成都理工大学电力系统分析

本科生实验报告

实验课程 电力系统分析

学院名称 核技术与自动化工程学院

专业名称 电气工程及其自动化

学生姓名

学生学号

指导教师 顾民

实验地点 6C901

实验成绩

二〇一五年 月 二〇一五年 月

1

电力系统分析实验报告

摘要

电力系统分析是电气工程专业的主干基础课程，是学生进入电力系统专业的主要向导和桥梁。而MATLAB仿真中的Simulink建模是对电力系统进行建模分析的一个重要工具.

关键词:电力系统；MATALB;建模

实验一 电力系统分析计算

一、实验目的

1. 掌握用Matlab软件编程计算电力系统元件参数的方法。

2. 通过对不同长度的电力线路的三种模型进行建模比较，学会选取根据电路要求选取模型。

3. 掌握多级电力网络的等值电路计算方法。 4. 理解有名制和标幺制。

二、实验内容

1．电力线路建模

有一回220kV架空电力线路,导线型号为LGJ-120，导线计算外径为15。2mm，三相导线水平排列，两相邻导线之间的距离为4m。试计算该电力线路的参数，假设该线路长度分别为60km，200km,500km,作出三种等值电路模型，并列表给出计算值.

电阻 （欧) 电抗 (欧) 电纳 (S) 电阻 （欧) 电抗 (欧） 200km 电纳 (S） 电阻 （欧) 电抗 （欧） 500km 电纳 （S) 模型1 60 km 15。7522。81.8e-52.576欧 6e—42

131.2190欧 1。5e-3

欧

欧 4欧 欧 欧 5欧 欧 2．多级电力网络的等值电路计算

部分多级电力网络结线图如图1—1所示,变压器均为主分接头,作出它的等值电路模型,并列表给出用有名制表示的各参数值和用标幺制表示的各参数值。

图1—1 多级电力网络结线图

线路 额定电压 电阻 电抗 电纳 (S/km） 线路长度 （km) （欧/km） (欧/km) L1（架空线） 220kv L2（架空线） 110kV L3（架空线） 10kV

变压器 额定容量 Pk（kw） T1 T2

180MVA 63MVA 893 280 Uk％ 13 10。5 0。08 0。105 0.17 0.406 0.383 0.38 2.81＊10—6 200 2.81*10—6 忽略 60 15 Io％ 0.5 0.61 Po（kW) 175 60 2．作出等值电路仿真模型,线路采用中等长度模型，用字母标出相应的参数

3

以220KV为基本级,SB=100MVA按精确求解要求，求出有名制和标幺制表示的各参数值。(注意有些量要归算）。按下表填入计算数据。用下标标示相应的线路和变压器。 参数名称 Z1 Y1 Z2 2Ω Y2 Z3 有名制 16+j81。2Ω j5。62e-4S 25.2+j91.j0。1234.2+j24215e—4S 758.8Ω 2。04e-2 2。55+j5。7 标幺制 0.033+j0。j2.72e—1 0。1677 052+j0.188 参数名称 有名制 ZT1 YT1 ZT2 YT2 1。3.6e—3。4+j80。1。66Ω 2e-6+j7.9e—6S 7.024e-3+j0.1667 5.808e—4+j3.823e—3 3+j34.95Ω 6+j1.8e-5S 标幺制 2。6e—3+j0.072 1.742e—3+j8。712e-3 3、回答思考题

三、思考题

1．比较计算数据，讨论模型的适用条件.

答：一，对于长度不超过100KM的架空电力线路,线路额定电压为60KV以下者；以及不长的电缆电力线路，电纳的影响不大时，可认为是短电力线路。只能应用短电力线路模型.二，线路电压为110到220KV，架空电力线路长为100-300km，电缆电力线路长度不超过100km的电力线路，可以认为中等长度的电力线路.三，一般长度超过300km的架空电力线路和长度超过100km的电缆电力线路称为长线路，对于这种电力线路，需要考虑他们的分布参数特性。

4

2．什么是有名制?什么是标幺制？电力系统元件的有名值和标幺值有什么关系? 有名制：采用有单位的阻抗，导纳,电压,电流，功率等进行计算的。 标幺制：

采用没有单位的阻抗，导纳，电压，电流，功率等的相对值来进行计算的。 标幺值=有名值/相应的基准值。

实验二 电力系统简单电网潮流计算

一、实验目的

1。 学习Matlab仿真方法.

