电力系统分析课程设计Word格式.docx
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4.参考资料
1.电力系统分析。
2.powerworld使用说明书。
5.设计进度（2013年11月25日至12月6日）
时间
设计内容
第1-2天
查阅资料，方案比较、设计与论证，理论分析与计算
第3-8天
完成电力网络规划
第9-12天
系统负荷计算、短路计算、功率因素补偿
第13-14天
绘制图纸、书写报告、答辩
6.答疑地点
新实验楼321
第一章电力系统及其发展
1.1电力系统概况
电力系统是指由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。
为实现这一功能，电力系统在各个环节和不同层次还具有相应的信息与控制系统，对电能的生产过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，以保证用户获得安全、经济、优质的电能。
电力系统的出现，使电能得到广泛应用，推动了社会生产各个领域的变化，开创了电力时代，出现了近代史上的第二次技术革命。
20世纪以来，电力系统的大发展使动力资源得到更充分的开发，工业布局也更为合理，使电能的应用不仅深刻地影响着社会物质生产的各个侧面，也越来越广地渗透到人类日常生活的各个层面。
电力系统的发展程度和技术水准已成为各国经济发展水平的标志之一。
1.2电力工业的发展
中国的电力系统从50年代以来迅速发展。
到1991年底，电力系统装机容量为14600万千瓦,年发电量为6750亿千瓦时,均居世界第4位；
220千伏输电线路达46056公里,330千伏输电线路3817公里。
装机容量超过1500万千瓦以上的有东北、华北、华东、华中等4个大区的电力系统。
各大区电力系统之间已开始互联，逐步形成全国范围的联合电力系统。
全国各级调度中，已经有约60个程度不同地建立了电力系统监控系统，其中投入运行的在线计算机约70台，省级调度管辖的远动装置约1200台。
此外，1989年中国台湾省电力系统的装机容量达1659万千瓦，年发电量769亿千瓦时，345千伏输电线路1192公里。
系统构成 电力系统的主体结构有电源（水电站、火电厂、核电站等发电厂），变电所（升压变电所、负荷中心变电所等），输电、配电线路和负荷中心。
各电源点还互相联接以实现不同地区之间的电能交换和调节，从而提高供电的安全性和经济性。
输电线路与变电所构成的网络通常称电力网络。
电力系统的信息与控制系统由各种检测设备、通信设备、安全保护装置、自动控制装置以及监控自动化、调度自动化系统组成。
电力系统的结构应保证在先进的技术装备和高经济效益的基础上，实现电能生产与消费的合理协调。
根据电力系统中装机容量与用电负荷的大小，以及电源点与负荷中心的相对位置，电力系统常采用不同电压等级输电（如高压输电或超高压输电），以求得最佳的技术经济效益。
根据电流的特征，电力系统的输电方式还分为交流输电和直流输电。
交流输电应用最广。
直流输电是将交流发电机发出的电能经过整流后采用直流电传输。
由于自然资源分布与经济发展水平等条件限制，电源点与负荷中心多处于不同地区。
由于电能目前还无法大量储存，输电过程本质上又是以光速进行，电能生产必须时刻保持与消费平衡。
因此，电能的集中开发与分散使用，以及电能的连续供应与负荷的随机变化，就成为制约电力系统结构和运行的根本特点。
最早的电力系统是简单的住户式供电系统，由小容量发电机单独向灯塔、轮船、车间等照明供电。
白炽灯的发明，使电能的应用进入千家万户，从而出现了中心电站式供电系统，如1882年T.A.爱迪生在纽约主持建造了珍珠街电站。
它装有6台直流发电机,总容量为900马力（约670千瓦）,用110伏电压供给电灯照明（开始时，近1300盏灯）。
