电力系统短路电流计算机算法.doc

信息工程学院课程设计（论文）信息工程学院课程设计报告书题目: 电力系统短路电流计算机算法专 业： 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 2010年4月28日 信息工程学院课程设计任务书学 号 学生姓名 专业（班级）电气工程及其自动化(030746)设计题目电力系统分析短路电流计算机算法设计技术参数取基值S=120Mv.A，V=V，各发电机电压标幺值E1=1.0,对于线路：=0.4，,对于负载：，,所需变压器及线路参数图中已给出。设计要求在12条母线上求取各种短路情况下的短路电流工作量总页数：26页注：可填写课程设计报告的字数要求或要完成的图纸数量。工作计划1、 根据系统需要在Matlab中选择相关元件。2、 根据系统所给参数设置元件的参数。3、 连接相关元件组成一个系统。4、 加入测量元件进行仿真运行。5、 记录并分析仿真结果。参考资料何仰赞 ，温增银电力系统分析， 武汉：华中科技大学出版社， 2002 邱关源 ，罗先觉电路 ， 北京：高等教育出版社 ， 2006姚俊，马松辉Simulink建模与仿真 西安：西安电子科技大学出版社， 2002指导教师签字教研室主任签字 年 月 日 学生姓名：宋江喜 学号： 030740636 专业（班级）：电气工程及其自动化(0307、6) 课程设计题目： 电力系统短路电流计算机算法 指导教师评语： 成绩： 指导教师： 年 月 日信息工程学院课程设计成绩评定表摘 要基于Matlab最重要的组件之一Simulink中的电力元件库（SimPowerSystems）构建电力系统仿真模型，在Matlab的平台下仿真电力系统为工程设计和维修提供依据重要的依据，同时也为电力研究带来大大的便利，利用Simulink中的画图工具搭建电力系统模型也是进行电力系统故障分析的常用方法，它让电力研究者从大量繁琐的理论分析及复杂的矩阵计算中解脱出来，让庞大的电力系统很直观的呈现在研究者的面前，从而将庞大的电力网搬进了办公室，为研究带来了巨大的便利。关键词： Matlab SimPowerSystems 短路电流计算 仿真信息工程学院课程设计（论文）目 录1 需求分析11.1元件参数选择11.2 Matlab简介22 总体设计42.1设计内容概述42.2 设计方案简介43 详细设计53.1电力元件设计53.2电力系统模型的搭建83.3电力系统短路电流计算仿真运行144 总结20参考文献211 需求分析MATLAB 是由美国Mathworks 公司开发的大型软件。在MATLAB 软件中，包括了两大部分：数学计算和工程仿真。其数学计算部分提供了强大的矩阵处理和绘图功能。在工程仿真方面，MATLAB 提供的软件支持几乎遍布各个工程领域，并且不断加以完善。在电力系统反面有专门的工具箱SimPowerSystems，给从事电力研究的工作人员带来了巨大的便利。1.1 元件参数的选择取基值S=120Mv.A，V=V，各发电机电压标幺值E1=1.0对于线路：=0.4，,对于负载：，。图1-1 1.2Matlab简介在科学研究和工程应用中，往往要进行大量的数学计算，其中包括矩阵运算。这些运算一般来说难以用手工精确和快捷地进行，而要借助计算机编制相应的程序做近似计算。目前流行用Basic、Fortran和c语言编制计算程序, 既需要对有关算法有深刻的了解，还需要熟练地掌握所用语言的语法及编程技巧。对多数科学工作者而言，同时具备这两方面技能有一定困难。通常，编制程序也是繁杂的，不仅消耗人力与物力,而且影响工作进程和效率。为克服上述困难，美国Mathwork公司于1967年推出了“Matrix Laboratory”（缩写为Matlab）软件包，并不断更新和扩充。目前最新的5.x版本（windows环境）是一种功能强、效率高便于进行科学和工程计算的交互式软件包。其中包括：一般数值分析、矩阵运算、数字信号处理、建模和系统控制和优化等应用程序，并集应用程序和图形于一便于使用的集成环境中。在此环境下所解问题的Matlab语言表述形式和其数学表达形式相同，不需要按传统的方法编程。不过，Matlab作为一种新的计算机语言，要想运用自如，充分发挥它的威力，也需先系统地学习它。但由于使用Matlab编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致，所以不象学习其它高级语言-如Basic、Fortran和C等那样难于掌握。实践证明，你可在几十分钟的时间内学会Matlab的基础知识，在短短几个小时的使用中就能初步掌握它.