電力系統(tǒng)分析課程設(shè)計 (2)

1、<p><b>　　課程設(shè)計(論文)</b></p><p>　　題 目 名 稱 電氣工程專業(yè)綜合課程設(shè)計 </p><p>　　課 程 名 稱 電力系統(tǒng)分析 </p><p>　　2016年10月15日</p><p>　　課程設(shè)計（論文）任務(wù)書</p

2、><p>　　注：1．此表由指導教師填寫，經(jīng)系、教研室審批，指導教師、學生簽字后生效；</p><p>　　2．此表1式3份，學生、指導教師、教研室各1份。</p><p>　　指導教師（簽字）： 學生（簽字）：</p><p><b>　　目錄</b></p>&l

3、t;p>　　1.課題內(nèi)容和意義6</p><p><b>　　1.1課題意義6</b></p><p>　　1.2課題的背景6</p><p><b>　　1.3課題內(nèi)容8</b></p><p><b>　　1.4課題目的9</b></p>&l

4、t;p><b>　　2.暫態(tài)短路9</b></p><p>　　2.1短路故障簡介9</p><p>　　2.2短路計算步驟10</p><p>　　2.3簡單不對稱短路的分析與計算10</p><p>　　3.PSCAD仿真軟件簡介11</p><p>　　4.仿真調(diào)試及實驗分析

5、12</p><p>　　4.1系統(tǒng)仿真圖設(shè)計過程12</p><p>　　4.2 系統(tǒng)仿真圖12</p><p>　　5系統(tǒng)等值電路仿真波形圖及分析13</p><p>　　5.1線路L6-7 單相接地故障電流電壓波形13</p><p>　　5.2線路L6-7 AB兩相、電流電壓波形15</p&g

6、t;<p>　　5.3線路L6-7 AB兩相接地短路電流電壓波形圖16</p><p>　　5.4線路L6-7 三相短路電流電壓波形17</p><p><b>　　總結(jié)19</b></p><p><b>　　參考文獻20</b></p><p><b>　　致&#

7、160;謝21</b></p><p>　　1.課題內(nèi)容及意義 </p><p><b>　　1.1意義及背景</b></p><p>　　暫態(tài)是電力系統(tǒng)運行狀態(tài)之一,由于受到擾動系統(tǒng)運行參量將發(fā)生很大的變化，處于暫態(tài)過程；暫態(tài)過程有兩種，一種是電力系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)動元件，如發(fā)電機和電動機，其暫態(tài)過程主要是由于機械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)

8、矩（或功率）之間的不平衡而引起的，通常稱為機電過程，即機電暫態(tài)，另一種是變壓器、輸電線等元件中，由于并不牽涉角位移、角速度等機械量，故其暫態(tài)過程稱為電磁過程，即電磁暫態(tài)。同時它又是研究電力系統(tǒng)的一項重要分析功能，是進行故障計算，繼電保護鑒定，安全分析的工具。在電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計和現(xiàn)有電力系統(tǒng)運行方式的研究中，都需要利用電力系統(tǒng)短路計算來定量的比較供電方案或運行方式的合理性、可靠性和經(jīng)濟性。在三相系統(tǒng)中，短路故障又可分成三相短路、兩相短路、

9、單相短路、單相接地短路、兩相接地短路等多種。當電路發(fā)生短路時，能使導體溫度迅速升高，絕緣破壞，甚至使導體發(fā)紅，熔化，導致設(shè)備損壞。高壓電網(wǎng)的短路故障可引起電網(wǎng)瓦解。短路產(chǎn)生的電弧、火花可引發(fā)火災、爆炸、電傷等惡性事故。</p><p>　　最初，電力系統(tǒng)短路計算是通過人工手算的。后來為了適應(yīng)電力系統(tǒng)日益發(fā)展的需要，采用了交流計算臺。隨著電子數(shù)字計算機的出現(xiàn)，1956 年 Ward 等人編制了實際可行的計算機短路計

