（电力系统及其自动化专业论文）电力系统短路电流暂态解析法计算及其软件开发.pdf

t r a n s i e n ta n a l y s i sm e t h o da c c o u n to fs h o r tc i r c u i tc u r r e n t f o rp o w e rs y s t e ma n di t ss o f t w a r ee x p l o i t a t i o n b y m ax i n h u i b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g 1 n e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n l n c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rm as h i y i n g ，z h o ur e n j u n a p r i l ，2 0 1 1 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本 论文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：两期良日期：夕年 岁月 匀日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：乃稚落 日期：刎年 瑚刁日 导师签名：弓z 峻日期：加c f 年 r 月7 日 7 j 摘要 电力系统短路电流计算是发电厂、变电所等工程设计工作中重要的设计计算 内容之一，短路电流计算结果的精确性直接影响到工程建设的经济性和运行的安 全性、可靠性。由于电力系统结构复杂，国内外一直以来都在不断研究和改进电 力系统短路电流计算方法。随着大型发电厂的单机容量、总装机容量和互联电力 系统的容量不断增大，短路电流水平越来越高，所需的高压开关电器开断能力越 来越接近现有技术的极限制造能力，设计部门需要精确可靠的短路电流计算结果。 现有以运算曲线为基础的手工短路电流计算和稳态短路电流计算机计算软件，已 不能满足工程设计的需要。 为了满足实际工程设计对短路电流计算精度和简便性的要求，文章采用了短 路电流暂态解析法计算，并设计开发了该算法软件。短路电流暂态解析法计算软 件开发以电力网络节点导纳矩阵为数学模型，系统元件阻抗不仅计及了电抗，更 计及了电阻，同时引入了等效电压源的电压系数c ，确定了计算方法流程，设计 了算法软件开发思路，研究了系统元件电阻电抗计算模块和短路电流计算模块等 各种数据编程模块，给出了各数据编程模块子程序具体流程，并在此基础上采用 面向对象的c 群语言，编制了各数据功能模块子程序，实现了短路电流计算软件开 发。选择国标三相交流系统短路电流计算中的算例，测试了开发的软件在电力系 统短路电流计算中的科学可靠性和简便高效性。 软件测试过程证明，开发的短路电流计算软件；能得到如计算三相短路、两 相短路、单相接地短路等短路电流结果，计算结果精确，能为电气设备选型等提 供更可靠的科学依据；而且能较好地适应工程实际的需要，只要把系统元件原始 参数输入到界面中，即可自动转化为电阻电抗显示在节点编辑里，短路电流计算 更加简便；计算软件不仅实现了短路电流的输出，同时实现了短路电流计算中间 重要数据节点导纳矩阵、三角分解和短路点的短路自阻抗的输出，便于用户查看， 发现问题，及时修改，提高工程设计工作效率。 关键词：电力系统；短路电流；暂态解析法；电压系数；c # ；软件；算例 a bs t r a c t t r a n s i e n ti n i t i a lv a l u eo fs h o r tc i r c u i tc u r r e n ta c c o u n tf o rp o w e rs y s t e mi so n eo f i m p o r t a n td e s i g n i n gc o u n tc o n t e n t si nt h ee n g i n e e r i n gd e s i g n i n gw o r k so fp o w e r p l a n t sa n de l e c t r i cp o w e rs u b s t a t i o n s ，t h ee c o n o m yo fe n g i n e e r i n gs t r u c t u r ea n d s e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yo ff u n c t i o ni sd i r e c t l yi n f e c t e db yt h ea c c u r a c yo ft r a n s i e n