《电力系统分析》课程设计指导书

《电力系统分析》课程设计指导书

课程设计的目的

电力系统分析课程设计是学完《电力系统分析》课程后的一次综合性练习。教学目的在于通过对地区电网的设计，巩固和运用前面所学到的基础理论知识，掌握电力系统设计的一般原则和方法，培养分析问题和解决问题的能力。电力系统分析课程设计要求完成一个比较完整的电力网的初步设计。在设计过程中，要考虑到各方面的相互关系和相互影响，综合地运用课程中所学到的知识，进行思考。

课程设计的基本要求

·熟悉电力网初步设计的有关技术规程，树立安全、可靠和经济的观点。

·掌握电力网初步设计的基本方法和内容

·熟悉电力网正常运行的基本计算。

·学习工程设计说明书的撰写。

课程设计内容

·课程设计题目：

地区电力网设计

·课程设计的原始资料：（附录A）

1、发电厂及变电所的地理位置图；

2、各变电所及发电厂负荷的最大有功功率、年最大有功功率、年最大负荷利用小时数、功率因数、变压器二次侧电压和调压要求及供电可靠性要求。

3、各发电厂的装机台数、单机容量、型号及功率因数等。

4、地区最热月平均空气温度等。

·课程设计的基本内容：

1、功率平衡计算

功率平衡计算，包括有功功率平衡和无功功率平衡两部分；

（1）有功功率平衡

为了维持频率的稳定，满足用户对功率的要求，电力系统装设的发电机额定容量必须大于当前的最大负荷。因此必须进行最大负荷时有功功率平衡计算，以校验系统备用容量是否符合要求。

有功功率负荷按下式计算：

·用电负荷    

·供电负荷    

·发电负荷    

式中—个变电所最大负荷之和；

—同时率

       —网损率

—厂用电率

—发电厂的机压负荷

同时率的大小与电力用户的多少、各用户的用电特点等有关，一般应根据实际统计资料确定。当无实际统计资料时，可参考附表B—1的同时率。

网损率以供电负荷的百分数表示，一般为。

厂用电率以厂用电负荷占发电负荷的百分数表示，通常发电厂厂用电率如附表B—2所示。

为保证系统的频率稳定和供电可靠性，系统内的总装机容量应大于发电负荷，即系统中应有足够的备用容量。按规定，系统的总备用不得低于系统最发电负荷的20%，即系统的总装机容量，应大于或等于发电负荷的1.2倍，即

（2）无功功率平衡

电力系统的无功功率平衡，是系统电压质量得根本保证。对系统作无功功率平衡计算的主要目的，在于初步估计系统中发电机的容量是否那人能够满足系统最大负荷时的要求，是否需要加装无功补偿设备。

根据《电力系统电压和无功电力技术导则》规定：220KV及其以下电压等级的变电所，在主变压器最大时，其二次侧的功率因数或电网供给的无功功率与有功功率之比值应满足附表B—3规定：

对于不满足规定的变电所，需作无功补偿，使其全部满足规定值。

无功功率平衡按下公式计算：

·无功负荷           

·变压器无功损耗     

式中，为电压变换次数。

·系统中无功电源     

式中，为发电机的台数，为主网和邻网输入的无功功率。

·系统无功备用容量    

整个系统的无功功率应满足

若上式不满足，则可初步确定出需加装的的容性补偿设备总容量为：

说明：

＃各发电机的无功出力，按额定功率因数进行计算。

＃变压器的无功损耗，按每经过一次电压变换，无功损耗为视在功率负荷的12％计算。

＃在作无功功率初步平衡计算时，可以假设110KV~220KV输电线路所消耗的无功功率和线路发出的无功功率相互抵消。

无功功率平衡基本达到要求后，并不能认为系统运行中电压质量已经满足要求，而只能认为，保证系统电压质量具有可能，真正确认系统电压达到要求，则必须通过潮流计算及采用相应的调压措施。