19世纪90年代初，三相交流输电研究成功，随之，三相感应电动机及交流功率表也先后研制成功，推动了电力系统的发展。
1895年在美国尼亚加拉建成了复合电力系统，这是早期交流电力系统的代表。
它装有单机容量为5000马力的交流水力发电机，用二相制交流2.2千伏向地区负荷供电,又用三相制交流11千伏输电线路与巴伐洛电站相连，还使用了变压器和交直流变换器将交流电变为100～230伏直流电，供应照明、化工、动力等负荷。
尼亚加拉电力系统的成功，结束了长达10年的关于直流输电（以爱迪生为代表）与交流输电（以G.威斯汀豪斯为代表）方案之争。
交流电力系统可以提高输电电压，增加装机容量，延长输电距离，节省导线材料，具有无可争辩的优越性。
交流输电地位的确定，成为电力系统大发展的新起点。
进入20世纪后，人们普遍认识到扩大电力系统规模可以在能源开发、工业布局、负荷调整、安全与经济运行等方面带来显著的社会经济效益。
于是，以电力负荷的增长、发电机单机容量的增大和输电电压的提高为基础，电力系统的规模迅速发展。
发达国家的动力、冶炼、化工、轻工、生活用电等电力总负荷平均每10年增加一倍。
70年代，火力发电的单机容量已达到130万千瓦,水力发电的单机容量达73万千瓦，核电站的最大单堆电功率达130万千瓦。
输电电压等级的提高是扩大电力系统规模的主要技术手段和必然途径。
从20世纪初开始出现110千伏输电电压，到80年代许多国家普遍建立了500～765千伏超高压输电的电力系统。
1150千伏和1500千伏特高压输电也已进入试验或试运行阶段。
50年代以来，电力电子技术的进步，使直流输电技术获得新生，实现了高压和超高压直流输电，配合交流输电组成的交直流混合系统，改进了电力传输和系统互联的功能。
经过一个多世纪的发展，许多国家都建成了总装机容量数亿千瓦的区域性大电力系统，并且在本国或跨国间互联,例如英、法、德、意电力系统互联,加拿大与美国电力系统互联，苏联与东欧国家电力系统互联等。
苏联还在全国范围建立起统一电力系统，东西延伸7000公里，南北延伸3000公里，覆盖了大约1000万平方公里的领土。
从19世纪80年代的住户电站到20世纪80年代的联合电力系统，电力系统已经成为现代社会的能源动脉和基础产业，并且仍在继续发展和提高。
第二章潮流计算
潮流计算是根据给定的系统接线和运行参数等条件，求解电力系统的运行状态，如母线的电压幅值及相位、网络中的功率分布及功率损耗。
电力系统潮流计算是研究电力系统稳态运行情况的一种基本电气计算。
电力系统潮流计算的用途：
系统正常运行性能分析、故障分析、稳定计算、电力系统规划。
2.1潮流计算的意义：
（1）在电网规划阶段,通过潮流计算,合理规划电源容量及接入点,合理规划网架,选择无功补偿方案,满足规划水平的大、小方式下潮流交换控制、调峰、调相、调压的要求。
（2）在编制年运行方式时,在预计负荷增长及新设备投运基础上,选择典型方式进行潮流计算,发现电网中薄弱环节,供调度员日常调度控制参考,并对规划、基建部门提出改进网架结构,加快基建进度的建议。
（3）正常检修及特殊运行方式下的潮流计算,用于日运行方式的编制,指导发电厂开机方式,有功、无功调整方案及负荷调整方案,满足线路、变压器热稳定要求及电压质量要求。
（4）预想事故、设备退出运行对静态安全的影响分析及作出预想的运行方式调整方案。
2.2潮流计算的发展趋势：
通过几十年的发展，潮流算法日趋成熟。
近几年，对潮流算法的研究仍然是如何改善传统的潮流算法，即高斯-塞德尔法、牛顿法和快速解耦法。
牛顿法，由于其在求解非线性潮流方程时采用的是逐次线性化的方法，为了进一步提高算法的收敛性和计算速度，人们考虑采用将泰勒级数的高阶项或非线性项也考虑进来，于是产生了二阶潮流算法。
