同杆并架输电线路参数计算软件设计毕业设计论文 精品文档格式.docx
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输电线路参数计算;
软件设计;
仿真模型
Softwaredesignparametersaboutparalleltransmissionlinesatthesametower
Student:
LeiYingming
Guidanceteacher:
LiZhenxing
(ChinaThreeGorgesUniversityInstituteofTechnology)
Abstract:
Paralleldouble-circuittransmissionlinesatthesametowerareusedwidelywithtransmissioncapacity,transmissioncorridorofsmall,lowcostand.Itisthechiefcomponentofpowersystem,andtheirparametersareessentialforanalysis,computationandcontrolofpowersystem.Theaccuracyofparametersdirectlyaffectsthenormaloperationofprotectionsystem,stabilitycontroldevices,etc.inpowersystem.Thispaperpresentsaparametercalculationmethodofdouble-circuittransmissionlinesatthesametower,andwritingasetofdouble-circuittransmissionlinesparametercalculationsoftwareusingprogramminglanguageofC-Sharp.Thesoftwarehasadvantagesoffriendlyinterface,clearstructureoflevel,simpleoperation.Thepaperalsotakesapieceofpracticaldoublecircuittransmissionlineastheprototype,inthePSCADplatformtobuildatypicaldoublecircuitdigitalsimulationmodeloftransmissionline.Andthedigitalsimulationmodelofvariousparameterstest,thetestparametersandtheresultsareingoodagreementwiththecalculationsoftware.
Keywords:
Double-circuittransmissionlinesatthesametower;
Calculationoftransmissionlineparameters;
softwaredesign;
Simulationmodel
前言
随着我国经济的快速发展,电力的需求量日益增大,电网建设已朝向超高压、大容量、长距离的方向发展。
与此同时,城市化进程加快使得土壤资源日显稀缺。
同杆并架双回线路可以有效提高单位走廊输电容量,减少占用土地面积,减少投资,大大降低了电力建设成本,已经在我国得到了广泛推广。
同杆并架双回输电线路方式,由于双回线路架设在同一杆塔上,难以实现完全换位,导致三相参数不对称;
线路间距离很近,线路间电磁耦合和静电耦合作用很强;
而且多回线路有多种不同运行方式,在不同运行方式之下线路之间的影响又要具体分析,因此输电线的参数影响因素复杂。
在传统的输电线参数计算方法中,为方便计算,对线路模型进行了很多假设和近似,如认为三相导线换位完全,导线参数对称。
由上面分析知这个假设在同杆并架双回线路中并不成立。
另外,传统方法计算平行双回线路参数时,因回路间距离远大于相间距离,忽略回路之间的相互影响。
而在同杆并架双回线路中,回路间距离和相间距离相差不大,回路间影响不能忽略。
所以如果采用传统方法计算输电线参数,计算结果将偏离实际值较远。
