1、二次系统课程设计学生姓名：学号：专业：电气工程及其自动化班级：摘要本报告主要是进行配电网络的监测、保护和控制实现方案设计。了解并掌握电力系统二次系统的概念、组成和功能，掌握二次系统和一次系统的本质区别。通过查阅文献资料，自主完成二次系统主要功能中监测、控制和保护的概念以及常用的实现方法。本报告主要分成以下三个部分：电网监测。选择配电网的电压电流互感器，并分析互感器采集数据的误差来源。设计去噪算法并编写去噪程序，对含高次谐波的信号进行去噪工作。电网故障区域判断实现。为区域子网设置故障点，通过网络描述矩阵、故障信息矩阵、故障判断矩阵的形式对故障区域进行判断。配电网络优化重构方案设计。设计重合器和电
2、压时间型分段器的 X 时限整定、Y 时限整定。设置故障点，为子网区域设计合理的负荷转带方案。关键词：电网监测，故障判断，自动化，时间参数整定，网络优化重构第一章电网监测一次系统是指由发电机、送电线路、变压器、断路器等，发电、输电、变电、配电等设备组成的系统。它们是电力系统的主体，其功能是将发电机所发出的电能，经过输变电设备，逐级降压送到配电系统，而后再由配电线路把电能分配到用户。二次系统是指由继电保护、安全自动控制、系统通讯、调度自动化、DCS自动控制系统等组成的系统。二次系统是电力系统不可缺少的重要组成部分，它是实现人与一次系统的联系监视、控制，使一次系统能安全经济地运行。1.1 电网监测的
3、意义和任务智能配电网作为智能电网的重要部分，对其实行在线监测有着举足轻重的作用。它对于确保配电网安全可靠运行、了解配电网实时运行状况具有十分重要的意义。配网检测的任务包括：1、运行状态。包括配电变压器，10kV 馈线上各开关的状态，故障指示信息，配电网网架结构、状态和线路运行状态参数的显示。2、潮流。包括配电变压器及馈线的负荷信息，监视馈线可能的过负荷信息，并提供给网架重构软件。3、实时变量。对电流、电压、功率的实时变量进行在线监测。1.2 互感器互感器是按比例变换电压或电流的设备。互感器的功能是将高电压或大电流按比例变换成标准低电压（100V）或标准小电流（5A 或 1A，均指额定值） ，以
4、便实现测量仪表、保护设备及自动控制设备的标准化、小型化。互感器还可用来隔开高电压系统，以保证人身和设备的安全。互感器分为电压互感器和电流互感器两大类，其主要作用有：将一次系统的电压、电流信息准确地传递到二次侧相关设备；将一次系统的高电压、大电流变换为二次侧的低电压（标准值） 、小电流（标准值） ，使测量、计量仪表和继电器等装置标准化、小型化，并降低了对二次设备的绝缘要求；将二次侧设备以及二次系统与一次系统高压设备在电气方面很好地隔离，从而保证了二次设备和人身的安全。 1.2.1 电压互感器1、按电压等级分：低压互感器、高压互感器、超高压互感器2、按用途分：测量保护用电压互感器、计量用电压互感器
5、3、按绝缘类型分：全封闭电压互感器、半封闭电压互感器4、按变压原理分：电磁式电压互感器、电容式电压互感器5、按安装地点可分 为户内式和户外式。35kV 及以下多制成户内式；35kV以上则制成户外式。6、按相数可分为单相和三相式，35kV 及以上不能制成三相式。7、按绕组数目可分为双绕组和三绕组电压互感器，三绕组电压互感器除一次侧和基本二次侧外，还有一组辅助二次侧，供接地保护用。8、按绝缘方式可分为干式、浇注式、油浸式和充气式，干式浸绝缘胶电压互感器结构简单、无着火和爆炸危险，但绝缘强度较低，只适用于 6kV 以下的户内式装置；浇注式电压互感器结构紧凑、维护方便，适用于 3kV35kV 户内式配
