电力系统分析.doc

2011-2012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 闫漫 学 号 030940815 班 级 0309408 指导教师 钟建伟 目录1任务提出与方案论证11.1目的11.2课程设计说明11.3 MATLAB语言介绍12总体设计32.1短路电流的计算原理32.1.1节点导纳矩阵计算电压初始值的原理32.1.2节点阻抗矩阵计算短路电流的原理32.2计算条件42.2.1.标么值的概念42.2.2 等值电路42.2.3 戴维南定理和诺顿定理的转换43详细设计53.1 程序流程图53.2 等值电路及参数53.2.1例6-3的等值电路53.2.2习题6-10的等值网络及参数63.2.3习题6-11等值网络及参数63.3 程序及说明73.3.1.通用程序为：73.3.2例6-3的输入输出数据及具体程序73.3.3习题6-10的输入输出数据及具体程序103.3.4习题6-11输入输出数据及具体程序：134总结15参考文献16信息工程学院课程设计任务书学生姓名闫漫学 号030940815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用节点阻抗矩阵法计算短路电流，首先是建立等值网络，求出其节点导纳矩阵，通过其逆的方法得到节点阻抗矩阵；其次将等值网路用诺顿定理进行变换，得到电流源矩阵I，执行语句V=ZI就得到了各节点的初始电压，然后利用电力系统分析第六章中的公式（6-10）和(6-11)分别计算短路电流和节点电压故障分量，短路后的节点电压就等于短路前的初始电压和短路后节点电压故障分量的叠加。求得了各节点电压即可求得各支路电流。设计要求给定任意等值网络能算出各节点的电压、短路节点的短路电流和各支路的短路电流时间安排3月5日-3月8日3月12日-3月14日参考资料电力系统分析（上册） 华中科技大学出版社 何仰赞MATLAB R2006基础篇 化学工业出版社 曹岩 李明雨 1任务提出与方案论证1.1目的根据所给的电力系统，编制短路电流计算程序，通过计算机进行调试，最后完成一个切实可行的电力系统计算应用程序。通过自己设计电力系统计算程序使同学对电力系统分析有进一步理解，同时加强计算机实际应用能力的训练。1.2课程设计说明本文根据电力系统三相对称短路的特点，建立了合理的三相短路的数学模型，在此基础上， 形成电力系统短路电流实用计算方法。所谓短路，是指电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与地之间的“短接”。在电力系统正常运行时，除中性点外，相与相或相与地之间是绝缘的。如果由于某种原因使其绝缘破坏而构成了通路，我们就称电力系统是发生了短路故障。在三相系统中，短路故障可分为两大类：即对称短路（三相短路）和不对称短路（两相短路、两相接地短路、单相接地短路）。电力系统短路电流计算是电力系统运行分析，设计计算的重要环节，许多电业设计单位和个人倾注极大精力从事这一工作。其中三相短路虽然发生的机会较少，但情况严重，又是研究其它短路的基础。所以我们先研究最简单的三相对称短路时短路电流的计算。1.3 MATLAB语言介绍 我选择的计算机语言是MATLAB。MATLAB是一门用途广泛的语言，它提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解决问题要比用C,FORTRAN等语言方便的多。在新的版本中也加入了对C,FORTRAN,c+ ,JAVA的支持，可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用。MATLAB开发环境是一套方便用户使用的MATLAB函数和文件工具集，其中许多工具是图形化用户接口。它是一个集成的 用户工作空间，允许用户输入输出数据，并提供了M文件的集成编译和调试环境，包括MATLAB桌面、命令窗口、M文件编辑调试器、MATLAB工作空间和在线帮助文档。MATLAB的程序极其简短且可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。MATLAB既具有结构化的控制语句（如for循环，while循环，break语句和if语句），又有面向对象编程的特性。但较之高级语言，由于其程序不用编译等预处理，也不生成可执行文件，而是边解释边执行，所以速度较慢。