電力系統(tǒng)仿真實驗指導書

1、電力系統(tǒng)仿真試驗指導書楊靜 編南京工業(yè)高校電氣工程與把握科學學院 2015年5月目 錄試驗一 大電流接地系統(tǒng)短路故障仿真試驗3試驗二 簡潔電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性仿真11試驗三 電力系統(tǒng)潮流計算仿真試驗19參考資料29歡迎下載試驗一 大電流接地系統(tǒng)短路故障仿真試驗一、試驗目的與要求通過試驗教學加深同學的基本概念，把握電力系統(tǒng)各類短路故障的特點，使同學通過系統(tǒng)進行物理模擬和數(shù)學模擬，對大電流接地系統(tǒng)進行輸電線路短路故障仿真試驗，以達到理論聯(lián)系實際的效果，提高同學的感性生疏及對電力系統(tǒng)仿真過程的分析力量。本試驗要求同學把握Simulink中電力系統(tǒng)常用元件的模型及使用方法，并了解建模的基本過程，以及完成

2、模型的仿真，結合短路相關的理論學問對仿真結果加以分析。二、試驗內(nèi)容 搭建如圖1-1所示的系統(tǒng)模型并仿真，該系統(tǒng)有3個電源，4條輸電線路，在Line1的末端設置各種類型的短路故障，觀看示波器中的電壓和電流波形，記錄下故障電壓電流的有效值。圖1-1 大電流接地系統(tǒng)短路故障的Simulink仿真模型三、試驗儀器設備及耗材1.每組計算機1臺、軟件Matlab7.0套。四、試驗原理1、SimuLink簡要說明SimuLink是基于 MATLAB的圖形化仿真設計環(huán)境，它是MATLAB供應對系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的一個軟件包。它使用圖形化的系統(tǒng)模塊對動態(tài)系統(tǒng)進行描述，并在此基礎之上接受MATLAB引擎對動

3、態(tài)系統(tǒng)在時域內(nèi)進行求解。進入SimuLink的2種方法：1)在MATLAB命令行中敲出SimuLink，回車，就打開了SimuLink。2)點擊工具欄中的按鈕，看圖：圖1-2 進入Simulink2、SimPowerSystems說明SimuLink下的SimPowerSystems可以實現(xiàn)電路、電力系統(tǒng)、電機、電力電子電路的建模與仿真分析，它供應了典型的電氣設備和元件，比如變壓器、傳輸線、電機、電力電子器件等等。 進入SimPowerSystems的2種方法：1)在MATLAB命令行中敲出powerlib，回車，就打開了SimPowerSystems的元件庫。2)進入simulink環(huán)境，從

4、左側的選出SimPowerSystems，看圖：圖1-3 進入SimPowerSystemsElectrical Sources，電源庫，有各種電源，溝通電壓源、溝通電流源、直流電壓源、受控電壓源、受控電流源、電池、三相電源、三相可編程電壓源。Elements，元件庫，有開關、傳輸線、電阻、電感、電容、變壓器、故障等。Machines，電機庫，里面有各種各樣的電機，同步、異步、永磁、步進等，還分別給出了部分電機的簡化模型和具體模型，SI單位制模型和標幺值模型。 Measurements，測量庫，里面有各種測量設備，電壓、電流、阻抗測量，三相電流電壓測量，還有萬用表。 Power Electro

5、nics，電力電子庫，里面包括二極管、晶閘管、抱負開關、通用橋、IGBT等電力電子器件。 Application，應用庫，這里面是一些整合的應用小系統(tǒng)，有風力發(fā)電機、特種電機等。Extra Library，附加庫。含有control block、discrete control block、discrete measurements、measurements、phasor library等子庫。中間就有PLL，單穩(wěn)態(tài)、PWM發(fā)生器、FFT、有功無功測量、有效值、平均值、相量測量等等格外有用的模塊五、主要技術重點、難點設置算法、故障模塊使用、連線的分支六、試驗步驟1、新建一個simulink m

