电力系统分析课程设计


     课 题:电力系统分析课程设计 专 业:电气工程及其自动化 班 级:20XX级X班 姓 名: 指导教师: 设计日期:2014年11月24日~2014年12月5日 成 绩: 目录 一.绪论...........................................2 二、 设计目的 3 三、设计内容 4 四、 设计要求 8 五、元件参数表 9 六、 计算 10 七、 CEES软件仿真 14 八、个人心得 20 九、参考文献 22 绪论  电力系统分析是电气工程及其自动化专业的必修课。主要通过理论和仿真计算使学生掌握电力系统三大计算(电力系统短路计算、系统稳定计算、潮流计算)的基本方法,深化学生对电力系统基本理论和计算方法的理解,培养学生分析、解决问题的能力和电力系统计算软件的应用能力。 短路计算是电力技术的基本问题之一。在发电厂、变电所以及整个电力系统的设计和运行工作中,都必须事先进行短路计算,以此作为合理选择电气接线、选用有足够热稳定度和动稳定度的电气设备及载流导体,确定限制短路电流的措施、在电力系统中合理地配置各种继电保护并整定其参数等的重要依据。为此,掌握短路发生以后的物理过程及其各种运行参量(电流、电压等)的数值是非常必要的。 短路计算内容一般包括: 1、 计算今后10年左右最大运行方式时三相短路和单相接地短路的零秒短路电流。对现有断路器进行更换时还应按过渡年份计算。 2、 发电厂和变电所电气设计一般还要计算短路电流的非周期性分量和冲击电流。 3、 为整定继电保护和选择熔断器等,有时尚需计算有关年份的系统最小运行方式的短路电流。 CEES短路计算程序可用于电力系统(包括工业和商业的供配电系统)三相短路、单相接地短路、两相短路、以及两相接地短路的分析计算。CEES可计算短路瞬间以及短路发生后若干时刻电流、电压的分布和其它参量。为获得最大的适应度和模拟精确度,在借鉴国内外同类软件优点的基础上,CEES采用了不同的计算方法(通用计算法和基于运算曲线的工程实用法)和标准(IEC909和ANSI/IEEE)供用户选择。 潮流计算是电力系统分析中的一种最基本的计算,它的任务是对给定的运行条件确定系统的运行状态,如各母线上的电压(幅值及其相角)、网络中的功率分布及功率损耗等。 潮流计算的设计目的一般包括: •  评价网络方案 •  选择导线和变电所主设备规格 •  为选用调压装置、无功补偿及其配置提供依据 •  为其它电力系统计算分析(如稳定计算)提供原始数据 潮流计算的设计运行方式一般包括: •  高峰负荷和低谷负荷 •  丰水期、平水期和枯水期(有水电时): 平水期主要用于方案的技术经济比较,丰水期和枯水期主要用于校核方案的供电可靠性及供电质量。 •  事故运行方式 •  特殊运行方式 为获得最大的适应度和模拟精确度,在借鉴国内外同类软件优点的基础上,CEES采用了不同的计算方法并由计算机根据电力系统特点自行选择。CEES潮流计算程序可用于电力系统(包括工业和商业的供配电系统)正常运行状态的分析计算,重点在电压、电流和功率的分布,即潮流分布。CEES也计算电压损失、功率损耗、设备功率因数及其过载状态、和其它静态参量。  简单闭式潮流网络通常是指两端供电网络和简单环形网络。简单环形网络是指每一节点都只同两条支路相接的环形网络。单电源供电的简单环网可以当做是供电点电压相等的两端供电网络。当简单环网中存在多个电源点是,给定功率的电源点可以当作负荷点处理,而把给定电压的电源点都一分为二,这样便得到若干个已知供电点电压的两端供电网络。这时简单环形网络可以转化为大家熟悉的两端供电网络,灵活运用功率分点进行电流网络的潮流计算。  潮流计算是实现电力系统安全经济发供电的必要措施和重要工作环节。因此,潮流计算在电力系统的规划计算、生产运行、调度管理及科学计算中都有着广泛的应用。