总之，MATLAB是一个高度集成的系统，集科学计算、图象处理、声音处理于一体，具有极高的编程效率。近年来，MATLAB已经从最初的“矩阵实验室”，渗透到科学与工程计算的多个领域，在自动控制、信号处理、神经网络、模糊逻辑、小波分析等多个方向，都有着广泛的应用。 2总体设计2.1短路电流的计算原理2.1.1节点导纳矩阵计算电压初始值的原理在电力系统分析的第四章中学到了矩阵方程:YV=I,故由矩阵性质得：V=ZI2.1.2节点阻抗矩阵计算短路电流的原理 利用节点阻抗矩阵计算短路电流如图所示，假定系统中的节点f经过过渡阻抗发生短路。对于正常状态的网络而言，发生短路相当于在故障节点f增加了一个注入电流。因此，网络中任一节点i的电压可表示为： 公式一： 公式(6-3)由式可见，任一节点i的电压都由两项叠加而成。第一项是当时由网络内所有电源在节点i产生的电压，也就是短路前瞬间正常运行状态下的节点电压，记为 。第二项是当网络中所有电流源都断开，电势源都短接时，仅仅由短路电流 在节点i产生的电压。这两个分量的叠加，就等于发生短路后节点i的实际电压，即公式二：公式（6-4）公式二也适用于故障节点f，于是有： 公式（6-5）是故障节点f的自阻抗，也称输入阻抗。方程式含有两个未知量 ，根据故障的边界条件：公式（6-6）由以上两个方程式解出：公式（6-7）2.2计算条件 2.2.1.标么值的概念 计算时选定一个基准容量(Sjz)和基准电压(Ujz).将短路计算中各个参数都转化为和该参数的基准量的比值(相对于基准量的比值),称为标么值(这是短路电流计算最特别的地方,目的是要简化计算). (1)基准 基准容量 Sjz =100 MVA 基准电压 UJZ规定为8级. 230, 115, 37, 10.5, 6.3, 3.15 ,0.4, 0.23 KV 有了以上两项,各级电压的基准电流即可计算出,例: UJZ (KV)3710.56.30.4 因为 S=1.73*U*I 所以 IJZ (KA)1.565.59.16144 (2)标么值计算 容量标么值 S* =S/SJZ.例如:当10KV母线上短路容量为200 MVA时,其标么值容量 S* = 200/100=2. 电压标么值 U*= U/UJZ ; 电流标么值 I* =I/IJZ 有了标幺值的概念后，短路电流计算的过程就大大减少了，简化了运算。2.2.2 等值电路计算前先要做出等值电路，并计算等值参数。在详细设计中会将例6-3，习题6-10及习题6-11的等值电路及参数列写出来。2.2.3 戴维南定理和诺顿定理的转换欲求初始节点电压，要将戴维南形式的等值电路化为诺顿形式的等值电路，以便得到电流矩阵，从而利用公式V=ZI求得节点初始电压。诺顿定理得到一个理想电流源I与一个电导G并联联（习惯上与电流源对应使用的都用电导，不用电阻，当然这只是叫法不同而已）戴维南定理得到一个理想电压源U与一个电阻R串联两者的转换关系为GR=1（即诺顿定理得到的电阻与戴维南定理得到的电阻的阻值相等），且U=IR（即诺顿定理得到的电流源的电流、电阻与戴维南定理得到的电压源电压形式上满足欧姆定律）3详细设计 输入数据3.1 程序流程图形成节点导纳矩阵选择故障点If输入数据计算节点阻抗矩阵用公式（6-10）计算短路电流If If=1/（Zff+zf）z电流If用公式（6-11）计算各点电压 Vi=1-Zif/( Zff+zf)用公式（6-9）计算指定支路的电路Ipq=(kVp-Vq)/zpq输出结果3.2 等值电路及参数3.2.1例6-3的等值电路 z12=j0.105 z45=j0.184 z24=j0.08 z23=j0.065 z34=j0.05Y11=-j16.1905 Y12=j9.05238Y21=j905238 Y22=-j37.4084 Y23=j15.3846 Y24=j12.500 Y32=J15.3846Y33=-j35.3846Y34=j20.000,Y42=j15.5000Y43=-j37.9348Y45=j5.4348Y54=j5.4348Y55=-j9.9802 3.2.2习题6-10的等值网络及参数 选SB=120MV.A,VB=Vav,各元件标幺值参数如下：X10=0.105 X20=0.28 X24=0.21 X43=0.43554 X35=0.29036 X45=0.25406Y340=Y430=j0.01852 Y350=Y530=j0.01234 Y450=Y540=j0.01080故节点导纳为：Y11=-j13.8716 Y13=Y31=j9.5238 Y22=-j8.33343 Y24=Y42=j4.7619 Y33=-j15.2329 Y34=Y43=j2.2960 Y35=Y53=j3.4440 Y44=-j10.9646 Y45=Y54=j3.9360 Y55=-j7.35693.2.3习题6-11等值网络及参数节点导纳为：Y11=-j10 Y12=Y21=j5 Y22=-j14.5 Y23=Y32=j10 Y33=-j17.66673.3 程序及说明3.3.1.