t i n i t i a lv a l u ea b o u ta c c o u n tr e s u l ti nt h es h o r tc i r c u i tc u r r e n t b e c a u s eo fc o n f i g u r a b l e c o m p l e x i t yo fp o w e rs y s t e m ，d i f f e r e n tm e t h o d sa b o u ta c c o u n tm e t h o do fs h o r tc i r c u i t c u r r e n tf o rp o w e rs y s t e ma r eb e e nr e s e a r c h i n ga l lt h et i m ea th o m ea n da b r o a d w i t h t h es i n g l e m a c h i n ec a p a c i t yo fl a r g e - s c a l ep o w e r p l a n t s ，i n s t a l l e dg r o s sc a p a c i t ya n d c a p a c i t yo fi n t e r c o n n e c t e dp o w e rs y s t e ma r ec o n t i n u o u s l yb e e na u g m e n t i n g ，a n dt h e i n c r e a s i n g l yh i g hl e v e l so fs h o r tc i r c u i tc u r r e n t ，r e q u i r e db r e a k i n gc a p a c i t yo fh i g h v o l t a g es w i t c he l e c t r i ca p p l i a n c ei s m o r ea n dm o r ec l o s et ot h e m a n u f a c t u r i n g c a p a c i t yo fc u r r e n t l yt e c h n i c a lh i g h p o i n t ，a c c o u n tr e s u l to fa c c u r a t ea n dc r e d i b l e s h o r tc i r c u i tc u r r e n ti sn e e d e db yd e s i g nd e p a r t m e n t c u r r e n t l yh a n d w o r ks h o r tc i r c u i t c u r r e n ta c c o u n tb a s i n go nt h eo p e r a t i o nc u r v ea n ds t e a d ys t a t es h o r tc i r c u i tc u r r e n t a c c o u n t c o m p u t e rs o f t w a r e ，c a nn o tm e e tt h en e e d s o fe n g i n e e r i n gd e s i g n i n g r e q u i r e m e n t s o l v e dm e t h o do fr e q u i s i t e p r o b l e ma b o u te x i s t i n ga c c u r a c yo fs h o r tc i r c u i t c u r r e n ta c c o u n ti sb r o u g h tf o r w a r dc r e a t i v e l yi nt h em a i nc o n t e n to ft a s k ，t h a ti st os a y , t r a n s i e n ts t a t e a n a l y t i c m e t h o da c c o u n to fs h o r tc i r c u i tc u r r e n ta n ds o f t w a r e e x p l o i t a t i o n i n t r o d u c e dt r a n s i e n ts t a t ea n a l y t i cm e t h o da c c o u n to fs h o r tc i r c u i t c u r r e n ti nt h et a s ki san u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o