后来又提出了根据直角坐标形式的潮流方程是一个二次代数方程的特点，提出了采用直角坐标的保留非线性快速潮流算法。
第三章PowerWorld软件
3.1软件简介
PowerWorld仿真器是美国伊利诺伊大学电气及计算机工程系开发的一个基于潮流计算的可视化仿真软件其强大的对电力系统分析能力及其可视化环境以及良好的交互性交互能力和图形化方法等特点使它在胜任严谨的工程分析的同时适用于向非专业人员演示复杂的电力系统运行并阐明其原理。
自90年代末美国重大电力变革时期以来PowerWorld被广泛地应用在电力系统教学和实验中得到越来越多美国大学和工业界的重视和认可。
更新改进后的PowerWorldV.13版本及第一个已经问世的中文版本仿真器使用方便、功能强大、可视化程度更高。
作为电力系统辅助教学工具软件在加深学生对所学知识的理解方面起着重要的作用3。
在我国高等院校和电力企业系统运行分析和相关专业培训方面也将有很好的应用前景。
PowerWorld由3部分合成:
独立潮流部分、时域潮流仿真部分、图像电力系统编辑器。
其核心是强大的综合电力系统潮流计算软件能演算多达32500母线的系统，与其他商业潮流分析软件不同的是该软件能通过全彩动画单线图形象化地模拟多区域互联的电力系统并支持全屏缩放zooming和屏幕漫游panning。
用户能使用GUI建立自己的系统模型或利用及修改软件包中已有的模型进行模拟仿真。
在动态仿真运行过程中用户简单地操作鼠标就可以做到:
1、将输电线可以投入、投出运行。
2、添加新的输电线或发电机。
3、改变负荷、发电量、有功、无功输出等。
4、建立新的电力交易。
从而理解系统控制、变压器分接头改变等对电力系统潮流分布的影响以及经济调度、区域电力交易、功率传输分配因子PTDF计算、故障分析等重要概念及其实现。
3.2功能
PowerWorld的强大功能及简易操作PowerWorld可直观的显示电力系统的运行情况且用户也易于在动画图像中进行各种操作。
用户可以简单地用鼠标点击图标来改变各种元件数值或在菜单中设置各种操作:
如在某些发电机、负荷、或变压器等旁有上下箭头用鼠标点击各上下箭头可分别改变发电机出力、负荷大小、及变压器分接头等4。
单击断路器可以改变其关/断状态。
用户可以断开一条线路进行N21校验改变负荷大小或发电机出力大小等观察有无过负荷观察电力中断、连锁停电现象等。
3.2.1电力交易模拟分析
PowerWorld采用最优化潮流运算OPT模拟实际的电力市场考虑各区域的约束各地区的供应与需求平衡考虑输电系统的各种约束边缘成本局部化采用最优化潮流运算OPT5。
OPT以见效成本为目标并考虑各种约束:
平衡约束母线有功/无功平衡、发电机电压设定值、区域有功功率交换、输电线/变压器/表面功率约束非平衡约束输电线/变压器/表面功率约束、发电机有功功率约束、发电机无功功率容量曲线、母线电压幅值。
仿真中用户可以通过改变机组有功出力和相角变换器来进行控制。
3.2.2系统故障分析
PowerWorld可以模拟系统故障并进行故障分析。
故障分析包括不平衡故障分析单相接地短路、线间短路、双线接地短路、三相平衡故障、及互阻抗。
用户可以在菜单中设置各种故障来进行仿真分析。
模拟器采用的各种线性分析技术包括:
功率传输分配因子PTDF、支路开断分布系数LODF、电机开断分布系数OTDF、总径流线性响应TLR2。
3.2.3PowerWorld在教学中的应用
PowerWorld已经广泛应用于美国本科及研究生电力系统运行、控制及分析教育。
软件简单易学同时其对电力系统的详尽形象的刻画又对工程专业的学生极其富有挑战性。
教学中可以通过该软件:
1、计算和存取潮流雅可比矩阵JacobianMa2trix和母线导纳矩阵数据。
2、交流和/或直流运算结果。
