外部故障成本（共3篇）
外部故障成本 篇1
0 引言
分布式发电作为一种新兴、高效和环保的发电技术得到了飞速的发展,相当数量且不同类型的分布式电源和相应负荷形成微网并连接到配电网,与大电网互为补充,是分布式电源最有效的利用途径[1,2,3]。但是,随着微电网渗透率的不断增加,传统配电网由单端电源辐射状的网络结构变成了多端电源环状的网络结构,同时,由于微电网的控制原理和保护技术十分复杂,正常运行时,电网内部潮流双向流动,短路时基于电力电子装置的故障电流仅接近2 倍的负荷电流[4,5]。这些变化对传统继电保护的时限配合、保护性能将产生不利影响,甚至发生拒动、误动等严重后果,直接威胁到配电网的安全稳定运行。
目前,国内外对微电网继电保护方面的研究已经取得了一定的成果[6,7,8,9,10],然而这些成果主要集中在对微电网内部故障的保护研究,对于结合微电网隔离策略的外部故障保护研究则十分匮乏。近年来,利用正序故障分量的保护原理逐渐成为继电保护领域的研究热点,正序故障分量存在于各种故障之中,充分利用这种故障特征能够确定线路发生的各种故障[11,12,13]。基于这两点,本文在详细阐述微电网隔离策略的基础上,提出一种基于正序故障分量原理的新型微电网外部短路故障保护方案。
1 微电网的隔离策略分析
在微电网并网运行的系统中,如果有故障发生,则首先要确定故障点的位置。如图1 所示,故障位置可能位于配电网侧,联络线上或者微电网内部等三种不同情况。由于仅仅根据公共耦合节点(PCC)处的电压和频率的偏移及其持续的时间,并不能准确判断出故障位置,因此,本文提出了基于正序故障分量阻抗角的判据来实现故障区域的定位。
在确定故障位置后,对于不同位置的故障,微电网究竟应该作故障穿越运行还是孤岛运行,从目前的文献来看,还没有明确的隔离策略。IEEE 1547标准规定了分布式电源并网时应对各种故障的退出条件,但是分布式电源以微电网的形式并网后,情况出现了很大差异。文献[14]指出了三种典型的隔离策略。
(1)无论故障发生在任何位置,微电网马上解列,作孤岛运行。
(2)无论故障发生在任何位置,微电网始终与配电网连接,作故障穿越运行。
(3)当故障发生在配电网侧与联络线(即微网外部故障)时,微电网马上解列,作孤岛运行;当故障发生在微电网内部时,微电网继续连接配电网,作故障穿越运行。
从微电网与配电网的功率交换量、微网内部故障时的短路电流容量以及分布式电源的利用率等几方面分析,对于一般功率在10 MW以下的微电网单元,本文采用第三种微电网隔离策略,即如图1所示,当微电网F1 处和F2 处发生故障时,微电网马上解列,作孤岛运行,以避免对微电网内部的分布式电源造成损坏;当微电网F3 处发生故障时,微电网持续连接配电网,作故障穿越运行,内部故障时配电网能够向微电网提供足够大的短路电流,使微电网内部保护准确动作。
2 基于正序故障分量阻抗相角的新判据
2.1 正序故障分量阻抗的概念
图2 为F1、F2、F3 处故障时的正序故障附加网络图。图中,Zsm1、Zsn1分别为联络线两端的系统等效阻抗,Zl为联络线等效阻抗,U&F为故障点处的正序故障分量电势,RF为故障点过渡电阻,分别为母线M、N处的正序故障分量电压,分别为母线M、N处的正序故障分量电流,分别定义两个正序故障分量阻抗为
2.2 微电网内外部故障时的正序故障分量阻抗角分析
当配电网侧F1 处发生故障时,如图2(a)所示,各正序故障分量阻抗和阻抗角分别为
当联络线F2 处发生故障时,如图2(b)所示,各正序故障分量阻抗和阻抗角分别为
因arg(ZM1) arg(Zsm1) 180arg(Zsm1) ,故
微网内部F3 处发生故障时,如图2(c)所示,各正序故障分量阻抗和阻抗角分别为
将不同点故障时的正序故障分量阻抗汇总在一起,结果如表1 所示。
2.3 基于正序故障分量阻抗角的微网外部故障保护判据
令φd1=arg(ZM1) ,φd2arg(ZMN1) ,根据上述分析可得表2 结果。
由表2 分析可知,当配电网侧发生短路故障时,计算所得的正序故障分量阻抗ZM1的阻抗角φd1取值范围是(0°,90°),而联络线和微电网内部发生短路故障时ZM1的阻抗角取值范围是(180°,270°),所以可以通过计算ZM1的阻抗角φd1确定配电网侧的短路故障。
