電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析項目設(shè)計

1緒論

電力工業(yè)發(fā)展初期，電能是直接在顧客附近日勺發(fā)電站（或稱發(fā)電廠）中生產(chǎn)的，

各發(fā)電站孤立運(yùn)行。伴隨工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和都市的發(fā)展，電能H勺需要量迅速增長，而熱能

資源和水能資源豐富H勺地區(qū)又往往遠(yuǎn)離用電比較集中日勺都市和工礦區(qū)，為了處理這個

矛盾，就需要在動力資源豐富的地區(qū)建立大型發(fā)電站，然后將電能遠(yuǎn)距離輸送給電力

顧客。同步，為了提高供電H勺可靠性以及資源運(yùn)用的綜合經(jīng)濟(jì)性，又把許多分散的多

種形式的發(fā)電站，通過送電線路和變電所聯(lián)絡(luò)起來。這種由發(fā)電機(jī)、升壓和降壓變電

所，送電線路以及用電設(shè)備有機(jī)連接起來H勺整體，即稱為電力系統(tǒng)。

電力系統(tǒng)有兩種基本日勺運(yùn)行狀態(tài)，即穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)。電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，發(fā)電廠中原

動機(jī)日勺輸入功率同輸出功率相平衡，系統(tǒng)的I頻率和電壓都是穩(wěn)定的。然而，這種運(yùn)動

中的I穩(wěn)態(tài)，并不是絕對不變?nèi)丈?。?dāng)系統(tǒng)受到某種干擾時，上述功率的平衡即被打破，

運(yùn)動狀態(tài)也將隨之而變，由于系統(tǒng)中包具有許多慣性元件，運(yùn)動狀態(tài)的變化不能瞬時

完畢，而必須經(jīng)歷一種過渡狀態(tài)，這種過渡狀態(tài)稱為暫態(tài)。

由于實際的干擾總是有大有小，因此電力系統(tǒng)在經(jīng)受干擾后來，其過渡的結(jié)局便有兩

種也許性：一種狀況是，系統(tǒng)從本來的穩(wěn)態(tài)過渡到另一種新口勺穩(wěn)態(tài)，其運(yùn)行參數(shù)（電

壓和頻率）相對于正常值的偏差可以保持在一定的容許范圍內(nèi)，系統(tǒng)仍能正常工作，

正常運(yùn)行中口勺電力系統(tǒng)，實際上就是常常處在這種較小口勺變動的過程中。另一種狀況

是，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生多種故障的時候，系統(tǒng)的運(yùn)行將經(jīng)歷劇烈的變化，所趨于口勺狀態(tài),

或者使其運(yùn)行參數(shù)大大偏離正常值，以致電能質(zhì)量嚴(yán)重變壞。

短路故障計算重要研究電力系統(tǒng)中發(fā)生故障（包括短路、斷線和非正常操作）時,

故障電流、電壓及其在電力網(wǎng)中的分布。短路電流計算是故障分析的日勺重要內(nèi)容。短

路電流計算日勺目日勺，是確定短路故障的嚴(yán)重程度，選擇電氣設(shè)備參數(shù)。整定繼電保護(hù),

分析系統(tǒng)中負(fù)序及零序電流的I分布，從而確定其對電氣設(shè)備和系統(tǒng)的影響。

2課題內(nèi)容

2.1課題闡明及規(guī)定

電力系統(tǒng)的短路計算是電力系統(tǒng)最基本的計算，也是最重要日勺計算。本次課程設(shè)

計重要是為了掌握電力系統(tǒng)短路計算日勺基本原理和純熟運(yùn)用PSCAD仿真軟件，為

后來的學(xué)習(xí)和工作打下基礎(chǔ)。課程設(shè)計的I詳細(xì)規(guī)定如下：

(1)熟悉PSCAD軟件；

(2)理解短路計算的基本措施；

(3)建立系統(tǒng)接線圖的仿真過程；

(4)得出仿真成昊。

2.2課題有關(guān)技術(shù)參數(shù)

