电力系统分析课程设计湖北民大

信息工程学院课程设计（论文）12011-2012 学年度下学期电力系统分析课程设计电力系统短路故障的计算机算法程序设计姓 名 学 号 0 班 级 五 指导教师 信息工程学院课程设计（论文）21 课程设计说明与方案论证1.1 设计说明在电力系统运行过程中，时常会发生故障，且大多是短路故障，一般指短路和断线，分为简单故障和复杂故障，一切不正常的相与相之间或相与地之间（对于中性点接地的系统）发生通路的情况即为短路。电流剧增：设备发热增加，若短路持续时间较长，可能使设备过热甚至损坏;由于短路电流的电动力效应，导体间还将产生很大的机械应力，致使导体变形甚至损坏。电压大幅度下降，对用户影响很大。当短路发生地点离电源不远而持续时间又较长时，并列运行的发电机可能失去同步，破坏系统运行的稳定性，造成大面积停电，这是短路最严重的后果。发生不对称短路时,三相不平衡电流会在相邻的通讯线路感应出电动势,影响通讯。短路通常分为三相短路、单相接地短路、两相短路和两相接地短路。其中三相短路为对称短路，后三者为不对称短路。电力运行经验指出单相接地短路占大多数，因此分析与计算不对称短路具有非常重要意义，鉴于学习过程的规律和重视基础原理，在这里我做出对三相对称短路的计算机算法。三相短路在电力系统中虽然发生的概率很小，但是一旦发生产生的影响非常严重，电力系统中设备的动稳定和热稳定校验都要以三相短路电流为依据，因此我选择做是电力系统三相短路的计算程序，觉得更有意义。实现了三相短路计算的计算机实现。本程序输入含有网络拓扑信息和电器元件的参数，输出三相短路的短路电流和短路后网络各节点的电压参数和各支路的电流参数。并以文件的形式保存，方便用户的读取，打印。实现了设计的要求。应用计算机进行电力系统计算，首先要建立电力系统相应的数学模型，如建立电力系统等效网络和节点方程；其次是运用合理的计算方法计算结果，如三角分解法，LDU 分解法等；第三则是选择合适的计算机语言编制计算程序，实现程序的准确性，提高精确度。本设计利用节点方程来实现电力系统三相短路计算。首先，根据给定的电力系统运行方式制定系统的一相等值网络，计算出各元器件的参数，其次根据网络方程利用变压器和线路参数形成不含发电机和负荷的节点导纳矩阵Y；然后，利用系统形成的节点导纳矩阵求解系统阻抗矩阵Z；第三则是应用节点阻抗矩阵计算短路电流。电力系统短路电流的实际工程计算中，许多实际问题的解决并不需要十分精确的结果。因此采用近似计算法，在建立系统节点方程时，采用网络模型和参数做简化处理，等值电路的制定通常将发电机作为含源支路，表示为节点注入电流源和节点电抗的形式；系统中存在同步发电机时，按发电机支路处理；同时，忽略发电机、变压器和输电线路的电阻，不计线路的电容，略去变压器的励磁电流，负荷忽略不计；在标幺参数计算时，选取各级平均额定电压作为基准电压，忽略元件的额定电压和平均电压的差别，认为变压器变比的标幺值为1；此外，还假定所有的发电机的电势具有相同的相位，所有的元件仅用电抗表示，避免复数运算。三相对称短路为金属性短路。本课程设计的关键部分是利用系统节点导纳矩阵形成节点阻抗矩阵，本程序采用LDU 分解法，然后利用节点导纳矩阵和阻抗矩阵的乘积为单位矩阵列写方程，节点导纳矩阵经LDU 分解后，回代求解系统阻抗矩阵。利用节点阻抗矩阵进行短路计算，首先利用故障信息工程学院课程设计（论文）3前的节点注入电流和系统节点阻抗矩阵求取故障前系统的各节点电压；然后，利用金属短路时短路点残压为0,对地电阻为0，计算短路点电流；最后，利用故障前节点电压、节点阻抗和短路点电流求得短路后各节点电压和各支路电流。1.2 实现方式matlab 是一种解释性语言，集成化，专门用于和数学相关的工程计算，数值运算matlab 是很简便强大，它提供了基本的数学算法，例如矩阵运算、数值分析算法， MATLAB 集成了 2D 和 3D 图形功能，以完成相应数值可视化的工作，并且提供了一种交互式的高级编程语言 M 语言，利用 M 语言可以通过编写脚本或者函数文件实现用户自己的算法。典型的应用于：数学和计算；算法开发；建模、模拟和原形化；数据分析，探索和可视化；科学与工程制图 ；应用开发，包括图形用户界面的建立等广大领域。但是由于客观原因，对 matlab 的操作不是很熟练，还处于基础学习阶段，不利于设计的顺利完成与实现。C 语言是面向对象的基础语言。更多的用于底层函数开发，软件开发，单片机控制等，C 语言是一种计算机程序设计语言。它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。它的应用范围广泛，具备很强的数据处理能力，不仅仅是在软件开发上，而且各类科研都需要用到 C 语言，适于编写系统软件，三维，二维图形和动画。具体应用比如单片机以及嵌入式系统开发。它把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。C 语言可以像汇编语言一样对位、字节和地址进行操作，而这三者是计算机最基本的工作单元。结构式语言代码及数据的分隔化，即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。这种结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护以及调试。C 语言以函数形式提供给用户，这些函数可方便的调用，并具有多种循环、条件语句控制程序流向，从而使程序完全结构化。功能齐全。具有各种各样的数据类型，并引入了指针概念，可使程序效率更高。而且计算功能、逻辑判断功能也比较强大，可以实现决策目的的游戏。适用范围大。适合于多种操作系统，如Windows、DOS、UNIX 等等；也适用于多种机型。C 语言对编写需要硬件进行操作的场合，明显优于其它高级语言，有一些大型应用软件也是用 C 语言编写的。