1、1课程设计(论文)题 目 名 称 电气工程专业综合课程设计 课 程 名 称 电力系统分析 学 生 姓 名 李泽宇 学 号 1341201130 系 、 专 业 电气工程系电气工程及其自动化专业指 导 教 师 黄肇 石赛美 2016 年 10 月 15 日2邵阳学院课程设计（论文）任务书年级专业 13 级电气工程及其自动化专业 学生姓名 李泽宇 学 号 1341201130题目名称 电气工程专业综合课程设计 设计时间2016.10.03-2016.10.16课程名称 电力系统分析 课程编号 121202310A 设计地点 校内一、课程设计（论文）目的1.通过课程设计, 使学生掌握电力系统三相短路
2、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或单相接线图。二、已知技术参数和条件三、任务和要求1.熟悉 PSCAD/MATLAB 软件；2. 查阅相关资料, 建立系统三相接线图的模型以及建模过程；3. 依据相关资料，做出来的仿真结果是否与相关资料的结果相符。4.学会分析仿真结果，并得出结论。注：1此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效；2此表 1 式 3 份，学生、指导教师、教研室各 1 份。3四、参考资料和现有基础条件（包括实验室、主要仪器设备等）仿真软件：PSCAD孟祥萍
3、.电力系统分析高等教育出版社.2004何仰赞，温增银.电力系统分析上册. 武汉：华中科技大学出版社 2006.8上机在综合仿真实验室；答辩在电气工程专业教研室。五、进度安排2016 年 9 月 30 日：提前下达课程设计的计划书，设计题目、分组情况及课程设计要求，让学生熟悉软件；2016 年 10 月 3 日：讲述课程设计的内容，软件的基本操作；2016 年 10 月 4 日-2016 年 10 月 6 日：学生应用 PSCAD 软件，对电力系统进行建模；2016 年 10 月 7 日-10 日：建立系统接线图的仿真模型，上机调试程序，得出仿真结果，进行分析，得出结论；2016 年 10 月
4、11 日-14 日：写出报告（ A4 打印稿），做好充分准备，现场考核基础知识、软件操作能力；2016 年 10 月 16 日：交报告，现场考核。六、教研室审批意见教研室主任（签字）： 年 月 日七|、主管教学主任意见主管主任（签字）： 年 月 日八、备注4指导教师（签字）： 学生（签字）：邵阳学院课程设计（论文）评阅表学生姓名 李泽宇 学 号 1341201130 系 电气工程系 专业班级 13 级电力二班 题目名称 电气工程专业综合课程设计 课程名称 电力系统分析 一、学生自我总结暂态计算是电力系统分析中的一种最基本的计算，在做的过程中遇到很多问题，最后在老师的帮助下得到解决，尤其是用 P
5、SCAD 进行仿真实验时，各种问题，好在有老师的不懈教导，得以顺利完成。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可!学生签名： 年 月 日二、指导教师评定评分项目 平时成绩 答辩 课程设计内容 综合成绩权 重 30% 30% 40%单项成绩指导教师评语：指导教师（签名）： 年 月 日注：1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书
6、”页后面；2、表中的“评分项目”及“权重”根据各系的考核细则和评分标准确定。5目录1.课题内容和意义 .61.1 课题意义 61.2 课题的背景 61.3 课题内容 81.4 课题目的 92.暂态短路 .92.1 短路故障简介 92.2 短路计算步骤 .102.3 简单不对称短路的分析与计算 .103.PSCAD 仿真软件简介 114.仿真调试及实验分析 .124.1 系统仿真图设计过程 .124.2 系统仿真图 125 系统等值电路仿真波形图及分析 135.1 线路 L6-7 单相接地故障电流电压波形 .135.2 线路 L6-7 AB 两相、电流电压波形 .155.3 线路 L6-7 AB
