基于PSASP的煤矿电网潮流和短路计算.docx

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基于PSASP的煤矿电网潮流和短路计算

中国矿业大学

本科生毕业设计

姓名：

学号：

学院：

应用技术学院

专业：

电气工程及其自动化　

设计题目：

基于PSASP的煤矿电网潮流和短路计算

专题：

指导教师：

董新伟职称：

讲师

2010年6月徐州

中国矿业大学毕业设计任务书

学院应用技术学院专业年级电气06学生姓名

任务下达日期：

2010年3月8日

毕业设计日期：

2010年3月10日至2010年6月10日

毕业设计题目：

基于PSASP的煤矿电网潮流和短路计算

毕业设计专题题目：

毕业设计主要内容和要求：

（1）系统学习电网分析方面的相关理论，掌握煤矿电网安全分析与评估方法；

（2）熟悉电力系统仿真软件PSASP的使用；

（3）通过PSASP程序对煤矿电网建立仿真模型，掌握潮流和短路计算的步骤；

（4）对某矿电网从供电安全可靠性和供电经济性两个方面进行分析。

院长签字：

指导教师签字：

中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书

指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成绩：

指导教师签字：

年月日

中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成绩：

评阅教师签字：

年月日

中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成绩：

评阅教师签字：

年月日

中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩

答辩情况

提出问题

回答问题

正确

基本

正确

有一般性错误

有原则性错误

没有

回答

答辩委员会评语及建议成绩：

答辩委员会主任签字：

年月日

学院领导小组综合评定成绩：

学院领导小组负责人：

年月日

摘要

随着国民经济的快速发展，对于能源的需求也日益增加。

而煤炭在我国的能源使用构成比例中又占有非常大的比重，这就造成了煤矿企业生产任务重，安全形势紧的局面。

煤矿生产环境的特殊性，决定了煤矿的安全生产离不开煤矿电网的安全运行。

近年来，随着煤矿生产规模的不断扩大，煤矿电网不断扩建改造，使电网在实际运行中存在着不少的安全问题。

为了实现“安全第一，预防为主”的安全生产方针，必须对煤矿电网的运行现状进行安全分析与评价。

把对煤矿电网的安全管理，从事后补救型转化为事前预防和过程控制型。

本文以崔家寨矿的电网为研究对象，利用PSASP仿真软件对煤矿电网建立仿真模型，进行潮流计算、短路计算。

按照煤矿安全分析与评价体系中的整体分析与评价从供电安全可靠性、供电经济性两方面对目标煤矿电网进行了安全分析与评价。

通过实例表明，该分析与评价能够发现煤矿电网中存在的安全问题，对保证煤矿电网的安全可靠经济运行有重要的意义。

关键词：

煤矿电网；安全分析与评价；PSASP；潮流计算；短路计算

ABSTRACT

Alongwiththerapiddevelopmentofnationaleconomy,thedemandforenergywasalsoincreasing.AndcoalinChina'senergyuseformoccupiedaverylargeproportion,whichcausedthecoalenterpriseproductiontask,tightenedsecuritysituation.Theparticularityofthecoalproductionenvironmentdeterminesthatthesafetyproductionincoalcan’tbeseparatedfromthesafetyoperationofpowergrid.Inrecentyears,withtheexpansionofthecoalproductionandthereformofcoalpower,therearemanysafetyproblemsinthenormaloperationofpower

Inordertorealizetheprincipleofsafetyandpreventionfirstinproductionsafety,itismusttobesafetyanalysisedandassessedwiththeoperationstatusofcoalminepowergrid.Thecoalminepowergridsafetymanagementshouldbetranslatedafterwardsremediationstyleintoinadvancepreventingstyleandprocesscontrolstyle.Inthispaperbasedonthecoalminepowergridofcuijiazhaiastheresearchobject,utilisingPSASPtoestablishmentcoalminegridsimulationmodeltocarryoutthepowerflowcalculationandshortcircuitcalculation.Accordingtothecoalminesafetyanalysisandassessmentsystemoftheoverallanalysisandassessmentwecouldanalysisandassesstheoperationstatusofcoalminepowergrid.Inthecasestudyitshowsthatthroughtheanalysisandassessmentthesafetyproblemincoalminepowergridcanbefound,whichmakesithelpfultoensurethesafeandreliableoperationofthepowergrid

Keywords:

Coalminepowergrid;Safetyanalysisandassessment;PSASP;Powerflowcalculation;Shortcircuitcalculation

