电力系统仿真课程设计

电力系统自动化课程设计报告书院(部)别信息科学与电气工程学院专业电气工程及其自动化班级学号姓名指导教师时间课程设计任务书题目电力系统仿真课程设计学院信息科学与电气工程学院专业电气工程及其自动化班级学生姓名学号12月15日至12月26日共2周指导教师(签字)院长(主任)(签字)2014年12月26日一、设计内容及要求1、根据发电机自动准同期并入电网所需的条件，使用Matlab对不同条件下的并网过程进行仿真分析。2、电力系统对称短路故障的计算机程序设计、编制和调试，要求程序具有通用性，并给出一个实例。3、电力系统不对称短路故障的计算机程序设计、编制和调试，要求程序具有通用性，并给出一个实例。4、电力系统多台机组并联运行中有功功率的分配方法及低频减载方案的选择，并完成仿真。以上题目任选其一，分组进行。二、设计原始资料第2、3题所需的实例可以在参考书中查找，网络参数不能随意设定，需按原图进行仿真计算，以防出现计算不收敛的情况。三、设计完成后提交的文件和图表1．计算说明书部分仿真结果及设计说明书（论文）2．图纸部分：仿真电路程序和仿真结果等以图片的形式附在设计报告中。四、进程安排第一周：第一天上午：选题，查资料；第一天下午：制定设计方案；第二——第五天：搭建仿真模型，完成仿真部分；第二周：第一——四天：对仿真结果进行分析，完善设计方案，并完成设计报告；第五天：答辩，交设计报告。五、主要参考资料《电力系统分析》（第三版），于永源、杨绮雯主编，中国电力出版社，2007年；《电力系统自动化》（第三版），王葵、孙莹编著，中国电力出版社，2007年；《电力系统稳态分析》，陈珩主编，中国电力出版社，2007年；《电力系统暂态分析》，李光琦主编，中国电力出版社，2007年。说明：本任务书一式二份，院(部、系)、教务处各一份。目录一、绪论 11.1概述 11.2短路的危害及防范措施 2二、电力系统短路故障分析 42.1短路故障分析的内容和目的 42.2无穷大供电功率电源三相短路介绍 42.3对称短路实例 5三、电力系统仿真模型的建立与分析 73.1电力系统仿真模型 73.2仿真模型模块选择及参数设置 83.3仿真结果与分析 10四、结论 12五、心得体会 13六、参考文献 13一、绪论1.1概述在电力系统中，可能发生的短路有：三相短路、两相短路、两相短路接地、单相接地短路。三相短路也称为对称短路，系统各项与正常运行时一样仍处于对称状态。三相短路电流计算是电力系统规划、设计、运行中必须进行的计算分析工作。目前，三相短路电流超标问题已成为困扰国内许多电网运行的关键问题。然而，在进行三相短路电流计算时，各设计、运行和研究部门采用的计算方法各不相同，这就有可能造成短路电流计算结论的差异和短路电流超标判断的差异，以及短路电流限制措施的不同。为了保证电力系统运行的功能和质量，在设计、分析和研究时必须保证系统的静态和动态特性。由于在实际系统上进行试验和研究比较困难，因此借助各种电力系统动态仿真软件电力系统的设计和研究已成为有效途径之一。本次课程设计研究的是三相对称短路，根据给定的系统图及各个元件参数，计算短路点的电压和电流。然后依次计算其他各节点的电压和电流。画出系统的等效电路图，根据此等效电路图分别计算各个支路的短路点呀和电流。忽略对地支路，重新计算各短路点的短路电压和电流，其他各个节点及支路的电压和电流。在系统正常运行方式下，对各种不同时刻三相短路进行Matlab仿真，最后将短路运行计算结果与各时刻短路的仿真结果进行分析比较。1.2短路产生的原因及危害1短路产生的原因有很多，主要有以下几个方面：(1)电气设备、元件的损坏。如：设备绝缘部分自然老化或设备本身有缺陷，正常运行时被击穿短路；以及设计、安装、维护不当所造成的设备缺陷最终发展成短路等。

(2)自然的原因。如：气候恶劣，由于大风、低温导线覆冰引起架空线倒杆断线；因遭受直击雷或雷电感应，设备过电压，绝缘被击穿等。

