三相短路故障分析与计算的算法设计(共41页).docx
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1、精选优质文档-倾情为你奉上兰州理工大学技术工程学院 “三相短路故障分析与计算的算法设计”电力系统专业本科课程设计论文学生姓名:可风学 号:专 业:电力系统及其自动化日 期:2011年6月摘要电力系统发生三相短路故障造成的危害性是最大的。作为电力系统三大计算之一,分析与计算三相短路故障的参数更为重要。本设计是通过两种不同的方法进行分析与计算三相短路故障的各参数,进一步提高短路故障分析与计算的 精度和速度,为电力系统的规划设计、安全运行、设备选择、继电保护等提供重要依据。基于Matlab最重要的组件之一Simulink中的电力元件库(SimPowerSystems)构建电力系统仿真模型,在Matl
2、ab的平台下仿真电力系统为工程设计和维修提供依据,同时也为电力研究带来大大的便利,利用Simulink中的画图工具搭建电力系统模型也是进行电力系统故障分析的常用方法,它让电力研究者从大量繁琐的理论分析及复杂的矩阵计算中解脱出来,让庞大的电力系统很直观的呈现在研究者的面前,从而将庞大的电力网搬进了计算机,为研究带来了巨大的便利。关键词: 三相短路计算,Matlab,SimPowerSystems,仿真目录1. 绪论1.1电力系统三大计算1.2电力系统短路故障概述2. 短路电流计算(解析法)2.1参数数据2.2电抗标幺值定义2.3短路次暂态电流(功率)标幺值计算2.4各元件电抗标幺值2.5三相短路
3、电流及短路功率3. 导纳矩阵形成与计算(Y矩阵法)3.1导纳矩阵等值电路3.2导纳计算公式3.3变压器变比的定义3.4 导纳矩阵的形成3.5三相短路电流及短路功率4. 计算机算法设计4.1计算机编程语言4.2程序流程4.3程序清单及说明4.4程序结果及分析5. 基于Matlab电力系统模型搭建与仿真5.1 Matlab简介5.2 总体设计5.2.1设计内容概述5.2.2 设计方案简介5.3 详细设计5.3.1电力元件设计5.3.2电力系统模型的搭建5.3.3电力系统模型三相短路仿真6结论7致谢8参考文献9附录9.1 系统等值电路图9.2 计算机算法设计流程图9.3 计算机算法设计程序清单9.4
4、 Matlab电力系统模型仿真图1. 绪论1.1电力系统三大计算1.潮流计算研究电力系统稳态运行情况的一种基本电气计算,常规潮流计算的任务是根据给定的运行条件和网路结构确定整个系统的运行状态,如各母线上的电压(幅值及相角)、网络中的功率分布以及功率损耗等。潮流计算的结果是电力系统稳定计算和故障分析的基础。2.短路故障计算主要研究电力系统中发生故障(包括短路、断线和非正常操作)时,故障电流、电压及其在电力网中的分布。短路电流计算是故障分析的的主要内容。短路电流计算的目的,是确定短路故障的严重程度,选择电气设备参数。整定继电保护,分析系统中负序及零序电流的分布,从而确定其对电气设备和系统的影响。3
5、.稳定性计算给定运行条件下的电力系统,在受到扰动后,重新回复到运行平衡状态的能力。系统中的多数变量可维持在一定的范围,使整个系统能稳定运行。根据性质的不同,电力系统稳定性可分为功角稳定、电压稳定和频率稳定三类。1.2电力系统短路故障概述电力系统的短路故障是严重的,而又是发生几率最多的故障。一般说来,最严重的短路是三相短路。当发生短路时, 其短路电流可达数万安以至十几万安,它们所产生的热效应和电动力效应将使电气设备遭受严重破环。为此,当发生短路时,继电保护装置必须迅速切除故障线路,以避免故障部分继续遭受危害,并使非故障部分从不正常运行情况下解脱出来,这要求电气设备必须有足够的机械强度和热稳定度,
6、开关电气设备必须具备足够的开断能力,即必须经得起“可能最大短路的侵扰”而不致损坏。因此,电力系统短路电流计算是电力系统运行分析,设计计算的重要环节,许多电业设计单位和个人倾注极大精力从事这一工作的研究。由于电力系统结构复杂,随着生产发展,技术进步系统日趋扩大和复杂化,短路电流计算工作量也随之增大,采用计算机辅助计算势在必行。1. 短路故障(横向故障):电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与地(或中性线)之间的连接。 短路类型:4种。 1) 单相接地短路(发生概率最大的短路类型)2) 两相短路3) 两相短路接地4) 三相短路(对称短路、最严重的短路类型)2. 短路原因及危害 原因:客观(绝缘
