基于PSCAD的电力系统暂态分析课程设计.docx
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基于PSCAD的电力系统暂态分析课程设计
1绪论
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国内外电力系统发展现状
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2400kW·h。
预计在1995～2020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，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。
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）熟悉PSCAD软件；
（2）编写潮流计算流程图；
（3）建立系统接线图的仿真过程；
（4）得出仿真结果。
内容为如图1.1所示，此测试电力系统由三个控制区域组成，区域1是一种典型供电系统，总装机容量为5700MVA、最大负荷为5000MW，大部分装机容量距离负荷相对较近，即接于母线3容量为4400MVA的发电厂。
另外，1300MVA是离负荷较远的核电机组，通过长距离500KV线路向负荷送电。
区域2代表附近地区的总装机容量和总负荷，此系统总装机容量为60000MVA，最大负荷为40000MW。
区域2通过2条500KV线路与区域1相连。
区域3是一个大规模相邻系统，装机容量为70000MVA，最大负荷为50000MW，此区域也通过2条500KV线路与区域1相连。
试求：
计算母线8和母线9之间线路之间F的中点发生短路的短路电流。
图1.1简单电力系统接线图
1.4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电力系统短路的暂态分析
2.1电力系统短路类型分类
在电力系统的运行过程中,时常会发生故障,如短路故障、断线故障等。
其中大多数是短路故障（简称短路）。
所谓短路,是指电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与地（或中性线）之间的连接。
在正常运行时，除中性点外，相与相或相与地之间是绝缘的。
表2-1示出三相系统中短路的基本类型。
电力系统的运行经验表明，单相短路接地占大多数。
三相短路时三相回路依旧是对称的，故称为对称短路；其它几种短路均使三相回路不对称，故称为不对称短路。
上述各种短路均是指在同一地点短路,实际上也可能是在不同地点同时发生短路，例如两相在不同地点短路。
产生短路的主要原因是电气设备载流部分的相间绝缘或相对地绝缘被损坏。
表2-1短路类型
短路种类
短路类型
示意图
符号
对称短路
三相短路
f（3）
不对称短路
单相接地短路
f
（1）
两相短路
f
（2）
两相接地短路
f（1,1）
短路对电力系统的正常运行和电气设备有很大的危害。
在发生短路时，由于电源供电回路的阻抗减小以及突然短路时的暂态过程，使短路回路中的短路电流值大大增加，可能超过该回路的额定电流许多倍。
短路点距发电机的电气距离愈近（即阻抗愈小），短路电流愈大。
2.2电力系统三相短路分析
简单三相电路中发生突然对称短路的暂态过程图2-1所示。
在此电路中假设电源电压幅值和频率均为恒定，这种电源称为无限大功率电源。
实际上，真正的无限大功率电源是没有的，而只能是一个相对的概念，往往是以供电电源的内阻抗与短路回路总阻抗的相对大小来判断电源能否作为无限大功率电源。
若供电电源的内阻抗小于短路回路总阻抗的10%时，则可认为供电电源为无限大功率电源。
在这种情况下，外电路发生短路对电源影响很小，可近似地认为电源电压幅值和频率保持恒定。
图2-1无限大功率电源供电的三相电路突然短路
对于图2-1所示的三相电路，短路发生前，电路处于稳态，其a相的电流表达式为：
（2-1）
式中
当在
点突然发生三相短路时，这个电路即被分成两个独立的回路。
左边的回路仍与电源连接，而右边的回路则变为没有电源的回路。
在右边回路中，电流将从短路发生瞬间的值不断地衰减，一直衰减到磁场中储存的能量全部变为电阻中所消耗的热能，电流即衰减为零。
在与电源相连的左边回路中，每相阻抗由原来的
减小为
，其稳态电流值必将增大。
短路暂态过程的分析与计算就是针对这一回路的。
假定短路在t=0秒时发生，由于电路仍为对称，可以只研究其中的一相，例如a相，其电流的瞬时值应满足如下微分方程：
（2-2）
这是一个一阶常系数、线性非齐次的常微分方程，它的特解即为稳态短路电流
，又称交流分量或周期分量
为：
（2-3）
式中，Z为短路回路每相阻抗（
）的模值；
为稳态短路电流和电源电压间的相角（
）；
为稳态短路电流的幅值。
短路电流的自由分量衰减时间常数
