基于設備圖元數據庫的短路電流計算

李曉龍，丁 倩

(1．國網河北省電力公司，河北 石家莊050021;2．國網河南省電力公司 商丘供電公司，河南 商丘476000)

0 引言

計算變電站一次設計的短路電流是一項既繁瑣費時又重要的工作。在一次電氣設計［1，2］過程中，為選擇電氣設備，需要根據短路電流實際情況來校驗設備的電動力與熱穩(wěn)定;進行繼電保護裝置的整定計算時，需要根據短路電流最大值計算多種電氣元件的整定值［3］。所以，高效方便的短路電流計算程序的開發(fā)是十分重要的。

網絡拓撲結構分析是進行短路計算的基礎，傳統(tǒng)的網絡拓撲分析都是基于特定的數據結構來描述的，但是這種做法的最大缺點是通用性和可擴充性差。另外，傳統(tǒng)的短路電流計算程序缺乏良好的用戶界面，網絡原始數據輸入工作量大且易出錯，結果顯示不直觀。

為了尋找一種操作方便和適合變電站主接線圖特點的短路電流計算程序，本文在研究變電站關鍵設備及其電氣屬性的基礎上，提出通過人機交互方式，實現圖形數據庫一體化［4，5］，進而自動生成電氣主接線圖，并且根據數據庫中設備電氣及圖元坐標關系給出了基于母線的拓撲分析算法，實現了短路電流快速而準確的計算。最后通過實際算例，驗證了文中方法的有效性和正確性。

1 數據庫的設計與ADO 連接

在Autocad 的modelspace 界面上的電氣主接線圖，與其相連的后臺是一個龐大的數據庫，數據庫是整個軟件的核心部分，通過數據庫里存儲的設備圖元的圖形參數和電氣參數進行自動網絡拓撲分析和短路電流的計算。整個軟件基于易于實現可視化編程的VBA 語言和Access2003 相結合的數據庫設計與接口［6］。

1.1 設備圖元數據庫的設計

為了實現設備的電氣參數自動網絡拓撲分析和短路電流的計算，需要基于設備的電氣參數和圖元的圖形參數數據，這些數據存儲在可以被AutoCAD 任意操作的數據庫中。文中的電氣參數與圖形參數共用一個數據庫，為方便調用，母線、電源、變壓器等電氣設備共用一種數據庫結構，數據庫的字段分別對應變電站主接線圖上電氣元件的電氣屬性和圖形屬性。

根據電氣主接線網絡圖形和拓撲分析的要求，把元件分為節(jié)點類和支路類。

節(jié)點類元件:母線。在數據表中，對于母線電氣屬性設置如下:名稱，母線的電壓等級，母線的運行狀態(tài)(是否帶電運行)，母線編號，與其相連的母聯(lián)開關的信息(此信息可存在可不存在)等。圖形屬性設置如下:元件類型號，圖元句柄，起點橫坐標x1，起點縱坐標y1，終點橫坐標x2，終點縱坐標y2。

支路類元件又分為3 種:單端口支路元件類，阻抗支路元件類和零阻抗支路元件類。

單端口元件類:電源等。在數據表中，電源電氣屬性設置如下:名稱，接入母線的電壓等級，額定功率，運行狀態(tài)等。圖形屬性設置如下:元件類型號，圖元句柄，電源塊插入點橫坐標x1，縱坐標y1。

阻抗支路元件類:它又分為雙端口阻抗元件和三端口阻抗元件。對于雙端口阻抗元件雙繞組變壓器而言，電氣屬性設置如下:名稱，額定容量，高壓接入母線的額定電壓，低壓接入母線的額定電壓，是否投切，接地狀態(tài)，短路電壓百分數，繞組的接線方式，圖形屬性設置如下:元件類型號，圖元句柄，起點橫坐標x1，起點縱坐標y1，終點坐標橫坐標x2，終點縱坐標y2。

三繞組變壓器，電氣屬性與雙繞組變壓器類似，電氣屬性增加了一個額定電壓等級數據并增加了一條虛擬母線。圖形屬性增加了一端點橫坐標x3，端點縱坐標y3。

零阻抗支路元件類:斷路器和開關元件等。以開關元件為例，電氣屬性設置如下:額定電壓等級，類別(母聯(lián)開關、出線開關、分段開關、聯(lián)絡開關)，運行狀態(tài)(閉合、斷開)。圖形屬性設置如下:元件類型號，圖元句柄，起點橫坐標x1，起點縱坐標y1，終點坐標橫坐標x2，終點縱坐標y2。

電氣主接線圖中電容、電感等其他元件在數據表中的設置可參見軟件說明，此處從略。

1.2 創(chuàng)建數據庫的ADO 連接

VBA 應用內置的microsoft．jet．oledb．4．0實現對access 數據庫的訪問，訪問數據庫的技術有很多種，本軟件用ADO，ADO 是在Autocad VBA 中開發(fā)數據庫應用程序最好的技術，ADO 提供一個能夠在應用程序中使用數據庫的編程模型，利用ADO 編程模型可以完成訪問和更新數據源的工作。要在VBA 中使用ADO，首先必須在VBA工程中引用ADO 對象庫。要添加對ADO 對象的引用，可在VBA 中選擇“工具”|“引用”命令，打開“引用”對話框，在“可使用的引用”列表框中選擇要引用的ADO 對象庫。