目录

1绪论1

1.1选题的背景和意义1

1.2煤矿电网安全分析与评价综述1

1.2.1煤矿电网安全评价的发展现状1

1.2.2煤矿电网安全分析与评价的意义2

1.2.3煤矿电网安全分析与评价体系3

1.3本文所做的工作5

2电力系统计算及煤矿电网建模6

2.1潮流计算概述6

2.2短路计算简述7

2.2.1短路的原因、种类及危害7

2.2.2短路计算的用途9

2.3煤矿电网建模9

2.3.1煤矿电网基础参数收集9

2.3.2煤矿电网建模及验证过程10

3崔家寨矿电网建模及仿真10

3.1崔家寨矿电网的系统建模10

3.1.1崔家寨矿电网电源10

3.1.2崔家寨矿电网网架结构10

3.1.3崔家寨矿电网负荷情况11

3.1.4崔家寨矿电网模型12

3.2崔家寨矿电网仿真结果14

3.2.1正常运行方式下崔家寨矿电网仿真结果14

3.2.2备用运行方式1下崔家寨矿电网仿真结果18

3.2.3备用运行方式2下崔家寨矿电网仿真结果23

4崔家寨矿电网整体分析与评价27

4.1崔家寨矿供电安全可靠性分析27

4.1.1正常运行方式下供电安全可靠性分析27

4.1.2备用方式1下供电安全可靠性分析28

4.1.3备用方式2下供电安全可靠性分析29

4.1.4崔家寨矿供电安全可靠性分析总结30

4.2崔家寨矿供电经济性分析30

4.2.1正常运行方式下供电经济性分析31

4.2.2备用方式1下供电经济性分析32

4.2.3备用方式2下供电经济性分析32

4.2.4崔家寨矿供电经济性分析总结33

5结语34

参考文献35

翻译部分36

英文原文36

中文译文45

致谢51

1绪论

1.1选题的背景和意义

随着我国经济的快速发展，对于能源的需求也日益增加。

而煤炭在我国的能源使用构成比例中又占有非常大的比重，这就造成了煤矿企业生产任务重，安全形势紧的局面。

煤矿的安全生产离不开煤矿电网的安全运行。

煤矿电网由地面变电所、井下中央变电所、采区变电所、移动变电站、采区配电点以及彼此之间的电缆线路等组成。

煤矿是特殊生产单位，因为矿井突然停电，可能造成人身伤亡或重要设备损坏，造成重大经济损失。

煤矿电网用电等级一般分为高压（35-110kv）、中压（6-10kv）、低压（220-380v），《煤矿安全规程》第四百十一条规定：

“矿井应有两回电源线路。

当任一回路发生故障停止供电时，另一回路应能担负矿井全部负荷。

年产60000t以下的矿井采用单回路供电时，必须有备用电源，备用电源的容量必须满足通风、排水、提升等的要求。

矿井的两回电源线路上都不得分接任何负荷。

正常情况下，矿井电源采用分列运行方式，一回路运行时另一回路必须带电备用，以保证供电的连续性。

10KV及以下的矿井架空电源线路不得共杆架设。

矿井电源线路上严禁装设负荷定量器。

”所以煤矿对于供电的安全性、可靠性、供电质量、供电系统运行的经济性等要求都很高。

由于煤矿电网结构较复杂，对煤矿电网的监测、监控和治理是实现煤矿电网安全运转的重要方面。

要合理调度系统的运行必须依靠电力系统分析软件，依据计算结果确定功率如何平衡、如何调控负荷、如何确保安全供电、怎样供电最经济,以怎样一种方式运行最为安全、预想事故对策等等。

本设计主要阐述了煤矿电网安全评价与分析体系的构成，并结合实际以开滦集团蔚州矿业有限责任公司崔家寨矿的电网为研究对象，在基于电力系统分析综合程序（PSASP）的基础上，对目标煤矿进行建模仿真，利用潮流和短路计算结果对煤矿电网进行安全分析与评价。

对煤矿电网的运行状态提出改进意见，以确保煤矿电网的安全经济运行。

1.2煤矿电网安全分析与评价综述

安全评价（（SafetyEvaluation）亦称危险度评价或风险评价（RiskAssessment）,）是以实现系统安全为目的，应用安全系统工程原理与方法，对系统中存在的危险因素、有害因素进行辨识与分析，判断系统发生事故和职业危害的可能性及严重程度，从而为制定防范措施和管理决策提供科学依据。

