畢業(yè)設(shè)計論文電力系統(tǒng)故障的分析與仿真

1、電力系統(tǒng)故障的分析與仿真摘 要電力系統(tǒng)正常運行的破壞多半是由短路故障引起的，如大的短路電流使元件破損，電壓的驟降造成系統(tǒng)解裂甚至崩潰，對周圍設(shè)備的電磁干擾等。發(fā)生短路時，系統(tǒng)從一種狀態(tài)變到另一種狀態(tài)，并伴隨產(chǎn)生復(fù)雜的電磁暫態(tài)現(xiàn)象。所以有必要對電力系統(tǒng)發(fā)生故障時的電磁暫態(tài)進(jìn)行分析。本設(shè)計利用pscad軟件建立相關(guān)的電力系統(tǒng)模型，包括：變壓器模型、同步發(fā)電機(jī)模型、輸電線模型、負(fù)荷模型等。把各個模型搭建在一起，從而得到與數(shù)學(xué)模型相對應(yīng)的仿真模型。利用emtdc進(jìn)行模擬計算，并得到各個參數(shù)的曲線，說明各個參數(shù)的變化情況，并根據(jù)曲線進(jìn)行比較分析得出結(jié)論。本設(shè)計建立了簡單電力系統(tǒng)，并對其重要參數(shù)進(jìn)行分析比

2、較，得出了三相短路是最嚴(yán)重的短路，其次依次是兩相接地短路、單相短路和兩相短路；系統(tǒng)越復(fù)雜則穩(wěn)定性越好；阻抗越小則電網(wǎng)強(qiáng)度越大等結(jié)論。 關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；暫態(tài)；短路；pscad/emtdcpower system fault analysis and simulationabstract he electrical power system normal operation destruction is mostly caused by the short circuit failure. for example, the great short-circuit current enable t

3、he element mangle, the voltage to plummet creates the system solution crack even collapse, interfere to periphery equipment and so on. when the short circuit occurs, condition of the system from one change to another, and concomitance has the complex electromagnetism transition condition phenomenon.

4、 therefore it is necessity to carry on the analysis to the electrical power system of electromagnetism transition condition.this design uses the pscad software establishing electrical power system model, including: transformer model, synchronous generator model, transmission line model, load model a

5、nd so on. each model builds in together, thus obtains the simulation model which corresponds with the mathematical model. carry on the analog computation using emtdc, and obtain each parameter curve, explain the change situation of each parameter, and carry on the comparative analysis according to t

6、he curve to draw the conclusion.this design has established the simple electrical power system and carries on the analysis comparison to its important parameter, educe the conclusions that the three-phase short circuit is the most serious short circuit, in turn next is two docking short circuits, th

7、e single-phase short circuit and two short-circuits; the electrical power system is intricater then the stability is better; the impedance is smaller then the electrical network intensity is bigger and so on keywords：electrical power system；transient； short circuit；pscad/emtdc目 錄摘 要iabstractii引 言1第一

8、章 電力系統(tǒng)分析21.1電力系統(tǒng)分析簡介21.2電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析21.3電力系統(tǒng)故障分析31.4電力系統(tǒng)暫態(tài)分析3第二章 電力系統(tǒng)故障的類型42.1 基本概念42.1.1短路產(chǎn)生的原因42.1.2 短路的后果52.2 短路故障類型52.2.1 三相短路52.2.2 兩相短路接地112.2.3 兩相短路122.2.4 單相短路14第三章 pscad/emtdc軟件173.1 pscad/emtdc軟件功能簡介173.1.1 pscad/emtdc軟件簡介173.1.2 pscademtdc功能簡介183.1.3 pscademtdc主要特點183.2 pscad/emtdc模塊介紹213.2.1

9、 文件管理系統(tǒng)211.建模(draft)模塊213.運行(run time)模塊22第四章 電磁暫態(tài)數(shù)學(xué)模型的建立234.1 輸電線數(shù)學(xué)模型的建立234.1.1 輸電線數(shù)學(xué)模型234.1.2 輸電線模型建立274.2 同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立274.2.1 同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型274.2.2 同步機(jī)模型建立344.3 變壓器數(shù)學(xué)模型的建立344.3.1 變壓器數(shù)學(xué)模型344.4 電力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立404.4.1 電力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型404.4.2 電力系統(tǒng)模型的建立4151 三相短路故障仿真435.2兩相短路接地故障仿真465.3 兩相短路故障仿真495.4 單相短路故障仿真535.5

10、 仿真結(jié)果分析575.5.1 分析各種短路的相同點和區(qū)別575.5.2阻抗對電網(wǎng)強(qiáng)度的影響585.6故障引起的過電壓的影響分析585.6.1跳閘于非故障線路的過電壓585.6.2跳閘于故障線路的過電壓615.6.3總結(jié)615.7改善系統(tǒng)的運行方式625.7.1勵磁系統(tǒng)62結(jié) 論63參考文獻(xiàn)64致 謝65引 言電力工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)工業(yè)。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，發(fā)電設(shè)備的容量也在相應(yīng)增大。為了更好的保證安全運行，經(jīng)濟(jì)運行，并保證電能質(zhì)量，我們應(yīng)該考慮任何電力系統(tǒng)故障的情況，并加以研究。電力系統(tǒng)正常運行的破壞多半是由短路故障引起的。在供電系統(tǒng)中，短路沖擊電流會使兩相鄰導(dǎo)體間產(chǎn)生巨大的電動力，使元

