【文章內(nèi)容簡介】 短路的定義及其分類 短路是指不同電位的導(dǎo)電部分包括導(dǎo)電部分對地之間的低阻性短接。 根據(jù)短路發(fā)生的部位不同，短路故障可以分為 4 種類型：三相短路（ K(3)）、單相接地短路（ K(1)）、兩相短路（ K(2)）和兩相接地短路（ K(1,1)）。三相短路屬于對稱性短路，而其他形式為不對稱短路。在電力系統(tǒng)中，發(fā)生單相短路的概率最大，大約能占到故障發(fā)生總數(shù)的 65%；而發(fā)生三相短路的概率最小，但是一般情況下，特別是遠(yuǎn)離電源（發(fā)電機(jī)）的工廠供電系統(tǒng)中，三相短路的短路電流最大，因此它造成的危害也最嚴(yán)重。 三相短路 是指三相供配電系統(tǒng)三相導(dǎo)體間的短路，如圖 21 所示。 兩相短路是指三相供配電系統(tǒng)中任意兩相導(dǎo)體間的短路，如圖 22 所示。 A B C 電源 O 負(fù)荷 Ik(3) K(3) 圖 21 三相短路 A B C 電源 O 負(fù)荷 Ik(2) K(2) 圖 22 兩相短路 3 單相短路是指供配電系統(tǒng)中任一相經(jīng)大地與中性點或與中線發(fā)生的短路，如圖 23 所示。 兩相接地短路是指中性點不接地系統(tǒng)中任意兩相發(fā)生單相接地而產(chǎn)生的短路，如圖24 所示。 O A B C 電源 負(fù)荷 Ik(1) K(1) 圖 23（ a） 單相短路 A B C 電源 O 負(fù)荷 N Ik(1) K(1) 圖 23（ b） 含中性線的單相短路 A B C 電源 O 負(fù)荷 K(1， 1) Ik(1， 1) 圖 24 兩相接地短路 4 短路故障產(chǎn)生的原因及危害 工廠供電系統(tǒng)要不間斷地、正常地對用電負(fù)荷供電，從而保證工廠生產(chǎn)和生活的正常進(jìn)行。但是，由于種種原因，也會難免出現(xiàn)故障，進(jìn)而使得電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性運(yùn)行遭到破壞。在實際生活中，造成短路故障的原因有很多，其中最主要的原因是電氣設(shè)備載流部分的相間絕緣或者相地絕緣遭到破壞，例如： （ 1）設(shè)備被過電壓（包括雷電過電壓）擊穿 [7]； （ 2）設(shè)備長期連續(xù)運(yùn)行、絕緣自然老化； （ 3）設(shè)備質(zhì)量低劣、絕緣強(qiáng)度不夠； （ 4）設(shè)備發(fā)生閃絡(luò)，被正常電壓擊穿； （ 5）設(shè)備 受到外力的作用使絕緣受損而擊穿； （ 6）老鼠等咬壞線路，或者跨越在線路之間； （ 7）工作人員誤操作。 總之，短路故障產(chǎn)生的原因既有客觀因素，也有主觀因素，只要監(jiān)管人員有較強(qiáng)的責(zé)任心，嚴(yán)格執(zhí)行各種規(guī)章制度，以身作則，就可以把短路故障控制在一個最小的范圍之內(nèi)，從而得到最大效益。 短路發(fā)生后，系統(tǒng)中出現(xiàn)的短路電流要比正常負(fù)荷電流大得多。在大電力系統(tǒng)中，短路電流可以達(dá)到幾萬甚至幾十萬安培。短路電流如此之大，所產(chǎn)生的危害也是巨大的： （ 1） 短路電流通過導(dǎo)體時，產(chǎn)生的熱效應(yīng)會引起導(dǎo)體或其絕緣受損； （ 2） 導(dǎo)體由于受到電動力 的沖擊而變形，甚至損壞； （ 3） 短路會引起電網(wǎng)中電壓降低，并且越靠近短路點，電壓下降越多，結(jié)果可能是使部分用戶的供電受到破壞。 （ 4） 不對稱接地短路所引起的不平衡電流所產(chǎn)生的不平衡磁通，會在鄰近的平行通信線路內(nèi)感應(yīng)出相當(dāng)大的電動勢，造成對通信系統(tǒng)的干擾，甚至危及設(shè)備和人身的安全 [8]。 （ 5） 短路會破壞發(fā)電機(jī)的同步性，從而造成系統(tǒng)瓦解，嚴(yán)重時會引發(fā)大片地區(qū)停電。 