主观上分析，由于有 C 语言的学习基础，对 C 语言的熟练程度更深，和兴趣所在，决定选择 C 语言实现设计目的。信息工程学院课程设计（论文）42 总体设计2.1 功能实现输入数据形成节点导纳矩阵并进行三角分解选择故障节点 f计算阻抗矩阵第 f 列元素利用公式（1.1）计算短路电流 If利用公式（1.2）计算各节点电压利用公式（1.3）计算指定支路电流输出结果图 1-1 对称短路计算原理图信息工程学院课程设计（论文）52.1 程序流程图3.1.1 主程序流图N用户界面进入操作选择工作模式模式 1 模式 2 模式 3进入创建系统子函数 进入调取系统函数进入计算子函数是否改变短路点调出数据修改节点程序结束图 1-2 主流程图开始信息工程学院课程设计（论文）63 详细设计3.1 主要程序流程图3.1.1 创建新数据输入文件名输入节点数、支路数、故障节点输入电抗支路参数输入发电机支路参数输入电容支路参数开始结 束图 1-3 创建新数据信息工程学院课程设计（论文）73.1.2 调取数据程序开始输入文件名输出相应参数进入下一个函数结 束图 1-4 调取数据3.1.4 改变节点子程序开始输入短路节点读取数据运算子程序结 束图 1-6 改变节点子程序信息工程学院课程设计（论文）83.1.3 计算子程序 NY读入参数求节点导纳矩阵求取 LDU 分解因子表矩阵下三角求解完成？求取 DUZj 向量求取节点阻抗矩阵列向量求取短路点电流求取节点电压求取支路电流建立文件存储结果结 束图 1-5 计算子程序信息工程学院课程设计（论文）93.2 程序算法及变量说明3.2.1网络中任意一点电流计算公式：（ 1.1 ）pqpqkVIz在不要求精确计算的场合，可以不计负荷电流的影响。在形成节点导纳矩阵时，所有节点的负荷都略去不计，短路前网络处于空载，各节点电压的正常分量的标幺等于1。（ 1.2 ） 1fffIZ网络任意节点电压计算公式：（ 1.3 ）1ifi ffVZ3.2.2本程序中将电路的支路分为三类：电抗支路、电流支路、发电机直流，数据输入时分开输入格式如下：电抗支路：支路数、节点首端好、节点末端好，支路电抗值。发电机支路：发电机台数、发电机接入点，发电机电势、发电机之路电抗。电容支路：支路数、电容节点号，电容支路电抗值。程序中的变量定义如下：FILE *fp; /文件指针float If; /短路电流float V010; /节点电压初值float In10; /注入电流float V10; /节点电压float I10; /支路电流信息工程学院课程设计（论文）10int count210; /数组用于储存支路号float z1010; /储存支路电抗值float yjs1010; /存放计算导纳矩阵中的中间值float ye10; /储存发电机支路导纳float Y1010; /节点导纳矩阵float Z1010; /阻抗矩阵float dk; /电抗值int e110;float yc10; /节点对地电抗float ycjs10;int e10; /发电机接入点float E10;float Ig10;float Emid10;float ze10; /储存发电机支路导纳电力系统分析课程设计6int m,n,a,f,i=0,j=0,sd,md,butn,times,timesc;/*n 是节点数，a 是支路数，f 是短路点，i 为行标，j 为列标*/1、文件读入程序如下：printf(“请输入系统的节点数，支路数，故障节点n“);scanf(“%d%d%d“,fp=fopen(name,“w+“);fprintf(fp,“系统参数如下所示:nn“);fprintf(fp,“1.系统的节点数为%dn2.系统的支路数为%dn3.系统的短路点为%dnn“,n,a,f);fprintf(fp,“支路电抗参数如下n“);2、计算主程序如下：（1）、If=V0f-1/Zf-1f-1;（短路电流计算）for(i=0;i#include #include 声明外部函数extern void create();extern void load();extern void quit();extern void change(char name20);extern void calculate(char name20)float If; /短路电流float V010; /节点电压初值float In10; /注入电流float V10; /节点电压float I10; /支路电流int count210; /数组用于储存支路号float z1010; /储存支路电抗值float yjs1010; /存放计算导纳矩阵中的中间值float ye10; /储存发电机支路导纳float Y1010; /节点导纳矩阵float Z1010; /阻抗矩阵float dk; /电抗值int e110;float yc10; /节点对地电抗float ycjs10;int e10; /发电机接入点float E10;float Ig10;float Emid10;float ze10; /储存发电机支路导纳int m,n,a,f,g,i=0,j=0,sd,md,butn,times,timesc;/*n是节点数，a是支路数，f是短路点，i为行标，j为列标for(i=0;i0)for(m=0;m=0;i-)if(i=(n-1)Zij=hi;else sum=0;for(kk=i+1;kkf-1)printf(“V%d=%.4fn“,i+1,Vi);elseprintf(“V%d=0.0000n“,i+1,Vi);printf(“*n“);printf(“3、发电机支路电流如下:n“);for(m=0;mf-1)fprintf(fp,“V%d=%.4ft“,i+1,Vi);elsefprintf(fp,“V%d=0t“,i