CN111625914A - 一种短路电流计算方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种短路电流计算方法及系统，包括以下步骤：S01、根据实际电网形成基础数据库，建立既定电网运行方式的模型；S02、对全网短路电流水平进行扫描；S03、利用牛顿法结合迭代法求出归算到短路点的各序阻抗，求出短路点总电流；S04、将短路点总电流的正序、负序以及零序分量进行叠加得到最终短路电流；利用逆变电路、控制系统以及升压变压器控制电路，能够对正、负序、零序分量进行叠加处理后得到各相电压和电流，在经过所述升压变压器控制电路递函数生成逆变型光伏电源内电势的设定值，建立线路电网的整体数学模型，减少计算量，使得计算速度提高，计算时间减少，提高了运行效率，即可以提高供电安全性，又能够使电网灵活的运行。

Description

一种短路电流计算方法及系统
技术领域
本发明实施例涉及配网线路技术领域，具体涉及一种短路电流计算方法及系统。
背景技术
近年来，电网的迅猛发展使得电网分区方案的研究的关注度逐渐增加，我国以重负荷中心北京、上海等大城市电网为代表，实现电网分区运行分区后的网络结构并没有充分发挥作用，如分区结构不完善、分区电网发展不平衡、短路电流水平较高、电网运行可靠性差等，分区后的电网仍不能完全满足未来发展需要，基于现有电网分区结构，目前用于分区电网计算短路电流的方法及系统还存在一下缺陷：
(1)由于目前的配电网中含有大量的逆变型分布电源，在现有的潮流与短路电流统一计算过程中，将逆变型分布电源处理为压控电流源，并以节点注入电流的形式迭代计算逆变型分布电源的注入电流参数，这样容易忽略逆变型分布电源的限流运行状态以及配电网故障时的控制要求，导致计算精度差；
(2)目前的线路电网中普遍采用牛顿法计算潮流方程以及短路电流，但是由于在计算过程中需要多次迭代，导致计算量大，计算效率低。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种短路电流计算方法及系统，采用广义的Tellegen算法将牛顿法、迭代法以及对称分量法相结合，建立了线路电网的整体数学模型，进行短路电流计算，对原有的线路电网短路计算方法进行简少计算过程，减少计算量，使得计算速度有所加快，计算时间有所减少，提高了运行效率，即可以提高供电安全性，又能够实电网灵活的运行，以解决现有技术中由于短路电流计算精度差、计算量大以及计算效率低等问题。
为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：
一种短路电流计算方法，包括以下步骤：
S01、根据实际电网形成基础数据库，建立既定电网运行方式的模型；
S02、对全网短路电流水平进行扫描，并设置既定故障类型以及扫描范围，确定短路节点以及短路类型；
S03、利用牛顿法结合迭代法求出归算到短路点的各序阻抗，求出短路点总电流；
S04、将短路点总电流的正序、负序以及零序分量进行叠加得到最终短路电流。
作为本发明的一种优选方案，所述S01中，根据戴维南等值和诺顿等值定理，将外部电力系统在端口处等价为等值的电压源与电抗串联或电流源与电抗并联，建立电力网络的多端口戴维南等值或多端口诺顿等值模型。
作为本发明的一种优选方案，利用所述多端口戴维南等值或多端口诺顿等值模型分别对不同位置短路时的两相短路或单相短路情况进行分析。
作为本发明的一种优选方案，根据所述两相短路或单相短路分析结果，采用牛顿法结合迭代法在极坐标系下构建电流的潮流方程式以及修正方程。
作为本发明的一种优选方案，所述牛顿法结合迭代法求解短路电流计算步骤如下：
首选，根据电网参数，形成原始电网的节点阻抗矩阵；
其次，应用牛顿法进行潮流计算，并形成初值代入迭代法中。修改节点阻抗矩阵将光伏电源的等效内阻加入原网络得到新的故障分量阻抗矩阵；
再者，计算大电网接入点至短路点的阻抗Zif，同时令时间间隔为1，应用阻抗矩阵计算电源接点至第k台光伏电源接入点的转移阻抗Zik以及第k台光伏源到故障点处的转移阻抗Zfk，同时计算出电源内阻Zt、逆变器的滤波阻抗C、滤波电容和升压变压器短路阻抗Zf，求出开路电压Uioc，
Figure BDA0002506859030000031
Figure BDA0002506859030000032
其中，Is1是电源点经过诺顿等值后的电流注入，Es电源内电压，Igj为第j台逆变型光伏电源的电流注入；
