1、課程設(shè)計(論文)題 目 名 稱 電氣工程專業(yè)綜合課程設(shè)計 課 程 名 稱 電力系統(tǒng)分析 學(xué) 生 姓 名 李澤宇 學(xué) 號 1341201130 系 、專 業(yè) 電氣工程系電氣工程及其自動化專業(yè)指 導(dǎo) 教 師 黃肇 石賽美 2016年10月15日邵陽學(xué)院課程設(shè)計（論文）任務(wù)書年級專業(yè)13級電氣工程及其自動化專業(yè)學(xué)生姓名李澤宇學(xué) 號1341201130題目名稱電氣工程專業(yè)綜合課程設(shè)計設(shè)計時間2016.10.03-2016.10.16課程名稱電力系統(tǒng)分析課程編號121202310A設(shè)計地點校內(nèi)一、 課程設(shè)計（論文）目的1.通過課程設(shè)計, 使學(xué)生掌握電力系統(tǒng)三相短路計算的基本原理與方法；2.掌握并能熟練運

2、用 PSCAD/MATLAB 仿真軟件；3.采用 PSCAD/MATLAB 軟件，做出系統(tǒng)三相接線圖或單相接線圖。二、 已知技術(shù)參數(shù)和條件三、 任務(wù)和要求1.熟悉 PSCAD/MATLAB 軟件；2. 查閱相關(guān)資料, 建立系統(tǒng)三相接線圖的模型以及建模過程；3. 依據(jù)相關(guān)資料，做出來的仿真結(jié)果是否與相關(guān)資料的結(jié)果相符。4.學(xué)會分析仿真結(jié)果，并得出結(jié)論。注：1此表由指導(dǎo)教師填寫，經(jīng)系、教研室審批，指導(dǎo)教師、學(xué)生簽字后生效；2此表1式3份，學(xué)生、指導(dǎo)教師、教研室各1份。四、參考資料和現(xiàn)有基礎(chǔ)條件（包括實驗室、主要儀器設(shè)備等）仿真軟件：PSCAD孟祥萍.電力系統(tǒng)分析高等教育出版社.2004何仰贊，溫增

3、銀.電力系統(tǒng)分析上冊.武漢：華中科技大學(xué)出版社2006.8上機在綜合仿真實驗室；答辯在電氣工程專業(yè)教研室。五、進度安排2016年9月30日：提前下達課程設(shè)計的計劃書，設(shè)計題目、分組情況及課程設(shè)計要求，讓學(xué)生熟悉軟件；2016年10月3日：講述課程設(shè)計的內(nèi)容，軟件的基本操作；2016年10月4日-2016年10月6日：學(xué)生應(yīng)用PSCAD軟件，對電力系統(tǒng)進行建模；2016年10月7日-10日：建立系統(tǒng)接線圖的仿真模型，上機調(diào)試程序，得出仿真結(jié)果，進行分析，得出結(jié)論；2016年10月11日-14日：寫出報告（A4打印稿），做好充分準備，現(xiàn)場考核基礎(chǔ)知識、軟件操作能力；2016年10月16日：交報告，

4、現(xiàn)場考核。六、教研室審批意見教研室主任（簽字）： 年 月 日七|、主管教學(xué)主任意見 主管主任（簽字）： 年 月 日八、備注指導(dǎo)教師（簽字）： 學(xué)生（簽字）：邵陽學(xué)院課程設(shè)計（論文）評閱表學(xué)生姓名 李澤宇 學(xué) 號 1341201130 系 電氣工程系 專業(yè)班級 13級電力二班 題目名稱 電氣工程專業(yè)綜合課程設(shè)計 課程名稱 電力系統(tǒng)分析 一、學(xué)生自我總結(jié) 暫態(tài)計算是電力系統(tǒng)分析中的一種最基本的計算，在做的過程中遇到很多問題，最后在老師的幫助下得到解決，尤其是用PSCAD進行仿真實驗時，各種問題，好在有老師的不懈教導(dǎo)，得以順利完成。在今后社會的發(fā)展和學(xué)習(xí)實踐過程中，一定要不懈努力，不能遇到問題就想到