db a s e do nt h e s y s t e m o f d i f f e r e n t i a le q u a t i o n sa b o u tm a t h e m a t i cm o d e lo fp o w e rs y s t e m ，t h ea c c o u n tf l o wo f m e t h o di sc o n f i r m e d ，a n dc u r r e n ts o f t w a r ee x p l o i t a t i o nl a n g u a g e sa r et a k e na l lf a c t o r s i n t oc o n s i d e r a t i o nb a s e do nt h ea c c o u n tm e t h o d ，t h eo b je c to r i e n t e dc 撑l a n g u a g ei s a d o p t e d ，t h et r a i no ft h o u g h ta b o u ts o f t w a r ee x p l o i t a t i o no fa c c o u n tm e t h o d ，s u c ha s a c c o u n tm o d u l ea b o u tr e s i s t a n c ea n dr e a c t a n c eo fe l e m e n ti nt h ep o w e rs y s t e m ， a c c o u n tm o d u l eo fs h o r tc i r c u i tc u r r e n t ，a n ds oo na r er e s e a r c h e d ，t h eo b je c to r i e n t e d c 撑l a n g u a g ei sa d o p t e d ，w h i c hi sc a r r i e dt h r o u g hs o f t w a r ee x p l o i t a t i o na b o u tt r a n s i e n t s t a t ea n a l y t i cm e t h o da c c o u n to fs h o r tc i r c u i tc u r r e n t ，t h es o f t w a r ei sv a l i d a t e db y a c c o u n te x a m p l eo fg bt h r e e p h a s ea cs y s t e ms h o r t - - c i r c u i tc u r r e n tc a l c u l a t i o na n d t h ev a l i d a t e dr e s u l ts h o wt h a ti ti sr i g h ta n df e a s i b l ei nt h es h o r tc i r c u i tc u r r e n t a c c o u n to fp o w e r s y s t e m s o f t w a r et e s t i n gp r o c e s sp r o v e d ，t h es h o r tc i r c u i tc u r r e n tc a l c u l a t i o n sm a n a g e d b yt h et r a n s i e n ti n i t i a lv a l u eo p t i m i z a t i o nm e t h o da r ep r e c i s e ，t h e ya r ep r o v i d e dw i t h m o r es c i e n t i f i ca n dr e l i a b l eb a s i so ns e l e c t i o no fe l e c t r i c a le q u i p m e n t t h ec a l c u l a t i o n s o f t w a r eo ft r a n s i e n ta n a l y s i sm e t h o do fs h o r tc i r c u i tc u r r e n tc a ng e tc a l c u l a t i o n si n d i f f e r e n tt y p e so fc i r c u i tc u r r e n t ，s u c ha st h r e e - p h a s ec i r c u i tc u r r e n t ，t w o - p h a s ec i r c u i t c u