11、件損壞；大的短路電流將使導(dǎo)體溫度急劇上升，會使元件燒毀；阻抗電壓大幅下降，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。發(fā)生短路時，系統(tǒng)從一種狀態(tài)變到另一種狀態(tài)，并伴隨產(chǎn)生復(fù)雜的電磁暫態(tài)現(xiàn)象。所以有必要對電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)進(jìn)行研究。本設(shè)計利用pscad軟件建立了簡單電力系統(tǒng)的仿真模型。簡單電力系統(tǒng)模型包括：同步發(fā)電機(jī)模型、負(fù)荷模型等。 通過此次設(shè)計進(jìn)一步鞏固和加強(qiáng)了四年來所學(xué)的知識，并得到了實際工作經(jīng)驗。設(shè)計中查閱了大量的相關(guān)資料，努力做到有據(jù)可循。在設(shè)計中逐步掌握了查閱，運用資料的能力，總結(jié)了四年來所學(xué)的電力工業(yè)的相關(guān)知識，為日后的工作打下了堅實的基礎(chǔ)。由于我在知識條件等方面的局限，仍存在許多不足，但在指導(dǎo)老師和學(xué)院大力支

12、持和幫助下，已有相當(dāng)大的改進(jìn)，在此表示衷心的感謝。 第一章 第一章 電力系統(tǒng)分析1.1 1.1電力系統(tǒng)分析簡介運用數(shù)字仿真計算或模擬試驗的方法，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)方式和受到擾動后的暫態(tài)行為進(jìn)行考察的分析研究。對規(guī)劃、設(shè)計的電力系統(tǒng)，通過電力系統(tǒng)分析，可選擇正確的系統(tǒng)參數(shù)，制定合理的電力系統(tǒng)方案；對運行中的電力系統(tǒng)，借助電力系統(tǒng)分析，可確定合理的運行方式，進(jìn)行系統(tǒng)事故分析和預(yù)想，提出防止和處理事故的技術(shù)措施。電力系統(tǒng)分析包括穩(wěn)態(tài)分析、故障分析和暫態(tài)分析三方面內(nèi)容。 1.2 1.2電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析主要研究電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行方式的性能，包括系統(tǒng)有功功率和無功功率的平衡，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電壓和支路功率的分布等，解

13、決系統(tǒng)有功功率和頻率調(diào)整，無功功率和電壓控制問題。潮流計算是進(jìn)行電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析的主要方法。潮流計算的結(jié)果可以給出電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行方式下各節(jié)點電壓相量和各支路功率分布。通過調(diào)整系統(tǒng)運行方式的給定條件，進(jìn)行必要的潮流計算，可以研究并從中選擇經(jīng)濟(jì)上合理、技術(shù)上可行、安全可靠的正常方式，及時發(fā)現(xiàn)電力網(wǎng)元件如變壓器和線路過負(fù)荷、母線電壓越限等異常工況并做出適當(dāng)處理。潮流計算還給出電力網(wǎng)的功率損耗，便于進(jìn)行網(wǎng)損分析，并進(jìn)一步制定降低網(wǎng)損的措施。潮流計算還可用于電力系統(tǒng)事故預(yù)想，通過模擬發(fā)電廠、線路、變壓器等元件的開斷，分析其引起潮流分布的相應(yīng)改變，確定事故影響的程度和防止事故擴(kuò)大的措施。潮流計算也用于輸

14、電線路工頻過電壓研究和調(diào)相、調(diào)壓分析，為確定超高壓線路并聯(lián)補(bǔ)償容量、變壓器可調(diào)分接頭設(shè)置、發(fā)電機(jī)額定功率因數(shù)等系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計的主要參數(shù)以及線路絕緣水平提供部分依據(jù)。潮流計算還是考慮負(fù)荷電流的短路電流計算和穩(wěn)定計算的基礎(chǔ)，為這些計算提供初始運行方式【1】 。 1.3 1.3電力系統(tǒng)故障分析主要研究電力系統(tǒng)中發(fā)生單一或多重故障時，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主要內(nèi)容。短路電流計算的目的，是通過計算短路電流大小，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)中正序、負(fù)序及零序電流的分布，從而確定其對電氣設(shè)備和系統(tǒng)的影響等。電力系統(tǒng)可能發(fā)生多重復(fù)雜故障的

15、異常工況，如輸電線路一點單相接地，同時一側(cè)斷路器單相跳開即是一種同時發(fā)生的二重復(fù)雜故障。復(fù)雜故障短路電流的計算對分析電力系統(tǒng)事故、校驗繼電保護(hù)裝置整定、分析系統(tǒng)中故障電流的分布等有重要作用【3】。 1.4 1.4電力系統(tǒng)暫態(tài)分析主要研究系統(tǒng)受到擾動后電磁和機(jī)電暫態(tài)過程，包括電磁暫態(tài)和機(jī)電暫態(tài)過程。電磁暫態(tài)過程的分析。主要研究電力系統(tǒng)故障和操作過電壓及諧振過電壓，一次與二次系統(tǒng)相互作用的控制暫態(tài)過程，以及電力電子設(shè)備的快速暫態(tài)過程，為變壓器、斷路器等高壓電氣設(shè)備和輸電線路的絕緣配合和過電壓保護(hù)的選擇，降低或限制電力系統(tǒng)過電壓技術(shù)措施的制定，以及電力電子控制設(shè)備的設(shè)計提供依據(jù)【4】。機(jī)電暫態(tài)過程分

