线路波过程仿真与计算分析毕业设计.docx
- 文档编号:12198157
- 上传时间:2023-04-17
- 格式:DOCX
- 页数:30
- 大小:291.52KB
线路波过程仿真与计算分析毕业设计.docx
《线路波过程仿真与计算分析毕业设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《线路波过程仿真与计算分析毕业设计.docx(30页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
线路波过程仿真与计算分析毕业设计
毕业设计报告(论文)
题目:
线路波过程仿真与计算分析
所属系电气工程系
专业电力系统及其自动化
学号01506314
姓 名仲亚
指导教师黄晓勇
起讫日期2010.3----2010.6
设计地点东南大学成贤学院
毕业设计报告(论文)诚信承诺
本人承诺所呈交的毕业设计报告(论文)及取得的成果是在导师指导下完成,引用他人成果的部分均已列出参考文献。
如论文设计任何知识产权纠纷,本人将承担一切责任。
学生签名:
日期:
线路波过程仿真与计算分析
摘要
电力系统中的架空输电线路,母线,电缆,发电机和变压器绕组等都属于具有分布参数的电路元件。
无论发生雷电过电压还是操作过电压,都会在这些线路和设备中产生过渡过程。
分布参数的过渡过程本质上是电磁波的传播过程,简称波过程。
在电力系统中,我们常常会遇到以下情况:
线路末端与另一个不同波阻抗的线路相连,如一架空线路与电缆相连接;线路末端接有集中参数阻抗等。
在这些情况下,当线路上有行波传播且到达两个不同波阻抗线路的连接点或到达连接有集中参数的结点时将发生波的折反射。
本文共六章。
第一章为绪言部分,重点考察对基于MATLAB/SIMULINK的线路波过程仿真分析研究的意义及其背景介绍。
第二章为有关电力线路波过程的理论文献做了总结性的回顾。
第三章是对仿真软件的描述。
第四章为对仿真结果的研究和讨论。
第五章为总结和展望。
第六章为结束语。
关键词:
波过程;行波的折射;行波的反射;MATLAB;仿真
Linewaveprocesssimulation,calculationandanalysis
Abstract
Powersystemtransmissionline,bus,cable,generatorsandtransformerswindingbelongtothecircuitelementswithdistributedparameters,WhethertheLightningortheoccurrenceofover-voltageoperation,thesecircuitsanddeviceswillbeproducedinthetransitionprocess.Natureofthedistributionparametersofthetransitionprocessispropagationofelectromagneticwaves,calledwaveprocess.
Inpowersystem,weoftenencounterthefollowingsituations:
Lineendswithadifferentlineimpedanceconnected,suchasanoverheadlineandcableconnected;Thenalumpedparametercircuitterminalimpedance.Inthesecases,whenthereiswavetransmissionlineandgettwodifferentimpedancepoints,orgetaconnectionlineconnectingnodeswithconcentratedparameterswilloccurwhenthereflectedwaveoff.
Therearesixchaptersinthispaper.ThefirstpartofChapterisintroduction,thesignificanceofthefocusofstudybasedonMATLAB/SIMULINKsimulationofthecircuitwaveanalysisandtheintroductionofbackground.ChapterIIofthepowerlinesofthetheoryofwaveprocesshasdonealiteraturereviewsummary.ChapterIIIisadescriptionofsimulationsoftware。
ChapterIVisthesimulationresultsforthestudyanddiscussion.ChapterVisSummaryandOutlook.ChapterVIisconclusion.