10、算仿真軟件。這樣，就為日趨復雜的大規(guī)模電力系統(tǒng) 提供了極其有力的計算手段。經(jīng)過幾十年的時間，電力系統(tǒng)短路計算已經(jīng)發(fā)展得十分成熟。</p><p><b>　　1.2 課題背景</b></p><p>　　1995年全世界的發(fā)電裝機總?cè)萘繛?0.0億kW，1998年為32.5kW。全世界人均用電量為2400kW·h。預計在1995～2020年的25年中，世界能

11、源消耗將增加50%，電能消耗將翻一番，裝機總?cè)萘窟_到60.0億kW。這期間，電力建設(shè)投資需要330000億美元。這就意味著每增加1kW電力，需要投資900美元。</p><p>　　20世紀70年代以前，世界電力處于大發(fā)展時間，那時電力年增長速度達7%。在這之后電力發(fā)展開始減慢，特別是發(fā)達國家，電力增長速度降為1%~3%，而發(fā)展中國家電力增長速度加快，達到3%~5%，特別是中國和印度。世界電力發(fā)展速度并不平衡，現(xiàn)

12、在還有20億人口未用上電。</p><p>　　中國電力工業(yè)始于1882年，至1999年已有117年歷史。在此百余年中，中國電力工業(yè)的狀況無不與當時的歷史背景和時代特點緊密聯(lián)系。舊中國67年的電力工業(yè)史，道路坎坷，步履蹣跚，至1949年全國裝機容量僅為184.86萬千瓦，年發(fā)電量為43.10億千瓦時。新中國成立后，中國政府一直把電力工業(yè)作為國民經(jīng)濟的先行基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，并制定了一系列發(fā)展電力工業(yè)的方針政策。經(jīng)全國電業(yè)職

13、工的不懈努力，一座座火電廠拔地而起，一座座水電站橫波臥浪，一條條輸電線路縱橫中國大地。到1998年底，全國發(fā)電裝機容量已達2.77億千瓦，年發(fā)電量已達11580億千瓦時，分別由1949年的世界第21位和第25位均躍升為世界第2位，形成了一個較為完整的初步現(xiàn)代化的電力工業(yè)體系，為中國經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高作出了卓越的貢獻。其發(fā)展標志主要是：</p><p>　　—電源結(jié)構(gòu)不斷改善。從80年代開始，火電建設(shè)就

14、進入了大機組、大容量、高參數(shù)階段。至今全國已投入運行的60萬千瓦及以上的大機組已有17臺，正在建設(shè)的有27臺，其中綏中電廠80萬千瓦機組即將投產(chǎn)；水電建設(shè)，以浙江新安江水電站為起點，隨著劉家峽、龍羊峽、二灘、天生橋一級和廣州抽水蓄能電站等大型水電站的建成投產(chǎn)，全國水電裝機容量已達6300萬千瓦。占全國發(fā)電總裝機容量的23.5％；以秦山和大亞灣核電站的建成投入運行為標志；中國從此結(jié)束了無核電的歷史；同時，風能、地熱、潮汐和太陽能等新能源發(fā)

15、電有了較大發(fā)展。</p><p>　　—電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大。在加快電源建設(shè)的同時，加強了電網(wǎng)的同步建設(shè)。到1998年底，中國已擁有500千伏輸電線路20093公里、330千伏輸電線路7291公里，220千伏及以上變電設(shè)備容量達31958萬千伏安，形成了東北、華北、華東、華中、西北六個跨?。▍^(qū)、市）電網(wǎng)和6個各自獨立的省（區(qū)、市）電網(wǎng)，覆蓋了全國所有城市和絕大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村。隨著長江三峽工程的興建和建成，中國電網(wǎng)即將進

16、入大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)，形成全國統(tǒng)一聯(lián)合電網(wǎng)，實現(xiàn)全國范圍內(nèi)資源優(yōu)化配置的新階段。</p><p>　　—電力技術(shù)和管理水平明顯提高。目前，中國已掌握30萬、50萬和超臨界60萬千瓦火電機組的設(shè)計、制造、安裝運行技術(shù)和百萬千瓦級核電機組的安裝運行技術(shù)；掌握了180米級各類大壩的建筑技術(shù)。全國百萬千瓦以上的大型發(fā)電廠已有68座。</p><p>　　新中國成立50年來，在大力發(fā)展電力工業(yè)的同時，中國