16、析。主要研究電力系統(tǒng)受到大擾動后的暫態(tài)穩(wěn)定和受到小擾動后的靜態(tài)穩(wěn)定性能。其中暫態(tài)穩(wěn)定分析是研究電力系統(tǒng)受到諸如短路故障，切除或投入線路、發(fā)電機(jī)、負(fù)荷，發(fā)電機(jī)失去勵磁或者沖擊性負(fù)荷等大擾動作用下，電力系統(tǒng)的動態(tài)行為和保持同步穩(wěn)定運行的能力。為選擇規(guī)劃設(shè)計中電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，校驗和分析運行中電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性能和穩(wěn)定破壞事故，制定防止穩(wěn)定破壞的措施提供依據(jù)。靜態(tài)穩(wěn)定分析是研究電力系統(tǒng)受到小擾動后的穩(wěn)定性能，為確定輸電系統(tǒng)的輸送功率，分析靜態(tài)穩(wěn)定破壞和低頻振蕩事故的原因，選擇發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器和其他控制調(diào)節(jié)裝置的型式和參數(shù)提供依據(jù)。第二章 第二章 電力系統(tǒng)故障的類型2.1 2.1 基

17、本概念 短路是電力系統(tǒng)的嚴(yán)重故障。所謂短路，是指一切不正常的相與相之間或相與地之間（對于中性點接地的系統(tǒng)）發(fā)生通路的情況。幾種短路的簡略記號：表2-1 短路記號 短路類型示意圖代表符號三相短路二相短路單相短路二相短路接地f（3）f（2）f（1）f（1.1）斷相故障：電力系統(tǒng)一相斷開或兩相斷開的情況，屬于不對稱性故障。斷相種類：一相斷開和兩相斷開。復(fù)雜故障: 電力系統(tǒng)的不同地點（兩處或兩處以上）同時發(fā)生不對稱故障的情況。2.1.1 2.1.1短路產(chǎn)生的原因產(chǎn)生短路的原因很多，主要有如下幾個方面：元件損壞，例如絕緣材料的自然老化，設(shè)計、安裝及維護(hù)不良所帶來的設(shè)備缺陷發(fā)展成短路等；氣象條件惡化，例如

18、雷擊造成的閃絡(luò)放電或避雷器的動作，架空線路由于大風(fēng)或?qū)Ь€履冰引起電桿倒塌等；違規(guī)操作，例如運行人員帶負(fù)荷拉刀閘，線路或設(shè)備檢修后未拆除接地線就加上電壓等；其他，例如挖溝損傷電纜，鳥獸跨接在裸露的載流部分等。2.1.2 2.1.2 短路的后果隨著短路類型、發(fā)生地點和持續(xù)時間的不同，可能威脅整個系統(tǒng)的安全運行。短路的后果一般有以下的幾個方面：短路故障使短路點附近的支路中出現(xiàn)比正常值大許多倍的電流，由于短路電流的電動力效應(yīng)，導(dǎo)體間將產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力，可能使導(dǎo)體和它們的支架遭到破壞。短路電流使設(shè)備發(fā)熱增加，短路持續(xù)時間較長時，設(shè)備可能過熱以致?lián)p壞。短路時系統(tǒng)電壓大幅度下降，對用戶影響很大。系統(tǒng)中最主

19、要的電力負(fù)荷是異步電動機(jī)，它的電磁轉(zhuǎn)矩同端電壓的平方成正比，電壓下降時，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩顯著減小，轉(zhuǎn)速隨之下降。當(dāng)電壓大幅度下降時，電動機(jī)甚至可能停轉(zhuǎn)，造成產(chǎn)品報廢，設(shè)備損壞等嚴(yán)重后果。當(dāng)短路發(fā)生地點離電源不遠(yuǎn)而持續(xù)時間又較長時，并列運行的發(fā)電廠可能失去同步，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定，造成大片地區(qū)停電。這是短路故障的最嚴(yán)重后果。發(fā)生不對稱短路時，不平橫電流能產(chǎn)生足夠的磁通在臨近的電路內(nèi)感應(yīng)出很大的電動勢，這對于架設(shè)在高壓電力線路附近的通訊線路或鐵道訊號系統(tǒng)等會產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。2.2 2.2 短路故障類型在三相系統(tǒng)中，三相同時短接的情況稱為三相短路。由于各相阻抗相同，三相對稱，所以又稱為對稱短路。電力系統(tǒng)在

20、同一地點所發(fā)生的不對稱短路有：兩相短路、兩相接地短路和單相接地短路。在發(fā)生此類短路時，三相系統(tǒng)將處于不對稱狀態(tài)。2.2.1 2.2.1 三相短路1.電力系統(tǒng)節(jié)點方程的建立利用節(jié)點方程作故障計算，需要形成系統(tǒng)的節(jié)點導(dǎo)納（或阻抗）矩陣。首先根據(jù)給定的電力系統(tǒng)運行方式制訂系統(tǒng)的等值電路，并進(jìn)行各元件標(biāo)幺值參數(shù)的計算，然后利用變壓器和線路的參數(shù)形成不含發(fā)電機(jī)和負(fù)荷的節(jié)點導(dǎo)納矩陣yn。發(fā)電機(jī)作為含源支路通常表示為電勢源ei與阻抗zi的串聯(lián)支路，接于發(fā)電機(jī)端節(jié)點i和零電位點之間，電勢源ei的施加點i稱為電勢源節(jié)點，而支路的端節(jié)點i則為無源節(jié)點。在建立節(jié)點方程時，經(jīng)常將發(fā)電機(jī)支路表示為電流源ii和導(dǎo)納yi的