5、要退縮，一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問題所在，然后一一進行解決，只有這樣，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荊斬棘，而不是知難而退，那樣永遠不可能收獲成功，收獲喜悅，也永遠不可能得到社會及他人對你的認可! 學(xué)生簽名： 年 月 日二、指導(dǎo)教師評定評分項目平時成績答辯課程設(shè)計內(nèi)容綜合成績權(quán) 重30%30%40%單項成績指導(dǎo)教師評語： 指導(dǎo)教師（簽名）： 年 月 日注：1、本表是學(xué)生課程設(shè)計（論文）成績評定的依據(jù)，裝訂在設(shè)計說明書（或論文）的“任務(wù)書”頁后面；2、表中的“評分項目”及“權(quán)重”根據(jù)各系的考核細則和評分標準確定。目錄1.課題內(nèi)容和意義61.1課題意義61.2課題的背景61.3課題內(nèi)容8

6、1.4課題目的92.暫態(tài)短路92.1短路故障簡介92.2短路計算步驟102.3簡單不對稱短路的分析與計算103.PSCAD仿真軟件簡介114.仿真調(diào)試及實驗分析124.1系統(tǒng)仿真圖設(shè)計過程124.2 系統(tǒng)仿真圖125系統(tǒng)等值電路仿真波形圖及分析135.1線路L6-7 單相接地故障電流電壓波形135.2線路L6-7 AB兩相、電流電壓波形155.3線路L6-7 AB兩相接地短路電流電壓波形圖165.4線路L6-7 三相短路電流電壓波形17總結(jié)19參考文獻20致 謝211.課題內(nèi)容及意義 1.1意義及背景暫態(tài)是電力系統(tǒng)運行狀態(tài)之一,由于受到擾動系統(tǒng)運行參量將發(fā)生很大的變化，處于

7、暫態(tài)過程；暫態(tài)過程有兩種，一種是電力系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)動元件，如發(fā)電機和電動機，其暫態(tài)過程主要是由于機械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩（或功率）之間的不平衡而引起的，通常稱為機電過程，即機電暫態(tài)，另一種是變壓器、輸電線等元件中，由于并不牽涉角位移、角速度等機械量，故其暫態(tài)過程稱為電磁過程，即電磁暫態(tài)。同時它又是研究電力系統(tǒng)的一項重要分析功能，是進行故障計算，繼電保護鑒定，安全分析的工具。在電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計和現(xiàn)有電力系統(tǒng)運行方式的研究中，都需要利用電力系統(tǒng)短路計算來定量的比較供電方案或運行方式的合理性、可靠性和經(jīng)濟性。在三相系統(tǒng)中，短路故障又可分成三相短路、兩相短路、單相短路、單相接地短路、兩相接地短路等多種。當電路發(fā)

8、生短路時，能使導(dǎo)體溫度迅速升高，絕緣破壞，甚至使導(dǎo)體發(fā)紅，熔化，導(dǎo)致設(shè)備損壞。高壓電網(wǎng)的短路故障可引起電網(wǎng)瓦解。短路產(chǎn)生的電弧、火花可引發(fā)火災(zāi)、爆炸、電傷等惡性事故。最初，電力系統(tǒng)短路計算是通過人工手算的。后來為了適應(yīng)電力系統(tǒng)日益發(fā)展的需要，采用了交流計算臺。隨著電子數(shù)字計算機的出現(xiàn)，1956 年 Ward 等人編制了實際可行的計算機短路計算仿真軟件。這樣，就為日趨復(fù)雜的大規(guī)模電力系統(tǒng) 提供了極其有力的計算手段。經(jīng)過幾十年的時間，電力系統(tǒng)短路計算已經(jīng)發(fā)展得十分成熟。1.2 課題背景1995年全世界的發(fā)電裝機總?cè)萘繛?0.0億kW，1998年為32.5kW。全世界人均用電量為2400kW

