基于Excel VBA的短路电流实用计算软件在太平湾电站的开发应用

苏有权

（国网公司东北分部绿源水力发电公司太平湾发电厂）

0 引言

短路电流计算是保证电力系统和电气设备安全运行不可缺少的基本计算，是电气设备选择、继电保护计算与整定的基础。对于电网的潮流计算和短路计算，已有较为成功的计算方法和程序，但软件设计理念并不适用于电厂的情况。太平湾电厂短路电流计算一直使用手工算法，在系统参数变化后需及时进行计算，手工计算过程非常烦琐，工作量大，并且极易发生误计算情况，对设备选型和保护整定不利。因此，研究开发一套适用于本厂的短路电流实用计算及保护定值整定计算软件是非常有必要的。

1 太平湾电站系统图及短路点选取

太平湾电站50Hz系统有两台机变组，三台高压厂用变，若干台低压厂用变，最高电压等级为220kV，最低电压等级为0.4kV，选全厂各电压等级母线为短路点，系统图如图所示。

图 太平湾电站系统图及短路点位置图

2 利用软件计算短路电流的实现

基于Excel VBA的短路电流实用计算软件依托于Excel应用程序实现，关键数据处理使用Excel VBA自带语言编程语言实现，达到原始数据录入表格即可计算出各预设点的短路电流的功能。

2.1 各元件在基准条件下的标幺值

式中，X″d为发电机次暂态电抗，Xk为变压器短路阻抗，SB为基准容量，通常取100MVA，SN为发电机变压器额定容量，UN为短路点的平均额定电压，X1L为线路阻抗。

2.2 不同性质电源供电时短路电流计算原则

2.2.1供电电源对短路点为无穷大电源

按照短路电流实用计算原则，该种情况可认为当短路点短路时，由供电电源提供的短路电流不衰减，当系统中存在无穷大电源时，计算时需要经过一系列的网络变换，计算出无穷大电源至短路点的等值阻抗值。各发电机均用次暂态电抗作为其等值电抗，发电机次暂态电势近似为1［2］，短路电流中不计及负荷电流，不考虑线路及有关设备和回路电阻，其等值阻抗均按电抗形式计算。

则由无穷大电源供给短路点的电流为：

式中，SB为基准容量；UB为短路点的平均额定电压；Z∑为电源至短路点的等值阻抗。

2.2.2供电电源对短路点为有限容量电源

当供电电源为有限容量电源时，视电源离短路的电气距离，分不同情况进行计算。当各电源离短路点电气距离较远时，可将多个同类型电源合并为一个等值电源；当各电源离短路点电气距离较近时，需要将每一个供电电源单独计算。无论何种情况，计算出电源归算至短路点的等值阻抗后，必需归算为电源至短路点的计算电抗，然后再查询短路电流运算曲线，得出各电源提供短路电流标幺值。

式中，S∑为电源总容量；UB为短路点的平均额定电压；Ib为电源提供短路电流基准值。

2.3 软件计算的处理过程

2.3.1收集计算参数

将参与短路计算的所有设备参数编制成一个有名值参数汇总表，供各点短路电流计算时自动取值。

2.3.2计算各设备标幺值

将基准容量、各电压等级下的平均额定电压、系统最大等值阻抗、最小等值阻抗等数据编制成一个标幺值参数列表，各设备标幺值由有名值参数自动按相应公式自动计算。表1为Excel软件计算出的设备有名值参数。

表1 各设备基准容量下的标幺值列表

（续）

表1中，只有“计算基准容量”、“220kV最大最小等值阻抗”、“冲击系数”和“基准电压”需要手动输入数值外，其他标么值均为Excel自动计算所得。

2.4 Excel软件计算时关键问题的处理方法

在Excel软件自动计算时，以下问题需要根据不同情况进行不同处理。

2.4.1三绕组变压器低压侧等值阻抗的计算

在计算变压器等值阻抗时，三绕组变压器低压侧的等值阻抗按下式计算：

式中，Z高－中、Z高－低、Z中－低分别为三绕组变压器高－中、高－低、中－低的短路阻抗。在实际计算时，三绕组变压器低压侧等值阻抗往往为负值，如太平湾电站一号主变低压侧等值阻抗计算式为：

当计算结果为负值时，短路计算中通常按0计算（实用计算允许的），但当计算为正值时，需要按实际计算结果进行计算。在程序中用Excel VBA IF语言实现：

该语言实现当三绕组变压器低压侧等值阻抗为负值时按零计算，当等值阻抗为正值时按实际计算结果计算。

2.4.2根据计算电抗自动查询短路曲线功能

短路曲线的查询是短路电流计算中的难点所在，在同一计算电抗下，因视觉误差及其他误差的存在，使得查询到的短路电流数值因人而异，同样使得最终计算出的短路电流有所不同。在本程序设计中，为使短路曲线的查询尽量准确，首先对短路电流运算曲线进行了数字化处理，并将计算电抗精度细化为0.01，即计算电抗在0.18至3.50（保留两为位小数）之间时，软件都可自动查询计算电抗所对应的短路电流表么值，当电源至短路点的计算电抗大于3.5时，可认为电源为一无穷大电网，由其供给短路点的电流不衰减。计算电抗从0.18至0.5时对应的数字化短路电流曲线如表2所示（0s），其他不列出。

表2 t＝0s时水轮发电机数字化运算曲线（Xjs＝0.18～0.50）

利用Excel VBA语言，用自定义的“Autochoose”函数实现短路曲线的自动查询，VBA语言如下：

该语言实现了软件根据计算电抗自动查询短路电流功能，为短路电流精确计算提供可靠数据。

利用编辑好的设备有名值参数表，设备标幺值参数表，将各短路点短路电流计算式的星－角变化，阻抗合并等基础计算过程都录入到Excel软件中，实现了软件根据录入的基础数据对各点短路电流进行自动计算。软件计算出的2020年主要短路点短路电流及短路功率如表3所示。

表3 各短路点短路电流数值表

3 手工计算结果与Excel软件计算结果对比

将手工计算的2020年太平湾电站主要短路点短路电流数值和用Excel软件计算的结果进行对比，列表如表4所示。

表4 手工计算结果与Excel软件计算结果对比表

从对比表中可以看出，手工计算值与Excel软件计算值存在一定偏差，当短路点离发电机越近时，误差也最大，究其原因，一是手工运算中小数位的取舍造成的误差；二是手工运算查电流运算曲线时产生误差，这是产生误差的主要原因。由此可见，通过Excel软件可以更精确地计算出各点的短路电流，不仅提高了工作效率，更保证了计算数值的精度和准确性，为设备选型和保护定值整定提供了可靠依据。

4 结束语

基于Excel软件的太平湾电厂短路电流计算软件完全可以替代以往手工算法，计算时只要将设备参数和系统参数正确输入，Excel软件即可自动计算出选取短路点的短路电流、短路功率、冲击电流等常用数据，并且可以自动计算有关保护的整定值，以往需要十多天完成的工作，运用该软件后只需几秒时间就可以全部完成，不仅提高了工作效率，更提高了计算精度和准确性，为设备选型和保护整定提供了有力保障。只要系统接线方式不变化，该软件就可以长期使用，系统接线方式变化后，对软件做相应调整即可，软件的编制方法和关键问题的处理方法值得其他电厂计算短路电流时参考借鉴。