电力系统短路故障的计算机算法程序设计11

1、信息工程学院课程设计（论文）信息工程系电力系统分析课程设计报告书题目:电力系统短路故障的计算机算法程序设计专 业：电气工程及其自动化 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 钟建伟 2012年 03 月 18 日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。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。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

2、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 (供参考)输入数据可考虑为以下两个部分：数据1（可用变量表示）：节点数、支路数、故障节点数据2（可用二维数组表示）：支路参数即 支路首端号、支路末端号、支路电抗值输出数据（可用二维数组表示）为：节点导纳矩阵或阻抗矩阵、故障节点、故障点电流、支路电流、各节点电压。（2）简单不对称短路计算的输入输出数据 (供参考)输入数据可考虑为以下两个部分：数据1（可用变量表示）：节点数、支路数、故障节点数据2（可用二维数组表示）：支路参数即支路首端号、支路末端号、支路正序电抗值、负序电抗值、零序电抗值输出数据（可用二维数组表示）为：故障节点、故障点

3、电流、各支路电流、各节点电压的序分量和相分量。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；（2）采用所编制的程序进行电力系统分析例8-5题、习题8-1简单不对称短路计算；注：在（1）、（2）中选取其中之一做为计算题。6考核考核时间：第10周以前；考核地点：学院计算机房；考核内容：运行所设计的程序,就该程序回答老师随机提问。7参考资料（可以跟据编程情况自行增减）（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

4、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8课程设计说明书格式（1）封面（见后页）（2）内容顺序： 课程设计说明 选择所用计算机语言的理由 程序主框图及主要数据变量说明 程序及说明（所引用的计算公式和数据应注明来源） 3道计算题及网络图,分别打印输入数据及说明/输出数据及说明 参考资料时间安排第一周：星期一到周四，查资料和搜集关于电力系统短路故障的信息。同时对两种语言的简单了解和运用。星期五到星期天构思电力系统短路故障的计算机设计。第二周：星期一至星期

5、三，电力系统短路故障的设计。星期四到星期六，整理程序，通过仿真验证设计。星期天，整理资料打印。 参考资料何仰赞，电力系统分析（上），华中科技大学出版社，2001 胡华.MATLAB数学实验教程.银川：宁夏人民出版社.2007目录1.Matlab和Microsoft Visual C+软件简介51.1Matlab简介51.2 Microsoft Visual C+的简介52.电力系统短路故障的计算机算法程序设计71短路的基本知识72.计算项目条件83.计算步骤84.简化计算法95.程序主框图及主要数据变量说明106.计算电流及网络中的电流分布127.程序流程图：158程序部分15总结18参考资料

6、：191.Matlab和Microsoft Visual C+软件简介1.1Matlab简介在科学研究和工程应用中，往往要进行大量的数学计算，其中包括矩阵运算。这些运算一般来说难以用手工精确和快捷地进行，而要借助计算机编制相应的程序做近似计算。目前流行用Basic、Fortran和c语言编制计算程序, 既需要对有关算法有深刻的了解，还需要熟练地掌握所用语言的语法及编程技巧。对多数科学工作者而言，同时具备这两方面技能有一定困难。通常，编制程序也是繁杂的，不仅消耗人力与物力,而且影响工作进程和效率。为克服上述困难，美国Mathwork公司于1967年推出了“Matrix Laboratory”（缩

7、写为Matlab）软件包，并不断更新和扩充。目前最新的5.x版本（windows环境）是一种功能强、效率高便于进行科学和工程计算的交互式软件包。其中包括：一般数值分析、矩阵运算、数字信号处理、建模和系统控制和优化等应用程序，并集应用程序和图形于一便于使用的集成环境中。在此环境下所解问题的Matlab语言表述形式和其数学表达形式相同，不需要按传统的方法编程。不过，Matlab作为一种新的计算机语言，要想运用自如，充分发挥它的威力，也需先系统地学习它。但由于使用Matlab编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致，所以不象学习其它高级语言-如Basic、Fortran和C等那样难于掌握。实

