电力系统分析课程实践设计

答辩内容

1、短路计算日勺目日勺是什么？采用什么措施计算的？

答：短路计算的目的I:①通过短路计算来确定电气主接线的方案②通过短路计算

来对电气设备进行选型，例如说电气保护装置等③用来进行电力系统暂态稳定计

算。采用什么措施计算H勺:我采用H勺是标幺值法。

2、仿真运算过程中碰到哪些问题？怎样处理口勺？

答：PSASP软件刚开始使用时，由于不熟悉的缘故，使用软件速度比较慢，母线

数据录入处有些遗忘，后来通过请教老师和同学，逐渐纯熟了PSASP软件的使用，

进行仿真的速度也得以提高问题基本处理。

3、本次课程设计日勺重要收获是什么？

答：通过本次课程设计，我掌握了PSASP软件的使用，提高了自己的动手能力，

也愈加纯熟了短路计算，对此后日勺学习、工作有极大日勺协助。

新疆工程学院

电力工程系课程设计任务书

2023-2023学年2学期2023年6月9日

电气工程及其

专业班级电气工程14-2课程名称电力系统分析

自动化

设计题目某系统短路计算指导教师刘华

2023年5月26日

起止时间周数2周设计地点试验楼A303

-2023年6月9日

设计目的：本次电力系统课程设计是根据给定的原始材料完毕、巩固和加深对电力系统短路计

算基本原理口勺理解，学习和掌握应用计算机进行电力系统设计和计算的措施，培养学生独立分析和

处理问题口勺能力。

设计任务或司W要技术指标：

如图1.1所示如图所示,设A、B发电机暂态电动势为1,在k点发生两相短路接地故障，

试计算。试月＜：

1

AT1T2B

-0

苔=0薄0）

Xt«07

4m与=。25

・

q03Xra«012Z„-013015

X,«02/・012

X„-0l3的3

4・005Xro-012

求：耳1力系统短路电7克日勺计算（d⑶三相短路，1⑵两相短路）（手算和计算机仿真计算：

短路点为IK点和发电机f拳线上）；

2.设计进度与规定

设计进度：［1］第一天：选题，搜集资料，完毕开题报

［2］第二天：完毕电路等值电路的绘制

13］第三、四、五天：完毕电路电流的手工计算

［4］第六、七、八天：基于PSASP日勺仿真短路计算

［5］第九天：设计初审

［6］第十、十一天：修改草稿，打印终稿。

［7］第十二天：课程设计答辩。

规定：［1］电力系统短路电流的计算（d⑶三相短路，“⑵两相短路）（手算和计算机仿

真计算：短路点为K点和发目机母线上）。

⑵用PSASP建模仿真计算；

［3］2人一组，I人手算，1人计算机仿真计算。

［4］计算题目规定的电网H勺1个点的短路电流，画出正序，负序，零序和等效图，手算。

摘要

电能是现代社会中最重要，也是最以便的能源。电能具有许多长处，它可以

以便地转化为别种形式日勺能，它日勺输送和分派易于实现;它日勺应用规模也很灵活。

电力系统正常运行欧I破坏多半是由短路故障引起日勺。发生短路时，系统从一种状

态剧变到另一种状态，并伴随产生复杂日勺暂态现象。所谓短路，是指一切不正常

时相与相之间或相与地发生通路日勺状况。在三相系统中，也许发生的短路有：三

相短路、两相短路、两相短路接地和单相接地短路。

对于多种不对称短路，都可以对短路点列写各序网络的电势方程，根据不对

称短路日勺不一样类型列写边界条件方程。联立求解这些方程可以求得短路点电压

和电流日勺各序分量。

【关键词】短路、对称短路、不对称短路

目录

1电力系统基础计算简介................................................0

1.1时尚计算.....................................................0

1.2短路计算.....................................................1

2设计重要任务.........................................................5

3设计原理.............................................................7

3.1两相短路......................................................7

3.2三相短路.....................................................9

3计算过程及环节.....................................................12