1.2.1煤矿电网安全评价的发展现状

电网安全评价是运用系统工程方法对电力系统进行安全性度量和预测。

它通过对系统存在的危险性进行定量和定性分析，确认电力系统发生危险的可能性及其严重程度，进而提出必要的有针对性的整改措施，以寻求最低的事故率、最小的事故损失和最优的安全投资效益。

目前我国已经建立输电网、供电企业和调度系统三者相统一的安全性评价体系。

供电企业的安全性评价侧重供电公司的城市电网、供电设备和综合管理等方面的安全性，是对一个供电企业安全性的评价。

输电网安全性评价侧重输电网的安全性，是对一个电网安全性的评价。

电网调度系统的安全性评价侧重的是电网运行管理各专业的安全性，是对电网运行管理系统安全性的评价。

三者虽都属于电网方面的安全性评价，但是侧重点不同，三者之间互相补充，互相促进。

煤矿电网由于处于企业级电网的地位一直没有受到足够的重视，有些煤矿企业过分注重产量而对于煤矿电网安全评估方面的工作重视程度也不够，这与国家大力强调安全生产的大方针是不相符的。

煤矿企业生产任务重，企业一级负荷多，对于供电的安全性可靠性要求高，且部分煤矿企业建成时间较早，企业电网规划设计不到位，随着生产的发展、负荷的增加，供电线路的延长，造成煤矿电网的功率损耗增加，供电可靠性、供电能力、供电经济性及电网安全性能都存在一定的下降。

一旦煤矿电网发生故障，会对煤矿企业的安全运行造成严重的危害，不仅是设备的损坏，亦有可能对矿井工作人员造成严重的人身伤害。

近年来，随着国家和企业对于煤矿安全的重视，对于煤矿电网的安全分析与评价工作也得以发展，主要是使用电力系统仿真软件对煤矿电网进行建模仿真，并依据仿真结果对煤矿电网进行稳态分析、故障分析、暂态分析等。

1.2.2煤矿电网安全分析与评价的意义

目前，国内煤矿产能提高幅度很大，为保证安全高效生产，对矿井供电质量、可靠性的要求相应提高。

随着煤矿电网的迅速发展，电网结构不尽合理，抵御故障能力很弱，给电网安全稳定运行带来很多威胁，加重了供电运行管理人员的工作。

例如，系统不断扩容，造成电网结构复杂、继电保护整定困难、故障处理困难、事故原因分析困难等，另外，一些煤矿供电系统的高低压越级跳闸事故、接地故障无选择性跳闸事故、短路故障造成正常线路跳闸事故时有发生。

为适应电网的快速发展，安全管理必须从传统管理向现代化管理转变，安全工作的侧重点也应从事后处理向过程控制转变，真正做到预防为主，查清安全生产薄弱环节和危险因素，做到未雨绸缪，心中有数，及时采取应对措施。

许多煤矿供电系统存在安全隐患，为进一步提高煤矿的供电质量、供电可靠性，有必要针对煤矿高压电网特点，通过测试、分析等手段对煤矿高压供电系统的现状进行分析研究。

通过对煤矿供电系统进行仿真建模，可实现从系统整体角度对煤矿供电系统供电质量及可靠性进行分析与安全评价，对接地系统现状、无功补偿现状、继电保护设置及整定、电能质量水平等几个方面进行专题分析与评价。

在分析的基础上找出系统存在的问题，为进一步改造或扩容提供建议与方案。

同时利用分析结果确定紧急预案，为进一步提高供电系统可靠性，确保煤矿安全生产。

本文对煤矿电网的安全评价包括电气安全可靠性和经济性两个方面。

电网的电气安全可靠性评价，是从电气安全角度来评价系统中各部分布置是否合理，各部分所采取的电气安全防范措施是否合理，能否协调工作，整个系统是否存在电气安全的死区等。