2. 初步掌握电力系统时域分析工具。 3. 电力系统简单电网潮流计算仿真分析。

二、实验内容

在如图2—1所示的电力系统中，已知条件如下： 变压器T：SFT—40000/110，

Ps200kW,Vs10.5%,P042kW,I00.7%,kTkN，

线路AC段：l50km,r10.27/km,x10.42/km； 线路BC段:l50km,r10.45/km,x10.41/km；

线路AB段：l40km,r10.27/km,x10.42/km；各段线路的导纳均可略去不计;负荷功率：SLDB(25j18)MVA,SLDD(30j20)MVA；母线D的额定电压为10kV。节点A为平衡节点，其余为PQ节点。计算系统的潮流分布。

5

AGCDSLDDBSLDB

图2—1 简单电力系统

三、实验原理及步骤

参考教材《MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真》第四章

四、实验设备

1. PC一台 2. Matlab软件

6

五、实验过程

图2-2负载1参数

7

图2—3负载2参数

8

图2—4 线路参数

图2—5线路1参数

图2—6线路2参数

9

图2—7同步发电机参数

10

图2-8仿真系统

图2—9 仿真电流结果

11

图2—10仿真电流结果

六、思考题

1、为什么会有线损？线损的构成主要有哪些成分？

答：线路有阻抗、导纳。电阻、电导会消耗有功，电抗、电纳会消耗无功

12

实验三、复杂电力系统的潮流计算

一、实验目的

1。 学习Matlab仿真方法。 2. 掌握电力系统时域分析工具.

3。 电力系统复杂电网潮流计算仿真分析。

二、实验内容

如图3-1所示的电力系统中,变压器两侧电压等级分别为10kV和110kV，各元件参数标幺值示于图中。（SB=100MVA，VB=Vav），计算系统的潮流分布。

发电厂G2 P4=0.8 U=1.0A TB

2 Z23=0.08+j0

C T1 发电厂D G1 1:1.ZT2=j0.0S2=0.3+j0.2

1.05ZT1=j0.0U5=1.05 图3—1 复杂电力系统网络图

Z12=0.04+j0.25 S1=0.8+j0

13

Z13=0.1+j0.3 E

S3=0.3+j0

三、实验原理及步骤

参考教材《MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真》第四章

四、实验设备

1。 PC一台 2。 Matlab软件

五、实验报告要求

1、Simulink仿真模型如下。

14

2、说明建模步骤和仿真过程

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16

17

18

19

3、系统的潮流分析

20

分析系统各节点电压大小是否满足系统要求,若不满足如何进行调整？ 4、保持负荷有功功率不变，改变无功负荷，观察记录各母线电压。保持无功负荷不变，改变有功负荷，观察记录各发电机母线功角。保持负荷不变,改变变压器变比,观察记录各母线电压.

5、回答思考题

六、思考题

1、谈谈你对线路损耗的认识。

21

答:线损是电能通过输电线路传输而产生的能量损耗产生的.电力网络中除输送电能的线路外，还有变压器等其他输变电设备，也会产生电能的损耗，这些电能损耗的总和称为网损. 线损是由电力传输中有功功率的损耗造成的，主要由以下3个部分组成。 = 1 \\＊ GB3①于电流流经有电阻的导线,造成的有功功率的损耗，它是线损的最主要部分②由于线路有电压，而线间和线对接之间的绝缘有漏电，造成的有功功率损耗③电晕损耗:架空输电线路带电部分的电晕放电造成的有功功率损耗。在一般正常情况下,后两部分只占极小的份量。

2、如果各110kV线路承担的输送功率长期满负荷运行，有何方法可较好地解决线损过高问题?

答:为了降低网络功率损耗，可以采取改变系统运行方式,调整运行参数和负荷率等措施使网络的功率分布接近经济分布，使网络运行更经济,功率损耗为最小。在有功功率合理分配的同时,还应做到无功功率的合理分布。按照就近的原则安排补偿,减少无功远距离

输送。增设无功补偿装置，并合理配置,以提高负荷的功率因数，改变无功潮流分布,可以减少有功损耗和电压损耗,可以减少发电机送出的无功功率和通过线路、变压器传输的无功功率，使线损大为降低，而且还可以改善电压质量、提高线路和变压器的输送能力.