7、 两相接地短路电流电压波形图 .165.4 线路 L6-7 三相短路电流电压波形 .17总结 .19参考文献 .20致 谢 .2161.课题内容及意义 1.1 意义及背景暂态是电力系统运行状态之一,由于受到扰动系统运行参量将发生很大的变化，处于暂态过程；暂态过程有两种，一种是电力系统中的转动元件，如发电机和电动机，其暂态过程主要是由于机械转矩和电磁转矩（或功率）之间的不平衡而引起的，通常称为机电过程，即机电暂态，另一种是变压器、输电线等元件中，由于并不牵涉角位移、角速度等机械量，故其暂态过程称为电磁过程，即电磁暂态。同时它又是研究电力系统的一项重要分析功能，是进行故障计算，继电保护鉴定，安全分
8、析的工具。在电力系统规划设计和现有电力系统运行方式的研究中，都需要利用电力系统短路计算来定量的比较供电方案或运行方式的合理性、可靠性和经济性。在三相系统中，短路故障又可分成三相短路、两相短路、单相短路、单相接地短路、两相接地短路等多种。当电路发生短路时，能使导体温度迅速升高，绝缘破坏，甚至使导体发红，熔化，导致设备损坏。高压电网的短路故障可引起电网瓦解。短路产生的电弧、火花可引发火灾、爆炸、电伤等恶性事故。最初，电力系统短路计算是通过人工手算的。后来为了适应电力系统日益发展的需要，采用了交流计算台。随着电子数字计算机的出现，1956 年 Ward 等人编制了实际可行的计算机短路计算仿真软件。这
9、样，就为日趋复杂的大规模电力系统 提供了极其有力的计算手段。经过几十年的时间，电力系统短路计算已经发展得十分成熟。1.2 课题背景1995 年全世界的发电装机总容量为 30.0 亿 kW，1998 年为 32.5kW。全世界人均用电量为 2400kWh。预计在 19952020 年的 25 年中，世界能源消耗将增加 50%，电能消耗将翻一番，装机总容量达到 60.0 亿 kW。这期间，电力建设投资需要 330000 亿美元。这就意味着每增加 1kW 电力，需要投资 900 美元。20 世纪 70 年代以前，世界电力处于大发展时间，那时电力年增长速度达 7%。在这之后电力发展开始减慢，特别是发达
10、国家，电力增长速度降为 1%3%，而发展中国家电力增长速度加快，达到 3%5%，特别是中国和印度。世界电力发展速度并不平衡，现在还有 20 亿人口未用上电。中国电力工业始于 1882 年，至 1999 年已有 117 年历史。在此百余年中，中国电力工业的状况无不与当时的历史背景和时代特点紧密联系。旧中国 67 年的电力工业史，7道路坎坷，步履蹒跚，至 1949 年全国装机容量仅为 184.86 万千瓦，年发电量为 43.10亿千瓦时。新中国成立后，中国政府一直把电力工业作为国民经济的先行基础产业，并制定了一系列发展电力工业的方针政策。经全国电业职工的不懈努力，一座座火电厂拔地而起，一座座水电站
11、横波卧浪，一条条输电线路纵横中国大地。到 1998 年底，全国发电装机容量已达 2.77 亿千瓦，年发电量已达 11580 亿千瓦时，分别由 1949 年的世界第 21 位和第 25 位均跃升为世界第 2 位，形成了一个较为完整的初步现代化的电力工业体系，为中国经济的发展和人民生活水平的提高作出了卓越的贡献。其发展标志主要是：电源结构不断改善。从 80 年代开始，火电建设就进入了大机组、大容量、高参数阶段。至今全国已投入运行的 60 万千瓦及以上的大机组已有 17 台，正在建设的有27 台，其中绥中电厂 80 万千瓦机组即将投产；水电建设，以浙江新安江水电站为起点，随着刘家峡、龙羊峡、二滩、天
