配电仿真

配电仿真（精选九篇）

配电仿真 篇1

近年来, 高压输电线路的故障定位研究工作取得了较大发展, 但作为和用户密切相连的配电网的故障定位问题长期以来却未能得到很好解决。究其原因, 主要是配电网较高压输电网多为小电流接地系统, 分支线路较多、网络拓扑结构复杂、易受过渡电阻等的影响, 使得故障时行波能量的衰减剧烈, 检测装置难以捕捉到行波初始波头的时间。另外, 传统配电网中主要采用速断和过流保护方式, 这种保护配置存在的问题: (1) 电流保护实现配电网保护的前提是将整条馈线视为一个单元。当馈线发生故障时将整条线路切掉, 并不考虑对非故障区域的恢复供电。这对保证供电可靠性非常不利。 (2) 依靠时间级差实现保护的选择性, 会导致故障的切除时间过长而影响设备寿命和恢复供电时间。 (3) 保护级数太多, 整定难以配合。

本文在对配网单相接地系统进行大量仿真的基础上, 利用小波包分析理论精确地捕捉到了单相接地时刻行波的初始波头, 为进一步研究配电网的故障定位工作提供了依据。另外, 在对仿真结果进行研究时, 观察到单相接地时刻故障线路的零模功率与健全线路的零模功率有着本质的区别, 利用这一特点构成的反时限保护将极大地提高配电网的保护水平。

1 小波包理论

小波分析是一种窗口大小固定但其形状可改变的时间窗和频域窗的时频局部化分析方法[1]。小波包分析是从小波分析延伸出来的对信号进行更加精细分析的一种方法, 它将频带进行多层次划分, 成功地解决了小波变换的“高频低分辨”这一时-频分析上的缺陷, 并根据被分析信号的特征自适应地选择相应频带, 使之与信号频谱相匹配, 从而提高了时-频分辨率。

小波子空间{U${}_j^n$, , j∈Z, n∈Z}的任意函数fnj (t) 都可以展开成正交小波级数:

$f{}_j^n(t)={\displaystyle \sum _{l\in \mathbf{{\rm Z}}}c}{}_l^{j,n}\mu {}_n(2{}^{j}t-l)(1)$

式中:c${}_l^{j,n}$为小波子空间U${}_{j+1}^n$的小波包重构系数;μn (2jt-l) 为小波包函数族。

根据小波包空间的值和分解关系U${}_{j+1}^n$=U${}_j^{2n}$♁U${}_j^{2n+1}$, 得到小波包分解系数d${}_l^{j,2n}$、d${}_l^{j,2n+1}$的递推公式:

$\{\begin{array}{l}d{}_l^{j,2n}=\frac{1}{2}{\displaystyle \sum _{k\in \mathbf{{\rm Z}}}g}{}_{m}d{}_k^{j+1,n}\\ d{}_l^{j,2n+1}=\frac{1}{2}{\displaystyle \sum _{k\in \mathbf{{\rm Z}}}h}{}_{m}d{}_k^{j+1,n}\end{array}(2)$

式中:gm、hm为滤波器系数;m=k-l。

由d${}_l^{j,2n}$、d${}_l^{j,2n+1}$可得到小波包重构系数c${}_l^{j,n}$的递推公式:

$c{}_l^{j+1,n}={\displaystyle \sum _{k\in \mathbf{{\rm Z}}}(}h{}_{m}d{}_k^{j,2n}+g{}_{m}d{}_k^{j,2n+1}),m=l-2k(3)$

2 Matlab仿真分析

利用Matlab/Simulink对配电网单相接地系统进行仿真, 其模型如图1所示[2], 其中线路长度:l1=20 km, l2=15 km, l3=24 km, l4=8 km, l5=16 km, l6=30 km。线路正序参数:R1=0.17 Ω, L1=1.2 mH, C1=9.697 nF;零序参数:R0=0.23 Ω, L0=5.48 mH, C0=6 nF。变压器连接方式为Δ/Y, 220 kV/35 kV;其中线路1的负载为2 MVA, 线路3的负载为5 MVA。

仿真时设接地故障发生在线路1距离母线10 km处, 系统的采样频率为50 000 Hz, 采样时间为0.000 02 s, 每周波采样1 000次, 断路器的模拟

单相接地时刻在0.01 s, 该时刻是A相电压正半波的任意时刻, 具有一般性, 断路器在0.04 s恢复正常运行。

利用db3小波包对故障线路1的A相电压进行4层分解, 得到图2, 其中[4]、[1,4]、[2,4]、[3,4]为小波包分解后的低频部分。从图2可看出, 根据小波分析的低频部分只能看出原始信号的大体走势和形状, 但在接地故障突变时刻却无能为力。突变时刻信号不清晰, 需要对原始信号进行进一步分析, 也就是应该在高频部分进行分解。

图2中[4]～[4]为小波包分解后的高频部分, 从这些高频部分中可以清楚地看到故障线路A相电压的突变点。利用这一特点可以精确地捕捉到故障时刻电压行波的初始波头位置, 为将行波理论应用于配电网的故障定位研究工作提供理论依据。

供电线路较长时, 各条线路之间的电磁耦合现象比较严重, 但传统的对称分量法却没有考虑到这种情况。针对该问题, 利用克伦贝尔变化, 将相电压、电流转换成零模、一模和二模电压、电流, 由于该相模变换矩阵考虑了线路之间的电磁耦合现象, 所以利用变化后的模电压、电流进行研究分析, 得出的结论才更有说服力。其中克伦贝尔变换矩阵为[3,4]

$\begin{array}{l}\left[\begin{array}{c}u{}_0\\ u{}_{\alpha }\\ u{}_{\beta }\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& -1& 0\\ 1& 0& -1\end{array}\right]\times \left[\begin{array}{c}u{}_a\\ u{}_b\\ u{}_c\end{array}\right](4)\\ \left[\begin{array}{c}i{}_0\\ i{}_{\alpha }\\ i{}_{\beta }\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& -1& 0\\ 1& 0& -1\end{array}\right]\times \left[\begin{array}{c}i{}_a\\ i{}_b\\ i{}_c\end{array}\right](5)\end{array}$

图3为利用相模变换矩阵得到的故障线路1的零模电压波形。从图3可看出, 在接地故障瞬间的1个周波里, 零模电压是负极性的, 且幅值很大, 在0.04 s 故障排除后, 零模电压迅速减小至0。分析原因是由于在故障前后系统为三相对称运行, 所以零模电压和零模电流都为0, 只有在发生故障时, 系统失去三相对称运行状态, 进入到不对称运行模式, 此时零模电压和零模电流才会出现。仿真结果也正好体现了这一结论。

图4为仿真模型中6条线路的零模电流波形。从图4可看出, 在接地故障瞬间的第一个周波里, 线路1故障时刻的零模电流为正极性, 且幅值明显大于其它5条健全线路。仿真模型中线路2、4、5、6没有带负载, 所以在图4中它们的零模电流幅值远小于故障线路1的零模电流。通过大量仿真证明, 健全线路2、3、4、5、6在故障瞬间的第一个周波内, 零模电流的极性为负, 且幅值较故障线路1要小。利用图3和图4的结论, 可以得出各线路零模功率波形, 如图5所示。

从图5可看出, 在故障瞬间的第一个周波内, 故障线路1的零模功率为负极性, 且幅值较大, 表明此时故障线路1为发出最大的零模功率, 而健全线路2、3、4、5、6的零模功率波形在故障瞬间的第一个周波内均为正极性, 表明健全线路此时是在吸收零模功率。其中线路2、4、5、6因未带负载, 故吸收的零模功率较小。

3 零模功率保护方案理论

配电网单相接地可继续运行1～2 h, 故小电流接地保护可有一个较长的延时时限。当发生单相接地故障时, 出现零模电压。通过小波包分析, 提取工频带零模电压, 并应用该频带1个周波的零模电压离散采样值计算零模电压的大小[5]:

$U{}_0=\sqrt{\frac{1}{n}{\displaystyle \sum _{k=1}^{n}u}{}_0(k)}(6)$

式中:U0为零模电压有效值;u0 (k) 为零模电压离散采样值;n为1个周波的零模电压离散采样点个数。

暂时性的单相接地故障自动恢复正常后, 零模电压在定时限保护延时时间内消失, 零模电压模块保证线路接地保护不会误动作。永久性的单相接地故障有持续的零模电压, 到达保护延时时间后, 由零模功率和零模电压共同作用, 保证了单相接地保护可靠动作。

小电流接地跳闸保护动作原理如图6所示。在零模电压模块中, 以零模电压的有效值U0大于正常运行时母线处的不平衡电压为保护启动条件, 保证了保护动作的可靠性。正常运行时不平衡电压较小, 通常取40 V, 在图6中用Ub表示。以故障后第一个周波发出的暂态零模功率P0>0为保护动作判据, 通过反时限保护特性保证了保护动作的选择性。