6、odel文件。首先進入simulink界面。就像其他windows應用程序一樣，可以通過點擊“新建”快捷菜單，這個圖標長的和Word中的新建是很像的；可以使用快捷鍵Ctrl+N；可以通過file->new->model。 2、保存新建的文件。文件格式為mdl。保存有三種操作方法：快捷菜單、快捷鍵和菜單操作。3、依據(jù)試驗內(nèi)容要求，將需要的模塊“拖出來”。拖出來的分解動作是：左鍵選中模塊，按住左鍵將其拖拉到工作空間中。 仿真電路中各模塊名稱及提取路徑模塊名提取路徑電源Three-phase sourceSimPowerSystems/Eletrical Sources線路Distrib

7、uted Parameters LineSimPowerSystems/Elements三相壓電流測量模塊ThreePhaseVI MeasurementSimPowerSystems/Measurements三相故障模塊ThreePhase FaultSimPowerSystems/Elements有效值測量模塊RMSSimPowerSystems/Exira Library/ Measurements三相序重量分析模塊Three-phase-Sequence-AnalyzerSimPowerSystems/Exira Library/ Measurements示波器模塊ScopeSimul

8、ink/Sinks4、重命名拖出來的模塊。命名原則就是能依據(jù)名稱看出它的功能；盡量簡潔；符合行業(yè)規(guī)定和一般習慣。比如，電壓源一般命名為Vs，等效電阻命名為R_eq。5、旋轉模塊。選中模塊，鼠標右擊執(zhí)行菜單FormatRotate Block。6、對各個模塊進行參數(shù)設置。電源接受“Three-phase source”，參數(shù)設置如圖1-4所示，電源E2、E3的A相電勢初相位分別為300、600，其他設置與E1相同。輸電線路仿真模塊接受“Distributed Parameters Line”分布參數(shù)模型，Line1的參數(shù)設置如圖1-5所示。線路Line2、Line3、Line4的長度分別為150

9、km、260km、300km，其他設置與Line1相同。圖1-4電源參數(shù)設置圖1-5 線路參數(shù)設置圖1-6 故障類型設置故障類型分別設置為三相短路、A相接地短路、AB兩相接地短路、AB兩相相間短路，故障時間從0.08s開頭，0.12s結束。7、依據(jù)試驗內(nèi)容添加測量模塊。添加三相電壓電流測量模塊、有效值測量模塊、三相序重量分析模塊。圖1-7 有效值測量模塊設置圖1-8 三相序重量分析模塊三相序重量分析模塊求解選項Sequence設置為 Zero，求解零序重量。8、添加顯示設備（scope），將測量模塊的輸出接到顯示設備（scope）。9、連線先將光標指向連線的起點，待光標變?yōu)槭趾?，按下鼠標左鍵

10、后拖動至終點，釋放鼠標。假如一個起點連接多個終點，將產(chǎn)生分支，操作方法如下：1)將光標指向分支線的起點(即在已有信號線上的某點)。2)按下鼠標右鍵，看到光標變?yōu)槭?；或者按?lt;Ctrl>鍵，再按下鼠標左鍵。3)拖動鼠標，直至分支線的終點處。10、設置算法依次點擊菜單simulation->configuration parameters或者使用快捷鍵Ctrl+E。消滅：圖1-10 仿真參數(shù)設置算法設置為ode23tb，仿真時間長度設置為0.2秒，其他保持為默認值。11、開頭仿真。啟動仿真有三種方法。一是直接點擊工具欄中的仿真按鈕，是一個向右的黑三角，長的格外像播放器的“播放”

11、按鈕。其次種是菜單simulation->start。第三種就是使用快捷鍵Ctrl+T。 12、雙擊打開scope，觀看電壓、電流波樣子況，記錄下電壓電流的有效值數(shù)據(jù)。建議查看曲線時鼠標右擊選擇菜單AutoScale使曲線以合適的大小顯示。故障前短路電流最大時刻對應的電壓、電流UIUaIaUbIbUcIcU0I0三相短路A相接地AB兩相接地AB兩相相間短路七、試驗報告要求1、給出輸電線路故障的仿真模型2、說明建模步驟和仿真過程3、給出不同短路類型下的電壓、電流瞬時值波形。4、給出零序電壓、零序電流的有效值曲線。5、整理不同短路類型下獲得試驗數(shù)據(jù)。6、通過對比，對不同短路類型進行定性分析。

