课程设计报告书电力系统稳定计算

课程设计报告书题目：电力系统稳定分析和计算学院专业学生姓名学生学号指导教师课程编号课程学分起始日期封面纸推荐用210g/m2的绿色色书编辑完后需将全文绿色说明文字删除，格式不变C2课程设计题目：电力系统稳定分析和计算姓名：指导教师:一、一个220kV分网结构和参数如下：500kV站(#1）的220kV母线视为无穷大母线，电压恒定在230kV。图中，各变电站负荷均等效接于220kV母线。变电站参数和负荷如下表：编号类型220kV最大负荷，MVA＃1＃2＃3500kV站220kV站220kV站平衡节点200+j110380+j140＃4＃5＃6220kV站220kV站220kV站240+j130300+j150190+j80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：r=0。054Ω/km,x=0。308Ω/km,C=0。0116µF/km；r0=0.204Ω/km,x0=0.968Ω/km,C0=0。0078µF/km;40ºC长期运行允许的最大电流：1190A.正序参数：零序参数：燃煤发电厂G有三台机组，发电机与升压变之间采用单元接线.电厂220kV侧采用单母分段接线，正常运行时分段开关闭合。发电机组主要参数如下表：升压变升压变XdXd’XqTd0'TJ=2H机组台单台容额定电压功率因容量数量（MW）（EV）数MVA10。50。85350Vs％10.52.00.231。74153300当发电机采用三阶模型时,励磁环节（含励磁机和励磁调节器）模型如下（不考虑PSS）:上图中参数如下:TR=0，K=25,T=0.1,T=0。15，K=1，K=0。05，T=0。7AAeEFF发电厂升压变均采用Y/Y接线，变比10.5kV/242kV.不计内阻和空载损耗。发电0厂按PV方式运行,高压母线电压定值为N1。05V。发电厂厂用电均按出力的7%考虑。稳定仿真中不考虑发电厂的调速器和原动机模型。负荷采用恒阻抗模型，负序阻抗标幺制取0.2。二、设计的主要内容：1、手工进行参数计算和标幺化,形成潮流计算的网架参数;2、用Matlab编制潮流计算程序，要求采用P-Q分解潮流计算方法.3。考虑该电厂开机三台，均为额定容量输出的方式，用编制的程序计算潮流.3、用PowerWorld软件进行潮流计算并与自己编制的软件计算结果进行校核和分析；4、设#2和＃4母线之间双回线路中一回的中点分别发生以下2种故障：1）1s时发生三相短路，1.1s同时切除故障线路三相；2）1s时单相接地短路，1.1s时同时切除故障线路三相.1。9s时三相重合闸。因重合于永久性故障，2.1s时再次切除故障线路.试手工计算序网以及用网络变换法求解转移阻抗;5、针对问题4，用Matlab编制稳定计算程序（三台机可并联等值成一台机），发电机采用二阶经典模型（注：用ode45函数既可求解），用软件计算出摇摆曲线，要求输出发电机功角，角速度。6、用PowerWorld软件的分析问题4，并与编程计算结果进行比较校核。7、发电机采用三阶模型，用PowerWorld作为分析工案进行稳定计算，给出摇摆曲线，并计算故障的极限切除时间。8、比较两种模型的仿真结果,分析发电机模型选择对于稳定计算结果的影响。具，对问题4的两种故障方9、编制课程设计报告.三、设计要求和设计成果：1、2位同学为一组，自行分工，但任务不能重复；2、每位同学对自己的设计任务编写课程设计说明书一份；3、一组同学共同完成一份完整的设计报告;2、设计说明和报告应包含：以上设计任务每一部分的计算过程和结果分析；所编制的潮流和稳定计算源程序（主要语句应加注释)；潮流计算结果(潮流图）稳定计算的功角曲线等；网络变换法求解转移阻抗的变换过程图.四、成绩评定成绩按五级制评分，将根据课程设计答辩情况给分。评定内容包括：设计过程中的态度（20％）、课程设计报告质量（40%)和答辩过程回答问题情况（40%）。附注:ODE函数说明Matlab提供了一阶常微分方程组求解的系列函数：ode＊＊。包括:ode45，ode23，ode113等，还有针对刚性系统的ode15s，ode23s等。这里可采用ode45编程（大家也可选择和对比其它函数，不同编号采用的数值积分算法不同）.