Keywords:
Waveprocess;Waverefraction;travelingwavereflection;MATLAB;simulation
目录
第一章引言1
1.1问题提出1
1.2相关背景及现状1
1.3研究思路和方法1
第二章有关软件的介绍3
2.1有关MATLAB的介绍3
2.1.1MATLAB的特点3
2.1.2MTALAB的电力系统元件库4
2.2有关SIMULINK的介绍4
2.2.1Simulink的特点5
第三章有关仿真介绍6
3.1仿真的定义6
3.2仿真的分类6
3.3仿真的发展历程6
3.4仿真的方法步骤7
3.5仿真的应用与效益7
3.6仿真的发展方向8
第四章有关线路波过程的分析9
4.1有关电力线路波过程的介绍9
4.2冲击电晕对线路波过程的影响9
4.3直角波作用下线路波过程建模仿真10
4.3.1行波的折射,反射规律10
4.3.2无限长直角波通过并联电容12
4.3.3无限长直角波通过串联电感15
4.4冲击波作用下的线路波过程19
4.4.1冲击波的线路波过程19
4.4.2冲击波通过并联电容20
4.4.3冲击波通过串联电感20
第五章总结和展望22
5.1本课题的研究结论22
5.2展望22
致谢24
参考文献25
第一章引言
1.1问题提出
电力系统中的架空输电线路,母线,电缆,发电机和变压器绕组等都属于具有分布参数的电路元件。
无论发生雷电过电压还是操作过电压,都会在这些线路和设备中产生过渡过程。
分布参数的过渡过程本质上是电磁波的传播过程,简称波过程。
在理想状态下,能量不会散失(储存于电磁场中),波也不会衰减和变形,但在实际情况中,由于每条导线都有一定的电阻R,线路绝缘子对地有泄漏电流,发生电晕时,有电晕损失,即电磁波传播出现衰减及变形。
所以任何一条线路都是有损耗的,这些损耗在长距离运输中显得更加的明显。
所以,研究线路波过程对于提高电能的传输效率有着极为重要的意义。
1.2相关背景及现状
在电力工业一百多年的发展历史中,电力线路作为电能传输的重要媒质,为电力系统的运行和可靠发展发挥了重要的作用。
随着我国国民经济的快速发展,电力工业得到了长足的发展,电力系统的规模也不断扩大,并且在人类社会生活中发挥着日益重要的作用。
由于电能在电力线路中是以波的形式传播的,即在导线周围空间逐步建立起电场和磁场的过程。
在理想状态下,能量不会散失(储存于电磁场中),波也不会衰减和变形,但在实际情况中,由于每条导线都有一定的电阻R,线路绝缘子对地有泄漏电流,发生电晕时,有电晕损失,即电磁波传播出现衰减及变形。
所以任何一条线路都是有损耗的,这些损耗在长距离运输中更加的明显。
所以,研究线路波过程对于提高电能的传输效率有着极为重要的意义。
仿真技术20世纪初已得到应用。
60年代计算机技术的突飞猛进,为仿真技术提供了先进的工具,加速了仿真技术的发展。
利用计算机实现对于系统的仿真研究不仅方便、灵活,而且也是经济的。
因此计算机仿真在仿真技术中占有重要地位。
50年代初,连续系统的仿真研究绝大多数是在模拟计算机上进行的。
50年代中,人们开始利用数字计算机实现数字仿真。
计算机仿真技术遂向模拟计算机仿真和数字计算机仿真两个方向发展。
在模拟计算机仿真中增加逻辑控制和模拟存储功能之后,又出现了混合模拟计算机仿真,以及把混合模拟计算机和数字计算机联合在一起的混合计算机仿真。
在发展仿真技术的过程中已研制出大量仿真程序包和仿真语言。
70年代后期,还研制成功专用的全数字并行仿真计算机。
1.3研究思路和方法
本文采取以理论研究为主,结合实际情况的研究方法,通过对单导线波过程,多导线波过程的研究解决问题。
就具体而言,本文采用建立模型,模型分析,提出解决方法的研究方法。
在进行仿真建模分析的时候,主要采用模型分析,公式计算和波形分析相结合的方法,最终得出结论。
本文在研究线路波过程的时候,自动忽略了其他的一些可能影响线路波过程的自然因素,便于对线路波过程进行深入的研究。
第二章有关软件的介绍
2.1有关MATLAB的介绍
TheMathWorks公司在20世纪80年代向市场推出一种数值型MATLAB语言计算软件,目前,该软件已经发展成为适合多学科、多种工作平台的功能强劲的大型软件。
SIMULINK是该公司在20世纪90年代推出的产品,利用它可在MATLAB下建立系统框图和仿真的环境。
MATLAB的PSB软件(POWERSYSTEMBLOCK;PSB)含有丰富的电力系统元件模型,包括电力系统网络元件、电机、电力电子器件、控制和测量环节以及三相元件库等,再借助于其他模块库或工具箱,在SIMULINK环境下,可以进行电力系统的仿真计算,尤其可以实现复杂的控制方法仿真。
MATLAB语言计算软件将计算过程建立在最基本的电路原理和微分方程求解的基础上并同步计算电磁过程和机电过程,几乎没有考虑电力系统的特性,计算简化,仿真细致,反映很细微的变化过程。