12、生桥一级和广州抽水蓄能电站等大型水电站的建成投产，全国水电装机容量已达 6300 万千瓦。占全国发电总装机容量的 23.5；以秦山和大亚湾核电站的建成投入运行为标志；中国从此结束了无核电的历史；同时，风能、地热、潮汐和太阳能等新能源发电有了较大发展。电网规模不断扩大。在加快电源建设的同时，加强了电网的同步建设。到 1998年底，中国已拥有 500 千伏输电线路 20093 公里、330 千伏输电线路 7291 公里，220千伏及以上变电设备容量达 31958 万千伏安，形成了东北、华北、华东、华中、西北六个跨省（区、市）电网和 6 个各自独立的省（区、市）电网，覆盖了全国所有城市和绝大部分乡镇
13、农村。随着长江三峡工程的兴建和建成，中国电网即将进入大区电网互联，形成全国统一联合电网，实现全国范围内资源优化配置的新阶段。电力技术和管理水平明显提高。目前，中国已掌握 30 万、50 万和超临界 60 万千瓦火电机组的设计、制造、安装运行技术和百万千瓦级核电机组的安装运行技术；掌握了 180 米级各类大坝的建筑技术。全国百万千瓦以上的大型发电厂已有 68 座。新中国成立 50 年来，在大力发展电力工业的同时，中国政府十分重视环境保护和电力国际科技与经济合作交流。1997 年颁布了中国电力工业的发展与环境白皮书，进一步确立了电力工业可持续发展战略，全面推进电力工业快速、持续、健康发展；中共十一
14、届三中全会实行对外开放政策后，电力工业的国际合作范围逐步扩大，从引进国外技术、管理经验和发电设备，到利用国外资金办电，有力地促进了自身的发展。8根据中国 2010 年电力发展远景规划，到 2010 年全国发电装机总容量将达到 5 亿千瓦左右，实现全国联网，全国农村基本实现电气化。欧盟指令对欧洲电力市场造成的影响主要有：分开会计账目的规定迫使许多公司就发电、输电和配电业务成立不同的法人实体；行业并购和重组增加；公司开始从技术推动市场策略向以市场为主导的业务阶段过渡；消除了欧洲共同体间内部贸易的壁垒，竞争促进了价格的下降。为解决国与国之间电网互联薄弱，线路堵塞的问题，加快欧洲统一市场建设，实现更大
15、范围内的资源优化配置，欧洲正努力加强国与国之间的联网建设。他们认为同步电网没有界限，越大越好。因此，除加强欧洲大陆联网建设外，他们还计划建设环地中海电网，将北非、中东等二十几个国家电网连接到一起，实现优势互补。1.3 课题要求及课题内容(1)首先用等值电势源替代发电机，建立该系统的仿真模型，得出该系统的潮流计算结果，并分析；(2)然后建立含有模拟发电机(真实发电机系统模型)模型的电力系统仿真模型如图1.1 所示，得出该系统的潮流计算结果，并分析。图 1.1 简单电力系统示意图91.4 课题目的 （1）掌握电力系统短路电流计算的基本原理；（2）掌握并能熟练运用 PSCAD 软件；（3）通过课程设
16、计,使学生巩固电力系统三相对称短路和不对称短路计算的基本原理与方法，掌握短路电流的数值求解方法。让学生掌握用计算机仿真分析电力系统的方法。同时，通过软件开发，也有助于计算机操作能力和软件开发能力的提高。2.暂态短路2.1 短路故障简介在电力系统的运行过程中，时常会发生故障，其中大多数是短路故障。短路故障是电力系统除正常运行情况以外的相与相之间或相与地之间的连接。在三相供电系统中，破坏供电系统正常运行的故障最为常见而且危害性最大的就是各种短路。对中性点不接地系统有相与相之间的短路，对中性点接地系统有相与相之间的短路和相与地之间的短路。其短路的基本种类有：三相短路、两相短路、单相短路、两相接地短路
17、、单相接地短路等，如图 1-1 所示。发生短路故障时，电力系统从正常的稳定状态过渡到短路的稳定状态，一般需 35 秒。在这一暂态过程中，短路电流的变化很复杂。在短路后约半个周波（0.01 秒）时将出现短路电流的最大瞬时值，称为短路冲击电流。它会产生很大的电动力，其大小可用来校验电工设备在发生短路时机械应力的动稳定性。（a） （b）（c） （d）(a) 三相短路；（b）两相短路；（c）两相短路接地；（d）单相接地短路图 2.1 短路的种类102.2 短路计算步骤 因为电力系统的实际情况比较复杂。在实际的计算中常采用近似计算的方法，将计算条件简化。按简化条件计算的短路电流值偏大，其误差为 10%1