21、并聯(lián)組合，電流源ii的注入點i稱為電流源節(jié)點，而節(jié)點i則成為零電位點（短路點）。接入發(fā)電機(jī)支路后，yn陣中與機(jī)端節(jié)點i對應(yīng)的對角線元素應(yīng)增加發(fā)電機(jī)導(dǎo)納yi。有源支路用電流源表示時，最終形成的系統(tǒng)節(jié)點導(dǎo)納矩陣y和yn陣同階。在需要利用已知電勢進(jìn)行短路計算時，是否需要增設(shè)電勢源節(jié)點并相應(yīng)擴(kuò)大導(dǎo)納矩陣的階次，這取決于所選用的求解方法。節(jié)點的負(fù)荷在短路計算中一般作為節(jié)點的接地支路并用恒定阻抗表示，其數(shù)值由短路前瞬間的負(fù)荷功率和節(jié)點實際電壓算出，即 zld.k = v/sld.k或 yld.k =sld.k / v （2-1）節(jié)點k接入負(fù)荷，相當(dāng)于在yn陣中與節(jié)點k對應(yīng)的對角元素中增加負(fù)荷導(dǎo)納yld.k

22、。最后形成包括所有發(fā)電機(jī)支路和負(fù)荷支路的節(jié)點方程如下 （2-2）式中，y陣與yn階次相同，其差別只在于yn陣不含發(fā)電機(jī)和負(fù)荷；節(jié)點電流向量i中只有發(fā)電機(jī)端節(jié)點的電流不為零。有非零電流源注入的節(jié)點稱為有源節(jié)點。系統(tǒng)中的同步調(diào)相機(jī)可按發(fā)電機(jī)處理。在進(jìn)行起始次暫態(tài)電流計算時，大型同步電動機(jī)、感應(yīng)電動機(jī)以及以電動機(jī)為主要成分的綜合負(fù)荷，特別是在短路點近處的這些負(fù)荷，必要時也可以用有源支路表示，并仿照發(fā)電機(jī)進(jìn)行處理。在電力系統(tǒng)短路電流計算的工程計算中，許多實際問題的解決并不需要十分精確的結(jié)果，于是產(chǎn)生了近似計算的方法。在近似算法中主要是對系統(tǒng)元件模型和標(biāo)幺參數(shù)計算作了簡化處理。在元件模型方面，忽略發(fā)電機(jī)

23、、變壓器和輸電線路的電阻，不計輸電線路的電容，略去變壓器的勵磁電流，負(fù)荷忽略不計或只作近似估計。在標(biāo)幺參數(shù)計算方面，選取各級平均額定電壓作為基準(zhǔn)電壓時，忽略各元件的額定電壓和相應(yīng)電壓級平均額定電壓的差別，認(rèn)為變壓器變比等于其對應(yīng)側(cè)平均額定電壓之比，即所有變壓器的標(biāo)幺變比都等于1。此外，有時還假定所有發(fā)電機(jī)的電勢具有相同的相位，加上所有元件僅用電抗表示，這就避免了復(fù)數(shù)運算，把短路電流的計算簡化為直流電路的求解。2.利用節(jié)點阻抗矩陣計算短路電流假如系統(tǒng)中的節(jié)點f經(jīng)過渡阻抗zf發(fā)生短路。這個過程阻抗zf不參與形成網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點導(dǎo)納（或阻抗）矩陣。保持故障處邊界條件不變，把網(wǎng)絡(luò)原有部分同故障支路分開。容易

24、看出，對于正常狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)而言，發(fā)生短路相當(dāng)于在故障節(jié)點f增加了一個注入電流if。因此，網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點i的電壓可表示為 （2-3）式中，g為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有源節(jié)點的集合。由式（2-3）可見，任一節(jié)點i的電壓都由兩相跌加而成。第一項是符號下的總合，它表示當(dāng)時由網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有電源在節(jié)點i產(chǎn)生的電壓，也就是短路前瞬間正常運行狀態(tài)下的節(jié)點電壓，這是節(jié)點電壓的正常分量，記為(0)。第二項是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中所有電流源都斷開，電勢源都短接時，僅僅由短路電流在節(jié)點i產(chǎn)生的電壓，這就是節(jié)點電壓的故障分量。上述兩個分量的疊加，就等于發(fā)生短路后節(jié)點i的實際電壓，即 （2-4）公式（2-4）也適用于故障點f，于是有 （2-5）式中，是短路

25、前故障點的正常電壓；是故障節(jié)點f的自阻抗，也稱輸入阻抗。方程式（2-4）也可以根據(jù)戴維南定理直接寫出。方程式（2-4）含有兩個未知量和，需要根據(jù)故障點的邊界條件再寫出一個方程才能求解。這個條件是 （2-6）由方程式（2-4）和（2-5）可解出 （2-7）而網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點的電壓 （2-8）任一支路電流 （2-9）對于非變壓器支路，令k=1即可。從計算公式（2-7）和（2-8）可以看到，式中所用到的阻抗矩陣元素都帶有列標(biāo)f。這就是說，如果網(wǎng)絡(luò)在正常狀態(tài)下的節(jié)點電壓為已知，為了進(jìn)行短路計算，只須利用節(jié)點阻抗矩陣中與故障點f對應(yīng)的一列元素。因此，盡量是采用了阻抗型的節(jié)點方程，但是并不需要作出全部阻抗矩