7、破坏:架空线绝缘子表面放电,大风、冰雹、台风)、主观(误操作)。 危害:短路电流大(热效应、电动效应)、故障点附件电压下降、功率不平衡失去稳定、不对称故障产生不平衡磁通影响通信线路。 3. 解决措施:继电保护快速隔离、自动重合闸、串联电抗器等。2. 短路电流计算(解析法)2.1参数数据设基准容量SB=100MVA;基准电压UB=UavkV。(1)SB的选取是为了计算元件参数标幺值计算方便,取SB-100MVA,可任意设值但必须唯一值进行分析与计算。(2)UB的选取是根据所设计的题目可知系统电压有110kV、6kV、10kV,而平均额定电压分别为115、6.3、10.5kV。平均电压Uav与线路
8、额定电压相差5%的原则,故取UB=Uav。(3)为次暂态短路电流有效值,短路电流周期分量的时间t等于初值(零)时的有效值。满足产生最大短路电流的三个条件下的最大次暂态短路电流作为计算依据。(4)为冲击电流,即为短路电流的最大瞬时值(满足产生最大短路电流的三个条件及时间=0.01s)。一般取冲击电流=2.55。(5)为短路电流冲击系数,主要取决于电路衰减时间常数和短路故障的时刻。其范围为12,高压网络一般冲击系数=1.8。2.2电抗标幺值定义(1)发电机电抗标幺值 公式式中 发电机电抗百分数,由发电机铭牌参数的; 已设定的基准容量(基值功率),; 发电机的额定有功功率,MW发电机额定有功功率因数
9、。(2)负载电抗标幺值 公式式中 U元件所在网络的电压标幺值; 负载容量标幺值; 负载无功功率标幺值。(3)变压器电抗标幺值 公式变压器中主要指电抗,因其电抗,即可忽略,由变压器电抗有名值推出变压器电抗标幺值为 公式式中 %变压器阻抗电压百分数; 基准容量,MVA 、变压器铭牌参数给定额定容量,MVA、额定电压,kV; 基准电压取平均电压,kV。(4)线路电抗标幺值 公式式中 线路单位长度电抗; 线路长度,km; 基准容量,MVA; 输电线路额定平均电压,基准电压,kV。输电线路的等值电路中有四个参数,一般电抗,故0。由于不做特殊说明,故电导、电纳一般不计,故而只求电抗标幺值。(5)电动机电抗
10、标幺值(近似值) cos 公式式中 设定的基准容量,MVA; 电动机额定的有功功率,MW; cos电动机额定有功功率因数。2.3短路次暂态电流(功率)标幺值计算(1)短路次暂态电流标幺值() (取) (kA) 公式基准容量;基准电压(kV)。(2)冲击电流()的计算(kA) 公式(3)短路容量的计算() 公式2.4各元件电抗标幺值1.电力系统等值电路如图22. 各元件电抗标幺值的计算。设基准容量; 基准电压。(1)发电机电抗标幺值由公式得;(2)变压器电抗值标幺值由公式得;(3)线路电抗标幺值由公式得; (4)负载电抗标幺值由公式得(5)电动机电抗标幺值由公式得 3.等值简化电路图。(1)等值
11、电路简化过程如图2和图3所示。(2)考虑电动机的影响后,短路点的等值电抗为 2.5三相短路电流及短路功率短路次暂态电流标幺值: 短路次暂态电流有名值: 冲击电流:短路功率:3. 导纳矩阵形成与计算(Y矩阵法)3.1导纳矩阵等值电路导纳矩阵等值电路如图4所示,节点数为,电抗标幺值参考图2。3.2导纳计算公式 公式式中 3.3变压器变比的定义 式中 变压器变比标幺值 3.4导纳矩阵的形成对地电纳Y=3.5三相短路电流及短路功率短路点的电抗标幺值为短路点次暂态短路电流为短路点次暂态短路电流有名值为(kA)短路点冲击电流为(kA)短路点短路功率为(MVA)两种算法的次暂态短路电流比较误差为I=10.0
12、8-9.22=0.86(kA)4. 计算机算法设计4.1计算机编程语言C是一门通用语言,应用的面比较广,而MatLab是一门用于特殊用途的语言,提供了专业水平的符号计算,文字处理,建模和等功能。Matlab的基本数据单位是,它的指令表达式与数学,工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多.在新的版本中也加入了对,的支持.可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用。Matlab是一个高度集成的系统,集科学计算、图象处理、声音处理于一体,具有极高的编程效率。近年来,Matlab已经从最初的“矩阵
