电力系统仿真优秀课程设计.docx

山东交通学院

电力系统自动化
课程设计汇报书

院(部)别 信息科学和电气工程学院
专 业 电气工程及其自动化
班 级
学 号
姓 名
指导老师
时 间

课 程 设 计 任 务 书

题 目 电力系统仿真课程设计
学 院 信息科学和电气工程学院
专 业 电气工程及其自动化
班 级
学生姓名
学 号

12 月 15 日至 12 月 26 日 共 2 周

指导老师(签字)
院长(主任)(签字)

年 12 月 26 日

一、设计内容及要求
1、依据发电机自动准同期并入电网所需条件，使用Matlab对不一样条件下并网过程进行仿真分析。
2、电力系统对称短路故障计算机程序设计、编制和调试，要求程序含有通用性，并给出一个实例。
3、电力系统不对称短路故障计算机程序设计、编制和调试，要求程序含有通用性，并给出一个实例。
4、电力系统多台机组并联运行中有功功率分配方法及低频减载方案选择，并完成仿真。
以上题目任选其一，分组进行。
二、设计原始资料
第2、3题所需实例能够在参考书中查找，网络参数不能随意设定，需按原图进行仿真计算，以防出现计算不收敛情况。
三、设计完成后提交文件和图表
1．计算说明书部分

仿真结果及设计说明书（论文）

2．图纸部分：

仿真电路
程序和仿真结果等以图片形式附在设计汇报中。
四、进程安排
第一周：
第一天早晨：选题，查资料；
第一天下午：制订设计方案；
第二——第五天：搭建仿真模型，完成仿真部分；
第二周：
第一——四天：对仿真结果进行分析，完善设计方案，并完成设计汇报；
第五天：答辩，交设计汇报。
五、关键参考资料

《电力系统分析》 （第三版），于永源、杨绮雯主编，中国电力出版社，；
《电力系统自动化》（第三版），王葵、孙莹编著，中国电力出版社，；
《电力系统稳态分析》，陈珩 主编，中国电力出版社，；
《电力系统暂态分析》，李光琦 主编，中国电力出版社，。

说明：本任务书一式二份，院(部、系)、教务处各一份。

目录
一、绪论 1
1.1概述 1
1.2 短路危害及防范方法 2
二、电力系统短路故障分析 4
2.1 短路故障分析内容和目标 4
2.2 无穷大供电功率电源三相短路介绍 4
2.3 对称短路实例 5
三、电力系统仿真模型建立和分析 7
3.1 电力系统仿真模型 7
3.2 仿真模型模块选择及参数设置 8
3.3仿真结果和分析 10
四、结论 12
五、心得体会 13
六、参考文件 13

摘要：二十一世纪到来将把信息技术水平发展带入一个全新阶段，就现在而言，计算机仿真技术已经在各领域中得到了广泛应用， 在电力系统计划、设计、运行、分析、改造及人员培训各个阶段,仿真技术全部能够发挥关键作用。发动机并网是电力系统中常见而关键一项操作,不合适并列操作将造成严重后果。所以,对同时发电机并列操作进行研究,提升并列操作正确度和可靠性,对于系统可靠运行含有很大现实意义。
MATLAB是高性能数值计算和可视化软件产品。它由主包、Simulink 及功效各异工具箱组成。从版本5.2开始增加了一个专用于电力系统分析PSB（电力系统模块,Power system blockset ）。PSB中关键有同时机、异步机、变压器、直流机、特殊电机线性和非线性、有名和标么值系统、不一样仿真精度设备模型库单相\三相分布和集中参数传输线单相、三相断路器及多种电力系统负荷模型、电力半导体器件库和控制和测量步骤。再借助其它模块库或工具箱,在Simulink环境下,能够进行电力系统仿真计算,并可方便地对多种波形进行图形显示。本文以一单机-无穷大系统为模型,在环境下使用GUSimulink、m语言等创建一发电机并网过程分析和仿真系统。该系统能够对多个情况下发电机并网过程进行仿真分析,并将仿真结果显示于GUI界面。
关键词：电力系统；仿真；短路故障；Matlab

