1、 *大学 毕业论文 (设计 )开题报告 课题名称 :基于 MATLAB 的电力系统暂态稳定性分析 学生姓名： 学 号： 学 院： 专业、年级： 指导教师： 职 称： 毕业论文 (设计 )起止时间： 一、 选题的目的及研究意义 随着电网规模的日益扩大，新的技术问题也随之出现，如：长距离弱联络线并列运行，形成输电瓶颈，降低了系统的稳定裕度，动态特性更加复杂多变。同时气候的突然变化等不同规模的自然灾害，使得系统运行动态特性更加不可预测。同时，电网互联后，受扰动的影响而波及的范围会更广、复杂度加大，更易引发大停电事故。在 实际生产生活中，诸多大停电事故是由于暂态失稳而引发的。而目前的暂态稳定紧急控制策
2、略多基于预想事故集而制定的，缺乏有效的在线稳定分析软件，在发生问题时不能有效实施干预，从而引发大停电事故。因此，加强研究大电网安全稳定性分析具有十分重要的意义。电力系统稳定性问题就是当系统在某一正常运行状态下受到某种干扰后，能否经过一定的时间后 回到原来的运行状态或者过渡到一个新的稳态运行状态的问题。如果能 ，则认为系统在该正常运行状态下是稳定的。反之，若系统不能回到原来 的运行状态或者不能建立一个新的稳态运行状态，则说明系统的状态变 型 没有一个稳态值，而是随时间不断增大或振荡，系统是不稳定的。电力系统的暂态稳定性分析的主要内容是确定各个故障场景的临界清除时间和失稳模式、不同故障清除时间下系
3、统的稳定裕度、发电机输出功率和线路输送功率的稳定极，以及系统的参数变化对它们的影响。其中，确定故障的临界清除时间和在固定的清除时间下系统的稳定裕度是暂态稳定分析中最基本和最重要的内容。暂态稳定分析的结果可以为系统的规划、设计、运行、分析、控制，以及故障恢复等提供了重要的依据，因此对于这类问题的研究受到了众多学者的重视，用改进欧拉法分析了单机无穷大系统， 得到了一些有价值的结果。 二、 与 本课题相关领域的研究现状、发展趋势 暂态稳定性分析的主要研究方法有时域法、暂态能量函数法、龙格 -库塔方法、扩展等面积(EEAC)法等原理及算法。 时域法是将电力系统各元件模型根据元件拓扑关系形成全系统模型，
4、这是一组联立的微分方程组和代数方程组，然后以稳态工况或潮流解为初值，求扰动下的数值解，即逐步求得系统状态量和代数量随时间的变化曲线，并根据发电机功角值大于某一特定阀值来判别系统能否在大扰动后维持暂态稳定运行。时域法具有广泛模型的适应性，时域仿真的优点是可以处理各种详细模 型，包括各种控制和保护动作的模型，在适当选择各种计算方法的条件下。计算时间不受时间跨度的限制。目前先进的仿真程序可以模拟大规模的电力系统及各种控制和保护系统，能统一处理短期稳定和中长期动态过程，以及频率和电压异常情况的动态过程，通过对其丰富的输出结果的分析可获得稳定裕度等有价值信息。但是由于需数值求解，阀值的选取是通过工程实际
5、经验得到的，理论依据不足；也不能给出稳定裕度。 暂态能量函数法的理论基础足李亚普洛夫稳定性定理，因此也称为拟李亚普洛夫直接法 (简称直接法 )。该方法是通过比较扰动结束时暂态能量函数值与 系统临界稳定时的暂态能量值来判别系统稳定性的。由于暂态能量函数法中不计算实际系统故障后的发电机转子摇摆曲线，所以临界能量 Vcr 都不是从临界轨迹获得的。由于临界能量 Vcr 的确定方法不同，形成了不同的直接暂态稳定分析方法，国内外研究的比较多的暂态能量函数法主要有相关不稳定平衡点法 (RUEP)、势能界面法 (PEBS)、基于稳定域边界的主导 UEP(BCU)法等。各种方法在计算 Vcr 时的近似都会带来误
6、差。 龙格 -库塔 (Runge-Kutta)法的基本思想是：利用 f(x， Y)在某些点处的值的线性组合构造公式，使其按泰 勒展开后与初值问题的解的泰勒展式比较，有尽可能多的项完全相同以确定其中的参数，从而保证算式有较高的精度。 等面积法则从理论上较为完美地解决了单机 无穷大系统的暂态稳定评 估问题。因此人们投入了大量的研究将其应用于多机系统中，其中以我国 薛禹胜院士提出的 EEAC 法最为著名。 EEAC法的基本思想是：在给定故障扰动下系统的机组分为临界机组和非临界机组两群，基于轨迹聚合和保稳变换，分别对这两群机组用等值机进行动态等效，进而又等值为单机 -无穷大系统，从而可利用等面积法则评