4 结语

根据以上理论分析和实验仿真可得出以下结论:

(1) 与傅里叶变换相比, 小波变换具有良好的时频局部化能力, 能够有效地分析非平稳信号, 因此, 非常适合输电线路故障暂态信号的检测。正是基于这样的考虑, 在用小波包分析时, 很好地获取到了故障瞬间的突变量发生的时刻和幅值, 为下一步配电网的故障定位研究提供了理论依据。

(2) 在故障瞬间的第一个周波内, 故障线路与健全线路的模电压、电流信息量有本质区别, 利用这一特点得到的零模功率可以和零模电压一起构成反时限保护元件, 可极大地提高配电网继电保护的可靠性。

摘要：在对配电网单相接地系统进行仿真分析时, 利用小波包良好的时频特性和局部化能力精细处理故障瞬间的暂态信息, 精确捕捉到了故障瞬间的电压行波波头, 为下一步的配电网故障定位研究提供了理论依据;分析了故障瞬间的零模电压和零模电流波形, 观察到故障线路的零模电压和零模电流在第一个周波内极性相反, 而健全线路的零模电压和零模电流在第一个周波内极性相同, 且故障线路的幅值明显大于健全线路。利用这一特点构造出的零模功率保护方案将不受故障时刻、过渡电阻等的影响, 对提高配电网的继电保护水平提供了很好的条件。

关键词：矿井,电网,单相接地故障,小波包,零模电压,零模功率,仿真

参考文献

[1]TIAN Shu, WANG Xiaowei, WANG Juanjuan.Research on Wavelet Neural Network for FaultLocation in Power Distribution Network[C]//Proceeding of Chinese Intelligent AutomationConference, 2009, Nanjing:21-28.

[2]FAN Chunju, LI K K, CHAN W L, et al.Application of Wavelet Fuzzy Neural Network inLocating Single Line to Ground Fault (SLG) inDistribution Lines[J].Electrical Power and EnergySystems, 2007, 29 (6) :497-503.

[3]葛耀中.新型继电保护和故障测距的原理与技术[M].2版.西安:西安交通大学出版社, 2007.

[4]SHU Hongchun, XIAO Bai.An Novel Fault LineSelection Algorithm of Single-phase Ground Faults inUngrounded Neutral System Using Wavelet Transform[C]//Proceedings of International Conference onPower System Technology, 2002:2532-2536.

配电仿真 篇2

航空航天器配电变换器测试性设计及其仿真研究

文章首先介绍了航空航天器配电系统的组成和作用,进而指出了对配电系统进行测试性设计的实际工程意义.结合航空静止变流器为例详细论述了此类配电变换器装置的`性能、组成结构和控制方法,提出了一种基于测试可控性设计以较低成本实现航空静止变流器的板级电路故障诊断方案,给出了系统故障诊断逻辑判断流程.最后搭建了航空静止变流器的仿真模型,通过详细分析变流器系统仿真结果,验证了该方案的可行性.

作 者：刘维罡 沈颂华 LIU Wei-gang SHEN Song-hua 作者单位：北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京,100083刊 名：宇航学报 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF ASTRONAUTICS年，卷(期)：28(6)分类号：V241.06关键词：测试性 航空静止变流器 测试可控性 故障诊断

配电仿真 篇3

摘要：介绍“输配电线路施工”在专业知识体系中的重要作用，并针对施工课程实践性极强的特点和该课程教学上存在的问题现状，结合自身在三维仿真教学培训系统方面的研究开发实践，进一步介绍分布式虚拟仿真的技术特点和应用系统的内容，以及该系统对提高本课程教学质量和学习效果的积极价值。

关键词：分布式;虚拟仿真;输配电线路施工;教学

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）32-0093-01

随着我国经济的迅猛发展，输配电线路里程数不断增加，电力行业对输电专业人才培养的数量和质量上都提出了更高要求。作为国内设置电气工程及其自动化（输配电）专业方向的仅有三所全日制本科院校之一，南京工程学院承担着向社会输送该专业方向高级工程应用型人才的重任，如何突出应用的特色，切实有效提高教学效果进而提升培养质量是面临的首要课题和任务。[1]

一、“输配电线路施工”课程的教学特点

电气工程及其自动化（输配电方向）专业是培养具有电力系统输配电线路工程的理论和技术，并能从事输配电线路设计、施工、运行、维护、管理的高等应用型技术人才。[2]“输配电线路施工”是该专业方向一门重要专业必修课程，通过本门课程的学习，牢固掌握输配电线路施工理论及实践技能，才能在毕业后能够较快适应现场工作，满足电网建设单位的用人需要。因此“输配电线路施工”是该专业方向知识体系架构中非常重要的环节，一直受到广泛的重视。

“输配电线路施工”课程的教学目标是使学生了解输配电线路施工的整个工艺流程及各施工工艺原理，掌握基础、杆塔、导地线等主要部件的安装施工工艺步骤，具备施工方案设计和作业指导书的编制的能力。本课程具有以下特点：

（1）内容形象具体。相较于其他课程知识的抽象性逻辑性强的特点，本课程内容非常的具体形象，例如输配电线路部件种类多、型式杂、装配关系复杂的特点。此外，输配电线路分布性广，施工现场往往跨越高山大河，施工布置和工艺展开等内容都需要营造临场感。

（2）工程实践性强。本课程的力学计算理论与施工工艺联系紧密，教学要求中直接包含了丰富的工程实践内容，并且十分注重施工过程中安全控制和团队协作。[3]

（3）本专业属于电气学科范畴，而本课程的知识体系接近于建筑工程领域，对于电气专业学生在缺少建筑施工前导性知识铺垫的前提下，快速掌握中输配电线路施工安装工艺和要领也存在一定的难度。

（4）学历教育为主的本科院校无法按照电力培训部门那样打造大规模的实训实操基地，现场实习环节因为时间短和安全因素也难以达到理想的效果。

（5）由于电力企业需要的是上手快、适应强、基础实的应用型技术人才，客观上要求进一步强化学生动手能力和应用能力的锻炼，把实践教学放到关键和重要的位置上，不断在人才培养上突出工程实践性强的特色。

在当前的形势下采用手绘、板书、视频、照片这样的传统教学方式已经难以满足“输配电线路施工”课程这些鲜明的特点对教学手段的要求。

二、分布式虚拟仿真技术的引入

1.虚拟仿真技术引入的理论基础

建构主义学习理论（Constructivism Learning Theory）认为，知识是学习者在一定的情境背景下借助教师或同学的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得，即通过人际间的协作活动而实现的意义建构过程，因此建构主义学习理论认为“情境”、“协作”、“会话”和“意义建构”是学习环境中的四大要素或四大属性。[4]通过长期的研究实践，基于以上理论的虚拟仿真技术对“输配电线路施工”课程而言，是提高教学质量和效果有效的途径。

2.分布式虚拟仿真的技术特点

分布式虚拟仿真综合了计算机图形学、虚拟现实、计算机网络、分布式计算、计算机仿真、数据库技术、人机交互、人机智能等多学科专业技术，是虚拟现实技术的重要分支。分布式虚拟仿真将位于不同物理位置的用户通过网络进行连接，或者多个用户参与到同一个虚拟环境中，通过与其他用户进行资源共享、实时沟通或就特定的复杂问题进行探讨和协作，简而言之就是多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。基于分布式虚拟仿真系统除了具有沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）两大特征以外，还具备以下几个显著技术特点：网络用户共享虚拟任务空间;角色扮演行为具有真实感;多机实时交互，保持时空一致性;资源信息共享，多个用户（学员）可以采用多种方式相互通信。

3.分布式虚拟仿真教学系统

通过研究开发我们建立了国内首套分布式“输配电线路施工”虚拟仿真教学系统，该系统采用分布式架构、多机协同、虚拟仿真等技术手段，可以直观、准确、快速地为课程教学内容提供具体的展现对象和高效的演练手段。高拟真度虚拟环境中的多人协作和角色扮演手段虽然不能完全取代实际的操作和训练，作为现场实操实训环节的有效补充，對提高教学效果、提升实践能力具有十分积极的作用和意义。

三、分布式虚拟仿真教学系统应用效果和前景

1.系统主要功能

分布式“输配电线路施工”虚拟仿真教学系通过虚拟施工场景建模、施工人员角色动画建模与数据处理、施工业务流程仿真脚本设计，用户可以对虚拟施工场景的视点进行自由选择，实现全景式自由漫游[5];用户借助虚拟布局技术模拟或生成施工现场的虚拟环境，实现输配电线路本体和通道环境仿真;通过绑定相关数学模型和动画路径的规划，实现各个班组成员分工协作下的输配电线路施工各项工作专业流程的仿真;通过实时受力可视化分析和设备监控，实现工艺方案的虚拟设计和优化;并通过培训支持与管理底层平台子模块实现了培训信息管理、考勤提问、键鼠管制、屏幕监管、自动评价等日常培训助教功能，同时还具备课上演练、课后训练等助学功能。

