朝下，一个朝上，这主要是因为系统发生了故障后相位会发生变化，利用这种特性，也可以验证是线路2发生了故障，即也实现了故障的选线。同时可以看到，当0.04s故障恢复后，三条线路的零序分量逐渐消失，这是因为故障恢复过程需要一个缓冲的时间，大概在0.2s的时候系统没有了零序分量，效果较好。5.2三相断线故障分析当起始线路2发生abc三相断线故障时，仿真模型设置如下所示，故障持续时间范围为0.02s~0.04s，断路器仿真模块的设置如下所示，起始断路器是一个关闭的状态，也就是在起始线路为正常工作的状态，0.02s时断路器开启进而导致发生了三相断路，0.04s时断路器关闭，线路再次恢复正常：图5-15配电网仿真模型图5-16三相断线故障模块设置线路1、2、3的零序电压电流波形图分别如下所示：图5-17线路1的零序电压电流波形图图5-18线路2的零序电压电流波形图图5-19线路3的零序电压电流波形图从图中可以看出，0～0.02s时，系统处于正常运行状态，即线路没有发生故障的时候，线路1、2、3电压电流均没有零序分量，而在0.02s时发生三相断线，可以看到三条线路均产生了零序电压电流分量，这是因为发生故障后，配电网系统电压、电流出现了不对称现象，对地会产生零序电压和电流。但从图中可以看出，0.02s断路器发生故障和0.04s断路器合闸，电压和电流都产生了一定的冲击，并没有发生规则性的变化，这是因为在断路器合闸的瞬间会产生过电压，有一定的危害性，在我们实际的生活中，也会造成人身安全，可以采取串并联电阻来减弱这种过电压。在0.04s断路器合闸之后，可见，系统正在慢慢的恢复过来，3条线路的零序电压电流分量逐渐消失，具有很强的可靠性。6总结随着配电网络结构日益规模化和复杂化，使得配电系统的供电可靠性不可避免会变差，因此为了增强城市配网供电的稳定性和可靠性，开展快速且合理的配电网故障恢复策略的研究工作具有十分重要的现实意义。本文从课题研究背景出发，逐步深入研究探讨，主要做出了以下工作：1.介绍了当前配电网故障恢复方面的研究背景和意义。2.对配电网的组成，特点和规划等一些基本知识做了简介。3.对Matlab进行了简述。4.叙述了三相电路的常见故障与零序电流。5.最后设计了一个变压器中性点经消弧线圈接地，拓扑结构采用三分三连结构的三相电路。并且利用matlab仿真观察了电路发生故障后电压和电流的波形变化。这次大学毕业设计，帮助我们快速转变一些在我们处理复杂事物时懒惰散漫的不良习惯。从最初一两个阶段的开始搜集设计材料，整理好所有的设计资料，到最后进行设计方案间的竞争比较筛选，确定好具体设计方案，再到最后的设计，每一个操作过程都确实应该做的是环环相扣，衔接紧密，其中的任何一个工程设计操作步骤如果只是产生了一些遗漏或者是一些疏忽，就很有可能会对以后的设计进行过程中会带来很多的不便。并且我的实际操作动手能力和对于资料收集的能力也是在设计过程中有所提高。在设计中需要我们用到一些辅助性的设计软件的地方，也就是说这些软件需要我们耐心地进行学习，掌握它们实际应用的基本要领，运用于我们自己的设计当中。参考文献刘科研,盛万兴,张东霞,贾东梨,胡丽娟,何开元.智能配电网大数据应用需求和场景分析研究[J].中国电机工程学报,2015,35(02):287-293.赵军,崔福海,田淼,刘灵爽,周