7、估系统的暂态稳定性。 EEAC 包括 SEEAC、 DEEAC和 IEEAC 三种形式。与直接法相比， EEAC 法可实现多摆稳定性判别，但是它评估的正确性依赖于同调群的正确识别 三、本课题将要解决的主要问题及解决问题的思路与方法 暂态稳定性是指电力系统在受到大干扰 ( 如短路故障 , 突然增加或减少发电机出力、大量负荷 ,突然断开线路等 )后 ,各同步发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力 , 通常指第一或第二振荡周期不失步，电力系统暂态功角稳定控制是电力系统稳定运行的第一道防线。本设计在熟悉 Matlab 语言及 Simulink 动态仿真方法的基础上，运用 MATL
8、AB 的电力系统仿真工具箱 SimPowerSystemsBlockset(PSB)建立典型的单机 无穷大系统为例 , 主要对电力系统稳定器、快速切除故障、单相自动重合闸等措施在提高电力系统暂态稳定性方面的作用进行仿真分析。为电力系统的运行与安全稳定分析提供重要的理论参考。 课题思路建立典型的单机 无穷大系统为例，通过仿真参数来证明电力系统暂态稳定方面的理论 四、检索与本课题有关参考文献资料 1李光琦 . 电力系统暂态分析（第三版） M.北京：中国电力出版社 ,2004 2夏道止 . 电力系统 分析 (第 2 版 )M. 北京：中国电力出版社 ,2007 3吴天明 . MATLAB 电力系统设
9、计与分析 M.国防工业出版社 ,2007 4刘笙 . 电气工程基础 M.北京：科学出版社 ,2002 5盛义发，洪镇南 .MATLAB 在电力系统仿真中的应用 J .计算机仿真， 2004,11:197-199 6李广凯，李庚银 .电力系统仿真软件综述 J.电气电子教学学报， 2005,03:61-65. 五、毕业设计进程安排 2 月 3 月 对于所做毕业设计的内容 进行资料搜集整理 ,撰写开题报告 。 3 月 4 月 设计合理可行的方案。 4 月 5 月 完成对系统的总体设计。 5 月 6 月 撰写论文 并 制作 PPT，准备答辩。 6 月 6 月 毕业答辩 指导教师审阅意见： 指导教师（签
10、字）： 年 月 日 备注： 文献综述 摘要 ： 随着电网规模扩大，电网动态特性更加复杂多变，发生由暂态失稳而引发的大停电事故更加频繁，因此加强对电 力系统暂态稳定分析的研究具有重要意义。本文对目前电力系统暂态稳定分析方法的现有研究文献进行了调研和综述 。 利用 MATLAB 电力系统工具箱为平台，通过 SimPowerSystem 建立电力系统运行中常见的单机 无穷大系统模型， 提高电力系统暂态稳定 。 关键词 ： 电力系统 暂态稳定 单机无穷大系统 MATLAB 引言 ：随着三峡电站的投产运行，全国联网、西电东送工程的实施，使得我国电网正朝着大电网、超高压、远距离、交直流并联输电方向快速发展
11、。电网规模的扩大带来巨大经济效益的同时，也出现了新的技术问题，如：长距离弱联络线并 列运行，形成输电瓶颈，降低了系统的稳定裕度，动态特性更加复杂多变。另外，电力市场竞争机制的引入，使得系统运行动态特性更加不可预测。同时，电网互联后，受扰动的影响而波及的范围会更广，更易引发大停电事故。研究表明，诸多大停电事故是由于暂态失稳而引发的。而目前的暂态稳定紧急控制策略多基于预想事故集而制定的。缺乏有效的在线稳定分析软件是错失紧急控制时机，从而引发大停电事故的重要原因之一。因此，加强研究大电网安全稳定性分析具有十分重要的意义 。 1. 电力系统暂态稳定及其意义 对于某一特定的稳定运行状态，以及对于某一特
