CN108520131A - 基于节点重合和关联矩阵的井下高压电网短路计算方法 - Google Patents

基于节点重合和关联矩阵的井下高压电网短路计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于节点重合和关联矩阵的井下高压电网短路计算方法，该方法基于节点重合和关联矩阵构造矿井高压供电系统的网络拓扑模型，能够很方便地完成矿井高压供电系统供电网络的拓扑辨识,并以此为基础实现自动短路计算功能。其首先依据关联矩阵A、B1、C、E和D计算出线开关节点与出线开关节点对应的纵向初级供电关联矩阵MG，然后在此基础上计算得到出现开关节点与线路节点的供电关联矩阵L和关联矩阵FC，最后依据关联矩阵L和关联矩阵FC完成矿井高压供电系统自动短路计算。

Description

基于节点重合和关联矩阵的井下高压电网短路计算方法
技术领域
本发明公开了基于节点重合和关联矩阵的井下高压电网短路计算方法，属于煤矿高压供电网络短路计算领域。
背景技术
35kV以上的电力网中存在多个电源，属于复杂闭式电网，短路计算较为复杂；而矿井高压供电系统为6kV或10kV等级，两个电源应采用分列运行方式，或者是一路使用一路备用，属于单电源开式电网，其短路计算可采用比较简单的绝对值法或相对值法。
针对矿井高压供电系统完成自动短路计算需要首先获取高压供电系统的网络拓扑结构，依据获取的网络拓扑结构使用绝对值法或相对值法完成自动短路计算功能。当前，已有的矿井高压供电系统自动短路计算方法主要是基于深度搜索、广度搜索算法或关联矩阵完成连通性分析，获得矿井高压供电系统的网络拓扑结构，以此为基础实现供电系统的自动短路计算功能。上述方法针对的煤矿高压供电系统图多为开关、母线的连接示意图，而在某些煤矿的井下高压供电系统图中，为了能够更加直观地完成井下高压供电系统图的绘制，其采用附图1所示的高压出线开关图元，并在井下高压供电系统母线位置通过高压出线开关图元与高压出线开关图元之间的直接对齐完成井下高压供电系统图的绘制。在绘制过程中，高压出线开关图元与高压出线开关图元上设置的有对应的连接点，当两个图元距离足够近时，通过自动捕获算法实现图元的自动对齐，捕获过程如附图2所示，最终基于节点对齐绘制的结果如附图3所示。在绘制完成的井下高压供电系统图中，并没有独立的母线图元，已有的基于关联矩阵的自动短路计算方法并不能直接对上述井下高压供电系统图完成拓扑分析，构建拓扑结构模型。
本发明提出的基于节点重合和关联矩阵的井下高压电网短路计算方法通过基于节点重合和关联矩阵构造矿井高压供电系统的网络拓扑模型，能够很方便地完成矿井高压供电系统供电网络的拓扑辨识, 并以此为基础实现自动短路计算功能。具有方法简单、效率高等特点。
发明内容
附图4为某矿井高压供电系统图，用虚线绘制的高压开关节点为分闸状态，用实线绘制的高压开关节点为合闸状态；设置矿井高压供电系统最大运行方式下的系统电抗和最小运行方式下的系统电抗；设置矿井高压供电系统的电源进线开关节点，电源进线开关节点是指由上级供电部门直接供电的进线开关节点；假定在矿井高压供电系统图中，出线开关节点数量S，线路节点数量为T，进线开关节点数量为N，联络开关节点数量为U；联络开关节点编号、进线开关节点编号、出线开关节点编号和线路节点编号如附图4所示。在附图4的矿井高压供电系统中，编号为（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）、（7）、（8）的高压开关为进线开关节点，其中（1）和（2）为电源进线开关节点；编号为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17的高压开关为出线开关节点；编号为[1]、[2]、[3]、[4]、[5]的高压开关为联络开关节点；编号为<1>、<2>、<3>、<4>、<5>、<6>、<7>的线路为线路节点；默认情况下，矩阵元素与矩阵元素乘法运算为二进制与运算，元素与元素的加法运算为二进制或运算。