r r e n ta n ds i n g l e p h a s es h o r tc i r c u i t e s t ；a n dc a nb e t t e ra d a p tt ot h en e e d so f e n g i n e e r i n g ，t h eo r i g i n a lp a r a m e t e r so f t h es y s t e mc o m p o n e n t sa sl o n ga st h ei n p u tt o t h ei n t e r f a c ec a nb ea u t o m a t i c a l l yc o n v e r t e di n t or e s i s t a n c er e a c t a n c ed i s p l a y e do nt h e n o d ee d i t i n g ，t h es h o r t - c i r c u i tc u r r e n tc a l c u l a t i o ne a s i e r ；c a l c u l a t i o ns o f t w a r en o to n l y t oa c h i e v eas h o r t c i r c u i tc u r r e n to u t p u t ，w h i l ea c h i e v i n gas h o r t c i r c u i tc u r r e n t c a l c u l a t i o no f i m p o r t a n t d a t ab e t w e e nn o d a la d m i t t a n c e m a t r i x ，t r i a n g u l a r d e c o m p o s i t i o na n ds h o r tc i r c u i ts i n c et h ei m p e d a n c eo ft h eo u t p u ts h o r t c i r c u i t ， u s e r - f r i e n d l yl o o ka n df o u n dt h ep r o b l e m ，b er e v i s e d s ot h a ts h o r t c i r c u i tc u r r e n t c a l c u l a t i o n sa r em o r es i m p l i f i e di nf u t u r e ，a n dc a n i m p r o v ed e s i g ne f f i c i e n c y k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ；s h o r tc i r c u i tc u r r e n t ；t r a n s i e n ts t a t ea n a l y t i cm e t h o d ； v o l t a g ec o e f f i c i e n t ；c 撑；s o f t w a r e ；a c c o u n te x a m p l e i l l 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义1 1 2 计算方法和相关软件现状2 1 2 1 运算曲线法3 1 2 2 电力系统分析综合程序p s a s p 4 1 2 3 电力系统暂态稳定程序p s d b p a 4 1 2 4 计算方法及软件分析比较5 1 3 本文所做的工作和文章结构5 第二章短路电流暂态解析法计算分析 2 1 暂态解析法计算7 2 1 1 暂态解析法7 2 1 2 计算原理7 2 1 3 数学模型1 1 2 2 算法分析1 1 2 3 算法流程1 2 2 3 1 系统电气设备电阻电抗12 2 3 2 节点导纳矩阵18 2 3 3 三角分解18 2 3 4 短路电流计算1 9 2 4 本章小结2 0 第三章算法软件开发 3 1 面向对象的c 撑语言简介2 l 3 1 1c 撑语言2 l 3 1 2 面向对象2 2 3 2 软件开发思路2 2 3 2 1 总体设计2 2 3 2 2 数据计算设计2 3 3 3 软件数据编程模块2 6 3 3 1 系统元件电阻电抗计算模块2 6 参考文献4 9 致j 射5 3 附录a 攻读学位期间发表的论文及参与课题5 4 附录b 软件数据编程模块源程序 b 1 系统元件电阻电抗计算模块源程序5 5 b 2 节点导纳矩阵模块源程序6 4 b 3 三角分解模块源程序6 6 b 4 短路电流计算模块源程序6 7 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论 电力系统是当今世界覆盖面最广、规模最大、结构最复杂的人造系统之一。 