一种线路中任意位置短路电流计算方法及系统

技术领域

本发明属于电力系统短路计算技术领域，尤其涉及一种线路中任意位置短路电流计算方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着经济社会的发展，供电可靠性问题受到人们的重视；电力系统的稳定性是各行各业正常发展的基础，电力为各产业提供电力支撑，保证国家经济的正常发展；如何保证电力系统安全、经济、持续、稳定的运行具有十分重要的意义。

在电力系统运行过程中，故障是危害正常稳定运行的原因之一；任何不正常的连接或情况都属于电力系统的故障，短路故障作为故障中较为严重的一类，更是受到电力系统运行维护人员的重视；短路故障产生的危害是十分严重的，可能会造成电压下降、电流激增，给电力系统的正常运行和电气设备的安全带来很大的危害，严重时甚至会危及整个电力系统的稳定运行，造成电力系统崩溃和瓦解。

随着我国电网规模的扩大，短路电流的大小也在随之增大，成为约束电力系统规模发展的重要原因之一；因此，有必要对电力系统的短路故障进行计算分析，将结果应用于电力系统的设计和运行过程中。

电力系统的传输线多暴露在室外环境中，存在较大概率发生短路故障，现有的短路计算方法，均是以节点为基础，在处理线路中的短路故障时，需要在短路位置新增一节点，导致计算过程的矩阵维度增加，加重计算机的存储负担。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种线路中任意位置短路电流计算方法及系统，通过在短路点设置电压源将故障线路等效处理的方式，在不新增节点的情况下，计算出短路点的等效自阻抗和短路点短路电流。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

本发明第一方面提供了一种线路中任意位置短路电流计算方法；

一种线路中任意位置短路电流计算方法，包括：

获取短路前的电力系统参数，包括短路前的电压数据；

发生短路后，确定故障线路、短路点、短路类型和接地阻抗，在短路点设置电压源，并对电压源与故障线路做等效处理，构建等效处理后的网络等值电路图；

基于电力系统参数和网络等值电路图，生成导纳矩阵；

利用导纳矩阵，计算仅在故障线路两端有注入电流源情况下的各节点电压，计算短路点等效自阻抗；

基于短路点等效自阻抗、短路类型、接地阻抗和短路前的电压数据，计算短路点短路电流；

其中，所述等效处理是根据电源与阻抗的串并联关系，将电压源与故障线路等效为：故障线路两端节点上各并联一注入电流源和接地阻抗。

进一步的，所述系统参数，还包括电力系统的设备参数；

所述设备参数，包括设备的正序、负序和零序数据；

所述短路前的电压数据，通过潮流计算得到。

进一步的，所述在短路点设置电压源，并对电压源与故障线路做电流源和接地阻抗的等效处理，具体步骤为：

(1)先以短路点为分界，将线路阻抗分为两部分，线路两端的阻抗与短路点距离线路两端母线的实际距离成正比；

(2)在短路点设置一电压源，形成电压源支路与两端阻抗支路星型连接的形式；

(3)基于设置的电压源，对步骤(2)形成的电压源支路进行短路点分离处理，分离后每个支路上的电压源与分离前的电压值相同，形成电压源与各自端阻抗串联的两个支路；

(4)基于电源等效变换定理，电压源与阻抗串联等效为电流源与阻抗并联，将步骤(3)形成的两个支路中串联在故障线路两端节点上的电压源与阻抗等效为电流源与阻抗并联的形式，等效后的并联阻抗不变。

进一步的，所述生成导纳矩阵，具体为：故障线路的阻抗数据等效为两端节点上的接地阻抗，直接将接地阻抗与充电电纳添加至节点的自导纳中。

进一步的，所述计算短路点等效自阻抗，具体为：

计算系统各节点电压；

利用故障线路两端节点电压，计算得到电压源支路上的电流大小；

电压源大小除以其支路电流大小得到短路点等效自阻抗。

进一步的，还包括：基于各节点电压，计算各节点相对于短路点的等效互阻抗，基于短路点短路电流和各节点相对于短路点的等效互阻抗，更新短路后系统内各节点电压。

进一步的，还包括：等效处理后，依次在正序、负序和零序网络中，生成正、负、零序导纳矩阵，计算仅在故障线路两端节点有注入电流情况下的节点电压，得到短路点正序、负序和零序等效自阻抗和各节点相对于短路点的等效互阻抗。

