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多态相分量法及其在电力系统三相不对称分析中的应用           
多态相分量法及其在电力系统三相不对称分析中的应用
作者:佚名 文章来源:不详 点击数: 更新时间:2008-9-24 9:55:56
姜彤, 郭志忠, 陈学允, 白雪峰
哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江 哈尔滨 150001

1 引言

   电力网是三相网络系统。当其三相对称时,三相计算问题可以转化为单相计算问题,否则只能按三相方式计算。电网的三相不对称,有运行不对称和参数不对称及它们的组合。无论采用什么样的计算方法,与单相计算相比,三相计算肯定是繁琐的。
   
三相系统的计算,有2种方法:① 对a,b,c三相的直接计算,称之为相分量法;②将a,b,c三相变换为其它的序分量,按序分量进行计算,之后再把结果转换到a,b,c三相中来,称之为序分量法。各种序分量法的目的是解耦,将相互依赖的三相系统转换为相互独立的三序系统。
   
对称分量法要求相间阻抗矩阵(或相间导纳矩阵,下同)满足“循环对称”形式,而其它序分量法要求更严格,相间阻抗矩阵必须是对称矩阵。对称矩阵是非对角元素相等的循环对称矩阵,逆而不真。
   
对于静止的电网元件(线路、变压器等)来说,由于相间阻抗矩阵不可能是循环对称矩阵,所以必须要求相间阻抗矩阵是对称矩阵。所有的序分量法都是如此。尽管对称分量法巧妙地实现了旋转电机的相序分离,但这种“网络参数对称”的解耦前提有时显得很苛刻。例如超高压输电线路导线换位的困难,再例如系统负荷的自阻抗不相同,或自阻抗相同但各相间的耦合不相同时(特别是配电网),使得包括对称分量法在内的所有序分量法失效,即序分量法只适合运行不对称情况而不能满足参数不对称情况。
   
采用序分量法的唯一好处就是减少了计算量。如果不计及相序之间的相互变换,计算量大约是单相算法的3倍(考虑0,1,2三序网络计算量有所不同)。
   
本文提出了电力网络的多态相分量法。以相分量法为基础,以运算单元的多态性计算为契机,实现了单相和三相算法的统一。在单相计算时是地道的常规单相算法,在三相计算时与单相情形算法结构完全相同。不仅能适应电力网络的各种不对称情况,而且算法组织简捷,易于实现。通过对循环矩阵计算的优化处理,实现了与对称分量法相等的计算效率,降低了运算量。
2  方程组的多态形式和多态解算

2.1 方程组的多态形式

   设有 n阶非奇异方程组      这里, aij(m)是 m×m 阶矩阵; xi(m),bi(m) 分别是 m 阶列向量。
  
  当 m=1时,式(1)退化成一般n阶代数方程组。
   
m≠1 时,我们称式(1)为 n阶方程组的 m 阶多态形式;称 aij(m), xi(m),bi(m)为方程组的基本运算单元。 2.2  方程组的多态解算法    无论 m取何值,式(1)总可以面向aij(m)xi(m),bi(m) 这样的单元求解。利用单元求解的主要好处是求解过程与一般 n 阶代数方程组一致。这种严格地按照单元来处理方程组的方法可以称为多态处理法或多态解算法。
    下面以m=3为例说明多态解算的步骤。对于式(1)的方程,利用高斯消去法,则第一行可以规格化为
 

    对于第i行,消去 x1 的操作是用 (-ail) 左乘式(3)加到第i行方程上,有 这样就消去了x1
    依此类推,可以方便地写出解此方程的详细步骤。 2.3  多态方程的等效变换技术
    
对于式(1)的方程组,可以做以下的变换:      p、q是2个非奇异的 m×m  阶矩阵,令
    显然,式(6)的方程与式(1)的方程具有完全相同的特点。同时,对于解方程的过程中出现的中间结果,两者也可以利用式(5)的变换互相转化。所以这种变换是独立于方程的,与方程本身的特点、解算方法和分析手段都无关。

