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电力系统课程设计scut

50
2020年4月19日
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电力系统运行方式分析和计算
设计报告

课程名称：电力系统分析
题 目：电力系统运行方式分析和计算
专 业：xxxxxxx
班 级：xxxxxxx
姓 名：xxxxxx
指导教师：xxxxxx

目录
课程设计任务书 2
第一章 绪论 6
第二章 运行方式与powerworld建模 7
第三章 “N-1”潮流校核 11
第四章 短路计算 20
第五章 课程设计总结与心得 22
第六章 附录 23
附录一 潮流计算程序 23
附录二 短路计算程序 29

课程设计任务书
课程设计题目A2：：电力系统运行方式分析和计算
姓名： x 指导教师： x
一、 一个220kV分网结构和参数如下：

500kV站（#1）的220kV母线视为无穷大母线，电压恒定在230kV。

图中，各变电站参数如下表：
编号
类型
220kV最大负荷，MVA
#1
500kV站
平衡节点
#2
220kV站
230+j20
#3
220kV站
350+j90
#4
220kV站
250+j85
#5
220kV站
410+j90

各变电站负荷曲线基本一致。日负荷曲线主要参数为：
² 日负荷率：0.88，日最小负荷系数：0.64

各线路长度如图所示。所有线路型号均为LGJ-2*300，基本电气参数为：
正序参数： r = 0.054Ω/km, x = 0.308Ω/km, C = 0.0116 µF/km；
零序参数： r0 = 0.204Ω/km, x0 = 0.968Ω7/km, C0 = 0.0078 µF/km；
40ºC长期运行允许的最大电流：1190A。

燃煤发电厂G有三台机组，均采用单元接线。电厂220kV侧采用双母接线。发电机组主要参数如下表（在PowerWorld中选择GENTRA模型）：

机组台数
单台容 量（MW）
额定电压（EV）
功率因数
升压变容量MVA
Xd
Xd’
Xq
Td0’
TJ=2H
ai,2
t/(MW2×h)
ai,1
t/(MW×h)
ai,0
t/h
Pmax
(MW)
Pmin
(MW)
1
300
10.5
0.85
350
1.8
0.18
1.2
8
7
0.00004
0.298
10.22
300
120
1
300
10.5
0.85
350
1.8
0.18
1.2
8
7
0.00003
0.305
10.32
300
120
1
250
10.5
0.85
300
2.1
0.2
1.5
7
6
0.00002
0.321
9.38
250
100
升压变参数均为Vs%=10.5%，变比10.5kV/242kV。不计内阻和空载损耗。

稳定仿真中发电机采用无阻尼绕组的凸极机模型。不考虑调速器和原动机模型。不考虑电力系统稳定器模型。励磁系统模型为：

该模型在PowerWorld中为BPA_EG模型，主要参数如下：
KA=40 TA=0.1 TA1=0.1 KF=0.05 TF=0.7 VRmax=3.7 VRmin=0.0

发电厂按PV方式运行，高压母线电压定值为1.05VN。考虑两种有功出力安排方式：
² 满发方式： 开机三台，所有发电机保留10%的功率裕度；
² 轻载方式： 仅开250MW机组，且保留10%的功率裕度；
² 发电厂厂用电均按出力的7%考虑。

二、 设计的主要内容：
1、根据负荷变化和机组出力变化，拟定至少两种典型运行方式；
2、进行参数计算和标幺化，形成两种典型运行方式的潮流计算参数；
3、用Matlab编制潮流计算程序，可任选一种潮流计算方法；
4、用所编制的潮流程序完成典型运行方式的潮流计算，进行电压和网损分析；
5、用PowerWorld软件进行潮流计算并与自己编制的软件计算结果进行校核和分析；
6、用所编制的潮流程序完成大方式的“N-1”潮流校核，进行线路载流能力和电压水平分析；
7、用Matlab编制三相短路的短路容量计算程序；
8、对主要220kV母线进行三相短路容量测算，并与PowerWorld的计算结果进行校核；
9、自行选择2-3种故障方案，用PowerWorld进行稳定计算，给出摇摆曲线，并计算故障的极限切除时间。
10、假定电网公司下发给燃煤发电厂G的日发电计划曲线如下图，按照等微增率准则或对三台机组进行经济负荷分配，同时采用matlab中的quadprog函数对三台机组进行负荷优化分配，并对两种分配结果进行分析比较。要求给出三台机组的日发电计划曲线。
11、编制课程设计报告

