配网过电压脆弱性评估软件的核心算法研究

论文总字数：22291字

摘 要

我国配电网大多使用中、低压网络，对于配电网威胁最多的是谐振过电压，本文对过电压的种类原因进行了分析，针对过电压的产生及如何避免，主要介绍了谐振过电压的种类包括铁磁谐振，线性谐振和参数谐振。谐振的产生是由条件的，一旦打破了形成条件，就能够抑制谐振的产生，从而减小过电压。抑制谐振过电压的方法。目前比较有效的两种方法就是中性点接地方式和中性点经消弧线圈接地两种方式，能够有效的抑制谐振过电压的产生，使系统元件达到一个能够自恢复的条件，从而保证配电系统的安全运行。

本文对配电网进行了模型模拟，用多π型进行了模拟。进行微观描述，针对每个二端口进行差分方程计算，从而得出模型的频域特性分析。并且使用了MATLAB软件进行了潮流计算求得电压，电流。对过电压的程度有了直观的了解。

最终得出：中低压配电网需要用电阻进行接地或者通过消弧线圈进行电感电流的补偿从而抑制对地电容电流，来实现破坏谐振的产生条件从而使系统恢复正常运行。而对于容易产生谐振过电压的部件，比如输电线路的电感，变压器的漏感，或者励磁特性接近线性代替恶性的电感元件（比如消弧线圈）都会容易产生线性谐振过电压。同时如果有空载变压器，电压互感器时，也容易由于铁芯电感元件的饱和现象，使回路的电感参数是非线性的。这种情况下会产生铁磁谐振。

关键词：多π型网络，谐振过电压，抑制，潮流计算

Core algorithm for the vulnerability assessment of distribution network over voltage

ID:16011303 Name：Yaoyin Hu

Supervised by Jiang Hao

Abstract：Distribution network, as the transfer of electricity to the user of the existence and our life are closely related. However, improper operation and many accidents (such as lightning and fire) will be resulted in voltage, overvoltage will enable many equipment insulation damage fuse element and pose a huge threat to the economy. Therefore, the distribution network in case of an accident, the consequences be unbearable to contemplate.

Most of the use of medium and low voltage network in power distribution network in China, for distribution network threat most is resonance over voltage, this paper on the types and reasons of voltage are analyzed, according to voltage generation and how to avoid, mainly introduces the resonance over voltage, including the types of ferromagnetic resonance, linear resonance and parametric resonance. The resonance is caused by the conditions, and once the formation conditions are broken, the resonance can be suppressed, thereby reducing the overvoltage. Suppression of the resonant overvoltage. Way of neutral point and the more effective of the two methods is the neutral point grounding through eliminating arc suppression coil grounding in two ways, can effectively suppress the resonance overvoltage, the components of the system to achieve a can self recovery conditions, so as to ensure the safe operation of the power distribution system.

In this paper, the simulation model of the distribution network, multi type simulated. For each two port, the difference equation is calculated and the frequency domain characteristic is obtained.. And MATLAB software is used to calculate the voltage and current.. The degree of the over-voltage has been intuitive understanding.

Finally comes to the conclusion that: low and medium voltage distribution network need resistance grounding or through the elimination of arc suppression coil of the inductor current compensation to suppress the capacitance current to achieve resonance destruction conditions so as to enable the system to resume normal operation. And for easy to produce resonance over voltage components, such as the inductance of the transmission line, the leakage inductance of the transformer, or excitation characteristic near linear instead of malignant inductance element (such as arc suppression coil) is easy to produce linear resonance over voltage. At the same time, if there are no-load transformer, voltage transformer, it is easy due to the saturation of the core inductor element, so that the inductance of the loop is nonlinear. This can produce ferromagnetic resonance.

Key words：Multitype network, resonance overvoltage, suppression, power flow calculation

目 录

配网过电压脆弱性评估的核心算法研究 1

摘要 2

ABSTRACT 3

第一章 概述 1

1.1课题的背景与研究意义 1

1.1.1配电网 1

1.2 国内外的研究现状动态 2

1.3 本文的主要工作 3

第二章 概过电压的产生原因 4

2.1过电压的产生原因及种类 4

2.2.1 外部过电压 5

2.2.2 内部过电压 10

2.2.3过电压种类综述 10

2.3 过电压的标准 11

2.3.1 过电压的设定标准 11

2.3.2 电压的数值计算 11

第三章 典型配电网过电压脆弱性评估 7

3.1目的 7

3.2配电网的简化模型建立 7

3.3谐振过电压的研究及预防 10

3.3.1谐振过电压种类 11

3.3.2谐振过电压的特性 11

3.3.3抑制谐振过电压 12

第四章 配电网过电压评估软件的建立 13

4.1 软件的基本构想 14

4.1.1 基本功能 14

4.1.2 额外功能 15

4.2 模型的建立 16

4.2.1 模型等效 18

4.2.2模型数据化 18

第五章 结论 19

致谢 20

参考文献 21

第一章 概述

1.1课题的背景与研究意义

1.1.1配电网

电力网（Electric Network）是组成电力系统的部分之一，电力网包括变电所与各种电压的线路。其主要功能是变换电压（变电）、分配电能（即输配电），配电网是用来协调电力生产、分配、输送和消费等各个基础生活所必须的环节的重要设施。电力系统是由包括各发电厂、变电站及电力用户的输、变、配电线路组成的系统。综述，它包括三个单元：变电、输电和配电。因此电力网就是对用户输送与分配电能，改变线路电压的。^[1-9]

