电力网络分析及其应用.pdf

电气工程专业规划教材 电力网络分析及其应用 蔡金锭 郑文迪 编 刘宏伟 王 伟 审 内 容 简 介 电力网络分析及其应用是电气工程专业研究生的一门课程。书中重点介绍了电力网络基本知识、分析方法及其在工程中的应用。全书共 9 章，分别介绍了电力网络概论、电力网络的矩阵方程、电力网络的等值变换、电力网络的灵敏度分析、容差网络故障的区间分析及可测点的选择、电力网络功率流图原理及其应用、电力网络的状态方程、电力网接地网故障诊断技术和电力网络分析的计算机实现等内容。为了便于读者学习，书中除了详细阐述基本原理外，还附有分析应用示例、计算数据和形图。读者通过学习能系统掌握电力网络理论的分析方法。本书除了作为研究生的学习教程之外，也可以作为电力工程技术人员的学习和参考书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目(CIP)数据 电力网络分析及其应用/蔡金锭，郑文迪编.北京：电子工业出版社，2016.7 ISBN 978-7-121-29157-9 I电 II蔡 郑 III电力网络分析高等学校教材 IVTM711 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2016）第 141823 号 策划编辑：任欢欢 责任编辑：任欢欢 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编：100036 开 本：7871 092 1/16 印张：14.5 字数：371.2 千字 版 次：2016 年 7 月第 1 版 印 次：2016 年 7 月第 1 次印刷 定 价：36.50 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：(010)88254888，88258888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。本书咨询联系方式：192910558(QQ 群)。前 言 电力网络分析及其应用是电气工程专业研究生的一门课程。书中着重介绍了电力网络的基本知识、分析方法及其在电力工程中的应用。全书共 9 章，第 1 章主要介绍电力网络概论；第 2 章详细阐述了电力网络的矩阵方程；第 3 章介绍电力网络的等值变换；第 4 章阐述了电力网络的灵敏度分析计算方法；第 5 章详细介绍了容差网络故障的区间分析及可测点的选择；第 6 章介绍了电力网络功率流图原理及其应用；第 7 章介绍了电力网络的状态方程；第 8 章介绍了电力网接地网故障诊断技术；第 9 章是电力网络分析的计算机实现。书中除了详细地介绍电力网络基本知识外，在内容上注重理论与实际应用相结合。为了便于读者学习，在书中部分章节中还列出了应用分析示例、计算数据和形图。读者通过学习能系统掌握电力网络理论的分析方法。本书除了作为研究生学习教程之外，也可以作为电力工程技术人员的学习和参考书。本书由蔡金锭教授和郑文迪博士编写。刘庆珍副教授为本书的编写提供了部分章节的内容，全书由蔡金锭教授统稿和审核。本书的立项和编写得到福州大学教务处、研究生院的大力支持。福州大学电气工程与自动化学院研究生林雪倩、曾庆美、陈汉城、林智勇、詹启帆、汪波、颜诚、陈聪伟、官嘉玉、刘俊、杨建波、谢松等为本书文字编校等工作付出了辛勤劳动，在此向他们致以谢意，同时也向书中引用的所有参考文献的作者深表谢意。由于电力网络分析及其应用涉及的知识面广而深，限于作者水平，难免在书中出现遗落、错误和缺点，恳请读者谅解并批评指正。