电力系统稳态分析课程设计

1 绪论

电力工业发展初期，电能是直接在用户附近的发电站（或称发电厂）中生产的，各发电站孤立运行。随着工农业生产和城市的发展，电能的需要量迅速增加，而热能资源和水能资源丰富的地区又往往远离用电比较集中的城市和工矿区，为了解决这个矛盾，就需要在动力资源丰富的地区建立大型发电站，然后将电能远距离输送给电力用户。同时，为了提高供电的可靠性以及资源利用的综合经济性，又把许多分散的各种形式的发电站，通过送电线路和变电所联系起来。这种由发电机、升压和降压变电所，送电线路以及用电设备有机连接起来的整体，即称为电力系统。

电力系统有两种基本的运行状态，即稳态与暂态。电力系统稳态运行时，发电厂中原动机的输入功率同输出功率相平衡，系统的频率和电压都是稳定的。然而，这种运动中的稳态，并不是绝对不变的。当系统受到某种干扰时，上述功率的平衡即被打破，运动状态也将随之而变。由于系统中包含有许多惯性元件，运动状态的变化不能瞬时完成，而必须经历一个过渡状态，这种过渡状态称为暂态。

由于实际的干扰总是有大有小，因此电力系统在经受干扰以后，其过渡的结局便有两种可能性：一种情况是，系统从原来的稳态过渡到另一种新的稳态，其运行参数（电压和频率）相对于正常值的偏差能够保持在一定的允许范围内，系统仍能正常工作，正常运行中的电力系统，实际上就是经常处于这种较小的变动的过程中。另一种情况是，当电力系统发生各种故障的时候，系统的运行将经历剧烈的变化，所趋于的状态，或者使其运行参数大大偏离正常值，以致电能质量严重变坏。

短路故障计算 主要研究电力系统中发生故障（包括短路、断线和非正常操作）时，故障电流、电压及其在电力网中的分布。短路电流计算是故障分析的的主要内容。短路电流计算的目的，是确定短路故障的严重程度，选择电气设备参数。整定继电保护，分析系统中负序及零序电流的分布，从而确定其对电气设备和系统的影响。

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2 课题内容

2.1 课题说明及要求

电力系统的短路计算是电力系统最基本的计算，也是最重要的计算。本次课程设计主要是为了掌握电力系统短路计算的基本原理和熟练运用PSCAD仿真软件，为以后的学习和工作打下基础。课程设计的具体要求如下：

（1）熟悉PSCAD软件； （2）了解短路计算的基本方法； （3）建立系统接线图的仿真过程； （4）得出仿真结果。 2.2 课题相关技术参数

测试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，即如图2.1中所示的线路A 和线路B。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。此次进行短路计算是母线7 发生短路。

图2.1 测试系统

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3 短路计算

3.1 短路计算的原因及分类

所谓短路,指的是由于电力系统相与相之间或相与地之间的绝缘破坏后,形成了非正常的低阻抗通路。

短路产生的原因来自于外部和内部。外部原因:雷电、风暴、环境污染和动物进入造成的绝缘破坏,如雷击造成的闪络放电或避雷器动作,大风造成架空断线或导线覆冰引起电杆倒塌,如运行人员带负荷拉刀闸,线路或设备检修后未拆除接地线就加电压,如挖沟损伤电流,鸟兽(包括蛇,鼠等)跨接在裸露的载流部分等;内部原因:绝缘材料的老化破裂,如绝缘材料的自然老化,设计、安装及维护不良等所造成的设备缺陷发展成短路等。

按短路后的电路状态区分,短路的形式有四种:三相短路,单相接地,两相短路,两相接地短路。其中三相短路后电路保持三相对称状态,称为对称短路;其余的三种短路形式均称为不对称短路。按短路因素的持续时间、停电后短路状态是否自动消除,将短路分为瞬时性短路和持续性短路两种。例如,因动物进入带电体间引起的短路,当动物被击落或烧毁后,短路因素消失,停电后可立即恢复供电,因此称为瞬时性短路。电气设备绝缘破坏,输电线倒杆引起的短路则是持续性短路。