从而使你能够进行高效率和富有创造性的计算。 Matlab大大降低了对使用者的数学基础和计算机语言知识的要求，而且编程效率和计算效率极高，还可在计算机上直接输出结果和精美的图形拷贝，所以它的确为一高效的科研助手。自推出后即风行美国，流传世界。Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。其中电力行业的专用工具箱SimPowerSystems也在电力系统分析与计算中发挥了重大作用。电力系统元件库SimPowerSystems包括10 类库元件分别是电源元件(ElectricalSources)、线路元件(Elements)、电力电子元件(Power Electronics)、电机元件(Machines)、连接器元件(Connectors)、电路测量仪器(Measurements)、附加元件(Extras)、演示教程 (Demos)、电力图形用户接口(powergui)和电力系统元件库模型(powerlib_models)。各类库元件的具体作用介绍如下。1. 电源元件电源元件库中包含了产生电信号的各种元件。2. 线路元件线路元件库中包含了各种线性网络电路元件和非线性网络电路元件。3. 电力电子元件电力电子元件库中包含了各种电力电子设备元件。4. 电机元件电机元件库中包含了各种电机模型元件。5. 连接器元件连接器元件库中包含了在不同条件下用于互相联接的元件。6. 电路测量仪器电路测量仪器库中包含了各种电流测量元件和电压测量元件。7. 附加元件附加元件库中包含了三相模块、特殊的测量设备以及控制模块。8. 演示教程演示教程中包含了各种演示教程和学习实例。9. 电力图形用户接口电力图形用户接口用来进行电力系统稳态分析。10. 电力系统元件库模型电力系统元件库模型包含了电力系统各种非线性模块的仿真模型。电力系统元件库模型用来建立电力系统电路的等值仿真电路模型。2总体设计2.1 设计内容概述 用Matlab中Simulink组件的SimPowerSystems工具箱构建设计要求所给的电力系统模型，然后在12个不同的母线上设置单相单路、两相短路、两相接地短路、三相短路，然后分别运行该系统，通过测量元件获得各个母线不同短路类型的短路电流。2.2 设计方案简介步骤一：打开Matlab中Simulink组件的SimPowerSystems工具箱；步骤二：在工具箱中找到设计要求所需的电气元件复制到Simulink界面中;步骤三：双击所复制元件打开参数设置选项框，按设计要求设置相关参数；步骤四：将相关元件放置在适合的位置并连线构成一个完整的系统。步骤五：加入测量元件并设置不同节点不同类型的短路，然后运行电路，获得短路电流。3详细设计在Matlab的SimPowerSystems工具箱中利用相关的电力元件搭建仿真模型并运行系统，设置短路点得出访真结果。3.1 电力元件设计3.1.1 三相电源1. 元件模型三相电源(3-Phase Source)元件的模型如图3-1 所示。图3-1 三相电源2. 功能说明三相电源是电路设计中常见的电路元件。三相电源是电路中最重要的元件，它的运行特性对电力系统的运行状态起决定性的影响。三相电源元件提供了带有串联RL 支路的三相电源。3. 参数设置双击三相电源元件，则弹出三相电源参数设置对话框，如图3-2所示。在三相电源参数设置对话框中包括两个区域，分别是三相电源说明和参数区域。图3-2 三相电源参数设置对话框1) 参数参数中包含7 个选项，分别是相电压(Phase-to-phase rms voltage)、A 相相角(Phaseangle of phase A)、频率(Frequency)、内部连接方式(Internal connection)、短路阻抗值 (Specify impedance using short-circuit level)、三相电源电阻(Source resistance)和三相电源电感(Source inductance)选项。(1) 相电压相电压表征的是三相电源A 相、B 相和C 相的相电压。相电压的单位是伏(V)，本次仿真计算选择相电压为10KV。(2) A 相相角A 相相角表示的是三相电源A 相的相位角。A 相相角的单位是度( )。例如，A相相角是10，则根据三相电源的相角特征得出B 相相角是110，而B 相相角是130，本次仿真计算中选A相相角为0.(3) 频率频率选项表示三相电源的电源频率值。频率的单位是赫兹(Hz)。本次仿真计算选择50Hz。