12、定的扰动，如果在扰动后系统可以达到一个可以接受的稳定运行状态，则对此初始状态及此扰动 面 言，称之为暂态稳定。 电力系统是一个复杂的动态系统，一方面它必须时刻保证必要的电能质量及数量 ;另一方 面 它又处于不断的扰动之中，扰动发生的时间、地点、类型、严重性均有随机性，扰动发生后的系统动态过程中一旦发生稳定性问题，系统可能在几秒内发生严重后果，造成极大的经济损失和社会影响。 电力系统暂态分析的主要日的是检查系统在大的扰动下 (如故障、切机、切负荷、重合闸操作等情况 )，各发电机组 间能否保持同步运行，如果能同步运行，并 具有可 接受的频率和电压水平，则称此电力系统在这一大扰动下是暂态稳定的。在电
13、力系统规划、设计、运行等工作中都要进行大量的暂态分析。通过暂态分析还可以考察和研究各种稳定措施的效果以及稳定控制的性能，因此通过仿真来验证所求结果是否正确，即电力系统在某一状态时是否是稳定的其有重要意义。 电力线系统稳定的破坏，往往会导致系统的解列和崩溃，造成大面积停电，所以保证电力系统稳定是电力系统安全运行的必要条件。判定电力系统暂态稳定性主要是在大扰动下检查系统中各发电机组间能否保持同步运行水平，并具有可以接受的电压和频率水平。对这项工 作已深入多年，井在离线计算中有成熟的算法取得了良好的成果。然 面 ，随着电力市场化和区域联网的不断推进，电网运行状态越发复杂多变且接近其极限水平，同时，近
14、年来国内外时有发生由于系统暂态稳定性不足且对策迟缓引起的大停电事故，造成了经济上的巨大损失，这些都提示着我们提高对电网稳定性分析的重视。只有更快速更准确地对系统处于的稳定水平进行判断，找到稳定性遭到威胁的环节才能进 而 有效地采取措施改善系统运行状态。为此，进一步深入研究改进原有暂态稳定分析方法，开拓新的创造性的方法，解决其在实际 系统中的应用的难题，仍然是我们 面 对的重要课题。 2. 国内外研究现状及发展趋势 随着社会的进步和科技的发展，近年来世界各地也出现了一些大的电力系统，这些系统通常其有范围广、强非线性的特点。随着电力市场化和区域联网的不断推进，电网运行状态越发复杂多变且接近其极限水
15、平，在运行中，由于某种破坏性的原因，有时会引起电力系统崩溃 的问题，如发生在 2003 年 8 月 14 日的美加大停电， 2012 年 7 月 30 日的印度电网大停电。这都给我国的电网的运行带来了很多启示。 美国的电网是错综复杂的，以前曾经认为电网越复杂就越安全，可是美加大停电告诉我们事实 并非如此。实 际上，美国电网的每段输 电线比较短，这 就导 致了有很多节点 ； 另外，美国是个资本主义国家，电网在运行的时候考虑的更 多的是经济因素，所以在美国电网中存在有比较破旧的设备 。诸多因素 导致了美加 大停电，其实这也不是偶然现象了，在此之前美国已经出现过两次规模较大的停电了。 印度电网，印度
16、同中国一样都是大的发展中国家。印度的装机容量和电压水平发展的也很迅速，但和我国 还有较大的差距。印度发电量 世界排名第五，仅次 于 美国，中国，日本和俄罗斯，但印度的电力供应严重不足。 2012年 7 月印度两天 之内连续发生大面积停电事故，是有史以来影响 人口最多的电力系统事故，超过 6.7 亿人口受到了停电的影响。从事故前印度 北 方电网严重超载运行情况来看，线路跳 闸前，电网已 严重超过其稳定限额运行，从 面 异致大 面 积停电。 电力系统暂态稳定 matlab 仿真在国内外已经很成熟，但是，无论我们怎么考虑暂态稳定性都不为过。因为从全球来看，大 面 积停电并不罕见。所以电力系统的暂态稳
17、定依然是个重要的课题。 对 于 我国电网来一说，其覆盖 面 积大，结构薄弱，负荷密度极不均匀， 面 电源有往往远离负荷中心。由 于 长期以来输电线 路 总长度年增长率比总装机容量增长率小得 多，故进一步恶化了系统的安 全稳 定性。 电力系统的互联，可以带来显著地经济效益，但是长期以来，“分省平衡”的策略成为我国电力发展的重要弊端，严重地制约着我国电力资源的优化配置，全国联网的进程明显滞后。同时，电网的互联使得电力系统的规模变大，从 面 引起事故的可能性也越大。如果电网不够强壮，自动 安 全装置不够健全管理不得当，都有可能破坏系统的稳定， 导 致大 面 积停电，甚至全网崩溃。 以厂网分开为主要内