12、八、試驗留意事項留意三相測量模塊、有效值測量模塊、三相序重量分析模塊之間的連接九、思考題1、什么是短路電流的最大有效值？其計算公式如何？2、不同的短路類型，短路電流有什么特征？電壓有什么特征？試驗二 簡潔電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性仿真一、試驗目的與要求通過試驗教學加深同學的基本概念，了解系統(tǒng)患病大干擾后(比如短路故障)系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行與故障切除時間等因素緊密相關，使同學通過系統(tǒng)進行物理模擬和數(shù)學模擬，對簡潔電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定仿真試驗，以達到理論聯(lián)系實際的效果，增加對系統(tǒng)穩(wěn)定性的生疏與理解，提高同學的感性生疏及對電力系統(tǒng)仿真過程的分析力量。本試驗要求同學把握Simulink中電力系統(tǒng)常用元件的模型及使用方

13、法，并了解建模的基本過程，以及完成模型的仿真，結合短路相關的理論學問對仿真結果加以分析。二、試驗內(nèi)容 對如圖2-1所示的單機無窮大系統(tǒng)，分析在f點發(fā)生短路故障，通過線路兩側開關同時斷開切除線路后，系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。圖2-1 單機無窮大系統(tǒng)原理圖發(fā)電機的參數(shù)：SGN=352.5MWA,PGN=300MW,UGN=10.5Kv,xd=1,xd=0.25,xd”=0.252,xq=0.6,xl=0.18,Td=1.01,Td”=0.053,Tq0”=0.1,Rs=0.0028,H(s)=4s;TJN=8s,負序電抗：x2=0.2變壓器T-1的參數(shù):STN1=360MVA,UST1%=14%,KT1=

14、10.5/242;變壓器T-2的參數(shù):STN2=360MVA,UST2%=14%,KT2=220/121;線路的參數(shù)：l=250km,UN=220K,XL=0.41歐/km，rL=0.07歐/km，線路的零序電抗為正序電抗的5倍。三、試驗儀器設備及耗材1.每組計算機1臺、軟件Matlab7.0套。四、試驗原理1、powergui說明powergui是一個環(huán)境模塊，它利用Simulink功能連接不同的電氣元件，是分析電力系統(tǒng)模型有效的圖形化用戶接口工具。任何一個含有SimPowerSystems模塊的模型中必需含有一個。它儲存了電路模型的等效數(shù)學模型（狀態(tài)空間方程）。沒有它，仿真不能啟動，會給出

15、一個錯誤提示。 1）powergui模塊可以顯示系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時的電流和電壓及電路全部狀態(tài)的變量值。為了執(zhí)行仿真，powergui模塊允許修改初始狀態(tài)。2）Powergui可以執(zhí)行負載潮流計算。3）當電路中消滅阻抗測量模塊時，powergui也可以顯示阻抗隨頻率變化的波形。4）可以生成擴展名為rep的結果報告文件。powergui指定了解電路的方法。主要有：1)使用變步長Simulink求解策略的（時間）連續(xù)方法；2）抱負開關（時間）連續(xù)方法；3）固定時間步長的（時間）離散方法；4）相量方法。找到powergui的2種方法：1）在simulink庫掃瞄器的樹形名目左側點一下SimPowerS

16、ystems,右側顯示出來的圖表中最終一個就是它。2）直接在MATLAB的命令行里敲進powerlib，調(diào)出powerlib庫，它也是消滅在最終一個。 2、SimPowerSystems工作機制每次仿真的時候，都要調(diào)用一個特殊的初始化機制。這個初始化機制計算出電路模型的狀態(tài)空間模型，搭建出可以供Simulink軟件仿真的等價模型。這個機制的等效步驟是這樣的： 1) 將全部的SimPowerSystems模塊分為線性和非線性兩類，提取模塊的參數(shù)，得出模型的網(wǎng)絡拓撲結構。每一個電氣節(jié)點自動賜予一個節(jié)點標號。 2) 網(wǎng)絡拓撲得到后，線性模塊的狀態(tài)空間模型（矩陣A、B、C、D）被計算。本階段，同時完成

