电力系统暂态分析课程设计.doc

目录1 课题概述11.1课题要求11.2课题内容11.3 课题目的22短路故障分析22.1 不对称故障的分析22.2对称分量法基本原理2 2.3 两相短路故障分析42.4 短路电流计算步骤73方案设计93.1方案概述93.2 课题设计图44两相短路的仿真分析104.1 PSCAD简介104.2 两相短路故障的仿真 105总结13参考文献141课题概述1.1 课题要求（1）熟悉PSCAD软件；（2）编写短路计算流程图；（3）建立系统三相接线图的仿真过程； （4）得出仿真结果。1.2 课题内容某3机9节点电力系统单线图，如图2所示。基准功率为，不同电压等级下的输电线路典型参数（/km），如表1所示；发电机及负荷参数，如表2所示。注意双绕组变压器容量为100MVA，一次侧星接，直接接地，二次侧三角接；变压器两边电压等级不同，线路参数也应当不同。计算下列不对称故障情况下的故障电流和电压。节点buse6发生金属性两相短路故障。图1.1 3机9节点电力系统单线图具体参数如下表1 不同电压等级下的输电线路典型参数（/km）电压等级（kV）110220330500750正序电感/mH132.5127.4105.189.1785.35零序电感/mH397.5382.2315.3273.9267.5正序电阻/8.057.054.641.961.22零序电阻/35.232.326.218.2827.29正序电容/0.7210.861.1131.351.367零序电容/0.5860.6050.7630.920.93正序阻抗角/（）7680828687.4零序阻抗角/（）7075757872表2 发电机及负荷参数发电机及负荷电压（kV）有功（MW）无功（MVar）正序电抗零序电抗16.5400226.10.20.0510.5300213.40.20.0513.8300-11.20.20.05220312.51252202257522025087.51.3 课题目的电力系统发生短路故障造成的危害性是最大的。作为电力系统三大常规计算之一，分析短路故障的参数更为重要。目的如下：1.通过课程设计, 使学生掌握电力系统三相短路计算的基本原理与方法；2.掌握并能熟练运用PSCAD/MATLAB仿真软件；3.采用PSCAD/MATLAB软件，做出系统三相接线图。2 短路故障分析电力系统故障表现各异，形式上又可分为短路故障、断线故障（非全相运行），按分析方法分为不对称故障、对称故障，对称故障一般指三相短路故障，不对称故障则包括不对称短路(单相短路接地、两相短路、两相短路接地)和非全相运行(单相断路、两相断路) 2种。电力系统发生短路时，伴随短路所发生的基本现象是：电流剧烈增加，线端处发生三相短路时，电流的最大瞬时值可能高达额定电流的10-15倍，从绝对值讲可达上万安培，甚至十几万安培。在电流急剧增加的同时，系统中的电压大幅度下降，例如系统发生三相短路时，短路点的电压将降到零，短路点附近各点的电压也将明显降低。 2.1不对称故障的分析电力系统中发生不对称短路时，无论是单相接地短路、两相短路还是两相接地短路只是在短路点出现系统结构的不对称，而其它部分三相仍旧是对称的。根据对称分量法列a相各序电压方程式为： 上述方程式包含了六个未知量，必须根据不对称短路的具体边界条件列出另外三个方程才能求解。2.2对称分量法基本原理对称分量法是一种将不对称三相分量分解为三相对称分量的方法，采用这种方法能比较清晰地对电力系统不对称短路故障情况进行分析。若以A相电流为基准相，三相向量与其对称分量之间的关系为： 式（2.1）式中: ，且有，；、分别为A相电流的正序、负序、零序分量，并且有： ， 式（2.2） 由上式可以作出三相量的对称分量，见图2.1。图2.1正序、负序、零序电流的对称分量图将公式（2-3）代入公式（2-2），得 式（2.4）电力系统运行情况虽然复杂，但是用对称分量法，可以把不对称短路故障分解为三相对称分量来处理，把负载端的不对称电压和电流看成是三组（正序、负序、零序）对称电压和电流的叠加，由于发电机只有正序电势，因此只有正序网络存在发电机电势，负序和零序网络只有负序阻抗和零阻抗，由此可以得其电动势平衡方程式： 式（2.5）其中为正序电势，、分别为正序、负序、零序的电抗，、为A相电压的正序、负序、零序分量8。2.3 两相短路故障分析两相短路是四种常见的短路类型之一如图2.2图2.2两相短路电路图边界条件为： 用对称分量法可表示为 复合序网络图：图2.3两相短路的复合序网正负序电流为： 正负序电压为： 短路点故障电流为 短路点三相电压为 若在短路点b、c两相直接接地，则，各序电流为（设各序阻抗为纯电抗）。 正负序电压为 各相电压为 选取正序电流作为参考相量，负序电流与它的方向相反，正序电压与负序电压相等，都比超前，从而作出其电压、电流相量图，如图（2.4）所示。(a) 电流相量图； (b)电压相量图图2.4两相短路时短路点的电流、电压相量图2.4 短路电流计算步骤（1）绘制计算系统图在计算用图中应包括与短路电流计算有关的全部电力元件（如系统、发电机、变压器、输电线路等），以及它们之间的连接关系。在元件旁边应注明它们的技术数据，如额定电压、额定容量、线路的长度及线路型号等。另外，在计算图上应标明短路点。为了便于计算，每个元件按顺序编号。（2）计算各元件参数根据给定的电力系统，首先确定是用标幺值的计算方法计算短路电流，还是用实际值计算的方法。