預(yù)防措施 預(yù)防短路故障的主要措施是限制短路電流、縮短短路電流的持續(xù)時間、減少發(fā)生短路的機(jī)會。具體講就是： （ 1）為了保證電氣設(shè)備的額定電壓與線路的額 定電壓相符，必須進(jìn)行短路電流的計算，正確選擇及校驗電氣設(shè)備。 （ 2）為了確保發(fā)生短路時迅速將故障切除，減少短路所造成的危害，我們應(yīng)該采用電流速斷保護(hù)裝置，并且要正確選擇熔體的額定電流和繼電保護(hù)的整定值。 （ 3）為了減少雷擊損害，必須在變壓器附近安裝避雷器，在線路和變電站上安裝避雷針。 （ 4）為了限制短路電流，可以采用電抗器增加系統(tǒng)阻抗。 （ 5） 為了使非故障部分能繼續(xù)運(yùn)行，需要把故障線路或設(shè)備從電力系統(tǒng)中迅速除掉。 5 （ 6）要經(jīng)常對線路、設(shè)備進(jìn)行巡視檢查，及時發(fā)現(xiàn)缺陷，并迅速進(jìn)行檢修。線路施工完畢后應(yīng)立即拆除 接地線。保證架空線路施工質(zhì)量，加強(qiáng)線路維護(hù)，始終保持線路弧垂一致并符合規(guī)定 [9]。 （ 7）嚴(yán)格執(zhí)行電力系統(tǒng)五防措施，即防止務(wù)分、務(wù)合斷路器；防止帶負(fù)荷分合隔離開關(guān)；防止帶電掛接地線；防止帶接地線合隔離開關(guān)；防止誤入帶電間隔。 （ 8）為了防止粉塵進(jìn)入電氣設(shè)備，要及時清理；為了防止小動物進(jìn)入變電站，要加強(qiáng)管理，嚴(yán)格把關(guān)。 短路故障的分析診斷方法 電力系統(tǒng)短路故障隨時都有可能發(fā)生，因此我們要對設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)測，一旦發(fā)生故障，要迅速作出診斷，確定發(fā)生故障的類型并及時排除。當(dāng)然，分析短路故障問題，還有助于我們 進(jìn)行電氣設(shè)備的選擇及校驗。目前，我們分析短路故障主要有以下幾種方法。 （ 1）基于專家系統(tǒng)的診斷方法 專家系統(tǒng)（ expertsystem）是根據(jù)專家推理的方法，利用計算機(jī)模型來解決問題的一種故障診斷方法。按照所用推理策略和故障診斷知識的不同，專家系統(tǒng)可以分為兩類。第一類是基于啟發(fā)式規(guī)則推理的系統(tǒng)，即把繼電保護(hù)、 斷路器 的動作邏輯以及運(yùn)行人員的診斷經(jīng)驗用一定的規(guī)則表示出來，以此來形成一個比較系統(tǒng)的專家知識庫。當(dāng)發(fā)生故障時，能夠立即將故障與知識庫中的類型進(jìn)行匹配，這樣就可以迅速判斷故障并及時排除。這是目前最有效的一種診斷方法，因此它的應(yīng)用范圍比較廣泛。第二類是結(jié)合正、反推理的系統(tǒng)，即把正向推理與反向推理兩種方法混合起來，首先根據(jù)正向推理建立一定的規(guī)則，然后通過反向推理進(jìn)行驗證，這樣就可以大大減小故障發(fā)生的范圍，從而可以根據(jù)實際值與理論值的對比來計算可信度 [10]。采用混合推理方法能夠同時提高該系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)能力與適應(yīng)性。 （ 2）基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷方法 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ ANNartificialneuralwork）的診斷方法是由美國 Pitts 等人率先提出的，它的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段 ，目前應(yīng)用于電力系統(tǒng)故障診斷的 ANN 有：基于BP（ ackpropagation）算法的前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和基于徑向基函數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。