CN105320810A - 短路电流扫描优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种短路电流扫描优化方法，该方法包括如下步骤：(1)读取网络数据，输入电力系统模型，并设置故障信息；(2)计算各个元件的阻抗修正系数,形成修正后的正序、负序、零序导纳矩阵，其中，发电机-变压器组按照远端短路的情况进行阻抗修正；(3)分别对正序、负序、零序导纳矩阵进行因子表分解；(4)分别计算短路点的正序、负序、零序短路阻抗；(5)判断短路点是否为发电机-变压器组的机端，如是则修正短路阻抗；(6)计算短路电流及相关参量。本发明能有效避免多次重复地求解因子表，在不修改原有导纳矩阵的前提下，精确地求解网络所有节点的短路阻抗，从而实现快速的短路电流扫描功能。

Description

短路电流扫描优化方法
技术领域
本发明涉及电力系统的仿真，更具体地说，涉及一种短路电流扫描优化方法。
背景技术
短路电流计算是电气设备选择、电气保护整定计算的前提，是电力系统规划、设计和运行的重要基础。基于电力系统的电磁暂态模型进行短路电流计算可以得到精确的结果，但是计算速度过慢，而且计算规模受到了限制，不能满足工程需求。多年以来，许多学者一直致力于在短路电流的计算准确性和易用性之间找到一个平衡点。目前在行业内最主要的短路电流计算标准或方法主要有ANSI标准、IEC标准和运算曲线法三种。
国际电工委员会于1988年制定的IEC9090《三相交流系统短路电流计算》，在世界范围内被广泛认可，并在1996年被我国国家技术监督局指定为国家标准。2001年国际电工委员会制定了新的短路电流计算标准IEC60909，而我国于2011年通过审批令其成为新的国家标准。
根据IEC标准的规定，在发电机近端短路和远端短路两种情况下，对发电机-变压器组等效阻抗的计算方法是不同的，这导致了导纳矩阵元素的改变，使得因子表必须重新形成。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种短路电流扫描优化方法，在保证计算结果精确性的基础上，大幅度提高了短路电流扫描计算的效率。
为了实现上述目的，本发明提供了一种短路电流扫描优化方法，其包括如下步骤：
A、读取网络数据，输入电力系统模型，并设置故障信息；
B、根据IEC60909标准计算各个元件的阻抗修正系数,形成修正后的正负零序导纳矩阵，发电机-变压器组按照远端短路的情况进行阻抗修正；
C、分别对正、负、零序导纳矩阵进行因子表分解；
D、分别计算短路点的正、负、零序短路阻抗；
E、判断短路点是否为发电机-变压器组的机端，如是则修正短路阻抗；
F、计算短路电流及相关参量。
根据IEC60909标准的规定，在发电机近端短路和远端短路两种情况下，对发电机-变压器组等效阻抗的计算方法是不同的。这导致了导纳矩阵元素的改变，使得因子表必须重新形成。而基于发电机-变压器组网络模型特点所设计的优化算法克服了这一困难，在保证计算结果精确性的基础上，大幅度提高了短路电流扫描计算的效率。
作为本发明的一种改进，步骤A具体包括输入电力系统模型，包括网络的拓扑结构，所有机组的发电机模型以及模型的参数，故障的位置及类型。
作为本发明的一种改进，步骤B具体包括：IEC60909标准对同步电机、变压器、异步电动机、限流电抗器等元件的阻抗计算有明确的规定。其中对发电机-变压器组的阻抗修正较为复杂，不但要区分近端短路和远端短路，也要区分可有载调节型和不可有载调节型的发变组。
如果变压器高压侧发生短路故障，则此情况对于发电机-变压器组而言属于远端短路，根据变压器T属于可有载调节型或不可有载调节型，可分别采用(1)或(2)计算发电机-变压器组的阻抗修正系数。
而当短路发生在发电机机端时，则属于近端短路。对于可有载调节型的发变组，其发电机和变压器的阻抗修正系数须分别按照(3)和(4)计算。
对于不可有载调节型的发变组，其发电机和变压器的阻抗修正系数分别按照(5)和(6)计算。
以上所有情况下的阻抗修正系数皆适用于计算发电机-变压器组的正序、负序和零序短路阻抗。
作为本发明的一种改进，步骤C具体包括首先对母线排序进行优化，然后分别对正、负、零序导纳矩阵的进行因子表分解并存储，以便快速计算每个母线的短路阻抗。
作为本发明的一种改进，步骤D具体包括在正、负、零序因子表的基础上，利用前推回代法快速求取每一条母线的短路阻抗值。