通用程序为：function dl63 %定义一个函数名为dl63的函数%text63; %调用函数名为text63的函数%Z=inv(Y) %求节点阻抗矩阵%I=I %求电流的转置矩阵%V=Z*I %求各节点的初始电压%i=input(请输入节点i=) %输入短路节点i %Ii=1/Z(i,i) %求短路点电流%for k=1:m k Vk=V(k,1)-Z(k,i)*Ii %求各节点的电压%endfor p=1:mfor q=(1+p):m if(Y(p,q)=0) %如果p,q节点间的导纳不为0 % p,q %输出p,q % Vp=V(p,1)-Z(p,i)*Ii; %分别求p,q点电压 %Vq=V(q,1)-Z(q,i)*Ii;Ipq=-(Vp-Vq)*Y(p,q) %求p,q两节点间的支路电流% endend end3.3.2例6-3的输入输出数据及具体程序输入数据为：Y=-16.1905j 9.5238j 0 0 0 9.5238j -37.4084j 15.3846j 12.5000j 0 0 15.3846j -35.3846j 20.0000j 0 0 12.5000j 20.0000j -37.9348j 5.4348j 0 0 0 5.4348j -9.9802j %例6-3的节点导纳矩阵，作为输入数据%m=5 %等值网络的节点数%程序为：function dl63 %定义一个函数名为dl63的函数%text63; %调用函数名为text63的函数%Z=inv(Y) %求节点阻抗矩阵%i=input(请输入节点i=) %输入短路节点i%Ii=1/Z(i,i) %求短路节点的短路电流%for p=1:mfor q=(1+p):m if(Y(p,q)=0) %如果p,q节点间的导纳不为0% p,q %输出p,q值% Vp=1-Z(p,i)*Ii; %分别求p,q的节点电压% Vq=1-Z(q,i)*Ii; Ipq=-(Vp-Vq)*Y(p,q) %求p,q节点间的支路电流% endend end输出数据为：Y = 0 -16.1905i 0 + 9.5238i 0 0 0 0 + 9.5238i 0 -37.4084i 0 +15.3846i 0 +12.5000i 0 0 0 +15.3846i 0 -35.3846i 0 +20.0000i 0 0 0 +12.5000i 0 +20.0000i 0 -37.9348 0 + 5.4348i 0 0 0 0 + 5.4348i 0 - 9.9802im = 5Z = 0 + 0.1181i 0 + 0.0958i 0 + 0.0902i 0 + 0.0858i 0 + 0.0467i 0 + 0.0958i 0 + 0.1629i 0 + 0.1533i 0 + 0.1459i 0 + 0.0794i 0 + 0.0902i 0 + 0.1533i 0 + 0.1860i 0 + 0.1611i 0 + 0.0877i 0 + 0.0858i 0 + 0.1459i 0 + 0.1611i 0 + 0.1729i 0 + 0.0941i 0 + 0.0467i 0 + 0.0794i 0 + 0.0877i 0 + 0.0941i 0 + 0.1515i请输入短路节点i=3i = 3Ii = 0 - 5.3767ip = 1q = 2Ipq = 0 - 3.2322ip = 2q = 3Ipq = 0 - 2.7047ip = 2q = 4Ipq = 0 - 0.5275ip = 3q = 4Ipq = 0 + 2.6720ip = 4q = 5Ipq = 0 + 2.1445i3.3.3习题6-10的输入输出数据及具体程序输入数据为：Y=-13.8716j 0 9.5238j 0 0 0 -8.3333j 0 4.7619j 