測試系統(tǒng)由三個控制區(qū)域構(gòu)成，區(qū)域1是一種經(jīng)典供電系統(tǒng)，總裝機(jī)容量為

5700MVA、最大負(fù)荷為5000MW,大部分裝機(jī)容量距離負(fù)荷相對較近，即接于

母線3容量為4400MVA的發(fā)電廠。此外，1300MVA是離負(fù)荷較遠(yuǎn)的核電機(jī)組，

通過長距離5()()kV線路向負(fù)荷送電。區(qū)域2代表附近地區(qū)日勺總裝機(jī)容量和總負(fù)荷，

此系統(tǒng)總裝機(jī)容量為6(X)()()MVA，最大負(fù)荷為40000MW。區(qū)域2通過2條5()()kV

線路與區(qū)域1相連，即如圖2.1中所示的線路A和線路B。區(qū)域3是一種大規(guī)模相鄰

系統(tǒng)，裝機(jī)容量為70000MVA，最大負(fù)荷為50000MW，此區(qū)域也通過2條500kV

線路與區(qū)域1相連。本次進(jìn)行短路計算是母線7發(fā)生短路。

3短路計算

3.1短路計算日勺原因及分類

所謂短路,指日勺是由于電力系統(tǒng)相與相之間或相與地之間日勺絕緣破壞后，形成了

非正常的低阻抗通路。

短路產(chǎn)生歐J原因來自于外部和內(nèi)部。外部原因：雷電、風(fēng)暴、環(huán)境污染和動物進(jìn)

入導(dǎo)致歐I絕緣破壞，如胃擊導(dǎo)致的閃絡(luò)放電或避雷器動作，大風(fēng)導(dǎo)致架空斷線或?qū)Ь€

覆冰引起電桿倒塌，如運(yùn)行人員帶負(fù)荷拉刀閘，線路或設(shè)備檢修后未拆除接地線就加

電壓,如挖溝損傷電流，鳥獸（包括蛇，鼠等）跨接在裸露的載流部分等；內(nèi)部原因:絕緣

材料日勺老化破裂,如絕緣材料的自然老化,設(shè)計、安裝及維護(hù)不良等所導(dǎo)致的I設(shè)備缺陷

發(fā)展成短路等。

按短路后的電路狀態(tài)辨別，短路口勺形式有四種:三相短路,單相接地,兩相短路,兩

相接地短路。其中三相短路后電路保持三相對稱狀態(tài)，稱為對稱短路;其他的三種短路

形式均稱為不對稱短路，按短路原因日勺持續(xù)時間、停電后短路狀態(tài)與否自動消除，將

短路分為瞬時性短路和持續(xù)性短路兩種。例如，因動物進(jìn)入帶電體間引起日勺短路，當(dāng)動

物被擊落或燒毀后,短路原因消失,停電后可立即恢復(fù)供電,因此稱為瞬時性短路。電

氣設(shè)備絕緣破壞,輸電線倒桿引起的短路則是持續(xù)性短路。

3.2短路電流日勺危害

短路電流可達(dá)幾十到幾百千安，因此導(dǎo)致很大的危害。包括兩個階段H勺危害:短路

過程中的危害和短路結(jié)束后的危害。

短路過程中日勺危害:短路電流使設(shè)備發(fā)熱增長,短路持續(xù)時間較長時,設(shè)備也許過

熱以致?lián)p壞（短路電流大量發(fā)熱,對電氣設(shè)備產(chǎn)生熱破壞,稱為熱穩(wěn)固性破壞）；短路點

附近支路中出現(xiàn)比正常值大許多倍日勺電流，在導(dǎo)體間產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力，也許使導(dǎo)