18、5%。其计算条件简化如下：（1）不考虑铁磁饱和现象，认为电抗是常数；（2）变压器的励磁电流忽略不计；（3）除高压远距离输电线路外，一般不考虑电网电容电流；（4）计算短路电流时忽略负荷电流；（5）当短路系统中的电阻值小于电抗值的 1/3 时，电阻值忽略；（6）在低压电网中发生短路时，认为变压器的一次侧电压不变。2.3 简单不对称短路的分析与计算电力系统发生不对称故障时，短路点的电压，电流出现不对称，利用对称分量法将不对称的电流电压分解为三组对称的序分量，由于每一序系统中三相对称，则在选好一相为基准后，每一序只需要计算一相即可，用对称分量法计算电力系统的不对称故障。其大概步骤如下：（1）计算电力系
19、统各个原件的序阻抗；（2）制定电力系统的各序网络；（3）由各序网络和故障列出对应方程；（4）从联立方程组解出故障点电流和电压的各序分量，将相对应的各序分量相加，以求得故障点的各相电流和电压；（5）计算各序电流和各序电压在网络中的分布，进而求得各指定支路的各相电流和指定节点的各相电压。11表 2.1 各类短路类型 及 取值)(nx)(M3.PSCAD 仿真软件简介 PSCAD 是一种有效的用户图形界面 ,能够显著地提高电力系统电磁瞬时 模拟研究的效率。利用 PSCAD 家族的软件工具 ,使得电力系统工程师能够充分利用现代微机工作站的资源, 更为有效地使用马尼托巴高压直流研究中心的 EMTDC 瞬
20、时模拟软件。该族软件还可作为该中心的实时数字模拟器(RTDS )的用户界面。 PSCAD 由下述软件模块构成 :档管理系统、建模( DRAFT)模块 、架空线(T-LINE)和电缆(CABLE)模块 、运行 (RUN TIME)模块 、单曲线绘图 (UNIPLOT)和多曲线绘图(MULTIPLOT)模块。 PSCAD 编写使其适合在基于 UNIX 操作系统并具有 X 窗口环境的微机 工作站上运行。PSCAD 具备自己的软件支持因而不需要用户再安装其他支持软件。建议使用的系统至少应具备 16MB 的内部 RAM。 安装的 PSCAD 软件需占用不到 10MB 的磁盘存储空间。软件同时支持单色和彩
21、色监视器。如果要运行 EMTDC 模拟软件, 用户应提供 FORTRAN 77(F77) 编译器。硬拷贝输出采用 PS 格式。建模模块中的图形可通过接受 HP-GL 命令的绘图仪输出。 PSCAD 代表电力系统计算机辅助设计， 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。PSCAD V1 1988年首先在阿波罗工作站上使用，然后大约在 1995 年 PSCAD V2 开始应用。PSCAD V3以 PC Windows 作为平台，在 1999 年面 世。目前最新
22、版本的是 PSCAD V4.2.1。用户可以通过调用随 EMTDC 主程序一起提供的库程序模块或利用用户自己开发的元部件模型有效地组装任何可以想象出的电力系统模型和结构。EMTDC 的威力之一是可以12较为简单地模拟复杂电力系统, 包括直流输电系统和其相关的控制系统。所以 PSCAD是电力专业十分有用的仿真软件，我们组的课题系统节点较多，传统的手工计算显然不切实际，于是利用 PSCAD 仿真运行出结果就成了本次课程设计最为关键的一个环节。4.仿真调试及实验分析 4.1 系统仿真图设计过程 PSCAD 为用户提供了一些特殊的运行元件用于在线控制输入数据，并且可以记录及显示 EMTDC 输出数据，
23、比如图形框、图表、曲线和一些仪表。用户可以直接控制EMTDC 的输入变量，所以可以在仿真运行时改变这些变量。对于输出的图形信息或者整个图形框，用户可以把其作为图片复制出来，或者提取其中的变量数据信息。 PSCAD 软件中模块主要用于整合多个元件，把具有一定功能的元件组放入一个可称之为“子系统”的模块中，这样使得整个系统看起来更为简洁。连接模块和外部电路的信号有两种：数据信号（Data Signals）和电气信号（Electrical Signals）。4.2 系统仿真图根据课题要求，从 PSCAD 仿真图中可以看到整个模块的模型，各母线间的线路采用 型等值电路，以及用来采集各母线上信号的装置，