编 者 2016 年 4 月于福州大学 目 录 第 1 章 电力网络概论 1 1.1 电力网络的构成 1 1.2 电力网络的模型 2 1.2.1 基本元件 2 1.2.2 变压器 4 1.2.3 电力线路 5 1.3 电力网络图论基础 10 1.4 电力网络的矩阵 11 1.4.1 关联矩阵 11 1.4.2 回路矩阵 13 1.4.3 割集矩阵 13 1.4.4 路径矩阵 14 1.4.5 拓扑矩阵之间的关系 14 第 2 章 电力网络的矩阵方程 18 2.1 电力网络矩阵方程的基本概念 18 2.1.1 基尔霍夫电流定律 18 2.1.2 基尔霍夫电压定律 19 2.1.3 特勒根定理 20 2.2 电力网络的基本方程 20 2.2.1 典型支路及其约束 20 2.2.2 节点电压方程 21 2.2.3 回路电流方程 22 2.2.4 割集电压方程 22 2.2.5 路径电流方程 23 2.3 电力网络的特殊支路 24 2.3.1 变压器支路 24 2.3.2 受控源支路 26 2.3.3 电感耦合支路 30 2.4 电力网络矩阵方程的修改 32 2.4.1 支路导纳发生变化 32 2.4.2 变压器变比发生变化 33 2.4.3 增加节点 33 2.4.4 消去节点 33 2.4.5 节点合并 35 2.5 电力网络混合变量方程 35 VI第 3 章 电力网络等值变换 40 3.1 多射形与网形网络的变换 40 3.1.1 星形变为三角形及负荷移置 40 3.1.2 多射形变为网形及负荷移置 41 3.2 诺顿等值与戴维南等值 42 3.2.1 单端口诺顿等值和戴维南等值 42 3.2.2 多端口诺顿等值与戴维南等值 44 3.3 WARD 等值 45 3.4 REI 等值 48 第 4 章 电力网络的灵敏度分析 53 4.1 灵敏度的概念 53 4.1.1 网络方程的灵敏度 53 4.1.2 代数方程组的灵敏度 56 4.1.3 网络公式与算法 57 4.2 电力网络的灵敏度 59 4.2.1 线性网络的灵敏度 59 4.2.2 摄动方程 59 4.2.3 节点-支路阻抗矩阵 60 4.2.4 一般网络方程的灵敏度 60 4.2.5 电力网络方程的灵敏度 61 4.3 增量网络法 63 4.4 伴随网络法 70 4.4.1 伴随网络 70 4.4.2 用伴随网络法计算灵敏度 73 4.5 张量法 78 第 5 章 容差网络故障的区间分析及可测点的选择 83 5.1 引言 83 5.2 含有容差网络的区间分析 83 5.2.1 区间节点电压方程计算方法 84 5.2.2 故障仿真分析实例 85 5.3 容差网络故障的区间判定 86 5.4 容差子网络级故障区间诊断 89 5.4.1 线性容差子网络级故障区间诊断 89 5.4.2 非线性容差子网络级故障区间诊断 90 5.5 容差网络可测点电压灵敏度与故障识别关系 93 5.6 撕裂端口零电流门限灵敏度与故障识别关系 94 5.7 容差子网络级可测点的优化选择 95 5.7.1 容差网络可测点合理选择示例一 96 5.7.2 容差网络可测点合理选择示例二 98 5.8 优化选择可测点对子网络故障诊断的影响 102 VII5.8.1 可测点合理选择对子网络 N1零门限 D0的影响 102 5.8.2 可测点合理选择对子网络故障诊断的影响 103 5.9 本章小结 106 第 6 章 电力网络功率流图原理及其应用 107 6.1 流图的基本概念 107 6.2 流图与线性方程的关系 108 6.3 功率流图与矩阵方程 108 6.4 电力网络流图的形成法 109 6.5 流图的运算规则 111 6.6 传输（增益）的求解 113 6.7 路径与回路的搜索法 114 6.8 封闭信号流图法 116 6.9 Coates 流图及其应用 118 6.9.1 Coates 流图 119 6.9.2 Coates 公式 119 第 7 章 电力网络的状态方程 124 7.1 状态变量法的基本概念 124 7.1.1 状态、状态变量、状态方程 124 7.1.2 网络复杂性的阶数 125 7.2 线性网络的状态方程 129 7.2.1 编写状态方程的基本考虑 130 7.2.2 线性时不变 R、L、C、M 网络的状态方程 133 7.2.3 状态方程的端口建立法 139 7.3 状态方程的建立 145 7.3.1 