基于對稱分量法對電力系統(tǒng)故障分析的文獻(xiàn)綜述

1、畢業(yè)設(shè)計（論文）文獻(xiàn)綜述設(shè)計（論文）題目： 基于對稱分量法的電力系統(tǒng) 故障計算程序的設(shè)計 專 業(yè)： 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號： 指 導(dǎo) 教 員： 一 本課題的目的與意義：在電力系統(tǒng)的運行過程中，不可避免地會出現(xiàn)故障。盡管故障出現(xiàn)的幾率很小，持續(xù)的時間也不長，但產(chǎn)生的后果卻往往十分嚴(yán)重。電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，運行狀態(tài)將經(jīng)歷急劇變化。輕則造成電流增大，電壓下降，從而危及設(shè)備的安全或使設(shè)備無法正常運行；重則將導(dǎo)致電力系統(tǒng)對用戶的正常供電局部甚至全部遭到破壞，從而對國民經(jīng)濟(jì)造成重大損失。因此對電力系統(tǒng)故障應(yīng)予以高度重視。 作為電力系統(tǒng)三大計算之一，電力系統(tǒng)的故障計算主要計算電力系統(tǒng)的故障所引起的電磁暫態(tài)

2、過程，即電參量（電壓、電流）和磁參量（磁鏈）的變化情況，分析故障發(fā)生的原因及其產(chǎn)生的后果，從而為防止故障的發(fā)生和盡可能減少故障產(chǎn)生的損害提出有效措施。 電力系統(tǒng)的故障屬暫態(tài)范疇，大部分電磁量將隨時間變化，描述其特性的是微分方程，這給分析計算帶來一定困難。在分析過程中通常盡量避免對微分方程直接求解，而是采用一定的工具（如拉普拉斯變換）和假設(shè)使問題得以簡化，即把“微分方程代數(shù)化，暫態(tài)分析穩(wěn)態(tài)化”。在分析不對稱故障時，各相之間電磁量的耦合使問題的分析更為復(fù)雜，此時常用的分析方法是盡量避開對不對稱故障直接求解，而是采用一定的工具（如對稱分量變換）將不對稱問題轉(zhuǎn)化為對稱問題的迭加進(jìn)行處理，即把“不對稱問

3、題對稱化”。這就是電力系統(tǒng)故障計算方法的特點。電力系統(tǒng)中發(fā)生故障的原因，大部分是由于相與地的短路或相與相之間的短路。電力系統(tǒng)簡單故障包括：三相短路、單相接地、兩相短路、兩相短路接地、單相斷線和兩相斷線等六種故障形式。本畢業(yè)設(shè)計采用對稱分量法進(jìn)行簡單故障計算，并完成程序的設(shè)計。完成對簡單故障進(jìn)行計算之外，本畢業(yè)設(shè)計可采用基于多端口戴維南等值網(wǎng)絡(luò)的方法計算復(fù)雜故障，并編程驗證方法的有效性。二 電力系統(tǒng)故障計算的基本知識 1故障概述 (一) 故障的分類 凡造成電力系統(tǒng)運行不正常的任何連接或情況均稱為電力系統(tǒng)的故障。電力系統(tǒng)的故障有多種類型，如短路、斷線或它們的組合。短路又稱橫向故障，斷線又稱為縱向故

4、障。短路故障可分為三相短路、單相接地短路（簡稱單相短路）兩相短路和兩相接地短路，分別簡記為f（3）、f（1 ）、f（2）和f（1 ，1 ）。注意兩相短路和兩相接地短路是兩類不同性質(zhì)的短路故障，前者無短路電流流入地中，而后者有。三相短路時三相回路依舊是對稱的，故稱為對稱短路；其他幾種短路均使三相回路不對稱，因此稱為不對稱短路。斷線故障可分為單相斷線和兩相斷線，分別簡記為o（1 ）、o（2 ）。三相斷線如同開斷一條支路，一般不作為故障處理。斷線又稱為非全相運行，也是一種不對稱故障。大多數(shù)情況下在電力系統(tǒng)中一次只有一處故障，稱為簡單故障或單重故障，但有時可能有兩處或兩處以上故障同時發(fā)生，稱為復(fù)雜故障