最后，根据短路响应电流Igi求出第k个时间间隔内电压控制逆变型光伏电源的短路故障电流有效值Igi(k)为：
Figure BDA0002506859030000033
并将故障时刻短路电流标值转化为有名值，若不满足误差要求则返回步骤二，继续迭代。
作为本发明的一种优选方案，依据所述短路故障电流有效值Igi(k)采用Tellegen算法计算网络中各个节点电压以及支路电流。
作为本发明的一种优选方案，所述Tellegen算法步骤如下：
首先，依据原始网络节点短路故障电流有效值Igi(k)进行微电网潮流计算；
其次，修改节点阻抗矩阵将光伏电源的等效内阻加入原网络得到新的故障分量阻抗矩阵，得到潮流计算结果，再输入到故障计算原始数据中；
再者，考虑微电网中分布式电源的影响，由分布式电源的类型确定对应注入节点电流的表达式，解出不对称短路点的特殊项的正序、负序、零序电流；
最后，利用叠加定理解出各个节点的三相短路电流标值，与原始网络节点短路故障电流有效值Igi(k)进行比对，在阈值范围内则认为正确，否则在重复以上迭代操作。
一种短路电流计算系统，包括：逆变电路、控制系统以及升压变压器控制电路，所述逆变电路接收逆变型光伏电源端电压以及端电流的正、负序、零序分量，并对其逆变处理后传递到所述控制系统，所述控制系统对正、负序、零序分量进行叠加处理后得到各相电压和电流，在经过所述升压变压器控制电路递函数生成逆变型光伏电源内电势的设定值。
作为本发明的一种优选方案，所述控制系统通过信令控制逆变电路继电保护模块执行闭锁操作。
作为本发明的一种优选方案，所述逆变电路继电保护模块内部的电流限值受升压变压器控制电路的电压内环控制。
本发明的实施方式具有如下优点：
本发明实质上是短路电流计算方法及系统，将三相交流系统利用等值模型得到正序、负序、零序网络方程，通过推导不同网络方程的边界方程将二者结合求解，最后得到短路电流的正序、负序、零序分量，进行叠加得到最终的短路电流，结合Matlab软件计算出线路电网短路时的数据，可以得出线路电网的计算速度，从而在控制系统内部设定阈值作为短路电流计算模型的误差，根据还误差大小执行不同的运行方式得到电网最大和最小短路电流，且操作人员可通过在不同地点设置不同的故障类型得到想要的短路电流计算结果，短路电流输出可设置得到短路点的总短路电流或分支短路电流，能够有效提高电网供电的效率以及电网检测的灵活度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明实施方式中短路电流计算方法的流程图；
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种短路电流计算方法，将三相交流系统利用等值模型得到正序、负序、零序网络方程，通过推导不同网络方程的边界方程将二者结合求解，最后得到短路电流的正序、负序、零序分量，进行叠加得到最终的短路电流，并且可以通过安排不同的运行方式得到电网最大和最小短路电流，操作人员可通过在不同地点设置不同的故障类型得到想要的短路电流计算结果，短路电流输出可设置得到短路点的总短路电流或分支短路电流，能够有效提高电网供电的效率以及电网检测的灵活度。
包括以下步骤：
S01、根据实际电网形成基础数据库，建立既定电网运行方式的模型；
S02、对全网短路电流水平进行扫描，并设置既定故障类型以及扫描范围，确定短路节点以及短路类型；
S03、利用牛顿法结合迭代法求出归算到短路点的各序阻抗，求出短路点总电流；
S04、将短路点总电流的正序、负序以及零序分量进行叠加得到最终短路电流。
所述S01中，根据戴维南等值和诺顿等值定理，将外部电力系统在端口处等价为等值的电压源与电抗串联或电流源与电抗并联，建立电力网络的多端口戴维南等值或多端口诺顿等值模型。
本实施例中，再考虑两相短路及单相短路的情况下，在故障点与参考节点之间建立接地故障的等值模型，并利用戴维南等值和诺顿等值定理变换等效电路，使得在求取导纳矩阵时不需因电源的接入而增加节点数，可以简化线路电网的短路电流计算步骤。
利用所述多端口戴维南等值或多端口诺顿等值模型分别对不同位置短路时的两相短路或单相短路情况进行分析。
本实施例中，根据实际电网将电网的短路电流限制措施细分成两个方面，首先针对电网规划和建设构建电网分区等值模型，形成层次分明的电网短路电流计算机制，通过电网分区等值模型建立多个端口与外部系统之间的关系，从而建立电力网络的多端口戴维南等值或多端口诺顿等值定理，能够分别对不同等值模型不同位置短路时的短路电流水平进行计算分析，将整体的短路电流水平限制在可控范围之内。