18、容的电力体制改革实施后，我国电网建设的步伐明显加快，并且根据我国电网的特点和发展趋势，制定了“ 西 电东送、南北互供、全国联网”的电网发展战略，大力推进跨区 输电、跨区联网，其目标就是为了促进电力资源在更大范围内的优化配置。 截至到 2006 年，以三峡 工 程为核心，以华中电网为依托，向东南 西 北四个方向辐射联网的输电线路已基本建成。以 北 、中、南三大西电东送通道为主体南北网间多点互联、纵向通道联系较为紧密的全国电网互联的格局已基本形成预 计 到 2010 年，西电东送的规模将达到 5500 万 KW； 2020 年将再增加到 1 亿 KW以上。 目 前我国发电机装机容量达 10.6 亿
19、千瓦，居世界第二 ； 年发电量达 4.8 亿千瓦时，居世界第一，即便如此，我国的发电量还是不足的。近日，浙江三门核电站的建造 也取得了重大进展。由 于 我国电网的网架相对薄弱、负荷与发电中心地理位置较远联络线负载较重，局部故障的发生可能引发整个系统的安全稳定问题。因此，如何保 证这样一个超大规模电力系统的安全、稳定和经济运行，成为摆在我们面 前的一个巨大的难题。若能够实现对全国电力系统运行状态的实时 甚 至是超实时仿真，就能为在线预决策和电力系统稳定控制打 下坚 实的基础，对电力系统的安全、稳定运行无疑是一个巨大的保证，其有深远的现实意义。由 于 机电暂态仿真的计算量 非 常大，依据现有的条件
20、，要对全国联网电力系统的机电暂态过程进行实时仿真 目 前还无法实现 。 面 随着 并 行处理技术的不断发展，尤其是可扩展 、高 性价比的PC 集群系统的出现，使这个日标实现的可能性越来越大。 3. 电力系统暂态稳定研究的内容和方法 3.1 电力系统暂态稳定研究的内容 1.电力系统暂态 (电磁和机电暂态 )分析，电力系统暂态稳定性及提高措施的研究 2.掌握 MATLAH 的仿真 工 具 simulink 及 power system 工 具箱 3.运用 MATLAB 电力系统仿真程序 psb 构建模型 4.利用搭建的模型对电力系统暂态及提高稳定性的措施进行仿真研究 3.2 研究方法 研究暂态稳定
21、的方法有许多种，下面 简单介 绍其中几种。 (1)时域 仿真判定法 时域法是将电力系统各元 件模型根据 元 件拓扑关系形成全系统模型，这是一组联立的微分方程织和代数方程组，然后以稳态 情 况或潮流解为初值，求扰动 下 的数值解，即逐步求得系统状态量和代数量随时间的变化曲线，并根据发电机功角值大 于 某一特定阀值来判别系统能否在大扰动后维持暂态稳定运行。 (2)能量函数判定法 暂态能量函数法的理论基础是李亚普洛夫稳定性定理，因此也称为拟李亚普洛夫直接法(简称直接法 )。该方法是通过比较扰动结束时暂态能量函数值与系统临界稳定时的暂态能量值来判别系统稳定性的。 （ 3） 扩展等 面 积 (EEAC)
22、判定法 等 面 积法则从理论上较为完美地解决了单机无穷大系统的暂态稳定评估问题 ， 因此人们投入了大量的研究将其应用 于 多机系统中，其中以我国薛禹胜院 士 提出的扩展等 面 积法最为著名。扩展等 面 积法的基本思想是 :在给定故障扰动 下 系统的机组分为临界机组和 非 临界机组两群，基 于 轨迹聚合和保稳变换，分别对这两群机组用等值机进行动态等效，进 而 又等值为单机无穷大系统，从 而 可利用等 面 积法则评估系统的暂态稳定性。 (4)人 工 智能判定法 人 工 智能方法可进行 非 模型的电力系统暂态稳定判别，具有在线计算速度快、容易生成决 策用的启发规则等优点，因此与传统暂态稳定分析方法构
23、成了良好的互补。 目 前，人 工 智能方法主要有 :模式识别、模糊理论、神经网络、支持向量机法。 3.3 提高电力系统暂态稳定的方法 由 于 大扰动后，发电机机械功率和电磁功率的差 额，即加速功率是导 致系统暂态稳定破坏的主要原因。因此，提高暂态稳定，应从减小发电机转轴上的不平衡功率、减小转子相对加速以及减少转子相对动能变化量等方面着手。根据这种原则，提 高 电力系统暂态稳定的措施主要有 : 1) 自动重合闻装置 :重合闸成功就可以增加减速 面 积，从 面 提高暂态稳定。 2)快速切除故障 : 减轻电 气设备因短路电流产生的热效应等不良影响， 而 且加快切除故障可以减小切除角，这样既减小了加速
