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1、第1章 电力系统电磁暂态概述1.1 电力系统电磁暂态现象1.2 电力系统电磁暂态分析的目的1.3 电力系统电磁暂态研究的方法1.4 电力系统电磁暂态仿真的特点1.5 电力系统数字仿真思考与练习题1.1 电力系统电磁暂态现象21.2 电力系统电磁暂态分析的目的41.3 电力系统电磁暂态研究的方法51.4 电力系统电磁暂态的特点71.4.1 频率范围广71.4.2 元件模型因计算目的而异81.4.3 行波现象和分布参数101.4.4 非线性元件和开关操作161.4.5 元件参数的频率特性171.4.6 时间跨度的要求181.5 电力系统数字仿真181.5.1 电力系统数字仿真的分类181.5.2
2、电力系统数字仿真的优点201.5.3 电力系统数字仿真软件21第1章 电力系统电磁暂态概述1.1 电力系统电磁暂态现象 电力系统稳态运行时，发电厂发出的功率与用户所需要的功率及电网中损耗的功率相平衡，系统的电压和频率都是稳定的。但电力系统在运行过程中常常会发生故障或需要进行操作，常见的电力系统故障有：雷击电力设备等雷害故障，短路、接地故障和谐振等电气故障，断线等机械故障。常见的电力系统操作有：（1）断路器的投切操作，如合空载线路、合空载变压器、切空载线路、重合闸、甩负荷等。（2）隔离开关的投切操作，如母线投切等。电力系统发生故障或进行操作时，系统的运行参数发生急剧变化，系统的运行状态有可能急促
3、地从一种运行状态过渡到另一种运行状态，也有可能使正常运行的电力系统局部甚至全部遭到破坏，其运行参数大大偏离正常值，如不采取特别措施，系统很难恢复正常运行，这将给国民经济生产和人民生活带来严重的后果。电力系统运行状态的改变，不是瞬时完成的，而要经历一个过渡状态，这种过渡状态称为暂态过程。电力系统的暂态过程通常可以分为电磁暂态过程和机电暂态过程。电磁暂态过程指电力系统各元件中电场和磁场以及相应的电压和电流的变化过程，机电暂态过程指由于发动机和电动机电磁转矩的变化所引起的电机转子机械运动的变化过程。虽然电磁暂态过程和机电暂态过程同时发生并且相互影响，但由于现代电力系统规模的不断扩大，结构愈益复杂，需
4、要考虑的因素繁多，再加上这两个暂态过程的变化速度相差很大，要对它们统一分析是十分复杂的工作，因此在工程上通常近似地对它们分别进行分析。例如，在电磁暂态过程分析中，由于在刚开始的一段时间内，系统中的发电机和电动机等转动机械的转速由于惯性作用还来不及变化，暂态过程主要决定于系统各元件的电磁参数，故常不计发动机和电动机的转速变化，即忽略机电暂态过程。而在静态稳定性和暂态稳定性等机电暂态过程分析中，转动机械的转速已有了变化，暂态过程不仅与电磁参数有关，而且还与转动机械的机械参数（转速、角位移）有关，分析时往往近似考虑或甚至忽略电磁暂态过程。只在分析由发动机轴系引起的次同步谐振现象、计算大扰动后轴系的暂
5、态扭矩等问题中，才不得不同时考虑电磁暂态过程和机电暂态过程。下面以一个简单开关接通RL电路的例子，以便获得对在电力系统暂态时起关键作用的物理过程的充分了解。一个正弦波电压接通到一个电感与电阻串联的电路上，如图1-1所示。这实际上是一个高压断路器闭合到短路的输电线路或短路的电缆的最简单单相表示法。电压源代表连接的同步发电机的电动势。电感L包括发电机的同步电感、电力变压器的漏电感与母线、电缆与输电线的电感，电阻R表示供电电路的电阻损耗。图1-1 正弦波电压源接通到RL串联电路假设时合闸，应用基尔霍夫电压定律，得到电路方程 （1-1）该方程为一阶常系数、线性、非齐次常微分方程，其解就是合闸电路的全电