作为本发明的一种改进，步骤E具体包括判断短路母线是否为发电机-变压器组的机端节点，如是，则步骤B计算的发电机-变压器组的机端节点的短路阻抗是有误差的。因为机端节点对于发电机-变压器组而言属于近端短路点，其阻抗修正系数的计算方法与远端短路不同，所以经过修正后的阻抗值会发生变化，须要修改导纳矩阵中的相关元素。但一旦修改原来的节点导纳矩阵，则须重新计算其因子表，当网络中存在较多的发电机-变压器组时，这一过程便会耗费大量的计算机时和占用更多的内存。实际上，可以充分利用发电机-变压器组的网络模型特点，简化这一繁琐、重复的计算过程。对利用原导纳矩阵所计得的机端近似短路阻抗进行修正，便可得到精确的短路阻抗值。假设发电机-变压器组是可有载调节型的。网络上所有发电机-变压器组均按照远端短路的情况进行阻抗修正，形成修正后的节点导纳矩阵，并求得发电机-变压器组的机端节点的短路阻抗Z'K，Z'K是在不修改原导纳矩阵下所得到的近似短路阻抗，其值满足(7)。修正后的短路阻抗ZK满足(8)。
Z'K＝(KG.S·ZG)//(KT.S·ZT+ZQ.K)(7)
ZK＝(KS·ZG)//(KS·ZT+ZQ.K)(8)
联立(7)和(8)即可求得ZK，这一算法可以有效避免多次重复地求解因子表，在不修改原有导纳矩阵的前提下，精确地求解网络所有节点的短路阻抗，从而实现快速的短路电流扫描功能。
作为本发明的一种改进，步骤F具体包括利用前述步骤得到的短路阻抗即可计算短路电流和电压的正、负、零序和A、B、C三相分量，以及短路容量等参量。
与现有技术相比，本发明短路电流扫描优化方法在保证计算结果精确性的基础上，大幅度提高了短路电流扫描计算的效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式，对本发明的结构及其有益技术效果进行详细说明。
图1为本发明短路电流扫描优化方法的流程框图。
图2为按IEC60909标准提供的10节点网络系统拓扑图。
图3为本发明的发电机-变压器模型图。
图4为本发明发电机-变压器模型的正序阻抗示意图。
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案及其有益技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。
请参阅图1和图2，本发明以IEC60909标准提供的10节点网络系统为算例演示，本发明短路电流扫描优化方法包括如下步骤：
A、读取网络数据，输入电力系统模型，并设置故障信息；
输入电力系统模型，包括网络的拓扑结构，所有机组的发电机模型以及模型的参数，故障发生的位置及类型；假设该系统发生的故障类型为三相短路故障。
B、根据IEC60909标准计算各个元件的阻抗修正系数,形成修正后的正负零序导纳矩阵，发电机-变压器组按照远端短路的情况进行阻抗修正。IEC60909标准对同步电机、变压器、异步电动机、限流电抗器等元件的阻抗计算有明确的规定。其中对发电机-变压器组的阻抗修正较为复杂，不但要区分近端短路和远端短路，也要区分可有载调节型和不可有载调节型的发变组。对于简单的发电机-变压器组，请参阅图3。
如果变压器高压侧发生短路故障，则此情况对于发电机-变压器组而言属于远端短路，根据变压器T属于可有载调节型或不可有载调节型，可分别采用(1)或(2)计算发电机-变压器组的阻抗修正系数。
而当短路发生在发电机机端时，则属于近端短路。对于可有载调节型的发变组，其发电机和变压器的阻抗修正系数须分别按照(3)和(4)计算。
对于不可有载调节型的发变组，其发电机和变压器的阻抗修正系数分别按照(5)和(6)计算。
以上所有情况下的阻抗修正系数皆适用于计算发电机-变压器组的正序、负序和零序短路阻抗。如果深入考虑发电厂厂用电网络的影响，则发电机-变压器组的阻抗修正系数的计算方法将更为复杂。
C、分别对正、负、零序导纳矩阵进行因子表分解。首先对母线排序进行优化，然后分别对正、负、零序导纳矩阵的进行因子表分解并存储，以便快速计算每个母线的短路阻抗。
D、分别计算短路点的正、负、零序短路阻抗，在正、负、零序因子表的基础上，利用前推回代法快速求取每一条母线的短路阻抗值。
E、判断短路点是否为发电机-变压器组的机端，如是则修正短路阻抗；判断短路母线是否为发电机-变压器组的机端节点，如是，则步骤B计算的发电机-变压器组的机端节点的短路阻抗是有误差的。因为机端节点对于发电机-变压器组而言属于近端短路点，其阻抗修正系数的计算方法与远端短路不同，所以经过修正后的阻抗值会发生变化，须要修改导纳矩阵中的相关元素。但一旦修改原来的节点导纳矩阵，则须重新计算其因子表，当网络中存在较多的发电机-变压器组时，这一过程便会耗费大量的计算机时和占用更多的内存。实际上，可以充分利用发电机-变压器组的网络模型特点，简化这一繁琐、重复的计算过程。对利用原导纳矩阵所计得的机端近似短路阻抗进行修正，便可得到精确的短路阻抗值。
请参阅图4，以正序网络为例进行讨论，零序网络和负序网络的情况类似，不赘述。假设发电机-变压器组是可有载调节型的，网络上所有发电机-变压器组均按照远端短路的情况进行阻抗修正，形成修正后的节点导纳矩阵，并求得发电机-变压器组机端节点的短路阻抗Z'K，Z'K是在不修改原导纳矩阵下所得到的近似短路阻抗，其值满足(7)。修正后的短路阻抗ZK满足(8)。