3.1系统C的正序电抗计算........................................12

3.2K点发生两相短路时故障点电流计算..........................13

3.3K点发生abc三相短路时故障点电流............................15

3.4K点发生abc三相短路时发电机G和系统C分别提供的故障电流..15

4仿真试验...........................................................17

4.1交直流电力系统分析程序功能..................................17

4.2仿真成果部分截图............................................19

成果分析.............................................................22

总结..............................................................24

致谢..............................................................25

参照文献.............................................................26

1电力系统基础计算简介

1.1时尚计算

1.1.1什么是时尚计算？

时尚计算是电力系统非常重要的分析计算，用以研究系统规划和运行中提出

的多种问题。对规划中日勺电力系统，通过时尚计算可以检查所提出的电力系统规

划方案能否满足多种运行方式的规定；对运行中日勺电力系统，通过时尚计算可以

预知多种负荷变化和网络构造的变化会不会危及系统日勺安全，系统中所有母线的I

电压与否在容许日勺范围以内，系统中多种元件（线路、变压器等）与否会出现过负

荷，以及也许出现过负荷时应事先采用哪些防止措施等。

时尚计算是电力系统分析最基本日勺计算。除它自身日勺重要作用之外，在《电力系

统分析综合程序》（PSASP）中，时尚计算还是网损计算、静态安全分析、暂态稳

定计算、小干扰静态稳定计算、短路计算、静态和动态等值计算H勺基础。

1.1.2时尚计算的特点

（1）迭代算法及其收敛性

对于非线性方程组问题，其多种求解措施都离不开迭代，因此，存在迭代与否收

敛的问题。为此，在程序中开发了多种计算措施否收敛的问题。

1、PQ分解法2、最佳乘子法3、牛顿法（电流式）4、牛顿法（功率式）

5、PQ分解法牛顿法

供计算选择，以保证计算的收敛性。

（2）解H勺多值性和存在性

对于非线性方程组欧I求解，从数学日勺观点来看，应当有多组解。根据程序中所设

定欧I初值，一般都能收敛到合理解。但也有收敛到不合理解（电压过低或过高）

H勺特殊状况。这些解是数学解（由于它们满足节点平衡方程式）而不是实际解。为

此需变化运行条件后再重新计算。止匕外，对于时尚计算问题所规定H勺节点电压的

分量（幅值和角度或实部和虚部）。只有当其为实数时才故意义。假如所给的运行

条件中无实数解，则认为该问题无解。

因此，当迭代不收敛时，也许有两种状况：一是解（指实数解）不存在，此时需修

改运行方式；另一是计算措施不收敛，此时需更换计算措施。

1.2短路计算

1.2.1短路电流

电力系统短路是指供电系统中不等电位曰勺导体在电气上被短接如相与相

之间的短接或在中性点接地系统中一相或儿相与大地相接以及三相四线制系

统中相与零线的短接等。当发生短路时电源电压被短接短路回路阻抗很小

于是在回路中流通很大日勺短路电流。三相短路电流计算是电力系统规划、设计、

运行中必须进行日勺计算分析工作。伴随我国电网规模的迅速增长使短路电流不

停升高已严重影响到电网日勺安全运行这也成为制约电网发展日勺重要原因。

1.2.2电力系统中短路电流的危害

电力系统短路是指供电系统中不等电位日勺导体在电气上被短接如相与相

之间的短接或在中性点接地系统中一相或儿相与大地相接以及三相四线制系

统中相与零线的）短接等。当发生短路时电源电压被短接短路回路阻抗很小

于是在回路中流通很大日勺短路电流。三相短路电流计算是电力系统规划、设计、

运行中必须进行日勺计算分析工作。伴随我国电网规模的迅速增长使短路电流不

停升高已严重影响到电网日勺安全运行这也成为制约电网发展日勺重要原因。

1.2.3短路电流的计算

一、高压短路电流计算（标幺值法）

1、基准值

血、八

4、1xd

选择功率、电压、电流电抗日勺基准值分别为时,

其对应关系为：〜'