5、或多重故障。由此，將電力系統(tǒng)故障作如下分類：電力系統(tǒng)中最常發(fā)生、危害最嚴(yán)重的故障是短路故障，因此故障計算的重點是短路，也常稱為短路計算。 (二) 短路發(fā)生的原因及產(chǎn)生的后果 所謂短路，是指電力系統(tǒng)正常運行情況之外的一切相與相之間或相與地之間的短接。電力系統(tǒng)正常運行時，相與相以及相與地之間是不直接相連的，或者說是相互間絕緣的。如果由于某種原因使絕緣破壞，形成了相互間的通路，就發(fā)生了短路。 由上述定義可知，導(dǎo)致短路發(fā)生的原因是絕緣受到破壞。引起絕緣破壞的原因有多種：電氣設(shè)備絕緣材料的自然老化、污穢或機(jī)械損傷，雷擊引起過電壓，自然災(zāi)害引起桿塔倒地或斷線，鳥獸跨接導(dǎo)線引起短路，運行人員誤操作（如檢修后

6、未拆除地線就合閘）等。電力系統(tǒng)的運行經(jīng)驗表明，各類短路發(fā)生的幾率不同，其中單相接地發(fā)生得最多，三相短路發(fā)生得最少。根據(jù)某些系統(tǒng)的統(tǒng)計資料，在所有短路故障中，三相短路占5%，單相接地占 65% ，兩相短路占10% ，兩相接地短路占 20% 。雖然三相短路發(fā)生的幾率最小，但其產(chǎn)生的后果最嚴(yán)重，同時它又是分析不對稱故障的基礎(chǔ)，因此將重點進(jìn)行研究。 短路故障一旦發(fā)生，往往造成十分嚴(yán)重的后果，主要有： （1 ） 電流急劇增大。短路時的電流要比正常工作電流大得多，嚴(yán)重時可達(dá)正常電流的十幾倍。大型發(fā)電機(jī)出線端三相短路電流可達(dá)幾萬甚至十幾萬安培。這樣大的電流將產(chǎn)生巨大的沖擊力，使電氣設(shè)備變形或損壞，同時會大量

7、發(fā)熱使設(shè)備過熱而損壞。有時短路點產(chǎn)生的電弧可能直接燒壞設(shè)備。 （2 ） 電壓大幅度下降。三相短路時，短路點的電壓為零，短路點附近的電壓也明顯下降，這將導(dǎo)致用電設(shè)備無法正常工作，例如異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降，甚至停轉(zhuǎn)。 （3 ） 可能使電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性遭到破壞。電力系統(tǒng)發(fā)生短路后，發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率減少，而原動機(jī)輸入的機(jī)械功率來不及相應(yīng)減少，從而出現(xiàn)不平衡功率，這將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加速。有的發(fā)電機(jī)加速快，有的發(fā)電機(jī)加速慢，從而使得發(fā)電機(jī)相互間的角度差越來越大，這就可能引起并列運行的發(fā)電機(jī)失去同步，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性，引起大片地區(qū)停電。 （4 ） 不對稱短路時系統(tǒng)中將流過不平衡電流，會在鄰近平行的通訊

8、線路中感應(yīng)出很高的電勢和很大的電流，對通訊產(chǎn)生干擾，也可能對設(shè)備和人身造成危險。 在以上后果中，最嚴(yán)重的是電力系統(tǒng)并列運行穩(wěn)定性的破壞，被喻為國民經(jīng)濟(jì)的災(zāi)難。其次是電流的急劇增大。 (三) 故障計算的目的 正由于短路會產(chǎn)生十分嚴(yán)重的后果，因而引起了高度重視。除盡量消除導(dǎo)致短路的原因外，還應(yīng)在短路故障發(fā)生后及時采取措施，盡量減少短路造成的損失，如采用繼電保護(hù)將故障隔離，在合適的地點裝設(shè)電抗器以限制短路電流，采用自動重合閘消除瞬時故障使系統(tǒng)盡快恢復(fù)正常等。這些措施均須建立在故障計算的基礎(chǔ)上。在發(fā)電廠、變電所以及整個電力系統(tǒng)的設(shè)計工作中，都必須事先進(jìn)行短路計算，以此作為合理選擇電氣接線、選用有足夠熱