2.系统应用效果

（1）借助系统可以快速建立和强化感性认识，为课程的展开提供了铺垫和基础。例如，学生可以全方位、多角度、近距离地观察虚拟环境中的输配电线路及各组成部件，感觉他们的尺寸、型式、结构、材质、装配关系。同时通过可视化的分析手段，将抽象的概念表达直观具体化，为理论知识的讲授提供丰富直观的手段。例如，输配电线路中的杆高与各种档距、弧垂的计算、空间布置测量和设备受力监控等都可以直观、高效地进行实时计算和对结果的可视化表达。

（2）系统充分考虑了施工现场作业是以班组为单位，具有团队协作的特点，突破了原有单人单机培训模式的桎梏。在分布式虚拟仿真系統中，每个用户能更好地通过角色扮演方式增加临场感，以角色扮演的形式出现与虚拟场景以及其他替身进行实时的交互，真正地跨越了现实工作中难以设计实施团队集体培训方案的藩篱。

（3）系统为用户提供一个高度真实感和沉浸感的虚拟现实环境。与单机用户的虚拟现实环境相比，本系统所体现出逼真度类型要比单用户复杂得多，如物理逼真度、模型逼真度、感官逼真度、基于行为特征的逼真度和时间逼真度、信息逼真度和系统逼真度等。这些要素不仅要求行为正确、真实、可信，而且还恰当地还原和模仿了真实施工作业流程的复杂度，达到了提高培训质量和效果的目的。

3.系统推广前景

（1）分布式“输配电线路施工”虚拟仿真教学系统使多个用户或学员同时参与到一个共享的虚拟施工任务空间，通过网络与其他用户共享信息，在分布式的虚拟施工仿真平台上完成施工组织设计、施工方案评估评价，并对方案的开展过程和结果进行预演。学员通过高度联系实践的学习、训练，并协同完成教师课前规划或预设的一项输配电线路现场施工作业任务，以达到协同工作的目标，它将虚拟仿真辅助教学培训手段的应用提高到了一个更高的境界。

（2）分布式“输配电线路施工”虚拟仿真教学系统能够更好地解决线路施工实践教学过程中，多人现场作业存在的安全隐患问题，同时能够节约实习实训资金，使技能培训不再局限于在有限的室内课堂和室外基地，学员可以重复地观摩、演练，多角度、全方位地观察和操作，可以全面地、深入地参与到电网建设生产过程中。

（3）现代远程教育工作是实现终身学习和教育培训的一种行之有效的手段，分布式虚拟仿真技术作为远程教育支持系统的一个重要发展方向，可以实现多人协同机制下的各种培训学习功能。本系统的技术成果和应用经验能够为电力行业培训提供有效的借鉴，积极推动企业教育手段的发展。

参考文献：

[1]黄宵宁.输电线路虚拟仿真技术在应用型人才培养中的作用[J].中国电力教育，2008，（1）：120-122.

[2]黄宵宁，等.输配电线路施工技术[M].北京：中国电力出版社，2007：1-2.

[3]黄宵宁.虚拟仿真技术在输电线路运检专业技能培训中的应用[J].中国轻工教育，2007，（4）：76-77.

[4]何克抗.建构主义-革新传统教学的理论基础[J].电化教育研究，1997，（3）：3-9.

[5]黄宵宁，杨志超.超高压架空输电铁塔组立虚拟施工技术研究[J].电力建设，2007，（12）：55-57.

10kV配电线路防雷仿真分析 篇4

10 k V配电线路分布广泛,绝缘水平低,在雷电活动频繁的地区,雷害事故经常发生。统计数据表明,配电网的雷害事故约占整个电力系统全部雷害事故的70% ~ 80%[1]。10 k V直击雷和感应雷产生的线路过电压容易使绝缘子发生闪络事故,导致雷击跳闸事故不断发生。严重时可能导致导线断股或断线事故,严重影响配电网的供电可靠性。

随着近年来社会经济的发展,人们对供电质量的要求越来越高,配电网防雷问题越发值得重视。 针对10 k V配电线路耐雷水平普遍偏低的现状,国内外提出了多种措施来解决这一问题,如提高线路绝缘水平、架设避雷线、安装避雷器、采用带间隙的新型导弧绝缘子及防导线熔断装置等[2,3,4,5]。文中首先对配电线路耐雷水平进行理论计算,然后通过ATP-EMTP仿真软件对配电线路进行了防雷仿真分析,最后提出了一些10 k V配电线路的防雷措施。

1雷电过电压分析

1.1感应雷过电压计算分析

雷云对配电线路附近物体放电时,线路导线上会感应出大量的与雷云极性相反的束缚电荷, 当放电结束以后,雷云所带电荷迅速消失,导线上的感应电荷失去束缚称为自由电荷,以光速向线路两端传播,从而在线路上出现很高的感应过电压。线路上感应的最大过电压幅值可达400 ~ 500 k V。由于配电线路绝缘水平较低,感应雷过电压对于35 k V及以下电压等级的线路有很大的危害,必须加以防范。

我国规程推荐导线上产生的感应过电压可采用下式计算 :

式中 :Ui为感应电压值 (k V) ;I0为雷电流 (k A) ;h为架空线路平均高度 (m) ;S为雷击点与线路的距离 (m)。

假设绝缘子的绝缘闪络电压为U50%,架空配电线路感应雷过电压的理论耐雷水平 :

当雷击距离小于65 m时,由于线路的吸引,存在近距离落雷。假设雷击距离小于65 m时为直击雷范围。10 k V配电线路导线平均高度为10 m,P10绝缘子U50%放电电压取132 k V,当线路感应雷幅值Ui大于绝缘子U50%放电电压时绝缘闪络。10 k V配电线路的感应雷过电压理论耐雷水平约为34 k A。

1.2直击雷过电压分析

配电线路未架设避雷线的情况下,雷击线路的部位只有两个,一是雷击导线,二是雷击塔顶[1]。 雷直击导线时,假设雷击两杆塔间的导线中央,雷电放电是一个复杂的物理过程,但从防雷保护的工程角度看,可以把它等效看做一个沿着固定波阻抗的雷电通道向地面传播的电磁波过程。根据彼德逊法则,主放电计算等效电路模型如图1所示。

当雷直击导线后,雷电流便沿着导线向两侧流动,假定Z0为雷电流通道的波阻抗,Z /2为雷击点两边导线的并联波阻抗。若计及冲击电晕的影响, 可取Z=400Ω,Z0=Z/2,则雷击点电压为 :

式中 :U为雷击过电压幅值 (k V) ;Z0为雷电流通道波阻抗 (Ω)。

雷击导线的过电压与雷电流大小成正比。如果此电压超过绝缘的耐受电压,则将发生冲击闪络。 由此可得线路的耐雷水平为 :

式中 :I为耐雷水平 (k A)。

由以上理论公式,假设线路绝缘子型号为P10绝缘子,经过计算可得10 k V配电线路耐雷水平为1.3 k A。

当雷击线路杆塔顶端时,雷电流I将流经杆塔及其接地电阻Rch流入大地。设杆塔的电感为Lgt, 计算时取波头为2.6μs,则雷电流的陡度a =d I / dt=I/2.6。塔顶电位的计算公式为 :

式中 :Rch为杆塔冲击电阻 (Ω) ;Lgt为杆塔等效电感 (μH)。

当雷击塔顶时,导线上的感应过电压为 :

由感应电压产生的机理,可知感应过电压的极性恰好和雷击杆塔时产生的塔顶电位极性相反。则绝缘子两端的电压差为 :

式中 :Uj为绝缘子两端的电压差。

当绝缘子两端的电压差Uj达到或超过绝缘子能承受的冲击电压时,绝缘子发生绝缘闪络,此时线路的耐雷水平为 :

通过计算可得,10 k V配电线路雷击塔顶的耐雷水平为6.5 k A。

2ATP-EMTP建模与仿真分析

2.1仿真模型的建立

2.1.1雷电流模型

从防雷保护的工程角度,可以把雷电放电等效看做一个沿着固定波阻抗的雷电通道向地面传播电磁波的过程,据此可建立雷电流的计算模型。其中仿真时雷电流模型选用IEC推荐的Heidler模型[6]。 其数学表达式为 :

雷电流的波头时间τ1在1 ~ 4μs范围内,平均在2.6μs左右 ;波尾时间τ2在20 ~ 50μs范围内, 一般采用50μs,η为峰值电流修正因子,雷电通道波阻抗取300Ω。

2.1.2杆塔及接地电阻模型

目前线路防雷计算中,杆塔模型主要分为三种 :集中电感模型、单一波阻抗模型和多波阻抗模型[7]。由于10 k V线路杆塔较低,可以将杆塔视为一个等效电感。其中有拉线和无拉线的杆塔等效电感取值分别为0.42μH/m、0.84μH/m,杆塔接地电阻取30Ω。