计算机仿真技术已成为电力系统研究、规划、设计和运行等各个方面的重要方法和手段,目前已开发的主要仿真方法有状态变量法、节点分析法及修正节点分析法等。
而这些方法已经用于开发不同的仿真软件,如:
EMTP、SPICE、NETOMAC、PSASP等。
但每个仿真软件都具有自己的优缺点,即有较其它软件更更适合解决某一特定问题的特点,如:
EMTP很适合没有换流器的大型电力网络;而SPICE:
适用于有电力电子系统的小型网络。
由于MATLAB具有很良好的开发性、高效的数据仿真分析,特别是信号处理和直观的图形显示功能,且MATLAB/SIMULINK环境下的PSB模型库及SIMULINK强大的二次开发功能和丰富的工具箱,能快速而准确地对电路及更复杂的电气系统进行仿真、计算。
因此,它已成为电力科研工作者和工程技术人员应用它来进行电力系统有关问题的仿真分析和辅助设计的理想的工具。
电力系统的暂态仿真已成为电力系统研究、规划、运行、设计等各个方面不可缺少的工具.Matlab软件及其中的电力系统模块PSB是专门为电力系统设计的仿真分析软件。
波过程是电力系统三大暂态之一,具有等值频率高,持续时间短等特点,故与其他暂态过程的计算分析完全不同。
对于线路波过程的计算,必须考虑线路的分布性特点,其计算分析是电力系统防雷保护措施确定的重要依据。
故进行相关的仿真计算与分析,对各种因数的影响进行量化分析是十分重要的。
2.1.1MATLAB的特点
(1)功能强大。
包括数值计算和符号计算,计算和编程可视化,数学和文字统一处理,离线和在线皆可计算;
(2)界面友好,语言自然。
MATLAB以复数矩阵为计算单元,指令表达与标准教科书的数学表达式相近;
(3)开放性强。
MATLAB有很好的可扩充性,可以把它当作一种更高级的语言去使用,可容易地编写各种通用或专用应用程序。
正是由于MATLAB的这些特点,使它获得了对应用科学(特别是边缘学科和交叉学科)的极强适应力,并很快成为应用学科计算机辅助分析设计,仿真,教学乃至科技文字处理不可缺少的基础软件,成为欧美高等院校,科研机构教学与科研必备的基本工具。
2.1.2MTALAB的电力系统元件库
电力系统元件库包括了电路、电力电子、电机和电力系统等,常用的基本元件和系统的仿真模型。
其包含以下库元件:
(1)电源元件。
包括了交流电压源和电流源、直流电压源、可控电源及三相电源等产生电信号的元件。
(2)线路元件。
包括各种线性网络电路元件和非线性网络电路元件。
(3)电力电子元件。
包括如二级管、晶闸管等各种电力电子元件。
(4)电机元件。
包括各种电机模型元件。
(5)连接器元件。
包含有在各种不同情况下用于相互连接的元件。
(6)电路测量元件。
包括电压表、电流表、阻抗表和万用表等测量元件。
(7)附加元件。
包括三相电路、功率表,直流电机等元件。
(8)电力图形用户接口。
用于电力系统稳态分析。
(9)电力系统元件库模型。
包含了电力系统各种非线性模块的仿真模型。
2.2有关SIMULINK的介绍
Simulink是MATLAB最重要的组件之一,它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。
在该环境中,无需大量书写程序,而只需要通过简单直观的鼠标操作,就可构造出复杂的系统。
Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点,并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具,是一种基于MATLAB的框图设计环境,是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包,被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模,它也支持多速率系统,也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。
为了创建动态系统模型,Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI),这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成,它提供了一种更快捷、直接明了的方式,而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
Simulink®是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。
对各种时变系统,包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统,Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。
.