體和它們的支架遭到破壞（短路電流產(chǎn)生很大的I電動力,對電氣設(shè)備導(dǎo)致機(jī)械破壞,稱

為動穩(wěn)固性破壞）；短路點附近電網(wǎng)電壓嚴(yán)重下降,影響負(fù)荷供電，并破壞了功率送端

與功率受端之間的能量傳播，導(dǎo)致送端旋轉(zhuǎn)機(jī)組減速，使電力系統(tǒng)兩部分頻率不相等,

稱為失步；不對稱短路后三相電流不對稱,產(chǎn)生負(fù)序電流引起旋轉(zhuǎn)電動機(jī)和轉(zhuǎn)子表層

發(fā)熱,單相接地和兩相接地,還產(chǎn)生零序電流,對外界導(dǎo)致很大的干擾磁場，影響通信。

短路結(jié)束后的危害：電力系統(tǒng)的自動保護(hù)裝置（稱為繼電保護(hù)）切除故障電路部分

后，也許遺留下兩個大問題：

（1）短路發(fā)生地點離電源不遠(yuǎn)而乂持續(xù)時間較長，也許使電力系統(tǒng)各發(fā)電機(jī)組失

去同步,破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定,存在與否能重新回到同步狀態(tài)H勺問題,嚴(yán)重時也許導(dǎo)致系統(tǒng)

瓦解。

(2)切除故障后也許導(dǎo)致電力系統(tǒng)提成多種部分,稱為電力系統(tǒng)“解列”，解列后

的系統(tǒng)一般不能保證功率平衡，發(fā)電功率不不小于負(fù)荷功率的電網(wǎng)部分存在頻率瓦解

的危險。電力系統(tǒng)口勺安全自動裝置(例如低頻減載,低壓減載等)的作用就是力圖減小

上述危害。

3.3短路電流的限制措施

限制短路電流日勺措施有電力系統(tǒng)可采用H勺限流措施,發(fā)電廠和變電所中可采用日勺

限流措施,終端變電所中可采用日勺限流措施。

電力系統(tǒng)可采用的限流措施:提高電力系統(tǒng)的電壓等級；直流輸電；在電力系統(tǒng)

主網(wǎng)加強(qiáng)聯(lián)絡(luò)后，將次級電網(wǎng)解環(huán)運(yùn)行;在容許的范圍內(nèi)，增大系統(tǒng)的零序阻抗，例如

采用不帶第三繞組或第三繞組為Y接線口勺全星形自耦變壓器，減少變壓器的接地點等。

發(fā)電廠和變電所中可采用口勺限流措施：發(fā)電廠中，在發(fā)電機(jī)電壓母線分段回路中

安裝電抗器；變壓器分裂運(yùn)行；變電所中，在變壓器回路中裝設(shè)分裂電抗器或電抗器；

采用低壓側(cè)為分裂繞組的變壓器；出線上裝設(shè)電抗器。

終端變電所中可采用歐I限流措施:變壓器分列運(yùn)行;采用高阻抗變壓器;在變壓器

回路中裝設(shè)電抗器;采用小容量變壓器。

以上是限制電流的措施，但目前在電力系統(tǒng)中，用得較多的限制短路電流的措施

有如卜.幾種:合理選擇電氣主接線形式和運(yùn)行方式;采用分裂低壓繞組變壓器;加裝限

流電抗器;采用微機(jī)保護(hù)及綜合自動化妝置等。

限流的原理是增大短路點到電源點之間日勺等效電抗,不過正常工作時的電壓損耗

有也許因采用限流措施你增大。

3.3.1合理選擇電氣主接線形式和運(yùn)行方式

接線中減少并聯(lián)支路或增長串聯(lián)支路；如雙回線分開運(yùn)行或兩臺變壓器并列運(yùn)