(3)人为事故。如：工作人员违反操作规程带负荷拉闸，造成相间弧光短路；违反电业安全工作规程带接地刀闸合闸，造成金屑性短路，人为疏忽接错线造成短路等等。2短路的危害及防范措施电力系统在运行中相与相之间或相与地(或中性线)之间发生非正常连接(短路)时流过的电流称为短路电流。在三相系统中发生短路的基本类型有三相短路、两相短路、单相对地短路和两相对地短路。三相短路因短路时的三相回路依旧是对称的，故称为对称短路；其他几种短路均使三相电路不对称，故称为不对称短路。在中性点直接接地的电网中，以一相对地的短路故障为最多，约占全部短路故障的90。在中性点非直接接地的电力网络中，短路故障主要是各种相间短路。发生短路时，由于电源供电回路阻抗的减小以及忽然短路时的暂态过程，使短路回路中的电流大大增加，可能超过回路的额定电流许多倍。短路电流的大小取决于短路点距电源的电气距离，例如，在发电机端发生短路时，流过发电机的短路电流最大瞬时值可达发电机额定电流的10～15倍，在大容量的电力系统中，短路电流可高达数万安培。短路电流的危害短路电流将引起下列严重后果：短路电流往往会有电弧产生，它不仅能烧坏故障元件本身，也可能烧坏四周设备和伤害四周人员。巨大的短路电流通过导体时，一方面会使导体大量发热，造成导体过热甚至熔化，以及绝缘损坏；另一方面巨大的短路电流还将产生很大的电动力作用于导体，使导体变形或损坏。短路也同时引起系统电压大幅度降低，非凡是靠近短路点处的电压降低得更多，从而可能导致部分用户或全部用户的供电遭到破坏。网络电压的降低，使供电设备的正常工作受到损坏，也可能导致工厂的产品报废或设备损坏，如电动机过热受损等。电力系统中出现短路故障时，系统功率分布的忽然变化和电压的严重下降，可能破坏各发电厂并联运行的稳定性，使整个系统解列，这时某些发电机可能过负荷，因此，必须切除部分用户。短路时电压下降的愈大，持续时间愈长，破坏整个电力系统稳定运行的可能性愈大。短路电流的限制措施为保证系统安全可靠地运行，减轻短路造成的影响，除在运行维护中应努力设法消除可能引起短路的一切原因外，还应尽快地切除短路故障部分，使系统电压在较短的时间内恢复到正常值。为此，可采用快速动作的继电保护和断路器，以及发电机装设自动调节励磁装置等。此外，还应考虑采用限制短路电流的措施，如合理选择电气主接线的形式或运行方式，以增大系统阻抗，减少短路电流值；加装限电流电抗器；采用分裂低压绕阻变压器等。主要措施如下：（1）做好短路电流的计算，正确选择及校验电气设备，电气设备的额定电压要和线路的额定电压相符。（2）正确选择继电保护的整定值和熔体的额定电流，采用速断保护装置，以便发生短路时，能快速切断短路电流，减少短路电流持续时间，减少短路所造成的损失。（3）在变电站安装避雷针，在变压器四周和线路上安装避雷器，减少雷击损害。（4）保证架空线路施工质量，加强线路维护，始终保持线路弧垂一致并符合规定。（5）带电安装和检修电气设备，注重力要集中，防止误接线，误操作，在带电部位距离较近的部位工作，要采取防止短路的措施。（6）电力系统的运行、维护人员应认真学习规程，严格遵守规章制度，正确操作电气设备，禁止带负荷拉刀闸、带电合接地刀闸。线路施工，维护人员工作完毕，应立即拆除接地线。要经常对线路、设备进行巡视检查，及时发现缺陷，迅速进行检修。在电力系统和电气设备和运行中，短路计算是解决一系列技术问题所不可缺少的基本计算，这些问题主要是：（1）在设计和选择发电厂和电力系统电气主接线时，为了比较各种不同方案的接线图，确定是否需要采取限制短路电流的措施等，都要进行必要的短路电流计算。（2）进行电力系统暂态稳定计算，研究短路对用户工作的影响等，也包含有一部分短路计算的内容。（3）选择有足够机械稳定度和热稳定度的电气设备，例如断路器、互感器、瓷瓶、母线、电缆等，必须以短路计算作为依据。这里包括计算冲击电流以校验设备的点动力稳定度；计算若干时刻的短路电流周期分量以校验设备的热稳定度；计算指定时刻的短路电流有效值以校验断路器的断流能力等。