构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能,也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。
Simulink与MATLAB®紧密集成,可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。
2.2.1Simulink的特点
1):
丰富的可扩充的预定义模块库
2):
交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图
3):
以设计功能的层次性来分割模型,实现对复杂设计的管理
4):
通过ModelExplorer导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性,生成模型代码
5):
提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成
6):
使用EmbeddedMATLAB™模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法
7):
使用定步长或变步长运行仿真,根据仿真模式(Normal,Accelerator,RapidAccelerator)来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型
8):
图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果,诊断设计的性能和异常行为
9):
可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化,定制建模环境,定义信号参数和测试数据
10):
模型分析和诊断工具来保证模型的一致性,确定模型中的错误
第三章有关仿真介绍
3.1仿真的定义
仿真的英文全称是:
Simulation。
即:
使用项目模型将特定于某一具体层次的不确定性转化为它们对目标的影响,该影响是在项目整体的层次上表示的。
项目仿真利用计算机模型和某一具体层次的风险估计,一般采用蒙特卡洛进行仿真。
利用模型复现实际系统中发生的本质过程,并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统,又称模拟。
这里所指的模型包括物理的和数学的,静态的和动态的,连续的和离散的各种模型。
所指的系统也很广泛,包括电气、机械、化工、水力、热力等系统,也包括社会、经济、生态、管理等系统。
当所研究的系统造价昂贵、实验的危险性大或需要很长的时间才能了解系统参数变化所引起的后果时,仿真是一种特别有效的研究手段。
仿真的重要工具是计算机。
仿真与数值计算、求解方法的区别在于它首先是一种实验技术。
仿真过程包括建立仿真模型和进行仿真实验两个主要步骤。
3.2仿真的分类
仿真可以按不同原则分类:
①按所用模型的类型(物理模型、数学模型、物理-数学模型)分为物理仿真、计算机仿真(数学仿真)、半实物仿真;②按所用计算机的类型(模拟计算机、数字计算机、混合计算机)分为模拟仿真、数字仿真和混合仿真;③按仿真对象中的信号流(连续的、离散的)分为连续系统仿真和离散系统仿真;④按仿真时间与实际时间的比例关系分为实时仿真(仿真时间标尺等于自然时间标尺)、超实时仿真(仿真时间标尺小于自然时间标尺)和亚实时仿真(仿真时间标尺大于自然时间标尺);⑤按对象的性质分为宇宙飞船仿真、化工系统仿真、经济系统仿真等。
3.3仿真的发展历程
20世纪初仿真技术已得到应用。
例如在实验室中建立水利模型,进行水利学方面的研究。
40~50年代航空、航天和原子能技术的发展推动了仿真技术的进步。
60年代计算机技术的突飞猛进,为仿真技术提供了先进的工具,加速了仿真技术的发展。
利用计算机实现对于系统的仿真研究不仅方便、灵活,而且也是经济的。
因此计算机仿真在仿真技术中占有重要地位。
50年代初,连续系统的仿真研究绝大多数是在模拟计算机上进行的。
50年代中,人们开始利用数字计算机实现数字仿真。
计算机仿真技术遂向模拟计算机仿真和数字计算机仿真两个方向发展。
在模拟计算机仿真中增加逻辑控制和模拟存储功能之后,又出现了混合模拟计算机仿真,以及把混合模拟计算机和数字计算机联合在一起的混合计算机仿真。
在发展仿真技术的过程中已研制出大量仿真程序包和仿真语言。
70年代后期,还研制成功专用的全数字并行仿真计算机。
3.4仿真的方法步骤
MATLAB实现对电力系统的仿真和分析至少有二种独立的方法:
一种是传统的编程方法,即通过大量的代码来实现电力系统的建模、稳态计算和暂态分析等等;但由于MATLAB提供了用户可以直接调用已有的性能数值计算。
如矩阵求差、数值微、积分等等,较使用C或Fortran语言开发其源程序却要简洁得多,可节省大量的内存空间和开发时间。