26、陣。在短路的實際計算中，一般只需形成網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點導(dǎo)納矩陣，并根據(jù)具體要求，求出阻抗矩陣的某一列或某幾列元素即可。在不要求精確計算的場合，可以不計負(fù)荷電流的影響。在形成節(jié)點導(dǎo)納矩陣時，所有節(jié)點的負(fù)荷都略去不計，短路前網(wǎng)絡(luò)處于空載狀態(tài)，各節(jié)點電壓的正常分量的標(biāo)幺值都取作等于1，這樣，公式（2-7）和（2-8）便分別簡化成 （2-10） （2-11）金屬性短路時，因此只要知道節(jié)點阻抗矩陣的相關(guān)元素就可以做短路計算了。3利用電勢源對短路點轉(zhuǎn)移阻抗計算短路電流在電力系統(tǒng)短路的實際計算中，有時需要知道各電源提供的短路電流，或者按已知的電源電勢直接計算短路電流。在這種情況下，電勢源對短路點的轉(zhuǎn)移阻抗就是一個很

27、有用的概念。對于一個多源的線性網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)疊加原理總可以把節(jié)點f的短路電流表示成 （2-12）式中，g是有源支路的集合，為第i個有源支路的電勢，便稱為電勢源i對短路點f的轉(zhuǎn)移阻抗。根據(jù)公式（2-12），當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中只有電勢源i單獨存在，其他電源電勢都等于零時，電勢與短路點電流之比即等于電源i對短路點f的轉(zhuǎn)移阻抗，也就是電勢源節(jié)點i和短路點f之間的轉(zhuǎn)移阻抗；電勢與電源支路m的電流之比即等于電源i和電源m之間的轉(zhuǎn)移阻抗，也就是電勢源節(jié)點i和電勢源節(jié)點m之間的轉(zhuǎn)移阻抗。利用節(jié)點阻抗矩陣可以方便地計算轉(zhuǎn)移阻抗。當(dāng)電勢源單獨存在時，相當(dāng)于在節(jié)點i單獨注入電流，這時在節(jié)點f將產(chǎn)生電壓，若將節(jié)點f短路，便有電流。

28、于是可得 （2-13）同理可以得到電勢源i和電勢源m之間的轉(zhuǎn)移阻抗為 （2-14）通過電流分布系數(shù)計算轉(zhuǎn)移阻抗也是一種實用方法。對于多電源系統(tǒng)，令所有電源電勢都等于零，只在節(jié)點f接入電勢，使產(chǎn)生電流。這時各電源支路電流對電流之比便等于該電源支路對節(jié)點f的電流分布系數(shù)。電源i的電流分布系數(shù)為 ,電流分布系數(shù)也可以利用節(jié)點阻抗矩陣進(jìn)行計算。節(jié)點f單獨注入電流-時，第i個電勢源支路的端節(jié)點i的電壓為，而該電源支路的電流為。由此可得 （2-15）對照公式（2-13），計及，這樣便可得到計算轉(zhuǎn)移阻抗的又一個公式 （2-16）電流分布系數(shù)是說明網(wǎng)絡(luò)中電流分布情況的一種參數(shù)，它只同短路點的位置、網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和

29、參數(shù)有關(guān)。對于確定的短路點網(wǎng)絡(luò)中的電流分布是完全確定的。不僅電源支路，而且網(wǎng)絡(luò)中所有支路都有確定的電流分布系數(shù)。若令電勢的標(biāo)幺值與的標(biāo)幺值相等，便有，各支路電流標(biāo)幺值即等于該支路的電流分布系數(shù)。分布系數(shù)實際上代表電流，它是有方向的，并且符合節(jié)點電流定律。在pscad中的三相短路設(shè)置： 圖2.1 三相短路設(shè)置圖2.2.22.2.3 2.2.2 兩相短路接地b和c相短路接地。故障處的三個邊界條件為,這些條件同單相短路的邊界條件極為相似，只要把單相短路邊界條件式中的電流換為電壓，電壓換為電流就是了。用序量表示邊界條件為 （2-17） 根據(jù)邊界條件可得 （2-18）以及 （2-19）短路點故障相的電流

30、為 （2-20）根據(jù)上式可以求得兩相短路接地時故障相電流的絕對值為 （2-21）短路點非故障相電壓為 （2-22）在pscad中的兩相短路接地設(shè)置： 圖2.2 兩相短路接地設(shè)置圖2.2.4 2.2.3 兩相短路 b相和c相短路。故障處的三個邊界條件為,用對稱分量表示為 （2-23）整理后可得 （2-24）根據(jù)這些條件，我們可用正序網(wǎng)絡(luò)和負(fù)序網(wǎng)絡(luò)組成兩相短路的復(fù)合序網(wǎng)。因為零序電流等于零，所以復(fù)合序網(wǎng)中沒有零序網(wǎng)絡(luò)。利用這個復(fù)合序網(wǎng)可以求出 （2-25） （2-26）短路點故障相的電流為 （2-27）b、c兩相電流大小相等，方向相反。它們的絕對值為 （2-28）短路點各相對地電壓為 （2-29）