一、绪论
1.1概述
在电力系统中，可能发生短路有：三相短路、两相短路、两相短路接地、单相接地短路。三相短路也称为对称短路，系统各项和正常运行时一样仍处于对称状态。三相短路电流计算是电力系统计划、设计、运行中必需进行计算分析工作。现在，三相短路电流超标问题已成为困扰中国很多电网运行关键问题。然而，在进行三相短路电流计算时，各设计、运行和研究部门采取计算方法各不相同，这就有可能造成短路电流计算结论差异和短路电流超标判定差异，和短路电流限制方法不一样。为了确保电力系统运行功效和质量，在设计、分析和研究时必需确保系统静态和动态特征。因为在实际系统上进行试验和研究比较困难，所以借助多种电力系统动态仿真软件电力系统设计和研究已成为有效路径之一。
此次课程设计研究是三相对称短路，依据给定系统图及各个元件参数，计算短路点电压和电流。然后依次计算其它各节点电压和电流。画出系统等效电路图，依据此等效电路图分别计算各个支路短路点呀和电流。忽略对地支路，重新计算各短路点短路电压和电流，其它各个节点及支路电压和电流。在系统正常运行方法下，对多种不一样时刻三相短路进行Matlab仿真，最终将短路运行计算结果和各时刻短路仿真结果进行分析比较。
1.2 短路产生原因及危害
1短路产生原因有很多，关键有以下多个方面：
(1)电气设备、元件损坏。如：设备绝缘部分自然老化或设备本身有缺点，正常运行时被击穿短路；和设计、安装、维护不妥所造成设备缺点最终发展成短路等。 
(2)自然原因。如：气候恶劣，因为大风、低温导线覆冰引发架空线倒杆断线；因遭受直击雷或雷电感应，设备过电压，绝缘被击穿等。 
(3)人为事故。如：工作人员违反操作规程带负荷拉闸，造成相间弧光短路；违反电业安全工作规程带接地刀闸合闸，造成金屑性短路，人为疏忽接错线造成短路等等。