行。

3.3.2采用分裂低壓繞組變壓器

分裂變壓器高壓繞組由兩部分并聯(lián)的不分裂的繞組構(gòu)成，低壓練級由分裂成兩個

支路的容量相等的分裂繞組構(gòu)成，分裂繞組口勺各個支路間沒有電的聯(lián)絡(luò)。分裂變壓器

具有短路陰抗大,正常電抗小的長處。分裂低壓繞組變壓器正常工作時,每個低壓繞組

流過相似的電流,即1/2,電抗值只相稱于兩分裂繞組短路電抗的1/4。當(dāng)一種分裂繞組

的出線發(fā)生短路時,來自另一臺發(fā)電機(jī)口勺短路電流或來自系統(tǒng)口勺短路電流都將碰到很

大電抗的限制。采用分裂低壓繞組變壓器后，也許不另加裝電抗器就會使短路電流降

至設(shè)備的容許值。

3.3.3加裝限流電抗器

線路電抗器,裝在引出線斷路器日勺背面（負(fù)荷側(cè)），則電抗器此前的斷路器和隔離

開關(guān)可以選擇輕型口勺電器，并且可以提高母線殘存電壓，但正常工作時口勺電壓損耗增

大,若出線數(shù)目較多，電抗器也多，以至于裝置比較復(fù)雜。

母線電抗器可以限制從本段母線流向短路母線的電流，從而提高本段母線的殘存

電壓。電抗器除滿足限制短路電流外,還應(yīng)滿足熱穩(wěn)定和動穩(wěn)定口勺規(guī)定。

分裂電抗器的限流作用和分裂變壓器低壓繞組的J限流作用相似，但分裂電抗器日勺

兩臂不僅有互感耦合,并且在電氣上也是連通日勺。它的構(gòu)造和一般大型電抗器相似，

只是中間有抽頭作為公共端。為了充足限制短路電路和維持母線有較高日勺殘存電壓，

采用分裂電抗器。

當(dāng)分裂電抗器和單臂自感電抗與一般電抗器的電抗值相等時，兩者短路時的限流

作用同樣，但正常運(yùn)行時分裂電抗器的電壓損失只有一般電抗器的二分之一;分裂電

抗器可比一般電抗器多供一倍的出線。分裂電抗器的兩個分支負(fù)荷應(yīng)盡量靠近,否則

也許出現(xiàn)過電壓，盡量防止安裝出線電抗器，因其投資大、配電復(fù)雜、運(yùn)行費用高。

3.3.4采用微機(jī)保護(hù)及綜合自動化妝置

從短路電流分析可知，發(fā)生短路故障后約0.01s時間出現(xiàn)最大短路沖擊電流,采用

微機(jī)保護(hù)僅需0.005s就能斷開故隙回路，使導(dǎo)體和設(shè)備防止承受最大短路電流的沖擊,

從而抵達(dá)限制短路電流的目日勺。

4仿真軟件簡介

PSCAD是世界各國廣泛使用口勺電力系統(tǒng)仿真軟件，PSCAD是其顧客界面，

PSCAD的開發(fā)成功，使得顧客能更以便地使用EMTDC進(jìn)行電力系統(tǒng)分析，使電

力系統(tǒng)復(fù)雜部分可視化成為也許，并且軟件可以作為實時數(shù)字仿真器的前置端。可模

擬任意大小的交直流系統(tǒng)。

PSCAD/EMTDC在時間域描述和求解完整口勺電力系統(tǒng)及其控制的微分方程

（包括電磁和機(jī)電兩個系統(tǒng)）。這一類的模擬工具不同樣于時尚和暫態(tài)視定的模擬工

具。后者是用穩(wěn)態(tài)解去描述電路（即電磁過程）。不過在解電機(jī)的機(jī)械動態(tài)（即轉(zhuǎn)動慣

量）微分方程。PSCAD/EMTDC的成果是作為時間口勺即時值被求解。但通過內(nèi)置口勺

轉(zhuǎn)換器和測量功能（象實有效值表計，或者迅速育里葉變換頻譜分析等）。這些成果能

被轉(zhuǎn)換為矢量的幅值和相角。

實際系統(tǒng)的測量可以通過諸多途徑來完畢。由于短路和穩(wěn)定的程序是通過穩(wěn)定方

程來代表，它們只能基頻段幅值和相位。因此PSCAD的模擬成果可以產(chǎn)生電力系

