基于設(shè)備圖元數(shù)據(jù)庫的短路電流計(jì)算

李曉龍，丁 倩

(1．國網(wǎng)河北省電力公司，河北 石家莊050021;2．國網(wǎng)河南省電力公司 商丘供電公司，河南 商丘476000)

0 引言

計(jì)算變電站一次設(shè)計(jì)的短路電流是一項(xiàng)既繁瑣費(fèi)時(shí)又重要的工作。在一次電氣設(shè)計(jì)［1，2］過程中，為選擇電氣設(shè)備，需要根據(jù)短路電流實(shí)際情況來校驗(yàn)設(shè)備的電動(dòng)力與熱穩(wěn)定;進(jìn)行繼電保護(hù)裝置的整定計(jì)算時(shí)，需要根據(jù)短路電流最大值計(jì)算多種電氣元件的整定值［3］。所以，高效方便的短路電流計(jì)算程序的開發(fā)是十分重要的。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析是進(jìn)行短路計(jì)算的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龆际腔谔囟ǖ臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述的，但是這種做法的最大缺點(diǎn)是通用性和可擴(kuò)充性差。另外，傳統(tǒng)的短路電流計(jì)算程序缺乏良好的用戶界面，網(wǎng)絡(luò)原始數(shù)據(jù)輸入工作量大且易出錯(cuò)，結(jié)果顯示不直觀。

為了尋找一種操作方便和適合變電站主接線圖特點(diǎn)的短路電流計(jì)算程序，本文在研究變電站關(guān)鍵設(shè)備及其電氣屬性的基礎(chǔ)上，提出通過人機(jī)交互方式，實(shí)現(xiàn)圖形數(shù)據(jù)庫一體化［4，5］，進(jìn)而自動(dòng)生成電氣主接線圖，并且根據(jù)數(shù)據(jù)庫中設(shè)備電氣及圖元坐標(biāo)關(guān)系給出了基于母線的拓?fù)浞治鏊惴ǎ瑢?shí)現(xiàn)了短路電流快速而準(zhǔn)確的計(jì)算。最后通過實(shí)際算例，驗(yàn)證了文中方法的有效性和正確性。

1 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)與ADO 連接

在Autocad 的modelspace 界面上的電氣主接線圖，與其相連的后臺(tái)是一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫是整個(gè)軟件的核心部分，通過數(shù)據(jù)庫里存儲(chǔ)的設(shè)備圖元的圖形參數(shù)和電氣參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龊投搪冯娏鞯挠?jì)算。整個(gè)軟件基于易于實(shí)現(xiàn)可視化編程的VBA 語言和Access2003 相結(jié)合的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)與接口［6］。

1.1 設(shè)備圖元數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的電氣參數(shù)自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龊投搪冯娏鞯挠?jì)算，需要基于設(shè)備的電氣參數(shù)和圖元的圖形參數(shù)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在可以被AutoCAD 任意操作的數(shù)據(jù)庫中。文中的電氣參數(shù)與圖形參數(shù)共用一個(gè)數(shù)據(jù)庫，為方便調(diào)用，母線、電源、變壓器等電氣設(shè)備共用一種數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫的字段分別對(duì)應(yīng)變電站主接線圖上電氣元件的電氣屬性和圖形屬性。

根據(jù)電氣主接線網(wǎng)絡(luò)圖形和拓?fù)浞治龅囊?，把元件分為?jié)點(diǎn)類和支路類。

節(jié)點(diǎn)類元件:母線。在數(shù)據(jù)表中，對(duì)于母線電氣屬性設(shè)置如下:名稱，母線的電壓等級(jí)，母線的運(yùn)行狀態(tài)(是否帶電運(yùn)行)，母線編號(hào)，與其相連的母聯(lián)開關(guān)的信息(此信息可存在可不存在)等。圖形屬性設(shè)置如下:元件類型號(hào)，圖元句柄，起點(diǎn)橫坐標(biāo)x1，起點(diǎn)縱坐標(biāo)y1，終點(diǎn)橫坐標(biāo)x2，終點(diǎn)縱坐標(biāo)y2。