为微分方程式（2-2）的特征根的负倒数，即：
（2-4）
短路电流的自由分量电流为：
（2-5）
又称为直流分量或非周期分量，它是不断衰减的直流电流，其衰减的速度与电路中
值有关。
式中C为积分常数，其值即为直流分量的起始值。
短路的全电流为：
（2-6）
式中的积分常数C可由初始条件决定。
在含有电感的电路中，根据楞次定律，通过电感的电流是不能突变的，即短路前一瞬间的电流值（用下标
表明）必须与短路发生后一瞬间的电流值（用下标0表示）相等，即：
所以：
（2-7）
将式（2-7）代入式（2-6）中便得：
（2-8）
由于三相电路对称，只要用
和
代替式（2-8）中的
就可分别得到b相和c相电流表达式。
现将三相短路电流表达式综合如下：
（2-9）
实际上，电力系统短路电流的工程计算在大多数情况下，只要求计算短路电流基频交流分量（以后略去基频二字）的初始值，也称为次暂态电流
。
这是由于使用快速保护和高速断路器后，断路器开断时间小于0.1s，此外，若已知交流分量的初始值，即可以近似决定直流分量以至冲击电流。
交流分量初始值的计算原理比较简单，可以手算，但对于大型电力系统则一般应用计算机来计算。
工程上还用一种运算曲线，是按不同类型发电机，给出暂态过程中不同时刻短路电流交流分量有效值对发电机与短路点间电抗的关系曲线，它可用来近似计算短路后任意时刻的交流电流。
2.3电力系统不对称短路分析
电力系统简单不对称故障可分为单相接地短路、两相短路、两相短路接地、单相断开和两相断开等。
电力系统运行经念表明，单相短路占大多数，上述短路均是指在同一地点短路，实际上也可能在不同地点同时发生短路，例如两相在不同地点接地短路。
依照短路发生的地点和持续时间不同，它的后果可能使用户的供电情况部分地或全部地发生故障。
人们在长期的实践中发现，在三相电路中，任意一组不对称的三相相量（电压或电流），可以分解为三组三相对称的相量分量。
在线性电路中，可以用叠加原理对这三组对称分量按照三相电路去解，然后将其结果叠加起来。
就是不对称三相电路的解答，这个方法就叫做对称分量法。
设
，
，
为三相系统中任意一组不对称的三相量，可以分解为三组对称的三序分量如下：
（2-10）
对称分量法在不对称短路计算中的应用电力系统的正常运行一般是对称的，它的三相电路的参数相同，各相的电流，电压对称，这就是说只有正序分量存在。
当电力系统的某一点发生不对称故障时，它的对称条件受到破坏，三相对称电路就成为不对称的了。
此时，可用对称分量法，将实际的故障系统变成三个互相独立的序分量系统，而每个序分量系统本身又是三相对称的，从而就可以用进行电路计算了。
网络中各点电压的不对称程度主要有负序分量决定。
负序分量越大，电压越不对称。
其中单相短路时电压的不对称程度要比其他类型的不对称短路时小些。
不管发生何种不对称短路，短路点的电压最不对称，电压不对称程度将随着离短路点距离的增大而逐渐减弱。
正序等效定则，是指在简单不对称短路的情况下，短路点电流的正序分量与在短路点各相中接入附加电抗而发生三相短路时的电流相等。
所有短路类型短路电流的正序分量可以统一写成：
（2-11）
表示附加电抗，上角标（n）代表短路类型。
短路电流的绝对值与正序分量的绝对值成正比，即
，试中
为比列系数，其值视短路类型而定如表2-2所示。
表2-2短路类型
3方案设计
3.1方案概述
DennisWoodford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：
UNIXOS，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（ElectroMagneticTransientinDCSystem）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（VersatileTool）工具。
PSCAD（PowerSystemComputerAidedDesign）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（RealTimeDigitalSimulator，RTDS）的前置端（FrontEnd）。
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。
MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。
它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。
它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。
MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
MATLAB虽然使用很方便，但所得出的仿真结论在行业内的认可程度很低。