統(tǒng)所有頻率H勺對應(yīng)，限制僅在于顧客自己選擇啊時間步長。這種時間步長可以在毫秒

到秒之間變化。

因此PSCAD是電力專業(yè)十分有用的仿真軟件，我們組的課題系統(tǒng)節(jié)點較多，

老式的手工計算顯然不切實際，于是運(yùn)用PSCAD仿真運(yùn)行出成果就成了本次課程

設(shè)計最為關(guān)鍵的一種環(huán)節(jié)。運(yùn)用PSCAD對系統(tǒng)進(jìn)行的仿真可以迅速精確得出各母

線上的短路參數(shù)及系統(tǒng)口勺其他運(yùn)行狀態(tài)，輸出顯示迅速、明了。

5系統(tǒng)調(diào)試及仿真成果

系統(tǒng)PSCAD仿真圖如下圖5.1所示:

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圖5.1系統(tǒng)仿真圖

總結(jié)

在這次課程設(shè)計中，我強(qiáng)烈感覺到自己在諸多方面日勺局限性，對他人的依賴性比

較強(qiáng)。我想我會在后來的學(xué)習(xí)中不停去發(fā)現(xiàn)自己的局限性，并一一改正，但愿在后來

H勺工作中不要犯同樣日勺錯誤。

在這次課程設(shè)計中，我們盡量按照老師的規(guī)定做，但在詳細(xì)日勺操作過程中，還是

出現(xiàn)了諸多日勺問題。搞完這個課程設(shè)計讓我感覺電力系統(tǒng)分析是一門很有用時課程。

由于我對它的I學(xué)到的I知識比較少。在諸多時候我諸多東西都不理解。并且走了諸多日勺

彎路。并且我感覺自己H勺知識不夠連貫。好些時候都出現(xiàn)了卡殼日勺狀況。這次課程設(shè)

計后，我一定要重新對電力系統(tǒng)分析這門課程做深入的理解。對在此過程中遺留下日勺

問題做好好的研究。爭取早點對電力系統(tǒng)分析這門課程有個全方位的理解。為在后來

的畢業(yè)課程設(shè)計中多些方案。也為我后來走上工作崗位，提高自己的專業(yè)技能，打下

扎實的基礎(chǔ)。

尚有就是在十幾天的課程設(shè)計中，使我養(yǎng)成了很好日勺學(xué)習(xí)習(xí)慣，和對學(xué)習(xí)知識日勺

嚴(yán)謹(jǐn)日勺態(tài)度，同步也養(yǎng)成了積極查閱有關(guān)資料的好習(xí)慣，好習(xí)慣的養(yǎng)成是來之不易的,

我相信在后來的學(xué)習(xí)和工作中，我將繼續(xù)保持這些良好的習(xí)慣，并積極努力的學(xué)習(xí)。

讓自己更上一層樓。同步在此也感謝一直指導(dǎo)我的老師，本次課程設(shè)計的完畢與老師

的指導(dǎo)師分不開日勺，終在我們的一起努力下，完畢了這門課程設(shè)計。在此對指導(dǎo)老師

致以衷心的感謝。還要感謝邵陽學(xué)院圖書館為我提供豐富的參照資料，也感謝班上同

學(xué)給了我諸多寶貴的意見和參照，使我獲益諸多。

參照文獻(xiàn)：

[1]何仰贊、溫增銀.電力系統(tǒng)分析[M].華中科技大學(xué)出版社2023.3

[2]西安交通大學(xué)等.電力系記錄算[M].北京:水利電力出版社，1993.力

[3]陳衍.電力系統(tǒng)暫態(tài)分析[M].北京:水利電力出版社，2023.1

[4]于永源，楊綺雯.電力系統(tǒng)分析（第二版）[M].北京：中國電力出版社，2023.3

附錄系統(tǒng)輸出波形圖

圖6.1三相短路電壓波形

圖6.2三相短路電流波形

圖6.3A相接地短路電壓波形

圖6.4A相接地短路電流波形

圖6.5AB相短路接地電壓波形

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