也就是说,对于电气工程及其自动化专业的学生来说,掌握潮流计算是非常重要和必要的。 一、设计目的 系统总结、回顾复习该课程理论知识。综合应用课程知识解决电力系统工程实际的基础理论问题。培养锻炼分析问题解决问题的基本技能和基本方法。 二、 设计内容 1.潮流计算 潮流计算是电力系统最基本最常用的计算。根据系统给定的运行条件,网络接线及元件参数,通过潮流计算可以确定各母线的电压,包括电压的幅值和相角,各元件流过的功率,整个系统的功率损耗等一系列系统中的潮流数据。  潮流计算在数学上是多元非线性方程组的求解问题,求解的方法有很多种,牛顿—拉夫逊Newton-Raphson法是数学上解非线性方程组的有效方法,有较好的收敛性。将N-R法用于潮流计算是以导纳矩阵为基础的,由于利用了导纳矩阵的对称性,稀疏性及节点编号顺序优划等技巧,使N-R法在收敛性,占用内存,计算速度等方面的优点都超过了阻抗法。  同时本文也应用了电力系统潮流计算仿真软件CEES与利用程序计算的结果进行比较,使计算的结果更加准确。利用成形的程序对系统中出现的各种情况,例如负荷的变化以及线路上所发生的变化进行计算,并对母线上不满足范围的数据进行调控,使得系统处于一个较稳定的状态。 2.等值电路的计算过程  电压是衡量电力系统电能质量的标准之一。电压过高或过低,都将对人身及其用电设备产生重大的影响。保证用户的电压接近额定值是电力系统调度的基本任务之一。当系统的电压偏离允许值时,电力系统必须应用电压调节技术调节系统电压的大小,使其维持在允许值范围内。本文经过手算形成了等值电路图,并编写好了程序得出节点电压标幺值,使其满足所要求的调整范围。  我们首先对给定的程序输入部分作了简要的分析,程序开始需要我们确定输入节点数、支路数、平衡母线号、支路参数矩阵、节点参数矩阵。  (1)为了保证整个系统潮流计算的完整性,我们把凡具有母线及发电机处均选作节点,这样,共有10条母线以及4部发电机组即选定14个节点,我们确定电厂一母线3上的发电机作为平衡节点,节点号为①,其它机组作为PV节点,节点号为②③④,其余节点均为PQ节点,节点号见等值电路图。  (2)确定完节点及编号后,各条支路也相应确定了,网络中总计有13条支路,我们对各支路参数进行了计算。根据所给实际电路图和题中的已知条件,有以下公式计算各输电线路的阻抗和对地支路电容的标幺值和变压器的阻抗标幺值。 3.短路计算       在电力系统的设计和运行中,都必须考虑到可能发生的故障和不正常运行的情况,因为它们会破坏对用户的供电和电气设备的正常工作,而且还可能对人生命财产产生威胁。从电力系统的实际运行情况看,这些故障绝大多数多数是由短路引起的,因此除了对电力系统的短路故障有一较深刻的认识外,还必须熟练掌握电力系统的短路计算。  短路是电力系统的严重故障。所谓短路,是指一切不正常的相与相之间或相与地(对于中性点接地的系统)发生通路的情况。  3.1 短路的原因  产生短路的原因很多,主要有如下几个方面:(1)元件损坏,例如绝缘材料的自然老化、设计、安装及维护不良所带来的设备缺陷发展成短路等;(2)气象条件恶劣,例如雷击造成的网络放电或避雷器动作,架空线路由于大风或导线覆冰引起电杆倒塌等;(3)违规操作,例如运行人员带负荷拉闸,线路或设备检修后未拆除接地线就加上电压等;(4)其他,如挖沟损伤电缆,鸟兽跨接在裸露的载流部分等。  3.2 短路的类型  在三相系统中,可能发生的短路有:三相短路、两相短路、两相短路接地和单相接地短路。三相短路也称为对称短路,系统各项与正常运行时一样仍处于对称状态。其他类型的短路都是不对称短路。      电力系统的运行经验表明,在各种类型的短路中,单相短路占大多数,两相短路较少,三相短路的机会最少。