24、这样潮流分布就能通过图表来观测。图 4.1 系统等值电路仿真图（含发电机）13图 4.2 发电机我们组是实现 L6-7 线路靠近母线 6 侧的各种类型的短路故障的仿真，在做三相短路的时候需要用分线工具将单项线分解为三相线路，把三相线路分别接至短路控制其加以控制，控制数据见图，在加上短路时间控制器实现对短路的控制，用于控制短路时间的长度，然后再三相线路上分别加上电流表用于测量短路电流，加上电压表用于测量电压。下面以 L6-7 短路作为示例，模型如图 4.3 所示。图 4.3 短路模型5 系统等值电路仿真波形图及分析5.1 线路 L6-7 单相接地故障电流电压波形14图 5.1 单相接地故障时单相
25、电流波形图 5.2 单相接地故障时单相电压波形155.2 线路 L6-7 AB 两相电路电流电压波形图 5.3 AB 两相电路电流波形图 5.4 AB 两相电路电压波形165.3 线路 L6-7 AB 两相接地短路电流电压波形图图 5.5 AB 两相接地短路各相电流波形图 5.6 AB 两相接地短路时各相电压波形175.4 线路 L7-6 三相短路电流电压波形图 5.7 三相短路电流波形、18图 5.8 三相短路电压波形所以我们不难从中归纳出，串联电路中，短路部位的电压等于 0V，其它完好部位两端有电压，且电压之和等于电源电。不管短路成因是多么复杂，其实质却很简单，我们可以认为“短路”的用电器
26、实质就是电阻很小，相当于一根导线。在分析中用导线代替“短路”的用电器，往往会收到意想不到的效果。 形成故障的原因很多，比如“短路”有可能是用电器两个接线柱碰线造成，也可能是电流过大导致某些用电器内部击穿，电阻为零。19总结由于我们对 PSCAD 软件不是很熟悉，要用 PSCAD 去进行电力系统短路仿真和电路图的设计实验起来任然有些困难，但我们组通过团结协作，对遇到的问题进行探讨和研究，还去图书馆和在网上查询资料，并在最终解决了遇到的问题，完成这些初步工作。接下来就是连接实物图，但是后来总出现错误，无法出仿真结果，然后根据资料和在老师耐心指导下对仿真图进行了更改。总之这次课程设计收货很大，对 P
27、SCAD 软件有了初步的认识和了解，还仿真出了想得出的结果，在这不断学习的过程中，同时意识到 PSCAD 的博大精深之处，今后一定会进一步学习，还有就是我们在软件学习上也收货了更多的自主学习的方法。这为以后的毕业设计打下良好的基础。20参考文献1何仰赞，温增银.电力系统分析（上册）.华中科技大学出版社.第三版.2002 年2何仰赞，温增银.电力系统分析（下册）.华中科技大学出版社.第三版.2002 年3陈衍.电力系统稳态分析.北京水利电力出版社.2004 年 1 月4李光琦.电力系统暂态分析.北京水利电力出版社.2005 年 2 月5乐健，胡仁喜.PSCAD X4 电路设计与仿真入门到精通.北京机械工业出版社.2015 年 8 月21致 谢从十月份接受课题到现在完成课程设计论文，衷心的感谢我的指导黄肇老师给予了精心的指导和热情的帮助。黄肇老师在 PSCAD 方面具有丰富的实经验，对我的设计工作给予了很多的指导和帮助，使我能够将理论中的结果与实际相结合。尤其在课题设计的前期准备阶段，黄肇老师提出许多宝贵的设计意见，在最后的测试修改黄老师在百忙之中抽出时间为我们提供了必要的帮助，这样使得我们得以顺利的完成课程设计开发工作，在短暂的一个月的相处时间里，老师渊博的知识，敏锐的思路和实事求是的工作作风给我留下了深刻的印象，这将使得我终身受益，谨此向老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。