3、单步求解。
阶段性查取运算结果。
4、计算和理解功率传输分配因子PTDF、通用调度框架GSF、总径流线性响应TLR、支路开断分布系数LODF、潮流、电压、及网损灵敏度。
5、进行平衡和非平衡故障分析。
6、建立自动平衡系统。
7、建立最优化程序和安全运行程序。
、8潮流模型比较工具可建立一个标准模型依次与其他模型进行比较。
9、单步仿真。
3.2.4PowerWorld的主要工具
Powerworld有两种不同的模式：
编辑模式和运行模式。
操作过程中大家要注意当前工作模式，模式选择不正确，会不能正确进行相应的操作。
编辑模式用于创建新的样程和单线图或者修改已存在的样程和单线图。
通过点击程序栏的“编辑模式”（EDITMODE）按钮可切换到本模式。
运行模式可求解单步潮流计算问题以及运行电力系统的时域仿真。
在程序栏上点击“运行模式”（RUNMODE）按钮进入该模式。
快捷菜单提供了在单线图界面中直接获得若干选项和工具的方法。
将鼠标置于单线图的空白处，单击鼠标右键，即会出现一个快捷菜单。
快捷菜单是执行命令的最方便的方式，其内容取决于当前工作模式是编辑模式还是运行模式。
文件菜单主要用于打开、保存、打印完整的样程或者单线图，也用于创建新样程、样程查错或者退出仿真器。
格式菜单用于编辑模式下定制单线图的外观。
包括：
更改字体、设备图元的显示特性，如线条粗细、图形填充颜色、所绘设备的放大比例及其层次等方面。
缩放就是通过改变视图的放大倍率来调整单线图的显示区域。
放大会使屏幕上显示的单线图较放大前的单线图的内容少。
缩小而则使屏幕上显示的内容相应多一些。
可按照下述说明，操作键盘缩放单线图：
使用Ctrl-↑放大
使用Ctrl-pageup快速放大
使用Ctrl-↓缩小
使用Ctrl-pagedown快速缩小
缩放工具栏（ZoomPalette）提供一些附加选项：
使用工具栏中ZoomPalette的ZoominonArea按钮，选择想要放缩的部分。
使用工具栏中ZoomPalette的ShowFullOne-line按钮，以在屏幕中显示出完整的单线图。
使用工具栏中ZoomPalette的Pan/ZoomControl按钮，显示Zoom、Panandfind对话框。
单击PowerWorldToolbar中Zoom/PanPalette上的“+”按钮，则单线图放大；
而按“－”时，则缩小。
移位就是通过移动屏幕中心的位置来移动单线图。
你将屏幕的中心位置上、下、左、右移动，就可以看到一幅单线图的不同部分。
使用键盘时，要按照如下用法：
使用方向箭头，按希望的方向移动
使用pageup快速向上移动
使用pagedown快速向下移动
使用Home键快速向左移动
使用End键快速向右移动
你也可以使用缩放工具栏（Pan/ZoomPalette）移动单线图。
单击方向箭头，把中心位置移到你想要的位置即可。
另外你可以使用Pan/Zoom对话框将单线图移到特定的位置，甚至是某个节点的位置。
要想得到Pan/Zoom对话框，可以从工具栏中ZoomPalette上选择Pan/ZoomControl按钮，或者从单线图快捷菜单中选择FindObject/Pan/Zoom。
窗口菜单包括影响屏幕窗口外观显示的几个命令，并列出了仿真器目前打开的子窗口。
窗口菜单栏包括以下命令：
平铺排列Tile
选择该项，将重新排列已打开的单线图文件，使整个窗口被它们平分，并且每一个都可以完整地显示。
分级排列Cascade
选择该项，重新排列已打开的窗口，把它们重叠排列，可以看到每一个标题栏。
刷新显示RefreshDisplays
刷新已打开的每一个窗口。
仿真器在必要时通常会自动刷新已打开的窗口。
但是，该选项允许你在需要的时候启动它。
显示全部ShowFull
