李应宏——基于PowerWorld的电力系统运行方式分析和计算

1、基于PowerWorld的电力系统运行方式分析和计算李应宏华南理工大学电力学院08电气2班1 PowerWorld Simulator介绍 PowerWorld Simulator（仿真器）是一个电力系统仿真软件包，其设计界面友好，并有高度的交互性。该仿真软件能够进行专业的工程分析。而且由于其可交互性和可绘图性，它也可以用于向非专业用户解释电力系统的运行操作。 该仿真器是一个集成的产品，其核心是一个全面、强大的潮流计算程序。它能够有效地计算高达10,0000个节点的电力网络，因此当它作为一个独立的潮流分析软件包时，性非常实用。与其它商业潮流计算软件包不同，该软件可以让用户通过生动详细的全景图来

2、观察电力系统。此外，系统模型可以通过使用仿真软件的图形编辑工具很容易地进行修改，用户只需轻轻点击几下鼠标就可以在检修期间切换线路、增加新的线路或发电机、确定新的交易容量。仿真器广泛地使用了图形和动画功能，大大地增强了用户对系统特性、问题和约束的理解，以便于用户对系统进行维护。它基本的工具包括经济调度、区域功率经济分配分析、功率传输分配因子计算算（PTDF）、短路分析以及事故分析等功能的工具。2电力系统网络结构及参数2.1 220kV分网结构和参数图1 220kV分网结构和参数500kV站（#1）的220kV母线视为无穷大母线，电压恒定在230kV。表1 图中各变电站参数编号类型220kV最大负

3、荷，MVA#1500kV站平衡节点#2220kV站230+j20#3220kV站350+j90#4220kV站250+j85#5220kV站410+j90各变电站负荷曲线基本一致。日负荷曲线主要参数为：日负荷率：0.85，日最小负荷系数：0.64各线路长度如图所示。所有线路型号均为LGJ-2*300，基本电气参数为：正序参数： r = 0.054/km, x = 0.308/km, C = 0.0116 µF/km；零序参数： r0 = 0.204/km, x0 = 0.968/km, C0 = 0.0078 µF/km；40ºC长期运行允许的最大电流：1190A

4、。燃煤发电厂G有三台机组，均采用单元接线。电厂220kV侧采用双母接线。发电机组主要参数如下表（在PowerWorld中选择GENTRA模型）：表2发电厂发电机的参数机组台数单台容 量（MW）额定电压（EV）功率因数升压变容量MVAXdXdXqTd0TJ=2H230010.50.853501.80.181.287125010.50.853002.10.21.576升压变参数均为Vs%=10.5%，变比10.5kV/242kV。不计内阻和空载损耗。稳定计算中平衡节点用一台大发电机代替，选定GENPWTwoAxis模型，把其中的H值设得非常大（如300.000），其他都用默认参数。稳定仿真中发电机

5、采用无阻尼绕组的凸极机模型。不考虑调速器和原动机模型。不考虑电力系统稳定器模型。励磁系统模型为：图2 励磁系统模型该模型在PowerWorld中为BPA_EG模型，主要参数如下：KA=40 TA=0.1 TA1=0.1 KF=0.05 TF=0.7 VRmax=3.7 VRmin=0.0 发电厂按PV方式运行，高压母线电压定值为1.05VN。考虑两种有功出力安排方式：² 满发方式： 开机三台，所有发电机保留10%的功率裕度；² 轻载方式： 仅开250MW机组，且保留10%的功率裕度；² 发电厂厂用电均按出力的7%考虑。2.2 PowerWorld仿真计算的主要内容

6、对文中电力系统模型进行运行方式分析和计算，内容涉及潮流计算、短路故障计算和暂态温度计算三方面，详细如下：1、潮流计算1）根据负荷变化和机组出力变化，拟定至少两种典型运行方式；2）建立PowerWorld电力系统模型，运用软件进行各个运行方式下的潮流计算。3） 用PowerWorld电力系统模型对MATLAB的潮流程序计算的典型运行方式的潮流、电压和网损进行验算、校核和分析；4）用PowerWorld电力系统模型完成大方式的“N-1”潮流校核，进行线路载流能力和电压水平分析；对MATLAB所编制的潮流程序进行验算。2、短路故障计算1）用PowerWorld电力系统模型对主要220kV母线进行三相

7、短路容量测算，并与Matlab编制三相短路的短路容量计算程序的计算结果进行校核。3、暂态稳定计算自行选择2-3种故障方案，用PowerWorld进行稳定计算，给出摇摆曲线，并计算故障的极限切除时间。3基于PowerWorld的电力系统仿真计算3.1 PowerWorld的电力系统模型图3 PowerWorld接线图3.2基于PowerWorld的电力系统潮流计算本文对模型进行两种运行方式的潮流仿真：（1）发电机轻载方式，负荷重载方式表3 节点参数（发电机轻载方式，负荷重载方式）节点123456发电机功率MW平衡节点0000209.25负荷MVA230+j20350+j90250+j85410+