2短路危害及防范方法
电力系统在运行中相和相之间或相和地(或中性线)之间发生非正常连接(短路)时流过电流称为短路电流。在三相系统中发生短路基础类型有三相短路、两相短路、单相对地短路和两相对地短路。三相短路因短路时三相回路依旧是对称，故称为对称短路；其它多个短路均使三相电路不对称，故称为不对称短路。在中性点直接接地电网中，以一相对地短路故障为最多，约占全部短路故障90。在中性点非直接接地电力网络中，短路故障关键是多种相间短路。发生短路时，因为电源供电回路阻抗减小和忽然短路时暂态过程，使短路回路中电流大大增加，可能超出回路额定电流很多倍。短路电流大小取决于短路点距电源电气距离，比如，在发电机端发生短路时，流过发电机短路电流最大瞬时值可达发电机额定电流10～15倍，在大容量电力系统中，短路电流可高达数万安培。短路电流危害短路电流将引发下列严重后果：短路电流往往会有电弧产生，它不仅能烧坏故障元件本身，也可能烧坏四面设备和伤害四面人员。巨大短路电流经过导体时，首先会使导体大量发烧，造成导体过热甚至熔化，和绝缘损坏；其次巨大短路电流还将产生很大电动力作用于导体，使导体变形或损坏。短路也同时引发系统电压大幅度降低，非通常靠近短路点处电压降低得更多，从而可能造成部分用户或全部用户供电遭到破坏。网络电压降低，使供电设备正常工作受到损坏，也可能造成工厂产品报废或设备损坏，如电动机过热受损等。电力系统中出现短路故障时，系统功率分布忽然改变和电压严重下降，可能破坏各发电厂并联运行稳定性，使整个系统解列，这时一些发电机可能过负荷，所以，必需切除部分用户。短路时电压下降愈大，连续时间愈长，破坏整个电力系统稳定运行可能性愈大。短路电流限制方法为确保系统安全可靠地运行，减轻短路造成影响，除在运行维护中应努力设法消除可能引发短路一切原因外，还应立即地切除短路故障部分，使系统电压在较短时间内恢复到正常值。为此，可采取快速动作继电保护和断路器，和发电机装设自动调整励磁装置等。另外，还应考虑采取限制短路电流方法，如合理选择电气主接线形式或运行方法，以增大系统阻抗，降低短路电流值；加装限电流电抗器；采取分裂低压绕阻变压器等。关键方法以下：
（1）做好短路电流计算，正确选择及校验电气设备，电气设备额定电压要和线路额定电压相符。
（2）正确选择继电保护整定值和熔体额定电流，采取速断保护装置，方便发生短路时，能快速切断短路电流，降低短路电流连续时间，降低短路所造成损失。
（3）在变电站安装避雷针，在变压器四面和线路上安装避雷器，降低雷击损害。
（4）确保架空线路施工质量，加强线路维护，一直保持线路弧垂一致并符合要求。
（5）带电安装和检修电气设备，重视力要集中，预防误接线，误操作，在带电部位距离较近部位工作，要采取预防短路方法。
（6）电力系统运行、维护人员应认真学习规程，严格遵守规章制度，正确操作电气设备，严禁带负荷拉刀闸、带电合接地刀闸。线路施工，维护人职员作完成，应立即拆除接地线。要常常对线路、设备进行巡视检验，立即发觉缺点，快速进行检修。
在电力系统和电气设备和运行中，短路计算是处理一系列技术问题所不可缺乏基础计算，这些问题关键是：
（1）在设计和选择发电厂和电力系统电气主接线时，为了比较多种不一样方案接线图，确定是否需要采取限制短路电流方法等，全部要进行必需短路电流计算。
（2）进行电力系统暂态稳定计算，研究短路对用户工作影响等，也包含有一部分短路计算内容。
（3）选择有足够机械稳定度和热稳定度电气设备，比如断路器、互感器、瓷瓶、母线、电缆等，必需以短路计算作为依据。这里包含计算冲击电流以校验设备点动力稳定度；计算若干时刻短路电流周期分量以校验设备热稳定度；计算指定时刻短路电流有效值以校验断路器断流能力等。
（4）为了合理地配置多种继电保护和自动装置并正确整定其参数，必需对电力网中发生多种短路进行计算和分析。在这些计算中不仅要知道故障支路中电流值，还必需知道电流在网络中分布情况。
二、电力系统短路故障分析
2.1 短路故障分析内容和目标
故障分析关键内容包含故障后电流计算、短路容量计算、故障后系统中各点电压计算和其它部分分析和计算如故障时线路电流和电压之间相位关系等。短路电流计算和分析关键目标在于应用这些计算结果进行继电保护设计和整定值计算，开关电器、串联电抗器、母线、绝缘子等电气设备设计，制订限制短路电流方法和稳定性分析等。
电力系统可能发生故障类别比较多，通常分为简单故障和复合故障。简单故障指是电力系统正常运行时某一处发生短路或断相故障，而复合故障则是指两个或两个以上简单故障组合。考虑到三相短路故障是电力系统中危害最严重故障，本设计进行了无穷大功率电源供电系统三相短路仿真分析。
2.2 无穷大供电功率电源三相短路介绍
假设电源电压幅值和频率均是恒定值，这种电源称为无穷大功率电源。实际上真正无穷大功率电源是不存在，所以只是一个相正确概念，往往是以供电电源内阻抗和短路回路总阻抗相对大小来判定能否看做无穷大功率电源。当供电电源内阻抗小于短路回路总阻抗10%时，则能够认为供电电源为无穷大功率电源。在这种情况下，外电路发生短路对电源影响很小，可近似认为电源电压幅值和频率保持恒定。

图1 无穷大供电功率电源供电电路三相短路
假设t=0s时刻，f点发生三相短路故障。此时电路被分为两个独立回路。由无限大供电三相电路，其阻抗由原来忽然减小为。因为短路后电路仍然是三相对称，依据对称关系能够得到a、b、c短路全电流表示式