针对矿井高压供电系统，以高压出线开关作为出线开关节点，则依据矿井高压供电系统图中电气设备之间的连接关系生成出线开关节点与出线开关节点的横向关联矩阵A，关联矩阵A为S行S列；具体步骤如下：
步骤1、出线开关节点i的顺序号对应关联矩阵A的行号，出线开关节点j的顺序号对应关联矩阵A的列号；关联矩阵A中第i行第j列的元素用表示；
步骤2、如果出线开关节点i与出线开关节点j相邻，则；如果出线开关节点i与出线开关节点j不相邻，则；
步骤3、将关联矩阵A中i和j相等的元素的数值设置为1。
针对矿井高压供电系统，以联络开关作为联络开关节点，以高压出线开关作为出线开关节点，则依据矿井高压供电系统图中电气设备之间的连接关系生成联络开关节点与出线开关节点的横向关联矩阵B1，关联矩阵B1为U行S列；具体步骤如下：
步骤1、联络开关节点i的顺序号对应关联矩阵B1的行号，出线开关节点j的顺序号对应关联矩阵B1的列号；关联矩阵B1中第i行第j列的元素用表示；
步骤2、如果联络开关节点i与出线开关节点j相邻，且联络开关节点的开关状态为合闸，则；反之，则。
针对矿井高压供电系统，以高压出线开关作为出线开关节点，以进线开关作为进线开关节点，则依据矿井高压供电系统图中电气设备之间的连接关系生成出线开关节点与进线开关节点关联矩阵C，关联矩阵C为S行N列；具体步骤如下：
步骤1、出线开关节点i的顺序号对应关联矩阵C的行号，进线开关节点j的顺序号对应关联矩阵C的列号；关联矩阵C中第i行第j列的元素用表示；
步骤2、如果出线开关节点i由进线开关节点j供电，且出线开关节点和进线开关节点的开关状态为合闸，则；反之，则。
针对矿井高压供电系统，以线路作为线路节点，以高压出线开关作为出线开关节点，则依据矿井高压供电系统图中电气设备之间的连接关系生成线路节点与出线开关节点关联矩阵D，关联矩阵D为T行S列；具体步骤如下：
步骤1、线路节点i的顺序号对应关联矩阵D的行号，出线开关节点j的顺序号对应关联矩阵D的列号；关联矩阵D中第i行第j列的元素用表示；
步骤2、如果线路节点i由出线开关节点j供电，且出线开关节点j的开关状态为合闸，则Dij=1；反之，则Dij=0。
针对矿井高压供电系统，以进线开关作为进线开关节点，以线路作为线路节点，则依据矿井高压供电系统图中电气设备之间的连接关系生成进线开关节点与线路节点关联矩阵E，关联矩阵D为N行T列；具体步骤如下：
步骤1、进线开关节点i的顺序号对应关联矩阵E的行号，线路节点j的顺序号对应关联矩阵E的列号；关联矩阵E中第i行第j列的元素用表示；
步骤2、如果进线开关节点i由线路节点j供电，且进线开关节点的开关状态为合闸，则Eij=1；反之，则Eij=0。
针对矿井高压供电系统，依据关联矩阵A、B1、C、E和D计算出线开关节点与出线开关节点对应的纵向初级供电关联矩阵MG，具体步骤如下：
步骤1、出线开关与出线开关的初级关联矩阵；
步骤2、出线开关与出线开关的初级横向关联矩阵；
步骤3、修正后的关联矩阵；
步骤4、关联矩阵，执行步骤5；
步骤5、如果关联矩阵G与关联矩阵F相同，则执行步骤6；反之，则将关联矩阵G的值赋给关联矩阵F，重复执行步骤4；
步骤6、针对计算获得的矩阵G，将矩阵G中行号和列号相等的所有元素对应的数值均设置为1；最终得到的矩阵就是出线开关节点与出线开关节点对应的纵向初级供电关联矩阵MG。
针对矿井高压供电系统，依据关联矩阵B、C、E、D和MG计算出现开关节点与线路节点的关联矩阵L和关联矩阵FC，具体步骤如下：
步骤1、关联矩阵H=MG*MG；如果H等于MG，则执行步骤2；反之，则将矩阵H的值赋给矩阵MG，重复执行步骤1；
步骤2、矩阵MC=B*C；如果MC等于C，则执行步骤3；反之，则将矩阵MC的值赋给矩阵C，重复执行步骤2；
步骤3、出线开关节点与线路节点的关联矩阵；
步骤4、出线开关节点与进线节点的最终供电关联矩阵FC=H*MC。
针对矿井高压供电系统，依据关联矩阵L和关联矩阵FC完成矿井高压供电系统自动短路计算，具体步骤如下：