同理,当联络线发生短路故障时ZMN1的阻抗角取值范围是(180°,270°),而联络线外部发生故障时ZMN1的阻抗角取值范围是(0°,90°),所以可以通过计算ZMN1的阻抗角d2确定联络线的短路故障。
综上所述,判断微电网的外部短路故障可以简化描述为以下判据
判据1 和判据2 为或的关系,因此,可以通过分别计算ZM1、ZMN1的阻抗角判断微电网的外部短路故障。
3 基于正序故障分量电流幅值的判据
基于正序故障分量阻抗角的判据原理引入了电压量和电流量,这势必会受到互感器断线以及电流幅值大小的影响,为此引入正序故障分量电流幅值作为启动判据,防止保护误动作。
配电网侧故障时,为了确保正序故障分量阻抗角判据能准确判断,可取M侧正序故障电流分量幅值作为其补充判据,只需要躲过由电流互感器测量到的不平衡电流即可,令,则得到启动判据1
式中,Img0为电流互感器误差和分布电容产生的不平衡电流,根据M侧线路可能出现的最大分布电容电流整定。
联络线采用正序故障分量电流幅值差动原理作为启动判据。区外故障时,受到电流互感器测量误差等因素的影响,两端正序故障分量幅值可能不相等,产生不平衡电流。但是,当联络线上故障时,两端的正序故障分量电流幅值差将远大于不平衡电流,可以据此判断联络线区内故障。其判据为
式中:为判据的动作量;Igunb为电流互感器和线路分布电容产生的不平衡正序故障分量电流幅值,Igunb可以由式(19)得到[15]。
其中:k为不平衡系数,作为该判据的制动系数;Ig0为最小正序故障分量动作电流整定值,根据被保护线路可能出现的最大分布电容电流整定;按照电流互感器测量误差的10%考虑,k可取0.1~0.2。令,则可得到启动判据2
式(17)、式(20)分别作为式(15)、式(16)的启动判据,能够防止仅基于正序故障分量阻抗角判据带来的误判可能性,提高了微网外部短路故障保护动作的准确性。
4 基于正序故障分量电流幅值与正序故障分量阻抗角的保护方案
正序故障分量阻抗角保护判据和正序故障分量电流幅值保护判据,二者均存在于各种短路故障中,能够识别各种微电网外部短路故障。前者对系统中各种故障判断都有较高灵敏度和选择性,但是易受系统波动影响;后者通过整定值的选取,能够防止前者的误判,是前者的有益补充。
基于正序故障分量电流幅值判据、正序故障分量阻抗角判据的微电网外部短路故障保护方案实现流程如图3 所示。将正序故障分量电流幅值判据作为启动元件,仅当正序故障分量电流幅值大于设定的门槛值时,才进行相应的判据计算。该启动元件在系统故障时可靠启动,以此躲避系统振荡的影响。该方案中利用正序故障分量阻抗ZM1、ZMN1的阻抗角判据同时进行故障判断,其判断结果以或的方式出口跳闸。如果条件不成立则阻抗角判据被闭锁,系统继续采集数据进行判断。
5 仿真验证及结果
5.1 仿真系统及其参数
根据IEEE 1547 标准对微电网的详细规定以及美国可靠性技术解决方案联合会(CERTS)对微电网的定义,建立了如图4 所示400 V微电网与低压配电网连接的仿真系统模型,利用电力系统仿真软件PSCAD/EMTDC进行仿真分析。
模型中各参数的设置如下。
a.系统参数
b)线路参数(阻抗,Ω/km)
c) 各段线路长度:L1=500 m,L2=1000 m,L3=200m,L4=200 m,L5=500 m。
F1、F2 为微电网外部故障点,F3 为微电网内部故障点。用PSCAD/EMTDC仿真软件仿真单相接地短路、两相短路、两相接地短路以及三相短路等四种故障类型,并将仿真得到的数据用Matlab软件进行处理。因篇幅所限,下面仅给出A相接地故障时联络线两端的正序故障分量电压和电流波形,仿真结果如图5~图10 所示,以及在各种故障类型下利用Matlab进行处理得到的数据表格。
5.2 仿真结果
结合本模型参数,根据文献[14]可取启动判据1的最大不平衡电流Img0=5 A。根据式(19),可取启动判据2 的最大不平衡电流Igunb=10 A。
图5~图10 利用Matlab进行数据处理,同时对四种短路故障类型进行仿真,结合各判据,汇总在一起,结果如表3 所示。
5.3 仿真结果分析