函数形式：［t,y］=ode45(odefun，[t1,tf］,x0，options);说明:odefun：列向量1＊n，通过函数计算柄输出的微分方程的右端项；t1,tf:分别制定积分的时间起点和终点；x0：列向量1＊n,状态变量初值options：：微分优化参数,是一个结构体，使用odeset可以设置其具体参数，详细内容查看帮助。t：为时间列向量1＊my为状态变量计算结果矩阵，m行代表时间点，n列代表n个状态变量的时间序列值。例如，求解如下微分方程：初值为x1=1，x2=0从0s积分到3s，步长：0。1s则，首先定义函数myfunc，计算微分方程右端项的值：functiondx=myfunc（x）dx=［x(2）2*sin(x(1)］；Ode45函数引用如下：x0=［1，0］options=odeset；

options。reltol=1e-8;[t，y］=ode45（@myfunc，［0,3],x0，options）华南理工大学电力系电气工程及其自动化专业课程设计(论文）任务书兹发给2014级电气工程及其自动化4班学生课程设计任务书,内容如下：1.课程设计题目:电力系统稳定分析和计算2.应完成的项目：A.用Matlab编制PQ分解法潮流计算程序，完成典型运行方式的潮流计算并进行分析；B.用PowerWord软件对自己编制的软件计算结果进行校核和分析;C.用Matlab编制稳定计算程序，发电机采用二阶经典模型，要求给出网络变换法求解转移阻抗的变换过程图；D.选择2—3种故障方案，计算故障的极限切除时间和极限切除角；E.用Powerworld作为分析工具，发电机采用三阶模型，对上面的2-3种故障方案进行稳定计算，计算故障的极限切除时间，分析发电机模型选择对于稳定计算结果的影响，并且分析励磁调系节统参数变化对于稳定计算结果的影响。3.参考资料以及说明A.《电力系统分析B.《发电厂电气部分》高等学校教材C.《电网调度运用技术》东北大学出版社》（上、下册）华中科技大学出版D.PowerWorld17使用手册E.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用4.本毕业设计（论文）任务书于2017年12月25日发出，应于2018年1月7日前完成，然后提交课程考试委员会进行答辩。系主任批准年月日教员组主任审核签发年月日指导老师2017年12月25日对一个7节点的网络进行稳态计算和短路计算，分别用powerworld软件进行仿真，matlab软件进行计算分析，并进行对比。稳态计算求解网络的节点电压和相角,两种方式进行对比校验。短路计算求解转子的摇摆曲线，求解功角与最大切除角。进行暂态稳定分析。用powerworld进行模型搭建，并采用牛顿-拉夫逊法进行潮流分析。进行短路计算时分别采用发电机二阶和三阶模型进行比对分析。Matlab采用PQ分解法进行潮流计算。并于powerworld软件的仿真结果进行比对分析。同样进行短路计算，发电机分别采用二阶，三阶模型。进行分别比较分析三．过程论述与结果分析线路的正序参数：线路等值电纳标幺值计算公式：当线路为双回线路时，线路阻抗为单回线线路的一半，导纳为单回线路的两倍，各线路参数的标幺化计算如下：线路L为双回路，长度8km，则：13同理可得其余线路参数标幺值如下表所示：表1。1线路参数的标幺值线路名阻抗标幺值导纳标幺值j0.02821LL0。0004463+j0.0025450。000502+j0。00286413j0。03173j0.0229216（单回路）L0。00145+j0.00827324LL0.0008926+j0.005090。001116+j0.006364j0。05641j0.070522526（单回路）L340.00424+j0.02418j0。067LL0。001674+j0。0095450。002231+j0。01273j0。1058j0。1413757线路的正序参数与负序参数相等，零序参数标幺值如下表所示：表1.2线路的零序参数线路名阻抗标幺值导纳标幺值0.001686+j0.0080。018967L130.001897+j0。0090.005479+j0.0260.021337L160。01541L（单回路)240。003372+j0。0160.004215+j0。020。016017+j0。0760。0379330。0474170.045046L25L26L（单回路）340。006322+j0。030。00843+j0。