一般在有两个及两个以上的电压等级情况下用标幺值的方法较实际值的方法计算简便。用实际值计算时，首先选定一个基准值（即电压等级），此基准值应选被计算短路电流短路点的电压等级，然后将其他电压等级所有的阻抗用变压器变比原理换算到基本级上来。用标幺值计算时，首先选定一个基准容量，此基准容量的选择应上“便于计算”，使x值小数点前后的0最少。一般选取整数，如：系统大，取Sb=1000MVA;系统小，取Sb=100MVA。基准电压一般选取平均电压：Ub=Uav比额定电压高5%，Un(kV) 220 110 35 10 0.38 ;Uav(kV) 230 115 37 10.5 0.4 然后算出基准电流值。（3）绘制等值网络图绘制电力系统等值网络图的目的是便于短路电流计算。图中应标明各元件的序号及阻抗。（4）网络化简网络化简是将等值网络化简到最简单的形式，若有两个及两个以上的电源，则归并成一个电源。有并联的回路化简成串联。采取多电源归并成一个电源的方法，是因为我们采取了一系列的假设条件，所以在计算中可以用电源的阻抗相并联的方法。（5）进行短路电流计算通过以上工作，把一个复杂的系统化简成只有一个等效元件的系统，等效元件的一端是综合电动势，另一端是综合阻抗和短路点，这样就可以用最简单的欧姆定律来计算短路电路，即I=E/X；式中E-系统电源对短路点的综合次暂态电动势，在化简计算中取1；X-系统对短路点的综合阻抗。必须注意：根据以上步骤，用实际值求得的短路电流，都是归算到基本级的数值，要想得到非基本级的短路电流，必须根据变压器的变比换算到要计算短路电流的那个电压等级。用标幺值方法计算求得的短路电流，要想得到实际值，还必须乘以相应电压等级的基准电流值。3方案设计3.1方案概述考虑到本次课程设计是基于电力系统仿真软件pscad，我们首先确定设计的大致框架，然后在对模块进行设计，其中包括系统的输出测量模块，对故障母线和非故障母线上的短路电流短路电压、有功与无功进行测量，可以直观的看到各个量的变化曲线，在对题目所要求的参数进行修正，从而完成设计内容。 3.2课题设计图根据课题要求得到课题设计图如图3.1所示。图3.1 课题设计图4两相短路的仿真分析4.1 pscad简介Dennis Woodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水电局开发完成了EMTDC的初版，是一种世界各国广泛使用的电力系统仿真软件， PSCAD是其用户界面，PSCAD的开发成功，使得用户能更方便地使用EMTDC进行电力系统分析，使电力系统复杂部分可视化成为可能，而且软件可以作为实时数字仿真器的前置端。可模拟任意大小的交直流系统。操作环境为：UNIX OS， Windows95， 98， NT；Fortran 编辑器；浏览器和TCP/IP协议。随着我国电力事业的发展，无论是理论研究还是现场工作,都广泛的用到了PSCAD。程序EMTDC（Electro Magnetic Transient in DC System）是目前世界上被广泛使用的一种电力系统仿真分析软件，它即可以研究交直流电力系统问题，又能完成电力电子仿真及其非线性控制的多功能（Versatile Tool）工具。PSCAD（Power System Computer Aided Design）是EMTDC的前处理程序，用户在面板上可以构造电气连接图，输入各元件的参数值，运行时则通过FORTRAN编译器进行编译、连接，运行的结果可以随着程序运行的进度在PLOT中实时生成曲线，以检验运算结果是否合理，并能与MATLAB接口。EMTDC/PSCAD主要功能是进行电力系统时域和频域计算仿真，典型应用是计算电力系统遭受扰动或参数变化时，电参数随时间变化的规律；另外EMTDC/PSCAD还可以广泛的应用于高压直流输电、FACTS控制器的设计、电力系统谐波分析及其电力电子仿真。软件还可以作为实时数字仿真器（Real Time Digital Simulator，RTDS）的前置端(Front End)。此外，EMTDC/PSCAD还具有强大的自定义功能，用户可以根据自己的需要创建具有特定功能的装置。实时回放系统（RTP）是基于EMTDC/PSCAD软件的测试系统，它可以结合EMTDC/PSCAD计算产生的结果（信号）来测试继电保护系统、控制系统及监控系统。4.2两相短路故障的仿真4.2.1正常情况的仿真分析可以看到系统正常时其电压电流的波形如下。(1)电压波形图4.1 正常时电压图（2）电流波形图4.2 正常时电流波形图4.2.2 两相短路的仿真(1)电压波形图4.3 两相短路时电压波形图(2)电流波形图4.4 两相短路时电流波形图就整个仿真过程中而言，我们遇到了一些小小的问题，比如进行编译时提示有错误，我们通过错误提示找到问题所在，原来是测量装置的信号标签没有和图对应好，标签的命名也有一定要求，最后通过更改信号标签了，实现了仿真。5总结我组的任务是对3机9节点电力系统进行短路电流计算。主要是进行设计图的设计。可以说，首先接到这种题目，要用PSCAD去进行电力系统仿真，我实在是不知从何下手，通过去图书馆借了一些有关PSCAD的书及到网上下一些资料来完成这些初步工作的。接下来就是画出一个设计图，然后根据一些资料进行修改。后来发现老是有错误，无法仿真，好在后来老师发来的参考资料才弄出来。不过做出来的时候却发现虽然能仿真出来但不清楚该怎么读图，好在看了一下参考书籍才弄清楚。总之这次课程设计收获蛮大的，对PSCAD软件