(1) 图5、图6 分别为F1 处发生单相接地故障时M端、N端的正序故障分量电压电流,对比两图可知,两端正序故障分量电压基本相同,正序故障分量电流幅值相等,方向相反。
(2) 图7、图8 分别为F2 处发生单相接地故障时M端、N端的正序故障分量电压电流,对比两图可知,两端正序故障分量电压和电流基本不同,没有对应关系。
(3) 图9、图10 分别为F3 处发生单相接地故障时M端、N端的正序故障分量电压电流,对比两图可知,两端正序故障分量电压基本相同,正序故障分量电流幅值相等,方向相反。
(4) 表3 是将PSCAD/EMTDC仿真得到的各种故障类型下M端、N端的正序故障分量电压、电流用Matlab进行数据处理得到的正序故障分量电流幅值和阻抗角。根据本文所提出的判据,显然能够对各种故障作出反应并确定微电网的内外部故障区域,有效判断外部短路故障。
6 结论
结合微电网的隔离策略来实现微电网外部的保护是微电网保护研究不可或缺的一部分,本文引入正序故障分量原理,提出了一种基于正序故障分量电流幅值和正序故障分量阻抗角的新型微电网外部短路故障保护方案。首先用PSCAD/EMTDC对连接配电网的微电网不同故障位置进行仿真,然后将仿真数据用Matlab进行处理。仿真结果表明,根据本文所提出的判据能够有效地判断微电网外部的各种短路故障,所提出的保护方案具有很好的理论意义和实用价值。
不同情况下公路货运外部成本分析 篇2
交通运输是国民经济的基础产业, 对于经济发展和社会进步具有极其重要的作用, 但其在创造巨大经济效益的同时, 也带来了交通事故、空气污染、噪声污染、交通拥挤等诸多负面影响, 所以交通运输具有很强的外部性特征。
交通运输外部成本的组成
自1977年起, 各国学者对交通运输所产生的外部成本进行了一些研究, 其中主要集中于噪声成本、空气污染成本、交通拥挤成本和交通事故成本。除了这些外部成本之外, 交通运输的外部成本还包括因气候变化、水和土壤的污染、视觉干扰和对社区的隔离障碍效应等产生的外部成本。
交通事故成本。2007年我国共发生道路交通事故327209起, 造成81649人死亡、380442人受伤。发生交通事故会给受害人造成身体、经济、精神甚至生命的损失, 同时也会给受害者家属带来各种附加损失, 并且会产生处理交通事故的管理费用, 所有这些都是社会的损失。但是, 这些损失的其中一部分已经通过保险等形式被潜在地内部化了。
噪声污染成本。近年来, 伴随着交通事业的快速发展, 交通噪声环境污染日渐严重。噪声会使人产生焦急情绪, 使人精力不易集中, 造成记忆力衰退、疲劳、头痛和失眠, 甚至产生高血压、心脏病等病症。
空气污染成本。交通工具在运行过程中, 会释放出大量的二氧化碳、氮氧化物以及可吸入颗粒。这些废气、废物容易引发多种疾病, 并对农作物等产生不利影响。
气候变化成本。大气中二氧化碳浓度的增加会导致温室效应, 使全球气候变暖, 进而引起海平面上升等一系列不良影响。据调查显示, 14%的二氧化碳是由交通运输产生的。
交通拥挤成本。当今世界各大城市都面临严重的交通拥挤问题。交通拥挤产生的外部成本主要表现在四个方面:时间价值的损失;因发动机无效工作增加的大气污染;增加的燃料消耗;影响驾驶员和乘客的心情。
自然景观破坏成本。这部分外部成本主要包括对水和土壤的污染, 以及由于交通运输基础设施所产生的对自然景观的破坏, 又包括视觉干扰、对社区的隔离障碍效应和对生态系统的破坏等。
间接外部成本。除了上述由交通运输所产生的直接外部成本之外, 还包括一部分间接外部成本。在车辆的生产和维修、能源的生产和储运以及基础设施的建设过程中, 会带来空气污染、气候变化等附加的外部成本。
公路货运外部成本分析
交通运输方式主要有公路、铁路、航空、水运等。对于不同的运输方式来说, 公路运输所产生的外部成本是最高的。欧洲17国2000年运输的总外部成本是6500亿欧元, 占GDP的7.3%, 其中的83.7%由公路运输产生。
国内外关于交通运输外部成本的研究大多是对以上几种运输方式分别从客运和货运进行研究, 其实, 在不同的情形下, 同一种运输方式所产生的外部成本也有很大的差异。下面将以公路货运为例, 分析在不同情形下公路货运的单位外部成本。