输电线参数是电力系统进行潮流计算、短路电流计算、继电保护整定计算及选择电力系统运行方式等工作之前建立电力系统模型的必要参数,其准确性直接关系到这些计算结果的准确性。
如果工作中使用的输电线路参数不准确,可能给电力系统带来很大的影响,甚至产生重大的电力事故,因此及时准确的获得输电线路的工频参数对于电力系统至关重要,尤其是随着我国电力系统的不断发展,电网的不断扩大,电力系统自动化程度的不断提高,对于输电线路参数的准确性要求也越来越高。
所以研究同杆并架双回线路情况下线路参数的影响因素,并将这些因素量化到理论计算方法中,得到准确的输电线参数意义重大。
鉴于上文所述,如果要准确计算同杆并架双回线路参数,就要考虑很多复杂的影响因素,这必将导致计算公式的复杂化和计算量的剧增,采用手工计算有两个缺点,一是工作量太大,费力费时;
二是理论计算的过程中不可避免地用到了工程上的一些假设和近似,而且实际中的一些自然因素难以量化到理论计算公式中,这些都导致了计算精确度不高。
1同杆并架输电线路的研究现状及发展
1.1同杆并架线路发展现状
早期的同杆并架双回线主要是受出线走廊狭窄、城市空间紧张或山区架线不便等因素而形成的,随着经济的发展,电力需求量增大,电网输电能力要求也越来越高,与此同时,土地资源紧张的矛盾日益激烈,同杆并架双回线路的优势突显出来,逐渐由被动转为主动,得到推广[1]。
“西电东送”的南通道工程中自贡至成都线路位于居民稠密的川西平原,为压缩线路走廊,在国内率先全线采用同塔双回路设计方案。
国家电力公司电网建设专家委员会2000年会议也重点对提高输电网的输电能力、节约线路走廊问题进行了研究,并提出了积极大胆地推广采用同杆并架双回和紧型输电线路的建议[2]。
国外多回路同杆塔架设线路主要使用在人口密度较高的地区和国家。
在亚洲,日本是人口密度很高的国家,因此使用双回线路和多回线路也最多,仅东京电力公司在1985年以前建设的16条500kv线路中就有14条是同杆双回线路。
在欧洲,德国由于人口密度高、工业发达、输送容量大、线路走廊紧张,所以也较多使用双回线路和多回线路[3][4]。
1.2输电线参数计算方法研究现状
目前,获得输电线参数通常有两种方法:
一是通过实际测量获得,二是根据线路的排列方式和物理参数进行理论计算获得[5]。
一般的理论计算方法都是通过做出一系列假设和近似,对输电线路建立比较规范的电路模型,再运用电磁场理论推导出各项参数的计算公式。
一般理论计算采用的一些主要假设和近似有:
大地是均匀无损的,具有同一电阻率、导磁率和介电常数,大地电位为零;
大气空间是均匀无损的,具有同一导磁率和介电常数;
架空线路是水平的,且足够长(长导线可以忽略三维终端效应);
导线之间的距离比导线的半径至少大一个数量级;
线路经过换位均变成平衡线路,即相应的阻抗系数矩阵和电位系数矩阵均为对称阵;
三相线路的导线型号一致,分裂导线均为对称分布。
上述假设和近似虽然给建模和公式推导带来很大的简化,但同时也是造成计算结果与实际值之间误差的因素。
当然其中有一些因素在理论计算中难以考虑,或者会因为考虑而使理论计算过程大大复杂化,同时提高的准确度也不明显,这些因素的近似和假设是合理的。
而有些因素则是易于考虑或是在同杆并架双回线路情况下必须考虑的,考虑这些因素并将其量化到计算公式中,能有效提高理论计算的准确度。
目前大多数文献中,推导各序参数都是以自阻抗系数、互阻抗系数和电位系数为基础。
从原则上讲,有了这三个参数,不论导线如何排列,也不论有没有架空地线,线路参数都可以进行计算。
传统方法中计算多回线路正、负序阻抗的公式,与计算单回线路的正、负序阻抗相同,只考虑了相间影响,而不考虑回路之间和回路与架空地线之间的影响。
这是由于一般情况下两回线路的间距离相比同一回线路相间的距离大,可以认为每一条线路与另一回线各相线距离近似相等,它们之间的互感也就相等,所以两回线间正序合成互感电势为零,可以不考虑正序互感的影响。
如图1-1所示双回线路,若认为
,则导线A与导线abc之间的互感满足
,导线A由于线间互感产生的电压为:
(1-1)
所以在计算正序阻抗时,不必考虑线间互感影响。
同理,架空地线的影响也不考虑。
图1-1双回线示意图