22

实验四 电力系统三相短路故障仿真分析

一、实验目的

1. 学习Matlab仿真方法。 2。 掌握电力系统时域分析工具. 3. 对三相接地短路故障进行仿真分析。

二、实验内容

设某部分电力线路的简化等值电路如图所示。用Matlab仿真工具建立模型，并仿真线路出现三相接地短路时短路点的电流电压的变化情况。

图4—1简单三相接地短路电路图模型

1.交流电压源元件参数 电压峰值/V 相位/rad 频率/Hz 23

采样时间/S 测量值 110 2。串联RLC参数 RLC1 0 50 0 0 电阻R/欧姆 5 电感L/H 35e—3 电容C/F 1e—6 测量值 Branch current RLC 15 105e—3 1e—6 Branch current 3。仿真参数 Start time 0 Stop time 0.1 Variable-step，ode15s（stiff/NDF） 4。三相电路短路故障发生器（有对地故障） Ron Tran status 0.001 [1 0] ［0.02 0.05]

none 1e6 inf 0.001 Tran times 测量值 Rp Cp Rg Type Relative tolerance 1e—3 auto 其它 三、实验原理及步骤

参考教材《MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真》第五章

四、实验设备

1。 PC一台 2。 Matlab软件

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五、实验步骤

图4—2三相交流电压源参数

25

图4-3电力线路参数

图4-4电力线路1参数

图4-5 Simulink仿真系统图

26

图4—6短路点三相电压波形

图4-7短路点三相电流波形

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图4-8电力线路1电流

图4—9电力线路1电压

实验思考

1. 什么叫冲击电流？

答：短路冲击电流是短路全电流中的最大值，在短路后半个周期t=0.01s，ik达到最大，此时的短路全电流即为短路冲击电流。 2. 什么叫短路电流的最大有效值？

28

答:由短路点的电流波形可知，在短路后第一个周期的短路电流的有效值最大。

3. 某一线路，首端发生三相短路故障和末端发生三相短路故障引起

的系统反应一样吗?请说说理由

答：两者不一样，短路后之路中的电力原件发生了变化，且首段短路时短路电流最大，造成影响也最大.

实验五 电力系统不对称故障分析

一、实验目的

1。 学习Matlab仿真方法。 2.掌握电力系统时域分析工具.

3. 熟悉不同类型短路故障的特点及其影响,对电力系统出现的不对称故障进行仿真分析。

二、实验内容

设无穷大电源的电力系统电路如图5—1，仿真分析在K点出现各种短路故障时电流电压的变化。

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图5—1电力系统各种短路故障仿真图

1。三相电压源元件参数 电压有效值 A相相位（正序) 10．5KV 0 50 Y 0。312+j6.63e-3

2。输电线路参数 长度 电阻R（正，零序) RLC1 100km [0.01273 0。3864］ RLC2 60km 电感L（正，零序） [0。937e-3 4.12e—3］ [12。7e—9 7。none 75e-3］ 电容C（正，零序） 测量值 频率 连接方式 内阻抗 ［0.01273 0。［0.937e—3 ［12.7e—9 7。none 3864］ 4.12e—3］ 75e—3］ 3。三相电路短路故障发生器 Ron Rg Tran status 0。001 0.001 [1 0] Tran times Sample time 1e-6 inf Rp C [0。01 0。0 04］ 4。三相序分量分析元件

Fundamental frequence Harmomic n 50 5.仿真参数 Start time Stop time 30

Sequence Positive Negative Zero 1 Type Relative tolerance 其它 0 0。1 Variable—step,ode15s(stiff/NDF) 1e-3 auto 三、实验原理及步骤

参考教材《MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真》第五章

四、实验设备

1。 PC一台 2。 Matlab软件

五、实验步骤

图5—2 三相电压源参数

31

图5-3三相变压器参数

32

图5—4分布线路参数

33

图5-5分布线路1参数

图5-6 Simulink仿真系统图

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图5—7 三相故障时电流波形

图5-8两相故障时电压波形

图5-9 A相接地短路时电流波形

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三相短路分析

在三相电路短路故障发生器参数中将三相故障全选中，并选择故障相接地选项。进行电路仿真,用M1观察故障点电流波形，并记录三相电流的最大幅值，填入表中.