2 電氣主接線的實現

生成變電站主接線圖的方式有兩種:一種是在作圖過程中定義圖元設備的連接關系，圖形繪制完成時，拓撲定義同時也完成。另一種方式就是鼠標點擊定位使圖元的坐標嚴格定位，在作圖時不用定義圖元設備的連接關系，程序根據圖元的坐標關系自動生成變電站主接線圖。前一種方式是半自動的，定義的工作量比較大，容易出錯。后一種方式實現了全自動生成，但是對于大型電網主接線圖的形成比較耗時，如何提高運算速度還有待研究。本程序采用后一種方式實現電氣主接線的生成。

首先描述一下生成變電站站主接線圖的思想。繪制電氣主接線圖時從圖元菜單中選取對象單元、在繪圖區(qū)點擊定位后即可以畫出該圖形，逐個選取圖元繪制，就形成了完整的電氣主接線圖，每個圖元都有編輯功能，且?guī)в袑傩浴⒎椒ê褪录Ｒ詧D元為單位的模型更直觀形象，更符合面向對象的設計思想。例如，用矩形代表斷路器圖元。每個圖元都代表真實的電力設備，如電源、發(fā)電機、變壓器、斷路器、隔離開關等圖元。

另外，在利用各對象圖元繪制接線圖時，具體規(guī)則是:對于單端口元件電源來說，電源圖元的一個端點就是結點，且電源圖元只能以結點為頂點，其他元件與電源圖元相連，只能通過結點，結點不能出現在電源圖元的中間。對于雙端口元件來說，每個雙端口元件的圖元的兩端都是結點，且雙端口元件的圖元只能以結點為頂點，結點不能出現在雙端口元件的圖元中間。對于三端口元件來說，每個三端口圖元的3 個端點都是結點，且三端口元件的圖元只能以結點為頂點，結點不能出現在三端口元件的圖元中間。

3 基于母線的快速拓撲分析

網絡拓撲分析的實質是設備之間的連接關系描述的物理模型轉為用等值節(jié)點之間連接關系描述的數學模型。傳統(tǒng)拓撲分析采用堆棧技術和深度優(yōu)先的搜索算法，文獻［7］采用基于節(jié)點融合拓撲分析方法，忽略了端口支路，如三相變壓器對拓撲過程的影響。而基于母線的快速拓撲分析方法可以彌補這一缺陷。

3.1 基于母線進行拓撲分析

從節(jié)點導納矩陣法的原理可以看出，節(jié)點和系統(tǒng)發(fā)生短路點基本一致，所以有可能發(fā)生短路的點在計算時均應被看作一個節(jié)點，比如各條母線、變壓器高低壓側、發(fā)電機出口等。而對于自耦變壓器和三繞組變壓器等三端元件而言，因其經過網絡變換后會產生出來一個額外的節(jié)點，而且該節(jié)點必須被納入節(jié)點導納矩陣進行計算，但是此節(jié)點與系統(tǒng)發(fā)生短路點不一致，所以不被列為短路點。

依據上述條件，節(jié)點產生的原則可以歸納如下:每條母線都可以看作一個節(jié)點;對于中間沒有母線的元件連接，比如電源和變壓器的連接，其連接點在計算時被當做母線處理;對于三端口元件，認為其有3 個中間元件組成，并且包含一條虛擬母線，其虛擬母線可以看作一個節(jié)點。

3.2 基于母線進行拓撲分析的實現

(1)遍歷Autocad 中modelspace 中的母線，賦予母線編號，母線編號從1 出發(fā)，從此母線結點出發(fā)，遍歷數據庫，把通過閉合開關或其他零阻抗元件與此母線連接在一起的母線找出來，并且賦予相同的母線編號。

(2)再從另一未賦值的母線出發(fā)，采用同樣的搜索方法，直到所有的母線都被分配編號。

(3)把所有的母線對象看作節(jié)點對象，遍歷modelspace 中N 個電氣元件，遇到投運的雙繞組變壓器等雙端口元件時，把其端點坐標作為起始條件，遍歷數據庫，找到與其端點相連的母線，則母線編號即為此雙端口元件的節(jié)點編號;遇到投運的電源等單端口元件時，同樣以端口坐標作為起始條件，遍歷數據庫，查找與其相連的母線編號;遇到投運的三繞組變壓器等三端口元件，同樣把端口坐標作為起始點條件，遍歷數據庫，找到與其端點相連的母線，并且增加一條虛擬母線，同時虛擬母線編號為已經分配母線編號最大值加1。元件搜索算法的流程如圖1 所示。停止搜索條件為:遇到聯(lián)絡開關或斷開開關。