2.1.3配电线路模型

10 k V配电线路在雷击暂态计算时被看作均匀传输线,ATP-EMTP软件中常用的线路模型有Bergeron、PI和JMarti等模型[8]。JMarti模型主要运用频率交换矩阵进行计算,考虑到雷击暂态时线路中有高频电压电流出现,线路模型采用ATPEMTP软件LCC模块的JMarti模型。

2.1.4绝缘子模型

我国现行规程中认为,当过电压峰值大于U50%时,线路绝缘子便发生闪络。其中的U50%是在标准雷电冲击波作用下,绝缘子串的临界放电电压。仿真过程中,采用ATP-EMTP软件中的压控开关与冲击电阻的串联来模拟绝缘子。

2.1.5避雷器模型

仿真避雷 器模型时 采用的避 雷器型号 为HY5WS-17/50,常用于保护10 k V线路、电力主变、 开关柜、箱式变、电力电缆出线头、柱上开关等配电设备。ATP-EMTP中根据避雷器在流过不同电流时的电压与电流的关系,将避雷器等效成一个非线性电阻来进行仿真分析,其伏安特性如表1所示。

2.2仿真分析

2.2.1感应雷过电压仿真分析

线路感应雷过电压的产生是雷电物理过程电磁感应和静电感应综合作用的结果,其中静电感应起主要作用。这一过电压的产生过程非常复杂,在对其进行建模仿真时应用ATP-EMTP电磁暂态仿真软件,通过线路间的电磁耦合关系来模拟感应雷过电压,对配电线路进行理论仿真分析。

仿真模型中取导线外径为1.14 cm,电导率取0.42Ω/km,大地电导率为300Ω/m,杆塔自然接地电阻为30Ω。其中电源用10 k V三相交流电源模拟 ;架空线用LCC模块中JMarti模型表示,设定理想状况下线路长度为50 m ;线路采用P10绝缘子, 其闪络电压取为132.74 k V。雷电流采用Heidler Type l5模拟,参数记为2.6/50μs。

当雷电流大小为30 k A时,离雷击点最近的线路处的感应雷过电压仿真波形如图2所示。感应雷过电压峰值达到约140 k V,已达到P10绝缘子绝缘闪络电压,由此可知,通过ATP仿真得到的配电线路感应雷耐雷水平约为30 k A。

2.2.2雷击导线过电压仿真分析

仿真建模分析时,假设雷击B相导线,仿真过程中改变雷电流幅值,当雷电流幅值增加到1.1 k A时,距雷击点最近的1号杆塔有电流流过,如图3所示,离雷击点最近的绝缘子所在雷击相的过电压波形如图4所示。仿真得到直击导线的耐雷水平为1.1 k A,这与上文计算的直击雷过电压理论值1.3 k A非常接近。大部分雷电流幅值都大于这一数值,从仿真结果可以看出,当雷直击无保护的线路时,发生绝缘子闪络进而造成单相短路的可能性极大。

随着雷电流幅值继续增大,杆塔电位将会升高。 继续观察雷击点相邻杆塔的接地电流,当雷电流幅值大于17 k A时,B、C相也将出现接地电流,而且与A相反相。这意味着B、C两相的绝缘子已被反向击穿。根据统计数据计算得到,64% 的雷电流直击无保护线路时,都会发生两相甚至三相短路。

2.2.3雷击塔顶过电压分析

在空旷地带,凸耸的杆塔顶部引雷作用非常明显,且杆塔顶部一般安装有铁质的横箍或铁质的横担,很容易遭受雷击。当雷直击杆塔塔顶时,使得塔顶电位比导线电位高得多,会使得杆塔顶部电压远高于配电线路的电压,引起绝缘子反向闪络,即发生反击。

对雷击杆塔顶部进行仿真分析,当雷电流达到7 k A时,其中一相发生了绝缘子闪络,即A相被反相击穿,此时塔顶电压如图5所示。

从图中可以观察到0.3μs前后,塔顶电压有一个急剧下降的瞬间,也说明了此时发生了绝缘闪络。则雷击塔顶时,通过仿真分析,得到配电线路反击耐雷水平为7 k A。

3防雷措施分析

3.1加强绝缘子绝缘强度

10 k V配电线路上常用的绝缘子有P10、P15、 P20和X45等型号,从绝缘子冲击放电实验数据获得绝缘子的50% 放电电压分别为132、157、192、 220 k V。在雷击线路、雷击塔顶及感应雷过电压的情况下,研究不同绝缘子强度的耐雷水平,ATPEMTP仿真计算结果如表2所示。

从仿真结果可以得到 :加强绝缘对提高配电线路直击雷的耐雷水平作用不大,但对于提高感应雷过电压耐雷水平作用明显。由于直击雷发生概率远小于感应雷,对于易发生雷击事故的配电线路,增强线路绝缘强度总体效果不错。

3.2避雷线防雷仿真

10 k V线路一般不全线架设避雷线,但在局部易发生雷击的地带,可以考虑架设避雷线。避雷线一般安装于杆塔上端和杆塔顶部相连,假设避雷线装设于顶相导线上方2 m处,仿真时忽略杆塔顶到避雷线这一段距离的波阻抗。

对于感应雷过电压,仿真时取雷电流幅值为20 k A,通过仿真得到架设避雷线前后线路的感应过电压波形如图6和图7所示。

对于直击雷,仿真过程中假设其他条件不变, 采取杆塔自然接地和接地引下线接地两种方式进行仿真分析,在接地电阻不同的情况下得到的线路耐雷水平如表3所示。

通过仿真分析可得,架设避雷线后,导线上产生的感应过电压幅值大约下降了23%。对于直击雷通过接地引下线降低接地电阻能大大提高线路的耐雷水平。可见架设避雷线不仅可以提高线路对直击雷的耐雷水平,同时可以降低导线上的感应过电压。

3.3顶相避雷器保护仿真

10 k V线路杆塔较低,位于顶端的一相受雷击的概率远远大于另两相。考虑只在顶相安装线路避雷器,其作用相当于一根架空地线,遭受雷击时顶相避雷器将冲击电流导入大地。从不同型号的绝缘子绝缘强度出发,在不同的接地电阻情况下,仿真分析在安装了氧化锌避雷器的情况下易击相的耐雷水平,得到的仿真结果如表4所示。

从上面的仿真数据可以看出,易击相安装了避雷器的杆塔,接地电阻和绝缘水平的大小对配电线路耐雷水平有很大影响。以P10、P15、P20、X45绝缘子为例,其杆塔接地电阻从40Ω减小到5Ω 时,线路耐雷水平分别提高了62.7%、62.6%、63%、 62.9%。以接地电阻5Ω为例,在其它条件都不变的情况下,P15、P20、X45绝缘子相比于P10绝缘子, 其耐雷水平分别提高了15.6%、37.5%、54.8%。

4结语

配电仿真 篇5

关键词：供配电系统,组态仿真,变电所,高压电气设备,运行监视,报警系统

0引言

企业供配电系统一般由总降压变电所、高压供电线路、车间变电所、低压配电线路以及用电设备组成。由于供配电系统所需的设备多,且价格昂贵。对学校来讲要建立一个供配电系统实训基地是十分困难。但采用组态王仿真企业供配电系统,建立110 k V供配电系统的主接线、自动化保护系统、主变压器、高压断路器、输电线路和电网的接地保护与监控的网络控制平台。引入计算机技术和通信技术,实现对供电系统模拟量、数字量、状态量和电能量的实时采集,不仅有效降低教学投入成本,而且具有操作监视屏幕化、系统构成模块化、设备动作直观化等优点,提升了教学手段和教学效果。

1供配电系统多级保护仿真控制平台构建

1.1供配电系统多级保护控制平台的基本配置

供配电系统多级保护控制平台分成三层,分别为变电站层、 网络层和间隔层。间隔层由110 k V高压线路监控装置、主变主保护装置、主变高压侧装置、主变中压侧装置、主变低压侧装置、35 k V线路监控装置、10 k V线路监控装置、10 k V电容器装置。 在间隔层中配置的保护由变压器保护、断路器保护、线路保护、母线保护、电容器保护等。网络层由网络通信装置和前置机系统装置构成。变电站层由后台计算机控制系统、防误闭锁装置、工程师站和操作员工作站等组成[1]。如图1所示,为110 k V供配电系统多级保护控制平台的基本配置。

