电力网络短路电流改进算法程序设计

黄天阳 寇尧晴 赵若伶

摘要：电力系统短路计算是电力部门经常运行的基本计算，其计算结果是设备选择、继电保护定值整定的依据。大型电力系统的网络互联以及电力市场的发展，使得短路电流的计算越来越需要更高的精度。本文研究短路电流计算的常用算法，分析影响短路计算结果的原因，对导纳矩阵的形成方法和短路电流的计算方式进行了算法改进，使短路计算的精度得到提高。采用C编程语言编写短路电流计算程序，利用编写的计算程序对几个实际算例进行短路计算，与简化计算及专业仿真软件Power World计算数据进行对比分析，结果可信，表明改进后的短路电流计算程序提高了短路电流的计算精度。

关键词：短路计算 导纳矩阵三角分解法 Power World仿真

1引言

近年来，由于智能电网的建设和新能源的发展，对电力系统运行的可靠性和预测能力提出了更高的要求。在电力系统和电气设备的设计和运行中，短路电流计算是解决一系列技术问题所不可缺少的基本计算，是接线方案比较、电气设备选择、继电保护计算与整定的基础。实用的短路电流计算，是在基本假设基础上，对网络进行变换和化简，求得各电源点对短路点的转移阻抗，然后查运算曲线，求得短路电流。当前大多数中小型设计院及一些厂矿企业等还仍然采用手工计算。本文从实际工作需要出发，对实用短路电流算法进行了改进，编制了一套实用软件，并应用实例与专业软件结果对比。

2短路电流计算

（一）短路电流的常用算法及产生误差的原因

实际计算中针对不同的短路情况采用不同的算法：对于对称故障用三相解耦原理来分析，对于不对称故障采用对称分量法。计算大体步骤是：1.根据网络模型写出节点导纳矩阵，然后求逆得到阻抗矩阵（也可直接写出阻抗矩阵）。2.由节点自阻抗和短路前节点电压计算各序分量值。3.根据对称分量法或解耦原理求出各相电流值。

短路电流计算（特别是手工计算）常常采用近似计算，从而使结果产生很大误差。近似计算的简化条件主要：不计系统组件的电阻：不计输电线对地电纳;不计变压器的非标准变比;不计负荷;发电机次瞬时电动势E"标幺值为1，幅角均为0。

（二）短路电流改进算法

1.光伏电池板模型及负载特性

光伏电池是以半导体材料P-N结上接受太阳光照产生伏特效应为基础，直接将光能转换成电能的特性制成的。

太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴--电子对。在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。

太阳能电池的输出特性受光照条件影响，且在每一个光照条件下，都能取得一个Pmax，同理太阳能电池板的输出同样受到温度的影响。

（三）Buck电路的实现方法和参数

电感的设计：  ，其中Vdcn是输入电压，Vo是输出电压，Ion是输出电流额定值，故取L0为5.6mH。输出滤波电容的设计：输出滤波电容的选择主要取决于对电压纹波的要求，这里选取的是2200μF。

（四）Boost电路的实现方法和参数计算

Bost斩波电路的实际电路图5，参数选取如下：L2=1.25mH，二极管选取肖特基二极管为1N5822。

（五）MSOFET的驱动及开关管的选择

Buck电路中的OSFET位置特殊，故此次设计我们选用了光糊硒离的驱动方式，光耦供电电源采用独立电游模块，能很好的实现输入和输出的隔离，独立电源模块的的输入电压是由LM2576提供的。

开关管的选择：选用MOSFET作为开关元件。此电路选用了N沟道MOSFET IRF530

Vas=100v，Id=14A，，完全能满足此电路设计要求。

（六）电压，电流采样部分

电压采样电路是采用电阻分压后面加一级电压眼随器的方式实现的。

电压跟随器用lm358。

同理，蓄电池端的电压采样也是用这种方法实现的。对于电流采样，为了防止电路其他部分对电流采样造成干扰，采用高共模抑制比的仪用放大器AD620。AD620可以等效为前端是电压跟随器，后面是差动放大器的电路，可以很好的实现前后阻抗匹配以及差动放大。

（七）电源及显示模块的设计

78xx系列是线性稳压电源，电压纹波很小，特别适合为运算放大器供电，故选择其为仪用放大器AD620供电。

整个电路对电压纹波要求不是太严格的部分，使用LM2576，可以大大提高效率。

其输出主要供给：AVR单片机，LCD1602显示，LM358构成的電压跟随器等供电。

（八）数学模型

改进算法的阻抗矩阵元素形式如下式Z2所示。

（九）三角分解法

求解节点阻抗矩阵可以有两种求解方式：一种是用直接形成节点阻抗矩阵;另一种是通过对节点导纳矩阵求逆的方法计算阻抗矩阵的元素。直接形成阻抗矩阵的工作量较大，网络变化时的修改也比较麻烦，而且节点阻抗矩阵是满阵，需要计算机的存储量较大。矩阵求逆的方法很多，常见的如高斯消去法等。本文采用三角分解法。

用三角分解法求解节点导纳矩阵方程包括两部分计算。一是将导纳矩阵Y三角分解：Y阵是个非奇异的对称矩阵，按照矩阵三角分解原理，Y可表示为

由已知I用式（3）计算得到U，即为对应某短路节点的节点阻抗元素相量。

5结论

本文在传统算法的基础上进行了算法改善，结果证明，从精度和软件功能方面，对短路电流计算模块得到较大的提高，依据计算结果可以较为精确地选择电气设备。文中提供的短路电流计算软件，使人们从复杂的计算中解脱出来，从而提高设计效率和设计水平。

参考文献

[1]赵争鸣刘建政孙晓琐 袁立强太阳能光伏发电及其应用[M].北京：科学出版社，2005。

[2]宋婷.后备式光伏发电系统的研究与设计[J].电力电子技术，2009，14（1）：34-36

[3]王兆安，黄俊，电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2000.

[4]康华光，电子技术基础（模拟部分）[M].北京：高等教育出版社，2005.

[5]何桥，段清明，邱春玲，单片机原理及应用[M]，北京：中国铁道出版社，2003.

[6]邓肯格洛弗.电力系统分析与设计[M].北京：机械工业出版社，2004.

[7]贺家礼.电力系统继电保护[M].北京：中国电力出版社，2005.

[8]熊信银.发电厂电气部分[M].北京：中国电力出版社，2007.

[9]何仰赞.电力系统分析[M].武汉：华中科技大学出版社，2002

作者简介：黄天阳 （2002.02 ）男，汉族，四川泸州人，大学专科。