本发明第二方面提供了一种线路中任意位置短路电流计算系统。

一种线路中任意位置短路电流计算系统，包括参数获取模块、等效处理模块、矩阵生成模块、阻抗计算模块和电流计算模块：

所述参数获取模块，被配置为：获取短路前的电力系统参数，包括短路前的电压数据；

所述等效处理模块，被配置为：发生短路后，确定故障线路、短路点、短路类型和接地阻抗，在短路点设置电压源，并对电压源与故障线路做等效处理，构建等效处理后的网络等值电路图；

所述矩阵生成模块，被配置为：基于电力系统参数和网络等值电路图，生成导纳矩阵；

所述阻抗计算模块，被配置为：利用导纳矩阵，计算仅在故障线路两端有注入电流源情况下的各节点电压，计算短路点等效自阻抗；

所述电流计算模块，被配置为：基于短路点等效自阻抗、短路类型、接地阻抗和短路前的电压数据，计算短路点短路电流；

其中，所述等效处理是根据电源与阻抗的串并联关系，将电压源与故障线路等效为：故障线路两端节点上各并联一注入电流源和接地阻抗。

本发明第三方面提供了计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的一种线路中任意位置短路电流计算方法中的步骤。

本发明第四方面提供了电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述的一种线路中任意位置短路电流计算方法中的步骤。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本发明通过在短路点设置电压源对故障线路作等效处理的方式，计算线路中任意位置发生短路故障时的短路点等效自阻抗，进而计算短路后电流等相关数据，计算过程中的矩阵维度与系统内节点数目保持一致，无需在短路点增加新节点，减少计算时的存储负担。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为第一个实施例的方法流程图。

图2为第一个实施例等效处理过程中故障线路等值电路示意图。

图3为第一个实施例等效处理过程中在短路点设置一电压源的示意图。

图4为第一个实施例等效处理过程中电压源支路分为两部分的示意图。

图5为第一个实施例等效处理后的网络等值电路图。

图6为第二个实施例的系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例一

本实施例公开了一种线路中任意位置短路电流计算方法；

如图1所示，一种线路中任意位置短路电流计算方法，包括：

步骤S1：获取短路前的电力系统参数，具体为：

(1)获取系统潮流计算结果的各节点电压数据，作为系统短路前状态，用于后续步骤中计算短路点短路电流和更新短路后系统内各节点电压；

(2)获取设备的正序、负序和零序数据，作为设备参数，用于后续步骤中构建等效处理后的网络等值电路图。

步骤S2：发生短路后，确定故障线路、短路点、短路类型和接地阻抗，在短路点设置电压源，并对电压源与故障线路做等效处理，构建等效处理后的网络等值电路图，具体为：

步骤S201：确定故障线路、短路点、短路类型和接地阻抗。

首先确定短路点所在线路，即故障线路，然后确定短路点距离线路两端节点的距离以确定短路点，短路类型包括四种：三相短路接地、单向短路接地(a相)、两相短路接地(b、c相)和两相短路(b、c相)；最后确定接地阻抗的大小。

步骤S202：等效处理

这里的等效处理，是短路点设置电压源，根据电源与阻抗的串并联关系，将电压源与故障线路等效处理为：故障线路两端节点上各并联一注入电流源和接地阻抗。

下面对等效处理过程进行详细说明：

(1)先以短路点为分界，将线路阻抗分为两部分，线路两端的阻抗与短路点距离线路两端母线的实际距离成正比。

电力系统正常运行时，输电线路采用π型等值电路，对于故障线路，先以短路点f为分界，将线路阻抗分为两部分z

图2是等效处理过程中故障线路等值电路示意图，如图2所示，假设电网中连接i节点和j节点的输电线路中某一位置发生短路故障，短路点为f，f点与i节点之间的实际距离与i、j节点之间故障线路实际长度的之比为l(l的取值范围为0-1)，该线路的阻抗假设为z

(2)在短路点设置一电压源，形成电压源支路与两端阻抗支路星型连接的形式。

由自阻抗及互阻抗的定义并结合如下公式可知，短路点的等效自阻抗Z

其中，

因此，可以通过以下方式计算短路点的等效自阻抗和各节点相对于短路点的等效互阻抗：在短路点设置一电压源，求解电压源上的电流及各节点电压，电压源大小除以流过的电流大小计算得自阻抗，各节点电压除以电压源上电流大小得互阻抗。