0 9.5238j 0 -15.2329j 2.2960j 3.4440j 0 4.7619j 2.2960j -10.9646j 3.9360j 0 0 3.4440j 3.9360j -7.3569j I=4.5652j 3.75j 0 0 0 m=5程序为：function dl610 %定义一个函数名为dl610的函数%text610; %调用函数名为text610的函数%Z=inv(Y) %求节点阻抗矩阵%I=I %求I的转置矩阵%V=Z*I %求各节点的初始电压%SB=120; %选定基准功率为120MV.A%VB=115; %选定基准电压为115KV%IB=SB/(VB*sqrt(3) %求基准电流%i=input(请输入节点=) %输入短路节点i%Ii=V(i,1)/Z(i,i); %求短路节点电流%Ii1=Ii*IB for p=1:mfor q=(1+p):m if(Y(p,q)=0) %如果p,q节点间的导纳不为% Vp=V(p,1)-Z(p,i)*Ii; %分别求p,q的节点电压% Vq=V(q,1)-Z(q,i)*Ii; Ipq=-(Vp-Vq)*Y(p,q); %求p,q节点间的支路电流% Ipq1=Ipq*IB; %求短路电流的实际值 % if(p=3&q=5) %求支路L-2的短路电流% p q Ipq; Ipq1 end if(p=4&q=5) %求支路L-3的短路电流% p q Ipq; Ipq1 end endendend输出结果为：Y = 0 -13.8716i 0 0 + 9.5238i 0 0 0 0 - 8.3333i 0 0 + 4.7619i 0 0 + 9.5238i 0 0 -15.2329i 0 + 2.2960i 0 + 3.4440i 0 0 + 4.7619i 0 + 2.2960i 0 -10.9646i 0 + 3.9360i 0 0 0 + 3.4440i 0 + 3.9360i 0 - 7.3569iI = 0 + 4.5652i 0 + 3.7500i 0 0 0 m = 5Z = 0 + 0.1819i 0 + 0.0616i 0 + 0.1600i 0 + 0.1079i 0 + 0.1326i 0 + 0.0616i 0 + 0.2078i 0 + 0.0898i 0 + 0.1536i 0 + 0.1242i 0 + 0.1600i 0 + 0.0898i 0 + 0.2330i 0 + 0.1571i 0 + 0.1932i 0 + 0.1079i 0 + 0.1536i 0 + 0.1571i 0 + 0.2689i 0 + 0.2174i 0 + 0.1326i 0 + 0.1242i 0 + 0.1932i 0 + 0.2174i 0 + 0.3427iI = 0 - 4.5652i 0 - 3.7500i 0 0 0 V = 1.0617 1.0607 1.0671 1.0686 1.0713IB = 0.6025请输入短路节点i=5i = 5Ii1 = 0 - 1.8835ip = 3q = 5Ipq1 = 0 - 0.9611ip = 4q = 5Ipq1 = 0 - 0.9223i3.3.4习题6-11输入输出数据及具体程序：输入数据：Y=-10.0j 5.0j 0.0 5.0j -14.5j 10.0j 0.0 10.0j -17.667j I=5.25j 0 7j程序为：function dl611 %定义一个函数名为dl610的函数%text611; %调用函数名为text610的函数%Z=inv(Y) %求节点导纳矩阵%I=I %求I的转置矩阵%V=Z*I %求节点电压的初始值%i=input(请输入节点i=) %输入短路节点%Ii=V(i,1)/Z(i,i) %计算短路电流%输出结果为：Y = 0 -10.0000i 0 + 5.0000i 0 0 + 5.0000i 0 -14.5000i 0 +10.0000i 0 0 +10.0000i 0 -17.6670iI = 0 + 5.2500i 0 0 + 7.0000iZ = 0 + 0.1394i 0 + 0.0789i 0 + 0.0446i 0 + 0.0789i 0 + 0.1577i 0 + 0.0893i 0 + 0.0446i 0 + 0.0893i 0 + 0.1071iI = 0 - 5.2500i 0 0 - 7.00