圖1 元件搜索算法流程

4 短路電流的計算

計算短路電流的方法不一，利用計算機進行短路電流計算以節(jié)點阻抗矩陣方法［8］和節(jié)點導納矩陣方法［8］最為常用，本程序短路電流計算的實現是依據節(jié)點導納矩陣方法。節(jié)點導納矩陣是十分稀疏的，所以占用計算機存儲量不大，而且節(jié)點導納矩陣極易形成，網絡結構變化時也易于修改。節(jié)點導納矩陣方法:

若故障種類為三相短路，設故障點為f，應用節(jié)點導納矩陣計算短路電流，實質上是先用它計算與短路點f 有關的第f 列元素:Z1f～Znf。由式(1)知，若已知節(jié)點阻抗矩陣的對角元素，可以方便地求得任一點短路的短路電流。由節(jié)點阻抗矩陣元素的定義可知，Z1f～Znf是在點f 通以單位電流(其他節(jié)點電流均為0)時1～n 點的電壓，由式(2)知，求得的即Z1f～Znf。計算不同節(jié)點短路時的短路電流，方程的不同處只在于方程右端的常數相量中1 所在的行數(對應短路節(jié)點號)不同。求解式(2)的線性方程組，本軟件采用因子表法［8］。

式中:Zff為電網對短路點的等值阻抗。

若故障類型為不對稱故障，則根據對稱分量法可知，把故障網絡分解為正序網絡、負序網絡和零序網絡，由網絡拓撲形成3 個序網的節(jié)點導納矩陣后，形成因子表。利用三序網的因子表即可求得故障端點的等值阻抗。由此可以計算單相短路、兩相短路和兩相短路接地等故障情況下的短路電流。

短路電流計算程序與設備圖元數據庫相結合有很多優(yōu)點:計算效率高，比手工的效率提高數10 倍;可以計算節(jié)點數目任意的網絡;方便用戶輸入原始數據，避免出錯;靈活性比較強，可以隨便搭建模型;符合設計工作者習慣。

5 算例驗證

圖2 所示的簡單系統(tǒng)作為例題，f 點在母線上，視作短路點，發(fā)電機中性點接地;發(fā)電機的參數為:SN=120 MVA，UN=10．5 kV，E1=1．67，X1=0．9，X2=0．45;變壓器T-1 的參數:SN=60 MVA，Us%=10．5，kT1=10．5/115;變壓器T-2 的參數為:SN=60 MVA，Us%=10．5，kT1=115/6．3;線路每回路的參數為:l=105 km，x1=0．4 Ω/km，x0=3x1;負荷LD-1 的參數為:SN=60 MVA，X1=1．2，X2=0．35;負荷LD-2的參數為:SN=40 MVA，X1=1．2，X2=0．35。

圖2 簡單電力系統(tǒng)

在計算f 點的三相、兩相、兩相接地及單相短路電流時，取基準值SB=120 MVA，UB=Uav。實際計算結果與軟件計算結果作對比，如表1 所示。可見，實際計算結果與軟件計算結果完全一致。

表1 實際計算結果和軟件計算結果的比較

短路電流計算程序基于對稱分量法編寫而成，使用的算法比較成熟，計算結果的準確性也通過多次使用該程序得到了驗證。

6 結論

本文將最新的面向對象技術、計算機圖形處理技術及數據庫技術引入到短路電流計算中，指出了如何設計圖元數據庫，給出了智能建模的方法，實現了設備圖元與數據庫的動態(tài)關聯(lián)，從而不僅方便了電氣主線圖的生成，而且可通過圖形界面對電氣主接線圖上每個設備圖元的狀態(tài)進行直觀地操作。本文還基于圖形平臺上設備圖元的連接關系和變電站主接線圖中母線的特征，提出了基于母線的快速拓撲分析方法，該方法克服了傳統(tǒng)拓撲過程中重復搜索支路的特點，簡化了程序。最后，通過實際算例，驗證了短路電流計算程序的正確性和有效性。短路電流計算程序的開發(fā)不僅大大提高了電氣設計人員的工作效率，而且對變電站一次設計有重要的理論意義和實用價值。

［1］孔祥玉，趙帥，賈宏杰，等．智能電網中電力設備及其技術發(fā)展分析［J］．電力系統(tǒng)及其自動化學報，2012，24(2):21-26．

［2］劉文，楊慧霞，祝斌．智能電網技術標準體系研究綜述［J］．電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40(10):120-126．

［3］孫一民，裘愉濤，楊慶偉，等．智能變電站設計配置一體化技術及方案［J］．電力系統(tǒng)自動化，2013，37(14):70-74．

［4］馮林橋，許文玉，陳湘波，等．圖示化電網智能識別技術及其應用［J］．電力系統(tǒng)及其自動化學報，2005，17(2):90-94．

［5］周媛，馮林橋，張午陽，等．圖示化智能供配電網設計系統(tǒng)［J］．電力自動化設備，2005，25(7):53-56．

［6］張帆．AutoCAD VBA 二次開發(fā)教程［M］．北京:清華大學出版社，2006．221-232．

［7］吳文傳，張伯明．基于圖形數據庫的網絡拓撲及其應用［J］．電網技術，2002，26(2):14-18．

［8］李光琦．電力系統(tǒng)暫態(tài)分析［M］．北京:中國電力出版社，2007．73-77．