也即对工业企业现实系统中的电气危险因素进行辨识，从而提出电气安全措施和整改建议。

经济性评价则注重于如何在保障煤矿正常运行的情况下，使用电成本达到最优的状态，从而为企业节约用电费用支出，获得最大的经济效益。

1.2.3煤矿电网安全分析与评价体系

随着煤矿企业生产的发展，电网系统的扩容，大量电动机负荷和大型综采设备的投入,造成煤矿电网供电质量下降,即功率因数降低、电压波动增大，电网谐波增加。

为了保证煤矿电网的安全运行必须对煤矿电网进行安全分析与评价，根据上述煤矿电网运行中存在的问题，按照分析角度的不同可以分为整体分析与评价和专题分析与评价。

1、煤矿电网安全整体分析与评价

煤矿电网整体分析与评价是依据潮流和短路计算结果以分别从供电安全可靠性、供电能力、供电经济性的三方面对煤矿电网进行分析与评价。

（1）供电安全可靠性评估

供电可靠性就是供电的连续性和不间断性。

煤矿生产是以电为主要动力的企业,几乎所有煤矿生产装备都是直接或间接以电力为动力，一旦电力中断，生产将被迫停止，同时还会威胁到设备和人身安全，因此，提高煤矿供电用电的可靠性，对于煤矿的安全生产，提高生产效率和经济效益具有重要意义。

井下供电的可靠性已经成为制约安全生产的主要因素之一。

因此，研究、改造供电方式、配电装备，健全管理制度，对预防电气事故，减小停电范围，提高井下供电的可靠性，具有十分重要的意义。

在出现电气故障后，要尽量减小停电范围，尤其要保证保安负荷的正常运转。

而电网的结构直接关系到供电的稳定性和可靠性，必须预先分析结构的变化对电网潮流分布、网络稳定性、供电可靠性造成影响，对可能出现的问题有充分预计。

另外在现有网络系统各种运行方式下，进行系统的稳定性、可靠性分析，这对指导电网安全运行具有重要意义。

利用建立的电网仿真模型，采用电力系统专用仿真计算软件，可以对煤矿供电系统进行潮流计算，依据潮流计算结果对电网各母线节点的电压偏差进行分析，并提出相应的优化方案以保证电网的安全运行。

对于设备安全可靠性，主要是对煤矿电网发生的三相短路进行短路电流分析计算，依据短路计算的结果对电网各种高压设备主要是母线和断路器进行安全校验，以校核电网母线及开关设备是否满足规程要求。

（2）供电能力评估

在各种运行方式下供电能力是否能满足安全生产的要求及必要的裕量是供电人员必须了解的内容，评估供电能力涉及到电网的基本情况、运行指标，考虑不同负荷运行水平、不同运行方式下的需要，在本项评估中主要包括：

①供电能力是否满足现有负荷的需要；

②供电能力是否适应负荷增长的程度；

③正常运行时各节点的电压水平及线路的电压损失；

④系统的网络损耗；

⑤线路和变压器的过负荷情况。

目前，全国不少煤矿或是新建或是不断经过改造，都拥有自备电厂。

这样，煤矿高压供电系统的电源就不再仅仅是上级电网系统单独供电。

煤矿自备电厂发电机会定期轮换检修，煤矿供电系统的电源也就经常变化，也就是运行方式经常变化。

我们依据电源的不同组合情况，去除现场不可能出现或应用的组合，确定煤矿电网的各种运行方式。

无论是单个煤矿电网，还是一个煤矿集团电网，电网的主架结构都可以抽象成电源、变压器、线路、负荷这样的简单系统。

对目标煤矿电网，综合比较电源情况、电网网架结构和负荷水平三个方面，通过简单计算，从电源功率分担、变压器负载率角度对其进行供电能力评价。

具体措施及方法是在各种运行方式下，对煤矿电网正常负荷水平下的高压供电网络的潮流、短路状况进行分析，确定各电气设备的负载率、网络电压降分布、供电能力冗余度以及网损情况。

为了解现状电网适应未来负荷发展的潜力，还可以通过人为设置负荷水平（如设置1.4倍、1.7倍等的负荷水平）进行计算，并把计算结果自动转换为表格和图表，总结出存在的问题，提出相应的整改建议。

（3）供电经济性评估

作为企业，在保证供电安全的前提下也要考虑供电的经济性。

煤炭工业目前是我国最主要的能源行业，同时又是耗能大户。

电力网络在供用电过程中，其自身的损耗也相当大。

据有关资料统计估算，从发电、供电、用电全过程,电力系统中各种电气设备总的电能损耗约占发电量的28%～33%。

煤矿的特殊环境，对其电网运行的安全性、稳定性有着更高的要求，同时由于井下用电设备的功率因数普遍偏低，负荷变化较大，电能损耗比上述数字还要大，因此挖掘节电潜力，实施矿井电网经济运行，降低损耗,提高供电的经济效益是矿井供电的重要任务之一。