显然,在同杆并架双回线时,这种近似不尽合理,因为两回线架设在同一杆塔上,它们之间的距离相比同一回线相间距离不会大太多,所以每一条线路与另一回线各相线路距离差距较大,互感不能近似相等,计算正序参数时两回线路间的互感不能近似为零。
传统方法计算零序阻抗时,除了相间互阻抗外,还考虑了回路间和回路与架空地线之间的零序互阻抗。
但是为了使计算公式的统一和简单,用两回线路之间的互几何均距代替实际距离。
而且公式的推导是基于两回线路并列运行的情况,推导出来的公式也只适用于这一种运行方式。
而工程实际中两回线路有多种运行方式,如一回线运行另一回线接地检修、单回线运行另一回线切除。
所以传统的公式计算方法只能解决简单典型的问题,不够灵活,我们要寻求一种能普遍适用的方法。
传统方法中求取电容的方法是先根据线路参数和线路排列方式求取电位系数矩阵,再对电位系数矩阵求逆矩阵即可求出相应的并联电容矩阵。
同样,计算正序电纳时也没有考虑两回线路之间的影响。
处理同杆并架双回线路问题当前还有一种常用方法,即六序分量法。
该方法首先也是求取自阻抗系数和互阻抗系数,得到阻抗系数矩阵,然后通过分解为正、反向量消去两回线路之间的互感,再通过对称分量法得到各序阻抗。
此方法要求自阻抗系数、相间互阻抗系数和线间互阻抗系数分别相等,才能实现两回线之间的解耦。
所以也是基于假设线路间距离相等的基础之上,这导致计算结果准确度不高。
此外,六序分量法最后得到的每回线路参数有正向和反向正、负、零序共六个参数,不便应用。
1.3输电线参数计算软件研究现状
从上个世纪60年代开始,计算机应用于输电线路参数的理论计算,但是一般的计算软件所依托的计算理论都是传统的计算公式,很少有专门针对同杆并架双回线路设计的软件,所以前面分析的传统方法在同杆并架双回线路情况下存在的缺陷依然存在。
计算机软件计算线路参数有很多优点。
首先,计算的精确度和速度得到了极大提高,提高了效率;
其次,计算软件强调了数据获得的方便与快速,表征线路排列方式的初始条件修改方便,计算结果表示方式清楚直观;
最后数据的存储和更正方便。
1.4课题研究的主要内容与章节安排
本文的主要工作是回顾传统输电线参数计算方法,分析传统方法运用于同杆并架双回线路面临的新问题,从基本电磁方程出发,寻求一般的、普适的计算方法,并用编程语言实现,设计成具有良好人机界面的软件,并通过两种仿真方式对软件进行测试和校验。
第一章首先介绍本课题的基本情况,综述目前国内外的研究现状,对本文的主要研究内容进行概括,同时对各章节内容做简要概述。
第二章以输电线路参数计算的基础,即阻抗系数和电位系数为起点,分别从阻抗和电容两方面阐述了同杆并架双回线路参数计算的方法和具体步骤,同时给出了工程实际中常见特殊问题的处理方法。
基于第二章的计算方法,第三章介绍整个软件的总体框架和流程图,并结合软件运行界面截图,对软件各部分进行详细介绍,最后针对编程中出现的特殊问题进行说明以及解决办法。
第四章对软件计算结果进行校验,选取一段实际工程中的线路作为计算实例,首先在PSCAD中搭建其模型,仿真其参数,然后分别用两种仿真方法进行计算,将两者结果与仿真结果对比分析。
第五章对全文工作进行总结,并对下一步工作进行展望。
2同杆并架输电线路参数计算方法研究
2.1输电线路参数
输电参数分为阻抗系数和导纳系数。
阻抗是由线路的电阻和相应的电感组成的,计算线路阻抗时,首先求取自阻抗系数和互阻抗系数,列出阻抗系数矩阵,然后才能进行矩阵变换,得到各序阻抗。
导纳是由有功损耗电导(在一般的电力系统计算中忽略)和无功损耗电纳组成,其中电纳取决于电容,因此一般在计算中可以只计算电容。
在求取线路电容的时候,电位系数也是必须首先求取的量。
下面将分别介绍这两组基本概念。
2.1.1线路自阻抗和互阻抗的计算
对于线路的自阻抗最主要的是要计算线路的电感值,即为“单导线-大地”的感。
两线路电感必然存在电感间的耦合,因此也会存在互阻抗,根据文献[1]可知,导线的自阻抗
和互阻抗
分别为:
(2-1)
(2-2)
其中,
为输电线路单位长度电阻,
为大地单位长度等效电阻,
为等值深度,
为导线自几何间距,D为两导线间间距。
为了分析方便,本章均不考虑架空地线对线路参数的影响。
对于
=50Hz,
≈0.05Ω/km。
对于非铁磁材料的单股线
(2-3)
对于非铁磁材料的多股线
(2-4)
对于钢芯铝线
(2-5)
代表虚拟导线的等值深度,它是大地电阻率