6、电装置；油浸式电压互感器绝缘性能较好，可用于 10kV 以上的户外式配电装置；充气式电压互感器用于 SF6 全封闭电器中。此外，还有电容式电压互感器，电容式电压互感器实际上是一个单相电容分压管，由若干个相同的电容器串联组成，接在高压相线与地面之间，它广泛用于 110kV330kV 的中性点直接接地的电网中。电压互感器工作原理与变压器相同，基本结构也是铁心和原、副绕组。特点是容量很小且比较恒定，正常运行时接近于空载状态。电压互感器本身的阻抗很小，一旦副边发生短路，电流将急剧增长而烧毁线圈。为此，电压互感器的原边接有熔断器，副边可靠接地，以免原、副边绝缘损毁时，副边出现对地高电位而造成人身和设备事
7、故。测量用电压互感器一般都做成单相双线圈结构，其原边电压为被测电压（如电力系统的线电压） ，可以单相使用，也可以用两台接成 V-V 形作三相使用。实验室用的电压互感器往往是原边多抽头的，以适应测量不同电压的需要。供保护接地用电压互感器还带有一个第三线圈，称三线圈电压互感器。三相的第三线圈接成开口三角形，开口三角形的两引出端与接地保护继电器的电压线圈联接。正常运行时，电力系统的三相电压对称，第三线圈上的三相感应电动势之和为零。一旦发生单相接地时，中性点出现位移，开口三角的端子间就会出现零序电压使继电器动作，从而对电力系统起保护作用。线圈出现零序电压则相应的铁心中就会出现零序磁通。为此，这种三相电
8、压互感器采用旁轭式铁心（10KV 及以下时）或采用三台单相电压互感器。对于这种互感器，第三线圈的准确度要求不高，但要求有一定的过励磁特性（即当原边电压增加时，铁心中的磁通密度也增加相应倍数而不会损坏） 。1.2.2 电压互感器的选择原则电压互感器的选择和配置应按下列条件：1、一次电压 ： ，式中： 电压互感器额定一次1UnnU9.0.1n线电压（10KV） ，其允许波动范围为 ，即 。%1KV2、二次电压 ：电压互感器二次电压，应根据使用情况选择，通常取n2100V。3、准确等级：电压互感器应在那一准确等级下工作，需根据接入的测量仪表、继电器和自动装置等设备对准确等级的要求确定。4、二次负荷
9、： ，式中： 二次负荷； 对应于在测2Sn2SnS量仪表所要求的最高准确等级下，电压互感器的额定容量。1.2.3 电流互感器1、按安装方式分：贯穿式电流互感器。用来穿过屏板或墙壁的电流互感器。支柱式电流互感器。安装在平面或支柱上，兼做一次电路导体支柱用的电流互感器。套管式电流互感器。没有一次导体和一次绝缘，直接套装在绝缘的套管上的一种电流互感器。母线式电流互感器。没有一次导体但有一次绝缘，直接套装在母线上使用的一种电流互感器。2、按用途分测量用电流互感器（或电流互感器的测量绕组。在正常工作电流范围内，向测量、计量等装置提供电网的电流信息。保护用电流互感器（或电流互感器的保护绕组。在电网故障状态
10、下，向继电保护等装置提供电网故障电流信息。3、按绝缘介质分干式电流互感器。由普通绝缘材料经浸漆处理作为绝缘。浇注式电流互感器。用环氧树脂或其他树脂混合材料浇注成型的电流互感器。油浸式电流互感器。由绝缘纸和绝缘油作为绝缘，一般为户外型。目前我国在各种电压等级均为常用。气体绝缘电流互感器。主绝缘由气体构成。4、按电流变换原理分电磁式电流互感器。根据电磁感应原理实现电流变换的电流互感器。光电式电流互感器。通过光电变换原理以实现电流变换的电流互感器，目前还在研制中。1.2.4 电流互感器的选择原则电流互感器的选择和配置应按下列条件：1、型式：电流互感器的型时应根据使用环境条件和产品情况选择。对于620
11、KV 屋内配电装置，可采用瓷绝缘结构和树脂浇注绝缘结构的电流互感器。2、一次回路电压： gnu3、一次回路电流： maxI4、准确等级：要先知道电流互感器二次回路所接测量仪表的类型及对准确等级的要求，并按准确等级要求高的表计来选择。1.2.5 互感器的选择结果通常专供测量用的低电压互感器是干式，绝大多数产品是单相的，我国多在 10kV 及以下电压等级采用电磁式电压互感器，经查询可选择型号为JDZX10-10 的电压互感器,具体参数如下：该型号电压互感器为单相、户内、干式全封闭产品，使用时三台一组，JDZX10-10 为 Yo/Yo/连接，适用频率为50Hz。该互感器为全封闭结构，绕组为环氧树脂