另一种是在simulink平台上进行仿真分析,按建模方法分为器件级仿真(又称为物理建模)和系统级仿真(又称为数学建模)。
其中器件级仿真是利用MATLAB中PSB固有元件模型构建新元件的物理模型,该方法一般适用于探讨元件的内部性能;系统仿真是利用MATLAB/SIMULINK中的控制模块来构建新元件的数学模型,该方法是研究元件的外部特性。
在MATLAB/SIMULINK平台上,借助于鼠标点击和拖放以及一些必要的参数设置即可实现对电力系统的稳态和暂态分析,并可方便地研究各中先进的控制方法对电力系统的控制效果。
在实际应用中,特别是对复杂电力系统的仿真分析,两种方法通常交替融合使用。
应用MATLAB进行电力系统仿真的主要步骤为:
1系统模型的建立;2设置仿真参数和控制算法的实现;3进行动态仿真(包括稳态分析和暂态仿真);4结果分析。
3.5仿真的应用与效益
仿真技术得以发展的主要原因,是它所带来的巨大社会经济效益。
50年代和60年代仿真主要应用于航空、航天、电力、化工以及其他工业过程控制等工程技术领域。
在航空工业方面,采用仿真技术使大型客机的设计和研制周期缩短20%。
利用飞行仿真器在地面训练飞行员,不仅节省大量燃料和经费(其经费仅为空中飞行训练的十分之一),而且不受气象条件和场地的限制。
此外,在飞行仿真器上可以设置一些在空中训练时无法设置的故障,培养飞行员应付故障的能力。
训练仿真器所特有的安全性也是仿真技术的一个重要优点。
在航天工业方面,采用仿真实验代替实弹试验可使实弹试验的次数减少80%。
在电力工业方面采用仿真系统对核电站进行调试、维护和排除故障,一年即可收回建造仿真系统的成本。
现代仿真技术不仅应用于传统的工程领域,而且日益广泛地应用于社会、经济、生物等领域,如交通控制、城市规划、资源利用、环境污染防治、生产管理、市场预测、世界经济的分析和预测、人口控制等。
对于社会经济等系统,很难在真实的系统上进行实验。
因此,利用仿真技术来研究这些系统就具有更为重要的意义。
3.6仿真的发展方向
在仿真硬件方面,从60年代起采用数字计算机逐渐多于模拟计算机。
混合计算机系统在70年代一度停滞不前,80年代以来又有发展的趋势,由于小型机和微处理机的发展,以及采用流水线原理和并行运算等措施,数字仿真运算速度的提高有了新的突破。
例如利用超小型机VAX11-785和外围处理器AD-10联合工作可对大型复杂的飞行系统进行实时仿真。
在仿真软件方面,除进一步发展交互式仿真语言和功能更强的仿真软件系统外,另一个重要的趋势是将仿真技术和人工智能结合起来,产生具有专家系统功能的仿真软件。
仿真模型、实验系统的规模和复杂程度都在不断地增长,对它们的有效性和置信度的研究将变得十分重要。
同时建立适用的基准对系统进行评估的工作也日益受到重视。
第四章有关线路波过程的分析
4.1有关电力线路波过程的介绍
电力系统中的架空输电线路,母线,电缆,发电机和变压器绕组等都属于具有分布参数的电路元件。
无论发生雷电过电压还是操作过电压,都会在这些线路和设备中产生过渡过程。
分布参数的过渡过程本质上是电磁波的传播过程,简称波过程。
一般的线路波过程从导线数量上可以分为单导线波过程和多导线波过程。
线路波过程从性质上分又可以分为电压波过程,电流波过程和电阻波过程。
而从波的种类上可以分为折射波过程和反射波过程。
由于一般导线的R和G较小,可以忽略不记,所以一般分析线路波过程,可以仅有L和C组成的链型回路分析,称为均匀无损长导线。
这样可以使分析过程更为简便。
由于折射是因为无限长线路不是均匀的而是由两段波阻抗不同的导线组成的,也就是说前行电压波和电流波在导线的连接点处发生变化,从而造成了波的折射。
另一方面,由于在两导线的链接点上的电压和电流只能有一个值,因此波在连接点除了有折射外还一定有反射。
可以运用波传播的基本规律和节点电压电流连续原理来计算折射波和反射波。
如果遇到波多次折返射,可以用网格法简化计算,在实际过程中,架空线有三相,皆有避雷线,所以输电线是多导线平行系统,在多导线系统中,若各导线均与地平行,又无损失,则其电磁波可以近似的看成一个平面波,直接将静电场中的麦克斯韦方程组运用到波过程计算中。
行波在无损导线上传播的过程中,他既不衰减,也不变形。
但实际线路都是有损耗的。
有损耗线上的波过程比无损耗线复杂许多。
波在传播过程中的损耗大致有以下几种:
●导线电阻(包括集肤效应)的损耗,
●导线对地电导引起的损耗与电缆线路的介质损耗,
●大地包括波形对地中电流分布的影响的损耗,
●极高频或陡坡下的辐射损耗,
●电晕引起的损耗。
而实际证明,波在沿架空线路传播的过程中发生衰减和变形的决定因素是电晕。
4.2冲
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 线路 过程 仿真 计算 分析 毕业设计