1.2供配电系统多级保护监控平台的基本结构

在供配电监控系统中,自动化监控系统由监控机、网络管理单元、测控单元、远动接口、打印机等部分组成,由实时数据库采集、计算数据库、历史数据库、事件库、事故追忆库、录波数据库、画面库、远方通信和时钟同步等环节组成,实现变电站的实时监控功能。通过状态量变位监视,可监视供电系统各种断路器、隔离开关、接地开关、变压器分接头的位置和动作情况、继电保护和自动装置的动作情况以及它们的动作顺序,完成分析、处理、显示、报警、记录、控制等功能,以及远方数据通信以及各种自动、手动智能控制等任务。图2为供配电自动化监控系统平台的基本结构。

1.3供配电系统的主接线结构设置

如图3所示,为供配电系统的一次接线图仿真。设置两个电压等级,分别是110 k V和10 k V。其中110 k V采用内桥接线,通过主变压器降为10 k V后,供变电站周围负荷用电。在系统配置上采用分层分布式结构,设置一次设备配置,满足不同电压等级间隔层的测量、监视、控制、通信功能。

2供配电系统多级保护的组屏仿真

以某企业110 k V降压变电站为例,描述110 k V供配电自动化系统多级保护的组屏仿真。

2. 1 110 k V间隔层的仿真

该层为供配电系统的总降压变电站,在继电保护功能方面, 由于110 k V采用的是内桥接线方式,进线不需配置保护,由上一级线路保护完成或主变压器后备保护承担。配置一台三相操作箱分别对应于两条进线和桥断路器,用于对进线和桥断路器的控制,并且要具有防跳、压力闭锁等功能。测控功能方面,针对2回110 k V进线和桥开关分别设置数字式断路器测控装置,可用于本间隔的断路器、隔离开关的参数和信息的测量和控制等。自动控制功能方面,可配置数字式备用电源自投装置,实现桥备投或进线备投功能、变压器备自投功能或用户需求的多种备自投方案[2]。图4为110 k V间隔层的监控系统仿真。

2.2主变压器间隔层的仿真

由于变压器测控的重要性,可以采用集中组屏,设置两面屏, 分别对应于2台主变压器间隔层。主变压器保护功能方面,可配置数字式变压器主保护装置和后备保护装置[3]。完成主变压器高压侧和低压侧的电压、电流、有功功率、无功功率和功率因数的检测,变压器和变压器室的温度遥测量、遥信量、遥控量。采用RCS-9671C实现变压器差动保护,RCS-9661C实现变压器非电量保护,并配有以太网通信接口,提供10路非电量保护,其中六路可直接跳闸。采用RCS-9603测控系统检测主变压器分接头的调节、变压器温度和事件记录。采用RCS-9681实现变压器后备保护,完成电压闭锁过流保护、接地零序保护、不接地零序保护和过负荷保护。图5为主变压器运行状态监控仿真。

2. 3 10 k V间隔层的仿真

采用分散安装方式,配置测量、监视、保护一体化装置,分别安装在10 k V开关柜上。完成对断路器合闸、跳闸的保护; 母线单相接地测控功能、零序电流保护、绝缘监察自动控制功能、监视断路器、隔离开关、接地开关、变压器分接头的位置和动作情况。 10 k V母线分段间隔可配置数字式母分保护及备投装置。可采用CSL-160C型数字式线路保护系统,配置交流插件 ( AC) 、模数变换插件( VFC) 、故障录波插件、继电保护CPU插件、继电器插件和电源插件来实现断路器合闸、跳闸、报警和复位监控[4]。图6为10 k V间隔层的仿真。

2.4公用间隔层的仿真

针对110 k V、10 k V两段母线TV分别配置数字式电压测控装置,实现110 k V、10 k V两段母线自动并列功能或手动、远方并列功能的仿真。针对全站公用信息配置数字式综合测控装置[5], 主要采集变电站如直流系统故障信号、直流屏交流失压、所用电切换信号、所用电Ⅰ段失压、所用电Ⅱ段失压、控制电源故障、合闸电源故障、控制母线故障、合闸母线故障、通信故障信号、通信电源故障、火灾报警动作信号、保安报警信号等。通过其通信接口RS—232与通信服务器进行通信,进行网络层对时广播命令, 以保证全系统时钟统一。运动功能,可配置通信服务器,将网络上的数据进行筛选排序,并按调度方规约进行转发,完成调度通信。电源源方面,配置一台逆变电源,将直流电源逆变成交流220 V,以供给后台监控主机用电。

2.5后台监控系统

在供配电系统中,监控系统是由监控机、网络管理单元、测控单元、远动接口、打印机等部分组成[6]。负责完成收集站内各间隔层装置采集的信息,完成分析、处理、显示、报警、记录、控制等功能,完成远方数据通信以及各种自动、手动智能控制等任务。 其主要由数据采集与数据处理、人机联系、远方通信和时钟同步等环节组成,实现变电站的实时监控功能。图7为监控系统对高压断路器运行状态实时监控仿真。

监控系统在硬件方面,需要监控主机[7],设置两台计算机互为备用( 也可仅设置一台) ,监控主机需要有源音箱实现音响报警,需要打印机进行变电站技术数据管理,软件方面需要后台监控软件和网络附件等,在微机保护、自动装置与监控系统相互通信时,采用串行通信。串行通信在数据传输规约“开放系统互联 ( OSI) 参考模型”物理层,广泛应用RS—485串行接口,在多站互联中非常方便。通信协议选用POLLING规约,以满足广义数据网络上两点之间进行对等通信的需要。

3结束语

配电仿真 篇6

文中根据零序电流相位法故障定位的原理,利用Matlab对系统进行仿真分析,验证了该方法的可行性,从而为实际应用奠定了基础。

1 相位法故障定位的理论依据

当中性点不接地系统中发生单相接地故障时,中性点电压$\dot{U}{}_0$不为零,相当于在故障点处有一个电压源,向线路提供零序电流,并通过对地电容形成回路,其零序等效网络如图1所示。由图可知故障点两侧零序电流的方向相反,即相位相差180°,这是系统故障定位的主要理论依据。

系统在进行故障判断时,首先将三相线路上产生的零序电流瞬时值相加求和,若$\dot{{\rm I}}{}_A+\dot{{\rm I}}{}_B+\dot{{\rm I}}{}_C=0$,则说明线路无故障,若$\dot{{\rm I}}{}_A+\dot{{\rm I}}{}_B+\dot{{\rm I}}{}_C\ne 0$,则说明有故障;然后比较相邻两个监测点零序电流的相位信息,若相位相反,说明其间有故障,反之,则无故障[3]。

2 仿真模型的搭建

如图2所示为10 kV配电网单相接地故障的仿真模型[4,5,6]。通过Three-Phase Fault模块将系统设置为A相接地故障,故障点设在线路3上。根据零序电流定位的理论依据,故障点两侧的电流相位应相反。

2.1 仿真参数设置

根据我国电力系统交流电的频率,系统将频率统一为50 Hz;三相电压源设置为10 kV,接地方式为中心点不接地;线路采用分布参数型输电线路,各线路长度分别为40 km、60 km和70 km,线路各序参数使用元件固有参数,即正序电阻=0.012 73 Ω/km,正序感抗=0.933 7 mH/km,正序容抗=12.74 pF/km,零序电阻=0.386 4 Ω/km,零序感抗=4.126 4 mH/km,零序容抗=7.751 pF/km;线对地的电容均为1μF;且不考虑负载的情况。

2.2 接地故障的实现

系统中单相接地故障是通过三相故障(Three-Phase Fault)模块实现。它可以选择不同相的接地故障,而且能实现各种相间短路故障。通过调节三相故障模块的过渡电阻的阻值来模拟不同的接地电阻对零序电流波形的影响。同时利用这个模块还可以设置故障的发生时间及切除时间,以便于对仿真波形的分析。模型将系统设为0.03 s发生A相接地故障,接地电阻为200 Ω,0.15 s故障排除,总模拟时间为0.2 s。

2.3 零序电流相位的测量

仿真模型搭建最重要的部分是零序电流的测量实现。首先,在各线路的首端串联三相电流电压测量模块(Three-Phase V-I Measurement),它有两个输出端分别为三相电压和三相电流信号;然后用分路器模块Demux将输出电流信号端分成3个单一信号,再用加法器将3个单一信号合成一个信号;最后,经过一个1/3增益的模块Gain,从而得到零序电流的波形,并通过示波器Scope显示。

3 仿真分析

运行搭建的仿真模型,可以在各个示波器中显示零序电流的波形。为便于观察,用Matlab中的命令将示波器中的图形画出,并显示在同一张图上,如图3所示。

分析图3可知0～0.03 s时系统无故障,因为三相电路对称,所以$\dot{{\rm I}}{}_A+\dot{{\rm I}}{}_B+\dot{{\rm I}}{}_C=0$,即零序电流为零。0.03～0.15 s发生单相接地故障,零序电流不为零,通过比较图中零序电流波形可知线路3故障点前的相位与故障点后相位相反,且与非故障线路1、2的相位也相反;同时,可看出故障点前零序电流的幅值相对较大。0.15～0.2 s故障排除,零序电流幅值又趋向于零。