(4) 内部连接方式内部连接方式表征的是三相电源的内部连接方式，如图3-3 所示。图3-3 内部连接方式内部连接方式有3 种，分别是：Y 型：表示三相电源Y 型连接，中性点不接地。Yn 型：表示三相电源Y 型连接，中性点接过渡电阻或者消弧线圈接地。Yg 型：表示三相电源Y 型连接：中性点直接接地。本次仿真计算中内部连接选择Y型连接。(5) 短路阻抗值短路阻抗值选项用来设定在短路情况下的阻抗数值。本次仿真计算短路阻抗根据系统所给的参数选择。(6) 三相电源电感三相电源电感表示的是三相电源的电感值。三相电源电感的单位是H。3.1.2 变压器元件 在电力系统电路中，变压器元件用来实现各种电路中的变压器。在变压器元件中包括 6 种元件，在本次仿真计算中采用三相变压器（双绕组）元件及三相变压器（三绕组）元件。 1、元件模型，如图3-4所示。图3-4三相变压器（双绕组）元件及三相变压器（三绕组）元件2 、参数设置双击三相变压器（双绕组）元件及三相变压器（三绕组）元件，则弹出参数设置对话框，如图3-5所示。在三相电源参数设置对话框中包括两个区域，分别是三相电源说明和参数区域。 图3-5三相变压器（双绕组）元件及三相变压器（三绕组）元件1) 参数参数包含3个选项，分别是变压器容量及频率（Nomianl Power and frequency）,两(三)个绕组电压、电阻、电感（Winding parameters）, 各相绕组内部连接方式(Internal connection)3.1.3输电线路输电线路有两种包括双回线和单回线。1、元件模型，如图3-6所示图3-6输电线路元件2、 参数设置双击三相输电线路元件，在三相输电线路元件对话框中进行设置，如图3-7所示。 图3-7三相输电线路元件参数设置选项框 1) 参数在输电线路元件对话框中包含 5 种选项，分别是频率(Frequency used for RLC specification)、正序阻抗和零序阻抗(Positive and zero sequence resistances)选项、正序电感和零序电感(Positive and zero sequence inductances)选项、正序电容和零序电容 (Positive and zero sequence capacitances)选项和线路长度(Line section length)选项。 （1） 频率 频率选项用来设置三相型输电线路元件的频率，用来计算参数。 （2） 正序阻抗和零序阻抗 正序阻抗和零序阻抗选项用来设置三相型输电线路元件的正序阻抗和零序阻抗。 （3） 正序电感和零序电感 正序电感和零序电感选项用来设置三相型输电线路元件的正序电感和零序电感。 （4）正序电容和零序电容 正序电容和零序电容选项用来设置三相型输电线路元件的正序电容和零序电容。 （5） 线路长度 线路长度选项用来设置三相型输电线路元件的输电线长度。3.2电力系统模型的搭建 (1) 从电源元件库选择三相电源(3-Phase Source)元件，复制后粘贴在电路图中。步骤一：将交流电流源元件依次编号G1、G2、G14。 步骤二：双击交流电流源元件，在交流电流源元件参数对话框中如下设置：峰值振幅(Peak Amplitude)：10KV 初始相位(Phase)：0 频率(Frequency)：50 内部连接方式（internal connection）:Y测量(Measurements)选项：选择不测量 单击 OK按钮完成对三相电源(3-Phase Source)元件的设置。 (2)从线路元件(Elements)库中选择变压器（双绕组及三绕组）元件，复制后粘贴在电路图中。步骤一：将交流变压器元件依次编号。 步骤二：双击变压器元件，在变压器元件参数对话框中如下设置：容量（Nominal）:根据系统选择频率(Frequency)：50 各绕组参数设置：根据系统选择双绕组内部连接方式（internal connection）:Yn(ABC) D11(abc)三绕组内部连接方式（internal connection） ：Yn(ABC)Y(a2b2c2)D11(a3b3c3)测量(Measurements)选项：选择不测量 单击 OK按钮完成对变压器元件的设置。 （3）从线路元件(Elements)库中选择输电线路（双回线型及单回线型）元件，复制后粘贴在电路图中。步骤一：将输电线路元件元件依次编号线路的长度。 