9、3;h。預(yù)計在19952020年的25年中，世界能源消耗將增加50%，電能消耗將翻一番，裝機總?cè)萘窟_到60.0億kW。這期間，電力建設(shè)投資需要330000億美元。這就意味著每增加1kW電力，需要投資900美元。20世紀70年代以前，世界電力處于大發(fā)展時間，那時電力年增長速度達7%。在這之后電力發(fā)展開始減慢，特別是發(fā)達國家，電力增長速度降為1%3%，而發(fā)展中國家電力增長速度加快，達到3%5%，特別是中國和印度。世界電力發(fā)展速度并不平衡，現(xiàn)在還有20億人口未用上電。中國電力工業(yè)始于1882年，至1999年已有117年歷史。在此百余年中，中國電力工業(yè)的狀況無不與當時的歷史背景和時代特點緊密聯(lián)系。舊中

10、國67年的電力工業(yè)史，道路坎坷，步履蹣跚，至1949年全國裝機容量僅為184.86萬千瓦，年發(fā)電量為43.10億千瓦時。新中國成立后，中國政府一直把電力工業(yè)作為國民經(jīng)濟的先行基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，并制定了一系列發(fā)展電力工業(yè)的方針政策。經(jīng)全國電業(yè)職工的不懈努力，一座座火電廠拔地而起，一座座水電站橫波臥浪，一條條輸電線路縱橫中國大地。到1998年底，全國發(fā)電裝機容量已達2.77億千瓦，年發(fā)電量已達11580億千瓦時，分別由1949年的世界第21位和第25位均躍升為世界第2位，形成了一個較為完整的初步現(xiàn)代化的電力工業(yè)體系，為中國經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高作出了卓越的貢獻。其發(fā)展標志主要是：電源結(jié)構(gòu)不斷改善。

11、從80年代開始，火電建設(shè)就進入了大機組、大容量、高參數(shù)階段。至今全國已投入運行的60萬千瓦及以上的大機組已有17臺，正在建設(shè)的有27臺，其中綏中電廠80萬千瓦機組即將投產(chǎn)；水電建設(shè)，以浙江新安江水電站為起點，隨著劉家峽、龍羊峽、二灘、天生橋一級和廣州抽水蓄能電站等大型水電站的建成投產(chǎn)，全國水電裝機容量已達6300萬千瓦。占全國發(fā)電總裝機容量的23.5；以秦山和大亞灣核電站的建成投入運行為標志；中國從此結(jié)束了無核電的歷史；同時，風(fēng)能、地?zé)?、潮汐和太陽能等新能源發(fā)電有了較大發(fā)展。電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大。在加快電源建設(shè)的同時，加強了電網(wǎng)的同步建設(shè)。到1998年底，中國已擁有500千伏輸電線路20093公里

12、、330千伏輸電線路7291公里，220千伏及以上變電設(shè)備容量達31958萬千伏安，形成了東北、華北、華東、華中、西北六個跨?。▍^(qū)、市）電網(wǎng)和6個各自獨立的?。▍^(qū)、市）電網(wǎng)，覆蓋了全國所有城市和絕大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村。隨著長江三峽工程的興建和建成，中國電網(wǎng)即將進入大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)，形成全國統(tǒng)一聯(lián)合電網(wǎng)，實現(xiàn)全國范圍內(nèi)資源優(yōu)化配置的新階段。電力技術(shù)和管理水平明顯提高。目前，中國已掌握30萬、50萬和超臨界60萬千瓦火電機組的設(shè)計、制造、安裝運行技術(shù)和百萬千瓦級核電機組的安裝運行技術(shù)；掌握了180米級各類大壩的建筑技術(shù)。全國百萬千瓦以上的大型發(fā)電廠已有68座。新中國成立50年來，在大力發(fā)展電力工業(yè)的同時，中