A相 0。38 B相 0。4 C相 0.5 六、思考题

1理论上推导在两相短接时三个序电流之间有什么关系？与实验结果进行比较。 答：正序电流等于负的负序电流、零序电流为零。

2单相接地短路时短路电流与三个序电流之间有什么关系？与实验结果进行比较。

答：单相接地短路时正序电流等于负序电流等于零序电流.

3、有人认为发生不对称故障时,故障相电流是由各序电流合成的,因此相电流一定比序电流要大，对吗?为什么？

答:不对,合成是相量合成，有可能总电流比序电流小.

实验六 小电流接地系统单相故障分析

一、实验目的与要求

通过实验教学加深学生的基本概念，掌握小电流接地系统的单相故障的特点，使学生通过系统进行物理模拟和数学模拟,对系统配电线路进行单相接地短

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路故障仿真实验，以达到理论联系实际的效果，提高学生的感性认识及对电力系统仿真过程的分析能力.

本实验要求学生掌握Simulink中电力系统常用元件的模型及使用方法，并了解建模的基本过程，以及完成模型的仿真，结合短路相关的理论知识对仿真结果加以分析。

二、实验内容

搭建如图6-1所示的系统模型并仿真，该系统有1个电源，3条配电线路，4个负荷，在Line3的末端设置单相接地短路故障，观察示波器中的电压和电流波形，记录下故障电压电流的有效值.

1。三相电压源元件参数 电压有效值 A相相位（正序） 10．5KV 0 50 Yg 0。00529+j4。427e—2

2.输电线路参数

频率 连接方式 内阻抗 37

长度 电阻R（正，零序） 电感L(正,零序） 电容C(正，零序） 测量值 RLC1 120km ［0.01273 0.3864］ RLC2 180km ［0.01273 0.3864］ RLC3 2 km ［0。01273 0.3864］ [0。937e-3 4.12e-3］ ［0.937e—3 4。12e—3］ ［12。7e—9 7。none 75e-3] [12。7e-9 7。75e-3］ none none [0。937e—3 4。［12。7e-9 12e—3] 7.75e-3] [12。7e—9 7.75e—3] RLC4 150 km [0。01273 0。［0。937e—3 3864］ 3.三相电路短路故障发生器 Ron Rg Tran status 0。001 0。001 [1 0］ Tran times [0。01 0.04] 4.12e—3] none Sample time 0 Rp C 1e—6 inf 三、实验原理及步骤

参考教材《MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真》第五章

四、实验设备

1。 PC一台 2. Matlab软件

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五、实验步骤

图6-2三相电压源参数

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图6-3三相电压电流测量元件参数

40

图6-4线路1参数

41

图6—5 load1参数

图6—6 故障模块参数

42

图6-7 仿真系统参数

通过示波器8得到系统的零序电压30

u

图6—8 系统的零序电压30

u

43

图6-9 系统的零序电压30

I

图6—10故障点的三相电压

44

图6-11 故障点的接地电流(黄色表示A相、其他两相电流为零)

图6-12 故障点A相电压

45

图6-13 故障点B相电压

图6—14故障线路零序电流的幅值

图6—15故障点C相电压

46

图6—16 故障线路零序电流相位

六、实验思考题

1、中性点不接地系统为什么可以在单相接地故障发生时允许继续运行2小时? 答：因为10KV中性点不接地 ，不影响线电压, 其他高压有接地故障保护应当立即跳开。

2、中性点不接地系统装设消弧线圈的原则是什么？装设消弧线圈的目的是什么？

答：目的是防止单相接地时接地点出现断续电弧,引起谐振过电压.

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实验七 一个复杂电力系统的短路计算

一、实验目的与要求

通过实验教学加深学生的基本概念，掌握复杂电力系统短路故障的特点,使学生通过系统进行物理模拟和数学模拟，对复杂电力系统短路故障仿真实验，以达到理论联系实际的效果，提高学生的感性认识及对电力系统仿真过程的分析能力。

本实验要求学生掌握Simulink中电力系统常用元件的模型及使用方法,并了解建模的基本过程，以及完成模型的仿真，结合短路相关的理论知识对仿真结果加以分析.