图3是等效处理过程中在短路点设置一电压源的示意图，如图3所示，在短路点f设置一电压源，设置电压源大小为

(3)基于设置的电压源，对步骤(2)形成的电压源支路进行短路点分离处理，分离后每个支路上的电压源与分离前的电压值相同，形成电压源与各自端阻抗串联的两个支路。

具体的，图4是等效处理过程中电压源支路分为两部分的示意图，将图3所示的故障线路的短路点分离处理后得到图4，f和f’的电压仍为

(4)基于电源等效变换定理，电压源与阻抗串联等效为电流源与阻抗并联，将步骤(3)形成的两个支路中串联在故障线路两端节点上的电压源与阻抗等效为电流源与阻抗并联的形式，等效后的并联阻抗不变。

具体的，图5是等效处理后的网络等值电路图，将图4中连接在i节点上的电压源

其中，

步骤S3：基于电力系统参数和网络等值电路图，生成导纳矩阵。

利用系统内各设备参数，依次生成正序、负序和零序导纳矩阵，其中故障线路按照步骤S2进行等效处理，具体生成方式为：

故障线路的阻抗数据等效为两端节点上的接地阻抗，直接将接地阻抗与充电电纳添加至节点的自导纳中，得到导纳矩阵Y，表示为：

其中，非对角元素y

步骤S4：利用导纳矩阵，仅在故障线路两端有注入电流源情况下，计算短路点等效自阻抗和各节点相对于短路点的等效互阻抗，具体为：

(1)计算系统各节点电压：

该电力系统网络中，仅在i节点和j节点有注入电流源，其他位置电源均置零，由欧姆定律可知U＝IZ＝I/Y，得到各节点电压

(2)利用故障线路两端节点电压，计算得到电压源支路上的电流大小：

由图3可知，电压源支路上的电流，即短路点总注入电流

(3)电压源大小

(4)各节点电压大小

步骤S5：基于短路点等效自阻抗、短路类型、接地阻抗和短路前的电压数据，计算短路点正序、负序和零序短路电流；

按照以上处理方式，依次在正序、负序和零序网络中计算得到短路点正序、负序和零序等效自阻抗和各节点相对于短路点的等效互阻抗。

潮流计算结果电压数据作为短路故障前的系统运行状态，根据短路类型、接地阻抗以及计算得到的短路点正、负、零序等效自阻抗计算得到短路点正序、负序和零序短路电流，不同短路类型下短路电流的计算方式不同，具体为：

三相短路接地:

单相短路接地(a相):

两相短路(b、c相):

两相短路接地(b、c相):

其中，Z

步骤S6：基于短路点正序、负序、零序短路电流和各节点相对于短路点的等效互阻抗，更新短路后系统内各节点正序、负序和零序电压；

利用各节点相对于短路点等效互阻抗更新短路后系统内各节点电压，公式如下：

其中，

实施例二

本实施例公开了一种线路中任意位置短路电流计算系统；

如图6所示，一种线路中任意位置短路电流计算系统，包括参数获取模块、等效处理模块、矩阵生成模块、阻抗计算模块、电流计算模块和电压更新模块：

参数获取模块，被配置为：获取短路前的电力系统参数，包括短路前的电压数据；

等效处理模块，被配置为：发生短路后，确定故障线路、短路点、短路类型和接地阻抗，在短路点设置电压源，并对电压源与故障线路做等效处理，构建等效处理后的网络等值电路图；

矩阵生成模块，被配置为：基于电力系统参数和网络等值电路图，生成导纳矩阵；

阻抗计算模块，被配置为：利用导纳矩阵，计算仅在故障线路两端有注入电流源情况下的各节点电压，计算短路点等效自阻抗和各节点相对于短路点的等效互阻抗；

电流计算模块，被配置为：基于短路点等效自阻抗、短路类型、接地阻抗和短路前的电压数据，计算短路点短路电流；

电压更新模块，被配置为：基于短路点短路电流和各节点相对于短路点的等效互阻抗，更新短路后系统内各节点电压；

其中，所述等效处理是根据电源与阻抗的串并联关系，将电压源与故障线路等效为：故障线路两端节点上各并联一注入电流源和接地阻抗。

实施例三

本实施例的目的是提供计算机可读存储介质。

计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例一所述的一种线路中任意位置短路电流计算方法中的步骤。

实施例四

本实施例的目的是提供电子设备。

电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例一所述的一种线路中任意位置短路电流计算方法中的步骤。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。