为验证不同状况下的接地故障对相位法故障定位的影响,设置了如表1所示的各种情况。

由图3～图5可知,在其他条件不变的情况下,增大接地电阻的阻值,零序电流的幅值会变小,但其相位方向不变,因此不会影响故障定位的判断;同样,由图3～图7可知,改变各线路的长度也只是影响电流幅值,并不影响相位;由图3和图8可知,电路中的负载也不会对零序电流的相位产生影响。

由上述分析可知,中性点不接地系统发生单相接地故障时,可通过比较各线路零序电流的相位关系来判断故障区段。

4 结束语

利用Matlab仿真平台验证了零序电流相位法故障定位系统的可行性。通过仿真分析可知,该方法不受线路长度、接地电阻以及负载等因素的影响,能够实现配电网单相接地故障区段的准确判断,因而增强了该系统的实用价值,使之成为解决配电网单相接地故障定位问题的有效方法之一。

摘要：根据零序电流相位法故障定位的原理,可以判断配电网的故障区段。文中利用Matlab/Simulink中的仿真模块,对中性点不接地系统进行仿真分析。介绍了仿真模型的搭建,对不同状况下的接地故障进行仿真分析,包括改变接地电阻的大小、线路长度以及有无负载等,总结其影响因素。仿真结果与理论推导一致,从而为其实用化奠定了基础。

关键词：零序电流相位,故障定位,Matlab仿真,单相接地故障

参考文献

[1]张利,夏楠,姜彤.中性点不接地系统单相接地故障的定位方法[J].电力系统及其自动化学报,2010,22(4):36-40.

[2]杨晓敏,王艳丽,王双文.电力系统继电保护原理及应用[M].北京:中国电力出版社,2006.

[3]戚宇林.中压配电网单相接地故障定位的研究与实现[D].保定:华北电力大学,2007.

[4]艾琳,罗龙.基于Matlab的小电流接地系统仿真研究[J].华中电力,2008,21(3):16-20,23.

[5]尹润,张庆生.Matlab对小电流接地系统单相接地故障的仿真[J].安徽科技,2009(7):38-40.

含光伏的辐射状直流配电网仿真分析 篇7

随着新能源的发展,电力电子技术和直流负荷的广泛应用,以及用户对电能质量和供电可靠性的不断提高,都推动着直流配电的发展。如果家用住宅中普及直流家用电器,仅电能能耗就可以减少2%~9%[1]。同时直流配电网在接纳分布式电源的接入、环保、经济、供电可靠性和传输容量等方面都好于传统的三相四线制交流配电网,但目前对直流配电网的研究主要集中在直流微电网的研究层面,对于配网层面的研究较少[2,3]。

常见的有环状、两端和辐射状这三种结构,本文基于电压源换流器技术,通过MATLAB/Simulink搭建单、双极供电的辐射状直流配网,详细分析了含PV情况下的稳态和暂态特性以及电压电流的谐波畸变率,仿真验证了所提出的直流配网的可行性。

1 辐射状直流配电网

本文以单个交流电源的辐射状直流配电网为研究对象,如图1所示:

从图1可知,直流配电网包含交流电网相连的定直流电压及定无功控制VSC、无源网络相连的定交流电压控制VSC、变换器相连的交直流负荷、直接连接在PCC的直流负荷和直流变换器相连的光伏发电五个主要部分。其中PCC处的电压为DC±375V,换流器为两电平VSC,调制方式采用正弦脉宽调制SPWM,VSC的控制采用文献[4]中的外环定直流电压/定无功控制和定交流电压控制。

2 VSC的拓扑结构及等效原理图

两电平VSC拓扑结构如下图2,其等效原理如下图3。从图3可知,决定VSC与交流系统间交换的有功功率P和无功功率Q分别为:

式中,US:VSC交流母线电压基频分量;UC:交流输出电压基频分量;XC:变压器和相电抗器的等效电抗XC。只需调节移相角度δ,就可以控制有功功率的大小和方向,只需控制UC,就可以控制VSC吸收或发出无功功率。

3 光伏并网及建模

太阳能是一种能量巨大的可再生能源,通过PV可直接把太阳能变为直流电,再经Boost直流升压接入直流配网,可提高电池的利用效率,光伏并网示意图如下:

当太阳能电池接收的光强度一定时,可将电池看作恒流电源。由文献[6]可知光伏电池模型:

PV的输出电路,可表示为:

式中:Iph—光生电流(A);IS—二极管的反向饱和电流(A);q—电子电荷,q=1.6×10-19C;V—单个PV的输出电压(V);I—单个PV的输出电流(A);RS—电池的等效串联电阻(Ω);RSh—电池的等效并联电阻(Ω);n—二极管指数;k—波尔兹曼常数(1.38×10-23J/K);T—绝对温度(K)。通常,在现代太阳能电池中,RSh的值一般很大,故式(3)中的最后一项通常忽略不计,此时变为:

4 算例分析

为验证含PV的辐射状直流配电网的可行性,本文通过MATLAB/Simulink搭建辐射状直流配网仿真模型,其中交流电压源为380V/30MVA,系统稳定后,送端VSC(整流)交流侧稳定输出有功功率45.01k W,PCC节点电压为DC±375V。直流母线BD2和BD9电压大小为750V,BD1和BD3电压大小为375V,BD8电压大小为220V,BD4和BD5电压大小为110V,BD6和BD7电压大小为30V。整流侧交流母线电压BA1和BA2电压大小为311V。其中无源网络用10k W和20k W的定功率表示,其他交直流负荷均用40Ω电阻和1k W定功率表示。为保证仿真的准确性,仿真步长为5μs,仿真总时长为1.25s。

如图6,辐射状直流配电网在初始运行时,只有开关K2是断开的,并在0.12s投切10k W的无源网络,此时系统在0.29s时达到稳定状态,然后在0.8s时,K2闭合,投切20k W的无源网络。系统采用单级和双极供电,由于负极和正极供电电压大小相等,故本文只分析正极供电和双极供电各个母线节点在稳态情况下的运行分析。如直流母线BD1、BD2、BD4、BD6、BD9和交流母线BA1、BA2的电压电流的问题分析。仿真分析:

如表1,谐波分析基准频率为50Hz,系统电压电流谐波含量均小于5%。系统在0.8s投切20k W负荷时,BA1的电流从0.29s时的50.55A,变为0.8s时的96.71A,整个暂态过程中,系统所有的电压及其谐波畸变率几乎未发生改变,说明暂态并未对交直流电压造成波动的影响,系统运行良好。但是交流侧的电流突然增加,应防止VSC内部和输电线路环流的发生。

5 结语

本文基于MATLAB/Simulink平台搭建含PV的典型辐射状直流配网,该配网是多电压等级的网络。通过仿真验证,所提出的直流配网是可行的,并得到了宝贵的性能数据,为今后直流配电网的研究提供了参考。

参考文献

[1]M.H.Ryu,H.S.Kim,J.W.Baek,H.G.Kim,J.H.Jung.Effective Test Bed of 380-V DCDistribution System Using Isolated Power Converters[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2015,62(7):4525-4536.

[2]宋强,赵彪,刘文华,曾嵘.智能直流配电网研究综述[J].中国电机工程学报,2013,33(25):9-19.

[3]刘连光,蒋智化,刘自发.公共直流配电网的电压等级研究[J].供用电,2014,12(7):20-23.

[4]宋强,饶宏.柔性直流输电换流器的分析与设计[M].北京:清华大学出版社,2015.

[5]汤广福.基于电压源换流器的高压直流输电技术[M].北京:中国电力出版社,2014.