12、全真空浇注全绝缘结构。铁芯采用优质硅钢片卷绕而成。互感器绝缘靠环氧树脂。产品体积小、重量轻。主要技术参数：1.产品标准：GB1207-2006电磁式电压互感器 ；2.产品表面爬电距离：满足级污秽等级；3.负荷的功率因数： （滞后） ；8.0cos准确等级及输出容量（VA）型号 额定电压比0.2 0.5 1 3热极限输出容量（VA）JDZX10-10 31.0： 15 20 50 100 200目前我国在各种电压等级常用油浸式电流互感器作为测量用电流互感器，经查询可用型号为 LJW(D)-10 的电流互感器，具体参数如下：1、钢箱油浸式，户外户内两用装置，供电频率 50Hz 的系统中，作电流、电
13、能油量及继电之用。2、允许在额定电流 120%的情况下长期运行。适用于海拔高度不超过 4000米，周围气温变化不超过-25至+40的地区。3、为单相油浸自冷气式适用于户外（户内） 。互感器内装绝缘和冷却用的变压器油，并采用和真空注油工艺。10KV 级油面跟箱盖约为 15mm，箱盖上面装有注油阀，阀上有气孔并有防雨、雪护盖。35KV 级套管上装有储油壶，储油壶内有隔腊，使变压器不与空气接触，减缓了油的氧化速度。互感器热稳定 75 倍，动稳定 187.5 倍。本产品分单变比单次级，双变比单次级四种型式。其中进量用 CT 为 0.2 级，继电保护监控用 CT 分别为 0.2、0.5、1.3 级等。互
14、感器选定型号如下：互感器 型号电压互感器 JDZX10-10电流互感器 LJW(D)-101.3 数据采集误差来源1、电流互感器误差电流互感器的误差分为电流误差和相位差两种。电流误差是互感器在测量电流时所产生的误差，它是由于实际电流比与额定电流比不相等造成的。相位差是指互感器的一次电流与二次电流相量的相位差。相量方向是按理想互感器的相位差为零来决定的。二次电流相量超前于一次电流相量，则相位差为正值，滞后时为负值。所以，二次侧负载在额定范围内减少时，磁通密度减少，由于二次电流不变，励磁电流减小，误差也将减小。在现场运行中，可增大连接导线截面或缩短连接导线的长度，减小实际二次负荷；也可以选择变比较
15、大的电流互感，以增大允许二次负荷。2、电压互感器误差电压互感器的基本结构和变压器很相似。它由一、二次绕组，铁芯和绝缘组成。当在一次绕组上施加电压 时，一次绕组产生励磁电流 ，在铁芯中就1U0I产生磁通 ，根据电磁感应定律，在一、二次中分别产生感应电势 E1 和 E2，绕组的感应电动势与匝数成正比，改变一、二次绕组的匝数，就可以产生不同的一次电压与二次电压比。当 在铁芯中产生磁通 时，有激磁电流 存在，由于一次绕组存在1U 0I电阻和漏抗， 在激磁导纳上产生了电压降，就形成了电压互感器的空载误差，0I当二次绕组接有负载时，产生的负荷电流在二次绕组的内阻抗及一次绕组中感应的一个负载电流分量在一次绕
16、组内阻抗上产生的电压降，形成了电压互感器的负载误差。可见，电压互感的误差主要与激磁导纳，一、二次绕组内阻抗和负荷导纳有关。1.4 去噪算法设计根据功率理论，有功功率 P、无功功率 Q、视在功率 S 之间可以表达成以下形式： )sin(coiuUIQPS式中 U、I 表示采集的基波信号有效值， 和 分别表示电压电流基波相ui角之差，因此在该基础上我们可以编写相应的算法，流程图如下：该算法是基于快速傅立叶变换（FFT）,是离散傅氏变换（DFT）的快速算法，即为快速傅氏变换。它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。由于这种方法计算 DFT 对于 的每个)(K