步骤二：双击输电线路元件，在输电线路元件参数对话框中如下设置：频率(Frequency)：50 单位长度阻抗（Resistance per unit length）： 0.01273 0.3864单位长度电感(Inductance per unit length )：0.9337e-3 4.1264e-3单位长度电容(Capacitance per unit length )：12.74e-9 7.751e-9线路长度：根据系统不同决定在本例中，三相型输电线路元件的参数如下设置： 频率：50正序阻抗和零序阻抗：0.01273 0.3684 正序电感和零序电感：0.9337e-3 4.1264e-3 正序电容和零序电容：12.74e-9 7.751e-9 线路长度(Line Length)：根据系统选择。测量(Measurements)选项：选择不测量 (4) 下面对测量元件进行设计。从电路测量仪器(Measurements)库中选择电流计(Current Measurement)元件，复制后粘贴在电路图中。 将电压计元件名称改为 I，表示对电源电压进行测量。双击电压计元件，在弹出的电压计参数设置对话框中看到，输出的信号为电流幅值。（5）选择接地(Ground)元件、节点等，进行合理放置，如图 3-8 所示（阴影部分表示含有子系统）。图 3-8 系统所需的各元件各子系统详细连图1）4*15MW发电机子系统如图3-9所示图3-9 4*15MW发电机子系统2）2*20MW三相双绕组变压器如图3-10所示图3-10 2*20MW三相双绕组变压器子系统3）4*63MW三相双绕组变压器如图3-11所示图3-11 4*63MW三相双绕组变压器子系统4）3*12MW发电机子系统如图3-12所示图3-12 3*12MW发电机子系统5）63MW发电机变压器子系统如图3-13所示图3-13 63MW发电机变压器子系统5）2*10MW三相双绕组变压器子系统如图3-14所示图3-14 2*10MW三相双绕组变压器子系统6）2*25MW发电机子系统如图3-15所示图3-15 2*25MW发电机子系统3.3电力系统短路电流计算仿真运行3.2.1 模型的构建对上述已经放置好的电气元件进行接线即可完成电路图的绘制。注意在接线时，接线端点的提示，如果接线错误，提示颜色显示为红色。电路连线完成后所得电路如图3-15所示图3-15 系统仿真模型3.2.2 仿真参数设置 当电路图设计完成后，对其进行仿真，以达到观察交流电路中暂态变化情况。 (1) 在电路图的菜单选项中，选择仿真(Simulation)菜单，激活仿真参数(Simulation arameters)命令，弹出仿真参数对话框如图3-16所示。 图3-16仿真参数对话框根据对暂态过程时间的估算，对仿真参数进行如下设置。 开始时间(Start time)：0s 停止时间(Stop time)：0.0001s 求解程序类型(Type)选项：可变步长(Variablestep)，ode23(BogackiShampine) 最大步长(Max step size)选项：自动(auto) 最小步长(Min step size)选项：自动(auto) 初始步长(Intial step size)选项：自动(auto) 相对容差(Relative tolerance)选项：1e-3 3.2.3 仿真结果 加入测量元件并设置短路点（以节点1为例）运行系统节点1（node 1）单相短路仿真如图3-17所示仿真结果如图3-18所示图3-17节点1（node 1 ）单相短路仿真图3-18节点1（node 1 ）单相短路仿真结果节点1（node ）两相短路仿真如图3-19所示仿真结果如图3-20所示图3-19节点1（node 1 ）两相短路仿真图3-20节点1（node 1 ）两相短路仿真结果节点1（node 1）三相短路仿真结果如图3-21所示仿真结果如图3-22所示图3-21节点1（node ）两相短路接地仿真图3-22节点1（node ）两相短路接地仿真结果三相短路仿真图3-22节点1（node 1）三相短路仿真结果对12个节点用上述方法进行仿真计算得出12个节点所有短路类型的短路电流如表3-1所示表3-1 各节点不同短路类型运行结果记录 短路类型 节点编号单相短路（KA）两相短路(KA)两相短路接地(KA)三相短路(KA)node13.215.426.266.26node22.593.053.292.53node31.891.431.561.75node40.350.370.330.5node516.5913.2619.3726.72node64.957.894.924.98node72.353.963.284.56node85.394.276.065.12node