由于电能的生产、输送、分配和使用具有同时进行的特殊性，对电力系统运行的 基本要求可概括为安全、优质和经济，也就是说保证系统运行的安全可靠性、保 证良好的电能质量和保证系统运行的经济性这三个基本的要求【l 】。电力系统运行 的安全可靠性主要是指即使在系统发生某些故障，也要保证对用户的持续供电， 并保证系统本身设备的安全。电力系统中危害最严重的故障是短路故障，因此电 力系统短路故障问题，特别是短路电流问题一直都受到电力科技工作者的重视。 短路主要分为两类：一类是对称短路，又叫三相短路厂( 3 ) ；另一类是不对称 短路【2 3 】，不对称短路又包括三种基本短路类型，即：两相短路厂( 、单相接地短 路厂o ) 和两相接地短路f t 啦) 。 短路对电力系统的正常运行和电气设备有很大的危害，它所造成的后果是破 坏性的。短路所引起的破坏性后果主要是因为电力系统在发生短路时产生的短路 电流。除此之外，系统发生短路相当于改变了电力系统的结构，有可能导致并列 运行的发电机失去同步，破坏系统稳定，造成大片地区停电，这是短路故障的最 严重后果【2 - 3 1 。2 0 0 3 年下半年在北美和欧洲的几个国家相继发生的大停电事故就 是最有力的例证0 , 4 j 。 为了减少短路对电力系统造成的危害，保证系统安全可靠地运行，在电力系 统设计和运行中，除了在运行维护中应努力设法消除可能引起短路的一切原因， 还要采取限制措施来降低发生短路时所产生的短路电流【孓9 1 。在电力系统中有大量 的关于限制短路电流方法的研究，限制短路电流措施的具体研究详见参考文献 1 0 - 1 4 】。 本文短路电流计算软件开发是应中国水电顾问集团中南勘测设计研究院科技 项目的需求进行的，即电气一次专业设计实用软件开发和应用中的子题项目：短 路电流计算软件开发和应用。短路电流计算是电力系统的发电厂、变电所等工程 设计工作中重要的设计计算内容之一，特别是短路电流暂态初始值计算结果的精 确性直接影响到工程建设的经济性和运行的安全性、可靠性。因为工程计算基本 只要求计算短路电流暂态初始值，应用快速保护和高速保护后，断路器开断时间 小于0 1 s ，而且知道暂态初始值，也就近似确定了直流分量和冲击电流。随着大 型发电厂的单机容量、总装机容量和互联电力系统的容量不断增大，短路电流水 平越来越高，所需的高压开关电器开断能力越来越接近现有技术的极限制造能力， 设计部门需要精确、可信的短路电流计算结果。现有以运算曲线为基础的手工短 路电流计算已不能满足工程设计的需要。而且当前电力系统短路电流计算软件使 用复杂，需要输入的数据过多，影响工程设计工作效率，工程设计部门需要简便、 快捷和高效的短路电流计算软件，提高工作效率。因此，研究精确的短路电流计 算方法，开发能满足实际工程设计需要，简洁高效的短路电流计算软件，为工程 设计提供科学、可信的依据，同时便于与国际上的工程设计规范接轨，具有重要 的应用价值。 1 2 计算方法和相关软件现状 在电力系统中，国内外对电力系统短路故障问题进行了不同内容的研究，并 取得了显著的成果【l 孓博j 。短路电流的计算具有极其重要的目的，而且电力系统结 构复杂，所以短路电流问题是国内外研究的重点1 1 9 - 2 3 。文献 2 4 】研究了三相短路 故障i 陆界切除时间求解方法的在线应用，其方法可以提高三相短路时的临界切除 时间计算精度。文献【2 5 】研究建立了考虑转子铁心涡流的影响，汽轮发电机空载 时的励磁绕组匝间短路的多回路数学模型，此数学模型为检测和诊断汽轮发电机 的励磁绕组发生匝间短路时的相关研究提供了模型参考。文献 2 6 】通过研究定子 绕组温度场的变化规律和温升变化，可以判断出定子绕组发生的是槽内匝间局部 短路，还是整槽绕组短路，或是端部绕组发生了局部短路，从而更全面的分析诊 断了电机定子绕组的短路情况。文献1 2 7 1 通过研究发电机转子匝间短路时的故障 特征，分析了机端外部短路和定子绕组内部短路时的故障特征是与其它短路不同 的，提出了一种基于环流特性的转子绕组匝问短路诊断方法，从而为其故障检测 提供了依据。文献【2 8 】通过建立直流牵引供电系统时的短路电流暂态仿真计算模 型，研究了其短路电流暂态过程，从而对馈线保护整定计算具有重要意义。文献 【2 9 j 匝过研究对实际线路建立的相参数模型，分析了线路在短路时的暂态电流和 电压过程，从而为复合光缆地线系统热稳定校验及其地线绝缘间隙选择提供了理 论依据。文献 3 0 】研究了风力发电机组以并网双馈感应发电机机端短路时的情况 为主的短路电流，分析了其以分布式电源的方式接入配电网时的短路电流，会受 到如配电网的运行工况、短路点所在位置和双馈感应发电机接入点位置的影响， 并对上述问题进行了理论推导和仿真分析。 关于电力系统短路电流计算的研究较多，国内外出现了多种短路电流计算方 法及其软件程序开发【3 1 3 5 1 。