不同的国家, 其人均创造的GDP是不同的, 且有很大的差别。人均GDP是计算不同国家各种运输方式的单位外部成本的主要依据。比如, 在计算交通事故单位外部成本时, 对于死亡人员的损失应按其余生所创造的GDP来计算, 同时不同国家对于受伤人员的医疗费用和精神补偿也是不同的, 因此不同国家的交通事故单位外部成本有很大差别。
不同国家的车辆尾气和噪声排放标准也有所不同。还有, 不同国家由于交通阻塞所引起的时间延误成本也不同。因此, 不同的国家其各种运输方式的单位外部成本是不同的。
同时, 不同国家的人口密度和城市人口比例也对运输方式的单位外部成本有一定影响。2000年欧洲17国公路货运单位外部成本中, 瑞士的公路货运单位外部成本最高, 人均GDP为36234欧元。奥地利的公路货运单位外部成本最低, 人均G D P为25280欧元, 相对较低。可见, 人均GDP对单位外部成本影响较大。
我国2000年人均GDP仅为856美元, 可推算我国2000年公路货运单位外部成本低于20欧元/1000吨公里。
随着经济的快速发展和物资的快速流通, 每个国家的人均GDP都不断发生变化。同时道路上交通量不断增加, 势必会排放出更多有害气体, 造成更加严重的交通阻塞等等。在1995～2000年间, 欧洲17国的公路货运总外部成本增加了近43%, 单位外部成本下降了1.6%, 这主要是由于减少噪声和排气污染装置的广泛应用以及交通事故率不断降低。
对于不同类型的车辆来说, 由于其载重量和燃油类型不同, 导致其单位外部成本有很大差别。世界各国都在积极研究和推广新能源车辆, 以尽量减少对环境的影响。2009年初, 我国财政部、科技部决定在北京、上海、重庆、长春、大连、杭州、济南、武汉、深圳、合肥、长沙、昆明、南昌等13个城市开展节能与新能源汽车示范推广试点工作, 并对试点城市购置混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池等节能与新能源汽车给予一次性定额补助。轻型车辆 (<3.5t) 相对于重型车辆 (>3.5t) 的单位外部成本高出了3倍多。这主要是由于重型车辆的载重量高, 有效地提高了运输生产率, 从而降低了其单位外部成本。
相对于一般的货物来说, 有害物品、土石方等的运输所产生的外部成本有所不同。
由于有害物品本身的特性, 它有别于一般的货物, 容易在运输过程中发生爆炸、污染、中毒等事故。这样, 有害物品运输的外部成本与一般意义上的货物运输的外部成本有所不同, 其中还应包括发生有害物品爆炸、污染、中毒等事故对人口、环境和财产等的破坏所产生的成本。
在土石方运输过程中, 大多未进行有效地加盖密闭处理, 造成道路两侧尘土飞扬, 并撒落一地造成路面污染。由此, 土石方运输的外部成本还应该包括清理路面撒落土石方的费用以及扬尘对周围环境破坏所产生的成本。深圳市为了减轻土石方运输对环境和交通的影响, 修建了一条从留仙洞至前海填海区的土石方专用运输通道。
对于超载超限的货物运输, 严重破坏道路基础设施、增大交通事故发生几率、扰乱运输市场秩序, 其产生的外部成本与正常运输情况下的外部成本相比也增加了很多。
随着经济的不断发展, 道路上车辆越来越多, 穿梭于城市和乡村之中。在带来经济效益的同时, 运输也给城市和乡村带来诸多负面影响。由于城市内人口比较密集, 而且对生活质量要求较高, 相对于郊区和农村, 运输对城市的负面影响大了很多, 因此城市内公路货运的单位外部成本很高。对于不同的车辆运行时间段来说, 公路货运的单位外部成本也是不同的。
由上可知, 在不同的情形下, 公路货运的单位外部成本是不同的。
运输外部成本的内部化是指将运输的外部影响纳入市场过程, 其目的是为了使资源能够得到更有效的利用, 并减少市场失灵。对不同运输方式的外部成本内部化, 可以使用户转向环境友好型的运输方式, 实现可持续发展。目前的内部化措施有交通拥挤收费、排污收费、噪声收费、公共交通优先政策等等。但由于在不同的情形下同一运输方式的单位外部成本是不同的, 则交通拥挤收费、排污收费、噪声收费等内部化措施应在不同情形下采取不同的标准, 以营造一个更加公平、和谐的运输环境。例如, 对于在城市内穿梭的土石方运输车辆, 相对于一般重型车辆应当收取更高的费用。