2、电力网供电方案的确定

（1）电压等级的选择

电压等级的选择是一个涉及面很广的综合性问题，除了考虑输电容量、距离等各种因素外，还应根据动力资源的分布、电源及工业布局等远景发展情况，通过全面的技术比较后，才能确定。并且，由于电网的电压等级和接线方案有着密切的关系，因此，一般地区电网设计中，接线方案和电压等级确定同时进行。在课程设计中，由于条件，不可能同时；论证电压等级和进行方案。因此，一般根据题目所给数据，参考附表B—4，并根据同一地区，同一电力系统内应尽可能简化电压等级的原则，合理的确定电压等级。

（2）电力网接线方案的初步选择

对所给的原始资料进行定性分析，根据用户对供电可靠性的要求、地理位置及负荷的大小，提出各种可能的接线方案。接线方案应考虑以下因素：

1）确定电源处断开一回线的情况下，仍能将所有功率送出去的最少出线数。

2）根据负荷备用的要求及负荷大小，确定对各变电所的供电方案。

3）考虑运行灵活方便，不宜有太多的环网。对各种可能的接线方案，进行初步比较，将明显不合理的的方案舍去，保留2～3个方案。初步比较的可按以下原则考虑：

·技术方面：

所提方案应保证用户的电能质量。因为前面在进行有功功率平衡时，已经确认系统具有足够的备用，所以不必考虑电能的频率问题。这里提到的电能质量是指电压偏移。在选择接线方案时，电能质量可用电力网的电压损耗来衡量。

由于在方案初步比较时，电网功率分布以及导线截面积均未知，可以近似取作为线路电抗，并利用下式来估计电网在正常运行和故障后离电源点距离最远变电所的电压损耗百分数：

式中，—电网的额定电压（KV）

    —线路上所通过的无功功率，(Mvar)

    —各段线路的长度（km），这里要注意把直线距离乘以1.1，以考虑线路线路经弯曲而增加的长度。

按上式简化计算，若在正常运行时，电压损耗在10％以内，故障情况下，电压损耗在15％以内，则认为该方案在技术上是成立的。反之，该方案在技术上不成立，应舍去。

对于简单环形网络，将全网作为均一网络，计算其近似功率分布，进而求得距电源点电气距离最远处的电压损耗的百分数。

·经济方面：

在初步比较时，经济指标包括线路长度和所需的高压开关数目。线路长度可以大致反映输电线路投资的大小，高压开关数目大体上代表变电所投资的多少。由于认为各方案中，变电所中变压器的型号和数量是相同的，因而变压器可不参加比较。