和频率f(Hz)的函数,即
(2-6)
2.1.2线路自电位系数和互电位系数的计算
三相架空线路架设在离地面有一定高度的地方,大地将影响导线周围的电场。
同时,三相导线均带有电荷,在计算空间任意点的电位时均须计及地面平行的带电导体电场的影响。
在静电场计算中,大地对与地面平行的带电导体电场的影响可用导体的镜像来代替。
图2-1两平行于地面的导线
由文献[1]知,图2-4中导线i的自电位系数为
(2-7)
导线i与导线j之间的互电位系数为
(2-8)
式(2-7)和(2-8)中
是空间介电常数,
,c是光速。
令c=29979.25km/s,
,则有
。
2.2输电线路参数矩阵计算
同杆并架输电线路参数矩阵的计算与普通线路参数计算方法一样,也是以自阻抗系数、互阻抗系数和电位是系数为基础,然后对矩阵进行相应的变换从而实现导线间的解耦,最后求得相应的序阻抗。
2.2.1线路阻抗矩阵计算
(1)电磁方程
在列写电磁方程时,架空地线和导线并没有本质区别,它们都必须满足电磁方程。
假设导线与地线一起共有n根导线,对于一个以地为回路的n根导线组成的系统,将是一个由n*n个元素的矩阵。
对于同杆并架双回线路带两根架空地线的情况讨论,如图2-2所示。
图2-2带两根地线的双回线路
此时,电磁方程为
(2-9)
(2)消除地线影响
对于接地良好的架空地线,地线电压为零,地线电位差也为零,根据这个特征可以消去电磁方程中地线相关的量。
说明一下,这种消去只是数学上的处理,并不是不考虑地线的影响,而是修正输电导线的阻抗系数,使修改过的阻抗系数反映地线的影响。
具体消去地线的方法有两种,在此采用求逆矩阵的方法,一是先对式(2-9)中的Z方阵求逆,得到
(2-10)
将
矩阵中最后两行和两列删去,再对该方阵求逆,即可得到
(2-11)
这样就消去了地线相关的行和列。
这种方法原理直观,步骤简单。
关键在于中间需要两次矩阵求逆运算,如果能得到矩阵求逆的算法,并用编程语言实现,封装为一个求逆函数,那么这种方法就显得很简捷。
(3)回路间的解耦
在实际应用线路参数时,希望参数是反映回路间影响的单回线路参数,所以下面需要对式(2-11)中的阻抗矩阵进行处理,将回路间的互阻抗消去。
实现回路间解耦要根据双回线的运行方式,得出电磁方程相应满足的条件,利用这些条件经过数学处理即可消去回路间的互感。
下面就各种常见的运行方式分析回路间解耦的具体方法。
A.双回线并列运行
双回线并列运行是同杆并架最常见的运行方式,此时两回线路对应相的电压相等,即方程(2-11)中
(2-12)
(2-13)
式(2-13)中后三行等效于三根地线,按照前面阐述的消去地线相关行和列的方法,可得到
(2-14)
这样,就把ABC回路对abc回路的影响综合到阻抗矩阵
中,实现回路间的解耦。
同样,可以得到考虑abc回路影响的ABC回路的单回路阻抗矩阵。
B.单回线路运行另一回线接地检修
当一回路运行另一回线路检修时,接地回路的导线相当于架空地线。
假设ABC回路接地检修,则电磁方程满足
(2-15)
代入式(2-11),再按照消去地线相关行和列的方法,消去ABC相关的行和列,得到和式(2-14)相同形式的abc回路的单回线路矩阵方程。
C.单回线路运行另一回线绝缘
双回线路还有一种运行方式是一回线路运行,另一回线路悬空绝缘而不是接地。
此时绝缘回路电流为零,对运行回路没有互感电压,所以对运行回路的阻抗参数并没有影响,运行回路只需考虑导线自阻抗和相间互阻抗,回路间没有耦合。
假设ABC回路绝缘,则abc回路的矩阵方程就为
(2-16)
需要指出,绝缘回路电流为零,对运行回路阻抗参数没有影响,但是它电位不为零,对运行回路的电容参数有影响,后面计算电容参数时详细阐述。
(4)求序阻抗矩阵
通过前面的步骤,已经得到了每回线路的考虑线间影响和地线影响的单回线路参数,求取各序参数只需用对称分量法中的转换矩阵进行转换即可。
若矩阵s为对称分量变换矩阵,序阻抗矩阵为
(2-17)
这里
矩阵是通过前面的一系列变换运算得到的,一般都不是对称矩阵,所以由式(2-17)求得的序阻抗矩阵非对角元素不全为零,各序分量之间存在耦合,这可能给参数的运用带来不便。