17、全部的穩(wěn)態(tài)計算和初始化。 3) 搭建起電路模型的Simulink模型，將其存儲于Powergui模塊中。五、主要技術重點、難點同步發(fā)電機模塊、調(diào)速器模塊、勵磁把握器模塊、發(fā)電機參數(shù)輸出模塊的使用六、試驗步驟仿真電路中各模塊名稱及提取路徑模塊名提取路徑發(fā)電機模塊Synchronous Machine pu StandardSimPowerSystems/machines發(fā)電機調(diào)速器模塊Hydrauic Turbine and GovernorSimPowerSystems/machines發(fā)電機勵磁模塊Excitation SystemSimPowerSystems/machines三相雙繞組變

18、壓器Three-Phase Transformer(Two Windings)SimPowerSystems/Elements電力圖形用戶界面模塊PowerguiSimPowerSystems 或者 輸入命令powerlibBus Selector模塊Simulink/Single Routing三相電源模塊Three-phase sourceSimPowerSystems/Eletrical Sources輸電線路模塊Three-phase PI LineSimPowerSystems/Elements三相RLC并聯(lián)負荷模塊Three-Phase Parallel RLC LoadSimPo

19、werSystems/Elements三相壓電流測量模塊ThreePhaseVI MeasurementSimPowerSystems/Measurements三相故障模塊ThreePhase FaultSimPowerSystems/Elements三相斷路器模塊Three-Phase BreakerSimPowerSystems/Elements終端連接器模塊TerminatorSimulink/Sinks示波器模塊ScopeSimulink/Sinks1、依據(jù)圖2-2把各個模塊從Sinmulink庫中提取出來，放在合適的位置。圖2-2 暫態(tài)穩(wěn)定性SimuLink仿真模型圖圖2-3 發(fā)電機

20、模塊參數(shù)設置2、設置各模塊參數(shù)1)在仿真模型中，發(fā)電機接受” Synchronous Machine pu Standard”模型，額定容量為352.5MWA，額定電壓為10.5Kv,參數(shù)設置如圖3-3所示。發(fā)電機調(diào)速器模塊設置如圖2-4所示：圖2-4 發(fā)電機調(diào)速器模塊參數(shù)設置發(fā)電機勵磁把握系統(tǒng)模塊設置如圖2-5所示：圖2-5 發(fā)電機勵磁把握模塊參數(shù)設置發(fā)電機模塊輸出參數(shù)m由兩個Bus Selector引出，一個Bus Selector將運行參數(shù)反饋到調(diào)速器和勵磁系統(tǒng)，另一個Bus Selector將信號輸出到 Scope顯示。其中一Bus Selector設置如圖2-6所示，另一個Bus S

21、elector設置依據(jù)模型2-2進行。圖2-6 發(fā)電機運行參數(shù)m由Bus Selector引出2)無窮大系統(tǒng)接受”Three-phase source”模型，其參數(shù)設置如圖2-4所示。圖2-7 無窮大系統(tǒng)等值電源模塊參數(shù)設置3）和發(fā)電機相連的升壓變壓器參數(shù)設置如圖2-8所示。和無窮大系統(tǒng)相連的降壓變壓器參數(shù)設置：原邊高壓側ABC接線方式為Yg，電壓阻抗參數(shù)分別為220e3、0、0.07，低壓側接線方式為Delta(D1)，電壓阻抗參數(shù)分別為110e3、0、0.07。其他設置和升壓變壓器設置相同。圖2-8 升壓變壓器模塊參數(shù)設置4）線路模型接受三相”形等值線路模塊，參數(shù)設置如圖2-9所示：圖2-

22、9 輸電線路參數(shù)設置5）故障點的故障類型等參數(shù)接受三相線路故障模塊”Three-Phase Fault”來設置，由于故障后線路兩側的斷路器應同時斷開切除線路，所以模型中的兩個斷路器模塊Breaker的動作參數(shù)應與故障模塊中的動作參數(shù)設置相協(xié)作。在故障模塊中設置故障類型為AB兩相接地故障，Transition time(s)設置為0.1 9，即0.1s時發(fā)生故障，9s時結束。假如在故障后0.1s切除線路，則兩個斷路器模塊的參數(shù)設置應如圖2-10所示。假如在故障后0.5s切除線路，斷路器模塊的參數(shù)Transition time(s)設置為0.6 9，即0.6s斷路器動作切除線路。6)母線 Bus接