040.0711250.094833L37L571.2节点信息统计在给定的220kV网架中共有7个节点，其中节点1是500kV变电站,为平衡节点，视为无穷大系统，电压稳定在230kV，即1.0454V。节点2、3、4、5、6均为PQN节点，并且带有一定的负荷。此外，节点7为PV节点，由于发电机并不总是满载运行,在正常运行时,考虑到7％的厂用电，因而发电机机组发出的总有功功率为：于是，当发电机机组正常运行时时，每台机组的出力为753.3/3=251.1MW。发电机机组端额定电压为10.5kV，出线侧的高压母线电压稳定在1。05V，各个节点N的参数信息如下表所示：表1.3各节点参数一览表编号1234567节点类平衡节PQ节PQ节点PQ节点PQ节点PQ节点PV节点型点点P（MW)无200Q（MVar)无110380140240300190-753。3无13015080V（kV)230kv无无无无无231。1kv2．电网潮流计算2.1采用Matlab计算电网潮流先进行电网的等效线路参数的计算和标幺化，形成节点导纳矩阵,然后利用各个节点的类型信息，利用PQ分解法进行电网潮流计算.本文编写了基于Matlab平台的PQ分解法计算程序,对电网进行了潮流计算，得出了系统稳定时各节点的电压（幅值及相角)、功率分布等。2.1。1网络信息处理形成电网线路的节点导纳矩阵是进行潮流计算前必须要做的准备。首先将线路的标幺值参数整合成矩阵，使其包含线路的所有信息，再形成节点导纳矩阵。本文采用admittance函数实现，代码见附录。2。1.2基于Matlab的PQ分解法程序流程图如下:2.1.3PQ分解法潮流计算的结果分析利用2.1。2节的PQ分解法的Matlab程序计算的电网潮流结果如下图所示：1）各节点的电压和注入功率如下：表2.1各节点电压和注入功率节点编实际电压标幺号值注入功率标幺相角（°）值11.045405.654+j3。8876234561。02489-1.2154—2-j1。11。04085—0。17-3。8—j1.41.019-1.683—2。4—j1。31.02532—0。9514-3—j1。51。03703—0.5589-1。9-j0.871.051.5737.53+j1。5852)各支路的状态如下:表2.2各支路的状态首端有功首端无功有功损无功损首端节末端节功率标幺功率标幺耗标幺耗标幺点编号点编号值值值值0。-0。11222331。54891.5845002025019150。0。0242864.10512。33590102850.002143841。12440。5253-0.01170。5-0.93720。0512—0。055000752-0.031226—2。1872-1。59780。00767-0。1.28630.69410。0085602224—4357-3.5395-0。38150。019520.004337—3.938-1。290.036050。053852。2使用Powerworld仿真软件进行潮流计算2.2.1Powerworld仿真软件简介PowerWorldSimulator（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。它基本的工具包就包含了经济调度、区域功率经济分配分析、功率传输分配因子计算（PTDF）、短路分析以及事故分析等功能的工具。Powerworld软件建模与潮流计算2。2.2采用powerworld软件建立潮流模型根据题意搭建好的潮流模型如图所示：图2.2。1潮流模型节点1为平衡节点，电压标幺值为1。0455，角度为零度。为反应节点1为平衡节点这一特性,应在节点1联结一无穷大容量机组，有功无功未知.参数设置如图：图2.2.2节点1参数设置节点7为PV节点,三台机组功率为P=3＊300＊0。9＊0.93=753.3W，单台机组251.1W。电压标幺值为1。05。参数设置如图：图2。2.3节点7参数设置其余节点为PQ节点,基准电压为220KV，以6节点为例,参数设置如图：图2.2。4节点6参数设置线路阻抗正序参数：r=0.054Ω/km,x=0.308Ω/km,C=0。0116µF/km；线路参数设置以1，6为例如图：图2。2。5线路1，6参数设置至此潮流计算模型搭建完毕.进行潮流计算。2。2.3采用powerworld仿真软件进行潮流计算模型网络潮流流向如图所示：图2.3.1潮流流向（1）各节点电压如图所示：图2.3。