二、实验原理及步骤

参考教材《MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真》第五章

三、实验设备

1。 PC一台 2。 Matlab软件

四，实验报告要求

1、 给出复杂系统故障的仿真模型

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2、说明建模步骤和仿真过程 短路点k1

49

短路点在k2:

五，思考题

1、 同步发电机三相短路暂态过程的有何特点？

发生短路时，作为电源的发电机的内部也发生暂态过程，并不能保持其端电压和频率不变.一般讲，由于发电机转子的惯量较大,在分析短路电流时可以近似地认为转子保持同步转速，即频率保持稳定.

50

实验八 同步发电机三相短路暂态过程分析

一、实验目的与要求

通过实验教学加深学生的基本概念，掌握同步发电机三相短路暂态过程的特点，使学生通过系统进行物理模拟和数学模拟，对同步发电机三相短路暂态过程仿真实验，以达到理论联系实际的效果，提高学生的感性认识及对电力系统仿真过程的分析能力。

本实验要求学生掌握Simulink中电力系统常用元件的模型及使用方法，并了解建模的基本过程，以及完成模型的仿真，结合短路相关的理论知识对仿真结果加以分析.

二、实验内容

已知一台有阻尼的同步发电机,其参数如下：

PN200MW,UN13.8kV,fN50Hz,xd1.0,xq0.6,xd'0.30,xd''0.21,xq''0.31,r0.005,xf0.18,xaD0.1,xQ0.25,T''d05s,TD2s,T''q01.4s

若发电机空载，端电压为额定电压，发电机定子端部突然发生三相短路，并且

00，求发电机定子电流。

三、实验原理及步骤

参考教材《MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真》第五章

四、实验设备

1. PC一台 2。 Matlab软件

五、实验过程:

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六、思考题

1、同步发电机三相短路暂态过程的有何特点？

2、发电机机端两相短路和机端三相短路相比，有何不同？ 答：

实验九 简单电力系统静态稳定性仿真

一、实验目的与要求

通过实验教学加深学生的基本概念，了解影响系统静态稳定性的因素，使学生通过系统进行物理模拟和数学模拟，对简单电力系统静态稳定仿真实验,以达到理论联系实际的效果，增强对系统稳定性的认识与理解，提高学生的感性认识及对电力系统仿真过程的分析能力。

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本实验要求学生掌握Simulink中电力系统常用元件的模型及使用方法，并了解建模的基本过程，以及完成模型的仿真，结合短路相关的理论知识对仿真结果加以分析。

二、实验内容

对如图9—1所示的单机无穷大系统，发电机带有自动励磁调节器，发电机输出的功率为P0，N;原动机的功率为PT0P0；发电机为隐极机,且不计发电机各绕组的电磁暂态过程

SGN352.5MVA,PGN300MW,UGN10.5KV,xd1.7,发电机的参数：xd'0.25,xd''0.252,xq1.7,xq''0.243,xl0.18,Td'1.01,

Td''0.053,Tq0''0.1,Rs0.0028,H(s)4s;TJN7.8s负序电抗：x20.2

变压器T-1的参数：STN1360MVA,UST1%14%,KT110.5/242； 变压器T—2的参数:STN2360MVA,UST2%14%,KT2220/121;

线路的参数:L250km,UN220KV,xl0.41/km，rl0.07/km，线路的零序电抗为正序电抗的5倍。

运行条件如下:U0115kV,P0250MW,cos00.95

55

分析在E'qE'q0为常数的条件下，发电机励磁调节系统对发电机静态稳定性的影响。

三、实验原理及步骤

参考教材《MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真》第六章

四、实验仪器设备及耗材

1.每组计算机1台、软件Matlab7。0套.

