武大电气《电力系统分析综合实验》2019年度PSASP实验报告

电气工程与自动化学院
《电力系统分析综合实验》2019年度PSASP实验报告
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1、阐述基于PSASP的电力系统分析综合实验的目的。

实验目的：掌握用PSASP进行电力系统潮流计算，短路计算，暂态稳定计算。

（1）潮流计算可以为短路计算和暂态稳定计算提供初始状态，是电力系统计算中的基本计算，要求掌握软件的操作步骤，并对比分析牛顿拉夫逊法和PQ分解法的区别，在实验过程中体会PQ分解法相比牛顿拉夫逊法的特点。

（2）短路计算的目的要求根据数据结合对称分量法加深对于短路计算的理论知识的理解。

（3）暂态稳定计算里最关键的是故障极限切除时间的确定，加深对复杂电力系统暂态的判定的认识。

2、简要阐述本实验课程的主要实验任务
（1）掌握用PSASP对电力系统进行建模。

（2）潮流计算，包括对常规方式和规划方式的电力系统进行潮流计算。

（3）短路计算，基于潮流作业1和2等5个单相接地短路、AB两相短路、复杂故障短路计算等短路计算并分析结果。

（4）暂态计算，基于潮流作业1和2的瞬时故障进行暂态稳定计算并分析结果。

3、实验方案原理图介绍。

图1（a）常规方式（b）规划方式以上为系统常规运行方式的单线图。

由于母线STNB-230 处负荷的增加，需对原有电网进行改造，具体方法为：在母线GEN3-230 和STNB-230 之间增加一回输电线，增加发电3 的出力及其出口变压器的容量，新增或改造的元件如下图虚线所示：
4、计算分析用建模数据的整理
表1母线数据
5、按照下列作业要求，完成计算分析实验作业。

(1)基于实验二的潮流计算，对牛顿法和PQ法的原理做比较性的说明。

表6 常规方式下PQ法和NR法的潮流计算摘要信息报表
表7 常规方式下PQ法和NR法的全网母线（发电、负荷）结果报表
牛顿拉夫逊法每次都对电压幅值和相位进行修正，且每次计算
MAX(DVR,DVI),判断是否小于允许误差0.0001，满足条件时停止迭代。

PQ分解法利用交流高压输电网中输电线路电抗远大于电阻的特点，对于牛顿拉夫逊法修正方程式的系数矩阵进行简化，节点的有功功率不平衡量只用于修正电压的相位，节点的无功功率不平衡量只用于修正电压的幅值，单次迭代计算量小，两个步骤分别轮流迭代，分别计算MAX(DP),MAX(DQ)，最终保证两者都小于允许误差0.0001。

由表6和表7的实验结果可知，牛顿拉夫逊法迭代次数少于PQ分解法，由于本实验网络复杂度不高，两个算法的计算时间都极短，无法比较计算速度。

常规方式下，PQ分解法的母线电压幅值，支路无功功率和牛顿拉夫逊法的结果相比存在较大偏差，母线电压相角，支路有功功率几乎不存在差别，原因在于停止迭代时PQ分解法的MAX(DQ)=0.000033，MAX(DP)=0.000003，MAX(DQ)大于MAX(DP)且约为MAX(DP)的十倍，无功偏差较大，也就导致母线电压幅值偏差较大。

规划方式下，PQ分解法与牛顿拉夫逊法相比，在电压幅值，电压相角，线路有功无功功率方面都存在偏差，原因在于停止迭代时MAX(DP)=0.000012，MAX(DQ)=0.000075，两者在同一数量级，且都大于前述MAX(DP)的0.000003。

总体来说，两种解法的结果相差不大，说明PQ分解法的简化只涉及修正方程的系数矩阵，只对每次的修正量有影响，并未改变功率平衡方程式和收敛判据，故不会降低计算结果的精度。

由于本实验电网为230kV等级，线路电阻与电抗比值很小，符合PQ分解法简化条件，故未出现不收敛的情况。

(2)以下述方式整理实验3的短路计算作业3的计算结果：不分区；单位：p.u；故障点选择：GEN1-MIDDLE.结果输出如下表8-表11所示：
表8 短路电流简表结果报表
表9 母线电压值/单位：pu
表10 各支路电流值/单位：pu
表11 短路点及其支路阻抗值
参考“PSASP6.2手册”文件夹下的“短路计算用户手册”，简要说明短路计算过程中使用到的计算原理。