2节点电压（2)各发电机状态如图所示：图2。3。3发电机运行状态（3）各支路状态如图所示：图2。3。4支路运行状态2。3powerworld仿真结果与matlab计算结果进行比对校核（1）节点电压标幺值及相角进行对比表2。3。1电压标幺值与相角对比节点电压标幺值电压相角节点编号PowerworldMatlab1。04541.02489Powerworld0Matlab12345671.045501.023881.04064-1.21—1。2154—0.171.04085-0。17-1.671.017901。0191。025321.03703—1。683-0.95141。024221.03669-0。94-0.56-0。55891。5731。050001。051。57根据对比可知电压的最大差距在很小，相角的差距在首端有功首端无功有功损耗无功损耗PowerMatlab支路区间PowerworldPowerworldPowerworldMatlabMatlabMatlabworld1，31，6155154.89171158。450。220.202—1.82—1。91410。6410.51250233.591.061。0282.642。43—159。782，6-218。8-218。72—170。40.80。767—2。9-3.122,5—93。6—93.726.85。120。080。075—5.48—5。52，4112。4112.4453。552.530。220.214-1.15—1。173,4128。7128。6373.269.410。880.856—2。08—2.223，7-334-353。95—40.4—38.151。961.952—0.42-0。435,7—393.8—393。8—137.8—1293。663。6055.75.39比较两种方式计算得出的节点无功功率,误差控制在0.1%，相似性极好，具有很强的一致性。说明两种运算方式都是正确可行的。3手工计算序网及转移阻抗3。1负荷、发电机、变压器的处理3.1。1发电机的处理接在节点7的三台发电机的容量S=300/0。85=352。94MVA，V=10。5kV，G(N）而基准功率S=100MW，为了使变压器的标幺变比G（N）k=1，在10kV电压等级下的基B*准电压V=220/242*10。5=9。545kV，则归算到全网基准后的发电机参数B2=0。07886，，为了简化网络,将三台发电机并联等值成一台机组。等效后的机组出力P=753。3MW，,,=0。02629发电机采用二阶经典模型，即E‘恒定模型。在网络变换中,用电压为E‘，内阻为的电压源来等效原来的三台机组，此外，发电机的负序参数可以认为和正序参数相等。3。1.2变压器的处理V=220kV，V=9.545kV时，标幺变比k=1,所以可以用一个纯电抗来等效变压器,其中电抗值同理三台变压器可以等效为一台,此时由题目要求，负荷采用恒阻抗模型，计算公式其中，U是负荷所在节点的电压,是负荷的共轭值.在本例中，正常运行下负荷23456225.4758200+j1100.381963j0。190982j0.35228。987380+j1400。251024j0。092483j0。35240+j1300.334506j0。181191j0。35224。18225。5704300+j1500.280342j0.140171228。1466190+j800。480781j0.202434j0.35j0。353。2采用网络变换法的具体步骤3。2.1单回路三相短路3。2。1。1稳态运行π型等值电路里，线路两端存在并联电容,即与负荷等值阻抗并联，网络变换时，先将这些并联电容消。去对于节点1，没有负荷，其中B=j0。02821，B=j0.03173，则等效导纳1316即对于节点2，负荷，其中B=j0.0229,B=j0.0564，2425B=j0.0705,则等效导纳26即消去节点6后如下图所示：（2）消去节点4，同理可得消去节点4后如下图所示：(3）消去节点5，同理可得消去节点5后如下图所示：（4）由于节点2为四支路节点，先进行变换，变换后如下图所示：（5)消去节点3,消去节点3后如下图所示：（6）消去节点2,消去节点2后如下图所示:（7）消去中间节点,消去中间节点后如下图所示：（8）消去节点7,消去节点7后如下图所示：转移阻抗即为三相短路后相当于接一根接地线，如下图所示：3。