7TJJYV

为了便于4="x『-^~=x味计算UL般

储

5Ldud

选为线路各级平均电压U«基准容量Sd一般选为100MVA。由基准值确定的标幺

值分别如下：

才二二粤国一电源母线的短路容量

式中各量右上标向“*”用来表达

标幺值，右下标的“d”表达在基准值下的标幺值。

2、元件的标幺值计算

（1）电源系统电抗标幺值

（2）变压器电抗标幺值

XZ=x）/。也些

由于变压器绕组电"阻比电抗小得多，高压短

路计算时忽视变压器日勺绕组电阻，以变压器的I阻抗电压百分数（■%）作为变压

器的额定电抗，故变压器的电抗标幺值为：

九=X。】*X。一输电线路单位长度电抗值,Q/km

（3）限流电抗器日勺电抗标幺值

77*

工=_^^X・艺一计算回路的总标幺电抗值

Xk%一电抗器H勺额定比例电抗，Ik%—电抗器额定电压，KV卜.%一电抗器H勺额定电

流，A

（4）输电线路的电抗标幺值

己知线路电抗X^Xol时，当此1晨时

3、短路电流计算

计算短路电流周期分量标幺值h*为

U*—电源电压标幺值

若d=%%%器的额定容量，MVA

在Ud=Uav时，"bU*:l

方）=1.15理

理）=0.87连）

短路电流周期分量实际值为

>R=&++电

2丫=冗+蜀+号+3

对于电阻较小，电抗%较大的高压供电系统，

匕二黄

三相短路电流冲击”值i#2.25Ik，三相短路电流最大有效值

Isk=l-251k

常用基准值（S4=100MVA）

电网额定电压（kV）3.06.010.035.060.0110

基准电压心（kV）3.156310.53763115

基准电流力（kA）18.39.165.51.560.920.502

二、低压短路电流计算（有名值法）

1、三相短路电流口二天云

2、两相短路电流

于<1/3>

3、三相短路电流和两相短路电流之间的换算关系

/⑶____________________

“飞甄普友行'

4、总电阻和总电抗

%

5、系统电抗

2小2初+0町

6、高压电缆的阻抗

7、变压器日勺阻抗

氏二

"爷

7「。也_疯环F7「

_A产_AP片”

8、低压电缆H勺电阻"讦=—Z2—和电抗

x-4"U〉N_4•u'

»一，乙「

■100J2VIOOS封M

〃二也也2

Z7»=—xlOO

用=424

X1—%?4

2设计重要任务

如图1.1所示如图所示，设A、B发电机暂态电动势为1,在k点发生

两相短路接地故障，试计算。试求:

AT1T2B

HZZHf-----------CZ0

x,-x,-0x110)t>

X.-07

^1•025

局、03&u・OI2&=015

X,«0230123003

占・01

Ai-0053012

图i电路原理图

规定完毕的重要任务:

⑴求电力系统三相短路电流口勺计算

⑵求电力系统两相短路电流口勺计算（手算和计算机仿真计算；短路点为K

点和发电机母线上）；

3设计原理

3.1两相短路

1.两相短路各序网络口勺制定

应用对称分量法分析计算不对称故障时，首先必须作出电力系统的各序网

络。为此，应根据电力系统口勺接线图，中性点接地状况等原始资料，在故障点分

别施加各序电势，从故障点开始，逐渐查明各序电流流通的状况。但凡某一序电

流能流通的元件，都必须包括在该序网络中，并用对应H勺序参数和等值电路表达『

除中性点接地阻抗，空载线路以及空载变压器外，电力系统各元件均应包括在正

序网络中，并且用对应的正序参数和等值电路表达，如图2所示；负序电流能流

通的元件与正序电流的相似，但所有电源口勺负序电势为零。因此，把正序网络中

各元件［1勺参数都用负序参数替代，并令电源电势等于零，便得到负序网络如图3

所示；在短路点电流施加代表故障边界条件的零序电势时，由于三相零序电流大

小及相位相似，他们必须通过大地才能构成通路，并且电流口勺流通与变压器中性

点接地状况及变压器的接法有亲密的关系，如图4所示。运用各序的网络图可以

计算出对应日勺各序阻抗。

图2系统於J正序网络

图3系统的负序网络

ZTIZLOZT2

2.不对称三相量的I分解

对称分量法是分析不对称故障的I常用措施，根据对称分量法，一组不对称的

三相量可以分解为正序、负序、零序三相对称的三相量。

在三相电路中，对于任意一组不对称的三相用量（电压或电流），可以分解为

三组对称的相量，当选择a相作为基准相时；三相相量与其对称分量之间的I关系

为：

•J）-

⑴1aa2la

I«（2）=—1a2ah式（2-1）

•-111Jh.・.