根据以上的比较，可以从原始方案中初步确定出2～3个方案，然后，再作详细的技术经济比较。

（3）详细经济技术比较，确定电网接线的最优方案。

上面（2）步中确定的2～3个方案，均是技术上以成立的方案，在最优方案的确定中，只作进一步的经济比较。

经济比较的主要指标是电力网的一次投资和年运行费用。在比较中只考虑各方案的不同部分，不考虑各方案的相同部分。

1）导线截面积的选择

为了计算投资积年运行费用，必须首先选择输电线路的导线截面。

在选择导线截面积之前，首先进行各种方案的的初步潮流计算。取，，，计算出各条线路的最大输送功率。

按经济电流密度以及该线路正常运行方式下的最大持续输送功率，可求得导线的经济截面积，其实用计算公式为

    或     

式中，—正常运行方式下线路最大持续有功功率（KW）

—正常运行方式下线路最大持续无功功率（KW）

—线路额定电压（KV）

—经济电流密度（），其值可根据线路的及导线材料，由附表B—5查得。

—负荷的功率因数

根据计算所得的导线的经济截面积结果，选取最接近的标称截面的导线。

注意：

线路的最大负荷利用小时数应由所通过的各负荷点的功率及其决定。

＃对于放射形网络，每条线路只向一个负荷点供电，则线路的最大负荷利用小时数就是负荷所提供的最大负荷利用小时数；

＃对于链形网络，各线路的最大负荷利用小时数等于所提供负荷点的最大负荷利用小时数的加权平均值，即

式中，—各负荷点的最大有功功率；

—各负荷点的最大负荷利用小时数。

对于环形网络，通常在有功功率分点出拆开，成为放射形或链形网络，各段线路的可用上述方法求得。

2)导线截面积的校验

按以下三个方面校验导线截面积。

①按允许载流量条件校验导线截面积（发热校验）

导线型号初选后，需计算最严峻的正常运行方式下和事故运行方式下，实际可能的工作电流，将其与该型号导线长期允许载流量相比较，前者应小于后者。

在正常情况下导线的最高工作温度取，当计及日照影响时最多不超过。在海拔1000及以下、环境温度为时的铝绞线、钢芯铝绞线以及部分特殊导线的长期允许载流量见附表B—6及附表B—7，当导线的工作条件与表附B—6和附表B—7所示载流量计算条件不符时，则导线的长期允许载流量需进行修正，其修正系数见附表B—8。需注意的是，这里的环境温度，对于户外裸体导线应取当地一年中最热月份的平均最高温度。

②按电晕条件校验导线截面积

电晕将产生功率损耗、干扰无线电通讯。因此在设计线路时，就应校验所选导线直径能否满足在晴朗天气不发生电晕的要求。附表B—9列出了规程规定的不必验算电晕的导线最小直径。如果按其他条件选择的导线直径小于附表B—9中所列的数值，一般就应加大导线截面积或考虑采用扩径导线或导线。

③按机械强度校验导线截面积

为保证架空线路具有必要的机械强度，规程规定，线路不得采用单股线，其最小截面如附表B—10所示。对更高电压等级线路，规程未作规定，一般认为导线截面积不得小于。

3）电压损耗的校验

根据所选导线截面积，在电力工程手册中可查得各导线的电阻、电抗（几何均距取），再根据所选导线的实际参数，进行潮流分布计算，目的是校验正常运行情况下，线路的电压损耗是否满足要求。同时，还要进行故障情况下的校验。方法是选择最严重的故障情况，进行潮流计算，校验各条线路载流量是否满足导线长期允许通过的电流值，并进行电压损耗校验。

若以上条件均满足，可确定出导线的截面积，若不满足，则增大截面积重新计算，并校验。

4）计算电力网投资

＃线路投资

线路的投资可查找相关电力工程设计手册。（35～110KV网络，线路投资计算可参考附表B—11计算）

＃变电所投资

由于设变电所中，变压器对各方案都是相同的，所以变电所的投资可不参与比较，只比较配电装置。因各方案的主接线没有确定，故在经济比较时，各方案均选现同的高压开关，并认为主接线形式一致。配电装置的投资可查找相关电力工程设计手册。（35～110KV网络，配电装置的投资计算可参考附表B—12计算）