13、实验室”,渗透到科学与工程计算的多个领域,在自动控制、信号处理、神经网络、模糊逻辑、小波分析等多个方向,都有着广泛的应用。4.2程序流程见附录。4.3程序清单及说明见附录。4.4程序结果及分析见附录。5. 基于Matlab电力系统模型搭建与仿真5.1 Matlab简介MATLAB 是由美国Mathworks 公司开发的大型软件。在MATLAB 软件中,包括了两大部分:数学计算和工程仿真。其数学计算部分提供了强大的矩阵处理和绘图功能。在工程仿真方面,MATLAB 提供的软件支持几乎遍布各个工程领域,并且不断加以完善。在电力系统反面有专门的工具箱SimPowerSystems,给从事电力研究的工作
14、人员带来了巨大的便利。 Simulink是最重要的组件之一,它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中,无需大量书写程序,而只需要通过简单直观的鼠标操作,就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点,并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。其中电力行业的专用工具箱SimPowerSystems也在电力系统分析与计算中发挥了重大作用。电力系统元件库SimPowerSystems包括10 类库元件分别是电源元
15、件(ElectricalSources)、线路元件(Elements)、电力电子元件(Power Electronics)、电机元件(Machines)、连接器元件(Connectors)、电路测量仪器(Measurements)、附加元件(Extras)、演示教程 (Demos)、电力图形用户接口(powergui)和电力系统元件库模型(powerlib_models)。5.2 总体设计5.2.1设计内容概述用Matlab中Simulink组件的SimPowerSystems工具箱构建设计要求所给的电力系统模型,然后在电动机母线上设置三相短路,运行该系统,通过测量元件获得该母线三相短路的短路
16、电流。5.2.2 设计方案简介步骤一:打开Matlab中Simulink组件的SimPowerSystems工具箱;步骤二:在工具箱中找到设计要求所需的电气元件复制到Simulink界面中;步骤三:双击所复制元件打开参数设置选项框,按设计要求设置相关参数;步骤四:将相关元件放置在适合的位置并连线构成一个完整的系统。步骤五:加入测量元件并设置节点的三相短路,然后运行电路,获得短路电流。5.3 详细设计在Matlab的SimPowerSystems工具箱中利用相关的电力元件搭建仿真模型并运行系统,设置短路点得出访真结果。5.3.1电力元件设计1. 三相电源(1)元件模型三相电源(3-Phase S
17、ource)元件的模型如图5-1 所示,见附录。图5-1 三相电源(2)功能说明三相电源是电路设计中常见的电路元件。三相电源是电路中最重要的元件,它的运行特性对电力系统的运行状态起决定性的影响。三相电源元件提供了带有串联RLC支路的三相电源。(3)参数设置双击三相电源元件,则弹出三相电源参数设置对话框,如图5-2所示,见附录。图5-2 三相电源参数设置对话框2. 变压器元件 在电力系统电路中,变压器元件用来实现各种电路中的变压器。在变压器元件中包括 6 种元件,在本次仿真计算中采用三相变压器(双绕组)元件。 (1)元件模型,如图5-3所示,见附录。图5-3三相变压器(双绕组)元件(2) 参数设
18、置双击三相变压器(双绕组)元件,则弹出参数设置对话框,如图5-4所示,见附录。图5-4三相变压器(双绕组)元件3. 输电线路输电线路有两种包括双回线和单回线。(1)元件模型,如图5-5所示,见附录。图5-5输电线路元件(2)参数设置双击三相输电线路元件,在三相输电线路元件对话框中进行设置,如图5-6所示,见附录。 图5-6三相输电线路元件参数设置选项框 5.3.2电力系统模型的搭建1. 从电源元件库选择三相电源(3-Phase Source)元件,复制后粘贴在电路图中。步骤一:将交流电流源元件依次编号G1、G2、G3。 步骤二:双击交流电流源元件,在交流电流源元件参数对话框中如下设置:峰值振幅
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