三相短路虽然很少发生,但情况较严重,应给予足够的重视。况且,从短路计算方法来看,一切不对称短路的计算,在采用对称分量法后,都归结为对称短路的计算。因此,对三相短路的的研究是具有重要意义的。  3.3 短路计算的目的  在电力系统的设计和电气设备的运行中,短路计算是解决一系列问题的不可缺少的基本计算,这些问题主要是:  (1)选择有足够机械稳定度和热稳定度的电气设备,例如断路器、互感器、瓷瓶、母线、电缆等,必须以短路计算作为依据。这里包括计算冲击电流以校验设备的电动力稳定度;计算若干时刻的短路电流周期分量以校验设备的热稳定度;计算指定时刻的短路电流有效值以校验断路器的断流能力等。      (2)为了合理地配置各种继电保护和自动装置并确定其参数,必须对电力网中发生的各种短路进行计算和分析。在这些计算中不但要知道故障支路中的电流值,还必须知道电流在网络中的分布情况。有时还要知道系统中某些节点的电压值。 4.制定等值网络及参数计算  4.1标幺制的概念      在一般的电路计算中,电压、电流、功率和阻抗的单位分别用V,A,W,Ω表示,这种用实际有名单位表示物理量的方法称为有名单位制。在电力系统计算中,还广泛的使用标幺制。标幺制是相对单位制的一种,在标幺制中各物理量都用标幺值表示。标幺值定义由下式给出:  由此可见,标幺值是一个没有量纲的数值,对于同一个实际的有名值,基准值选得不同,其标幺值也就不同。因此,当我们说明一个量的标幺值时,必须同时说明它的基准值,否则,标幺值的意义是不明确的。 当选定电压、电流、功率和阻抗的基准值分别为BV,BI,BS和BZ时,相应的标幺值如下: 4.2 标幺值的选择      在电力系统分析中,主要涉及对称三相电路计算。计算时习惯上多采用线电压V,线电流I,三相功率S和一相等值阻抗Z,各物理量之间存在下列关系: 同单相电路一样,应使各量基准值之间的关系与其有名值间的关系具有相同的方程式:  由此可见,在标幺制中,三相电路的计算公式与单相电路的计算公式完全相同,线电压和相电压的标幺值相等,三相功率和单相功率的标幺值相等。在选择基准值时,习惯上也只选VB和SB 。由此得: 这样,电流和阻抗的标幺值则为: 采用标幺值进行计算,所得结果最后还要换算成有名值,其换算公式为: 5.短路电流计算曲线的应用  在工程计算中常利用计算曲线来确定短路后任意指定时刻短路电流的周期分量,对短路点的总电流和短路点邻近支路的电流分布计算,计算曲线有足够的准确度。  应用计算曲线法的具体计算步骤如下:     (1)绘制等值网络。      a.选取基准功率SB和基准电压VB=Vav;      b.发电机的电抗用xd“,略去网络中各元件的电阻,输电线路的电容和变压器的励磁支路;      c.无限大功率电源的内电抗等于零;     d.略去负荷。 (2)进行网络变换。    将网络中的电源按合并的原则合并成若干组,求出各等值电机对短路点的转移阻抗xfi(i=1,2,…)以及无限大功率电源对短路点的转移电抗xfs。  (3) 将求得的转移电抗按各相应的等值机的容量进行归算,便得到各等值机对短路点的计算电抗。  式中SNi为第i台等值机的额定容量,即由它所代表的那部分发电机的额定容量之和。 (4) 由xjs1,xjs2,…分别根据适当的计算曲线找出指定时刻t各等值发电机提供的短路周期电流的标幺值Ipt1*,Ipt2*,…, Iptg*。 (5)网络中无限大功率电源提供的短路周期电流是不衰减的,并由下式确定 =W 三、设计要求 1)列出完整详细的计算式和图表; 2)按标准论文格式书写设计报告,按时提交; 3)按下图进行课程设计。 