步骤1、线路节点与线路节点的电阻矩阵R，在电阻矩阵R中，第i行第j列对应的元素用表示；如果i=j，则的数值等于线路顺序号为i的线路对应的电阻；否则，；在附图4所示的煤矿高压供电系统图中，；
步骤2、线路节点与线路节点的电抗矩阵X，在电抗矩阵X中，第i行第j列对应的元素用表示；如果i=j，则的数值等于线路顺序号为i的线路对应的电抗；否则，；在附图4所示的煤矿高压供电系统图中，；
步骤3、假定矩阵W为T行1列，每个元素的数值为1；
步骤4、矩阵LR=L*R*W，矩阵LX=L*X*W；
步骤5、当某线路i对应的线路末端发生短路时，因线路i由出线开关节点i控制，因此首先依据出线开关节点i（行号）在关联矩阵FC中找到相应的行，然后找到该行中数值为1的所有元素对应的列号，再依据获得的列号找到对应的进线开关节点集合PP，PP是所有给线路i供电的进线开关节点集合；如果集合PP中不存在电源进线开关节点，则说明线路i没有电源供电，不进行短路计算；如果集合PP中存在电源进线开关节点，该节点用Y表示，则说明线路i有电源供电，则执行步骤6；
步骤6、依据出线开关节点i（行号）在矩阵LR和矩阵LX中找到相应的行，然后找到该行中对应元素对应的数值，分别用TR和TX表示；
步骤7、假定节点Y对应的最大运行方式下的系统电抗用MAXX表示，则将TX的数值和MAXX相加，并将计算得到的结果赋给TXMAX；假定节点Y对应的最小运行方式下的系统电抗用MINX表示，则将TX的数值和MINX相加，并将计算得到的结果赋给TXMIN；然后依据高压供电系统短路点所在线路的平均电压和总电阻、总电抗计算最大运行方式下的三相短路电流；最小运行方式下的二相短路电流。
附图说明
图1是高压出线开关图元；图2是完成自动捕获的高压出线开关图元；图3是完成自动对齐的高压出线开关图元；图4是井下高压供电系统图。
具体实施方式
使用提出的基于节点重合和关联矩阵的井下高压电网短路计算方法针对附图4所示的矿井高压电网完成短路计算，附图4为矿井高压供电系统图。具体步骤如下：
（1）计算关联矩阵A。附图4所示的矿井高压供电系统生成的关联矩阵A为：
；
（2）计算关联矩阵B1。附图4所示的矿井高压供电系统生成的关联矩阵B1为：
；
（3）计算关联矩阵C。附图4所示的矿井高压供电系统生成的关联矩阵C为：
；
（4）计算关联矩阵D。附图4所示的矿井高压供电系统生成的关联矩阵D为：
；
（5）计算关联矩阵E。附图4所示的矿井高压供电系统生成的关联矩阵E为：
；
（6）计算关联矩阵MG。附图4所示的矿井高压供电系统生成的关联矩阵MG为：
；
（7）计算关联矩阵L和FC。附图4所示的矿井高压供电系统生成的关联矩阵L和FC为：
，；
（8）针对矿井高压供电系统，依据关联矩阵L和关联矩阵FC完成矿井高压供电系统自动短路计算。

Claims (8)

1.基于节点重合和关联矩阵的井下高压电网短路计算方法，其特征在于，所描述的短路计算方法包括如下步骤：
步骤11，针对矿井高压供电系统，以高压出线开关作为出线开关节点，则依据矿井高压供电系统图中电气设备之间的连接关系生成出线开关节点与出线开关节点的横向关联矩阵A；
步骤12， 针对矿井高压供电系统，以联络开关作为联络开关节点，以高压出线开关作为出线开关节点，则依据矿井高压供电系统图中电气设备之间的连接关系生成联络开关节点与出线开关节点的横向关联矩阵B1；
步骤13， 针对矿井高压供电系统，以高压出线开关作为出线开关节点，以进线开关作为进线开关节点，则依据矿井高压供电系统图中电气设备之间的连接关系生成出线开关节点与进线开关节点关联矩阵C；
步骤14，针对矿井高压供电系统，以线路作为线路节点，以高压出线开关作为出线开关节点，则依据矿井高压供电系统图中电气设备之间的连接关系生成线路节点与出线开关节点关联矩阵D；
步骤15，针对矿井高压供电系统，以进线开关作为进线开关节点，以线路作为线路节点，则依据矿井高压供电系统图中电气设备之间的连接关系生成进线开关节点与线路节点关联矩阵E；