如文献 3 6 】提出了一种少环配电网短路故障计算方法， 此计算方法是通过对电力网络变形，将环网解环转化为辐射状网络和短路进行模 拟的新端口，给出了环网解环和短路模拟的统一方法，在此基础上，完成了少环 配电网的短路计算。文献【3 7 】通过研究扩展的径向等值不变性( r e i ) 的等值网络应 2 用局部节点等值方程，提出了将r e i 等值法用在多节点配电系统短路电流的计算 上，即将外部系统的电源等值联接到边界节点上，此时边界节点归入保留节点， 原有源节点变为无源节点，化简了多节点配电系统的短路电流计算数学模型，从 而使其短路电流计算程序更简捷和实用，计算精度也得到了明显提高。文献 3 8 】 通过研究网孔等值电路法在短路电流计算中的应用，推导的计算公式不仅适用于 接有电力负荷、并联电抗器和并联电容器时的情况，在发电机的电势不等时也同 样适用。文献【3 9 】研究了电力系统三相短路电流计算的人工神经网络法，该方法 使用了自适应模型识别概念及其基于广义逆学习算法g i 的函数链网络f l n 技术， f l n 通过估计短路电流的基本特征，利用知识存贮及其并行分布处理，可以在极 短的时间内解决复杂的问题，因而在电力系统短路电流计算中，其计算方法可以 作为一种有效工具。 目前，电力系统短路电流计算普遍采用的方法和相关软件是运算曲线法、电 力系统综合分析程序p s a s p 和电力系统暂态稳定程序p s d b p a 。 1 2 1 运算曲线法 短路电流运算曲线是事先制作好的一种计算三相短路电流周期分量有效值的 曲线，它表明不同时刻短路点的短路电流周期分量有效值与短路计算电抗x 陆之 间的关系。其数学表达式如式( 1 1 ) 所示： = ( f ，x j , ) ( 1 1 ) 式中，x 加和玲均为标幺值，短路计算电抗x h 为从短路点至发电机端点的外电 路电抗。 所谓运算曲线法是指利用运算曲线求短路发生后任意时刻f 所对应的短路电 流周期分量有效值的方法【2 4 们。 2 0 世纪5 0 年代以来，我国电力部门曾长期采用从前苏联引进的一种运算曲 线，来计算任意时刻的短路电流。短路电流运算曲线表达了短路电流随计算电抗 的大小及时间的变化关系，同时也考虑了励磁系统对短路电流的影响。目前适用 的新短路电流运算曲线是我国根据国产机组的特性制作出来的，比以前沿用苏联 的更符合我国实际。不同的发电机，其参数不同，运算曲线也就不同。实际使用 的运算曲线，是按照我国电力系统的统计得到发电机的参数，逐台计算在不同的 x ，下，某时刻r 的短路电流，再取所有这些短路电流的平均值，作为运算曲线在 某时刻f 和计算电抗x 抽情况下的短路电流值1 2 】。同时需要特别注意的是，当计算 电抗x h 大于3 5 时，此时做无限大功率电源处理。 新的短路电流运算曲线是按汽轮发电机和水轮发电机分别绘制的，构成了两 套时间从0 一- , 4 s ，计算电抗从0 1 2 3 4 5 标准电抗值的运算曲线系列。当计算电 抗大于3 4 5 时，短路电流变化很小，认为短路周期电流不衰减【2 4 0 1 。运算曲线法 3 中标幺值的计算必须以发电机或等值发电机的额定容量为基准值，并且等值图中 发电机以次暂态电抗代表，不计系统中负荷的影响。 运用运算曲线法求取系统短路电流暂态初始值，是利用叠加原理将系统逐步 化简为各电源的计算电抗，然后查运算曲线得到的。采用短路电流运算曲线法计 算的短路电流暂态初始值是近似的，不够精确的，因为运算曲线法只计及了系统 电气设备的电抗，没有计及系统电气设备的电阻，而且运算曲线是拟合曲线，它 是汽轮发电机和水轮发电机系统在多种运行情况下的平均拟合曲线。 1 2 2 电力系统分析综合程序p s a s p 电力系统分析综合程序p s a s p 的开发始于1 9 7 3 年，当时是在早期的一种国 产晶体管计算机d j s 1 7 0 上用机器指令编写而成的。当时的计算机硬件水平很低， 存储量d , ( 2 1 k b ) ，计算速度慢( 1 万次秒) ，程序开发受到很大限制。相反，对计 算方法和编程技巧等方面要求却很高，即收敛性好、计算速度快、存储量占用小 等，以此满足实际电力系统的计算和分析需要。p s a s p 在国内率先采用稀疏矩阵 技术编写了牛顿法潮流计算程序、复杂故障暂态稳定计算程序和网络化简程序等， 从而使程序计算规模从原来的4 6 个节点扩展至2 0 0 个节点。 多年来，p s a s p 一方面不断增加扩展其功能，以适应飞速发展的电力系统计 算分析的需要；另一方面不断跟踪计算机新技术，使其更加友好方便。现在p s a s p 在计算分析功能方面包含了电力系统的潮流、暂态稳定和小干扰稳定等十几种计 算程序，涉及了稳态、暂态、线性、非线性和优化等各种分析手段，如今已发展 成为一个结构科学、使用方便、图文并茂、高度集成和开放的软件包【4 1 1 。 