8、j90PV节点注入功率MVA-230-j20-350-j90-250-j85-410-j90电压初值1.045511111.05发电机轻载方式，负荷重载方式）计算结果：图4 发电机轻载负荷重载方式的潮流分布表4 线路功率及线损线路首端功率末端功率线损率121048.78-j23.501033.63-j99.661.4454%23247.65-j104.82247.01-j101.9810.2544%24555.99-j14.846555.02-j18.0910.1745%63103.42+j187.51102.99+j191.980.4158%45305.02-j103.09304.75-j1

9、02.740.0885%65105.83+j186.86105.25+j192.740.5480%其中，网损率按以下公式计算：表5 节点电压计算结果节点123456电压幅值1.04551.03551.03861.03401.03471.0500电压相角/°0-4.788-5.554-5.359-5.634-5.343（2）发电机满发方式，负荷轻载方式表6 节点参数（发电机满发方式，负荷轻载方式）节点123456发电机功率MW平衡节点0000711.45负荷MVA147.2+j12.8224+j57.6160+j54.4262.4+j57.6PV节点注入功率MVA-147.2-j12.

10、8-224-j57.6-160-j54.4-262.4-j57.6电压初值1.045511111.05（发电机满发方式，负荷轻载方式）计算结果：表7 线路功率及线损线路首端功率MVA末端功率MVA线损率1285.06-j31.3784.94-j41.070.1408%32130.05+j8.15129.90+j13.810.3848%2467.64+j42.0867.62+j44.260.0295%63355.24+j65.59354.05+j65.750.3351%5492.31+j8.3992.29+j10.170.0217%65356.40+j65.84354.80+j65.950.44

11、90% （1）据式（1）即可把功率转换为标幺值。图5发电机满发负荷轻载方式的潮流分布表8 结点电压计算值节点123456电压幅值1.04551.04121.04301.04021.04061.0500电压相角/°0-0.3560.010-0.416-0.3401.0383.3基于PowerWorld的电力系统短路故障计算本文电力系统暂态稳定是在发电机满发方式，负荷重载方式进行的。故障1：三相短路表9 三相短路短路电流及短路容量220kV变电站#2#3#4#5#6短路电流/kA5.09565.17485.11005.13435.4946短路容量/×104MVA0.11230.

12、11380.11240.11300.1209故障2：单相短路表9 单相短路短路电流及短路容量220kV变电站#2#3#4#5#6短路电流/kA6.87107.23106.91847.02388.7793短路容量/×104MVA0.15120.15910.15220.15450.19303.4基于PowerWorld的电力系统暂态稳定计算本文电力系统暂态稳定是在发电机满发方式，负荷重载方式进行的。故障1：母线#2发生三相短路图6母线#2发生三相短路相角摇摆曲线极限切除时间为0.755s.故障2：母线#3发生三相短路图7母线#3发生三相短路相角摇摆曲线极限切除时间为0.66s.故障3：母

13、线#6发生三相短路图8母线#6发生三相短路相角摇摆曲线极限切除时间为0.525s.4 N-1分析N-1的处理方法：本课程设计“N-1”指是在发电机满发方式，负荷重载方式进行的断开一回线路。断开线路：12表10 结点电压节点123456电压幅值1.04551.03391.03781.03271.03361.0500电压相角/°0 -4.926 -4.953 -5.236 -5.294-3.973表11 一回线的相电流线路122324364556电流/kA1.35560.097350.38750.490670.11520.4898图9 断开线路12电流电压分布断开线路：23表12 结点电

14、压节点123456电压幅值1.04551.03601.03981.03441.03511.0500电压相角/°0-2.410 -2.429-2.715-2.769-1.433表13 一回线的相电流线路122324364556电流/kA0.673280.094660.387920.472030.095740.48061图10 断开线路23电流电压分布断开线路：24表14 结点电压节点123456电压幅值1.04551.03701.03941.03401.03471.0500电压相角/°0-2.419-2.503-2.980-3.014-1.583表15 一回线的相电流线路12

15、2324364556电流/kA0.673050.070840.71700.449500.077310.50893图11 断开线路24电流电压分布断开线路：36表16 结点电压节点123456电压幅值1.04551.03411.03391.03281.03371.0500电压相角/°0-2.400-2.605 -2.634-2.628-1.007表17 一回线的相电流线路122324364556电流/kA0.676580.088990.298240.751700.074290.56805图12 断开线路36电流电压分布断开线路：45表18 结点电压节点123456电压幅值1.04551.03651.03911.03471.03571.0500电压相角/°0-2.413-2.439-2.713-2.812-1.458表19 一回线的相电流线路122324364556电流/kA0.672960.067570.38540.474310.168010.4800图13 断开线路45电流电压分布断开线路：56表20 结点电压节点123456电压幅值1.04551.03351.03751.030