.⑶）202

式（2-1）中，运算卢='」M,且%1，…2=0、/=1。/"田（

分别为a相电流的正序、负序和零序分量，并且有

•••♦

⑴=/c(l)=ala(\)

••••

Ib(2)—ClIa(2)Ic(2)=4/a(2),式（2-2）

•••

Ib(0)—Ic(0)—Ia(0)

最终可得到

••••

Ia=I"⑴+/a(2)+Ia(0)

lb=Q~I«(1)+ClIa(2)+Io(0)=/61)+Ib(2)+Ib(0)式(2-3)

Ic=cil0(1)+^7**Ia(2)+I«(0)=，“l)+Ic(2)+Ic(0)

电压MJ三相相量与其疝应时序分量之间於J关系也与电流/、J同样。

3.2三相短路

正序等效定则：是指在简朴不对称短路的状况下，短路点电流日勺正序分量与

在短路点各相中接入附加电抗而发生三相短路时日勺电流相等。三种不对称短路电

流的正序分量日勺计算和三相短路电流在形式上很相近，只是阻抗为

⑴+Z△，Z△是附加阻抗。在单相短路时附加阻抗为Z»2）和Z〉o）（或

⑼+3Z/W、J串联；两相短路时附加阻抗为Zg⑵（或Zg⑵+Z/）；两相短路接

地时为Zg⑵和Z2。）（或Z2o）+3Z/W、J并联。因此，对于任一种不对称短路，其

短路电流的正序分量可以运用图5所示的正序增广网络计算。

在图5中，阻抗ZA为附加阻抗，对于任一种不对称短路，其短路电流的正

序分量可以运用图5所示的正序增广网络计算。故障相短路电流的值和正序分量

有一定关系，可以用如下公式：

j⑶Eeq

/（，，-

ZI（1）4-ZA式（2・4）

。=Ml.⑴

上式中ZA---正序增广网络中附加阻抗；

M•--故障相短路电流对正序分量日勺倍数。

表2-1列出了多种短路时Z△相〃的值，对于两相短路接地，表中的用值只

合用于纯电抗的状况。

表2-1多种短路时U勺ZA初〃值

短路种类ZAM

三相短路01

单相短路Z工⑵+(ZL(I)+3Zf)3

两相短路Zu⑵+Zf6

♦3Zf)

两相接地短路

/1)+Zjdj+3Z|1s皿,叼/

3计算过程及环节

3.1系统C的正序电抗计算

应用对称分量法分析多种简朴不对称故障时，都可以写出各序网络故障点的I

电压方程式(3・1),当网络的各元件都只用阻抗表达时，方程可写成

Eeq—Z±⑴1依⑴=U

••

-Zg⑵/也⑵=Ufa(2)，式(3-1)

••

-Z£(0)/.m(O)=U

式中,即是短路发生前故障点的电压。

a相接地短路时，故障处IT、J三个边界条件为：

Vfa=0,I如=0,Ifc=0式(3-2)

用对称分量表达为：••八

U自⑴+U而⑵+U.%(0)=0

•••

CTI“)+〃I阿2)+I%(0)=0式G-3)

•••

aIfa(\)+a~/%(2)+1fa(0)=0

经整顿后便得到用序量表达日勺边界条件为

•••

Ufa(\)+Ufa(2)+U自(0)=0

式

•••(3-4)

/%⑴=Ifii(2)=7/40)