（4）为了合理地配置各种继电保护和自动装置并正确整定其参数，必须对电力网中发生的各种短路进行计算和分析。在这些计算中不但要知道故障支路中的电流值，还必须知道电流在网络中的分布情况。二、电力系统短路故障分析2.1短路故障分析的内容和目的故障分析的主要内容包括故障后电流的计算、短路容量的计算、故障后系统中各点电压的计算以及其他的一些分析和计算如故障时线路电流与电压之间的相位关系等。短路电流计算与分析的主要目的在于应用这些计算结果进行继电保护设计和整定值计算，开关电器、串联电抗器、母线、绝缘子等电气设备的设计，制定限制短路电流的措施和稳定性分析等。电力系统可能发生的故障类别比较多，一般分为简单故障和复合故障。简单故障指的是电力系统正常运行时某一处发生短路或断相故障，而复合故障则是指两个或两个以上简单故障的组合。考虑到三相短路故障是电力系统中危害最严重的故障，本设计进行了无穷大功率电源供电系统三相短路的仿真分析。2.2无穷大供电功率电源三相短路介绍假设电源电压幅值和频率均是恒定值，这种电源称为无穷大功率电源。实际上真正的无穷大功率电源是不存在的，因而只是一个相对的概念，往往是以供电电源的内阻抗与短路回路总阻抗的相对大小来判断能否看做无穷大功率电源。当供电电源的内阻抗小于短路回路总阻抗的10%时，则可以认为供电电源为无穷大功率电源。在这种情况下，外电路发生短路对电源影响很小，可近似认为电源电压幅值和频率保持恒定。图1无穷大供电功率电源供电电路三相短路假设t=0s时刻，f点发生三相短路故障。此时电路被分为两个独立的回路。由无限大供电的三相电路，其阻抗由原来的突然减小为。由于短路后的电路仍然是三相对称的，依据对称关系可以得到a、b、c短路全电流的表达式式中，为短路电流的稳态分量的幅值。一般电力系统中，短路回路的感抗比电阻大得多，即，故可近似认为。因此，非周期电流有最大值的条件为：短路前电路空载（),并且短路发生时，电源电势过零。短路电流最大可能的瞬时值称为短路电流冲击值，以表示。冲击电流主要用于检验电气设备和载流导体在短路电流下的受力是否超过容许值，即所谓的动稳定度。由此可得冲击电流的计算式为，式中，称为冲击系数，即冲击电流值对于短路电流周期性分量幅值的倍数；为时间常数。短路电流的最大有效值是以最大瞬时值发生的时刻（即发生短路经历约半个周期）为中心的短路电流有效值。在发生最大冲击电流的情况下，有，短路电流的最大有效值主要用于检验开关电器等设备切断短路电流的能力。2.3对称短路实例假设无穷大功率电源供电系统如图2所示，在0.02s时刻变压器低压母线发生三相短路故障，计算其短路电流周期分量幅值，和冲击电流的大小，并进行仿真。线路参数为，，；变压器的额定容量，线路电压，短路损耗，空载损耗，空载电流，变比，高低压绕组均为Y型联结；并设供电点电压为。图2无穷大电源供电系统三相短路根据给定的的数据，计算折算到110kV侧的参数如下：变压器的电阻为变压器的电抗为则变压器的漏感为变压器的励磁电阻变压器的励磁电抗为变压器的励磁电感为输电线路，,短路电流的周期分量的幅值为时间常数则短路冲击电流为三、电力系统仿真模型的建立与分析3.1电力系统仿真模型（1）Matlab仿真介绍

MATLAB产品家族是美国MathWorks公司开发的用于概念设计,算法开发,建模仿真,实时实现的理想的集成环境。由于其完整的专业体系和先进的设计开发思路，使得MATLAB在多种领域都有广阔的应用空间，特别是在MATLAB的主要应用方向—科学计算、建模仿真以及信息工程系统的设计开发上已经成为行业内的首选设计工具，全球现有超过五十万的企业用户和上千万的个人用户，广泛的分布在航空航天，金融财务，机械化工，电信，教育等各个行业。MatLab控制系统仿真软件是当今国际控制界公认的标准计算软件，1999年MatLab5.3版问世，使MATLAB拥有更丰富的数据类型和结构、更友善的面向对象、更加快速精良的图形可视、更广博的数学和数据分析资源、更多的应用开发工具。