外部电源监控器故障定位与排除 篇3
本文通过对专利数据库相关技术进行检索后, 主要通过对外部电源监控器故障导致地面电源无法正常接入电网和外部电源监控器工作时必须连续按压两次复位按钮才能正常工作两个故障进行机理分析, 找出故障根源, 同时制定改进措施。
1 故障现象
歼某型飞机外场通电时, 地面交流电源偶发性出现地面交流电源无法正常接入飞机电网故障, 且必须连续按压复位按钮二次, 地面交流电源才能正常接入飞机电网。
2 故障分析与定位
外部电源监控器具有过压、欠压、过频、欠频、逆序保护和复位功能。地面通电时, 外部电源正常情况下, 外部电源监控器经过复位后 (按压复位按钮一次) , 通过控制电路控制外部电源接触器接通, 使外部电源接入飞机电网。
2.1 欠频误保护原因分析与定位
欠频保护电路是欠频敏感电路和控制电路来实现的, 欠频敏感电路与过频敏感电路共享, 外部电源C相电压经整形、微分去触发单稳电路D (FX555) , 单稳电路D (FX555) 的3端输出通过滤波成直流电压输给电压比较器FX139的6端 (-端) , 7端 (+端) 电压是基准电压, 当电压出现欠频时, 电压比较器FX139的7端电压高于6端电压, 1输出端输出高电压, 经过延时电路, 使电压比较器FX139的5端 (+端) 电位高于4端 (-端) 标准电位, 电压比较器FX139的2端输出高电位, 再经过控制电路, 实现欠频保护, 图1为欠频保护电路原理方框图。
因故障现象出现的频次偶发, 初步判断可能是JKQ-3外部电源监控器欠频电路某个或多个元器件在特殊的情况下, 才会出现异常情况。考虑到内场工作环境和外场工作环境在冬季的差别, 分析故障原因可能是产品欠频电路内部某个或多个元器件在低温环境下, 性能漂移或不工作, 导致产品误保护。
2.2 复位功能异常原因分析
复位功能是由继电器K2、二极管V28、稳压管V29实现, 扳动复位开关时, K2线圈得电后动作, 解除继电器K1的故障记忆, 并使自己保持动作状态, 28V直流电经过继电器K1的常闭触点和继电器K2的常开触点, 并经过插头加到外部电源接触器线圈上, 接触器动作, 使外部电源接入飞机电网。
根据故障现象, 分析原因有有以下两种:一是产品复位时, K2继电器无法自锁或自锁后常开触点没有正常接通, 导致插头12号插孔无电压输出, 无法正常工作;二是产品复位时, K1继电器没有解锁, 常开触点没有跳开, 导致K2继电器动作后无法自锁, 无法正常工作。
3 故障排除情况
3.1 欠频电路误保护故障排除
在专用试验器上对故障件进行通电, 并使产品正常工作, 分别对欠频电路中的各元器件进行局部物理降温, 当对单稳电路D (FX555) 进行物理降温一段时间后, 产品再次出现欠频保护动作;然后用烙铁直接接在单稳电路D的壳体上, 使单稳电路D温度升高, 加热一段时间后, 产品再次工作正常。更换单稳电路D (FX555) , 将产品放入高低温试验箱内, 温度调整到-55℃, 恒温保持3小时, 再进行通电检查, 产品工作正常。
3.2 复位功能异常故障排除
用专用试验器给产品施加28V直流工作电压和115V、400Hz交流电, 用三用表检查K1继电器和K2继电器得工作情况, 第一次接通复位开关时, K1继电器释放, 常开触点跳开;K2继电器动作一次后断开, 产品没有正常工作;再次接通复位开关后, K2继电器动作后自锁, 产品正常工作。
测量K1继电器和K2继电器的吸合和释放电压, 发现K1继电器的释放电压为2V, 而K2的释放电压为3.5V, 测量新品继电器的吸合电压为3.4V。更换K1继电器后, 用专用试验器通电, 正常工作时, 只需扳动复位开关1次, 产品即可正常接通工作。
4 预防措施
(1) 修理时, 增加高低温检查试验项目, 提高产品工作可靠性。
(2) 修理时, 通过测量的K1继电器和K2继电器的吸合和释放电压对K1继电器和K2继电器进行配对, 要求配对后K1继电器和K2继电器的吸合和释放电压基本相近。
摘要：针对某型飞机外部电源监控器外场出现的故障, 通过对故障现象确认, 原因分析及故障定位等步骤, 找到了故障根源, 提出了改进措施。