电力网的总投资： 

5）计算年运行费用

年运行费用包括线路和变电所设备的折旧、维护及小修费和电网的电能损耗费。

线路折旧维修费：

变电所折旧维修费：

电能损耗费：

根据最大负荷利用小时数及各条线路的，查附表B—13得出最大负荷损耗时间。按潮流计算得出各条线路的，由下式求得线路的电能损耗

各线路的电能损耗之和即为全网的电能损耗。乘以系统平均售电价格后，可得电能损耗费

    （元）

式中：—为系统平均售电价格， 

年运行费用： 

6）确定最优方案

各方案的一次投资及年运行费用求出以后，其中投资最少而且年运行费用又最低的方案，就是最优方案。

当；两个方案中，一方案投资大而运行费用小，另一方案投资小而运行费用大，则按抵偿年限来选定方案，即

式中，，—两个方案的投资费用；

，—两个方案的年运行费用；

—抵偿年限，单位是“年”。

目前我国一般采用标准抵偿年限为5～8年。当小于5～8年，认为投资高而运行费用少的方案在经济上是有利的；反之，则认为投资低而运行费用高的方案在经济上是有利的。

对于多个方案进行比较时，为了简化计算，可以把抵偿年限公式变换一下，称之为计算费用最小的方法，其计算公式如下：

式中，，…—各方案的计算费用；

，…—各方案的投资费用；

，…—各方案的年运行费用；

—抵偿年限，一般取6年。

当某一方案的计算费用最小时，可以认为该方案在经济上是有利的，选为最优方案。

考核方法及成绩评定

考核方式由对课程设计说明的撰写质量的评定及答辩成绩两部分组成。

成绩评定为两级分：合格与不合格。

课程设计说明书基本要求

    1．摘要

    用300字左右概述设计题目的特点，重点概述设计方案采用的分析、设计方法，得出的结论等。

    2．前言

    围绕选定的设计题目在查阅大量文献资料的前提下，写出查阅文献的综述。 主要包括选题的理论研究价值和工程实践意义等。   

    3．方案设计与分析

    (1)在计算分析的基础上提出诸多设计方案；

    (2)经分析、比较选出最佳的创新设计方案；

    5．心得体会

    谈一谈参加“电力系统分析课程设计”的体会。

    6．参考文献

    列出参考文献(包括书、期刊、报告等)

其他要求

1．电力系统分析课程设计要求在1周内完成。第l天查资料，熟悉题目；第2～4天方案分析、比较阶段，同时撰写设计说明书；第5天整理输出设计说明书并交卷答辩。

2．要求学生在“电力系统分析课程设计”阶段，全力以赴完成课程设计任务，不能做与本设计无关的事，有事需向指导老师请假。按时完成设计任务书要求的设计任务。

3．按照学校规定，设计资料（含电子文档）交系研究所统一存档。

4．课程设计说明书一律用A4纸、纵向打印，书写格式参照学校毕业设计（论文）格式要求执行。

   

附录A         

电力系统分析课程设计原始资料

题目：地区电力网设计

原始资料：

（1）发电厂、变电所地理位置图

（2）电源情况

水电厂：TS900/135-56，额定容量45MW（），台数3

系统：与3＃变电所由相连，系统母线电压最大最小负荷时均维持115KV，最大负荷时提供功率50MW（），最小负荷时为30MW（）

（3）说明

1）变电所3＃是原有变电所，主接线为双母线结构；

2）为开发利用水资源，在距离变电所3#约100km处新建一水利发电厂。发电能力在春夏秋三季满发，冬季最大出力为最大容量的3/4；

3）发电厂国际厂用电率2％，机压负荷2MW；

4）区域气温最高为，年平均温度为，最热月平均最高气温为。

（4）各变电所负荷情况

编号	1	2	3	4
变压器额定容量（MW）
最大负荷（MW）	30	45	50	25
最小负荷（MW）	25	27	30	20
Tmax（小时）	6000	5000	5000	6500
	0.9	0.9	0.9	0.9
负荷性质	工业	城市	城市	工矿

（5）设计要求

1)设计说明书1份；

2)计算书1份。

附录B

附表B—1   同时率的参考值

用户、系统的情况	用户较少	用户特别多	地区与系统之间
同时率

附表B—2  一般发电厂厂用电率

电厂类型	热电厂	凝气式电厂	水电厂	小型凝气式电厂
同时率

附表B—3  电压等级与二次侧的功率因数及的关系

变电所电压等级（KV）

二次侧功率因数

220

35~110

附表B—4   各电压等级输电线路合理输送容量及输送距离

线路额定电压

（KV）	输送容量 （MW）	输送距离 （km）	线路额定电压 （KV）	输送容量 （MW）	输送距离 （km）
	<	<	35
3			60
6			110
10			220

附表B—5  经济电流密度（）

导线材料	最大负荷利用小时数
	3000以下	3000～5000	5000以上
铝线、钢芯铝线 铜线 铝芯电缆 铜芯电缆	1.65 3.0 1.92 2.5	1.15 2.25 1.73 2.25	0.9 1.75 1.54 2.0