31、可見，兩相短路電流為正序電流的倍；短路點非故障相電壓為正序電壓的兩倍，而故障相電壓只有非故障相電壓的一半而且方向相反。在pscad中的兩相短路設(shè)置： 圖2.3 兩相短路設(shè)置圖2.2.5 2.2.4 單相短路單相短路接地時，故障處的三個邊界條件為，用對稱分量表示為 經(jīng)過整理后便得到序量表示的邊界條件為 （2-30）聯(lián)立方程組 （2-31） 及（2-30）可得 （2-32）公式（2-32）是單相短路計算的關(guān)鍵公式。短路電流的正序分量一經(jīng)算出，根據(jù)邊界條件（2-30）和方程式（2-31），即能確定短路點電流和電壓的各序分量 （2-33）電壓和電流的各序分量，也可以直接應(yīng)用復(fù)合序網(wǎng)來求得。根據(jù)故障處各

32、序量之間的關(guān)系，將各序網(wǎng)絡(luò)在故障端口聯(lián)接起來所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)稱為復(fù)合序網(wǎng)。與單相短路的邊界式（2-30）相適應(yīng)的復(fù)合序網(wǎng)。用復(fù)合序網(wǎng)進(jìn)行計算，可以得到與以上完全相同的結(jié)果。利用對稱分量的合成算式，可得短路點故障相電流 （2-34）或 （2-35）由上式可見，單相短路電流是由短路點的各序輸入電抗之和限制。和的大小與短路點對電源的電氣距離有關(guān)，則與中性點接地方式有關(guān)。通常，當(dāng)時，單相短路電流將大于同一點的三相短路電流。短路點非故障相的對地電壓 （2-36）選取正序電流作為參考向量，可以作為短路點的電流和電壓向量圖。和都與方向相同、大小相等，比超前90°，而和都要比落后90°。非故障

33、相電壓和的絕對值總是相等，其相角與比值有關(guān)。當(dāng)時，相當(dāng)于短路發(fā)生在直接接地的中性點附近，與正好反相，即，電壓的絕對值為。當(dāng)時，即為不接地系統(tǒng)，單相短路電流為零，非故障相電壓即等于故障前正常電壓，夾角為120°。在pscad中的單相短路設(shè)置： 圖2.4 單相短路設(shè)置圖第三章 第三章 pscad/emtdc軟件3.1 3.1 pscad/emtdc軟件功能簡介3.1.1 3.1.1 pscad/emtdc軟件簡介pscademtdc(electromagnetic transient in dc system，直流電磁暫態(tài)計算程序)是目前世界上廣泛使用的一種離線仿真電力系統(tǒng)分析軟件，是分

34、析和研究直流輸電系統(tǒng)和交直流相互影響等問題的有力工具。1976年dennis woodford博士為了研究高壓直流輸電系統(tǒng)，在加拿大曼尼托巴水電局開發(fā)完成了初版emtdc多年來該高壓直流輸電研究中心在denis woodford博士的領(lǐng)導(dǎo)下對emtdc的元件模型庫和功能不斷進(jìn)行完善，使之發(fā)展為既可以研究交直流電力系統(tǒng)問題，又能夠完成電力電子仿真及非線性控制的多功能工具，特別是pscad圖形界面(gui)的開發(fā)成功，使用戶能更方便地使用emtdc進(jìn)行電力系統(tǒng)仿真計算，該軟件還可以作為實時數(shù)字仿真器(rtds)的前置端emtdc是pscademtdc仿真的核心程序，pscad是與emtdc完美結(jié)合

35、的一個強(qiáng)大的圖形用戶界面，用戶可以在一個完全集合的圖形環(huán)境下構(gòu)造仿真電路，運行、分析結(jié)果，處理數(shù)據(jù)，從而保證研究工作的質(zhì)量和效率pscademtdc有3種版本，其特點如下表所示【5】。 表3-1 pscad/emtdc的三種版本比較項目 節(jié)點數(shù)/個 硬件鎖商業(yè)版 不限 加密教育版 <200 加密個人版 <16 不加密(1)工作站版pscademtdc 工作站版的pscademtdc運行在unix操作系統(tǒng)下，其運行十分穩(wěn)定，且用戶界面pscad的操作也十分方便。(2)pc版pscademtdc 個人版的pscademtdc是一個免費軟件，具有標(biāo)準(zhǔn)的windows(windows 95

36、98nt)界面清華大學(xué)電力系統(tǒng)國家重點實驗室和中國電力科學(xué)研究院相繼從university of manitoba引進(jìn)了新版pscademtdc軟件包。3.1.2 3.1.2 pscademtdc功能簡介1直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的研究功能；2故障暫態(tài)工況的離線分析功能，在負(fù)荷變化、電壓或電流整定值改變等情況下的系統(tǒng)動態(tài)特性研究功能，直流輸電系統(tǒng)不同控制方式或運行方式間的相互轉(zhuǎn)換時的動態(tài)特性研究功能；3交直流聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的相互作用研究功能；4在非理想條件下直流輸電系統(tǒng)的諧波特性研究功能；5利用pscademtdc程序的matlab接口進(jìn)行可視化數(shù)值計算功能；6工程數(shù)據(jù)庫功能，直流輸電系統(tǒng)數(shù)字仿