13、國政府十分重視環(huán)境保護和電力國際科技與經(jīng)濟合作交流。1997年頒布了中國電力工業(yè)的發(fā)展與環(huán)境白皮書，進一步確立了電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，全面推進電力工業(yè)快速、持續(xù)、健康發(fā)展；中共十一屆三中全會實行對外開放政策后，電力工業(yè)的國際合作范圍逐步擴大，從引進國外技術(shù)、管理經(jīng)驗和發(fā)電設(shè)備，到利用國外資金辦電，有力地促進了自身的發(fā)展。 根據(jù)中國2010年電力發(fā)展遠景規(guī)劃，到2010年全國發(fā)電裝機總?cè)萘繉⑦_到5億千瓦左右，實現(xiàn)全國聯(lián)網(wǎng)，全國農(nóng)村基本實現(xiàn)電氣化。歐盟指令對歐洲電力市場造成的影響主要有：分開會計賬目的規(guī)定迫使許多公司就發(fā)電、輸電和配電業(yè)務(wù)成立不同的法人實體；行業(yè)并購和重組增加；公司開始從技術(shù)推動

14、市場策略向以市場為主導(dǎo)的業(yè)務(wù)階段過渡；消除了歐洲共同體間內(nèi)部貿(mào)易的壁壘，競爭促進了價格的下降。為解決國與國之間電網(wǎng)互聯(lián)薄弱，線路堵塞的問題，加快歐洲統(tǒng)一市場建設(shè)，實現(xiàn)更大范圍內(nèi)的資源優(yōu)化配置，歐洲正努力加強國與國之間的聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。他們認為同步電網(wǎng)沒有界限，越大越好。因此，除加強歐洲大陸聯(lián)網(wǎng)建設(shè)外，他們還計劃建設(shè)環(huán)地中海電網(wǎng)，將北非、中東等二十幾個國家電網(wǎng)連接到一起，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。1.3課題要求及課題內(nèi)容(1)首先用等值電勢源替代發(fā)電機，建立該系統(tǒng)的仿真模型，得出該系統(tǒng)的潮流計算結(jié)果，并分析；(2)然后建立含有模擬發(fā)電機(真實發(fā)電機系統(tǒng)模型)模型的電力系統(tǒng)仿真模型如圖1.1所示，得出該系統(tǒng)的潮流計

15、算結(jié)果，并分析。圖1.1 簡單電力系統(tǒng)示意圖1.4課題目的 （1）掌握電力系統(tǒng)短路電流計算的基本原理；（2）掌握并能熟練運用PSCAD軟件；（3）通過課程設(shè)計,使學(xué)生鞏固電力系統(tǒng)三相對稱短路和不對稱短路計算的基本原理與方法，掌握短路電流的數(shù)值求解方法。讓學(xué)生掌握用計算機仿真分析電力系統(tǒng)的方法。同時，通過軟件開發(fā)，也有助于計算機操作能力和軟件開發(fā)能力的提高。2.暫態(tài)短路2.1短路故障簡介在電力系統(tǒng)的運行過程中，時常會發(fā)生故障，其中大多數(shù)是短路故障。短路故障是電力系統(tǒng)除正常運行情況以外的相與相之間或相與地之間的連接。在三相供電系統(tǒng)中，破壞供電系統(tǒng)正常運行的故障最為常見而且危害性最大的就是

16、各種短路。對中性點不接地系統(tǒng)有相與相之間的短路，對中性點接地系統(tǒng)有相與相之間的短路和相與地之間的短路。其短路的基本種類有：三相短路、兩相短路、單相短路、兩相接地短路、單相接地短路等，如圖1-1所示。發(fā)生短路故障時，電力系統(tǒng)從正常的穩(wěn)定狀態(tài)過渡到短路的穩(wěn)定狀態(tài)，一般需35秒。在這一暫態(tài)過程中，短路電流的變化很復(fù)雜。在短路后約半個周波（0.01秒）時將出現(xiàn)短路電流的最大瞬時值，稱為短路沖擊電流。它會產(chǎn)生很大的電動力，其大小可用來校驗電工設(shè)備在發(fā)生短路時機械應(yīng)力的動穩(wěn)定性。 （a） （b） （c） （d）(a) 三相短路；（b）兩相短路；（c）兩相短路接地；（d）單相接地短路圖2.1 短路的種類2.