式中，为短路电流稳态分量幅值。
通常电力系统中，短路回路感抗比电阻大得多，即，故可近似认为。所以，非周期电流有最大值条件为：短路前电路空载（),而且短路发生时，电源电势过零。
短路电流最大可能瞬时值称为短路电流冲击值，以表示。冲击电流关键用于检验电气设备和载流导体在短路电流下受力是否超出许可值，即所谓动稳定度。由此可得冲击电流计算式为，式中，称为冲击系数，即冲击电流值对于短路电流周期性分量幅值倍数；为时间常数。短路电流最大有效值是以最大瞬时值发生时刻（即发生短路经历约半个周期）为中心短路电流有效值。在发生最大冲击电流情况下，有 ，短路电流最大有效值关键用于检验开关电器等设备切断短路电流能力。
2.3 对称短路实例
假设无穷大功率电源供电系统图2所表示，在0.02s时刻变压器低压母线发生三相短路故障，计算其短路电流周期分量幅值，和冲击电流大小，并进行仿真。线路参数为，，；变压器额定容量，线路电压，短路损耗，空载损耗，空载电流，变比，高低压绕组均为Y型联结；并设供电点电压为。

图2 无穷大电源供电系统三相短路

依据给定数据，计算折算到110kV侧参数以下：
变压器电阻为
变压器电抗为
则变压器漏感为
变压器励磁电阻
变压器励磁电抗为
变压器励磁电感为
输电线路，,
短路电流周期分量幅值为
时间常数
则短路冲击电流为
三、电力系统仿真模型建立和分析
3.1 电力系统仿真模型
（1）Matlab仿真介绍
 MATLAB 产品家族是美国 MathWorks企业开发用于概念设计,算法开发,建模拟真,实时实现理想集成环境。因为其完整专业体系和优异设计开发思绪，使得 MATLAB 在多个领域全部有宽广应用空间，尤其是在 MATLAB 关键应用方向 — 科学计算、建模拟真和信息工程系统设计开发上已经成为行业内首选设计工具，全球现有超出五十万企业用户和上千万个人用户，广泛分布在航空航天，金融财务，机械化工，电信，教育等各个行业。
MatLab控制系统仿真软件是当今国际控制界公认标准计算软件，1999年MatLab5.3版问世，使MATLAB拥有更丰富数据类型和结构、更友善面向对象、愈加紧速精良图形可视、更广博数学和数据分析资源、更多应用开发工具。尤其是SIMULINK这一个交互式操作动态系统建模、仿真、分析集成环境出现，使大家有可能考虑很多以前不得不做简化假设非线性原因、随机原因，从而即使学生没有对非线性动态系统进行分析研究数学基础，仍可经过仿真来认知非线性对系统动态影响。
针对上述实例建立仿真模型图3所表示。

图3 电力系统仿真模型
3.2 仿真模型模块选择及参数设置
仿真模型所使用模块及提取路径如表1所表示。
表1 仿真模型所使用模块及提取路径
模块名
提取路径
无穷大功率电源10000 MV·A,110 kV Source
　SimPowerSystems/Eletrical Sources
　三相并联RLC负荷模块5MW
　SimPowerSystems/Elements
　串联RLC支路Three⁃PhaseParallel RLC Branch
　SimPowerSystems/Elements
　双绕组变压器模块Three⁃PhaseTransformer (Two Windings)
　SimPowerSystems/Elements
　三相故障模块Three⁃Phase Fault
　SimPowerSystems/Elements
三相电压电流测量模块Three⁃PhaseV⁃I Measurement
　SimPowerSystems/Measurements
　示波器模块Scope
　Simulink/Sinks
　电力系统图形用户截面Powergui
　SimPowerSystems