該故障診斷的過程為：首先根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部表達(dá)，對輸入樣本進(jìn)行前向計算；然后比較網(wǎng)絡(luò)的輸出與期望輸出之間的誤差，若誤差滿足條件，則訓(xùn)練結(jié)束；否則，將誤差信號按原有的通路反向傳播，逐層調(diào)整權(quán)值和閥值，如此反復(fù)，直至滿足誤差精度的要求。 （ 3）基于優(yōu)化技術(shù)的診斷方法 基于優(yōu)化技術(shù)（ optimizationmethods）的診斷方法是一種基于數(shù)學(xué)模型的診斷方法，它的基本思路 是將把電力系統(tǒng)的故障診斷問題描述成為 “01”整數(shù)規(guī)劃的問題，并構(gòu)造了一種數(shù)學(xué)解析模型，應(yīng)用優(yōu)化技術(shù)來尋找問題的最優(yōu)解。 （ 4）基于 Petri 網(wǎng)絡(luò)的診斷方法 在離散事件系統(tǒng)建模中， Petri 網(wǎng)絡(luò)是一種理想的工具，通過構(gòu)造有向圖組合模型，形成了以矩形運(yùn)算來描述的嚴(yán)格的數(shù)學(xué)對象。在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，可以把其看做是一 6 個動態(tài)的系統(tǒng)，并且故障的發(fā)生屬于一個離散的過程，通過各類保護(hù)的動作和各級電壓的變化來反映故障，將故障切除的過程看做是一系列活動事件的組成 ， 與對應(yīng)的實體相聯(lián)系。動態(tài)事件主要包括實體活動 （例如斷路器、繼電保護(hù)裝置等）和信息流活動（例如信號傳遞、控制指令發(fā)送、各檢測信號流等） [11]。 （ 5）基于粗糙集理論的診斷方法 粗糙集理論（ roughsettheory）是波蘭專家 1982 年提出的一種新型數(shù)學(xué)工具，對于處理不確定性和不完整性的問題具有重要的實用價值 [12]。它能夠有效地分析和處理不一致、不精確、不完整等一系列的不完備數(shù)據(jù)，不需要像其他方法一樣依賴處理問題所需的數(shù)據(jù)之外的先驗信息，而且它能夠挖掘隱含的知識，發(fā)現(xiàn)潛在的規(guī)律。鑒于其優(yōu)越性，現(xiàn)在已經(jīng)漸漸稱為發(fā)展的新 趨向，而且不少相關(guān)的研究人員已經(jīng)在嘗試把其引人到故障診斷系統(tǒng)中。 （ 6）基于模糊集理論的診斷方法 模糊集理論 (fuzzysettheory）在電力系統(tǒng)故障診斷中分為兩種情況：一種認(rèn)為診斷所依據(jù)的信息正確，但故障與對應(yīng)的動作保護(hù)裝置和斷路器狀態(tài)之間存在不確定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以及用模糊隸屬度對這種可能性進(jìn)行描述的度量；另一種則認(rèn)為診斷所依據(jù)的報警信息錯誤，而根據(jù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c故障所發(fā)生的動作保護(hù)、斷路器狀態(tài)賦予報警信息的可信度，再由專家系統(tǒng)或 ANN 給出故障診斷結(jié)果的模糊輸出 [13]。 （ 7）基于 多代理系統(tǒng)的診斷方法 多代理系統(tǒng)（ multiagent system，以下簡稱 MAS）被看做是一種分布式的、智能化的、基于人工的試驗平臺 [14]，當(dāng)某些復(fù)雜的問題無論是在邏輯上或者物理上可以進(jìn)行分解時，每個問題即子問題就會擁有屬于自己的信息，所以，只有各個子問題相互融合才能求解最終的問題。 