17、政府十分重視環(huán)境保護和電力國際科技與經(jīng)濟合作交流。1997年頒布了《中國電力工業(yè)的發(fā)展與環(huán)境》白皮書，進一步確立了電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，全面推進電力工業(yè)快速、持續(xù)、健康發(fā)展；中共十一屆三中全會實行對外開放政策后，電力工業(yè)的國際合作范圍逐步擴大，從引進國外技術(shù)、管理經(jīng)驗和發(fā)電設(shè)備，到利用國外資金辦電，有力地促進了自身的發(fā)展。 根據(jù)中國2010年電力發(fā)展遠景規(guī)劃，到2010年全國發(fā)電裝機總?cè)萘繉⑦_到5億千瓦左右，實現(xiàn)全國聯(lián)網(wǎng)，全國農(nóng)村基本

18、實現(xiàn)電氣化。</p><p>　　歐盟指令對歐洲電力市場造成的影響主要有：分開會計賬目的規(guī)定迫使許多公司就發(fā)電、輸電和配電業(yè)務(wù)成立不同的法人實體；行業(yè)并購和重組增加；公司開始從技術(shù)推動市場策略向以市場為主導的業(yè)務(wù)階段過渡；消除了歐洲共同體間內(nèi)部貿(mào)易的壁壘，競爭促進了價格的下降。</p><p>　　為解決國與國之間電網(wǎng)互聯(lián)薄弱，線路堵塞的問題，加快歐洲統(tǒng)一市場建設(shè)，實現(xiàn)更大范圍內(nèi)的資源優(yōu)化

19、配置，歐洲正努力加強國與國之間的聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。他們認為同步電網(wǎng)沒有界限，越大越好。因此，除加強歐洲大陸聯(lián)網(wǎng)建設(shè)外，他們還計劃建設(shè)環(huán)地中海電網(wǎng)，將北非、中東等二十幾個國家電網(wǎng)連接到一起，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。</p><p>　　1.3課題要求及課題內(nèi)容</p><p>　　(1)首先用等值電勢源替代發(fā)電機，建立該系統(tǒng)的仿真模型，得出該系統(tǒng)的潮流計算結(jié)果，并分析；</p><p>

20、;　　(2)然后建立含有模擬發(fā)電機(真實發(fā)電機系統(tǒng)模型)模型的電力系統(tǒng)仿真模型如圖1.1所示，得出該系統(tǒng)的潮流計算結(jié)果，并分析。</p><p>　　圖1.1 簡單電力系統(tǒng)示意圖</p><p><b>　　1.4課題目的 </b></p><p>　?。?）掌握電力系統(tǒng)短路電流計算的基本原理；</p><p>

21、;　　（2）掌握并能熟練運用PSCAD軟件；</p><p>　?。?）通過課程設(shè)計,使學生鞏固電力系統(tǒng)三相對稱短路和不對稱短路計算的基本原理與方法，掌握短路電流的數(shù)值求解方法。讓學生掌握用計算機仿真分析電力系統(tǒng)的方法。同時，通過軟件開發(fā)，也有助于計算機操作能力和軟件開發(fā)能力的提高。</p><p><b>　　2.暫態(tài)短路</b></p><p&

22、gt;<b>　　2.1短路故障簡介</b></p><p>　　在電力系統(tǒng)的運行過程中，時常會發(fā)生故障，其中大多數(shù)是短路故障。</p><p>　　短路故障是電力系統(tǒng)除正常運行情況以外的相與相之間或相與地之間的連接。在三相供電系統(tǒng)中，破壞供電系統(tǒng)正常運行的故障最為常見而且危害性最大的就是各種短路。對中性點不接地系統(tǒng)有相與相之間的短路，對中性點接地系統(tǒng)有相與相之間的短

