课程设计--电力系统短路故障的计算机算法程序设计.doc

信息工程学院课程设计（论文） 1 信息工程系信息工程系 2011-20122011-2012 学年度下学期电力系统分析课程设计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 班 级 K0309414 指导教师 钟建伟 信息工程学院课程设计（论文） 2 信息工程学院课程设计任务书信息工程学院课程设计任务书 学生姓名 学 号 成 绩 设计题目 电力系统短路故障的计算机算法程序设计 设 计 内 容 电力系统故障的计算程序设计及编制和调试。 1计算机计算原理 2电力系统短路计算计算机算法 （1）对称短路计算 （2）简单不对称短路计算 设 计 要 求 1在对称短路计算、简单不对称短路计算中任选一种计算作为计算作业。 2计算机语言自选。 3设计、编制、调试出相关的通用计算程序。 4输入输出数据一律以文件格式形成。 （1）对称短路计算的输入输出数据 （2）简单不对称短路计算的输入输出数据 5要求计算的题目 （1）采用所编制的程序进行电力系统分析例 6-3 题，习题 6-10、 6-11 对称短路计算； 时 间 安 排 周一：分析短路计算的原因、类型、后果。 周二：电力系统短路电流计算。 周三：画出程序流程图。 周四：写出程序。 周五:实例计算。 参 考 资 料 （1） 电力系统分析 （上册） 华中科技大学出版社 何仰赞 （2） 电力系统故障的计算机辅助分析 重庆大学出版社 米麟书等 （3） 电力系统故障分析 清华大学出版社 周荣光 （4） 短路电流实用计算方法 电力工业出版社 西安交通大学等 （5） 电网计算与程序设计 湖南科学技术出版社 周作仁等 （6） 电力系统计算 水利电力出版社 周孝信等 （7） 电力系统计算 水利电力出版社 西安交通大学等 信息工程学院课程设计（论文） 3 电力系统短路故障的计算机算法程序设计电力系统短路故障的计算机算法程序设计 目录 1 前言4 1.1 短路的原因4 1.2 短路的类型4 1.3 短路计算的目的4 1.4 短路的后果5 2 电力系统三相短路电流计算6 2.1 电力系统网络的原始参数6 2.2 制定等值网络及参数计算6 2.2.1 标幺制的概念6 2.2.2 有三级电压的的网络中各元件参数标幺值的计算7 2.2.3 计算各元件的电抗标幺值7 2.2.4 系统的等值网络图 10 3 程序设计 11 3.1 主流程图 11 3.2 详细流程图 12 3.2.1 创建系统流程图 12 3.2.2 加载系统函数流程图 13 3.2.3 计算子函数流程图 14 3.2.4 改变短路点流程图 15 3.3 数据及变量说明 15 3.4 程序代码及注释 16 3.5 测试例子 17 4 结论 23 5 参考文献 24 信息工程学院课程设计（论文） 4 1 1 前言前言 因为它们会破坏对用户的供电和电气设备的正常工作，而且还可能对人生命财产产生 威胁。从在电力系统的设计和运行中，都必须考虑到可能发生的故障和不正常运行的情况， 电力系统的实际运行情况看，这些故障绝大多数多数是由短路引起的，因此除了对电力系 统的短路故障有一较深刻的认识外，还必须熟练掌握电力系统的短路计算。 短路是电力系统的严重故障。所谓短路，是指一切不正常的相与相之间或相与地（对于中 性点接地的系统）发生通路的情况。 1.11.1 短路的原因短路的原因 产生短路的原因很多，主要有如下几个方面：（1）元件损坏，例如绝缘材料的自然 老化、设计、安装及维护不良所带来的设备缺陷发展成短路等；（2）气象条件恶劣，例如 雷击造成的网络放电或避雷器动作，架空线路由于大风或导线覆冰引起电杆倒塌等；（3） 违规操作，例如运行人员带负荷拉闸，线路或设备检修后未拆除接地线就加上电压等； （4）其他，如挖沟损伤电缆，鸟兽跨接在裸露的载流部分等。 1.21.2 短路的类型短路的类型 在三相系统中，可能发生的短路有：三相短路、两相短路、两相短路接地和单相接地 短路。三相短路也称为对称短路，系统各项与正常运行时一样仍处于对称状态。其他类型 的短路都是不对称短路。 电力系统的运行经验表明，在各种类型的短路中，单相短路占大多数，两相短路较少， 三相短路的机会最少。三相短路虽然很少发生，但情况较严重，应给予足够的重视。况且， 从短路计算方法来看，一切不对称短路的计算，在采用对称分量法后，都归结为对称短路 的计算。因此，对三相短路的的研究是具有重要意义的。 1.31.3 短路计算的目的短路计算的目的 在电力系统的设计和电气设备的运行中，短路计算是解决一系列问题的不可缺少的基 本计算，这些问题主要是： （1）选择有足够机械稳定度和热稳定度的电气设备，例如断路器、互感器、瓷瓶、母 线、电缆等，必须以短路计算作为依据。