MAS 研究的重點在于如何協(xié)調(diào)在邏輯上或物理上分離的、具有不同目標(biāo)的多個 Agent 的行為，使其聯(lián)合采取行動或求解問題，協(xié)調(diào)各自的知識、希望、意圖、規(guī)劃、行動，以對其信息、資源進(jìn)行合理安排，最大限度地實現(xiàn)各自的目標(biāo)和總體目標(biāo) ，以對更復(fù)雜、更大規(guī)模的問題的解決起到重要作用。 MAS 是解決大規(guī)模電力系統(tǒng)故障診斷問題很有前途的發(fā)展方向。但 MAS 中各 Agent 的知識和行為、協(xié)調(diào)與協(xié)作是有待深入解決的核心問題 [15]。 3 仿真與建模 仿真工具簡介 我們在引言中已經(jīng)了解到，當(dāng)前國內(nèi)外應(yīng)用的仿真軟件主要有 PSCAD、 EMTP 以及MATLAB 等，由于本文的研究重點是建立在 MATLAB 的基礎(chǔ)上進(jìn)行電力系統(tǒng)短路故障的仿真，所以以下僅介紹 MATLAB 仿真工具。 MATLAB的特點 MATLAB 是 matrix和 laboratory兩個單詞的組合，各取前三個字母組成一個詞，意為矩陣工廠（矩陣實驗室）。它是由美國 MathWorks 公司開發(fā)的高級數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件，主 7 要用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算，是一種高級技術(shù)計算語言，并且適用于交互式環(huán)境，是當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的代表。 MATLAB 的功能之所以強(qiáng)大，是因為它具備以下特點： （ 1） 語言簡潔，使用靈活，庫函數(shù)豐富。 MATLAB 的程序書寫形式自由，由于程序自帶函數(shù)庫，所以用戶可以根據(jù)自己的要求直接調(diào)用庫函數(shù)，這樣就不用再書寫復(fù)雜的子程序了 ，從而可以省略一些不必要的編程 任務(wù)。需要指出的是，庫函數(shù)中的程序都是由該領(lǐng)域的專家編寫的，所以，其可靠性是不容置疑的。 （ 2） 運(yùn)算符豐富。我們都知道， C 語言的運(yùn)算符是非常豐富的，而 MATLAB 是用 C語言編寫的，所以， MATLAB 的運(yùn)算符也是十分龐大的。靈活運(yùn)用運(yùn)算符將使編程容易很多。 （ 3） 高效性。 MATLAB 具有結(jié)構(gòu)化的控制語句，比如 for 循環(huán)、 while 循環(huán)以及 if、else 語句等，因此，其語句功能十分強(qiáng)大。 （ 4） 簡單易學(xué)，適于應(yīng)用。 MATLAB 不需要用戶具有高深的數(shù)學(xué)功底，也不需要強(qiáng)大的程序設(shè)計能力，更不需要用戶深刻的了解算法以及編程技巧，初學(xué)者 只要肯鉆研，輕松掌握并不是夸夸其談。同時， MATLAB 的程序設(shè)計并不嚴(yán)格，自由度較大。 （ 5） 可移植性好。編寫好的程序可以進(jìn)行直接拷貝，在不同的計算機(jī)和操作系統(tǒng)中可以順利執(zhí)行。 （ 6） 圖形功能強(qiáng)大。在 MATLAB 里，數(shù)據(jù)的可視化非常簡單，具有較強(qiáng)的圖形編輯能力。 （ 7） 可擴(kuò)展性。 MATLAB 包含功能強(qiáng)大的工具箱，可以分為功能性工具箱和科學(xué)性工具箱兩類。功能性工具箱主要用來擴(kuò)充其符號計算功能、文字處理功能、圖示建模仿真功能以及與硬件實時交互功能 [15]。學(xué)科性工具箱是專業(yè)性比較強(qiáng)的，如 control toolbox, signal processing toolbox, munication toolbox 等。這些工