3.2 短路电流的危害

短路电流可达几十到几百千安,因此造成很大的危害。包括两个阶段的危害:短路过程中的危害和短路结束后的危害。

短路过程中的危害:短路电流使设备发热增加,短路持续时间较长时,设备可能过热以致损坏(短路电流大量发热,对电气设备产生热破坏,称为热稳固性破坏);短路点附近支路中出现比正常值大许多倍的电流,在导体间产生很大的机械应力,可能使导体和它们的支架遭到破坏(短路电流产生很大的电动力,对电气设备造成机械破坏,称为动稳固性破坏);短路点附近电网电压严重下降,影响负荷供电,并破坏了功率送端与功率受端之间的能量传输,导致送端旋转机组减速,使电力系统两部分频率不相等,称为失步;不对称短路后三相电流不对称,产生负序电流引起旋转电动机和转子表层

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发热,单相接地和两相接地,还产生零序电流,对外界造成很大的干扰磁场,影响通信。

短路结束后的危害:电力系统的自动保护装置(称为继电保护)切除故障电路部分后,可能遗留下两个大问题:

(1)短路发生地点离电源不远而又持续时间较长,可能使电力系统各发电机组失

去同步,破坏系统的稳定,存在是否能重新回到同步状态的问题,严重时可能导致系统瓦解。

(2)切除故障后可能造成电力系统分成多个部分,称为电力系统“解列”,解列后

的系统一般不能保证功率平衡,发电功率小于负荷功率的电网部分存在频率崩溃的危险。电力系统的安全自动装置(例如低频减载,低压减载等)的作用就是力图减小上述危害。

3.3 短路电流的限制措施

限制短路电流的措施有电力系统可采取的限流措施,发电厂和变电所中可采取的限流措施,终端变电所中可采取的限流措施。

电力系统可采取的限流措施:提高电力系统的电压等级;直流输电; 在电力系统主网加强联系后,将次级电网解环运行;在允许的范围内,增大系统的零序阻抗,例如采用不带第三绕组或第三绕组为Y接线的全星形自耦变压器,减少变压器的接地点等。

发电厂和变电所中可采取的限流措施:发电厂中,在发电机电压母线分段回路中安装电抗器;变压器分裂运行;变电所中,在变压器回路中装设分裂电抗器或电抗器;采用低压侧为分裂绕组的变压器;出线上装设电抗器。

终端变电所中可采取的限流措施:变压器分列运行;采用高阻抗变压器;在变压器回路中装设电抗器;采用小容量变压器。

以上是限制电流的措施,但目前在电力系统中,用得较多的限制短路电流的方法有以下几种:合理选择电气主接线形式和运行方式;采用分裂低压绕组变压器;加装限流电抗器;采用微机保护及综合自动化装置等。

限流的原理是增大短路点到电源点之间的等效电抗,但是正常工作时的电压损耗

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有可能因采取限流措施而增大。

3.3.1 合理选择电气主接线形式和运行方式

接线中减少并联支路或增加串联支路;如双回线分开运行或两台变压器并列运行。

3.3.2 采用分裂低压绕组变压器

分裂变压器高压绕组由两部分并联的不分裂的绕组组成,低压练级由分裂成两个支路的容量相等的分裂绕组组成,分裂绕组的各个支路间没有电的联系。分裂变压器具有短路阴抗大,正常电抗小的优点。分裂低压绕组变压器正常工作时,每个低压绕组流过相同的电流,即1/2,电抗值只相当于两分裂绕组短路电抗的1/4。当一个分裂绕组的出线发生短路时,来自另一台发电机的短路电流或来自系统的短路电流都将遇到很大电抗的限制。采用分裂低压绕组变压器后,可能不另加装电抗器就会使短路电流降至设备的允许值。

3.3.3 加装限流电抗器

线路电抗器,装在引出线断路器的后面(负荷侧),则电抗器以前的断路器和隔离开关可以选择轻型的电器,并且可以提高母线残余电压,但正常工作时的电压损耗增大,若出线数目较多,电抗器也多,以至于装置比较复杂。

母线电抗器可以限制从本段母线流向短路母线的电流,从而提高本段母线的残余电压。电抗器除满足限制短路电流外,还应满足热稳定和动稳定的要求。

分裂电抗器的限流作用和分裂变压器低压绕组的限流作用相似,但分裂电抗器的两臂不仅有互感耦合,而且在电气上也是连通的。它的结构和普通大型电抗器相似,只是中间有抽头作为公共端。为了充分限制短路电路和维持母线有较高的残余电压,采用分裂电抗器。

当分裂电抗器和单臂自感电抗与普通电抗器的电抗值相等时,两者短路时的限流作用一样,但正常运行时分裂电抗器的电压损失只有普通电抗器的一半;分裂电抗器可比普通电抗器多供一倍的出线。分裂电抗器的两个分支负荷应尽量接近,否则可能