根据边界条件式(3-4)和方程式(3-1)。即能确定短路点电流和电压的各序分量为

Ufa[\)=(Zg⑵+Z20))/fa{\}

••

u/a(2)=—Zg(2)/必⑴式G-5)

••

um(0)=-Zy(())I%⑴

短路点非故障相得对地电压为:

2

Uft>=ClU网1)+4。用(2)+U自(0)=[(，/一。)2工⑵+面-l)Z^(0)]7/a(l)

♦♦♦••式(3-6)

Ufc=aUW⑴+/Ufa{2}+U玄⑼=[(。一。2)2工⑵4-(£Z-l)Z^(0)]//u(l)

根据设计任务所给的已知条件代入式（3・6）式得：

一"争=（"2_4匕工⑵+（〃2_l）Z,o）L）

式(3-7)

一;+弓j=1―/匕工⑵+（〃T）Zz（oR⑴

式(3-8)

式（3・7）与式（3・6）式相比并且将/=T-a代入两式得:

（2〃+⑵+（。+2）Z^⑼_\一向

（2〃+吟2）+（〃-1吟（。「^""式(3-9)

对式（3・9）式进行化简，最终得到：

式

ZLZ（o）=ZzL⑵(3-10)

由系统口勺各序网络图生得至|J：

j0.5(Z+70.2)_；0.3xj0.25

c(1)式

Zc⑴+僧7=/0.3+川.25(3-11)

最终可解得：

ZC(1)=-j0.0125式(3-12)

由此可得：

Z2i）=Z>2）=Z£（o）=川1364式(3-13)

3.2K点发生两相短路时故障点电流计算

K点发生两相（b、c相）短路，该点三相对地电压及流出该点日勺相电流（短

路电流）具有下歹I/山势依伟；=—/fcJJth=Ufc式(3-14)

将它们转换为用对称分量表达，先转换电流

式(3・15)

即为:

■

1/(0)=0

••式(3-16)

//(I)=-/〃2)

阐明两相短路故障点没有零序电流，由于故障点不与地连接，零序电流没有通路。

由式式（3・14）中电压关系可得

Ujb=a~U启⑴+ja(2)+U%(o)=Uf=aU自⑴U%(2)+Uf(o)

即（省略下标a）Ca

U〃l)=U/(2)式(3-17)

式（3-16）和式（3-17）即为两相短路H勺三个边界条件。即

//(0)=0,//(|)=-/f(2),U/(I)=U/(2)式(3-18)

解联立方程式（3-1）和式（3-18）得

-----------=-73.6657式(3-19)

Zg⑴+Zg⑵J0.2728

故障相短路电流为

••♦

Ifb=a2//(i)4-«//(2)

*

=(<?-«)^

Zg⑴+Z£⑵

=-/—逐一

ZL(')+ZS<2>

=-6.3492式(3・20)

I,fc=a1Jf(\)+cr*>Irf(2)

z2\Eeq

=(a-a)-------------------

+Z『

ZZy(B22)

;同Eeq

=J^~----------------

z⑴z⑵

=6.3492式(3-21)

3.3K点发生abc三相短路时故障点电流

根据正序等效定则可知，三相短路的附加阻抗ZA二°,即三相短路电流等

于正序电流（三相短路）

毕、由抗.

Zg⑴=(Zc⑴+Z”⑴+乙⑴)〃(Z./2D+ZW)

=(-J0.0125+J0.15+J0.05)//(j0.25+j0,.25)

=jO.1364

由此三相短路电流:•⑶1

''二与

1

-J7.3314

J0.1364

3.4K点发生abc三相短路时发电机G和系统C分别提供的故障电

流

K点发生abc三相短路系统C故障电流:

•⑶

Z72⑴+ZG⑴

Z”)+Z-⑴+⑴+Z72⑴+ZG⑴

/0.25+川.25___________

x(-77.3314)=-；5.3319

-70.0125+J0.15+J0.05+J0.254-j0.25

K点发生abc三相短路发电机G故障电流:

.⑶Zc⑴+Z=⑴+ZL⑴

IG=

Zc(i)+Z”⑴+ZL(I)+2门⑴+ZG⑴

-J0.0125+JO.154-JO.O5

x(-77.3314)=-71.9995

-JO.O125+J0.15+；0.05+70.25+70.25

4仿真试验

本次仿真用PSASP软件，PSASP基于电网基础数据库、固定模型库以及顾

客自定义模型库日勺支持，可以进行电力系统(输电、供电和配电系统)H勺多种计

算分析。

4.1交直流电力系统分析程序功能

时尚计算、暂态稳定、短路电流、网损分析、电压稳定、静态安全分析、静

态和动态等值、直接法暂态稳定，小干扰稳定、最优时尚和无功优化，参数优化

协调、继电保护整定与仿真；重要特点:①交直流混合电力系统；②固定模型库

和顾客自定义模型库支持；③提供顾客程序接口实现与顾客程序联合运行；④文

本和图形两种运行模式及多种形式的成果输出；⑤开放友好的顾客程序接口环

境;⑥PSASP提供顾客程序接口(UPI)环境使PSASP模块和顾客程序模块联合运

行共同完毕某一计算任务；⑦UPI为顾客提供了愈加自由愈加开放口勺环境即通过

编程(语言工具不限如FORTRANC++等)；⑧运用PSASP『、J资源和实现PSASP

的功能扩充；⑨运用Windows操作系统提供|T、J动态连接库(DLL)支持可以使UPI

方式与PSASP内部日勺固定模型方式在计算精度和时间上到达同样H勺效果其中不

少单位如清华大学浙江中试等应用UPI做了诸多富有成效的科研工作。

时尚计算流程：

PSASP时尚计算的流程和构造如下图所示：

文本方式图形方式

图6

短路计算流程:

PSASP后落计B9的布建和站相如下图防底,

文季方式即形方式

报衰

曲坛图7

4.2仿真成果部分截图

图8仿真主接线图

图9系统时尚分析

&

*

0

上

X&,

S

口

■

■

■

图10BC短路短路电流

母城电压钻里报告

母整SA相电（Eli值M8电压相角加电压“值Mfl电压相角cffl电值c«电压相角

CEH1-2300.SJ99322.IT2TT.83l.CCttO120.00

GEN2-230O.SOO300.000.9X0300.001.CCCO120.00

0.814340.890.W14259.111.0X0120.00

O.<662368.470.S662241.531.COOO120.00

I例母线州段线支路号A相电点H餐M9电至用自B相电，值修啪电生司向Cffi电癖IT1口fl电生可自

CW2-23O00(2-23005.W75300.005.W74120.000.00011^5.02

cm-23022・23004.07553C0.004.3TM120.000.0001175.01

01.T321120.001.F520300.000.0000351.45

牛解赢亵04.0?$$300.004.07M120.000.0001160.00

克加两ai的电压、电深加也在用抗结具报告

®tt.电压“值（p.u.）电我出幺（P.u.）PStMItt（p.u.）角度（*上）

I制母线J例毋续支跖号I例正怖机J恻正序距抗IM夕序用扰J例负序沮机I例零件阻抗

J傅等序30机

图11BC两相短路电流报表

GEN1-23OGEM2-2300.2625/90.000.2125/90.000.1625/270.000.2125/270.0010000.0000/0.00

10000.0000/0.00

G6M2-23O发电G0.6000/270.000.T5O0/270.000.6000/90.000.2500/90.0010000.0000/0.00

10000.0000/0.00

察微CBN1-2300.412$Z$0.00/90.000.012$/2T0,000.K25/moo10000.0000Z0.00

loooo.oooo/aoo

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图12K点ABC三相短路电流

毋续蜓结果报告

箜也，as

号氐S碗电压“值A相电压相角通电压相角Cffl电压相角

CENl-230d23ss360.000.236324a000.2353120.00

GEN2-230aocco225.000.00001(6.000.0000345.OC

0.50CO360.000.6000240.000.5000120.00

球0.91120.000.9412240.000.9412120.00

支跖电（诲果报告

00、P.U.

故海母线

GW2-23O

I倒母纹J俏母炒A相电点幅值A相电者相自