8、践证明，你可在几十分钟的时间内学会Matlab的基础知识，在短短几个小时的使用中就能初步掌握它.从而使你能够进行高效率和富有创造性的计算。 Matlab大大降低了对使用者的数学基础和计算机语言知识的要求，而且编程效率和计算效率极高，还可在计算机上直接输出结果和精美的图形拷贝，所以它的确为一高效的科研助手。自推出后即风行美国，流传世界。Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优

9、点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。其中电力行业的专用工具箱SimPowerSystems也在电力系统分析与计算中发挥了重大作用。1.2 Microsoft Visual C+的简介Microsoft Visual C+是Microsoft公司推出的开发Win32环境程序，面向对象的可视化集成编程系统。它不但具有程序框架自动生成、灵活方便的类管理、代码编写和界面设计集成交互操作、可开发多种程序等优点，而且通过简单的设置就可使其生成的程序框架支持数据库接口、OLE2，WinSo

10、ck网络、3D控制界面。 它以拥有“语法高亮”，IntelliSense（自动编译功能）以及高级除错功能而著称。比如，它允许用户进行远程调试，单步执行等。还有允许用户在调试期间重新编译被修改的代码，而不必重新启动正在调试的程序。其编译及建置系统以预编译头文件、最小重建功能及累加连结著称。这些特征明显缩短程式编辑、编译及连结的时间花费，在大型软件计划上尤其显著。Visual Studio 是微软公司推出的开发环境，Visual Studio 可以用来创建 Windows 平台下的 Windows 应用程序和网络应用程序，也可以用来创建网络服务、智能设备应用程序和 Office 插件。Visual

11、 Studio 是目前最流行的 Windows 平台应用程序开发环境。目前已经开发到 10.0 版本，也就是 Visual Studio 2010。 Visual Studio 2008 包括各种增强功能，例如可视化设计器（使用 .NET Framework 3.5 加速开发）、对 Web 开发工具的大量改进，以及能够加速开发和处理所有类型数据的语言增强功能。Visual Studio 2008 为开发人员提供了所有相关的工具和框架支持，帮助创建引人注目的、令人印象深刻并支持 AJAX 的 Web 应用程序。 开发人员能够利用这些丰富的客户端和服务器端框架轻松构建以客户为中心的 Web 应用程

12、序，这些应用程序可以集成任何后端数据提供程序、在任何当前浏览器内运行并完全访问 ASP NET 应用程序服务和 Microsoft 平台。2.电力系统短路故障的计算机算法程序设计1短路的基本知识1.1系统短路的特点 根据电力系统短路的特点，建立了合理的短路的数学模型，在此基础上， 形成电力系统短路电流实用汁算方法；节点阻抗矩阵的支路追加法编制了对任意一个电力系统在任意点发生短路故障时三相短路电流及其分布的通用计算程序 该办法适用予各种复杂结构的电力系统从一个侧面展示了计算机应用于电力系统的广阔前景 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

13、程序。通过自己设计电力系统计算程序使同学们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。电力系统的短路故障是严重的，而又是发生几率最多的故障，一般说来，最严重的短路是三相短路。当发生短路时， 其短路电流可达数万安以至十几万安，它们所产生的热效应和电动力效应将使电气设备遭受严重破环。为此，当发生短路时，继电保护装置必须迅速切除故障线路，以避免故障部分继续遭受危害，并使非故障部分从不正常运行情况下解脱出来，这要求电气设备必须有足够的 机械强度和热稳定度，开关电气设备必须具备足够的开断能力，即必须经得起可能最大短路的侵扰而不致损坏。因此， 电力系统短路电流计算是电力系统运行分析，设计