17、XK 值进行 次实数相乘和 次相加。对于 N 个 K 值，共需 次实数N4)24(NN4相乘和 次实数相加。改进 DFT 算法，减少它的运算量，利用 DFT 中）（ 2的周期性和对称性，使整个 DFT 的计算变成一系列迭代运算，可大幅度提knW高运算过程和运算量，这就是 FFT 的基本思想。1.5 基于 Matlab 的 FFT 去噪仿真第二章电网故障区域判断实现2.1 子网拓扑图从配电网结构图中，选定重合器 9 到分段器 6、分段器 22、分段器 23 之间的线路为分析子网，其原始子网拓扑图如下：根据配电网结构图选出作为故障区域判断的一个子网拓扑，并对子网节点按顺序编号，黑色实心表示分段器闭
18、合，空心表示断开。对选定的子网从电源节点按顺序编号后其拓扑图为：2.2 设置故障在分段器 1 到 2 之间设置一个故障，如图所示：2.3 故障判断其网络描述矩阵如下：0100101D其故障信息矩阵如下： 100001G其故障判断矩阵如下： 0100101nGDP故障判断矩阵规格化:由于 d25=d35=1 且 g55=1，因此要分别对 P阵中的第 5 行和第 5 列进行规格化处理。又有 g22=g33=0,因此令 pi5=p5i=0。经上述规格化后故障判断矩阵 P 为：010001P2.4 故障计算结果通过规格化后的矩阵 P 可知，P67 XOR P76=0, P12 XOR P21=1，所以
19、故障点在节点 1 和 2 之间。由前面可知，我们设置的故障也是在节点 2 和 3 之间，所以计算结果正确。第三章配电网络优化重构方案设计3.1 配电网重构意义配电网络为复杂的多环结构，包含有大量的分段开关和少数联络开关。重构问题是为通过闭合/开断分段开关和联络开关，改变配网拓扑结构。配电网重构的意义主要在于提高供电可靠性、降低配电网线损，提高系统经济性、均衡负荷，消除过载，提高供电电压质量。故障条件下的重构，可以隔离故障区域，恢复非故障区域的供电。在配电系统发生故障时，可以打开配电系统中的某些分段开关隔离故障，同时合上某些联络开关把故障线路上的部分或全部负荷转移到其他线路上去，从而起到快速隔离
20、故障和恢复供电的目的；正常工况下进行配网重构，可以在保持全网辐射形拓扑结构的条件下，调整网络拓扑结构和负荷分布，实现提高节点电压质量、降低网络损耗、均衡负荷、消除过载和提高供电可靠性等目标。通过网络重构，可以将负荷从重负载或是过负载馈线（或变压器）转移到轻负载馈线（或变压器）上，这种转移不仅调节了运行馈线的负荷水平，消除馈线过载，还能改善电压质量，同时也可以有效地减小整个系统的网损。3.2 配电网子网拓扑图选定子网区域为重合器 24 到分段器 10、分段器 28、分段器 33 之间的线路：对选定的子网从电源节点按顺序编号后其拓扑图为：3.3 设置负荷3.4 设置故障在分段器 12 下游设置一个
21、故障，如图所示：3.5 分段开关 X、Y 时限整定本区域共有两个子网，可分为子网 A 和子网 B，子网 A 包含重合器 1，分段器 2，分段器 3，分段器 4；子网 B 包含重合器 10，分段器 11，分段器 12，分段器 13，分段器 7，分段器 8，分段器 9。子网分层：子网 A 子网中潮流方向为从左至右，可得分层结果如下：层次 第一层 第二层 第三层编号 2 3 4节点 1 2 3 4 7 8负荷/KW 1500 200 100 150 250 100节点 9 10 11 12 13负荷/KW 200 1500 300 250 150子网 B 分层结果如下：层次 第一层 第二层 第三层