支路類元件又分為3 種:單端口支路元件類，阻抗支路元件類和零阻抗支路元件類。

單端口元件類:電源等。在數(shù)據(jù)表中，電源電氣屬性設(shè)置如下:名稱，接入母線的電壓等級(jí)，額定功率，運(yùn)行狀態(tài)等。圖形屬性設(shè)置如下:元件類型號(hào)，圖元句柄，電源塊插入點(diǎn)橫坐標(biāo)x1，縱坐標(biāo)y1。

阻抗支路元件類:它又分為雙端口阻抗元件和三端口阻抗元件。對(duì)于雙端口阻抗元件雙繞組變壓器而言，電氣屬性設(shè)置如下:名稱，額定容量，高壓接入母線的額定電壓，低壓接入母線的額定電壓，是否投切，接地狀態(tài)，短路電壓百分?jǐn)?shù)，繞組的接線方式，圖形屬性設(shè)置如下:元件類型號(hào)，圖元句柄，起點(diǎn)橫坐標(biāo)x1，起點(diǎn)縱坐標(biāo)y1，終點(diǎn)坐標(biāo)橫坐標(biāo)x2，終點(diǎn)縱坐標(biāo)y2。

三繞組變壓器，電氣屬性與雙繞組變壓器類似，電氣屬性增加了一個(gè)額定電壓等級(jí)數(shù)據(jù)并增加了一條虛擬母線。圖形屬性增加了一端點(diǎn)橫坐標(biāo)x3，端點(diǎn)縱坐標(biāo)y3。

零阻抗支路元件類:斷路器和開關(guān)元件等。以開關(guān)元件為例，電氣屬性設(shè)置如下:額定電壓等級(jí)，類別(母聯(lián)開關(guān)、出線開關(guān)、分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān))，運(yùn)行狀態(tài)(閉合、斷開)。圖形屬性設(shè)置如下:元件類型號(hào)，圖元句柄，起點(diǎn)橫坐標(biāo)x1，起點(diǎn)縱坐標(biāo)y1，終點(diǎn)坐標(biāo)橫坐標(biāo)x2，終點(diǎn)縱坐標(biāo)y2。

電氣主接線圖中電容、電感等其他元件在數(shù)據(jù)表中的設(shè)置可參見軟件說明，此處從略。

1.2 創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫的ADO 連接

VBA 應(yīng)用內(nèi)置的microsoft．jet．oledb．4．0實(shí)現(xiàn)對(duì)access 數(shù)據(jù)庫的訪問，訪問數(shù)據(jù)庫的技術(shù)有很多種，本軟件用ADO，ADO 是在Autocad VBA 中開發(fā)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序最好的技術(shù)，ADO 提供一個(gè)能夠在應(yīng)用程序中使用數(shù)據(jù)庫的編程模型，利用ADO 編程模型可以完成訪問和更新數(shù)據(jù)源的工作。要在VBA 中使用ADO，首先必須在VBA工程中引用ADO 對(duì)象庫。要添加對(duì)ADO 對(duì)象的引用，可在VBA 中選擇“工具”|“引用”命令，打開“引用”對(duì)話框，在“可使用的引用”列表框中選擇要引用的ADO 對(duì)象庫。

2 電氣主接線的實(shí)現(xiàn)

生成變電站主接線圖的方式有兩種:一種是在作圖過程中定義圖元設(shè)備的連接關(guān)系，圖形繪制完成時(shí)，拓?fù)涠x同時(shí)也完成。另一種方式就是鼠標(biāo)點(diǎn)擊定位使圖元的坐標(biāo)嚴(yán)格定位，在作圖時(shí)不用定義圖元設(shè)備的連接關(guān)系，程序根據(jù)圖元的坐標(biāo)關(guān)系自動(dòng)生成變電站主接線圖。前一種方式是半自動(dòng)的，定義的工作量比較大，容易出錯(cuò)。后一種方式實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)生成，但是對(duì)于大型電網(wǎng)主接線圖的形成比較耗時(shí)，如何提高運(yùn)算速度還有待研究。本程序采用后一種方式實(shí)現(xiàn)電氣主接線的生成。