这里包括计算冲击电流以校验设备的电动力稳定 度；计算若干时刻的短路电流周期分量以校验设备的热稳定度；计算指定时刻的短路电流 有效值以校验断路器的断流能力等。 （2）为了合理地配置各种继电保护和自动装置并确定其参数，必须对电力网中发生的 各种短路进行计算和分析。在这些计算中不但要知道故障支路中的电流值，还必须知道电 流在网络中的分布情况。有时还要知道系统中某些节点的电压值。 （3）在设计和选择发电厂和电力系统主接线时，为了比较各种不同方案的接线图，确 定是否需要采取限制短路电流的措施等，都要进行必要的短路电流计算。 （4）进行电力系统暂态稳定计算，研究短路对用户工作的影响等，也含有一部分短路 计算的内容 信息工程学院课程设计（论文） 5 此外，确定输电线路对通讯的干扰，对已发生故障进行分析，都必须进行短路计算。 在实际工作中，根据一定的任务进行短路计算时，必须首先确定计算条件。所谓计算 条件，一般包括，短路发生时系统的运行方式，短路的类型好发生的地点，以及短路发生 后所采取的措施等。从短路计算的角度来看，系统运行方式指的是系统中投入运行的发电、 变电、输电、用电的设备的多少以及它们之间相互联接的情况，计算不对称短路时，还包 括中性点的运行状态。对于不同的计算目的，所采用的计算条件是不同的。 1.41.4 短路的后果短路的后果 随着短路类型、发生地点和持续时间的不同，短路的后果可能指破坏局部地区的正常 供电，也可能威胁整个系统的安全运行。短路的危险后果一般有以下的几个方面： （1）短路故障使短路点附近的支路中出现比正常值大许多倍的电流，由于短路电流的 电动力效应，导体间将产生很大的机械应力，可能使导体和它们的支架遭到破坏。 （2）短路电流使设备发热增加，短路持续时间较长时，设备可能过热以致损坏。 （3）短路时系统电压大幅度下降，对用户影响很大。系统中最主要的电力负荷是异步 电动机，它的电磁转矩同端电压的平方成正比，电压下降时，电动机的电磁转矩显著减小， 转速随之下降。当电压大幅度下降时，电动机甚至可能停转，造成产品报废，设备损坏等严 重后果。 （4）当短路发生地点离电源不远而持续时间又较长时，并列运行的发电厂可能失去同 步，破坏系统稳定，造成大片地区停电。这是短路故障最严重后果。 （5）发生不对称短路时，不平衡电流能产生足够的磁通在邻近的电路内感应出很大的 电动势，这对于架设在高压电力线附近的通讯线路或铁道讯号系统等会产生严重的影响。 信息工程学院课程设计（论文） 6 2 2 电力系统三相短路电流计算电力系统三相短路电流计算 2.12.1 电力系统网络的原始参数电力系统网络的原始参数 ： S1 ： S2 230kV 345kV f2 f1 ： G1 ： G2 ： G3 T4 T1T2 T3 f3 L1 L3 L2 15.75kV 图 2.1 电力系统接线图 电力系统接线如上图所示。S1 ，S2 为无穷大电源系统，电抗为零。 发电机 G1 -G2 为汽轮发电机，每台 400MVA，xd=0.285，负序电抗 x2 =0.29； 发电机 G3 为水轮发电机，280MVA，xd=0.203，负序电抗 x2 =0.22； 变压器 T1 、T2 ，每台 410MVA，Vs %=14.6，x0 x1 ； T3变压器，260MVA，Vs %=14.1，x0 x1 ； T4变压器，360MVA，Vs %=8.3，x0 x1 ； L1 线路，180km，x1 =0.405/km，x0 3x1 ； L2 线路，220km，x1 =0.33/km，x0 3x1 ； L3 线路，95km，x1 =0.405/km，x0 3x1 ； 2.22.2 制定等值网络及参数计算制定等值网络及参数计算 2.2.12.2.1 标幺制的概念标幺制的概念 信息工程学院课程设计（论文） 7 在一般的电路计算中，电压、电流、功率和阻抗的单位分别用 V，A，W， 表示，这 种用实际有名单位表示物理量的方法称为有名单位制。在电力系统计算中，还广泛的使用 标幺制。标幺制是相对单位制的一种，在标幺制中各物理量都用标幺值表示。标幺值定义 由下式给出： 标幺值=（2-1） 位）基准值（与有名值同单 ）实际有名值（任意单位 由此可见，标幺值是一个没有量纲的数值，对于同一个实际的有名值，基准值选得不 同，其标幺值也就不同。因此，当我们说明一个量的标幺值时，必须同时说明它的基准值， 否则，标幺值的意义是不明确的。 当选定电压、电流、功率和阻抗的基准值分别为,和时，相应的标幺值 B V B I B S B Z 如下： * * * * 22 B B BBBB BBBB V V V I I I SPjQPQ SjPjQ SSSS ZRjXRX ZjRjX ZZZZ 22 2.2.22.2.2 标幺值的选择标幺值的选择 在电力系统分析中，主要涉及对称三相电路计算。