特别是SIMULINK这一个交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境的出现，使人们有可能考虑许多以前不得不做简化假设的非线性因素、随机因素，从而即使学生没有对非线性动态系统进行分析研究的数学基础，仍可通过仿真来认知非线性对系统动态的影响。针对上述实例建立仿真模型如图3所示。图3电力系统仿真模型3.2仿真模型模块选择及参数设置仿真模型所使用模块及提取路径如表1所示。表1仿真模型所使用模块及提取路径模块名提取路径无穷大功率电源10000MV·A,110kVSourceSimPowerSystems/EletricalSources三相并联RLC负荷模块5MWSimPowerSystems/Elements串联RLC支路Three⁃PhaseParallelRLCBranchSimPowerSystems/Elements双绕组变压器模块Three⁃PhaseTransformer(TwoWindings)SimPowerSystems/Elements三相故障模块Three⁃PhaseFaultSimPowerSystems/Elements三相电压电流测量模块Three⁃PhaseV⁃IMeasurementSimPowerSystems/Measurements示波器模块ScopeSimulink/Sinks电力系统图形用户截面PowerguiSimPowerSystems电源模块参数设置如图4所示，变压器模块参数如图5所示。其中变压器模块模块中的参数采用有名值设置。图4电源模块的参数设置图5变压器模块参数设置输电线路模块参数如图6所示，三相电压电流模块测量模块将在变压器低压侧测量到的电压电流信号转变成Simulink信号，相当于电压电流互感器的作用，其参数设置如图7所示。图6输电线路模块的参数设置图7三相电压电流测量模块模块参数选项说明1）PhaseAFault、PhaseBFault和PhaseCFault用来选择短路故障相。2）Faultresistances用来设置短路点的电阻，此值不能为零。3）GroundFault选项用来选择短路故障是否为短路接地故障。4）Groundresistances当故障类型是短路接地故障时显示该项，用来设置接地故障时的大地电阻。5）Externalcontroloffaulttiming可以添加控制信号来控制该模块故障的启动和停止。6）Transitionstatus和Transitiontimes用来设置转换状态和转换时间；其中,Transitionstatus表示故障开关的状态，通常用“1”表示闭合，“0”表示断开；Transitiontimes表示故障开关的动作时间；并且每个选项都有两个数值，而且它们是一一对应的。7）Snubbersresistance和snubbersCapacitance用来设置并联缓冲电路中的过渡电阻和过渡电容。8）Measurements用来选择测量。三相线路故障模块参数设置如图8所示。图8三相线路故障模块参数设置3.3仿真结果与分析通过模型窗口菜单中的“Simulation”--“configurationparameters”命令打开仿真参数的对话框，选择可变步长的ode23t算法，仿真起始时间设置为0，终止时间设置为0.2s，其他参数采用默认设置。在三相线路故障模块中设置在0.02s时刻变压器低压母线发生三相短路故障。运行仿真，可得变压器低压侧的三相短路电压、电流的波形图如图9、图10所示。由图所示，无限大功率供电系统在0.02s时刻时发生三相短路，电压变为零，而电流短路前未接负载电流为零，发生三相短路后电流突然增大，如不切断故障而后会渐渐进入稳态状态。由仿真结果可知，当电力系统发生三相短路是冲击电流很大，故需马上切断故障，以免对系统内其他设备造