電力網(wǎng)絡(luò)短路電流改進(jìn)算法程序設(shè)計(jì)

黃天陽(yáng) 寇堯晴 趙若伶

摘要：電力系統(tǒng)短路計(jì)算是電力部門經(jīng)常運(yùn)行的基本計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果是設(shè)備選擇、繼電保護(hù)定值整定的依據(jù)。大型電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)以及電力市場(chǎng)的發(fā)展，使得短路電流的計(jì)算越來(lái)越需要更高的精度。本文研究短路電流計(jì)算的常用算法，分析影響短路計(jì)算結(jié)果的原因，對(duì)導(dǎo)納矩陣的形成方法和短路電流的計(jì)算方式進(jìn)行了算法改進(jìn)，使短路計(jì)算的精度得到提高。采用C編程語(yǔ)言編寫短路電流計(jì)算程序，利用編寫的計(jì)算程序?qū)讉€(gè)實(shí)際算例進(jìn)行短路計(jì)算，與簡(jiǎn)化計(jì)算及專業(yè)仿真軟件Power World計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果可信，表明改進(jìn)后的短路電流計(jì)算程序提高了短路電流的計(jì)算精度。

關(guān)鍵詞：短路計(jì)算 導(dǎo)納矩陣三角分解法 Power World仿真

1引言

近年來(lái)，由于智能電網(wǎng)的建設(shè)和新能源的發(fā)展，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和預(yù)測(cè)能力提出了更高的要求。在電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，短路電流計(jì)算是解決一系列技術(shù)問(wèn)題所不可缺少的基本計(jì)算，是接線方案比較、電氣設(shè)備選擇、繼電保護(hù)計(jì)算與整定的基礎(chǔ)。實(shí)用的短路電流計(jì)算，是在基本假設(shè)基礎(chǔ)上，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行變換和化簡(jiǎn)，求得各電源點(diǎn)對(duì)短路點(diǎn)的轉(zhuǎn)移阻抗，然后查運(yùn)算曲線，求得短路電流。當(dāng)前大多數(shù)中小型設(shè)計(jì)院及一些廠礦企業(yè)等還仍然采用手工計(jì)算。本文從實(shí)際工作需要出發(fā)，對(duì)實(shí)用短路電流算法進(jìn)行了改進(jìn)，編制了一套實(shí)用軟件，并應(yīng)用實(shí)例與專業(yè)軟件結(jié)果對(duì)比。

2短路電流計(jì)算

（一）短路電流的常用算法及產(chǎn)生誤差的原因

實(shí)際計(jì)算中針對(duì)不同的短路情況采用不同的算法：對(duì)于對(duì)稱故障用三相解耦原理來(lái)分析，對(duì)于不對(duì)稱故障采用對(duì)稱分量法。計(jì)算大體步驟是：1.根據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型寫出節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，然后求逆得到阻抗矩陣（也可直接寫出阻抗矩陣）。2.由節(jié)點(diǎn)自阻抗和短路前節(jié)點(diǎn)電壓計(jì)算各序分量值。3.根據(jù)對(duì)稱分量法或解耦原理求出各相電流值。

短路電流計(jì)算（特別是手工計(jì)算）常常采用近似計(jì)算，從而使結(jié)果產(chǎn)生很大誤差。近似計(jì)算的簡(jiǎn)化條件主要：不計(jì)系統(tǒng)組件的電阻：不計(jì)輸電線對(duì)地電納;不計(jì)變壓器的非標(biāo)準(zhǔn)變比;不計(jì)負(fù)荷;發(fā)電機(jī)次瞬時(shí)電動(dòng)勢(shì)E"標(biāo)幺值為1，幅角均為0。

（二）短路電流改進(jìn)算法

1.光伏電池板模型及負(fù)載特性

光伏電池是以半導(dǎo)體材料P-N結(jié)上接受太陽(yáng)光照產(chǎn)生伏特效應(yīng)為基礎(chǔ)，直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的特性制成的。

太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴--電子對(duì)。在p-n結(jié)電場(chǎng)的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。