配电仿真 篇8

随着经济和生产力的发展,生产生活对输配电线路供电可靠性的要求越来越高。我国主要配电网由于绝大多数无避雷线保护,自身绝缘水平较低,最易发生雷害事故,引起绝缘子闪络、线路断线等故障[1]。国内外经过科学的研究,引起配电线路故障的主要原因是感应雷,约占90%以上[2,3,4]。针对雷击架空输配电线路附近大地时,将引起架空线路上产生感应过电压,国内外大多数研究者通过雷电回击数学模型计算雷电通道周围电磁场,然后,在建立雷电通道周围电磁场与线路的耦合模型计算线路感应过电压,由于这些研究方法存在建立数学模型的复杂性与考虑配电线路运行环境的因素多,需要大量的微分、积分数学推导计算,非常复杂,并且与防雷措施的选择相关性不明显。

本文利用ANSYS有限元分析软件中的电磁场分析功能,构建雷击架空线路附近时在配电线路上产生过电压的仿真模型,仿真分析配电线路上的感应雷电流与磁场强度的变化特征,研究雷击对线路的影响规律,能够更加直观、准确地为配电线路感应过电压的动态范围及其变化规律的分析计算提供理论上的支持;为防止线路感应过电压的危害,提供具体的配电线路防雷措施方面给出指导,是一种有益的研究方法的探索和尝试,有一定的创新型和实用参考价值。

1 配电线路感应雷模型

1.1 防雷规程计算线路感应过电压

架空线路感应雷过电压的计算是电力线路绝缘设计,采取防雷保护措施的参考依据。国内外许多研究者先后提出了多种计算雷击导线附近大地时,架空线路上产生的感应雷过电压的计算方法(如:Chowdhuri-Gross模型法、Heidlen模型法、规程法等)。由于前两种计算方法中微分、积分运算较复杂,并且在国内外也并没有十分广泛的研究与应用,本文采用参考文献[5]中的防雷规程法计算感应雷过电压:利用静电场镜像理论推导,并且与实际线路上静电场感应雷过电压进行修正,相对前两种感应雷过电压的计算比较简单、实用可靠。

输配电线路防雷工程设计按规程规定[5],当雷击点与线路的水平距离S大于65 m时,雷击线路附近大地时线路上产生的感应过电压幅值Ug为:

上式中,I为雷电流幅值,kA;hd为导线对地平均高度,m;S为雷击点距离架空线的距离,m。

1.2 建立35 kV配电线路的感应雷模型

本文以典型配电网35 k V架空线路为研究对象,假设35 k V架空配电线路上没有安装避雷线和耦合地线,三相线路的排列结构示意图,如图1所示。

A相导线离地为11.8 m,B相离地为14.3 m,C相离地为11.8 m,A相导线与C相导线间的距离为2.98 m,B相导线离A、C相导线的垂直距离为2.5 m,B导线在A相导线与C相导线的连线之间;雷击地面的雷电流参数为:5 k A,2.6/50μs,假设在100μs后雷电流衰减为0,雷击大地点距离中间导线左侧70 m处,如图2所示。

考虑配电线路的一般情况,假设配电网35 kV架空线路的参数:导线半径为a=0.87 cm,导线长度l为4 km,电阻率为2.349×10-7Ω·m,导线单位长度的电感为L0=μ/2π·lg(2h/a)(H),单位长度的电容为C0=1/L0v2(F),雷电波传播的速度为v=1.5×108(m/s)。雷击线路附近的周围环境参数:空气磁导率为μ=4π×10-7(H/m),空气介电常数为ε0=8.854×10-12(F/m);采用AI-6301自动抗干扰地网电阻测量仪测量土壤电阻率,仿真中设定大地的土壤电阻率为250Ω·m。

利用ANSYS有限元分析软件中的电磁场分析技术[6],根据配电线路运行情况、周围环境特征与雷电流强度等因素,构建雷击配电网35 kV架空线路附近大地的模型,通过仿真估算架空线路在雷击作用下,引起三相导线上的感应雷电流的情况及电磁场强度分布特征的变化特点[7,8]。

2 线路上感应雷电流及磁场强度的分析

雷击线路附近地面时,由于线路上的静电感应与空间电磁场的激烈变化将在雷电通道周围建立强大的磁场,架空线路处于变化的磁场中将感应出过电压。靠近雷击点的导线在静电分量与电磁分量的共同作用下,将引起架空配电线路过电压,导致绝缘子闪络,损坏线路设备的绝缘。

2.1 不同雷击时间线路感应雷电流及磁场强度分析

考虑雷击时间发生在A相瞬间相位为0、90、-60°的情况,建立对应上述场景的仿真模型,仿真三相导线在雷电流达到最大(2.6μs)时各导线上的感应电流及磁场强度的分布情况。在2.6μs时,三相导线上分别感应的雷电流数值,如表1所示。

当A相瞬间相位为0°时,此时B相瞬间相位为-120°,C相瞬间相位为120°时,雷击架空线路附近大地,仿真获得三相导线的磁场强度分布情况,如图3所示。

当A相瞬间相位为90°时,此时B相瞬间相位为-30°,C相瞬间相位为210°时,雷击架空线路附近大地,仿真获得三相导线的磁场强度分布情况,如图4所示。

当A相瞬间相位为-60°时,此时B相瞬间相位为180°,C相瞬间相位为60°时,雷击架空线路附近大地,仿真获得三相导线的磁场强度分布情况,如图5所示。

通过分析不同雷击时间线路感应雷电流及磁场强度的数据可知:

(1)在任何时间加雷电流,各相导线上产生的感应雷电流基本保持不变,导线上磁场强度及磁感应强度都不变,因此,导线上瞬时相位对感应雷电流、磁场强度及磁感应强度的大小没有影响;

(2)A相的感应雷电流最大,A相感应雷电流比B相的感应雷电流大2.16 A,比C相感应雷电流大4.36 A。由于A相导线靠近雷击点,导线上感应电荷相对比较多,在雷击放电瞬间,引起A相导线上的感应雷电流最大;

当雷击地面的雷电流为5 kA,引起A相导线上感应雷电流达到34.86 A,然而,我国现行标准推荐雷电流幅值分别的概率为lg P=-I/88,并结合中国气象局对雷电强度的科学研究结果,表明雷电流强度主要集中在几十甚至上百千安培。因此,强烈的雷击电流将引起架空线路上产生更大的感应过电压,严重超过线路的绝缘能力,损坏绝缘设备,将对配电线路产生严重的影响:

(1)雷电频繁地区,雷击架空线路附近树木,将在线路上产生感应过电压,严重超过线路绝缘能力,易引起线路绝缘子闪络,导致架空线路接地故障;

(2)线路遭受雷击过电压,雷电流将沿线路向导线两侧传播,容易导致配电线路设备(配电变压器、绝缘子、避雷器等)绝缘损坏;

(3)感应过电压超过线路绝缘水平,将引起配电网架空绝缘导线雷击断线事故现象,影响供电可靠性。

针对雷击感应过电压的危害,建议在线路的“易击点”与“易击相”上,安装线路避雷器,当感应雷电流超过一定数值,线路避雷器将加入分流,大部分雷电流通过避雷器流入大地,降低绝缘子两端的电压强度;架空绝缘线上安装防弧金具,当过电压到达一定程度,防弧金具间隙先行放电,将雷电流引导流入大地,降低绝缘子长时间承受过电压影响,将减少雷击引起的线路故障。

2.2 雷击地面引起导线上磁场强度变化的分析

为了研究配电线路供电稳定可靠,考虑雷击配电线路附近大地时,架空线路上磁场强度的变化特征,从而为线路防雷设计、防雷改造方面提供有价值的参考。利用ANSYS有限元分析软件构建模型,通过仿真不加雷电流导线磁场强度与加载雷击电流后在2.6μs时导线的磁场强度的情况,在雷电流的作用下导线上的磁场强度H产生激烈变化,如下面的表2所示。

配电线路的磁场强度,三相导线在正常工作时,线路上的磁场强度非常小,产生的电压可以忽略不计,因此,线路绝缘子只承受工频电压作用;然而,配电线路附近发生雷击地面的情况,引起线路的磁场强度由零点几安培每米突变到几千安培每米。如A相导线受到雷电的影响,磁场强度瞬间(2.6μs)突变为7 932 A/m,突变3 050 769倍,B相导线磁场强度突变23 795倍,C相导线磁场强度突变25 746倍。由于架空线路上空间电磁场瞬间突变,线路受静电感应与电磁感应的共同作用,将在线路上产生数值上百千伏的雷击过电压,引起线路局部过电压,导致绝缘子闪络。

针对上述现象,在易击段、易击点或运行中发生过雷击故障的杆塔,建议适当地采取安装保护间隙或线路避雷器等防护措施。输配电线路安装线路避雷器能够抑制线路过电压,释放雷电流,保障线路绝缘子安全可靠运行[9]。

2.3 分析不同时刻线路上感应雷电流及磁场强度

雷击地面时,分别获取经过2.6、50、100μs的感应雷电流数值,如表3所示。

通过构建的模型,仿真各时间三相导线上的磁场分布特征。经过2.6μs时三相导线上的磁场强度分布特征,如图6所示。

经过50μs时三相导线上的磁场强度分布特征,如图7所示。

在这个时候,C相感应雷电流稍微大于B相的感应雷电流,A相的感应电流和磁场强度仍然为最大。相比2.6μs时,三相导线上的感应雷电流均有增大。

经过100μs时三相导线的磁场强度分布特征,如图8所示。

在这个时候,雷击电流已衰减为0,导线上仍有感应雷电流的存在,且三相导线的感应雷电流基本上一样,相比于此前的50μs,感应雷电流已减小非常多。

A、B、C三相导线上的磁场强度分布的数值情况,如表4所示。

根据以上仿真结果,对比分析表3中的感应雷电流数值、磁场强度的分布图与表4磁场强度的数据,可知:

(1)感应雷电流最大值出现在50μs时刻附近,相对雷击地面的雷电流2.6/50μs,具有明显的滞后特征,大约滞后接近30μs才到达幅值。

(2)导线上的感应雷电流波形与雷击地面的雷电流波形具有相似特征。电流先逐渐增大,增大到最大值之后,再逐渐减小,说明感应雷电流受雷击电流的影响明显。

(3)雷击点距离A相导线最近,引起A相感应雷电流相比B、C相的感应雷电流较大,说明感应雷电流受雷击距离的影响。

(4)B、C相感应雷电流,先是B相较大,之后C相较大,由于雷击地面的电流2.6μs之后,雷击电流减小,并同时受A相的相互影响。

(5)A相导线上的磁场强度变化最大,在50μs时到达12 603 A/m,其次,C相导线上的磁场强度到达9 673 A/m,B相到达7 329 A/m。架空线路处于地面附近上空,受雷击地面引起周围空间电磁场的激烈变化的影响,并且导线间的电磁场相互作用,引起三相导线上的磁场强度时刻变化。

配电线路附近遭受强雷击,引起架空线路上的磁场强度瞬间突变,产生过电压,将导致绝缘子在30μs左右闪络(击穿),造成接地短路。为了提高配电线路的供电可靠性,根据不同地区配电线路的运行特征,并结合感应过电压及磁场强度的特点,建议采取一些防护措施:

(1)安装线路避雷器进行保护[10,11],选用正常的型号线路避雷器,避雷器的动作特性要求能够在过电压达到峰值前比绝缘子先动作,将雷电流泄入大地,而在绝缘子上仅造成小的电压波动,不会造成绝缘子闪络。

(2)配电线路安装保护间隙与自动重合闸配合使用,把保护间隙并联在绝缘子串两端[12,13],当雷击产生过电压时,保护间隙先行放电,将感应雷电流泄入大地,从而起到防止绝缘子闪络,保障线路供电可靠性。

(3)采用绝缘性能比较好的钢化玻璃绝缘子,提高线路耐雷水平。

3 地表磁场强度的分析

建立雷电地面的仿真模型,以距离雷击点最近的杆塔B相导线垂直地面的点为原点,并向杆塔两边延伸的方向作为横坐标,左边(A相侧)为横坐标的负方向,右边(C相侧)为横坐标的正方向,其单位为(m);纵坐标表示地面上的磁场强度,其单位为(A/m),雷击架空线路附近,地表磁场强度因雷击而产生相应的变化,仿真获得地表磁场强度H在2.6、50、100μs时的分布特征,局部放大图如图9所示。

对比分析,引起地表磁场强度H的分布不是单调增加或减少,且靠近雷击点的地表磁场强度H分布变化极大。地面上的磁场强度H在200 m附近出现最大值。地面上磁场强度H的分布不仅受雷击电流的影响,同时还受导线上感应过电压的影响。

雷击配电线路附近大地时,由于线路架设在地表上,引起地表磁场强度激烈变化,根据工程电磁场分析原理,线路受地表磁场的影响,将在配电线路上产生感应过电压。雷击产生的感应过电压在线路上传播,当传播到线路绝缘薄弱处,将导致绝缘损坏,导致线路故障。绝缘水平一定,在受到地表磁场强度瞬间变化,线路绝缘子将承受瞬间过电压的冲击,将引起闪络或击穿事故。

4 结语

通过利用ANSYS有限元分析软件,结合感应雷规程算法、配电线路参数与线路周围环境因素等,对35 kV架空线路附近遭受雷击,在线路上产生感应雷电流及磁场强度变化特征进行仿真分析:

(1)三相导线上瞬时相位对感应雷电流的大小、磁场强度及磁感应强度没有影响,而雷击点与输电线路之间的距离和雷电流强度是影响雷击过电压的决定性因素。

(2)雷电流作用将会使导线上的磁场强度产生剧烈的变化,相应的磁感应强度也产生剧烈的变化。A相导线上的磁场强度瞬间(2.6μs)突变为7 932 A/m,突变3 050 769倍,靠近雷击点的导线磁场强度变化更加剧烈,由于感应过电压的暂态叠加,使局部感应过电压急剧增大,较易产生局部的绝缘能力不足而导致绝缘失效,导致配电线路事故发生,影响线路供电稳定。

(3)感应雷电流相对于雷击电流具有明显的滞后性,相比雷击地面的雷电流2.6/50μs,滞后大约30μs出现幅值。

(4)地表磁场强度不是简单的单调分布,由于受雷击电流和导线上感应雷电流的共同影响,且雷电流为负值而感应雷电流为正值,引起地表磁场强度激烈变化。架空线路受表面空间电磁场激变,感应出过电压,导致配电线路故障。

配电仿真 篇9

本文基于Lab VIEW/SIMULINK仿真平台开发先进战机配电数字仿真系统, 对配电系统的故障隔离、系统重构、余度供电、容错供电以及基于负载优先级的负载自动管理等相关特性进行了仿真研究。

1 自动配电系统

多电飞机配电系统包含一次配电系统和二次配电系统。一次配电系统从发电机直接或通过相应变换获得电能, 主要用于对电网整体的控制和保护, 二次配电系统从一次配电系统获得电能并传输给电气负载, 并由固态功率控制器 (SSPC) 对电气负载进行电源控制和过载保护。系统具有电力自动管理和分配能力, 通过系统处理机 (PSP) 、负载管理中心 (ELMC) 以及固态功率控制器 (SSPC) 根据机上电气负载分类 (关键飞行负载、关键任务负载、非关键负载) 以及基于负载优先级[7]的不同为负载提供可靠的、容错的、不中断的供电。

2 配电系统模型

该多电飞机自动配电数字仿真系统利用LabVIEW/SIMULINK平台进行开发。利用Lab VIEW实现系统的人机交互、一次配电系统的逻辑处理和模拟结果显示, 以及二次系统中的SSPC控制信号的显示。如图1所示。

利用SIMULINK实现二次配电系统中PSP、ELMC、SSPC等主要功能模型的建立, 如图2所示。

在此, PSP的主要功能为处理供电请求和优先级处理;ELMC的主要功能为负责解算状态方程和负载控制方程。该二次配电系统模型主要功能为:根据一次系统反馈的故障情况信息以及飞行任务 (不同的飞行任务负载的优先级不同) 解算电气负载方程, 输出SSPC的通断控制信号, 从而实现自动配电。

3 配电系统数字仿真

飞机飞行任务阶段和系统故障情况类型较多, 现以最大巡航阶段左发电机LG, 右发电机RG, 1号变流机INV1相继发生故障为例, 进行仿真验证。

(1) 一次配电系统:故障发生后, 发电机接触器LGB、RGB断开, 隔离故障的发电机LG、RG, 辅助电源接触器IPUB闭合, 连接接触器BTB1、BTB2闭合, 辅助电源IPU代替LG、RG向左、右舷主干配电网络供电;接触器INB1断开隔离故障的变流器INV1, 接触器BTB4 闭合, 由汇流条BUS7 向BUS6 供电。如图3 所示, 可见, 各汇流条能继续保持电力供应。

(2) 二次配电系统:故障发生后, 电源系统容量不能满足该飞行阶段正常工作时的功率要求, 依据此时的电源系统电量以及设定好的负载优先级, 求解负载控制方程确定相关负载的通断。可见, 优先级低的负载被切除 (工作负载的总功率以此时系统电源总功率为限) 。

4 小结

本文基于Lab VIEW/SIMULINK对先进战机配电系统一次配电系统的故障隔离、系统重构、余度供电、容错供电等特性, 以及二次配电系统的基于负载优先级的负载自动管理特性进行了仿真验证研究, 达到了预期效果。今后可此为基础对先进飞机配电系统关键部件开展实物、半实物仿真研究。

摘要：多电 (全电) 技术是航空科技发展的新趋势。通过对多电飞机配电系统的分析研究, 利用LabVIEW/SIMULINK仿真平台模拟建立能够反应多电飞机配电系统结构运行原理的仿真系统, 结果表明:该仿真系统能够对不同工况下一次配电系统的特性, 以及基于负载优先级进行自动管理的二次配电系统进行模拟, 为设计多电飞机的配电系统提供了较为方便有效的参考。

关键词：自动配电系统,LabVIEW/SIMULINK,仿真

参考文献

[1]沈颂华.航空航天器供电系统[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2005.

[2]梁家琳, 周元钧, 董世良.多电飞机电力系统集成仿真技术研究[J].电力电子, 2006 (4) :11-14.

[3]吴小华, 徐刚.飞机供电系统的Saber仿真[J].计算机仿真, 2008 (2) :70-73.

[4]陈卫华.飞机270V高压直流供电系统结构及仿真技术研究[D].南京:南京航空航天大学, 2010.

[5]程智勇.大型客机供电系统机构及模拟验证技术研究[D].南京:南京航空航天大学, 2011.

[6]刘杨.先进直升机配电系统半实物仿真关键技术研究[D].北京:北京航空航天大学, 2012.