37、真模型中包含了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)、一次主設(shè)備的結(jié)構(gòu)和參數(shù)、hvdc控制保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)等；7可進(jìn)行電力系統(tǒng)時域和頻域計算仿真，反映電力系統(tǒng)遭受擾動或參數(shù)變化時，電參數(shù)隨時間變化的規(guī)律；8可廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電、facts控制器的設(shè)計，以及電力系統(tǒng)諧波分析、電力電子領(lǐng)域的仿真計算。3.1.3 3.1.3 pscademtdc主要特點（一）pscad/emtdc軟件的主要特點1數(shù)字計算機(jī)不可能連續(xù)地模擬暫態(tài)現(xiàn)象，只能在離散的時間點(步長at)求解f可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇為了使仿真具有較高的精度并避免仿真時間過長，步長一般為2550s。2pscademtdc的元件模型庫(library)提供了很多

38、常用的電力系統(tǒng)元件模型，但在實際的直流輸電系統(tǒng)中，有很多元件具有特殊的功能和特性，為了準(zhǔn)確地在仿真模型中表達(dá)這些元件，需要用戶自定義元件模型，在所建立的仿真系統(tǒng)中，可根據(jù)需要對交流系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)、線路、負(fù)荷、變壓器等采用不同的模型。3可通過彈起菜單修改仿真系統(tǒng)中某個元件的參數(shù)，pscademtdc具有圖形用戶界面，所有元件的參數(shù)均可通過彈起菜單輸入。4可在pscademtdc軟件的運行環(huán)境runtime中顯示曲線，在程序的運行過程中可以觀察到曲線的變化情況；也可以把滑塊、按鈕、刻度盤和儀表等加在runtime中，以便交互地控制程序；可以通過曲線顯示輸出，也可以通過儀表進(jìn)行模擬或數(shù)字顯示。5可對

39、包含復(fù)雜非線性元件(如直流輸電設(shè)備)的大型電力系統(tǒng)進(jìn)行全三相的精確模擬，其輸入、輸出界面非常直觀。6使用方便，操作簡單，其許多模型的容忍力、復(fù)雜的代數(shù)式和方法對用戶都是公開的，從而使用戶集中精力對結(jié)果進(jìn)行分析，而不是將重點放在數(shù)學(xué)建模上。7emtdc模型分析由于沒有統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)初始化程序，在仿真中，各物理量均從零開始計算，但發(fā)電機(jī)在這種條件下很難達(dá)到穩(wěn)態(tài)，這就需要事先用其他程序計算出一個潮流結(jié)果作為初始條件。8圖形用戶界面使所有的仿真均在一個集成的環(huán)境下完成，仿真的許多特性，如電路組合、控制運行時間、結(jié)果分析和報告等均能得到體現(xiàn)。9pscademtdc在系統(tǒng)最大規(guī)模上有限制，電力系統(tǒng)元件的數(shù)據(jù)以

40、菜單表格形式輸入，同時可以方便地得到電力系統(tǒng)元件模型舉例和相關(guān)數(shù)據(jù)，因而可快速建立電力系統(tǒng)模型，這對于工程的初始階段大有用處。10pscademtdc是在一定的時域內(nèi)采用逐步法進(jìn)行計算的，因此，一般認(rèn)為仿真過程較短，只適合于進(jìn)行12s以內(nèi)的電磁暫態(tài)計算，往往不能描述一個完整的動態(tài)過程但在實際計算分析中經(jīng)常需要進(jìn)行這樣的描述。（二）emtdc的運算從開始到完成一次emtdc 算題包括如下步驟：1利用文件管理系統(tǒng)生成一個工程和算題名2利用建模模塊建立電力系統(tǒng)模型3利用運行模塊進(jìn)行emtdc模擬計算4通過單曲線繪圖對模擬結(jié)果進(jìn)行分析并利用多曲線繪圖模塊產(chǎn)生可直接用于研究報告的模擬結(jié)果圖形。

41、（三） pscad/emtdc與emtp和atp的不同 1.最大的不同當(dāng)然是pscad圖形用戶界面。模擬的所有方面(即電路的繪制，數(shù)據(jù)的入口，結(jié)果的可視化，結(jié)果和設(shè)置的控制等等)都是圖形化地實現(xiàn)。準(zhǔn)備和試驗系統(tǒng)模擬的速度特別是計算大型復(fù)雜系統(tǒng)的速度，通常都要比用atp或emtp快得多。 2.通過pscad圖形界面，能夠在線調(diào)整增益，時間常數(shù)和設(shè)置，這使得用戶能夠方便地修改電路元件而無需重新運行例子。 3.emtdc的內(nèi)部運算法則在其核心部分使用梯形積分。(如同emtp/atp一樣)。這是由赫爾曼.多梅爾在他1969年的著名論文中就定義了。然而許多串聯(lián)和并聯(lián)的電路元件被算術(shù)地分解，通過使用少得多

42、的節(jié)點和支路來加速求解。因而求解就快，靈活和在數(shù)字上穩(wěn)定。 (比其它程序要穩(wěn)定和可靠得多) 4.emtdc使用一種2部分稀疏最佳運算法則作為其主要解決方案，因而開關(guān)的操作非?？?。emtdc同時使用分系統(tǒng)方法，這種方法的優(yōu)點是基于通過行波輸電線路分割的系統(tǒng)在數(shù)學(xué)上是相互獨立的。3.2 3.2 pscad/emtdc模塊介紹3.2.1 文件管理系統(tǒng) 當(dāng)用戶涉及pscad 時所遇到的第一個軟件模塊就是文件管理系統(tǒng)。采用一種工程/算題/文件的分層結(jié)構(gòu)來表示用戶進(jìn)行電力系統(tǒng)模擬研究的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。如果得到授權(quán)可以進(jìn)入該數(shù)據(jù)庫, 這樣, 局部網(wǎng)上的不同用戶可以共享同一個數(shù)據(jù)庫。