跟据所述两相短路或单相短路分析结果，采用牛顿法结合迭代法在极坐标系下构建电流的潮流方程式以及修正方程。
所述牛顿法结合迭代法求解短路电流计算步骤如下：
首选，根据电网参数，形成原始电网的节点阻抗矩阵；
其次，应用牛顿法进行潮流计算，并形成初值代入迭代法中。修改节点阻抗矩阵将光伏电源的等效内阻加入原网络得到新的故障分量阻抗矩阵；
再者，计算大电网接入点至短路点的阻抗Zif，同时令时间间隔为1，应用阻抗矩阵计算电源接点至第k台光伏电源接入点的转移阻抗Zik以及第k台光伏源到故障点处的转移阻抗Zfk，同时计算出电源内阻Zt、逆变器的滤波阻抗C、滤波电容和升压变压器短路阻抗Zf，求出开路电压Uioc，
Figure BDA0002506859030000071
Figure BDA0002506859030000072
其中，Is1是电源点经过诺顿等值后的电流注入，Es电源内电压，Igj为第j台逆变型光伏电源的电流注入；
最后，根据短路响应电流Igi求出第k个时间间隔内电压控制逆变型光伏电源的短路故障电流有效值Igi(k)为：
Figure BDA0002506859030000073
并将故障时刻短路电流标值转化为有名值，若不满足误差要求则返回步骤二，继续迭代。
本实施例中，采用牛顿法结合迭代法消除在实际计算过程中，滤波电容支路在电网故障后线路电压控制器对电网注入短路电流的影响，并且可以将逆变型物理电路建成与正序、负序、零序网络对应的正序、负序、零序分量模型，从而更好的分析短路电流序分量与电压控制光伏电源的关系，提高了短路电流计算的精确度。
本实施例中，所述牛顿法结合迭代法计算短路电流主要是在发生短路时先由逆变型光伏电源端电压以及端电流的正、负序、零序分量以及电流分量经过叠加定理后得到各相电压和电流，再经控制环节传递函数生成逆变型光伏电源内电势的设定值，当逆变型光伏电源短路电流超过热稳定电流时，逆变型光伏电源保护动作将使继电保护快速闭锁，退出运行后逆变型光伏电源无短路电流注入，使得故障过程中的电压跟踪仍受电压内环控制。
依据所述短路故障电流有效值Igi(k)采用Tellegen算法计算网络中各个节点电压以及支路电流。
所述Tellegen算法步骤如下：
首先，依据原始网络节点短路故障电流有效值Igi(k)进行微电网潮流计算；
其次，修改节点阻抗矩阵将光伏电源的等效内阻加入原网络得到新的故障分量阻抗矩阵，得到潮流计算结果，再输入到故障计算原始数据中；
再者，考虑微电网中分布式电源的影响，由分布式电源的类型确定对应注入节点电流的表达式，解出不对称短路点的特殊项的正序、负序、零序电流；
最后，利用叠加定理解出各个节点的三相短路电流标值，与原始网络节点短路故障电流有效值Igi(k)进行比对，在阈值范围内则认为正确，否则在重复以上迭代操作。
本实施例中差，采用Tellegen算法将牛顿法以及对称分量法相结合，构建节点方程网络模型，使得每次迭代过程中，只需要求解每次迭代时注入电流与第一次注入电流的差值，即注入电流的变化量；每次迭代节点方程构成矩阵与对应系统的节点方程矩阵之差，即可求得节点方程矩阵的变化量，因而减少了每次迭代的计算量，缩短了计算时间。
一种短路电流计算系统，包括：逆变电路、控制系统以及升压变压器控制电路，所述逆变电路接收逆变型光伏电源端电压以及端电流的正、负序、零序分量，并对其逆变处理后传递到所述控制系统，所述控制系统对正、负序、零序分量进行叠加处理后得到各相电压和电流，在经过所述升压变压器控制电路递函数生成逆变型光伏电源内电势的设定值。
所述控制系统通过信令控制逆变电路继电保护模块执行闭锁操作，能够更好的控制故障点处的节点电源进入限流状态，使得输出电流能够维持电流约束值。
所述逆变电路继电保护模块内部的电流限值受升压变压器控制电路的电压内环控制。
本实施例中，所述嵌入式控制芯片作为控制系统的主控制板，并结合Matlab软件计算出线路电网短路时的数据，可以得出线路电网的计算速度，从而在控制系统内部设定阈值作为短路电流计算模型的误差，并且能够利用逆变电路考虑线路故障节点间联络线距离因素以及电路阻抗影响，分析故障节点以及分区故障点模型中不同故障节点数和距离情况下的短路电流水平，找出短路电流增大的原因以及故障点并及时采取措施，能够有效提高电网供电的效率以及电网检测的灵活度。