23、路和相與地之間的短路。其短路的基本種類有：三相短路、兩相短路、單相短路、兩相接地短路、單相接地短路等，如圖1-1所示。發(fā)生短路故障時，電力系統(tǒng)從正常的穩(wěn)定狀態(tài)過渡到短路的穩(wěn)定狀態(tài)，一般需3～5秒。在這一暫態(tài)過程中，短路電流的變化很復雜。在短路后約半個周波（0.01秒）時將出現(xiàn)短路電流的最大瞬時值，稱為短路沖擊電流。它會產(chǎn)生很大的電動力，其大小可用來校驗電工設(shè)備在發(fā)生短路時機械應(yīng)力的動穩(wěn)定性。</p><p>　　

24、（a） （b）</p><p>　　（c） （d）</p><p>　　2.2短路計算步驟 </p><p>　　因為電力系統(tǒng)的實際情況比較復雜。在實際的計算中常采用近似計算的方法，將計算條件簡化。按簡化條件計算的短路電流

25、值偏大，其誤差為10%～15%。其計算條件簡化如下：</p><p>　?。?）不考慮鐵磁飽和現(xiàn)象，認為電抗是常數(shù)；</p><p>　?。?）變壓器的勵磁電流忽略不計；</p><p>　?。?）除高壓遠距離輸電線路外，一般不考慮電網(wǎng)電容電流；</p><p>　?。?）計算短路電流時忽略負荷電流；</p><p>

26、　?。?）當短路系統(tǒng)中的電阻值小于電抗值的1/3時，電阻值忽略；</p><p>　?。?）在低壓電網(wǎng)中發(fā)生短路時，認為變壓器的一次側(cè)電壓不變。</p><p>　　2.3簡單不對稱短路的分析與計算</p><p>　　電力系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障時，短路點的電壓，電流出現(xiàn)不對稱，利用對稱分量法將不對稱的電流電壓分解為三組對稱的序分量，由于每一序系統(tǒng)中三相對稱，則在選好一

27、相為基準后，每一序只需要計算一相即可，用對稱分量法計算電力系統(tǒng)的不對稱故障。其大概步驟如下：</p><p>　　（1）計算電力系統(tǒng)各個原件的序阻抗；</p><p>　　（2）制定電力系統(tǒng)的各序網(wǎng)絡(luò)；</p><p>　?。?）由各序網(wǎng)絡(luò)和故障列出對應(yīng)方程；</p><p>　?。?）從聯(lián)立方程組解出故障點電流和電壓的各序分量，將相對應(yīng)的各

28、序分量相加，以求得故障點的各相電流和電壓；</p><p>　　（5）計算各序電流和各序電壓在網(wǎng)絡(luò)中的分布，進而求得各指定支路的各相電流和指定節(jié)點的各相電壓。</p><p>　　表2.1 各類短路類型及取值</p><p>　　3.PSCAD仿真軟件簡介 </p><p>　　PSCAD是一種有效的用戶圖形界面,能夠顯著地提高電力系統(tǒng)電磁

29、瞬時 模擬研究的效率。利用PSCAD家族的軟件工具,使得電力系統(tǒng)工程師能夠充分利用現(xiàn)代微機工作站的資源, 更為有效地使用馬尼托巴高壓直流研究中心的 EMTDC 瞬時模擬軟件。該族軟件還可作為該中心的實時數(shù)字模擬器(RTDS)的用戶界面。 </p><p>　　PSCAD 由下述軟件模塊構(gòu)成:檔管理系統(tǒng)、建模(DRAFT)模塊 、架空線(T-LINE)和電纜(CABLE)模塊 、運行(RUN TIME)模塊 、單