24、 面 积，有增大了减速面积，对 于 提高暂态稳定起着决定作用。应该指出的是，切除故障时间是继电保护装置动作时间和开关接到跳闸脉冲到触头分开后电弧熄灭为止的时间总和。 3)变压器中性点经小阻抗接地 : 电压器中性点经小电阻接地只对接地短路起作用。原因是短 路时 零序电流通过接地电阻时消耗有功功率，其中的一部分由发电机来负担，因 面 使发电机输出的电磁功率增加，从 而减小了加速功率，提高暂态稳定。 4)发电机采用电气制动 : 在系统发生短路故障后 ，有控制地在发电机端投入电阻负荷，则可以增加发电机的电磁功率，产生制动作用从 而 提 高 暂态稳定。 MATLAB 单机无穷大仿真模型可能用到的模块 :
25、 PSB 电力系统 工具 箱 : 1) Electrical Sources 中的 Three-Phase Source(三相电源 )模块 2 ) Elements 中的 Three-Phase Parallel RLC Load(三相负载 RLC 并联 )模块用来仿真输 电线路，和 Ground(交流接地 )模块， Three-Phase Fault(三相故障整流器 )模块用来仿真短路故障， Three-Phase Transformer (Two Windings)三相变压器绕组模块用来仿真变压器 。 3 ) Machines 里 Synchronous Machine pu Standa
26、d(标 幺标 准同步电机 )模块用来仿真同步发电机 (2)设置仿真参数 (3)进行动态仿真 增加提高暂态稳定的模型，分别进行快速切除故障，变压器中性点经小电阻接地，改变强励倍数，记录结果。 (4)结果分析 仿真之后，分析所得的图形。从电压图、转速图和功角图着手分析是否能够提 高 暂态稳定。 总结 ： 随着现代电力系统的飞速发展，复杂的电力 控制系统在技术和安全对电网的要求越来越高，其可能遇到的多种情况正在考验着电力运行的可持续性和稳定性，期间自动化技术的进步正在弥补这这种巨大落差，更好地对电网系统各种故障的检测和分析成为了当前热门的研究课题，更具有非常实用的现实意义 。 利用 MATLAB 强
27、大的计算功能和编程技术，提高仿真计算的灵活性和效率，为仿真电力系统，分析电力系统提供了一种新的手段。 参考文献 1张晓春，郭 小进，邹 登 海，等 .基于 MATLAB 语言的电力系统暂态稳定仿真 J.湖北电力，2000,03:9-10-14. 2李玉梅，马伟明，张波涛 .PSB 基 于 SIMULINK 的一种新型电力系统仿真 工 具 J.电工 技术杂志 ,2001,08:5-7. 3谢小荣，唐义良 ，崔 文进 .MATLAB 在电力系统仿真中的应用 J.电 力 技术 ,2000,09:4-5. 4都伟杰，张俊芳，刘鹏，等 .基于 MATLAB 的电力系统暂态稳定性仿真研究 J.电网 与 清
28、洁能源 ,2009,0l :17-20. 5时宇琳，王 宝华 基于 Matlab 的电力系统暂态稳定仿真实验与分析 J.实验室研究与探索 ,2010,04:40-43. 6华梁，史志平 .基 于 MATLAB 的电力系统暂态稳定性仿真 J.硅谷， 2010,11:63+55. 7糜作维，周遥，王林 电力系统仿真 工 具综述 J.电气开关， 2010,04:8-10+14. 8王 荔芳，周晓华，沈 明 秀 .基于 MATLAB/SPS 的电力系统短路故障仿真与分析 J.昆明学院学 报 ,2012,06:84-87 9李广凯，李庚银 .电力系统仿真软件综述 J.电气电子教学学报， 2005,03:
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