17、2短路計算步驟 因為電力系統(tǒng)的實際情況比較復(fù)雜。在實際的計算中常采用近似計算的方法，將計算條件簡化。按簡化條件計算的短路電流值偏大，其誤差為10%15%。其計算條件簡化如下：（1）不考慮鐵磁飽和現(xiàn)象，認為電抗是常數(shù)；（2）變壓器的勵磁電流忽略不計；（3）除高壓遠距離輸電線路外，一般不考慮電網(wǎng)電容電流；（4）計算短路電流時忽略負荷電流；（5）當短路系統(tǒng)中的電阻值小于電抗值的1/3時，電阻值忽略；（6）在低壓電網(wǎng)中發(fā)生短路時，認為變壓器的一次側(cè)電壓不變。2.3簡單不對稱短路的分析與計算電力系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障時，短路點的電壓，電流出現(xiàn)不對稱，利用對稱分量法將不對稱的電流電壓分解為三組對稱的

18、序分量，由于每一序系統(tǒng)中三相對稱，則在選好一相為基準后，每一序只需要計算一相即可，用對稱分量法計算電力系統(tǒng)的不對稱故障。其大概步驟如下：（1）計算電力系統(tǒng)各個原件的序阻抗；（2）制定電力系統(tǒng)的各序網(wǎng)絡(luò)；（3）由各序網(wǎng)絡(luò)和故障列出對應(yīng)方程；（4）從聯(lián)立方程組解出故障點電流和電壓的各序分量，將相對應(yīng)的各序分量相加，以求得故障點的各相電流和電壓；（5）計算各序電流和各序電壓在網(wǎng)絡(luò)中的分布，進而求得各指定支路的各相電流和指定節(jié)點的各相電壓。表2.1 各類短路類型及取值3.PSCAD仿真軟件簡介 PSCAD是一種有效的用戶圖形界面,能夠顯著地提高電力系統(tǒng)電磁瞬時 模擬研究的效率。利用PSCAD家族的軟件

19、工具,使得電力系統(tǒng)工程師能夠充分利用現(xiàn)代微機工作站的資源, 更為有效地使用馬尼托巴高壓直流研究中心的 EMTDC 瞬時模擬軟件。該族軟件還可作為該中心的實時數(shù)字模擬器(RTDS)的用戶界面。 PSCAD 由下述軟件模塊構(gòu)成:檔管理系統(tǒng)、建模(DRAFT)模塊 、架空線(T-LINE)和電纜(CABLE)模塊 、運行(RUN TIME)模塊 、單曲線繪圖(UNIPLOT)和多曲線繪圖(MULTIPLOT)模塊。 PSCAD 編寫使其適合在基于UNIX操作系統(tǒng)并具有X 窗口環(huán)境的微機 工作站上運行。PSCAD 具備自己的軟件支持因而不需要用戶再安裝其他支持軟件。建議使用的系統(tǒng)至少應(yīng)具備16MB的內(nèi)

20、部RAM。 安裝的PSCAD 軟件需占用不到10MB的磁盤存儲空間。軟件同時支持單色和彩色監(jiān)視器。如果要運行EMTDC 模擬軟件, 用戶應(yīng)提供FORTRAN 77(F77) 編譯器。硬拷貝輸出采用PS格式。建模模塊中的圖形可通過接受HP-GL 命令的繪圖儀輸出。 PSCAD代表電力系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計，PSCAD的開發(fā)成功，使得用戶能更方便地使用EMTDC進行電力系統(tǒng)分析，使電力系統(tǒng)復(fù)雜部分可視化成為可能，而且軟件可以作為實時數(shù)字仿真器的前置端?？赡M任意大小的交直流系統(tǒng)。PSCAD V1 1988年首先在阿波羅工作站上使用，然后大約在1995年 PSCAD V2開始應(yīng)用。PSCAD V3以PC