三、 设计要求和设计成果：
1、每两位同学为一组，自行分工，但任务不能重复；
2、每位同学对自己的设计任务编写课程设计说明书一份；
3、一组同学共同完成一份完整的设计报告；
4、设计说明和报告应包含：
² 以上设计任务每一部分的计算过程和结果分析；
² 所编制的潮流和短路源程序（主要语句应加注释）；
² 潮流计算结果（潮流图）
² 稳定计算的功角曲线等；

第一章 绪论
1.1课程设计目的
经过区域电力网络电力系统运行方式分析和计算，巩固和加深对课程所学理论知识的理解，培养独立分析和解决问题的能力，掌握电力工程运行计算设计的基本方法和基本步骤。
设计任务是根据给出的数据及要求，利用Matlab软件及Powerword软件进行程序编写及潮流计算、“N-1”潮流校核、线路载流能力和电压水平分析、短路容量测算等任务。并编写各自参与项目说明书，及总的报告一份。
1.2设计主要内容
1、根据负荷变化和机组出力变化，拟定至少两种典型运行方式；
2、进行参数计算和标幺化，形成两种典型运行方式的潮流计算参数；
3、用Matlab编制潮流计算程序，可任选一种潮流计算方法。
4、用所编制的潮流程序完成典型运行方式的潮流计算，进行电压和网损分析；
5、用PowerWorld软件进行潮流计算并与自己编制的软件计算结果进行校核和分析；
6、用所编制的潮流程序完成大方式的“N-1”潮流校核，进行线路载流能力和电压水平分析；
7、用Matlab编制三相短路的短路容量计算程序；
8、对所有220kV母线进行三相短路容量测算，并与PowerWorld的计算结果进行校核；
9、自行选择2-3种故障方案，用PowerWorld进行稳定计算，给出摇摆曲线，并计算故障的极限切除时间。

本次课程设计我负责的任务主要是使用powerworld进行该220KV系统的模型建立，以及在借鉴前人的基础上使用matlab编制三相短路程序，以及与powerworld的计算结果进行校核等。

第二章 运行方式与powerworld建模
根据负荷变化和机组出力，我们拟定了两种典型的运行方式，分别是发电机满发时负荷最小和发电机轻载时负荷最大这两种运行方式。（已知最大负荷，可由日最小负荷系数求出最小负荷）
2.1、节点
根据题目要求建立并编号6个节点：
发电厂汇总母线1个（母线6基准值220KV），
变电站母线4个（母线2/3/4/5基准值220KV），
平衡节点母线1个（母线1基准值220KV）。
在母线1的信息菜单（Bus Information Dialog）中勾选系统平衡母线选项（system slack bus）以设置平衡节点。
另外，需要为母线设置电压表（标幺值），选择节点后点击相应母线。