14、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的研究。由于电力系统结构复杂，随着生产发展，技术进步系统日趋扩大和复杂化，短路电流计算工作量也随之增大，采用计算机辅助计算势在并行。1.2概念简介 短路：电力系统故障的基本形式。短路故障：电力系统正常运行情况以外的相与相之间或相与地（或中性线）之间的连接。 短路类型：4种。最多的短路类型：单相短路 对称短路（三相短路）、非对称短路（其余三种短路类型）。 断线故障（非全相运行、纵向故障）：一相断线、二相断线。不对称故障：非对称短路、断线故障 简单、复杂故障：简单故障指系统中仅有一处短路或断线故障；复杂故障指系统中不同地点同时发生不对称

15、故障。 1.3短路原因、危害 原因：客观（绝缘破坏：架空线绝缘子表面放电，大风、冰雹、台风）、主观（误操作）。 危害：短路电流大（热效应、电动效应）、故障点附件电压下降、功率不衡失去稳定、不对称故障产生不平衡磁通影响通信线路。 1.4解决措施：继电保护快速隔离、自动重合闸、串联电抗器等 短路计算重要性 1.5对任务所涉及的关键：电力系统无穷大容量供电系统 ，数学模型节点方程， 短路电流方程，阻抗矩阵2.计算项目条件 2.1 假设系统有无限大的容量.用户处短路后,系统母线电压能维持不变.即计算阻抗比系统阻抗要大得多. 具体规定: 对于335KV级电网中短路电流的计算,可以认为110KV及以的系统

16、的容量为无限大.只要计算35KV及以下网络元件的阻抗. 2.2在计算高压电器中的短路电流时,只需考虑发电机、变压器、电抗器的电抗,而忽略其电阻;对于架空线和电缆,只有当其电阻大于电抗1/3时才需计入电阻,一般也只计电抗而忽略电阻. 2.3短路电流计算公式或计算图表,都以三相短路为计算条件.因为单相短路或二相短路时的短路电流都小于三相短路电流.能够分断三相短路电流的电器,一定能够分断单相短路电流或二相短路电流. 3.计算步骤3.1做出电力系统计算系统图在计算用图中应包括与短路电流计算有关的全部电力元件（如系统、发电机、变压器、输电线路等），以及它们之间的连接关系。在元件旁边应注明它们的技术数据，

17、如额定电压、额定容量、线路的长度及线路型号等。另外，在计算图上应标明短路点。为了便于计算，每个元件按顺序编号。3.2计算各元件参数根据给定的电力系统，首先确定是用标幺值的计算方法计算短路电流，还是用实际值计算的方法。一般在有两个及两个以上的电压等级情况下用标幺值的方法较实际值的方法计算简便，用实际值计算时，首先选定一个基准值（即电压等级），此基准值应选被计算短路电流短路点的电压等级，然后将其他电压等级所有的阻抗用变压器变比原理换算到基本级上来。用标幺值计算时，首先选定一个基准容量，此基准容量的选择应上“便于计算”，使x值小数点前后的0最少。一般选取整数，如：系统大，取Sb=1000MVA;系统

18、小，取Sb=100MVA.3.3.基准电压一般选取平均电压：Ub=Uav比额定电压高5%，Un(kV) 220 110 35 10 0.38 ;Uav(kV) 230 115 37 10.5 0.4 然后算出基准电流值。3.4绘制等值网络图绘制电力系统等值网络图的目的是便于短路电流计算。图中应标明各元件的序号及阻抗。3.5网络化简网络化简是将等值网络化简到最简单的形式，若有两个及两个以上的电源，则归并成一个电源。有并联的回路化简成串联。采取多电源归并成一个电源的方法，是因为我们采取了一系列的假设条件，所以在计算中可以用电源的阻抗相并联的方法。3.6进行短路电流计算通过以上工作，把一个复杂的系统