21、 Windows作為平臺，在1999年面 世。目前最新版本的是PSCAD V4.2.1。用戶可以通過調(diào)用隨EMTDC主程序一起提供的庫程序模塊或利用用戶自己開發(fā)的元部件模型有效地組裝任何可以想象出的電力系統(tǒng)模型和結(jié)構(gòu)。EMTDC 的威力之一是可以較為簡單地模擬復(fù)雜電力系統(tǒng), 包括直流輸電系統(tǒng)和其相關(guān)的控制系統(tǒng)。所以PSCAD是電力專業(yè)十分有用的仿真軟件，我們組的課題系統(tǒng)節(jié)點較多，傳統(tǒng)的手工計算顯然不切實際，于是利用PSCAD仿真運行出結(jié)果就成了本次課程設(shè)計最為關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。4.仿真調(diào)試及實驗分析 4.1系統(tǒng)仿真圖設(shè)計過程 PSCAD為用戶提供了一些特殊的運行元件用于在線控

22、制輸入數(shù)據(jù)，并且可以記錄及顯示EMTDC輸出數(shù)據(jù)，比如圖形框、圖表、曲線和一些儀表。用戶可以直接控制EMTDC的輸入變量，所以可以在仿真運行時改變這些變量。對于輸出的圖形信息或者整個圖形框，用戶可以把其作為圖片復(fù)制出來，或者提取其中的變量數(shù)據(jù)信息。 PSCAD軟件中模塊主要用于整合多個元件，把具有一定功能的元件組放入一個可稱之為“子系統(tǒng)”的模塊中，這樣使得整個系統(tǒng)看起來更為簡潔。連接模塊和外部電路的信號有兩種：數(shù)據(jù)信號（Data Signals）和電氣信號（Electrical Signals）。4.2 系統(tǒng)仿真圖根據(jù)課題要求，從PSCAD仿真圖中可以看到整個模塊

23、的模型，各母線間的線路采用型等值電路，以及用來采集各母線上信號的裝置，這樣潮流分布就能通過圖表來觀測。圖4.1系統(tǒng)等值電路仿真圖（含發(fā)電機）圖4.2發(fā)電機我們組是實現(xiàn)L6-7線路靠近母線6側(cè)的各種類型的短路故障的仿真，在做三相短路的時候需要用分線工具將單項線分解為三相線路，把三相線路分別接至短路控制其加以控制，控制數(shù)據(jù)見圖，在加上短路時間控制器實現(xiàn)對短路的控制，用于控制短路時間的長度，然后再三相線路上分別加上電流表用于測量短路電流，加上電壓表用于測量電壓。下面以L6-7短路作為示例，模型如圖4.3所示。圖4.3短路模型5系統(tǒng)等值電路仿真波形圖及分析5.1線路L6-7 單相接地故障電流電壓波形圖

24、5.1單相接地故障時單相電流波形圖5.2單相接地故障時單相電壓波形5.2線路L6-7 AB兩相電路電流電壓波形圖5.3 AB兩相電路電流波形圖5.4 AB兩相電路電壓波形5.3線路L6-7 AB兩相接地短路電流電壓波形圖圖5.5 AB兩相接地短路各相電流波形圖5.6 AB兩相接地短路時各相電壓波形5.4線路L7-6 三相短路電流電壓波形圖5.7 三相短路電流波形、圖5.8 三相短路電壓波形所以我們不難從中歸納出，串聯(lián)電路中，短路部位的電壓等于0V，其它完好部位兩端有電壓，且電壓之和等于電源電。不管短路成因是多么復(fù)雜，其實質(zhì)卻很簡單，我們可以認為“短路”的用電器實質(zhì)就是電阻很小，相當于一根導(dǎo)線。在分析中用導(dǎo)線代替“短路”的用電器，往往會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