计算原理：采用对称分量法实现ABC系统与120系统的参数转换；列出正、负、零序网络方程;推导出故障点的边界条件方程;将网络方程与边界条件方程联立求解,求出短电流及其它分量。

短路计算的目的主要用于解决下列问题：
①电气主接线方案的比较与选择,或确定是否需要采取限制短路电流的措施；
②电气设备及载流导体的动热稳定校验和开关电器、管型避雷器等的开断能力
的校验；
③接地装置的设计；
④继电保护装置的设计与整定；
⑤输电线对通讯线路的影响；
⑥故障分析。

(4)基于所提供计算数据，按照下图对原计算数据进行修改补充，在此基础上，利用所修改四机两区系统，按照要求进行潮流和暂态稳定计算分析。

请完成以下实验任务：
(a)计算上述电力系统的稳态潮流，潮流计算分析结果如表12.表13.表14所示：
表12 各节点的电压和相位
表13 4台发电机输出有功和无功值
表14 STNC-230-GEN3-230支路和GEN2-230-STNC-230支路的P+jQ
(b)基于上述潮流作业实验输出曲线选择如图2—图11所示。

（为了增强图形的可视化，将计算短路结果输出放在excel中作图显示）。

发电1-发电2的发电机功角曲线
图3 发电3-发电4的发电机功角曲线
图4 发电2-发电3的发电机功角曲线
图5 母线电压STNB-230曲线
图6 GEN2-230-STNC-230支路的有功和无功曲线
图7 STNC-230–GEN3-230支路的有功和无功曲线；
图8 发电机1的有功和无功曲线
图9 发电机2的有功和无功曲线
图10 发电机3的有功和无功曲线
图11 发电机4的有功和无功曲线
参考“PSASP6.2手册”文件夹下的“暂态稳定手册”，简要说明暂态稳定计算原理使用到的计算原理。

从功角变化曲线判断系统的暂态稳定性。

暂态稳定计算原理:对电力系统建立为网络方程和微分方程并且联立求解。

求解微分方程的数值计算方法主要有显示积分法和隐式积分法两种。

前者包括欧拉法、龙格-库塔法和线形多步法等。

后者包括改进欧拉法、隐式梯形积分法等。

代数方程组的求解主要应用迭代的方法，如高斯-塞德尔迭代法、阻抗矩
阵迭代法、导纳矩阵迭代法、牛顿迭代法等。

暂态计算可用于解决如下的电力系统分析计算问题:
1电力系统的故障分析；
2 故障或操作引起的暂态过电压、过电流分析；
3 高压直流输电系统的动态特性仿真；
4 由串联电容补偿、直流输电等引起的次同步振荡现象分析；
5 PSS等控制器参数设计；
6 直流输电系统(HVDC)和灵活交流输电系统(FACTS)控制器设计。

判断稳定：从功角变化曲线来看，各发电机之间功角差值随时间逐渐增大，并不能保持同步系统是暂态不稳定的。

(c)基于上述潮流作业，母线STNB-230冲击符合扰动计算：定义作业2为节点扰动暂态稳定计算，结果如图12-图17所示。

（为了增强图形的可视化，将暂态计算结果输出放在excel中作图显示）
图12 作业1和作业2的发电1-发电2的发电机功角对比图
图13 作业1和作业2的发电3-发电4的发电机功角对比图
图14 作业1和作业2的发电2-发电3的发电机功角对比图
图15 作业1和作业2的母线电压STNB-230曲线对比图
图16 作业1和作业2的GEN2-230-STNC-230支路的有功和无功曲线对比图
图17 作业1和作业2的STNC-230–GEN3-230支路的有功和无功曲线对比图
从功角变化曲线判断系统的暂态稳定性。

从功角变化曲线来看，电力系统受到大干扰后，各发电机之间的相对功角是周期振荡的，最终相对功角最终不会稳定于某一值或者并过渡到新的状态，失步系统的同步运行，系统是暂态不稳定的。

而且作业1相比作业2受到的扰动更大，其振荡的幅度更大，偏离稳定状态更多。