19、化简成只有一个等效元件的系统，等效元件的一端是综合电动势，另一端是综合阻抗和短路点，这样就可以用最简单的欧姆定律来计算短路电路，即I=E/X；式中E-系统电源对短路点的综合次暂态电动势，在化简计算中取1；X-系统对短路点的综合阻抗。 必须注意：根据以上步骤，用实际值求得的短路电流，都是归算到基本级的数值，要想得到非基本级的短路电流，必须根据变压器的变比换算到要计算短路电流的那个电压等级。用标幺值方法计算求得的短路电流，要想得到实际值，还必须乘以相应电压等级的基准电流值。4.简化计算法 即使设定了一些假设条件,要正确计算短路电流还是十分困难,对于一般用户也没有必要.一些设计手册提供了简化计算的图

20、表.省去了计算的麻烦.用起来比较方便.但要是手边一时没有设计手册怎么办?下面介绍一种 “口诀式”的计算方法,只要记牢7句口诀,就可掌握短路电流计算方法. 在介绍简化计算法之前必须先了解一些基本概念. 4.1主要参数 Sd三相短路容量 (MVA)简称短路容量校核开关分断容量 Id三相短路电流周期分量有效值(KA)简称短路电流校核开关分断电流 和热稳定 IC三相短路第一周期全电流有效值(KA) 简称冲击电流有效值校核动稳定 ic三相短路第一周期全电流峰值(KA) 简称冲击电流峰值校核动稳定 x电抗() 其中系统短路容量Sd和计算点电抗x 是关键. 4.2.标么值 计算时选定一个基准容量(Sjz)和

21、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)37 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

22、么值容量 S* = 200/100=2. 电压标么值 U*= U/UJZ ; 电流标么值 I* =I/IJZ 4.3无限大容量系统三相短路电流计算公式 短路电流标么值: I*d = 1/x* (总电抗标么值的倒数). 短路电流有效值: Id= IJZ* I*d=IJZ/ x*(KA) 冲击电流有效值: Ic = Id *1+2 (KC-1)2 (KA)其中KC冲击系数,取1.8 所以 IC =1.52Id 冲击电流峰值: Ic =1.41* Id*KC=2.55 Id (KA) 当1000KVA及以下变压器二次侧短路时,冲击系数KC ,取1.3 这时:冲击电流有效值IC =1.09*Id(KA

23、) 冲击电流峰值: ic =1.84 Id(KA) 掌握了以上知识,就能进行短路电流计算了.公式不多,又简单.但问题在于短路点的总电抗如何得到?例如:区域变电所变压器的电抗、输电线路的电抗、企业变电所变压器的电抗,等等. 一种方法是查有关设计手册,从中可以找到常用变压器、输电线路及电抗器的电抗标么值.求得总电抗后,再用以上公式计算短路电流; 设计手册中还有一些图表,可以直接查出短路电流. 下面介绍一种 “口诀式”的计算方法,只要记牢7句口诀,就可掌握短路电流计算方法. 4.4简化算法 【1】系统电抗的计算 系统电抗，百兆为一。容量增减，电抗反比。100除系统容量 例：基准容量 100MVA。当

24、系统容量为100MVA时，系统的电抗为XS*=100/1001 当系统容量为200MVA时，系统的电抗为XS*=100/2000.5 当系统容量为无穷大时，系统的电抗为XS*=100/0 系统容量单位：MVA 系统容量应由当地供电部门提供。当不能得到时，可将供电电源出线开关的开断容量 5.程序主框图及主要数据变量说明5.1 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 由式可见，任一节点电压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

25、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，即公式二公式二也适用于故障节点f，于是有是故障节点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：由以上两个方程式解出：5.2题目简图由MATLAB求的导纳矩阵为：Y= -j13.872 0 j9.524 0 0 0 -j8.333 0 j4.762 0 J9.524 0 -j15.233 j2.296 j3.444 0 j4.672 j2.296 -j10.965

26、 j3.936 0 0 j3.444 j3.936 -j7.357 Z矩阵为：Z=j0.072 0 -j0.105 0 0 0 j0.120 0 -j0.214 0 -j0.105 0 j0.067 -j0.436 -j0.290 0 -j0.209 -j0.436 j0.091 -j0.254 0 0 -j0.290 -j0.254 j0.1366.计算电流及网络中的电流分布6.1当节点5发生三相短路时，计算各参数=-j13.872, =0=-0.687,=-=-j15.233-=-j8.694 ,6.2阻抗矩阵元素计算，6.3节点注入电流源计算时，取=j1.05，节点电压初值 (注意：=0

