電力網絡短路電流改進算法程序設計

黃天陽 寇堯晴 趙若伶

摘要：電力系統短路計算是電力部門經常運行的基本計算，其計算結果是設備選擇、繼電保護定值整定的依據。大型電力系統的網絡互聯以及電力市場的發展，使得短路電流的計算越來越需要更高的精度。本文研究短路電流計算的常用算法，分析影響短路計算結果的原因，對導納矩陣的形成方法和短路電流的計算方式進行了算法改進，使短路計算的精度得到提高。采用C編程語言編寫短路電流計算程序，利用編寫的計算程序對幾個實際算例進行短路計算，與簡化計算及專業仿真軟件Power World計算數據進行對比分析，結果可信，表明改進后的短路電流計算程序提高了短路電流的計算精度。

關鍵詞：短路計算 導納矩陣三角分解法 Power World仿真

1引言

近年來，由于智能電網的建設和新能源的發展，對電力系統運行的可靠性和預測能力提出了更高的要求。在電力系統和電氣設備的設計和運行中，短路電流計算是解決一系列技術問題所不可缺少的基本計算，是接線方案比較、電氣設備選擇、繼電保護計算與整定的基礎。實用的短路電流計算，是在基本假設基礎上，對網絡進行變換和化簡，求得各電源點對短路點的轉移阻抗，然后查運算曲線，求得短路電流。當前大多數中小型設計院及一些廠礦企業等還仍然采用手工計算。本文從實際工作需要出發，對實用短路電流算法進行了改進，編制了一套實用軟件，并應用實例與專業軟件結果對比。

2短路電流計算

（一）短路電流的常用算法及產生誤差的原因

實際計算中針對不同的短路情況采用不同的算法：對于對稱故障用三相解耦原理來分析，對于不對稱故障采用對稱分量法。計算大體步驟是：1.根據網絡模型寫出節點導納矩陣，然后求逆得到阻抗矩陣（也可直接寫出阻抗矩陣）。2.由節點自阻抗和短路前節點電壓計算各序分量值。3.根據對稱分量法或解耦原理求出各相電流值。

短路電流計算（特別是手工計算）常常采用近似計算，從而使結果產生很大誤差。近似計算的簡化條件主要：不計系統組件的電阻：不計輸電線對地電納;不計變壓器的非標準變比;不計負荷;發電機次瞬時電動勢E"標幺值為1，幅角均為0。

（二）短路電流改進算法

1.光伏電池板模型及負載特性

光伏電池是以半導體材料P-N結上接受太陽光照產生伏特效應為基礎，直接將光能轉換成電能的特性制成的。

太陽光照在半導體p-n結上，形成新的空穴--電子對。在p-n結電場的作用下，空穴由n區流向p區，電子由p區流向n區，接通電路后就形成電流。

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

（三）Buck電路的實現方法和參數

電感的設計： ?，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。輸出濾波電容的設計：輸出濾波電容的選擇主要取決于對電壓紋波的要求，這里選取的是2200μF。

（四）Boost電路的實現方法和參數計算

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

（五）MSOFET的驅動及開關管的選擇

Buck電路中的OSFET位置特殊，故此次設計我們選用了光糊硒離的驅動方式，光耦供電電源采用獨立電游模塊，能很好的實現輸入和輸出的隔離，獨立電源模塊的的輸入電壓是由LM2576提供的。

開關管的選擇：選用MOSFET作為開關元件。此電路選用了N溝道MOSFET IRF530

Vas=100v，Id=14A，，完全能滿足此電路設計要求。

（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電壓眼隨器的方式實現的。

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現的。對于電流采樣，為了防止電路其他部分對電流采樣造成干擾，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，后面是差動放大器的電路，可以很好的實現前后阻抗匹配以及差動放大。

（七）電源及顯示模塊的設計

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

整個電路對電壓紋波要求不是太嚴格的部分，使用LM2576，可以大大提高效率。

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

（八）數學模型

改進算法的阻抗矩陣元素形式如下式Z2所示。

（九）三角分解法

求解節點阻抗矩陣可以有兩種求解方式：一種是用直接形成節點阻抗矩陣;另一種是通過對節點導納矩陣求逆的方法計算阻抗矩陣的元素。直接形成阻抗矩陣的工作量較大，網絡變化時的修改也比較麻煩，而且節點阻抗矩陣是滿陣，需要計算機的存儲量較大。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點導納矩陣方程包括兩部分計算。一是將導納矩陣Y三角分解：Y陣是個非奇異的對稱矩陣，按照矩陣三角分解原理，Y可表示為

由已知I用式（3）計算得到U，即為對應某短路節點的節點阻抗元素相量。

5結論

本文在傳統算法的基礎上進行了算法改善，結果證明，從精度和軟件功能方面，對短路電流計算模塊得到較大的提高，依據計算結果可以較為精確地選擇電氣設備。文中提供的短路電流計算軟件，使人們從復雜的計算中解脫出來，從而提高設計效率和設計水平。

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作者簡介：黃天陽 （2002.02 ）男，漢族，四川瀘州人，大學專科。