22、第四层编号 11 12 8,13 7,93.5.1 分段开关 X 时限整定子网 A 重合器和电压时限型分段器的 X 时限整定：编号 2 3 4绝对合闸延时时间/s7 14 21X 时限/s 7 7 7子网 B 重合器和电压时限型分段器的 X 时限整定：编号 11 12 13 8 7 9绝对合闸延时时间/s7 14 21 28 35 49X 时限/s 7 7 7 14 7 213.5.2 分段开关 Y 时限整定子网 A 的 Y 时限整定：编号 2 3 4Y 时限/s 5 5 5子网 B 的 Y 时限整定：编号 11 12 13 8 7 9Y 时限/s 5 5 5 5 5 53.6 联络开关的 X
23、L 时限整定当联络开关 6 的上侧即断路器 3 和 6 之间发生故障时，从故障发生到 3 开关闭锁在分闸状态所需延时时间：10+7+7=24s。当联络开关 6 的下侧即断路器 8 和 6 之间发生故障时，从故障发生到 8 开关闭锁在分闸状态所需延时时间:10+7+7+14=38s。当联络开关 5 的左侧即断路器 4 和 5 之间发生故障时，从故障发生到 4 开关闭锁在分闸状态所需延时时间:10+7+7+7=31s。当联络开关 5 的右侧即右侧相距最近的断路器和 5 之间发生故障时，从故障发生到右侧相距最近的断路器闭锁在分闸状态所需延时时间:10+7+7+7=31s。当联络开关 14 的左侧即断
24、路器 13 和 14 之间发生故障时，从故障发生到断路器 13 闭锁在分闸状态所需延时时间：10+7+7+7=31s。当联络开关 14 的右侧即右侧相距最近的断路器 29 和 5 之间发生故障时，从故障发生到右侧相距最近的断路器 29 闭锁在分闸状态所需延时时间： 10+7+7+7=31s。当联络开关 15 的上侧即断路器 12 和 15 之间发生故障时，从故障发生到断路器 12 闭锁在分闸状态所需延时时间:10+7+7=24s。当联络开关 15 的下侧即下侧相距最近的断路器和 15 之间发生故障时，从故障发生到下侧相距最近的断路器闭锁在分闸状态所需延时时间：10+7+7+7=31s。由上可知
25、， ，则联络开关 XL 时限为： 。sT38max sXL503.7 故障区域隔离当断路器 12 右侧发生永久性故障时，子网 B 的重合器和所有分段器都处于分闸状态。经过 10s 之后，重合器 10 重合闸；再过 7s，分段器 11 合闸；再过7s，分段器 12 合闸；由于故障依然存在，重合器 10 和分段器 11、12 再次分闸，由于此时分段器 12 合闸到分闸的过程持续时间小于其 Y 时限 5s，则分段器 12闭锁在分闸状态；再过 5s，重合器 10 再次重合闸；再过 7s，分段器 11 合闸，此时由于分段器 12 处于分闸状态，则分段器 13、7、8、9 并没有电流流过，所以一直处于分闸
26、状态，此时需要配电网优化重构，恢复供电。故障隔离所需总时间：10+7+7+5+7=36s3.8 配电网优化重构方案此时分段器 7、8、9、13 处于分闸状态，为使其对应的线路得到供电，我们需要从其余的电源点供电。营救方案：分段器 6 合闸，由重合器 1 向分段器 7、8、9 供电。经过 50s 之后，分段器 6 合闸；再经过 7s 之后，分段器 7 合闸；再经过7s 之后，分段器 8 合闸；又瞬间失压，分段器 8 闭锁于分闸状态，子网 A 所有重合器和分段器再次分闸；再经过 10s，重合器 1 合闸；再经过 7s，分段器 2合闸；再经过 7s，分段器 3 合闸；经过 50s，分段器 6 合闸；
27、再经过 7s 之后，分段器 7 合闸；再经过 14s 之后，分段器 9 合闸；重构完成。由重构方案知：节点 7、8、9 之间的负荷得由重合器 1 提供，则此时的总负荷为：Q=200+100+150+250+200+100=1000W 1500W满足条件总结本报告主要是进行配电网络的监测、保护和控制实现方案设计。我们通过查阅相关文献，了解并掌握了电力系统二次系统的基本概念、组成和功能作用。通过对比二次系统和一次系统的本质区别，加深了对电力大系统的认知，为以后的研究生的科研打下了一定的基础。我们将书本的知识应用于实际的配电网络中，不仅加深我们对配电网络的认识，更加明白了配电网络故障判断的方法，电网