电源模块参数设置图4所表示，变压器模块参数图5所表示。其中变压器模块模块中参数采取有名值设置。

图4 电源模块参数设置 图5 变压器模块参数设置
输电线路模块参数图6所表示，三相电压电流模块测量模块将在变压器低压侧测量到电压电流信号转变成Simulink信号，相当于电压电流互感器作用，其参数设置图7所表示。

图6 输电线路模块参数设置 图7 三相电压电流测量模块

模块参数选项说明
1）Phase A Fault、Phase B Fault和Phase C Fault用来选择短路故障相。
2）Fault resistances用来设置短路点电阻，此值不能为零。
3）Ground Fault选项用来选择短路故障是否为短路接地故障。
4）Ground resistances 当故障类型是短路接地故障时显示该项，用来设置接地故障时大地电阻。
5）External control of fault timing能够添加控制信号来控制该模块故障开启和停止。
6）Transition status和Transition times用来设置转换状态和转换时间；其中,Transition status表示故障开关状态，通常见“1”表示闭合， “0”表示断开；Transition times表示故障开关动作时间；而且每个选项全部有两个数值，而且它们是一一对应。
7）Snubbers resistance和snubbers Capacitance用来设置并联缓冲电路中过渡电阻和过渡电容。
8）Measurements 用来选择测量。
三相线路故障模块参数设置图8所表示。

图8 三相线路故障模块参数设置
3.3仿真结果和分析
经过模型窗口菜单中“Simulation”--“configuration parameters”命令打开仿真参数对话框，选择可变步长ode23t算法，仿真起始时间设置为0，终止时间设置为0.2s，其它参数采取默认设置。在三相线路故障模块中设置在0.02s时刻变压器低压母线发生三相短路故障。
运行仿真，可得变压器低压侧三相短路电压、电流波形图图9、图10所表示。
由图所表示，无限大功率供电系统在0.02s时刻时发生三相短路，电压变为零，而电流短路前未接负载电流为零，发生三相短路后电流忽然增大，如不切断故障以后会逐步进入稳态状态。
由仿真结果可知，当电力系统发生三相短路是冲击电流很大，故需立即切断故障，以免对系统内其它设备造成大破坏。

图9 三相短路电压波形

图10 三相短路电流波形
为了得到仿真结果图中正确数值，可将仿真图中示波器模块“Data History”栏设置为图11所表示。
这么就能够在Matlab命令窗口中输入以下命令来显示A相电流数据。
>> ScopeDATA.signals.values(:,1)

图11 示波器模块“Data History”设置
短路电流周期分量幅值为10.64kA，冲击电流为17.39kA，和理论计算相比稍有差异，这是因为电源模块内阻设置不一样而造成。
四、 结论
经过自选实例，在电力系统中f处选择了对称三相短路进行故障分析和计算，同时进行MATLAB仿真，对比理论计算和仿真，结果表明利用MATLAB对电力系统故障进行分析和仿真，能够正确直观地考察电力系统故障动态特征，验证了MATLAB在电力系统仿真中强大功效。使在现实中难以实现试验经过软件得以直观展现， 利用MATLAB 语言对电网并联运行操作进行仿真试验，能够起到事半功倍效果。

五、心得体会

经过两周课程设计，学会了怎样跟队员合作和协调能力，同时也学到了更多相关MATLAB知识，最终在组员们相互配合之下完成了此次相关电力系统仿真课程设计，使自己收益颇丰。使自己各方面能力得到了极大提升。在这里，我很感谢队友帮助，假如没有她们我极难完成这次课程设计，同时我也十分感谢老师，当我最需要帮助时候给我最大帮助。
经过这次课程设计，使我愈加扎实掌握了相关matlab方面知识，在设计过程中即使碰到了部分问题，但经过一次又一次思索，一遍又一遍检验最终找出了原因所在，也暴露出了我在这方面知识欠缺和经验不足。这次课程设计不仅培养了独立思索、操作能力，在其它能力上也全部有了提升。更关键是，我们学会了很多学习方法，真是受益匪浅。

六、参考文件
[1] 于永源 杨绮雯.《电力系统稳态分析》[M].中国电力出版社..