6、流，它由两部分组成：稳态分量和暂态分量，即其中稳态分量为 （1-2）暂态分量，也就是合闸电流的自由分量,记为 （1-3）式中，为特征方程的根；，为暂态分量电流衰减的时间常数；C为由初始条件决定的积分常数。在开关闭合之前，电感L中的磁通为0，根据磁通守恒定律，在闭合的瞬间，即由此得到 （1-4）从而得到合闸的全电流表达式为 （1-5）式（1-5）中的暂态分量含有衰减项，也称为直流分量，其系数为常数，数值大小取决于电流合闸瞬间，在为（其中）时，直流分量为0，电流立即进入稳态，换言之，不存在暂态振荡过程。但当开关闭合电路不在为（其中）时，合闸过程将引起电磁暂态过程，在为时，暂态过程将达到最大电流，如
7、图1-2所示。图1-2 开关合闸的暂态过程电流波形1.2 电力系统电磁暂态分析的目的电磁暂态过程分析的主要目的在于分析和计算故障或进行操作后可能出现的暂态过电压和过电流，以便对电力设备进行合理设计。通常情况下，电力系统电磁暂态产生的过电压在确定设备绝缘水平中起决定作用，据此制定高电压试验电压标准，确定已有设备能否安全运行，并研究相应的限制和保护措施。此外，对于研究电力系统新型快速保护装置的动作原理及其工况分析，故障测距原理与定点方法以及电磁干扰等问题，也常需要进行电磁暂态过程分析。另外，调查事故原因，寻找对策；计算电力系统过电压发生概率，预测事故率；检查电气设备的动作责能，如断路器的暂态恢复电
8、压和零点偏移；检查继电保护和安全自动装置的响应等，也离不开电磁暂态过程的计算和模拟。电磁暂态过程变化很快，一般需要分析和计算持续时间在ms级，甚至是s级以内的电压、电流瞬时值变化情况，因此，在分析中需要考虑元件的电磁耦合，计及输电线路分布参数所引起的波过程，有时甚至要考虑三相结构的不对称、线路参数的频率特性以及电晕等因素的影响。1.3 电力系统电磁暂态研究的方法为了保证电力系统运行的可靠性、安全性和经济性，在电力系统设计、运行、分析和研究中必须全面地了解实际系统的电磁暂态特性。目前，研究电力系统电磁暂态过程的手段有3种：（1）系统的现场实测方法。（2）应用暂态网络分析仪（Transient N
9、etwork Analyzer，简称TNA）的物理模拟方法。（3）计算机的数字仿真（或称数值计算）方法。系统的现场实测方法是在实际的电力系统上直接进行试验和研究，六十年代之前经常要在实际电力系统进行短路、操作等试验，这种试验对电力系统的考验是真实和严格的，以确保电力系统运行的可靠性、安全性和经济性，但是系统的现场实测方法会对电力系统的正常运行和电气设备带来很大危害，短路点的电弧有可能烧坏电气设备，很大的短路电流通过设备会使发热增加，当持续一定时间后，可能使设备过热而损伤；很大的短路电流引起的电动力有可能使设备变形或遭到不同程度的破坏；操作试验过程中产生的过电压可能引起电气设备载流部分的绝缘损坏
10、，加剧绝缘材料的老化。即便如此，实测对于研究电力系统电磁暂态过程仍是非常重要的，它一方面验证TNA及数字仿真的准确性，为系统安全运行提供依据；另一方面可以全面研究系统各类元件的参数特性，为TNA及数字仿真提供更精确的原始数据。系统的现场实测常常会遇到困难，有些困难甚至是不可能解决的，利用模型系统进行试验和分析就成为一种非常有效的途径。暂态网络分析仪就是一种用于研究电力系统动态特性的物理模型系统。TNA方法多用于模拟操作过电压和交流过电压的暂态现象，同时通过改变元件特性，TNA也可用来模拟更高频率下的暂态现象。它是在相似理论的指导下，把实际电力系统的各个部分，如同步发电机、变压器、输配电线路、电