2.2、发电机
建立3个发电机组，其中：
1. 两个容量为300MW的发电机组联接在8、9母线上，并如下图设置相应数据

其中，353=300/0.85，249=300*0.87

上图数据按照给出参数输入

上图数据按照300MW发电机组给出的参数输入

2. 一个250MW的发电机组联接在母线8上，参数设置如下图。

其中，294=250/0.85 207=250*0.87

按照250MW的发电机组给出的参数输入
2.3线路
线路的参数需与线路的长度对应，信息对话框中有相应的换算工具

其中，电阻和电抗值题中已给出，电容值需计算后输入（B）
零序相应数据

2.4负荷
根据所选定的运行方式选择不同的负荷，最终形成下图：

第三章 “N-1”潮流校核
3.1 matlab计算
N-1的处理方法：本课程设计“N-1”指是在发电机满发方式，负荷重载方式进行的断开一回线路。
运用matlab编织的潮流程序（如附录1所示），再采用如下支路数据，得出最终的结果。
1-2：
B1= [1 2 (0.054+0.308i)*27/484 0.00000364*27*484 1 0;
2 3 (0.054+0.308i)*17/484/2 0.00000364*17*484*2 1 0;
2 4 (0.054+0.308i)*6/484/2 0.00000364*6*484*2 1 0;
3 6 (0.054+0.308i)*18/484/2 0.00000364*18*484*2 1 0;
4 5 (0.054+0.308i)*5/484/2 0.00000364*5*484*2 1 0;
5 6 (0.054+0.308i)*24/484/2 0.00000364*24*484*2 1 0; ]
2-3
B1= [1 2 (0.054+0.308i)*27/484/2 0.00000364*27*484*2 1 0;
2 3 (0.054+0.308i)*17/484 0.00000364*17*484 1 0;
2 4 (0.054+0.308i)*6/484/2 0.00000364*6*484*2 1 0;
3 6 (0.054+0.308i)*18/484/2 0.00000364*18*484*2 1 0;
4 5 (0.054+0.308i)*5/484/2 0.00000364*5*484*2 1 0;
5 6 (0.054+0.308i)*24/484/2 0.00000364*24*484*2 1 0; ]

2-4
B1= [1 2 (0.054+0.308i)*27/484/2 0.00000364*27*484*2 1 0;
2 3 (0.054+0.308i)*17/484/2 0.00000364*17*484*2 1 0;
2 4 (0.054+0.308i)*6/484 0.00000364*6*484 1 0;
3 6 (0.054+0.308i)*18/484/2 0.00000364*18*484*2 1 0;
4 5 (0.054+0.308i)*5/484/2 0.00000364*5*484*2 1 0;
5 6 (0.054+0.308i)*24/484/2 0.00000364*24*484*2 1 0; ]

3-6
B1= [1 2 (0.054+0.308i)*27/484/2 0.00000364*27*484*2 1 0;
2 3 (0.054+0.308i)*17/484/2 0.00000364*17*484*2 1 0;
2 4 (0.054+0.308i)*6/484/2 0.00000364*6*484*2 1 0;
3 6 (0.054+0.308i)*18/484 0.00000364*18*484 1 0;
4 5 (0.054+0.308i)*5/484/2 0.00000364*5*484*2 1 0;
5 6 (0.054+0.308i)*24/484/2 0.00000364*24*484*2 1 0; ]
4-5
B1= [1 2 (0.054+0.308i)*27/484/2 0.00000364*27*484*2 1 0;
2 3 (0.054+0.308i)*17/484/2 0.00000364*17*484*2 1 0;
2 4 (0.054+0.308i)*6/484/2 0.00000364*6*484*2 1 0;
3 6 (0.054+0.308i)*18/484/2 0.00000364*18*484*2 1 0;
4 5 (0.054+0.308i)*5/484 0.00000364*5*484 1 0;
5 6 (0.054+0.308i)*24/484/2 0.00000364*24*484*2 1 0; ]
5-6
B1= [1 2 (0.054+0.308i)*27/484/2 0.00000364*27*484*2 1 0;
2 3 (0.054+0.308i)*17/484/2 0.00000364*17*484*2 1 0;
2 4 (0.054+0.308i)*6/484/2 0.00000364*6*484*2 1 0;
3 6 (0.054+0.308i)*18/484/2 0.00000364*18*484*2 1 0;
4 5 (0.054+0.308i)*5/484/2 0.00000364*5*484*2 1 0;
5 6 (0.054+0.308i)*24/484 0.00000364*24*484 1 0; ]

B2=[0 0 1.0455 1.0455 0 1;
0 (230+20i)/100 1 0 0 2;
0 (350+90i)/100 1 0 0 2;
0 (250+85i)/100 1 0 0 2;
0 (410+90i)/100 1 0 0 2;
（1+0.6197i）*711.45/100 0 1 1.05 0 3;]