30、曲線繪圖(UNIPLOT)和多曲線繪圖(MULTIPLOT)模塊。 </p><p>　　PSCAD 編寫使其適合在基于UNIX操作系統(tǒng)并具有X 窗口環(huán)境的微機 工作站上運行。PSCAD 具備自己的軟件支持因而不需要用戶再安裝其他支持軟件。建議使用的系統(tǒng)至少應(yīng)具備16MB的內(nèi)部RAM。 安裝的PSCAD 軟件需占用不到10MB的磁盤存儲空間。軟件同時支持單色和彩色監(jiān)視器。如果要運行EMTDC 模擬軟件, 用戶

31、應(yīng)提供FORTRAN 77(F77) 編譯器。硬拷貝輸出采用PS格式。建模模塊中的圖形可通過接受HP-GL 命令的繪圖儀輸出。 </p><p>　　PSCAD代表電力系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計，PSCAD的開發(fā)成功，使得用戶能更方便地使用EMTDC進行電力系統(tǒng)分析，使電力系統(tǒng)復雜部分可視化成為可能，而且軟件可以作為實時數(shù)字仿真器的前置端?？赡M任意大小的交直流系統(tǒng)。PSCAD V1 1988年首先在阿波羅工作站上使

32、用，然后大約在1995年 PSCAD V2開始應(yīng)用。PSCAD V3以PC Windows作為平臺，在1999年面 世。目前最新版本的是PSCAD V4.2.1。用戶可以通過調(diào)用隨EMTDC主程序一起提供的庫程序模塊或利用用戶自己開發(fā)的元部件模型有效地組裝任何可以想象出的電力系統(tǒng)模型和結(jié)構(gòu)。EMTDC 的威力之一是可以較為簡單地模擬復雜電力系統(tǒng), 包括直流輸電系統(tǒng)和其相關(guān)的控制系統(tǒng)。所以PSCAD是電力專業(yè)十分有用的仿真軟件，我們組的課

33、題系統(tǒng)節(jié)點較多，傳統(tǒng)的手工計算顯然不切實際，于是利用PSCAD仿真運行出結(jié)果就成了本次課程設(shè)計最為關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。</p><p>　　4.仿真調(diào)試及實驗分析 </p><p>　　4.1系統(tǒng)仿真圖設(shè)計過程 </p><p>　　PSCAD為用戶提供了一些特殊的運行元件用于在線控制輸入數(shù)據(jù)，并且可以記錄及顯示EMTDC輸出數(shù)據(jù)，比如圖形框、圖表、

34、曲線和一些儀表。用戶可以直接控制EMTDC的輸入變量，所以可以在仿真運行時改變這些變量。對于輸出的圖形信息或者整個圖形框，用戶可以把其作為圖片復制出來，或者提取其中的變量數(shù)據(jù)信息。 </p><p>　　PSCAD軟件中模塊主要用于整合多個元件，把具有一定功能的元件組放入一個可稱之為“子系統(tǒng)”的模塊中，這樣使得整個系統(tǒng)看起來更為簡潔。連接模塊和外部電路的信號有兩種：數(shù)據(jù)信號（Data Sign

35、als）和電氣信號（Electrical Signals）。</p><p><b>　　4.2 系統(tǒng)仿真圖</b></p><p>　　根據(jù)課題要求，從PSCAD仿真圖中可以看到整個模塊的模型，各母線間的線路采用π型等值電路，以及用來采集各母線上信號的裝置，這樣潮流分布就能通過圖表來觀測。</p><p>　　圖4.1系統(tǒng)等值電路仿

36、真圖（含發(fā)電機）</p><p><b>　　圖4.2發(fā)電機</b></p><p>　　我們組是實現(xiàn)L6-7線路靠近母線6側(cè)的各種類型的短路故障的仿真，在做三相短路的時候需要用分線工具將單項線分解為三相線路，把三相線路分別接至短路控制其加以控制，控制數(shù)據(jù)見圖，在加上短路時間控制器實現(xiàn)對短路的控制，用于控制短路時間的長度，然后再三相線路上分別加上電流表用于測量短路電流

37、，加上電壓表用于測量電壓。下面以L6-7短路作為示例，模型如圖4.3所示。</p><p><b>　　圖4.3短路模型</b></p><p>　　5系統(tǒng)等值電路仿真波形圖及分析</p><p>　　5.1線路L6-7 單相接地故障電流電壓波形</p><p>　　圖5.1單相接地故障時單相電流波形</p>