图1课程设计题之电力系统接线图 4 元件参数表 表1元件参数 小组号 4 3号母线运行电压 38.5kV 6号母线运行电压 121kV 1、2号发电机 30MW 0.8 3、4号发电机 60MW 0.85 1、2号变压器 3、4号变压器 5、6号变压器 1、3号线路 2、4号线路 1号集中负荷 8+j3 2号集中负荷 12+j4 3号集中负荷 16+j10 4号集中负荷 6+j2 5号集中负 40:+j30 6号集中负荷 18+j6 短路母线 8 5 计算 (1)电网的等值电路计算:(李遵诚、李洋负责) 取,,并认为所以变压器的标幺变比都等于1。 变压器1,2: 变压器3,4: 变压器5,6: 线路1,3: 线路2,4: 发电机1,2: 变压器1,3: : 线路2,4: 发电机3,4: 变压器3,4: 变压器5,6: 负荷1: 负荷2: 负荷3: 负荷4: 负荷5: 负荷6: (2) 短路电流周期分量计算:(张超鹏负责) 图2 图3 图4 (3) 潮流计算:(王科、李秋负责) 线路1,3: 线路2,4: 变压器5,6: 发电机3,4: 6 CEES软件仿真(张超鹏负责) 1) 电网的等值电路计算: 图5 2) 短路电流周期分量计算: 图6 (3)潮流计算: (3)潮流计算在CEES中的数据: 图7 七、个人心得 1.A:通过这次的课程设计,让我重新复习和巩固了课本上的相关内容,对课本上的知识有了更深层次的理解与掌握,同时进一步感受到了理论知识在工程实践中的重要性。刚接触到课设题目时,只有一个模糊的方向,只是知道怎么去做,但具体的计算却不知道,后来通过不断地请教同学,与组员进行了多次讨论与推敲,确定了思路和答题的方向,由于理论知识的不扎实,导致这次的课程设计没有完整的做完,主要是手动潮流计算部分,这是这次课设的一大败笔,但是我能通过CEES决策软件做出短路计算和潮流计算来,也还是很不错了。总之,对于这次的课程设计,尽管还是留有些许遗憾,但我已经尽全力的去发现和解决问题。 2.B:通过这两周四天的学习,让我对电力系统分析有了进一步的了解(比如说等值电路的化简和潮流计算等),但是在学习的过程中我们也发现了,电力系统分析的计算也太过于复杂公式太多,这是一个让人比较头痛的地方,总的来说学到的东西还是有一点的,但是不多。 3.C:电力系统分析这门课程设计,可以说难度非常大,我反复翻书,都难以弄懂具体是什么情况,不过,在坚持不懈和问同学问老师的努力下,总算略知一二了。这是一门整体思维的设计,更是差之毫米,谬之千里的严谨的科学理论学科。通过此次课程设计,让我更加明白,我的学习之路还很遥远,必须要继续努力奋斗。 4.D:经历了两个礼拜八个课时的学习,我学会了很多东西,对电力系统分析有了更深的理解,平时在实验课中所依赖的cess系统的简单参数的输入在使用的时候,短路计算,潮流计算,一般计算都是错漏百出,并且所得答案要进行核对,在日常工作生活中,要更加注重个人计算分析能力的培养。雄关漫道真如铁,在科学道路上我还要更加努力。 5.E:这学期我们进行了电力系统分析的专业课的学习,让我掌握了电力系统潮流计算的基本知识,在本学期的课程设计中,我们进行了这次电网潮流的计算设计,让我对潮流的计算加深了认识,潮流计算是电力系统的最基本最常用的计算,但是实际的情况远比我们计算的情况复杂,这让我深刻的了解了潮流计算的重要,性.所以我认为学好电力系统的关键在于学好潮流计算,因为一个很小的失误就可能造成整个电网的崩溃,所以我们要努力的打好基础,努力提高自己的能力跟熟练度。 8参考文献 [1] 何仰赞,温增银.电力系统分析上[M].第三版. 华中科技大学出版社.2002. [2] 何仰赞,温增银.电力系统分析下[M].第三版. 华中科技大学出版社.2002. 重庆大学城市科技学院课程设计 本文档由香当网(https://www.xiangdang.net)用户上传

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