该短路电流计算方法及系统，应用广义的Tellegen算法将牛顿法、迭代法以及对称分量法相结合，建立了线路电网的整体数学模型，进行短路电流计算，对原有的线路电网短路计算方法进行简少计算过程，减少计算量，使得计算速度有所加快，计算时间有所减少，提高了运行效率，即可以提高供电安全性，又能够实电网灵活的运行。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种短路电流计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01、根据实际电网形成基础数据库，建立既定电网运行方式的模型；
S02、对全网短路电流水平进行扫描，并设置既定故障类型以及扫描范围，确定短路节点以及短路类型；
S03、利用牛顿法结合迭代法求出归算到短路点的各序阻抗，求出短路点总电流；
S04、将短路点总电流的正序、负序以及零序分量进行叠加得到最终短路电流。
2.根据权利要求1所述的一种短路电流计算方法，其特征在于，所述S01中，根据戴维南等值和诺顿等值定理，将外部电力系统在端口处等价为等值的电压源与电抗串联或电流源与电抗并联，建立电力网络的多端口戴维南等值或多端口诺顿等值模型。
3.根据权利要求2所述的一种短路电流计算方法，其特征在于，利用所述多端口戴维南等值或多端口诺顿等值模型分别对不同位置短路时的两相短路或单相短路情况进行分析。
4.根据权利要求3所述的一种短路电流计算方法，其特征在于，根据所述两相短路或单相短路分析结果，采用牛顿法结合迭代法在极坐标系下构建电流的潮流方程式以及修正方程。
5.根据权利要求4所述的一种短路电流计算方法，其特征在于，所述牛顿法结合迭代法求解短路电流计算步骤如下：
首选，根据电网参数，形成原始电网的节点阻抗矩阵；
其次，应用牛顿法进行潮流计算，并形成初值代入迭代法中，修改节点阻抗矩阵将光伏电源的等效内阻加入原网络得到新的故障分量阻抗矩阵；
再者，计算大电网接入点至短路点的阻抗Zif，同时令时间间隔为1，应用阻抗矩阵计算电源接点至第k台光伏电源接入点的转移阻抗Zik以及第k台光伏源到故障点处的转移阻抗Zfk，同时计算出电源内阻Zt、逆变器的滤波阻抗C、滤波电容和升压变压器短路阻抗Zf，求出开路电压Uioc，
Figure FDA0002506859020000021
Figure FDA0002506859020000022
其中，Is1是电源点经过诺顿等值后的电流注入，Es电源内电压，Igj为第j台逆变型光伏电源的电流注入；
最后，根据短路响应电流Igi求出第k个时间间隔内电压控制逆变型光伏电源的短路故障电流有效值Igi(k)为：
Figure FDA0002506859020000023
并将故障时刻短路电流标值转化为有名值，若不满足误差要求则返回步骤二，继续迭代。
6.根据权利要求5所述的一种短路电流计算方法，其特征在于，依据所述短路故障电流有效值Igi(k)采用Tellegen算法计算网络中各个节点电压以及支路电流。
7.根据权利要求6所述的一种短路电流计算方法，其特征在于，所述Tellegen算法步骤如下：
首先，依据原始网络节点短路故障电流有效值Igi(k)进行微电网潮流计算；
其次，修改节点阻抗矩阵将光伏电源的等效内阻加入原网络得到新的故障分量阻抗矩阵，得到潮流计算结果，再输入到故障计算原始数据中；
再者，考虑微电网中分布式电源的影响，由分布式电源的类型确定对应注入节点电流的表达式，解出不对称短路点的特殊项的正序、负序、零序电流；
最后，利用叠加定理解出各个节点的三相短路电流标值，与原始网络节点短路故障电流有效值Igi(k)进行比对，在阈值范围内则认为正确，否则在重复以上迭代操作。
8.一种短路电流计算系统，其特征在于，包括：逆变电路、控制系统以及升压变压器控制电路，所述逆变电路接收逆变型光伏电源端电压以及端电流的正、负序、零序分量，并对其逆变处理后传递到所述控制系统，所述控制系统对正、负序、零序分量进行叠加处理后得到各相电压和电流，在经过所述升压变压器控制电路递函数生成逆变型光伏电源内电势的设定值。
9.根据权利要求8所述的一种短路电流计算系统，其特征在于，所述控制系统通过信令控制逆变电路继电保护模块执行闭锁操作。
10.根据权利要求9所述的一种短路电流计算系统，其特征在于，所述逆变电路继电保护模块内部的电流限值受升压变压器控制电路的电压内环控制。
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