9、穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度的電氣設(shè)備及載流導(dǎo)體、確定限制短路電流的措施、合理配置各種繼電保護(hù)并整定其參數(shù)等的重要依據(jù)。 因此故障計算對于電力系統(tǒng)的設(shè)計和安全運行具有十分重要的意義。三 國內(nèi)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)故障分析的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢電力系統(tǒng)發(fā)展使得電網(wǎng)的規(guī)模越來越大，結(jié)構(gòu) 越來越復(fù)雜，不同區(qū)域之間的互聯(lián)也越來越緊密， 能量管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)在電網(wǎng)調(diào)度中心 得到了廣泛的應(yīng)用，這就使得系統(tǒng)中所發(fā)生的故障 對系統(tǒng)本身的影響也隨之?dāng)U大，因此電力系統(tǒng)故障 診斷研究具有重要的現(xiàn)實意義。電力系統(tǒng)故障診斷 是通過利用有關(guān)電力系統(tǒng)及其保護(hù)裝置的廣泛知識 和繼電保護(hù)等信息來識別故障的元件位置(區(qū)域)、 類型和誤動作等參

10、數(shù)，其中故障元件的識別是關(guān)鍵 問題。在電網(wǎng)發(fā)生故障后，將會有大量的報警信息 通過各單元的遠(yuǎn)程終端裝置(RTU)傳送到系統(tǒng)的 能量管理中心，為故障診斷提供數(shù)據(jù)源。而在復(fù)雜 故障或自動裝置動作不正常時(保護(hù)、斷路器的誤 基金項目：國家自然科學(xué)基金(50677069)；國防科技重點 實驗室基金(9140C8402040802) 動拒動)以及信道原因?qū)е鲁霈F(xiàn)信號出錯或收不到 信號的情況下，實際應(yīng)用中很難給出準(zhǔn)確的故障診 斷結(jié)果。為了適應(yīng)各種簡單和復(fù)雜事故情況下故障 的快速、準(zhǔn)確識別，需要電力系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)進(jìn) 行決策參考。目前，國內(nèi)外提出了許多電力系統(tǒng)故 障診斷的技術(shù)和方法L1 j，主要有專家系統(tǒng)、人

11、工神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、優(yōu)化技術(shù)、Petri網(wǎng)絡(luò)、粗糙集理論、模糊 集理論、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、多Agent技術(shù)和基于故障錄 波器信息等方法。下面分別介紹這幾種應(yīng)用在電力 系統(tǒng)故障診斷的研究發(fā)展?fàn)顩r。 隨著信息化、網(wǎng)絡(luò)化時代的到來，對繼電保護(hù)故障數(shù)據(jù)采集和分析提出了更高的要求。實時、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳送和正確、全面的故障分析成為了繼電保護(hù)的新目標(biāo)。但是，目前對于微機(jī)保護(hù)和錄波器信息的網(wǎng)絡(luò)化管理正處在探索階段，國家電網(wǎng)公司還沒有統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范和實施辦法，使得現(xiàn)階段故障數(shù)據(jù)采集和分析還比較混亂。目前來看，在調(diào)度中心設(shè)計采用統(tǒng)一的分析應(yīng)用平臺是較為實際的選擇，但從長遠(yuǎn)看，國家應(yīng)該制定相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，便于電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的

12、更好更快發(fā)展。四電力系統(tǒng)故障分析及計算的實現(xiàn)實際電力系統(tǒng)的故障大都是不對稱故障（短路和斷線）。 不對稱橫向故障（不對稱短路）：單相接地、兩相短路、兩相短路接地； 不對稱縱向故障（不對稱斷線）：單相斷線、二相斷線。 簡單不對稱故障：僅在電網(wǎng)的某一處發(fā)生不對稱故障（不對稱短路或不對稱斷線）。 不對稱故障分析：除基頻分量增大外，還有直流分量以一系列的諧波分量，詳細(xì)分析非常復(fù)雜。實用保護(hù)整定計算中，僅考慮基頻分量。1.對稱分量法基本概念和簡單計算正常運行的電力系統(tǒng)，三相電壓、三相電流均應(yīng)基本為正相序，根據(jù)負(fù)荷情況（感性或容性），電壓超前或滯后電流1個角度（），如圖1。圖1：正常運行的電力系統(tǒng)電壓電流矢