计算时习惯上多采用线电压 V，线 电流 I，三相功率 S 和一相等值阻抗 Z，各物理量之间存在下列关系： （2） S V P P VIS ZIV 33 33 同单相电路一样，应使各量基准值之间的关系与其有名值间的关系具有相同的方程式： (3) SIVIVS VIZV BPBBPBBB BPBBB 333 33 选择在标幺制中便有： (4) SIVS VIZV P P * * 由此可见，在标幺制中，三相电路的计算公式与单相电路的计算公式完全相同，线电 压和相电压的标幺值相等，三相功率和单相功率的标幺值相等。在选择基准值时，习惯上 信息工程学院课程设计（论文） 8 也只选 VB和 SB 。由此得： S V I V Z B B B B B 2 3 V S I B B B 3 这样，电流和阻抗的标幺值则为： (5) V S V S xR Z Z S V I I B B B B B B B B jxRj jxR I I 22* * 3 采用标幺值进行计算，所得结果最后还要换算成有名值，其换算公式为： （6） S V xR SS V S III VV B B B B B B B jZ S I V 2 * * * * )( 3 2.2.22.2.2 有三级电压的的网络中各元件参数标幺值的计算有三级电压的的网络中各元件参数标幺值的计算 T-1T-2 k1：1k2:1 k1*:1k2*:1 G R C XGXT1XLXT2XRXC XG *XT1*XL*XT2*XR*XC* L IIIIII (a) (b) (c) 图 2.2 有三段不同电压等级的输电系统 电力系统中有许多不同电压等级的线路段，它们由变压器来耦联。图 2.2（a）表示了 由三个不同电压等级的电路经两台变压器耦联所组成的输电系统，略去各元件的电阻和变 压器的励磁支路，可以算出各元件的实际有名值，变压器的漏抗均按原方绕组电压计算， 这样我们就得到各元件电抗用实际有名值表示的等值电路，如图 2.2（b）所示，图中 ， ， S V xx NG NG NGG )( 2 )( )*( S V xx N N N T T TT )( 2 )( )*( 1 1 11 V V T NT NT k )( )( 1 1 I1 信息工程学院课程设计（论文） 9 ， ， I Vx x NR NR R R )( 2 )( 3100 % S V xx N N T NT TT )( 2 )( )*( 2 2 22 V V T NT NT k )( )( 2 III2 II2 XL和 XC分别是架空线路 L 和电缆线路 C 的实际电抗。百分值也是一种相对单位制，对 于同一物理量，如果基准值相同，则百分值=100标幺值，对于变压器，其标幺电抗 xT(N)* 常用下式计算： 100 % )*( V x S NT 由于三段电路的电压等级不同，彼此间只是通过磁路耦合而没有直接的电气联系，可 以对各段电路分别选基准电压。假定分别选 VB()，VB（），VB（），至于功率，整个输电系 统用统一，所以各段的基准功率都为 SB。 选定基准电压后，可对每一元件都按各段的基准电压用公式（5）将其电抗的实际有名 值换算成标幺值，即 ， ， V S xx B B GG2 )( * V S xx B B TT 2 )( 1*1 V S xx B B LL2 )( * ， V S xS B B TT 2 )( 2*2 V S xx B B RR2 )( * ， VV VV k k k BB NN B TTT T ）（）（ ）（）（ 111 *1 )( VV VV k k k BB NN B TTT T ）（）（ ）（）（ 222 *2 )( （7） 用标幺参数表示的等值电路如图（c）所示，其中变压器 kB（- -）=VB（）/VB（）为第 I 段和第 II 段的基准电压之比，称为基准变比。 通常选择适当基准电压，使变压器电路得到简化，比如选择 I，II 段基准电压之比 kB（-），等于变压器下的变比 kT1，I,II 段的基准电压之比等于变压器 T2的变比 kT2，则 可得 kT1*=1，kT2*=1，这样在标幺参数的电路中就不需串联理想变压器了。 在实际的计算中，总是把基准电压选得等于（或接近于）该电压级的额定电压。这样 可以从计算结果清晰地看到实际电压偏离额定值的成程度。为了解决上述的困难，在工程 计算中规定，各个电压等级都以其平均额定电压 Vav作为基准电压，根据我国现行的电压 等级，各级平均额定电压规定为： 3.15，6.3，10.5，15.75，37，115，230，345，525（kV） 在分段计算中以上述平均额定电压作为各级基准电压。 2.2.32.2.3 计算各元件的电抗标幺值计算各元件的电抗标幺值 在本次实验中，选取 SB=1000MVA，VB=Vav 信息工程学院课程设计（论文） 10 7125 . 0 400 1000 285 . 0 2 1 )( 2 )(1 *)(1*2*1 V S S V xxx B B NG G GGG N N 7250 . 