首先描述一下生成變電站站主接線圖的思想。繪制電氣主接線圖時(shí)從圖元菜單中選取對(duì)象單元、在繪圖區(qū)點(diǎn)擊定位后即可以畫出該圖形，逐個(gè)選取圖元繪制，就形成了完整的電氣主接線圖，每個(gè)圖元都有編輯功能，且?guī)в袑傩?、方法和事件。以圖元為單位的模型更直觀形象，更符合面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想。例如，用矩形代表斷路器圖元。每個(gè)圖元都代表真實(shí)的電力設(shè)備，如電源、發(fā)電機(jī)、變壓器、斷路器、隔離開關(guān)等圖元。

另外，在利用各對(duì)象圖元繪制接線圖時(shí)，具體規(guī)則是:對(duì)于單端口元件電源來說，電源圖元的一個(gè)端點(diǎn)就是結(jié)點(diǎn)，且電源圖元只能以結(jié)點(diǎn)為頂點(diǎn)，其他元件與電源圖元相連，只能通過結(jié)點(diǎn)，結(jié)點(diǎn)不能出現(xiàn)在電源圖元的中間。對(duì)于雙端口元件來說，每個(gè)雙端口元件的圖元的兩端都是結(jié)點(diǎn)，且雙端口元件的圖元只能以結(jié)點(diǎn)為頂點(diǎn)，結(jié)點(diǎn)不能出現(xiàn)在雙端口元件的圖元中間。對(duì)于三端口元件來說，每個(gè)三端口圖元的3 個(gè)端點(diǎn)都是結(jié)點(diǎn)，且三端口元件的圖元只能以結(jié)點(diǎn)為頂點(diǎn)，結(jié)點(diǎn)不能出現(xiàn)在三端口元件的圖元中間。

3 基于母線的快速拓?fù)浞治?/h2>

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龅膶?shí)質(zhì)是設(shè)備之間的連接關(guān)系描述的物理模型轉(zhuǎn)為用等值節(jié)點(diǎn)之間連接關(guān)系描述的數(shù)學(xué)模型。傳統(tǒng)拓?fù)浞治霾捎枚褩＜夹g(shù)和深度優(yōu)先的搜索算法，文獻(xiàn)［7］采用基于節(jié)點(diǎn)融合拓?fù)浞治龇椒ǎ雎粤硕丝谥?，如三相變壓器?duì)拓?fù)溥^程的影響。而基于母線的快速拓?fù)浞治龇椒梢詮浹a(bǔ)這一缺陷。

3.1 基于母線進(jìn)行拓?fù)浞治?/h3>

從節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣法的原理可以看出，節(jié)點(diǎn)和系統(tǒng)發(fā)生短路點(diǎn)基本一致，所以有可能發(fā)生短路的點(diǎn)在計(jì)算時(shí)均應(yīng)被看作一個(gè)節(jié)點(diǎn)，比如各條母線、變壓器高低壓側(cè)、發(fā)電機(jī)出口等。而對(duì)于自耦變壓器和三繞組變壓器等三端元件而言，因其經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)變換后會(huì)產(chǎn)生出來一個(gè)額外的節(jié)點(diǎn)，而且該節(jié)點(diǎn)必須被納入節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣進(jìn)行計(jì)算，但是此節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)發(fā)生短路點(diǎn)不一致，所以不被列為短路點(diǎn)。

依據(jù)上述條件，節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的原則可以歸納如下:每條母線都可以看作一個(gè)節(jié)點(diǎn);對(duì)于中間沒有母線的元件連接，比如電源和變壓器的連接，其連接點(diǎn)在計(jì)算時(shí)被當(dāng)做母線處理;對(duì)于三端口元件，認(rèn)為其有3 個(gè)中間元件組成，并且包含一條虛擬母線，其虛擬母線可以看作一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3.2 基于母線進(jìn)行拓?fù)浞治龅膶?shí)現(xiàn)

