短路计算课程设计

短路计算课程设计

课程设计(论文)

题目名称短路计算课程设计

课程名称电力系统暂态分析

学生姓名

学号

系、专业

指导教师

6月 28 日

邵阳学院课程设计（论文）任务书

注：1．此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效；

2．此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份。

指导教师（签字）：学生（签字）：

邵阳学院课程设计（论文）评阅表

学生姓名学号

系专业班级

题目名称短路计算课程设计课程名称电力系统暂态分析一、学生自我总结

二、指导教师评定

注：1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书”页后面；

2、表中的“评分项目”及“权重”根据各系的考核细则和评分标准确定。

目录

1 绪论 (1)

1.1意义及背景 (1)

1.2电力系统三大计算 (1)

1.3国内外电力系统发展现状 (2)

1.4课题要求及课题内容 (3)

1.5电力系统概述 (4)

2 电力系统短路类型及暂态分析 (5)

2.1电力系统短路类型分析 (5)

2.2电力系统三相短路分析 (5)

2.3电力系统不对称短路分析 (6)

3 方案设计 (9)

3.1计算机算法设计 (9)

3.2系统框图设计 (10)

总结 (17)

参考文献 (18)

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，一般称为机电过程，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[1]。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[2]。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。

1.2电力系统三大计算

(1)潮流计算

研究电力系统稳态运行情况的一种基本电气计算，常规潮流计算的任务是根据给定的运行条件和网路结构确定整个系统的运行状态，如各母线上的电压（幅值及相角）、网络中的功率分布以及功率损耗等。潮

流计算的结果是电力系统稳定计算和故障分析的基础。

(2)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。

(3)稳定性计算

给定运行条件下的电力系统，在受到扰动后，重新回复到运行平衡状态的能力。系统中的多数变量可维持在一定的范围，使整个系统能稳定运行。根据性质的不同，电力系统稳定性可分为功角稳定、电压稳定和频率稳定三类[3]。

1.3 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1 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[4]。其发展标志主要是：

—电源结构不断改进。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3公里、330千伏输电线路7291 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。当前，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[5]。根据中国电力发展远景规划，到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[6]。她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，她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。

1.4课题要求及课题内容

（1）熟悉PSCAD/MATLAB软件；

（2）查阅相关资料,建立系统三相接线图的模型以及建模过程；

（3）依据相关资料，做出来的仿真结果；

（4）学会分析仿真结果，并得出结论

内容为如图1测试系统所示，母线f3 、f5 各自发生短路和同时发生短路（三相短路和不对称短路）时的短路电流和电压结果，以及分析对发电机的影响。

1.5电力系统短路故障概述

电力系统的短路故障是严重的，而又是发生几率最多的故障。一般说来，最严重的短路是三相短路。当发生短路时，其短路电流可达数万安以至十几万安，它们所产生的热效应和电动力效应将使电气设备遭受严重破环。为此，当发生短路时，继电保护装置必须迅速切除故障线路，以避免故障部分继续遭受危害，并使非故障部分从不正常运行情况下解脱出来，这要求电气设备必须有足够的机械强度和热稳定度，开关电气设备必须具备足够的开断能力，即必须经得起“可能最大短路的侵扰”而不致损坏。因此，电力系统短路电流计算是电力系统运行分析，设计计算的重要环节，许多电业设计单位和个人倾注极大精力从事这一工作的研究。由于电力系统结构复杂，随着生产发展，技术进步系统日趋扩大和复杂化，短路电流计算工作量也随之增大，采用计算机辅助计

算势在必行。

2 电力系统短路类型及暂态分析

2.1电力系统短路类型分析

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。

2.2电力系统三相短路分析

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。

图2-1 无限大功率电源供电的三相电路突然短路

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：短路种类短路类型示意图符号

对称短路三相短路 f(3)单相接地短路f(1)

f(2)

两相短路

表2-1 短路类型

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，而只能是一个相正确概念，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。

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），能够分解为三组三相对称的相量分量。在线性电路中，能够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a F ，b

F ，c F 为三相系统中任意一组不对称的三相量，能够分解为三组对称的三序分量如下：

Fa = Fa （1）+ Fa （2）+ Fa （0）

Fb = Fb （1）+ Fb （2）+ Fb （0）

Fc = Fc （1）+ Fc （2）+ Fc （0）

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，从而就能够用进行电路计算了。

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它类型的不对称短路时小些。不论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能够统一写成：

I ）（）（n 1fa = ）

（）（）（）（n 1ff 0f X X j U )(n X

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n

fa n n f I m I )1()()( ，试中)(n m 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计算机算法设计

C是一门通用语言，应用的面比较广，而MatLab是一门用于特殊用途的语言，提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。

Matlab的基本数据单位是矩阵，它的指令表示式与数学,工程中常见的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多.在新的版本中也加入了对C,FORTRAN,C++ ,JAVA 的支持.能够直接调用,用户也能够将自己编写的实用程序导入到MATLAB 函数库中方便自己以后调用。

Matlab是一个高度集成的系统，集科学计算、图象处理、声音处理于一体，具有极高的编程效率。近年来，Matlab已经从最初的“矩阵实验室”，渗透到科学与工程计算的多个领域，在自动控制、信号处理、神经网络、模糊逻辑、小波分析等多个方向，都有着广泛的应用. 解决措施：继电保护快速隔离、自动重合闸、串联电抗器等。

MATLAB 是由美国Mathworks 公司开发的大型软件。在MATLAB 软件中，包括了两大部分：数学计算和工程仿真。其数学计算部分提供了强大的矩阵处理和绘图功能。在工程仿真方面，MATLAB 提供的软件支持几乎遍布各个工程领域，而且不断加以完善。在电力系统反面有专门的工具箱——SimPowerSystems，给从事电力研究的工作人员带来了巨大的便利。

Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要经过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。其中电力行业的专用工具箱SimPowerSystems也在电力系统分析与计算中发挥了重大作用。

电力系统元件库SimPowerSystems包括10类库元件分别是电源元件(ElectricalSources)、线路元件(Elements)、电力电子元件(Power Electronics)、电机元件(Machines)、连接器元件(Connectors)、电路测量仪器(Measurements)、附加元件(Extras)、演示教程(Demos)、电力图形用户接口(powergui)和电力系统元件库模型(powerlib_models。

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，而且能够记录及显示EMTDC输出数据，比如图形框、图表、曲线和一些仪表。用户能够直接控制EMTDC的输入变量，因此能够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，用户能够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（Data Signals）和电气信号