p s a s p 广泛应用于我国各省、香港地区的电力规划设计、生产调度运行、科 学研究、高等院校、大工业用电企业、地调和县调等，超过3 0 0 多家用户，成为 电力系统设计运行和实验研究的必备工具，解决了电力系统的大量关键技术问题。 近年来，国内多所大学和科研单位应用p s a s p 提供的用户自定义( u d ) 和用户程 序接口( u p i ) 功能做了大量富有成效的科研工作，取得了可喜的研究成果。 1 2 3 电力系统暂态稳定程序p s d - b p a 电力系统暂态稳定程序p s d b p a 是由能源部电力科学研究院引进消化吸收 开发而成的，从1 9 8 4 年开始在我国推广应用以来，已在我国电力系统规划设计、 调度运行和试验研究各部门得到了广泛的应用，成为我国电力系统分析计算的重 要工具之一。随着电力系统数学模型的发展和程序应用实际经验的积累，b p a 程 序得到了不断的完善和开发，使程序在国内外都得到了新的发展1 4 2 1 。 现在我国以美国b p a 的1 9 9 0 年版程序为基础，结合我国近几年来对b p a 程 序的开发成果，融进了适合我国电力系统分析计算要求的新功能，形成了中国版 4 2 0 b p a 程序。以p s d b p a 潮流及暂态稳定及人机界面程序为主电力系统分析软 件包自从1 9 9 7 年底推出以来，在电力系统规划设计、调度运行及教学科研部门得 到了广泛应用。b p a 稳定程序是用于分析电力系统在稳态下受到各种干扰时的系 统动态行为的有力工具。 需要特别注意的是，b p a 稳定程序是与b p a 潮流程序结合起来运行使用的。 1 2 4 计算方法及软件分析比较 通过对运算曲线法的描述，不难得出，使用运算曲线法计算出的短路电流是 不精确的，若对短路电流计算结果要求不太精确，是可以使用此方法的。但是， 随着大型发电厂的单机容量、总装机容量和互联电力系统的容量不断增大，短路 电流水平越来越高，所需的高压开关电器开断、能力越来越接近现有技术的极限制 造能力，运算曲线法已经不能适应现在电力行业的发展需要。而且，我国目前采 用的运算曲线是依据配备直流励磁机的发电机绘制出来的，而自从2 0 世纪8 0 年 代以来，我国投产的大中型发电机组却绝大多数是自并励磁机组，这类机组的短 路电流与以往的发电机励磁机组的短路电流有明显的区别。 p s a s p 和b p a 计算短路电流，能对电力系统进行较为精确复杂的分析计算， 但因其程序较大，需要硬件资源较高，计算前的准备工作较复杂，需要预先准备 大量的系统参数，才能计算短路电流及其相关的其他运行参量，计算结果也并不 完全适合中小型供配电网的设计工作和运行，用户上手掌握使用也难。而有些工 程设计计算就只需要短路电流暂态初始值，不需要其他的运行参量。对这些工程 设计人员来说，即使只需要短路电流，使用p s a s p 或是b p a 工具箱计算的短路电 流，仍然需要花费大量的时间和人力来准备为了得到短路电流值而所需的大量的 前提参数，因而这些部门计算短路电流需要更简洁的短路电流计算软件。 本文综合考虑了短路电流计算方法和计算软件，采用了切合工程设计实际的 短路电流暂态解析法计算方法，数学模型是电力网络常见的节点导纳矩阵为基础 的线性方程组的数值方法，综合考虑了多种编程语言，采用面向对象的c 群语言实 现该算法软件开发，该计算软件同时考虑了信息不完整情况下的短路电流计算。 开发的短路电流计算软件适用于只需要计算短路电流的工程设计部门，软件使用 简便高效，大大减少了人工参与过程，减少了短路电流计算误差率，提高了短路 电流计算结果的精确性和工程设计工作效率。 1 3 本文所做的工作和文章结构 在综述和评价电力系统短路电流的现状基础上，本文采用短路电流暂态解析 法计算，算法软件开发选用电力系统常见的短路电流计算数学模型为研究对象， 引入等效电压源中的电压系数c ，制定计算流程，开发短路电流计算软件，选择 5 国标三相交流系统短路电流计算中的算例进行软件测试，分析软件的正确可行性 和简便高效性，最终形成一套电力系统短路电流计算实际工程应用的软件。 论文的文章结构及内容安排如下： 第一章为绪论，介绍了课题研究背景和意义，引出了研究的问题，综述了短 路电流计算方法和相关软件的研究现状，简介了论文的主要内容及结构安排。 第二章为短路电流暂态解析法计算分析，介绍短路电流计算理论，考虑了系 统电气设备电阻，引入了等效电压源法中的电压系数，选用合理的电力网络数学 模型，确定解算方法，并给出计算流程，其中，重点介绍系统电气设电阻电抗计 算公式，节点导纳矩阵的形成，三角分解和短路电流计算。 第三章为算法软件开发，本章首先对面向对象的c 群语言进行简要介绍，介绍 c 撑语言相比其他编程如c + + 语言、j a v a 语言等的优点及其面向对象的要素和特征， 然后确定算法软件开发思路和数据编程模块，其编程模块主要包括系统元件电阻 电抗计算模块、节点导纳矩阵模块和短路电流计算模块等，并结合数据编程模块 编制模块程序，实现算法软件开发，再简单介绍软件界面显示和软件具有的主要 功能，最后介绍了该算法软件工程实际应用。 