运行时输入参数：
>> chaoliujisuan1
是否在进行n-1校验，是为1，否为0: 1
请输入n-1校验断线序号，从1-6: 1
>> chaoliujisuan1
是否在进行n-1校验，是为1，否为0: 1
请输入n-1校验断线序号，从1-6: 2
>> chaoliujisuan1
是否在进行n-1校验，是为1，否为0: 1
请输入n-1校验断线序号，从1-6: 3
>> chaoliujisuan1
是否在进行n-1校验，是为1，否为0: 1
请输入n-1校验断线序号，从1-6: 4
>> chaoliujisuan1
是否在进行n-1校验，是为1，否为0: 1
请输入n-1校验断线序号，从1-6: 5
>> chaoliujisuan1
是否在进行n-1校验，是为1，否为0: 1
请输入n-1校验断线序号，从1-6: 6

最终结果如下：
n-1 1-2
各节点的电压大小V为(节点号从小到大排列)：
1.0455 1.0332 1.0373 1.0320 1.0330 1.0500
各节点的电压相角sida为(节点号从小到大排列)：
0 -4.9250 -4.9544 -5.2359 -5.2940 -3.9780
n-1 2-3
各节点的电压大小V为(节点号从小到大排列)：
1.0455 1.0353 1.0393 1.0337 1.0344 1.0500
各节点的电压相角sida为(节点号从小到大排列)：
0 -2.5405 -2.6057 -2.8603 -2.9248 -1.6195
n-1 2-4
各节点的电压大小V为(节点号从小到大排列)：
1.0455 1.0363 1.0388 1.0333 1.0341 1.0500
各节点的电压相角sida为(节点号从小到大排列)：
0 -2.5592 -2.6782 -3.1444 -3.1869 -1.7769
n-1 3-6
各节点的电压大小V为(节点号从小到大排列)：
1.0455 1.0333 1.0331 1.0320 1.0330 1.0500
各节点的电压相角sida为(节点号从小到大排列)：
0 -2.5290 -2.7567 -2.7757 -2.7785 -1.1796
n-1 4-5
各节点的电压大小V为(节点号从小到大排列)：
1.0455 1.0358 1.0385 1.0340 1.0351 1.0500
各节点的电压相角sida为(节点号从小到大排列)：
0 -2.5545 -2.6142 -2.8661 -2.9827 -1.6508
n-1 5-6
各节点的电压大小V为(节点号从小到大排列)：
1.0455 1.0327 1.0369 1.0297 1.0293 1.0500
各节点的电压相角sida为(节点号从小到大排列)：
0 -2.5202 -2.3105 -2.9206 -3.0514 -1.0646
3.2使用powerworld进行仿真
断开线路：12
表10 结点电压
节点
1
2
3
4
5
6
电压幅值
1.0455
1.0339
1.038
1.0326
1.0336
1.0500
电压相角/°
0
-4.980
-5.016
-5.293
-5.353
-4.044
由powerworld的实例信息可导出下面的最大相电流，如下表所示：
表11 一回线的最大相电流
线路
12
23
24
36
45
56
电流/kA
1.3704
0.098
0.3915
0.4878
0.1180
0.4917

图9 断开线路12电流电压分布

断开线路：23
表12 结点电压
节点
1
2
3
4
5
6
电压幅值
1.0455
1.0360
1.0400
1.0344
1.0351
1.0500
电压相角/°
0
-2.435
-2.469
-2.715
-2.744
-1.479
表13 一回线的最大相电流
线路
12
23
24
36
45
56
电流/kA
0.6808
0.0950
0.3924
0.4695
0.09935
0.4811

图10 断开线路23电流电压分布

断开线路：24
表14 结点电压
节点
1
2
3
4
5
6
电压幅值
1.0455
1.0371
1.0390
1.0340
1.0347
1.0500
电压相角/°
0
-2.445
-2.538
-3.012
-3.048
-1.628
表15 一回线的最大相电流
线路
12
23
24
36
45
56
电流/kA
0.6804
0.0729
0.7237
0.4462
0.0794
0.5101

图11 断开线路24电流电压分布
断开线路：36
表16 结点电压
节点
1
2
3
4
5
6
电压幅值
1.0455
1.0341
1.0340
1.0329
1.0337
1.0500
电压相角/°
0
-2.426
-2.638
-2.664
-2.661
-1.053
表17 一回线的最大相电流
线路
12
23
24
36
45
56
电流/kA
0.6846
0.09183
0.3028
0.7466
0.07385
0.5680