附表B—6  LJ铝绞线的长期允许载流量（环境温度）

标称截面积

	长期允许载流量(A)		标称截面积	长期允许载流量(A)
16 25 35 50 70 95 120 150	112 151 183 231 291 351 410 466	117 157 190 239 301 360 420 476	185 210 240 300 400 500 630 800	534 584 634 731 879 1023 1185 1388	543 593 3 738 883 1023 1180 1377

附表B—7 LGJ铝绞线的长期允许载流量（环境温度）

标称截面积

	长期允许载流量(A)		标称截面积	长期允许载流量(A)
10 16 25 35 50 70 95 120 150	88 115 154 1 234 2 357 408 463	93 121 160 195 240 297 365 417 472	185 210 240 300 400 500 630 800	539 577 655 735 8 1025 1187 1403	548 586 662 742 901 1024 1182 1390

附表B—8   不同环境温度时载流量的校正系数（导体温度为）

周围空气温度（）	5	10	15	20	25	30	35	40	45
修正系数	1.20	1.15	1.11	1.05	1.00	0.94	0.88	0.81	0.74

附表9   不必验算电晕的导线最小直径（海拔不超过1000米）

额定电压（）	60以下	110	154	220	330
导线直径（）	－	9.6	13.68	21.28	33.2
相  应  导  线	－	LGJ-50	LGJ-95	LGJ-240	LGJ-600	LGJ-

附表B—10  导线最小截面积（）

导  线  种  类	通 过 居 民 区 时	通 过 非 居 民 区 时
铝绞线和铝合金线 钢 芯 铝 线 铜       线	35 25 16	25 16 16

附表B—11  35～110KV架空线路投资 (90年代水平)                （万元/km）

电压及导线型号

截面（）	35KV		110KV
	LGJ		LGJ
	导线	综合	导线	综合
35 50 70 95 120 150 185 240	0.19 0.21 0.29 0.40 0.49 0.62 0.76 0.98	1.1 1.25 1.45 1.65 1.85 2.1 2.35 2.7	0.29 0.40 0.49 0.62 0.76 0.98	1.95 2.1 2.25 2.45 2.7 2.95

附表B—12  35～110KV屋外配电装置投资(90年代水平)                （万元）

断路器型号		进出线数		单母线分段		单母线分段 带旁路		双母线		双母线带旁路
电压KV	型号	主变压器	馈线	总投资	增减一条线路的投资	总投资	增减一条线路的投资	总投资	增减一条线路的投资	总投资	增减一条线路的投资
35	DW1-35D DW2-35 DW3-35	2 2 2	6 6 6	17.98 21.96 21.24	1.77 2.19 2.11			21.6 23.49 22.77	2.14 2.4 2.32
110	DW1-110 SW1-110 SW2-110G SW4-110 KW1-110	2 2 2 2 2	4 4 4 4 4	65.8 58.2 65.06 70.8	8.62 7.47 8.45 9.27	72 .6 71.26 77	9.24 8.09 9.07 9.	70.07 63.1 69.96 75.7 127.5	9.24 8.09 9.07 9. 17.36	81.6 72.8 79.76 85.4 147	9.62 8.47 9.45 10.27 17 74
220	DW3-220 SW1-220 SW5-220 KW1-220	2 2 2 2	2 2 2 2			206.8 150.8 156.6 218.5	38.1 26.9 28.1 40.4	204.5 148.5 154.4 216.3	38.1 26.9 28.1 40.4	243.9 188 193.9 268.4	39.5 28.3 29.4 42.1

附表B—13 最大负荷损耗时间于最大负荷利用小时数的关系

         

（h）	0.80	0.85	0.90	0.95	1.00
2 000 2 500 3 000 3 500 4 000 4 500 5 000 5 500 6 000 6 500 7 000 7 500 8 000	1 500 1 700 2 000 2 350 2 750 3 150 3 600 4 100 4 650 5 250 5 950 6 650 7 400	1 200 1 500 1 800 2 150 2 600 3 000 3 500 4 000 4 600 5 200 5 900 6 600	1 000 1 250 1 600 2 000 2 400 2 900 3 400 3 950 4 500 5 100 5 800 6 550 7 350	800 1 100 1 400 1 800 2 200 2 700 3 200 3 750 4 350 5 000 5 700 6 500	700 950 1 250 1 600 2 000 2 500 3 000 3 600 4 200 4 850 5 600 6 400 7 250