第四章为软件测试，该章主要对文中所开发的短路电流计算软件进行正确可 行性验证，首先介绍算法软件测试算例选择的依据，其次计算同一算例在三相对 称短路和不对称短路等不同短路类型的短路电流，最后分析了算法软件测试结果。 最后为全文总结，这部分总结本文所做的主要工作成果及其创新点和后序工 作展望。 6 第二章短路电流暂态解析法计算分析 2 1 暂态解析法计算 2 1 1 暂态解析法 在电力系统中，短路电流特别是其暂态初始值计算是发电厂、变电所设计的 重要内容之一，精确的短路电流计算对于工程设计的安全和经济合理性具有重大 的意义。电气装置的设计和运行需要计算短路电流，其目的是选择合理的电气设 备、选择限制短路电流的方式、设计继电保护装置和分析电网故障等。从而短路 电流计算结果应该越精确、越可信越好，而考虑到电力系统的实际情况，要进行 极准确的短路电流计算是相当复杂的，为了简化计算，实际中的各种计算方法一 般都不计及系统电气设备的电阻，只计其电抗，计算时都有一系列的假设条件。 为了研究各种短路电流计算模型的数值计算稳定、可靠、高效的代数微分方 程组计算机计算方法，按照i e c 、国家标准、电力部门标准和有关的短路电流计 算规范，计算三相、两相、单相短路电流及入地短路电流值( 网外网内) 等，本 文采用的是电力系统短路电流暂态解析法计算方法。 电力系统短路电流暂态解析法计算是直接求取法，是通过分析电力系统数学 模型发生短路问题时各运行参量要素之间的关系，用最简练的语言或形式化的符 号来表达它们之间的关系，得出解决问题所需的表达式，然后设计程序求解问题 的方法【4 3 4 4 1 。 本文短路电流暂态解析法计算主要研究的是短路电流暂态初始值的计算方 法，该方法不仅考虑了系统电气设备的电抗，更考虑了系统电气设备的电阻，同 时引入了等效电压源的电压系数c 。而由运算曲线计算的短路电流暂态初始值没 有计及电阻，而且运算曲线是拟合的平均曲线。所以采用短路电流暂态解析法计 算的短路电流具有更高的精确性。 短路电流暂态解析法计算是计算机辅助计算方法，计算结果精确，计算过程 较为复杂。本文采用的短路电流暂态解析法计算是一种以线性代数方程组为基础 的数值计算方法，是i e c6 0 9 0 9 、g b t1 5 5 4 4 1 9 9 5 、d l t5 1 6 3 2 0 0 2 推荐的短 路电流计算方法，其计算结果精确，能较好地适用于国内外发电厂和变电所的短 路电流计算方法。 2 1 2 计算原理 为了使短路电流计算具有更好的精确性，短路电流暂态解析法计算引入了等 7 效电压源中的电压系数c 。所谓等效电压源法就是指用一个等效电压源计算短 电流时，短路点用等效电压源代替，该电压源是电力网络的唯一的电压源，其 电源，如发电机、同步电动机、异步电动机和馈电网络的电势都视为零，并用 自身的内阻抗代替4 5 舶】。 等效电压源的数学表达式如式( 2 1 ) 所示： = c q , 3 ( 2 1 式中，为系统等效电压源( 相电压) ，c 为电压系数，以为系统标称电 ( 线电压) 。 在电力系统中，根据计算短路电流的不同用途需要计算最大短路电流和晟 短路电流。用于选择设备容量或是额定值时需要计算最大短路电流；作为选择 断器、整定继电保护和校核电动机起动时需要计算最小短路电流。等效电压 c 玑3 中的电压系数c 可根据表2 1 选用，计算短路电流最大值用最大电压系 c 一，最小值用最小电压系数c 孟。 表2 1 等效电压源中的电压系数c 的对应参数 系统标称电压计算最大短路电流的计算最小短路电流的 u电压系数c 。瓤电压系数c 孟 2 2 0 3 8 0 v1 o oo 9 5 3 8 0 6 6 0 v 和1 1 4 k v1 0 51 0 0 3 3 5 k v1 1 01 0 0 3 5 2 2 0 k v1 1 01 0 0 运用等效电压源法需要特别注意的是等效电压源中的电压系数c 和标称电 以的乘积不能超过设备最高电压u m a x 。 利用此方法求解短路点的短路电流，计算公式如式( 2 2 ) 所示： ，：坠：堕 ( 2 2 z 学, 3 z 式中，为短路电流暂态初始值，为等效电压源，c 为电压系数，u 为 路点所在电压等级的标称电压，z 一为短路点的短路自阻抗。 短路电流暂态解析法计算系统在同一短路点f 发生不同短路类型时的具体 短路电流计算公式如下所述。 ( 1 ) 三相对称短路 系统在短路点发生三相对称短路只需要考虑系统正序网，其正序网的短路 自阻抗就是计算三相对称短路电流时的总短路阻抗，其短路电流计算公式同式 ( 2 2 ) 所示，各符号的物理意义和单位也和式( 2 2 ) 的一致。 8 ( 2 ) 不对称