利用信号流图建立状态方程 145 7.3.2 代数余子式的拓扑法 151 7.4 单双口网络状态方程 152 7.4.1 单口网络策动点函数 Zd(s)和 Yd(s)152 7.4.2 双口网络 Z 函数 152 第 8 章 电力网接地网故障诊断技术 154 8.1 接地网故障的原因及其故障的危害性 154 8.1.1 接地网的导体腐蚀 154 8.1.2 土壤电阻率不均匀 154 8.1.3 电位分布不均 155 8.1.4 接地网故障的危害性 155 8.2 接地电阻常用的计算方法 155 8.2.1 接地网设计及有关问题 156 8.2.2 接地网形式 156 8.2.3 接地网的材料 156 8.2.4 设计误差及改进措施 156 VIII8.2.5 接地电阻的计算方法 157 8.3 降低接地电阻的方法和措施 159 8.3.1 降阻材料应用及接地极防腐措施 160 8.3.2 降低接地电阻的物理和化学方法 161 8.3.3 高阻区降低电阻的措施 161 8.3.4 变电站接地网的特殊降阻措施 162 8.3.5 深孔压力灌注接地降阻 163 8.4 接地网故障诊断字典法 164 8.4.1 字典法故障诊断介绍 165 8.4.2 字典法故障诊断仿真示例 168 8.5 接地网故障分块诊断法 171 8.5.1 分块法故障诊断理论 171 8.5.2 接地网分块故障定位仿真 174 第 9 章 电力网络分析的计算机实现 177 9.1 MATLAB 软件在电力网络中的应用 177 9.1.1 MATLAB 语言结构 177 9.1.2 空间管理命令 180 9.1.3 MATLAB 的 M 文件 181 9.1.4 MATLAB 的矩阵运算 181 9.2 潮流计算的计算机算法 192 9.2.1 概述 192 9.2.2 潮流计算的数学模型 192 9.2.3 迭代法潮流计算 194 9.2.4 牛顿法潮流计算 196 9.2.5 P-Q 分解法潮流计算 198 9.3 稀疏技术 200 9.3.1 稀疏矩阵简介 200 9.3.2 稀疏矩阵存储技术 201 9.3.3 对角元素不稀疏的稀疏矩阵存储 202 9.3.4 三角分解技术 203 9.3.5 稀疏矩阵方程的计算 204 9.3.6 稀疏向量矩阵 206 9.3.7 网络演化 208 9.3.8 节点编号技术 213 附录 215 附录 A 215 附录 B 216 附录 C 220 参考文献 224 第 1 章 电力网络概论 1.1 电力网络的构成电力网络的构成 为了将发电厂所生产的电能经济有效地传输至电力负荷中心，常常采用高电压线路输送电力，将发电厂生产的电能经升压变压器升压，再经高压传输线路输送并在用户端经降压变压器逐级降压，分配给广大用户。这种由发电厂、变电所、输电线路、配电系统和负荷等组成的电能生产、传输、分配和消费的系统叫作电力系统，如图 1-1 所示。图 1-1 电力系统的构成 其中，由变压器、电力线路等变换、输送、分配电能设备所组成的联系发电与用电的统一整体，即电力系统中不包括发电厂与用电设备的部分，称为电力网络，或简称电网，其又可分为输电网与配电网两部分。输电网将远离负荷的大型发电厂发出的电能经变压器升压后，通过输电线路送到大、中城市及其他大负荷中心的枢纽变电所。输电线路距离都比较长，有的数十、数百公里，甚至数千公里以上。为提高电力输送容量及其稳定性，并减少输送过程中的损耗，一般都采用超高压输电网送电。电力系统通常采用多回超高压骨干线路，经由不同路径，构成输电网架，并在大负荷中心地区形成以环形接线把多个枢纽变电所连接起来的输电网受端网架。我国交流输电网主要包括 220kV、330kV、500kV 以及 1000kV 四个电压等级。配电网是指连接并从输电网受端网架受电，向一地区内供电和配送电能的电力网络，一般采用闭环设计、开环运行，其结构呈辐射状。在我国通常按电压等级分为高压配电网（35kV110kV），中压配电网（6kV20kV）和低压配电网（220V/38