(1)遍歷Autocad 中modelspace 中的母線，賦予母線編號(hào)，母線編號(hào)從1 出發(fā)，從此母線結(jié)點(diǎn)出發(fā)，遍歷數(shù)據(jù)庫，把通過閉合開關(guān)或其他零阻抗元件與此母線連接在一起的母線找出來，并且賦予相同的母線編號(hào)。

(2)再從另一未賦值的母線出發(fā)，采用同樣的搜索方法，直到所有的母線都被分配編號(hào)。

(3)把所有的母線對(duì)象看作節(jié)點(diǎn)對(duì)象，遍歷modelspace 中N 個(gè)電氣元件，遇到投運(yùn)的雙繞組變壓器等雙端口元件時(shí)，把其端點(diǎn)坐標(biāo)作為起始條件，遍歷數(shù)據(jù)庫，找到與其端點(diǎn)相連的母線，則母線編號(hào)即為此雙端口元件的節(jié)點(diǎn)編號(hào);遇到投運(yùn)的電源等單端口元件時(shí)，同樣以端口坐標(biāo)作為起始條件，遍歷數(shù)據(jù)庫，查找與其相連的母線編號(hào);遇到投運(yùn)的三繞組變壓器等三端口元件，同樣把端口坐標(biāo)作為起始點(diǎn)條件，遍歷數(shù)據(jù)庫，找到與其端點(diǎn)相連的母線，并且增加一條虛擬母線，同時(shí)虛擬母線編號(hào)為已經(jīng)分配母線編號(hào)最大值加1。元件搜索算法的流程如圖1 所示。停止搜索條件為:遇到聯(lián)絡(luò)開關(guān)或斷開開關(guān)。

圖1 元件搜索算法流程

4 短路電流的計(jì)算

計(jì)算短路電流的方法不一，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行短路電流計(jì)算以節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣方法［8］和節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣方法［8］最為常用，本程序短路電流計(jì)算的實(shí)現(xiàn)是依據(jù)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣方法。節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣是十分稀疏的，所以占用計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)量不大，而且節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣極易形成，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化時(shí)也易于修改。節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣方法:

若故障種類為三相短路，設(shè)故障點(diǎn)為f，應(yīng)用節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣計(jì)算短路電流，實(shí)質(zhì)上是先用它計(jì)算與短路點(diǎn)f 有關(guān)的第f 列元素:Z1f～Znf。由式(1)知，若已知節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣的對(duì)角元素，可以方便地求得任一點(diǎn)短路的短路電流。由節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣元素的定義可知，Z1f～Znf是在點(diǎn)f 通以單位電流(其他節(jié)點(diǎn)電流均為0)時(shí)1～n 點(diǎn)的電壓，由式(2)知，求得的即Z1f～Znf。計(jì)算不同節(jié)點(diǎn)短路時(shí)的短路電流，方程的不同處只在于方程右端的常數(shù)相量中1 所在的行數(shù)(對(duì)應(yīng)短路節(jié)點(diǎn)號(hào))不同。求解式(2)的線性方程組，本軟件采用因子表法［8］。

式中:Zff為電網(wǎng)對(duì)短路點(diǎn)的等值阻抗。

若故障類型為不對(duì)稱故障，則根據(jù)對(duì)稱分量法可知，把故障網(wǎng)絡(luò)分解為正序網(wǎng)絡(luò)、負(fù)序網(wǎng)絡(luò)和零序網(wǎng)絡(luò)，由網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫纬? 個(gè)序網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣后，形成因子表。利用三序網(wǎng)的因子表即可求得故障端點(diǎn)的等值阻抗。由此可以計(jì)算單相短路、兩相短路和兩相短路接地等故障情況下的短路電流。

短路電流計(jì)算程序與設(shè)備圖元數(shù)據(jù)庫相結(jié)合有很多優(yōu)點(diǎn):計(jì)算效率高，比手工的效率提高數(shù)10 倍;可以計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)目任意的網(wǎng)絡(luò);方便用戶輸入原始數(shù)據(jù)，避免出錯(cuò);靈活性比較強(qiáng)，可以隨便搭建模型;符合設(shè)計(jì)工作者習(xí)慣。