2。2单回路单相短路（0)按照上述正常运行时的网络变换方法进行化简，同理可得负序阻抗则附加阻抗3。2。2切除故障在潮流分析中采用Matlab仿真数据，节点1的电压V=1。0454，P=5。1654,Q=3.8876,则有1，为输入阻抗Z的阻抗角，114.1.2Matlab稳定计算程序1）参数的求取效为一台机组后，稳定运行时Z=—0。001+j0。0533=0.0533∠91。07°，输入阻抗Z=—0。001+j0。1211527=0。0527∠91.08当线路L中点发生单回路三相对称短路时Z=0.0022+j0.092=0。082∠88。46，2412当线路L故障切除后Z=0.0008+j0.0563=0.0563∠88.57,输入阻抗2412此时2）计算程序a=1。232；b=16。3；c=-1。54＊pi/180；x0=［13。2088＊pi/180;w0］；故障2:L单回路中点处发生单相接地短路241）参数的求取惯性时间常数T=15，归算到全网后JN等效为一台机组后,稳定运行时Z=-0.001+j0.0533=0.053312Z=-0.001+j0.527=0.052711此时当线路L中点发生单回路单相接地短路时Z=0。00145+j0。0579=0。0579∠88.26,12输入阻抗Z=0。002+j0。0574=0。0574∠8811此时当线路L故障切除后Z=0.0008+j0。0563=0。0563∠88.57，输入阻抗2412Z=0。0005+j0。0545=0.0545∠89.47112）计算程序计算代码如下：function[x］=f2(w0，tc)options=odeset；x0=［17.5*pi/180；w0];b=23。14;c=-1。74＊pi/180;［t1，temp’，[0，tc］,x0,options,a，b,c)；x02=x1(end，：a=0。44；[t2,x2]=ode45（’temp’,[tc，x03=x2(end，:）';a=0.98；x1]=ode45(’)'；b=23.14；c=-1。43*pi/180;0.9]，x02,options,a,b,c);a=0。98；b=23.14；c=-1.74*pi/180;[t3，x3］=ode45(’temp’,[0.9,1.1]，x03，options,a,b,c);x04=x3（end,：）'；a=0.44;b=23。14;c=-1.43＊pi/180；［t4,x4]=ode45（’temp'，［1.1,30]，x04,options,a,b,c)；t=[t1；t2；t3；t4］;x=[x1;x2；x3;x4];plot（t，x（:，1），'r—',t，x(：,2），’b—’）运行程序后得摇摆曲线如下，功角逐渐稳定,可知发电机暂态稳定.4。2采用powerworld仿真软件进行短路计算4。2.1短路参数计算及标幺化，H=26.47。三台机组等效为一台机组后，,4。2.2对线路及发电机进行短路参数设置线路零序参数设置如图：图4。2.1线路短路参数设置模型中发电机皆采用二阶模型，平衡节点无穷大容量发电机采用GENPWTwoAxi模型,H值取300。短路参数设置如图：图4.2。2平衡节点发电机参数设置发电机三台机组则定义为经典二阶模型GENCLS。参数设置如图：图4.2。3发电机参数设置图4。2。3。1发电机励磁参数设置。4。2.3发电机采用二阶模型用powerworld软件进行短路计算（1）＃2，#4母线中回路中点1s发生三相短路故障，1.1s切除摇摆曲线如图:图4.2.4摇摆曲线此时系统暂态稳定，可以看出发电机初始功角为16.235。用二分法逐步求解极限切除时间。当切除时间为1.6s时摇摆曲线如图：图4。2。5tc=1。6s摇摆曲线此时系统失去稳定。当切除时间为1.2s时摇摆曲线如图图4。2。6tc=1。2s时摇摆曲线此时系统仍然暂态稳定。:逐步逼近最终求得故障的极限切除时间为1。521s。超过此时间切除故障，系统将失去稳定。（2）1s时单相接地短路,1.1s时同时切除故障线路三相。1。9s时三相重合闸。因重合于永久性故障，2.1s时再次切除故障线路故障设置如图所示:图4.2。7短路故障设置得出摇摆曲线如图：图4。2.7摇摆曲线4.2.4发电机采用三阶模型用powerworld软件进行短路计算发电机采用三阶模型GENTRA模型,具体参数设