27、) 6.4阻抗矩阵Z=j0.182 j0.0617 j0.160 j0.0898 j0.133 j0.0617 j0.208 j0.0898 j0.154 j0.124 j0.160 j0.0898 j0.233 j0.157 j0.193 j0.0898 j0.154 j0.157 j0.269 j0.217 j0.133 j0.124 j0.193 j0.217 j0.3436.5对取其倒数存放在对角线位置，得到因子表如下：j0.072 0 -0.687 0 00 0.208 0 -0.739 0-0.687 0 j0.115 -0.264 -0.396 0 -0.739 -0.264 j

28、0.155 -0.8080 0 -0.396 -0.808 j0.1677.程序流程图： 8程序部分程序如下：function jd=input('please input jd=');jd=input('please input jd=');if jd=1Y=-j13.872,0,j9.524,0,0;0,-j8.333,0,j4.762,0;j9.524,0,-j15.233, j2.296,j3.444;0,j4.672,j2.296,-j10.965,j3.936; 0,0,j3.444,j3.936,-j7.357;inv(Y);I=1.05/j0.1

29、82;V1=0;V2=1.05-0.0617j*I;V3=1.067-0.160j*I;V4=1.069-0.0898j*I;V5=1.071-0.133j*I;I54=(V5-V4)/0.254j;I43=(V4-V3)/0.436j;I24=(V2-V4)/0.254j;I13=(V1-V3)/0.104j;I35=(V3-V5)/0.290j;break,endendif jd=2;Y=-j13.872,0,j9.524,0,0;0,-j8.333,0,j4.762,0;j9.524,0,-j15.233, j2.296,j3.444;0,j4.672,j2.296,-j10.965,j

30、3.936; 0,0,j3.444,j3.936,-j7.357;inv(Y);I=1.05/0.208j;V1=1.05-0.0617j*I;V2=0;V3=1.067-0.0898j*I;V4=1.069-0.154j*I;V5=1.071-0.124j*I;I54=(V5-V4)/0.254j;I43=(V4-V3)/0.436j;I24=(V2-V4)/0.254j;I13=(V1-V3)/0.104j;I35=(V3-V5)/0.290j;break,endendif jd=3;Y=-j13.872,0,j9.524,0,0;0,-j8.333,0,j4.762,0;j9.524,0

31、,-j15.233, j2.296,j3.444;0,j4.672,j2.296,-j10.965,j3.936; 0,0,j3.444,j3.936,-j7.357;inv(Y);I=1.067/0.233j;V1=1.05-0.160j*I;V2=1.05-0.0898j*I;V3=0;V4=1.069-0.157j*I;V5=1.071-0.193j*I;I54=(V5-V4)/0.254j;I43=(V4-V3)/0.436j;I24=(V2-V4)/0.254j;I13=(V1-V3)/0.104j;I35=(V3-V5)/0.290j;break,end endif jd=4;Y=

32、-j13.872,0,j9.524,0,0;0,-j8.333,0,j4.762,0;j9.524,0,-j15.233, j2.296,j3.444;0,j4.672,j2.296,-j10.965,j3.936; 0,0,j3.444,j3.936,-j7.357;inv(Y);I=1.069/0.269j;V1=1.05-0.0898j*I;V2=1.05-0.154j*I;V3=1.067-0.157j*I;V4=0;V5=1.071-0.217j*I;I54=(V5-V4)/0.254j;I43=(V4-V3)/0.436j;I24=(V2-V4)/0.254j;I13=(V1-V3)/0.104j;I35=(V3-V5)/0.290j;break,endendif jd=5;Y=-j13.872,0,j9.524,0,0;0,