五、实验报告要求

1、给出单机无穷大系统静态稳定性Simulink仿真模型。

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发电机参数设置

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变压器T1，T2参数设置（T1，T2参数一样)

负载参数设置

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无穷大系统参数设置

六、思考题

1、功角和发电机惯性时间常熟TJ的物理意义是什么？

转动惯量.在额定转矩的作用下，把转子加速至额定转速的时间。理论上是一直线关系,实际上是一曲线。

2、 影响电力系统静态稳定性的因素有哪些？ 主要和线路的潮流及线路的热稳定极限有关。 3、 如何提高电力系统的静态稳定性？

电力系统的静态稳定性是电力系统正常运行时的稳定性，电力系统静态稳定性的基本性质说明，静态储备越大则静态稳定性越高。提高静态稳定性的措施很多,但是根本性措施是缩短”电气距离”.主要措施有：（1)、减少系统各元件的电抗：减小发电机和变压器的电抗，减少线路电抗（采用分裂导线）；（2)、提高系统电压水平;（3)、改善电力系统的结构；(4）、采用串联电容器补偿;(5)、采用自动调节装置;(6）、采用直流输电。在电力系统正常运行中，维持和控制母线电压是调度部门保证电力系统稳定运行的主要和日常工作.维持、控制变电站、发电厂高压母线电压恒定，特别是枢纽厂(站)高压母线电压恒定，相当于输电系统等值分割为若干段，这样每段电气距离将远小于整个输电系统的电气距离,从而保证和提高了电力系统的稳定性。

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实验十 简单电力系统暂态稳定性仿真

一、实验目的与要求

通过实验教学加深学生的基本概念，了解系统遭受大干扰后(比如短路故障）系统能否稳定运行与故障切除时间等因素紧密相关,使学生通过系统进行物理模拟和数学模拟,对简单电力系统暂态稳定仿真实验，以达到理论联系实际的效果，增强对系统稳定性的认识与理解,提高学生的感性认识及对电力系统仿真过程的分析能力。

本实验要求学生掌握Simulink中电力系统常用元件的模型及使用方法，并了解建模的基本过程，以及完成模型的仿真，结合短路相关的理论知识对仿真结果加以分析。

二、实验内容

对如图10—1所示的单机无穷大系统，分别分析在f点发生两相短路、两相接地短路通过线路两侧开关同时断开切除线路后，系统的暂态稳定性.

SGN352.5MVA,PGN300MW,UGN10.5KV,xd1,xd'0.25,xd''0.252,xq0.6,xq''0.243,xl0.18,Td'1.01,Td''0.053,Tq0''0.1,Rs0.0028,H(s)4s;TJN8s发电机的参数:

负序电抗：x20.2 变压器T—1的参数:

STN1360MVA,UST1%14%,KT110.5/242；

变压器T-2的参数：STN2360MVA,UST2%14%,KT2220/121;

60

线路的参数：L250km,UN220KV,xl0.41/km，rl0.07/km，线路的零序电抗为正序电抗的5倍。

0250MW,cos00.95 运行条件如下：U0115kV,P三、实验原理及步骤

参考教材《MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真》第六章

四、实验仪器设备及耗材

1。每组计算机1台、软件Matlab7。0套。

五、实验过程

Simulink仿真模型

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发电机参数

62

变压器T1参数

变压器T2参数

63

电力线路参数

64

发电机功角，转速变化曲线

六、思考题

1、功角和发电机惯性时间常熟TJ的物理意义是什么？

答：TJ的物理意义可以理解为当输出电磁转矩为0时，输入的机械转矩为1，则不平衡转矩为1时，机组从 静止升速至额定转速所需时间。 2、提高电力系统静态稳定和暂态稳定的措施主要有哪些?

答：提高静态稳定性措施：主要措施有：（1）、减少系统各元件的电抗：减小发电机和变压器的电抗，减少线路电抗（采用分裂导线);(2）、提高系统电压水平;（3)、改善电力系统的结构；（4)、采用串联电容器补偿；(5)、采用自动调节装置;(6)、采用直流输电。

提高暂态稳定性措施：：(1)、继电保护实现快速切除故障； （2）、线路采用自动重合闸; （3）、采用快速励磁系统； （4)、发电机增加强励倍数; （5）、汽轮机快速关闭汽门;

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学生 实验 心得 学生（签名）： 2015年 1月 6日 指导 教师 评语 成绩评定: 指导教师（签名）： 年 月 日

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