23、受的是三相電壓電流測量模塊”ThreePhaseVI Measurement”，將其Back Color設置為black即可。7）完成以上設置后，利用Powergui模塊對電機進行初始設置。單擊Powergui，在 Simulation Type選項中選擇Discretize electrical model,Sample time(s)設置為1e-5。打開”Load Flow and Machine Initialization ”潮流計算和電機初始化窗口，設置發(fā)電機節(jié)點的類型為PV節(jié)點，機端電壓10.5kV,輸出功率3e8MVA,然后點擊按鈕”Update Load Flow ”更新潮流計

24、算。3、連線 4、設置算法算法設置為Discrete離散算法，仿真時間長度設置為5s，其他保持為默認值。5、開頭仿真。將斷路器模塊的參數(shù)Transition time(s) 分別設置為0.2 9、0.6 9兩種狀況進行仿真。6、雙擊打開scope，查看發(fā)電機轉速、功角、電壓、電流等波樣子況。建議查看曲線時鼠標右擊選擇菜單AutoScale使曲線以合適的大小顯示。七、試驗報告要求1、給出單機無窮大系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性Simulink仿真模型。2、說明建模步驟和仿真過程3、給出故障切除時間分別為故障后0.1s、0.5s兩種狀況下發(fā)電機轉速、功角曲線。4、給出電壓電流波形曲線。5、對比不同故障切除時刻的仿

25、真結果。八、試驗留意事項留意發(fā)電機模塊、調(diào)速器、勵磁模塊之間的連接九、思考題1、功角和發(fā)電機慣性時間常熟TJ的物理意義是什么？2、提高電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定的措施主要有哪些？試驗三電力系統(tǒng)潮流計算仿真試驗一、試驗目的與要求通過試驗教學加深同學的基本概念，了解電力系統(tǒng)潮流計算是爭辯電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行的一項基本計算，使同學通過系統(tǒng)進行物理模擬和數(shù)學模擬，對電力系統(tǒng)進行潮流計算的仿真試驗，以達到理論聯(lián)系實際的效果，提高同學的感性生疏及對電力系統(tǒng)仿真過程的分析力量。本試驗要求同學把握Simulink中電力系統(tǒng)常用元件的模型及使用方法，并了解建模的基本過程，以及完成模型的仿真，結合短路相關的理論學問對

26、仿真結果加以分析。二、試驗內(nèi)容 如圖3-1所示的2機5節(jié)點電力系統(tǒng)，分別接受潮流計算軟件MATPOWER和電力圖形用戶分析界面（Powergui）對電網(wǎng)進行潮流分析。圖3-1 2機5節(jié)點系統(tǒng)三、試驗儀器設備及耗材1.每組計算機1臺、軟件Matlab7.0套。四、試驗原理1MATPOWER軟件安裝步驟l 下載完畢后，解壓縮。l 右擊Matlab，點擊性。點擊“ 打開文件位置”找到Matlab的安裝名目。按下Backspace,找到toolbox文件夾。l 將解壓縮的matpower復制到toolbox文件夾下。l 打開Matlab,點擊File,在下拉菜單中找到setpath。點擊setpath

27、,如圖。l 點擊Add with subfolds，在彈出框中將你復制到toolbox   "matpower"文件夾找到。點擊 確定。點擊 save 然后離開。l 在Matlab中 輸入  test_matpower回車后，消滅以下命令，就代表已經(jīng)安裝好了。t_nested_struct_copy.okt_mpoption.okt_loadcase.okt_ext2int2ext.okt_jacobian.okt_hessian.okt_margcost.okt_totcost.okt_modcost.okt_hasPQcap.okt_mips.okt

28、_qps_matpower.ok (216 of 324 skipped)t_pf.okt_cpf.okt_islands.okt_opf_model.okt_opf_fmincon.okt_opf_mips.okt_opf_mips_sc.okt_opf_dc_mips.okt_opf_dc_mips_sc.okt_opf_dc_ot.okt_opf_userfcns.okt_runopf_w_res.okt_dcline.okt_makePTDF.okt_makeLODF.okt_total_load.okt_scale_load.okt_psse.not ok#  Ran 13