电网经济运行是一项实用性很强的节能技术。

在符合《煤矿安全规程》及保证安全生产的前提下，选择煤矿电网所有可能出现的运行方式、基于建立的电网仿真模型，采用电力系统专用仿真计算软件，对煤矿供电系统的网损、无功进行计算。

对系统内部现有无功源进行无功优化仿真计算分析，合理选取无功优化的控制策略，在保证功率因数满足要求的前提下使无功功率分配达到最优，降低网损，同时针对一些网损大的元件给出降损措施及建议。

通过各种运行方式下的网损和无功分析比较，选出最优经济运行方式。

2、煤矿电网安全专题分析与评价

在对煤矿电网进行整体分析与评价的基础上，根据目标煤矿具体存在的的问题，进行相应的专题分析与评价。

（1）煤矿电网谐波含量测试与分析

对煤矿来说，主要的谐波源有各种整流设备、晶闸管变流设备、电弧炉、感应炉和一些用于节能的电子控制装置。

此外，变压器、电磁铁等铁磁性设备，如果磁饱和严重，也会产生3次和5次谐波电流，相当于一个谐波源。

谐波会给电力系统各种用电设备带来有害影响，使电网的电压和电流波形发生畸变，导致电能指标变坏，轻则增加能耗，缩短设备寿命，重则造成严重的用电事故，直接威胁到工矿企业的安全生产。

谐波还会对通讯造成不良影响。

谐波对系统和设备安全运行的主要影响有：

产生附加损耗，引起电机振动；影响继电保护自动装置和控制设备的正常运行；造成无功补偿电容器过载甚至损坏；加速电缆线路的老化；增大计量仪表的误差。

煤矿电网高压电压等级主要是6kV、35kV、110kV，1993年国家技术监督局发布的关于《电能质量公用电网谐波》的国家标准（GB/14549-93），对不同的电压等级均有谐波电压、谐波电流限额规定。

煤矿电网的谐波含量经过测试后，与GB/14549-93的规定相对照，超过标准的需要采取措施进行治理。

（2）煤矿电网保护设置分析与评价

煤矿电网保护设置分析是对煤矿电网现有保护的设置、整定进行系统的分析，评价煤矿电网现有保护设置是否合理、齐全，整定值的设定是否合理。

针对目标煤矿电网保护方面曾出现的故障进行调查、分析，查明故障原因，提出能够彻底治理的整改方案。

（3）煤矿电网无功优化分析

无功功率用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。

没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器不会吸合。

但是无功功率对供、用电也会产生一定的不良影响，提高用户的功率因数，对电网有如下三个方面的好处：

①视在功率相应减小，使电力网中所有元件（发电机、变压器、输配电线路、电气设备）的容量减小，从而降低了电网的投资。

②总的电流相应减小，使设备与线路中的有功损耗随之减小。

按照概略估算，一个车间的功率因数从0.7提高到0.8，则它的电能损失可以降低到原来的76%；如果提高到0.9，则它的电能损失可以降低到原来的60%。

③线路及变压器的电压降减小，增加输送能力并能提高供电质量。

特别近年来用户电价按功率因数实行奖罚，所以一个工矿企业如果功率因数过低，不仅浪费了电能，而且还要交出相应的功率因数调节电费，这样就提高了企业生产成本，直接影响到该企业的经济效益。

总之，进行无功功率优化，对煤矿电网具有巨大的经济价值。

煤矿电网无功优化分析步骤可概括为：

收集煤矿电网参数，建立其无功分析模型并进行最优潮流计算；分析计算结果，结合该矿电网运行情况，总结出存在的无功优化方面的问题；对照存在的问题，提出可行的优化方案，并通过技术经济比较，确定出最佳无功优化方案。

1.3本文所做的工作

首先是收集煤矿电网安全分析的有关资料，总结煤矿电网目前存在的安全问题，结合这些问题，按照煤矿电网安全分析与评价的流程体系，并通过查阅手册熟悉《电力系统分析综合程序》（PowerSystemAnalysisSoftwarePackage，PSASP）的使用，结合老师所给的煤矿企业参数，使用PSASP仿真软件建立煤矿电网模型，进行潮流计算、短路计算，利用计算结果从供电安全可靠性、供电经济性两个方面对电网进行安全分析与评价，根据分析结果指出煤矿电网存在的安全问题，并提出相应的解