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出现过电压,尽量避免安装出线电抗器,因其投资大、配电复杂、运行费用高。

3.3.4 采用微机保护及综合自动化装置

从短路电流分析可知,发生短路故障后约0.01s时间出现最大短路冲击电流,采用微机保护仅需0.005s就能断开故障回路,使导体和设备避免承受最大短路电流的冲击,从而达到限制短路电流的目的。

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4 仿真软件介绍

PSCAD是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。

PSCAD/EMTDC在时间域描述和求解完整的电力系统及其控制的微分方程

(包括电磁和机电两个系统)。这一类的模拟工具不同于潮流和暂态视定的模拟工具。后者是用稳态解去描述电路(即电磁过程)。但是在解电机的机械动态(即转动惯量)微分方程。PSCAD/EMTDC的结果是作为时间的即时值被求解。但通过内置的转换器和测量功能(象实有效值表计，或者快速育里叶变换频谱分析等)。这些结果能被转换为矢量的幅值和相角。

实际系统的测量能够通过很多途径来完成。由于短路和稳定的程序是通过稳定方程来代表，它们只能基频段幅值和相位。因此PSCAD的模拟结果能够产生电力系统所有频率的相应，限制仅在于用户自己选择的时间步长。这种时间步长可以在毫秒到秒之间变化。

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。利用PSCAD对系统进行的仿真可以快速准确得出各母线上的短路参数及系统的其他运行状态，输出显示快速、明了。

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5 系统调试及仿真结果

系统PSCAD仿真图如下图5.1所示：

图5.1 系统仿真图

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总 结

在这次课程设计中，我强烈感觉到自己在很多方面的不足，对别人的依赖性比较强。我想我会在以后的学习中不断去发现自己的不足，并一一改正，希望在以后的工作中不要犯同样的错误。

在这次课程设计中，我们尽量按照老师的要求做，但在具体的操作过程中，还是出现了很多的问题。搞完这个课程设计让我感觉电力系统分析是一门很有用的课程。因为我对它的学到的知识比较少。在很多时候我很多东西都不了解。并且走了很多的弯路。而且我感觉自己的知识不够连贯。好些时候都出现了卡壳的情况。这次课程设计后，我一定要重新对电力系统分析这门课程做进一步的了解。对在此过程中遗留下的问题做好好的研究。争取早点对电力系统分析这门课程有个全方位的了解。为在以后的毕业课程设计中多些方案。也为我以后走上工作岗位，提升自己的专业技能，打下扎实的基础。

还有就是在十几天的课程设计中，使我养成了很好的学习习惯，和对学习知识的严谨的态度，同时也养成了积极查阅相关资料的好习惯，好习惯的养成是来之不易的，我相信在以后的学习和工作中，我将继续保持这些良好的习惯，并积极努力的学习。让自己更上一层楼。同时在此也感谢一直指导我的老师，此次课程设计的完成与老师的指导师分不开的，终在我们的一起努力下，完成了这门课程设计。在此对指导老师致以衷心的感谢。还要感谢邵阳学院图书馆为我提供丰富的参考资料，也感谢班上同学给了我很多宝贵的意见和参考，使我获益很多。

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参考文献：

[1] 何仰赞、温增银.电力系统分析[M]. 华中科技大学出版社2010.3 [2] 西安交通大学等.电力系统计算[M].北京：水利电力出版社，1993.12 [3] 陈 衍.电力系统暂态分析[M].北京：水利电力出版社，2004.1

[4] 于永源，杨绮雯. 电力系统分析（第二版）[M]. 北京：中国电力出版社，2004.3

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附录 系统输出波形图

图6.1 三相短路电压波形

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图6.2 三相短路电流波形

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图6.3 A相接地短路电压波形

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图6.4 A相接地短路电流波形

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图6.5 AB相短路接地电压波形

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图6.6 AB相短路接地电流波形

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图6.7 AB相短路电压波形

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图6.8 AB相短路电流波形

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致 谢

本课程设计能够顺利的完成得到了老师的大力支持和帮助，尤其是我的指导老师黄肇和袁旭龙，在百忙之中抽出宝贵的休息时间，仔细耐心为我指导。设计过程中，黄老师和袁老师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。在开发的同时，和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。

电力信息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。

致谢人：曹吉林

2013年6月29日

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