而EMTDC/PSCAD因拥有完整全面的元件库，稳定的计算流程，友好的图形界面，使它在全世界得到了广泛的应用。
在我国国内，电磁暂态程序中用的最多的也是PSCAD。
故本次电力系统短路计算课程设计我们选择电力系统仿真软件PSCAD，而不是MATLAB软件。
通过电力系统仿真软件PSCAD，我们可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，对短路点的电压、电流进行测量，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系统框图设计
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，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（DataSignals）和电气信号（ElectricalSignals）。
根据课题要求，设计系统框图如图3.1所示。
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π型等值电路模块；发电机模型由同步电机、励磁系统和调速系统组成；以及短路类型由短路装置模块设置。
短路电流通过电流表测量，这样短路电流就能在图表来观测。
图3.1PSCAD仿真图
4实验仿真调试及结果
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。
通过短路模块设置，使母线8和母线9之间线路F的中点发生三相短路时，短路电流仿真波形如图4.1所示，A相电压波形如图4.2所示。
图4.1三相短路电流波形图
图4.2三相短路A相电压波形图
对于电力系统简单不对称故障可分为单相接地短路、两相短路、两相短路接地、单相断开和两相断开等。
电力系统运行经念表明，单相短路占大多数。
通过短路模块设置，使母线8和母线9之间线路F的中点发生A相接地短路故障时，A相故障电流仿真波形如图4.3所示，A相故障电压波形如图4.4所示。
图4.3A相接地故障电流波形图
图4.4A相接地故障A相电压波形图
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。
还有就是有的看不到波形，最后通过改变纵横坐标的大小解决了这一问题。
总的来说本次仿真基本符合要求。
5总结
我组的任务是测试母线8和母线9之间线路F的中点发生短路的短路电流。
由于对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，实验有点困难。
通过去图书馆借了一些有关PSCAD的书籍、和同学一起讨论及到网上查阅资料完成这些初步工作。
接下来就是画出一个设计图，然后根据一些资料进行修改。
后来发现编译老是有错误，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，好在又重新看了一下使用手册才弄清楚图形输出问题。
总之这次课程设计收获蛮大的，对PSCAD软件有了初步了解，大致的仿真流程以及为满足系统要求，而不断做出修改，同时意识到PSCAD的博大精深，今后一定会进一步学习，在这个过程中，我也明白了只要用心去做，认真去做，持之以恒，就会有新的发现，有意外的收获。
这为以后的电力系统暂态分析和毕业设计会有很大的帮助。
参考文献
[1]何仰赞.电力系统稳态分析[M].武汉：
华中科技大学出版社，2002.
[2]何仰赞.电力系统暂态分析[M].武汉：
华中科技大学出版社，2002.
[3]电力系统计算[M].北京：
水利电力出版社，1993.12
[4]于永源，杨绮雯.电力系统分析[M].北京：
中国电力出版社，2004.3
[5]PSCAD实验指导书.
致谢
本设计能够顺利的完成得到了系老师的大力支持和帮助，尤其是我的指导老师黄肇，在百忙之中抽出宝贵的休息时间，仔细耐心为我指导。
在设计过程中，黄老师和同学一并帮我分析遇到的种种困难。
一直支持、鼓励我要有解决问题的信心，使设计得以顺利的完成。
我可以将理论知识与实践操作紧密联合在一起，这也为我以后在工作岗位上可以成为一个理论与实践能力并重的双优人才奠定了一定的基础。
与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。
在开发的同时，和小组的同学们之间的相互探讨也使我获益匪浅。
在此，对他们表示由衷的感谢！
电力技术日新月异地飞速发展，人们总是处在不断学习阶段，再加上我水平有限，所以本设计肯定存在许多不尽如人意的地方，欢迎广大老师和同学批评指正。
最后，要感谢电气系所有老师，他们精心的栽培为我以后的学习工作打下了坚实的基础。
致谢人：
龚亮
2013年6月30日
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