28、监测的常用方法以及故障区域重构的基本要素和重构准则。在分析信号输入时，本人通过小波分析法和 FFT 快速傅里叶分析的方法对输入信号进行高次谐波的去除，使输入信号尽量的满足要求，从而减小配网监测的误差。在配电网络优化重构方案设计中，自行选取了配电网络中的一小部分用来对重合器和电压时间型分段器进行 X 时限整定、Y 时限整定。并且设置了两个故障点，为子网区域设计合理的负荷转带方案。参考文献1配电网分析及应用何正友中国科学出版社2广域同步相量测量技术及其应用 A.G. Phadke 著毕天姝译中国电力出版社3配电系统及其自动化技术陈堂赵祖康中国电力出版社4城市电网规划与改造陈章潮唐德光中国电力出版社
29、5配电系统自动化及其发展王明俊于尔铿中国电力出版社6配电网络规划与设计 E.Lakervi 等著，范明天等译中国电力出版社附录去噪算法程序：A1=10;A2=0.3;P1=30; P2=-30;F1=50; Fs=256; N=256; figuret=0:0.0001:0.1;u=A1*cos(2*pi*F1*t+pi*P1/180)+rand(1,length(t);plot(t,u)title(电压原始信号);figuret=0:0.0001:0.1;i=A2*cos(2*pi*F1*t)+(rand(1,length(t)/20;plot(t,i)title(电流原始信号);figur
30、et1=0:1/Fs:N/Fs;u1=A1*cos(2*pi*F1*t1+pi*P1/180)+rand(1,length(t1);Y1 = fft(u1,N); Ayy1 = (abs(Y1); Ayy1=Ayy1/(N/2); Ayy1(1)=Ayy1(1)/2;F=(1:N-1)*Fs/N; plot(F(1:N/2),Ayy1(1:N/2); title(电压幅度-频率曲线图);Ayy1(51)figuret1=0:1/Fs:N/Fs;i1=A2*cos(2*pi*F1*t1)+(rand(1,length(t1)/20;Y2 = fft(i1,N); Ayy2 = (abs(Y2);
31、 Ayy2=Ayy2/(N/2); Ayy2(1)=Ayy2(1)/2;F=(1:N-1)*Fs/N; plot(F(1:N/2),Ayy2(1:N/2); title(电流幅度-频率曲线图);Ayy2(51)figurePyy1=1:N/2;for i=1:N/2Pyy1(i)=phase(Y1(i); Pyy1(i)=Pyy1(i)*180/pi; end;plot(F(1:N/2),Pyy1(1:N/2); title(电压相位-频率曲线图);Pyy1(51)figurePyy2=1:N/2;for i=1:N/2Pyy2(i)=phase(Y2(i); Pyy2(i)=Pyy2(i)*
32、180/pi; end;plot(F(1:N/2),Pyy2(1:N/2); title(电流相位-频率曲线图)Pyy2(51)figuret=0:0.0001:0.1;u3=Ayy1(51)*cos(2*pi*F1*t+Pyy1(51)plot(t,u3)title(电压基波信号);figuret=0:0.0001:0.1;u4=Ayy2(51)*cos(2*pi*F1*t+Pyy2(51)plot(t,u4)title(电流基波信号);S=Ayy1(51)*Ayy2(51)/2P=Ayy1(51)*Ayy2(51)*cos(Pyy1(51)-Pyy2(51)*pi/180)/2Q= Ayy1(51)*Ayy2(51)*sin(Pyy1(51)-Pyy2(51)*pi/180)/2