在当前激活的单线图上改变放缩倍数和中心的位置，使单线图包含的所有设备都可以在屏幕中显示出来。
然后，你可以使用缩放栏中的ZoominonArea按钮，或Ctrl-↓去放缩你感兴趣的部分。
工具栏Toolbars
为用户提供控制工具栏选项可视与否的选项。
这个子菜单列表示出了所有可得到的工具栏的名称。
那些当前显示出来的都有标记和标注。
单击Toolbars上各选项名称，即可显示或隐藏它。
3.3使用操作步骤
首先从开始－程序－PowerWorld－PowerWorldSimulator或者双击Simulator的图标，启动Simulator系统。
（1）母线：
1．在主菜单上点击Insert→Bus或插入工具栏上点击母线图元按钮。
2．在想放置新母线的地方单击左键，打开BusOption对话框。
3．在BusOption对话框中设定母线名称、母线外观、母线所在的地区、母线所在的区域、母线额定电压以及是否为系统松弛节点等，并且设定与之相连的负荷及对地电容补偿。
4．按Ok键完成母线的设定，并且关闭母线选择对话框，这时母线已经出现在设定的位置。
（2）发电机：
1．在主菜单上点击Insert→Generator或在插入工具栏上点击发电机按钮。
2．在需要安装发电机的母线上单击一下左键，打开GeneratorOption对话框。
3．在对话框中设定发电机的名称、外观、输出功率控制和电压控制有功功率、有功功率极限、无功功率极限、电压设定值和计费方式。
（3）负荷的母线：
再画一条母线，在主菜单上选取Insert→Bus或在插入工具栏中点击母线的按钮，然后在单线图中母线1的右侧单击左键打开BusOption对话框，在BusNumber一栏中就使用缺省值2，BusName填入TWO。
我们还要在母线上加上一个100MW，40MVR的负荷，点击AttachedDevices标签，其中有一个LoadSummaryInformation编辑框，在BaseMW和BaseMVR栏目中分别填入200和100，然后按Ok键就把母线画上了。
添加负荷
此时，尽管母线2上并没有出现负荷，但负荷实际上已经在电力系统模型中。
要想在单线图上画一个负荷，选择主菜单上的Insert→Lord或直接在屏幕下方的插入工具栏上点击负荷图元的按钮，在母线上单击左键，打开LoadOption对话框，通过此对话框可以看出负荷是200MW，100MVR。
此外，Simulator还允许用户建立随电压变化的负荷模型。
Orientation栏决定了所画负荷元件的方向，选择Up，负荷指向上。
然后，选定Anchored，把负荷固定在母线上，这样母线移动时，负荷也会随着移动。
点击Ok键，负荷就画上了。
每个负荷都自动带一个断路器。
如果要移动母线2，先把鼠标移到母线上（不是负荷上），按住左键，移动鼠标（这就是拖动）。
负荷也会移动，因为它已经被固定了。
要想改变负荷在母线上的位置，只要用左键按住负荷，就可以把它拖到其他位置。
（4）输电线：
1．在主菜单上选择Insert→TransmissionLine或在插入工具栏上点击输电线图元的按钮。
2．在输电线的起始点上单击左键，这个点通常在一个线路的始端母线上。
3．放开鼠标键，移动鼠标，将看到一条线段，一端在起始点，另一端随鼠标移动。
输电线和变压器由一串连续的线段组成。
如果结束此线段，只要点击鼠标左键。
如果开始画下一条线段，只要再移动鼠标即可。
每次点击左键都会确定一条线段，同时确定一个顶点，可以移动或删除这些顶点来改变输电线。
4．确定输电线的最后段，在结束处双击鼠标左键，这个点通常在另一个母线上。
此时出现一个TransmissionLine/Transformer对话框。
5．在对话框中设定输电线的参数，按Ok键就出现一条输电线。
现在我们在母线1和母线2之间画上一条输电线。