11、力负荷等按照相似条件设计、建造并组成一个电力系统模型，这样将一个高电压、大电流、体积庞大的电力系统，按照一定的比例转化为一个低电压、小电流、体积较小的模拟试验台，在模拟台中出现的电磁暂态现象，电压和电流的波形与它模拟的电力系统是一样的，用这种模型代替实际电力系统进行各种正常运行与故障状态的试验和分析。与系统的现场实测相比，TNA方法对电力系统的正常运行和电气设备不产生影响，为了缩小模拟装置的尺寸，节省电感元件和电容元件，减少模拟设备的昂贵费用，并考虑到现有的技术条件、模拟精度要求等，选择恰当的比例尺是非常重要的。TNA具有物理意义清晰，易于理解和使用的优点，可以多次重复试验现象，便于观察和研究
12、，北美不少大的电力公司都将TNA作为培训新员工的一种工具。随着现代电力系统的发展，电力系统的规模和复杂程度发生很大变化，采取物理模型的动态模拟方法受到很大限制。与此同时，数字计算机和数值计算技术飞速发展，数字计算机的性能价格比不断提高，出现了用数学模型代替物理模型的新型模型系统。电力系统数字仿真（Digital Simulation of Power System）就是将电力系统的电源、网络和负荷元件建立其数学模型，用数学模型在数字计算机上进行实验和分析的过程。电力系统数字仿真的主要步骤为建立各元件数学模型、建立数字仿真模型和进行仿真试验。建立数学模型是处理物理原型与数学模型之间的关系，建立数
13、字仿真模型是处理数学模型与计算之间的关系。有些数学模型是利用数字计算机和模拟计算机的混合数学模型系统。电力系统数字仿真是一门新兴的技术科学，它的产生和发展是同现代科学技术发展分不开的，数字仿真与实际系统试验和动态物理模拟相比，不仅节省了大量的人力、物力和财力，而且不受外部条件的限制，几乎不受系统规模和时间跨度的约束，甚至不受各种暂态现象频率范围的限制（理论上它可以对各类暂态过程进行计算，但是，它需要相关设备真实的频率特性，有时候，这种频率特性是很难得到的）。具有无可比拟的灵活性，能达到试验不可达到的广度和深度。譬如我国南北联网这样的课题，地理上相距数千公里，跨越了几个大电网，没有办法用试验来分
14、析联网可能出现的问题，但通过数字仿真发现南北联网可能会出现低频震荡问题。今天实际系统的现场实测方法主要是为了建立数学模型，取得数学模型的参数。1.4 电力系统电磁暂态的特点1.4.1 频率范围广电力系统中暂态现象的研究所涉及的频率范围广，从直流到大约50MHz的范围。高于系统频率的暂态现象通常涉及到电磁暂态，而低于系统频率的暂态现象主要涉及到机电暂态过程。表1-1给出了多种暂态现象的起因以及它们通常的频率范围。表1-1电力系统暂态的起因及频率范围起因频率范围投入变压器时的铁磁谐振（DC）0.1Hz 1kHz甩负荷0.1Hz 3 kHz故障清除50/60 Hz 3 kHz故障发生50/60 Hz
15、 20 kHz线路充电50/60 Hz 20 kHz线路重合闸（DC）50/60 Hz 20 kHz断路器端部故障（BTF）50/60 Hz 20 kHz短路故障50/60 Hz 100 kHz断路器多次重燃10 kHz 1 MHz雷击10 kHz 3 MHzGIS故障和隔离开关操作100 kHz 50 MHz网络中每个元件的模拟都要与所研究的特定暂态现象的频率范围相符合。当所研究现象的频率大于1 MHz时，如GIS中由于隔离开关操作所引起的快速暂态现象，则不仅在母线上产生波的传播，而且施加在变压器、支柱绝缘子以及在某些情况下管形母线上的弯管处，它们非常小的电容和电感对模拟结果都将产生非常重要的影响。表1-1中所列电磁暂态现象的频率范围可以分成4组，对应于各暂态现象的频率范围之间存在着重叠，图1-3是国际大电网会议（CIGRE）对各种过电压的频率分类；各类的频率范围是与其所表示的过电压波形的实际陡度相关的。研究者必须清楚自己的研究对象所在的频率范围，确定被模拟设备的频