我的看法是,既然前面的计算方法是正确和准确的,如果计算出的结果显示各序分量之间存在耦合,那么说明实际上各序分量之间也确实存在耦合,我们要本着实事求是的态度将完整的线路参数提供给使用者,至于各序分量之间的耦合要不要忽略留给使用者取舍。
传统方法中为实现各序分量的独立性,计算伊始就认定自阻抗和互阻抗分别相等,这也造成了其计算结果准确度不高。
2.2.2线路阻抗矩阵计算
线路模型中导纳部分包括线路电导和线路电纳,线路电导主要是反映电晕现象引起的有功功率损耗,由于在设计电力线路时已采取措施避免电晕现象的出现,故一般计算中不计线路电导。
求取线路电容的方法与求取阻抗的方法有相似之处,但不完全相同。
具体步骤是求取电位系数矩阵,求取电容矩阵,消去地线相关行和列,实现回路间解耦,和求取各序参数。
(1)求取电位系数矩阵
电位系数的公式见式(2-7)和式(2-8),可以看出,电位系数只由杆塔尺寸和导线的半径决定。
这里仍然选取同杆并架双回线路带架空地线的情况分析。
根据杆塔尺寸和导线参数求得电位系数矩阵,并列写矩阵方程
(2-18)
(2)求电容矩阵
对式(2-18)中的电位系数矩阵求逆即可得到电容矩阵,得到
(2-19)
电容矩阵是以节点形式表示的,它的对角线元素是导线与所有其它导线以及地线之间的单位长度电容之和,非对角线元素是导线之间单位长度电容的负值。
(3)求取电位系数矩阵
对于接地良好的架空地线,电位为零,即
,所以地线相关的行和列可以直接消去,得到
(2-20)
(4)回路间解耦
和阻抗部分一样,这里也需要结合线路的具体运行方式,才能实现回路间解耦。
下面针对各种运行方式具体分析回路解耦的方法。
A.双回线并列运行
双回线并列运行则满足对应相的电位相等,即
(2-21)
由该条件和式(2-20)很容易得到下式
(2-22)
式(2-21)已经实现了回路间解耦,稍作变形即可得到单回线路的电容矩阵。
B.一回线运行,另一回线接地检修
一回线运行,另一回线接地检修时,接地回路电位为零,假设ABC回路接地检修,则有:
(2-23)
所以接地回路完全等效于架空地线,采用消去地线相关行和列的方法,消去接地回路相关行和列,其实就是直接将接地回路相关的行和列删去。
C.一回线运行,另一回线绝缘
这种情况下,绝缘导线由于电荷守恒,其电荷为零,假设ABC回路接地检修,则
(2-24)
根据条件(2-24)解耦有两种方法,第一种是对式(2-19)中电容矩阵求逆,然后将式(2-20)代入,直接将ABC相关行和列消去,再求逆,即可得到单回线路的电容矩阵。
(5)求序阻抗矩阵
通过前面一系列计算,求得了单回线路的电容矩阵,再求取各序参数已经很容易了,若s为对阵分量变换矩阵,则序电容矩阵为
(2-25)
同序阻抗矩阵一样,序电容矩阵非对角线元素不一定为零,各序电容之间可能存在耦合。
由于导纳矩阵里面的元素电纳
,其中
,因此得到电容矩阵后还要乘以相应的系数从而得到导纳矩阵。
2.3分裂导线及导线换位的处理
在电力系统中考虑到线路阻抗以及各种辐射、耦合对输电线路的影响,输电线路的导线常常采用分裂导线并且各相间需进行换位处理,经过这些处理后,将会影响输电线路参数的计算,下面将探讨对此情况的处理方式。
2.3.1分裂导线的处理
对于超高压输电线路,为了减小输电线路电抗、降低导线表面电场强度以达到降低电晕损耗和抑制电晕干扰的目的,往往采用分裂导线。
分裂导线中每相导线由2~4根单根导线组成,且布置在正多边形的顶点上。
在此采用等效半径的方式进行处理,这种方法是在应用了某些适当的假设的情况下,把每相由几根导线组合而成的分裂导线当作一根等值的导线来处理,从而使计算得到简化。
假设电流在每相的各根导线中是均匀分布的,那么在整体上每相的分裂导线就可以看成为一根等值的导线。
但是这需要满足如下两个基本条件:
一是每相的各根导线在布置上对称,二是其它相的电流在同一相的各根导线中的感应电势相同。
实际上分裂导线中的各根导线在布置上是对称的,即从横截面上看,是布置在等边多角形的顶点上。
此外,在一相分裂导线中各导线的距离(即分裂间距)通常比相间距离小许多倍(一般为几十倍),因此,由其它相在同一相的各导线上所建立的磁场作用,可以认为事实上是相同的,即在同一相的各导线中感应的电势可以近似地认为相同。
综上,对于分裂导线来讲,
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