太陽(yáng)能電池的輸出特性受光照條件影響，且在每一個(gè)光照條件下，都能取得一個(gè)Pmax，同理太陽(yáng)能電池板的輸出同樣受到溫度的影響。

（三）Buck電路的實(shí)現(xiàn)方法和參數(shù)

電感的設(shè)計(jì)： ?，其中Vdcn是輸入電壓，Vo是輸出電壓，Ion是輸出電流額定值，故取L0為5.6mH。輸出濾波電容的設(shè)計(jì)：輸出濾波電容的選擇主要取決于對(duì)電壓紋波的要求，這里選取的是2200μF。

（四）Boost電路的實(shí)現(xiàn)方法和參數(shù)計(jì)算

Bost斬波電路的實(shí)際電路圖5，參數(shù)選取如下：L2=1.25mH，二極管選取肖特基二極管為1N5822。

（五）MSOFET的驅(qū)動(dòng)及開關(guān)管的選擇

Buck電路中的OSFET位置特殊，故此次設(shè)計(jì)我們選用了光糊硒離的驅(qū)動(dòng)方式，光耦供電電源采用獨(dú)立電游模塊，能很好的實(shí)現(xiàn)輸入和輸出的隔離，獨(dú)立電源模塊的的輸入電壓是由LM2576提供的。

開關(guān)管的選擇：選用MOSFET作為開關(guān)元件。此電路選用了N溝道MOSFET IRF530

Vas=100v，Id=14A，，完全能滿足此電路設(shè)計(jì)要求。

（六）電壓，電流采樣部分

電壓采樣電路是采用電阻分壓后面加一級(jí)電壓眼隨器的方式實(shí)現(xiàn)的。

電壓跟隨器用lm358。

同理，蓄電池端的電壓采樣也是用這種方法實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于電流采樣，為了防止電路其他部分對(duì)電流采樣造成干擾，采用高共模抑制比的儀用放大器AD620。AD620可以等效為前端是電壓跟隨器，后面是差動(dòng)放大器的電路，可以很好的實(shí)現(xiàn)前后阻抗匹配以及差動(dòng)放大。

（七）電源及顯示模塊的設(shè)計(jì)

78xx系列是線性穩(wěn)壓電源，電壓紋波很小，特別適合為運(yùn)算放大器供電，故選擇其為儀用放大器AD620供電。

整個(gè)電路對(duì)電壓紋波要求不是太嚴(yán)格的部分，使用LM2576，可以大大提高效率。

其輸出主要供給：AVR單片機(jī)，LCD1602顯示，LM358構(gòu)成的電壓跟隨器等供電。

（八）數(shù)學(xué)模型

改進(jìn)算法的阻抗矩陣元素形式如下式Z2所示。

（九）三角分解法

求解節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣可以有兩種求解方式：一種是用直接形成節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣;另一種是通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣求逆的方法計(jì)算阻抗矩陣的元素。直接形成阻抗矩陣的工作量較大，網(wǎng)絡(luò)變化時(shí)的修改也比較麻煩，而且節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣是滿陣，需要計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量較大。矩陣求逆的方法很多，常見的如高斯消去法等。本文采用三角分解法。

用三角分解法求解節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣方程包括兩部分計(jì)算。一是將導(dǎo)納矩陣Y三角分解：Y陣是個(gè)非奇異的對(duì)稱矩陣，按照矩陣三角分解原理，Y可表示為

由已知I用式（3）計(jì)算得到U，即為對(duì)應(yīng)某短路節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)阻抗元素相量。

5結(jié)論

本文在傳統(tǒng)算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了算法改善，結(jié)果證明，從精度和軟件功能方面，對(duì)短路電流計(jì)算模塊得到較大的提高，依據(jù)計(jì)算結(jié)果可以較為精確地選擇電氣設(shè)備。文中提供的短路電流計(jì)算軟件，使人們從復(fù)雜的計(jì)算中解脫出來(lái)，從而提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)水平。

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作者簡(jiǎn)介：黃天陽(yáng) （2002.02 ）男，漢族，四川瀘州人，大學(xué)專科。