38、<p>　　圖5.2單相接地故障時單相電壓波形</p><p>　　5.2線路L6-7 AB兩相電路電流電壓波形</p><p>　　圖5.3 AB兩相電路電流波形</p><p>　　圖5.4 AB兩相電路電壓波形</p><p>　　5.3線路L6-7 AB兩相接地短路電流電壓波形圖</p><p>

39、　　圖5.5 AB兩相接地短路各相電流波形</p><p>　　圖5.6 AB兩相接地短路時各相電壓波形</p><p>　　5.4線路L7-6 三相短路電流電壓波形</p><p>　　圖5.7 三相短路電流波形</p><p><b>　　、</b></p><p>　　圖5.8 三相短路電

40、壓波形</p><p>　　所以我們不難從中歸納出，串聯(lián)電路中，短路部位的電壓等于0V，其它完好部位兩端有電壓，且電壓之和等于電源電。不管短路成因是多么復雜，其實質(zhì)卻很簡單，我們可以認為“短路”的用電器實質(zhì)就是電阻很小，相當于一根導線。在分析中用導線代替“短路”的用電器，往往會收到意想不到的效果。  </p><p>　　形成故障的原因很多，比如“短路”有可能是用電器兩

41、個接線柱碰線造成，也可能是電流過大導致某些用電器內(nèi)部擊穿，電阻為零。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　由于我們對PSCAD軟件不是很熟悉，要用PSCAD去進行電力系統(tǒng)短路仿真和電路圖的設(shè)計實驗起來任然有些困難，但我們組通過團結(jié)協(xié)作，對遇到的問題進行探討和研究，還去圖書館和在網(wǎng)上查詢資料，并在最終解決了遇到的問題，完成這些初步工作。接下來就

42、是連接實物圖，但是后來總出現(xiàn)錯誤，無法出仿真結(jié)果，然后根據(jù)資料和在老師耐心指導下對仿真圖進行了更改。</p><p>　　總之這次課程設(shè)計收貨很大，對PSCAD軟件有了初步的認識和了解，還仿真出了想得出的結(jié)果，在這不斷學習的過程中，同時意識到PSCAD的博大精深之處，今后一定會進一步學習，還有就是我們在軟件學習上也收貨了更多的自主學習的方法。這為以后的畢業(yè)設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。</p><p&g

43、t;<b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]何仰贊，溫增銀.《電力系統(tǒng)分析（上冊）》.華中科技大學出版社.第三版.2002年</p><p>　　[2]何仰贊，溫增銀.《電力系統(tǒng)分析（下冊）》.華中科技大學出版社.第三版.2002年</p><p>　　[3]陳衍.《電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析》.北京水利電力出版社.2004年1月<

44、/p><p>　　[4]李光琦.《電力系統(tǒng)暫態(tài)分析》.北京水利電力出版社.2005年2月</p><p>　　[5]樂健，胡仁喜.《PSCAD X4 電路設(shè)計與仿真入門到精通》.北京機械工業(yè)出版社.2015年8月</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　從十月份接受課題到現(xiàn)在完成課程設(shè)計論文

45、，衷心的感謝我的指導黃肇老師給予了精心的指導和熱情的幫助。黃肇老師在PSCAD方面具有豐富的實經(jīng)驗，對我的設(shè)計工作給予了很多的指導和幫助，使我能夠?qū)⒗碚撝械慕Y(jié)果與實際相結(jié)合。尤其在課題設(shè)計的前期準備階段，黃肇老師提出許多寶貴的設(shè)計意見，在最后的測試修改黃老師在百忙之中抽出時間為我們提供了必要的幫助，這樣使得我們得以順利的完成課程設(shè)計開發(fā)工作，在短暫的一個月的相處時間里，老師淵博的知識，敏銳的思路和實事求是的工作作風給我留下了深刻的印象，