43、從文件管理軟件模塊可以直接進(jìn)行諸如備份、儲存、文件編緝、拷貝和刪除等操作。  通過選擇文件管理模塊屏幕右上角的適當(dāng)菜單可調(diào)用pscad 的其它軟件模塊, 很多情況下將所有的軟件模塊同時激活, 有些模塊的圖像可能暫時隱藏在正在處理的模塊圖像之下。3.2.2各種模塊簡介 1.建模(draft)模塊 建模程序包是pscad 程序族中最有功效的。借助建模包, 用戶可以用圖形的方法建立需要進(jìn)行模擬研究的電力系統(tǒng)模型。通過選擇不同的功能, 建模包可以為emtdc 或rtds模擬研究準(zhǔn)備必需的文件。  電力系統(tǒng)元部件圖

44、像位于調(diào)色板中(建模窗口的右側(cè))并可移至畫布上(左側(cè)), 通過將各元部件模型互連便完成了電力系統(tǒng)模型。不同元部件模型所需的參數(shù)可在調(diào)用這些模型時屏幕上出現(xiàn)的菜單中直接輸入。具有大量互聯(lián)元部件的電力系統(tǒng)模型同樣易于處理, 因為畫布部分可分為很多層次并可在屏幕上滾動顯示。 當(dāng)用戶完成了模型構(gòu)筑時, 可以通過基于ps格式的激光打印機(jī)或者可以接受hp-gl 命令的繪圖儀輸出硬拷貝。 2.架空線(t-line)和電纜(cable)模塊 確定架空輸電線和電纜的行波模型所需數(shù)據(jù)的計算過程是相當(dāng)復(fù)雜的。為了確定變換矩陣、模式傳輸時間和波阻抗, 需要進(jìn)行特征值分

45、析。為了完成這種分析, 需要使用t-line和cable 模塊。通過功能選擇可以產(chǎn)生單頻率模式模型或者完全的頻率相關(guān)行波模型。 架空線模型所需要的數(shù)據(jù)有導(dǎo)線的空間相對位置以及導(dǎo)線的半徑和電阻率。對于電纜, 每一導(dǎo)電層和絕緣層的半徑和特性都是必需的。 由t-line和cable 模塊所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以直接輸入到pscad 的建模(draft)模塊中。 3.運行(run time)模塊 運行模塊中的emtdc 操作員控制臺軟件模塊和rtds控制臺軟件模塊可分別為運行emtdc和rtds提供控制操作功能和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)功能。

46、軟件中提供了完善的界面, 允許使用者裝入、啟動或停止一個模擬算題, 并可在模擬過程中與之通訊。由于采用了多種儀表和模擬過程數(shù)據(jù)在線繪圖, 允許使用者獲得相關(guān)模擬算題的即時反饋。使用者所激發(fā)的動態(tài)過程, 如整定值改動、開關(guān)操作以及故障觸發(fā)可以通過操縱滑觸頭、電位器、開關(guān)和按鈕進(jìn)行。  4.單曲線繪圖(uniplot)和多曲線繪圖(multiplot)模塊 emtdc 和rtds所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的分析和繪圖是通過單曲線繪圖模塊進(jìn)行的?？梢詫?shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)尺整定和通用格式整定。對于繪圖用的數(shù)據(jù)可直接進(jìn)行傅里葉分析。如果要處理大量的數(shù)據(jù), 

47、可以通過編程的辦法形成自動處理順序。 多曲線繪圖模塊可以將單曲線繪圖模塊繪出的曲線整理成適合報告應(yīng)用?？蓪⒍喔€組合安排在單張紙上。使用者可以直接處理曲線并在紙面上添加需要的文字說明并可繪制其它美化標(biāo)志。第四章 第四章 電磁暫態(tài)數(shù)學(xué)模型的建立4.1 4.1 輸電線數(shù)學(xué)模型的建立4.1.1 4.1.1 輸電線數(shù)學(xué)模型（一）輸電線路的方程式設(shè)有長度為l的輸電線路，其參數(shù)沿線均勻分布，單位長度的阻抗和導(dǎo)納分別為。在距末端x處取一微段dx，可做出等值電路圖。在正弦電壓作用下處于穩(wěn)態(tài)時，電流在dx微段阻抗中的電壓降 （4-1）流入dx微段并聯(lián)導(dǎo)納中的電流 略去二階微小量，便得 （4-2）將式（4-1）對x求導(dǎo)數(shù),并計及式（4-2），便得 （4-3）上式為二階常系數(shù)齊次微分方程式，其通解為 （4-4）將式（4-4）代入（4-1），便得 （4-5）式中，和是積分常數(shù)，應(yīng)由邊界條件確定。 （4-6） （4-7）稱為線路的傳播常數(shù)，因為和的幅角均在的范圍內(nèi)，故的幅角也在之間，由此可知和都是正的。稱為線路的波阻抗（或特性阻抗）。和都是只與線路的參數(shù)和頻率有關(guān)的物理量。對于高壓架空輸電線 （4-8） （4-9）由上式可