附表B—14 架空线路电阻（电阻，）

截面积

	型                 号
	TJ	LJ	LGJ	LGJQ	LGJJ
4 6 10 16 25 35 50 60 70 95 120 150 185 240 300 400 500 600 700	4.65 3.06 1.84 1.20 0.74 0.54 0.39 0.32 0.28 0.20 0.158 0.123 0.103 0.078 0.062 0.047	1.98 1.28 0.92 0. - 0.46 0.34 0.27 0.21 0.17 0.132 0.106 0.080 0.063 0.052	3.12 2.04 1.38 0.85 0.65 - 0.46 0.33 0.27 0.21 0.17 0.132 0.107 0.080	0.21 0.17 0.13 0.108 0.080 0.065 0.055 0.044	0. 27 0.21 0.17 0.131 0.105 0.078

附表B—15 铝导线敷设的架空线路的感抗和电阻（电阻）

导 线 型 号	LJ-16	LJ-25	LJ-35	LJ-50	LJ-70	LJ-95	LJ-120
电阻（）	1.96	1.27	0.91	0.63	0.45	0.33	0.27
几何均距（）	线  路  感  抗（）
0.6 0.8 1.0 1.25 1.5 2.0	0.358 0.377 0.391 0.405	0.345 0.363 0.377 0.390 0.402 0.421	0.336 0.352 0.366 0.380 0.391 0.410	0.325 0.341 0.355 0.369 0.380 0.398	0.351 0.331 0.345 0.359 0.370 0.388	0.303 0.319 0.334 0.347 0.358 0.377	0.297 0.313 0.327 0.341 0.352 0.371

附表B—16 用钢芯铝绞线敷设的架空线路的感抗和电阻（电阻）

导 线 

型 号	LGJ-35	LGJ-50	LGJ-70	LGJ-95	LGJ-120	LGJ-150	LGJ-185	LGJ-240	LGJ-300	LGJ-400
电  阻（）	0.91	0.63	0.45	0.33	0.27	0.21	0.17	0.131	0.105	0.078
几何均距（）	线  路  感  抗（）
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5	0.403 0.417 0.429 0.438 0.446	0.392 0.4060.418 0.427 0.435	0.382 0.396 0.408 0.417 0.425 0.433 0.440	0.317 0.385 0.397 0.4060.414 0.422 0.429	0.365 0.379 0.391 0.400 0.408 0.416 0.422 0.429 0.435	0.358 0.372 0.384 0.398 0.401 0.409 0.416 0.422 0.425 0.432 0.438	0.377 0.386 0.394 0.402 0.409 0.415 0.420 0.425 0.430 0.435	0.369 0.378 0.386 0.394 0.401 0.407 0.413 0.420 0.424 0.428 0.432	0.404 0.409 0.414 0.418 0.422 0.425	0.369 0.400 0.406 0.409 0.414 0.418

附表B—17 钢芯铝线敷设的架空线路的电纳

导 线 

型 号	LGJ-70	LGJ-95	LGJ-120	LGJ-150	LGJ-185	LGJ-240	LGJ-300	LGJ-400
几何均距（）	线  路  电  纳
3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5	2.79 2.73 2.68 2.62 2.58	2.87 2.81 2.75 2.69 2.65 2.62	2.92 2.85 2.79 2.74 2.69 2.67 2. 2.60	2.97 2.90 2.85 2.79 2.74 2.70 2.68 2.63	3.03 2.96 2.90 2.84 2.82 2.74 2.71 2.69 2.66 2.62	3.10 3.02 2.96 2. 2.85 2.80 2.76 2.72 2.70 2.69 2.65	2.81 2.78 2.74 2.71 2.69 2.67	2.88 2.84 2.78 2.76 2.73 2.70