5 算例驗(yàn)證

圖2 所示的簡單系統(tǒng)作為例題，f 點(diǎn)在母線上，視作短路點(diǎn)，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地;發(fā)電機(jī)的參數(shù)為:SN=120 MVA，UN=10．5 kV，E1=1．67，X1=0．9，X2=0．45;變壓器T-1 的參數(shù):SN=60 MVA，Us%=10．5，kT1=10．5/115;變壓器T-2 的參數(shù)為:SN=60 MVA，Us%=10．5，kT1=115/6．3;線路每回路的參數(shù)為:l=105 km，x1=0．4 Ω/km，x0=3x1;負(fù)荷LD-1 的參數(shù)為:SN=60 MVA，X1=1．2，X2=0．35;負(fù)荷LD-2的參數(shù)為:SN=40 MVA，X1=1．2，X2=0．35。

圖2 簡單電力系統(tǒng)

在計(jì)算f 點(diǎn)的三相、兩相、兩相接地及單相短路電流時(shí)，取基準(zhǔn)值SB=120 MVA，UB=Uav。實(shí)際計(jì)算結(jié)果與軟件計(jì)算結(jié)果作對(duì)比，如表1 所示。可見，實(shí)際計(jì)算結(jié)果與軟件計(jì)算結(jié)果完全一致。

表1 實(shí)際計(jì)算結(jié)果和軟件計(jì)算結(jié)果的比較

短路電流計(jì)算程序基于對(duì)稱分量法編寫而成，使用的算法比較成熟，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性也通過多次使用該程序得到了驗(yàn)證。

6 結(jié)論

本文將最新的面向?qū)ο蠹夹g(shù)、計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)及數(shù)據(jù)庫技術(shù)引入到短路電流計(jì)算中，指出了如何設(shè)計(jì)圖元數(shù)據(jù)庫，給出了智能建模的方法，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備圖元與數(shù)據(jù)庫的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，從而不僅方便了電氣主線圖的生成，而且可通過圖形界面對(duì)電氣主接線圖上每個(gè)設(shè)備圖元的狀態(tài)進(jìn)行直觀地操作。本文還基于圖形平臺(tái)上設(shè)備圖元的連接關(guān)系和變電站主接線圖中母線的特征，提出了基于母線的快速拓?fù)浞治龇椒ǎ摲椒朔藗鹘y(tǒng)拓?fù)溥^程中重復(fù)搜索支路的特點(diǎn)，簡化了程序。最后，通過實(shí)際算例，驗(yàn)證了短路電流計(jì)算程序的正確性和有效性。短路電流計(jì)算程序的開發(fā)不僅大大提高了電氣設(shè)計(jì)人員的工作效率，而且對(duì)變電站一次設(shè)計(jì)有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

［1］孔祥玉，趙帥，賈宏杰，等．智能電網(wǎng)中電力設(shè)備及其技術(shù)發(fā)展分析［J］．電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2012，24(2):21-26．

［2］劉文，楊慧霞，祝斌．智能電網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系研究綜述［J］．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40(10):120-126．

［3］孫一民，裘愉濤，楊慶偉，等．智能變電站設(shè)計(jì)配置一體化技術(shù)及方案［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37(14):70-74．

［4］馮林橋，許文玉，陳湘波，等．圖示化電網(wǎng)智能識(shí)別技術(shù)及其應(yīng)用［J］．電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2005，17(2):90-94．

［5］周媛，馮林橋，張午陽，等．圖示化智能供配電網(wǎng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)［J］．電力自動(dòng)化設(shè)備，2005，25(7):53-56．

［6］張帆．AutoCAD VBA 二次開發(fā)教程［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2006．221-232．

［7］吳文傳，張伯明．基于圖形數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼捌鋺?yīng)用［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2002，26(2):14-18．

［8］李光琦．電力系統(tǒng)暫態(tài)分析［M］．北京:中國電力出版社，2007．73-77．