13、量圖對稱分量法是分析電力系統(tǒng)三相不平衡的有效方法，其基本思想是把三相不平衡的電流、電壓分解成三組對稱的正序相量、負(fù)序相量和零序相量，這樣就可把電力系統(tǒng)不平衡的問題轉(zhuǎn)化成平衡問題進(jìn)行處理。在三相電路中，對于任意一組不對稱的三相相量（電壓或電流），可以分解為3組三相對稱的分量。圖2：正序相量、負(fù)序相量和零序相量（以電流為例）當(dāng)選擇A相作為基準(zhǔn)相時，三相相量與其對稱分量之間的關(guān)系（如電流）為：IA=Ia1+Ia2+Ia0IB=Ib1+Ib2+Ib0=2 Ia1+Ia2 + Ia0IC=Ic1+Ic2+Ic0= Ia1+2 Ia2+Ia0對于正序分量：Ib1=2 Ia1 ，Ic1=Ia1對于負(fù)序分量：

14、Ib2=Ia2 ，Ic2=2Ia2對于零序分量：Ia0= Ib0 = Ic0式中，為運算子，=1120°,有21240°, 31, +2+1=0由各相電流求電流序分量：I1=Ia1= 1/3(IA +IB +2 IC)I2=Ia2= 1/3(IA +2 IB +IC)I0=Ia0= 1/3(IA +IB +IC)以上3個等式可以通過代數(shù)方法或物理意義（方法）求解。以求解正序電流為例，對物理意義簡單說明，以便于記憶：求解正序電流，應(yīng)過濾負(fù)序分量和零序分量。參考圖2，將IB逆時針旋轉(zhuǎn)120°、IC逆時針旋轉(zhuǎn)240°后，3相電流相加后得到3倍正序電流，同時，負(fù)

15、序電流、零序電流被過濾，均為0。故Ia1= 1/3(IA +IB +2 IC)對應(yīng)代數(shù)方法：式+式+2 式易得：Ia1= 1/3(IA +IB +2 IC)。2、對稱分量法用于計算不對稱故障的基本方法：1) 列出各個序網(wǎng)； 2) 求出各個序網(wǎng)對故障點的等值阻抗； 3) 列出邊界條件或采用復(fù)合序網(wǎng)求得“基準(zhǔn)相”的3 個序電壓和序電流； 4) 求得各相電壓和電流。五總結(jié)電力系統(tǒng)中發(fā)生故障的原因，大部分是由于相與地的短路或相與相之間的短路。電力系統(tǒng)簡單故障包括：三相短路、單相接地、兩相短路、兩相短路接地、單相斷線和兩相斷線等六種故障形式。本畢業(yè)設(shè)計采用對稱分量法進(jìn)行簡單故障計算，并完成程序的設(shè)計。完

16、成對簡單故障進(jìn)行計算之外，本畢業(yè)設(shè)計可采用基于多端口戴維南等值網(wǎng)絡(luò)的方法計算復(fù)雜故障，并編程驗證方法的有效性。六參考文獻(xiàn)1） 劉萬順：“電力系統(tǒng)故障分析”，中國電力出版社，1998 2） 王錫凡等：“現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析”，科學(xué)出版社，2003 3） 陳亞民：“電力系統(tǒng)計算程序及其實現(xiàn)”，水利電力出版社,19954） 李雄剛，繼電保護(hù)故障信息分析處理系統(tǒng)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用研究，廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文，2003年4月285） 賀家李、宋從矩，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理，中國電力工業(yè)出版社，第三版6） 鄭啟泉，繼電保護(hù)故障信息分析處理系統(tǒng)簡介，電力安全技術(shù)，第4卷 (2002年第11期)7） K. Xi

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