0 280 1000 203 . 0 2 3 )( 2 )(3 *)(3*3 V S S V xx B B NG G GG N N 3561 . 0 410 1000 146 . 0 100 % 2 )( 2 1)(1 )(1 1 2*1 V S S VV xx TN N B B T TS TT 5423 . 0 260 1000 141 . 0 100 % 2 )( 2 3)(3 )(3 3 *3 V S S VV x TN N B B T TS T 2306 . 0 360 1000 083 . 0 100 % 2 )( 2 4)(4 )(4 4 *4 V S S VV x TN N B B T TS T 3780 . 1 230 1000 180405 . 0 22 )( 1 1*1 V S xx L B B LL 6100 . 0 345 1000 22033 . 0 22 )( 2 2*2 V S xx L B B LL 7273 . 0 260 1000 95405 . 0 22 )( 3 3*3 V S xx L B B LL 2.2.42.2.4 系统的等值网络图系统的等值网络图 1.3780 0.3561 0.7125 0.3561 0.7125 0.72730.2306 0.6100 0.5423 0.7250 S1S2 321 图 2.3 电力系统的等值网 信息工程学院课程设计（论文） 11 3 3 程序设计程序设计 3.13.1主体流程图主体流程图 图 3-1 主体流程图 3.23.2详细流程图详细流程图 3.2.13.2.1 创建系统（创建系统（createcreate）流程图）流程图 开始 欢迎使用 用户选择操作，按键 1 2 3 进入创建系统子函数（create）进入加载系统子函数（load） 进入退出子函数进入计算子函数（calculate） 改短路点子函数（change） 是否改路点？ 结束 是 信息工程学院课程设计（论文） 12 图 3-2 create 函数流程图 3.2.23.2.2 加载系统函数（加载系统函数（loadload）流程图）流程图 图 3-3 节点导纳矩阵形成流程图 3.2.3 计算子函数（calculate）流程图 输入系统文件 名 输出查看系统参数 选择进入下一个子函 数 输入文件名 输入电抗支路参数 结束 输入节点数、支路数、故障节点 输入发电机支路参数 输入电容支路参数 信息工程学院课程设计（论文） 13 图 3-4 计算子函数流程图 3.2.4 改变短路节点（change）流程图 文件读入电路参数 求取 LDU 分解的因子表矩阵下三角 求取 DUZj 向量 求解完毕？ 否 是 结束 求取节点阻抗矩阵列向量 根据支路参数建立节点导纳矩阵 求取短路点电流 求取节点电压 求取支路电流 建立文件存储计算结果 结束 信息工程学院课程设计（论文） 14 图 3-5 change 函数流程图 3.33.3数据及变量说明数据及变量说明 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 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,i=0,j=0,sd,md,butn,times,timesc;/*n 是节点数，a 是支路数，f 是短 输入短路点 从新读取文件中的参数 选择进入下一个子函 数计算 信息工程学院课程设计（论文） 15 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) 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 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); else printf(“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); else fprintf(fp,“V%d=0t“,i+1,Vi); fprintf(fp,“n6、发电机支路电流如下:n“); for(m=0;mVj) Ii=(Vj-Vi)/zij; fprintf(fp,“I%d%d=%.4ft“,count0m,count1m,Ii); else Ii=(Vi-Vj)/zij; fprintf(fp,“I%d%d=%.4ft“,count1m,count0m,Ii); 信息工程学院课程设计（论文） 33 fclose(fp); break; /*短路计算完成，选择操作*/ printf(“*n“); printf(“短路计算已经完成，请选择下列操作n 新建一个系统请按“); print