Z'K＝(KG.S·ZG)//(KT.S·ZT+ZQ.K)(7)
ZK＝(KS·ZG)//(KS·ZT+ZQ.K)(8)
联立(7)和(8)即可求得ZK，这一算法可以有效避免多次重复地求解因子表，在不修改原有导纳矩阵的前提下，精确地求解网络所有节点的短路阻抗，从而实现快速的短路电流扫描功能。求得网络所有节点的短路阻抗如下表所示。
母线 电压(kV) 短路阻抗(Ω)
BUS01 380 9.348093481
BUS02 110 3.461296413
BUS03 110 5.592272496
BUS04 110 6.777572397
BUS05 110 3.314251281
BUS06 10 0.266169816
BUS07 10 0.390777648
BUS08 30 2.209131075
G1 21 0.400457666
G2 10.5 0.13032146
F、计算短路电流及相关参量。利用前述步骤得到的短路阻抗即可计算短路电流和电压的正、负、零序和A、B、C三相分量，以及短路容量等参量。本发明所述的优化算法的计算结果，与IEC标准提供的标准结果的对比如下表所示。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (9)

1.一种短路电流扫描优化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)读取网络数据，输入电力系统模型，并设置故障信息；
(2)计算各个元件的阻抗修正系数,形成修正后的正序、负序、零序导纳矩阵，其中，发电机-变压器组按照远端短路的情况进行阻抗修正；
(3)分别对正序、负序、零序导纳矩阵进行因子表分解；
(4)分别计算短路点的正序、负序、零序短路阻抗；
(5)判断短路点是否为发电机-变压器组的机端，如是则修正短路阻抗；
(6)计算短路电流及相关参量。
2.根据权利要求1所述的短路电流扫描优化方法，其特征在于，所述步骤(1)中，电力系统模型包括网络的拓扑结构、所有机组的发电机模型以及模型的参数、故障的位置及故障的类型。
3.根据权利要求1所述的短路电流扫描优化方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：
(201)对于发电机-变压器组的远端短路，若变压器T属于可有载调节型，采用下式计算发电机-变压器组的阻抗修正系数：
若变压器T属于不可有载调节型，则采用下式计算发电机-变压器组的阻抗修正系数：
式中，UnQ为变压器高压侧电网的系统标称电压，UrG为发电机额定电压，为发电机额定功率因数角度，x″d为发电机的相对电抗，xT为分接头位于主抽头位置时的变压器相对电抗，(1±pG)为变压器分接头位置，UrTLV/UrTHV为变压器额定变比；
(202)对于发电机-变压器组的近端短路，若发电机-变压器组属于可有载调节型，分别计算发电机G和变压器T的阻抗修正系数：
若发电机-变压器组属于不可有载调节型，分别计算发电机G和变压器T的阻抗修正系数：
4.根据权利要求3所述的短路电流扫描优化方法，其特征在于，所述步骤(3)包括首先对母线排序进行优化，然后分别对正序、负序、零序导纳矩阵的因子表进行分解并存储，以快速计算每个母线的短路阻抗。
5.根据权利要求4所述的短路电流扫描优化方法，其特征在于，所述步骤(4)包括：在正序、负序、零序因子表的基础上，利用前推回代法快速求取每一条母线的短路阻抗值。
6.根据权利要求5所述的短路电流扫描优化方法，其特征在于，所述步骤(5)包括：
判断短路母线是否为发电机-变压器组的机端节点，如是，则步骤(2)计算的发电机-变压器组的机端节点的短路阻抗有误差，利用原导纳矩阵所计得的机端近似短路阻抗进行修正而得到精确的短路阻抗值。
7.根据权利要求6所述的短路电流扫描优化方法，其特征在于，在正序网络，假设发电机-变压器组是可有载调节型的，网络上所有发电机-变压器组均按照远端短路的情况进行阻抗修正，形成修正后的节点导纳矩阵，并求得发电机-变压器组机端节点的短路阻抗Z'K，Z'K是在不修改原导纳矩阵下所得到的近似短路阻抗，其值满足下式：
Z'K＝(KG.S·ZG)//(KT.S·ZT+ZQ.K)(7)
修正后的短路阻抗ZK满足下式：
ZK＝(KS·ZG)//(KS·ZT+ZQ.K)(8)
联立式(7)和式(8)求得精确的短路阻抗值ZK。
8.根据权利要求1所述的短路电流扫描优化方法，其特征在于，所述步骤(6)包括:利用前述步骤得到的短路阻抗即可计算短路电流和电压的正、负、零序和A、B、C三相分量，以及短路容量。
9.根据权利要求1所述的短路电流扫描优化方法，其特征在于，所述短路电流扫描优化方法基于IEC60909标准。
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