图12 断开线路36电流电压分布

断开线路：45
表18 结点电压
节点
1
2
3
4
5
6
电压幅值
1.0455
1.0365
1.0390
1.0347
1.0357
1.0500
电压相角/°
0
-2.439
-2.474
-2.742
-2.846
-1.502
表19 一回线的相电流
线路
12
23
24
36
45
56
电流/kA
0.6804
0.0833
0.3890
0.4710
0.1738
0.4811

图13 断开线路45电流电压分布

断开线路：56
表20 结点电压
节点
1
2
3
4
5
6
电压幅值
1.0455
1.0335
1.0370
1.0306
1.0301
1.0500
电压相角/°
0
-2.423
-2.193
-2.817
-2.943
-0.944
表21 一回线的相电流
线路
12
23
24
36
45
56
电流/kA
0.6861
0.1403
0.5191
0.5875
0.1888
0.7022

图14 断开线路56电流电压分布
经过与powerworld仿真对比，matlab的所用潮流程序所得结果与powerworld仿真基本一致，故可说明matlab的潮流程序基本正确。

第四章 短路计算
4.1 powerworld的短路容量计算
本文电力系统暂态稳定是在发电机满发方式，负荷重载方式进行的。
故障：三相短路

表 三相短路短路电流及短路容量
220kV母线
#1
#2
#3
#4
#5
#6
短路电流（标幺值）
22.7060
25.2191
25.2168
25.0994
25.1038
26.85433
短路电流/kA
5.6991
6.3277
6.3294
6.2999
6.3022
6.7404
短路容量/×104MVA
2.2706
2.5219
2.5216
2.5099
2.5103
2.685433

4.2 matlab的短路容量计算
Matlab所编制的参数如附录二所示。
输入相应的参数矩阵，
请输入各支路阻抗矩阵[ 0.1672 + 0.0534i 0.1657 + 0.0456i 0.1651 + 0.0433i 0.1656 + 0.0453i 0.1654 + 0.0451i 0.1646 + 0.0440i
0.1657 + 0.0456i 0.1657 + 0.0456i 0.1650 + 0.0433i 0.1655 + 0.0453i 0.1653 + 0.0451i 0.1646 + 0.0440i
0.1651 + 0.0433i 0.1650 + 0.0433i 0.1650 + 0.0448i 0.1649 + 0.0435i 0.1648 + 0.0436i 0.1643 + 0.0442i
0.1656 + 0.0453i 0.1655 + 0.0453i 0.1649 + 0.0435i 0.1656 + 0.0466i 0.1654 + 0.0463i 0.1646 + 0.0446i
0.1654 + 0.0451i 0.1653 + 0.0451i 0.1648 + 0.0436i 0.1654 + 0.0463i 0.1655 + 0.0473i 0.1645 + 0.0451i
0.1646 + 0.0440i 0.1646 + 0.0440i 0.1643 + 0.0442i 0.1646 + 0.0446i 0.1645 + 0.0451i 0.1644 + 0.0475i]
请输入各支路电纳矩阵[0 0. 0 0 0 0
0. 0 0. 0. 0 0
0 0. 0 0 0 0.
0 0. 0 0 0. 0
0 0 0 0. 0 0.
0 0 0. 0 0. 0
]
请输入结点负荷[0 2.3-0.2i 3.50+0.9i 2.50+0.85i 4.10+0.9i 0]
请输入各节点电压[1.0000 1.0111 - 0.0368i 1.0399 - 0.0475i 1.0144 - 0.0417i 1.0191 - 0.0424i 1.0496 - 0.0285i]
可得到各节点短路时的短路电流幅值
   22.9387   25.0939   26.9026   25.4581   26.8496   24.3111

以上各个幅值都是标幺值，与上面的powerworld仿真基本一致，故而matlab程序基本上是正确的。
因此短路容量等如下表：
220kV母线
#1
#2
#3
#4
#5
#6
短路电流（标幺值）
22.7060
25.2191
25.2168
25.0994
25.1038
26.85433
短路电流/kA
5.6991
6.3277
6.3294
6.2999
6.3022
6.7404
短路容量/×104MVA
2.2706
2.5219
2.5216
2.5099
2.5103
2.685433