3 态相分量法

     电力网络的计算都包含单相和三相2种情况。使用相分量法分析这2种情况,就会出现上面所说的 n阶方程组的多态性问题。无论是潮流还是故障分析,都可以看作是求解式(1)的 n阶方程组。 m=3时就是单相计算。 m=1 时就是三相计算。 3.1   传统相分量计算的弊端     传统的做法就是把方程 m=1 m=3 独立地处理,也就是分别求解 n 阶和 3n 阶方程组。但是对于 m=3 的三相计算,这种做法没有考虑到三相计算的特殊性,把n个节点的三相网络等同于3n个节点的单相网络,因此在算法组织上显得比较复杂,计算量更是比单相大了9倍以上。同时,大多数网络元件的参数还是三相对称的,传统的相分量法却不能体现同一个节点或支路上三相之间特殊的关系,无法利用网络的对称性改善计算效率。 3.2   多态相分量法的基本原理     多态相分量法就是在传统相分量法的基础上,坚持使用单元作为基本元素,利用多态处理分析求解三相网络方程计算。由于使用单元处理,使得三相方程与单相方程具有同样的形式,从而把单相算法和三相算法完全统一。因此计算中显示出算法组织清晰,概念准确的优点。
    下面以电力网络分析的基本方程求解为例说明多态相分量法的技术特点。
    电力网络解算的基本方程就是下面的节点导纳方程,其他方程一般都由它导出。
式中Yij(i≠j)是节点互导纳;Yii是节点自导纳;Vi是节点电压;Ii是节点注入电流源。

    对于单相计算,m=1,各元素Yij都是复数。而对于三相计算,Vi,Ii是3×3的矩阵。Vi,Ii则是3阶列相量,即     可以看出,对于稳态分析,两者具有完全相同的形式。而利用多态处理技术,在稳态分析的任何一个步骤,两者都具有相近的物理意义和相似的结果。
4  多态相分量法的多态优化处理

      
对于电力网而言,绝大多数是三相对称的元件。多态相分量法由于采用单元处理,把一个节点的三相紧密联系在一起,所以可以反映出网络参数对称的特征,可以利用对称性提高解算效率。
    求解式(7)的n阶方程组时,计算量主要由单元矩阵之间的计算量决定。如果作为单元的矩阵之间计算量大,求解的全部计算量也增大。减少计算量的决定因素在于减少单元矩阵之间的计算。

   
对于非奇异矩阵相互间的计算,计算量最小的就是对角阵了。因此,如果将方程中所有元素矩阵转成对角阵计算,可以进一步提高计算效率。而利用多态方程组的等效变换技术就可以做到这一点。
4.1  
电力系统对称元件的相分量模型

   
电力网络中所有元件的相分量阻抗模型都可以描述成下面的形式
    这种矩阵可以称之为循环对称矩阵。因为后两行可以由第一行的元素决定,所以只需用第一行就可以描述,并记为Circ(ZL,ZM1,ZM2)。
    对于完全对称的换相线路而言,有
可以写成Circ(ZL,ZM1,ZM2)的形式。
    
这种矩阵是非对角线元素完全相等的循环对称矩阵,是循环对称矩阵的特例。
   
对于变压器元件,只要是对称模型,等效阻抗矩阵也是循环对称矩阵的形式。
4.2  
循环对称矩阵的特点

   
容易证明,循环对称矩阵的逆矩阵仍然是循环对称矩阵,相互间的四则运算结果也仍然是循环对称矩阵。所以对称元件形成的导纳矩阵都是循环对称矩阵。 
    显然可以转换成     即循环对称矩阵可以通过线性变换对角化。
     实际上,这种转换方法应用于对称元件所对应的导纳阵Yzbc,生成的对角阵就是对称分量法中的序导纳 Y012
4.3   利用等效转换方法求解方程
     参考前面提到的多态方程等效变换技术,
   P=T-1,q=T    &nb

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