步骤16，针对矿井高压供电系统，依据关联矩阵A、B1、C、E和D计算出线开关节点与出线开关节点对应的纵向初级供电关联矩阵MG；
步骤17，针对矿井高压供电系统，依据关联矩阵B、C、E、D和MG计算出现开关节点与线路节点的关联矩阵L和关联矩阵FC；
步骤18，针对矿井高压供电系统，依据关联矩阵L和关联矩阵FC完成矿井高压供电系统自动短路计算。
2.根据权利要求1所述的基于节点重合和关联矩阵的井下高压电网短路计算方法，其特征在于，在步骤11中，主要进行如下步骤：
步骤21、出线开关节点i的顺序号对应关联矩阵A的行号，出线开关节点j的顺序号对应关联矩阵A的列号；关联矩阵A中第i行第j列的元素用表示；
步骤22、如果出线开关节点i与出线开关节点j相邻，则；如果出线开关节点i与出线开关节点j不相邻，则；
步骤23、将关联矩阵A中i和j相等的元素的数值设置为1。
3.根据权利要求1所述的基于节点重合和关联矩阵的井下高压电网短路计算方法，其特征在于，在步骤12中，主要进行如下步骤：
步骤31、联络开关节点i的顺序号对应关联矩阵B1的行号，出线开关节点j的顺序号对应关联矩阵B1的列号；关联矩阵B1中第i行第j列的元素用表示；
步骤32、如果联络开关节点i与出线开关节点j相邻，且联络开关节点的开关状态为合闸，则；反之，则。
4.根据权利要求1所述的基于节点重合和关联矩阵的井下高压电网短路计算方法，其特征在于，在步骤13中，主要进行如下步骤：
步骤41、出线开关节点i的顺序号对应关联矩阵C的行号，进线开关节点j的顺序号对应关联矩阵C的列号；关联矩阵C中第i行第j列的元素用表示；
步骤42、如果出线开关节点i由进线开关节点j供电，且出线开关节点和进线开关节点的开关状态为合闸，则；反之，则。
5.根据权利要求1所述的基于节点重合和关联矩阵的井下高压电网短路计算方法，其特征在于，在步骤14中，主要进行如下步骤：
步骤51、线路节点i的顺序号对应关联矩阵D的行号，出线开关节点j的顺序号对应关联矩阵D的列号；关联矩阵D中第i行第j列的元素用表示；
步骤52、如果线路节点i由出线开关节点j供电，且出线开关节点j的开关状态为合闸，则Dij=1；反之，则Dij=0。
6.根据权利要求1所述的基于节点重合和关联矩阵的井下高压电网短路计算方法，其特征在于，在步骤15中，主要进行如下步骤：
步骤61、进线开关节点i的顺序号对应关联矩阵E的行号，线路节点j的顺序号对应关联矩阵E的列号；关联矩阵E中第i行第j列的元素用表示；
步骤62、如果进线开关节点i由线路节点j供电，且进线开关节点的开关状态为合闸，则Eij=1；反之，则Eij=0。
7.根据权利要求1所述的基于节点重合和关联矩阵的井下高压电网短路计算方法，其特征在于，在步骤16中，主要进行如下步骤：
步骤71、出线开关与出线开关的初级关联矩阵；
步骤72、出线开关与出线开关的初级横向关联矩阵；
步骤73、修正后的关联矩阵；
步骤74、关联矩阵，执行步骤75；
步骤75、如果关联矩阵G与关联矩阵F相同，则执行步骤76；反之，则将关联矩阵G的值赋给关联矩阵F，重复执行步骤74；
步骤76、针对计算获得的矩阵G，将矩阵G中行号和列号相等的所有元素对应的数值均设置为1；最终得到的矩阵就是出线开关节点与出线开关节点对应的纵向初级供电关联矩阵MG。
8.根据权利要求1所述的基于节点重合和关联矩阵的井下高压电网短路计算方法，其特征在于，在步骤17中，主要进行如下步骤：
步骤81、关联矩阵H=MG*MG；如果H等于MG，则执行步骤82；反之，则将矩阵H的值赋给矩阵MG，重复执行步骤81；
步骤82、矩阵MC=B*C；如果MC等于C，则执行步骤83；反之，则将矩阵MC的值赋给矩阵C，重复执行步骤82；
步骤83、出线开关节点与线路节点的关联矩阵；
步骤84、出线开关节点与进线节点的最终供电关联矩阵FC=H*MC。
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