在主菜单上选择Insert→TransmissionLine，然后在母线1上适当位置上单击左键，画出输电线的一个点。
把鼠标向上移一小段距离单击左键，然后把鼠标平移到母线2的上方单击左键，再把鼠标移到母线2的适当位置上，双击左键立即会出现TransmissionLine/Transformer对话框。
在FromBusNumber一栏中已经自动填入1，ToBusNumber中已经自动填入2。
在Resistance（R），Reactance（X）和Changing（RorC）栏目中填入线路参数的标幺值，这三个栏目分别填入0.02，0.08，0.1。
在LimitA（MVA）一栏中填入线路的额定视在功率，填入400。
最后点击Ok键，输电线就画完成了。
右击输电线路上的饼图，在弹出对话框的MVARating项也可以改变线路的额定视在功率。
（5）放置断路器
现在放置断路器，断路器用来控制线路的状态。
点击Insert→CircuitBreaker然后在输电线靠近母线1一端单击鼠标左键，会出现一个CircuitBreakerOptions对话框，FromBus和ToBus已经分别填入1和2。
写上标题和母线、线路注释，让我们在单线图上填写一些注释，这样可以更清楚地了解网络的运行情况。
首先我们给单线图加一个标题，在主菜单上选取Insert→Text，打开TextObjects对话框，写入“FirstCase”，点击Ok键。
为了让标题看起来漂亮一些，可以作一些设置，选择Format→Font，打开相应的对话框，将字号设置为26，字的颜色设为蓝色。
要想改变标题的背景色，点击Format→Line/Fill，打开EditMultipleObjects对话框，选中UseBackgroundFill一栏，给标题设置白色背景，然后按Ok键。
如果你对标题的位置不满意，可以用鼠标进行拖动。
下面我们将要在图上标出母线有关参数的注释，步骤如下：
1．右击母线，打开母线上的弹出式菜单。
2．在弹出式菜单上选择AddNewFieldsaroundBus，打开InsertNewFieldsaroundSelectedObjects对话框。
3．使用此对话框可以设置你想要加入的注释，每个母线可以加入8个注释。
4．点击Ok键，单线图上母线周围将出现所设置的注释。
下面举一个例子，我们将在母线1上写上名称、母线电压、实际发出有功、实际发出无功，在母线2写上名称、母线电压、有功负荷、无功负荷。
分以下四步完成：
首先，右击母线1，选择AddNewFieldsaroundBus，打开BusFields对话框。
因为母线1水平放置，所以采用屏幕右上方图的标注形式。
在母线1的位置1设定Name，位置5设定Voltage，然后点击Ok，也可以按键盘上的回车键。
这样，在母线1的所设置位置上就会出现母线的名称和电压。
对于母线2也采用相同的步骤。
有必要的话，我们也可以用鼠标来拖动已设置好的数值。
下面在与母线1相连的发电机周围填写实际发出有功功率和无功功率的注释。
右击发电机，选择AddNewFieldsAroundGenerator选项，打开GeneratorFields对话框，由于发电机是向下的，因此使用屏幕上最靠右上的那个图。
在位置1设定ActualMW，在位置2设定ActualMVR。
最后我们在与母线2相连的负荷周围填写有功负荷和无功负荷的注释。
右击负荷，点击AddNewFieldsAroundLoad，打开LoadFields对话框，由于负荷是向上的，因此适用于左边第二个图，用下拉式对话框在位置5中设置MW，在位置6中设置Mvar。
下面我们要在输电线上填加
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