配电网的组成部分是架空线路、配电变压器、杆塔、隔离开关、电缆、无功补偿器及一些附属设施等。起着重要分配电能作用的配电网络，电压等级通常是处在110kV及以下，但是在负载率较大的特大型城市，也会有220kV的电网承担着配电功能（比如工业园），目前国内大规模使用的配电网多是35kV及其以下的中、低压。^[1-9]

配电网的职能是通过调配把电力进行分配给配电所以及用户，起到了配送电能的作用（从输电网或地区发电厂传输过来的电能，配电网需要通过配电设施，从而做到可以就地或逐级分配给不同需求的客户）。按照电压等级来分类：可分为高压（35-110kV),中压（6-20kV），低压（220/380V）三种配电网；按照供电区的功能来分类：城市配电网，农村配电网，工厂配电网等；由于配电线路差异，可以分为架空配电网，电缆配电网，记忆架空电缆混合配电网。^[1-9]

电网带来经济发展的同时，由于自身的系统结构复杂性以及外界不可控因素，也增加了运行稳定性的不确定性，对于运行控制增加了难度，也为更加危险的事故埋下了隐患。若未能完善处理局部事故，事故就很可能会波及到很大的范围，造成更大的事故，例如大面积停电，会造成巨大的经济损失和社会影响。自发生在2003年2月的美国的有史以来最严重的大停电事故以来，那个影响了5千万美国人的生活，预计用电负荷为618000MW，花了4天时间才恢复美国某些地区的用电的事故^[1-9]，为国内外都敲响了警钟，全世界都才认识到了配电网一旦崩溃后果不堪设想。

1.1.2 脆弱性

脆弱性一词起源于《权利与相互依赖》一书中，被作者约瑟夫奈和基欧汉用于分析国际政治的概念。它是指改变相互依存的体系所带来的代价，而《反脆弱》一书作者认为事物（包含动物、动物群体、人、政体、制度等）应对波动、压力等环境后变的更强还是更弱。

还有一种解释则是，脆弱性（vulnerability），又被称为弱点或者漏洞，是系统中固有存在的薄弱环节，这些薄弱环节就可能被利用或者威胁从而造成损害，脆弱性一旦被威胁成功利用就可能对资产造成损害。漏洞存在的范围很广，物理环境、组织、过程、人员、管理、配置、硬件、软件和信息都有可能出现。

电力系统配电网脆弱性是近年来新提出的概念，尚未有明确定义。本文根据现有的研究成果，进行了一个描述性的定义：在受到外界干扰（天灾，操作失误，管理不及时，软硬件自损等）时，电网本身存在的漏洞（正常运行是无法发现的），这个漏洞就是存在在电网中的可能被利用的薄弱环节，一旦被利用成功，就会对资产造成威胁。电力网的脆弱性是隐性的，不能直观的发现，正常运行时很难找到，但是一旦发生故障就会最容易出现异常，会对整个电力系统造成巨大的损失，无论是人员的伤亡还是电网的瘫痪，造成的后果不堪承受。

因此定义：受到各种外界因素的作用下，或者在正常运行状态下的电力系统施加干扰或者故障，或本身系统内部出现故障的时候，其对于扰动的承受能力如何，并且是否具有能恢复到正常运行状态的能力，这种承受扰动和自身恢复的能力叫做配电网系统脆弱性。

脆弱性评估的目的即在此，找出配电网中的薄弱环节，从而为电力系统故障发生之时的应急措施提供理论参考，避免造成更大的损失。当然，本文想要的评估旨在能在配电网投入运行之前，发现这些薄弱环节，及时采取措施，防止投入运行之后发生重大损失。

1.1.3过电压脆弱性

过电压（Over Voltage）是指工频下交流电压均方根值升高，超过额定值的10%，并且持续时间大于1分钟的长时间电压变动现象。过电压的出现通常是负荷突然改变的结果，例如：切断一个大型负荷或者由于各种原因导致电容器组增能，并且导致电容电流过大（过电压需要进行补偿）。而本文要研究的过电压脆弱性指的是配电网受到扰动之后，产生的谐振过电压的严重程度，包括配电网系统从稳定向临界失稳的频率条件，以及发生了谐振过电压之后要如何破坏谐振条件从而解决过电压。因此这个过电压脆弱性指标的目的是反映当前系统电压安全水平以及未来的变化趋势。^[1-20]

因此配电网过电压的脆弱性分析是以电压稳定程度分析为基础的，通过构建脆弱程度指标A来描述，A需要包含两个部分：系统此时的安全水平、系统即将面临的变化趋势。从而能够反映出系统的动态特征，对于隐患能提早发现，能够在萌芽状态下扼杀掉。

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