第五章 课程设计总结与心得
在本次课程设计的过程中，本人经过区域电力网络电力系统运行方式分析和计算，巩固和加深对课程所学理论知识的理解，培养独立分析和解决问题的能力，掌握电力工程运行计算设计的基本方法和基本步骤。
在潮流计算过程中，由于时间限制与水平差距，许多地方尚且存在不足之处。例如由于对电力系统分析的理解不是很透彻，很多参数计算不是十分精确，许多矩阵的形成需要大量查阅资料。另外，由于matlab编程也不太熟悉，故而导致我们只能参考前人的程序，理解不是十分透彻，导致程序运行中会偶然出现问题，在找出问题所在的时候花费了大量的时间。
另外，在使用powerworld的过程中，由于刚开始接触，很多地方不懂得如何操作，许多参数也不知道如何输入，以至于学习软件使用方法也花了很多的时间，最终经过询问同学得到解决。我还发现powerworld13的模型到了powerworld17，发电机的模型会丢失，导致刚开始暂态计算也无法进行，幸好后来发现问题并及时解决了。
本小组的课程设计，在我们两个同学的不懈努力下终于完成，由于水平有限，依旧存在很多缺陷，希望老师批评指正。

第六章 附录
附录一 潮流计算程序
%本程序的功能是用牛顿——拉夫逊法进行潮流计算
clear;
n=6 ;
nl=6 ;
isb=1 ;
pr=0.0001 ;
B1=[1 2 (0.054+0.308i)*27/484/2 0.00000364*27*484*2 1 0;
2 3 (0.054+0.308i)*17/484/2 0.00000364*17*484*2 1 0;
2 4 (0.054+0.308i)*6/484/2 0.00000364*6*484*2 1 0;
3 6 (0.054+0.308i)*18/484/2 0.00000364*18*484*2 1 0;
4 5 (0.054+0.308i)*5/484/2 0.00000364*5*484*2 1 0;
5 6 (0.054+0.308i)*24/484/2 0.00000364*24*484*2 1 0; ];

B2=[0 0 1.0455 1.05 0 1;
0 (230+20i)/100 1 1.05 0 2;
0 (350+90i)/100 1 1.05 0 2;
0 (250+85i)/100 1 1.05 0 2;
0 (410+90i)/100 1 1.05 0 2;
(1+0.6197i)*209.25/100 0 1.05 1.05 0 3;];
% B1矩阵：1、支路首端号；2、末端号；3、支路阻抗；4、支路对地电纳
% 5、支路的变比；6、支路首端处于K侧为1，1侧为0
% B2矩阵：1、该节点发电机功率；2、该节点负荷功率；3、节点电压初始值
% 4、PV节点电压V的给定值；5、节点所接的无功补偿设备的容量
% 6、节点分类标号：1为平衡节点（应为1号节点）；2为PQ节点；
% 3为PV节点；
isn_1=input('是否在进行n-1校验，是为1，否为0: ');
if isn_1==0
isge=input('请输入发电机出力状态，满载为1，轻载为0: ');
if isge==0 B2(6,1)=(1+0.6197i)*209.25/100;
else if isge==1 B2(6,1)=(1+0.6197i)*711.45/100;
end
end
else
if isn_1==1, B2(6,1)=(1+0.6197i)*711.45/100;
nn_1=input('请输入n-1校验断线序号，从1-6: ');
B1(nn_1,3)=B1(nn_1,3)*2;
B1(nn_1,4)=B1(nn_1,4)/2;
end
end

Y=zeros(n);e=zeros(1,n);f=zeros(1,n);V=zeros(1,n);sida=zeros(1,n);S1=zeros(nl);
% % %---------------------------------------------------
for i=1:nl %支路数
if B1(i,6)==0 %左节点处于1侧
p=B1(i,1);q=B1(i,2);
else %左节点处于K侧
p=B1(i,2);q=B1(i,1);
end
Y(p,q)=Y(p,q)-1./(B1(i,3)*B1(i,5)); %非对角元
Y(q,p)=Y(p,q); %非对角元
Y(q,q)=Y(q,q)+1./(B1(i,3)*B1