29、7 of 137 tests: 135 passed, 2 failedt_off2case.okt_auction_mips.okt_runmarket.okRan 3156 of 3156 tests: 2938 passed, 2 failed, 216 skippedElapsed time 57.16 seconds.2. 簡要說明字段baseMVA是一個標量，用來設置基準容量，如100MVA。字段bus是一個矩陣，用來設置電網(wǎng)中各母線參數(shù)。 bus_i用來設置母線編號(正整數(shù))。 type用來設置母線類型, 1為PQ節(jié)點母線, 2為PV節(jié)點母線, 3為平衡(參考)節(jié)點母線，4為孤立

30、節(jié)點母線。 Pd和Qd用來設置母線注入負荷的有功功率和無功功率。 Gs、Bs用來設置與母線并聯(lián)電導和電納。 baseKV用來設置該母線基準電壓。 Vm和Va用來設置母線電壓的幅值、相位初值。 Vmax和Vmin用來設置工作時母線最高、最低電壓幅值 area和zone用來設置電網(wǎng)斷面號和分區(qū)號，一般都設置為1，前者可設置范圍為1100，后者可設置范圍為1999。字段gen為一個矩陣，用來設置接入電網(wǎng)中的發(fā)電機(電源)參數(shù)。 bus用來設置接入發(fā)電機(電源)的母線編號。 Pg和Qg用來設置接入發(fā)電機(電源)的有功功率和無功功率。 Pmax和Pmin用來設置接入發(fā)電機(電源)的有功功率最大、最小允許

31、值。 Qmax和Qmin用來設置接入發(fā)電機(電源)的無功功率最大、最小允許值。 Vg用來設置接入發(fā)電機(電源)的工作電壓。 mBase用來設置接入發(fā)電機(電源)的功率基準,假如為默認值,就是baseMVA變量的值。 status用來設置發(fā)電機(電源)工作狀態(tài), 1表示投入運行, 0表示退出運行。4)字段branch也是一個矩陣，用來設置電網(wǎng)中各支路參數(shù)。 fbus和tbus用來設置該支路由起始節(jié)點(母線)編號和終止節(jié)點(母線)編號。 r、x和b用來設置該支路的電阻、電抗和充電電納。 rateA、rateB和rateC分別用來設置該支路長期、短期和緊急允許功率。序號變量名默認值功能描述1PF_A

32、LG1潮流算法1牛頓法2快速解耦算法(XB版本)3快速解耦算法(BX版本)4高斯-賽德爾法2PF_TOLle8每一個單元（節(jié)點）的有功和無功最大的允許偏差3PF_MAX_IT10牛頓法的最大迭代次數(shù)4PF_MAX_IT_FD30快速解耦算法的最大迭代次數(shù)5PF_MAX_IT_GS1000高斯􀰊賽德爾法的最大迭代次數(shù)6ENFORCE_Q_LIMS0機組電壓無功把握限制0或者17PF_DC0接受直流潮流模型0使用溝通模型，接受溝通算法選項1使用直流模型，忽視溝通算法選項序號變量名默認值功能描述31VERBOSE1打印進程信息的數(shù)量0不打印進程信息1打印少量進程信息2打印大量進程信

33、息3打印全部進程信息32OUT_ALL-1結果的打印把握-1用分散的標志來把握哪些需要輸出0不打印任何內(nèi)容1打印全部內(nèi)容五、試驗步驟1. 編寫2機5節(jié)點M文件function mpc=case5_01% MATPOWER Case Format : Version 2mpc.version = '2' %- Power Flow Data -% system MVA basempc.baseMVA = 100; % bus data% bus_i type Pd Qd Gs Bs area Vm Va baseKV zone Vmax Vminmpc.bus =1 1 160 80 0 0 1 1 0 100 1 1.1 0.94; 2 1 200 100 0 0 1 1 0 100 1 1.1 0.94; 3 1 370 130 0 0 1 1 0 100 1 1.1 0.94; 4 2 0 0 0 0 1 1.050 0 100 1 1.1 0.94; 5 3 0 0 0 0 1 1.050 0 100 1 1.1 0.94;% generator data% bus Pg Qg Qmax