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

計算變電站一次設(shè)計的短路電流是一項既繁瑣費時又重要的工作。在一次電氣設(shè)計［1，2］過程中，為選擇電氣設(shè)備，需要根據(jù)短路電流實際情況來校驗設(shè)備的電動力與熱穩(wěn)定;進(jìn)行繼電保護(hù)裝置的整定計算時，需要根據(jù)短路電流最大值計算多種電氣元件的整定值［3］。所以，高效方便的短路電流計算程序的開發(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是通用性和可擴(kuò)充性差。另外，傳統(tǒng)的短路電流計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，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的短路電流計算程序，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，實現(xiàn)圖形數(shù)據(jù)庫一體化［4，5］，進(jìn)而自動生成電氣主接線圖，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?，實現(xiàn)了短路電流快速而準(zhǔn)確的計算。最后通過實際算例，驗證了文中方法的有效性和正確性。

1 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計與ADO 連接

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

1.1 設(shè)備圖元數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

為了實現(xiàn)設(shè)備的電氣參數(shù)自動網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龊投搪冯娏鞯挠嬎悖枰谠O(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螅言譃楣?jié)點類和支路類。

節(jié)點類元件:母線。在數(shù)據(jù)表中，對于母線電氣屬性設(shè)置如下:名稱，母線的電壓等級，母線的運行狀態(tài)(是否帶電運行)，母線編號，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，圖元句柄，起點橫坐標(biāo)x1，起點縱坐標(biāo)y1，終點橫坐標(biāo)x2，終點縱坐標(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，額定功率，運行狀態(tài)等。圖形屬性設(shè)置如下:元件類型號，圖元句柄，電源塊插入點橫坐標(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，圖元句柄，起點橫坐標(biāo)x1，起點縱坐標(biāo)y1，終點坐標(biāo)橫坐標(biāo)x2，終點縱坐標(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額定電壓等級數(shù)據(jù)并增加了一條虛擬母線。圖形屬性增加了一端點橫坐標(biāo)x3，端點縱坐標(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，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))，運行狀態(tài)(閉合、斷開)。圖形屬性設(shè)置如下:元件類型號，圖元句柄，起點橫坐標(biāo)x1，起點縱坐標(biāo)y1，終點坐標(biāo)橫坐標(biāo)x2，終點縱坐標(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實現(xiàn)對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 對象庫。要添加對ADO 對象的引用，可在VBA 中選擇“工具”|“引用”命令，打開“引用”對話框，在“可使用的引用”列表框中選擇要引用的ADO 對象庫。

2 電氣主接線的實現(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，拓?fù)涠x同時也完成。另一種方式就是鼠標(biāo)點擊定位使圖元的坐標(biāo)嚴(yán)格定位，在作圖時不用定義圖元設(shè)備的連接關(guān)系，程序根據(jù)圖元的坐標(biāo)關(guān)系自動生成變電站主接線圖。前一種方式是半自動的，定義的工作量比較大，容易出錯。后一種方式實現(xiàn)了全自動生成，但是對于大型電網(wǎng)主接線圖的形成比較耗時，如何提高運算速度還有待研究。本程序采用后一種方式實現(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從圖元菜單中選取對象單元、在繪圖區(qū)點擊定位后即可以畫出該圖形，逐個選取圖元繪制，就形成了完整的電氣主接線圖，每個圖元都有編輯功能，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)計思想。例如，用矩形代表斷路器圖元。每個圖元都代表真實的電力設(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，在利用各對象圖元繪制接線圖時，具體規(guī)則是:對于單端口元件電源來說，電源圖元的一個端點就是結(jié)點，且電源圖元只能以結(jié)點為頂點，其他元件與電源圖元相連，只能通過結(jié)點，結(jié)點不能出現(xiàn)在電源圖元的中間。對于雙端口元件來說，每個雙端口元件的圖元的兩端都是結(jié)點，且雙端口元件的圖元只能以結(jié)點為頂點，結(jié)點不能出現(xiàn)在雙端口元件的圖元中間。對于三端口元件來說，每個三端口圖元的3 個端點都是結(jié)點，且三端口元件的圖元只能以結(jié)點為頂點，結(jié)點不能出現(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)浞治龅膶嵸|(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)點融合拓?fù)浞治龇椒ǎ雎粤硕丝谥?，如三相變壓器對拓?fù)溥^程的影響。而基于母線的快速拓?fù)浞治龇椒梢詮浹a這一缺陷。

3.1 基于母線進(jìn)行拓?fù)浞治?/h3>

從節(jié)點導(dǎo)納矩陣法的原理可以看出，節(jié)點和系統(tǒng)發(fā)生短路點基本一致，所以有可能發(fā)生短路的點在計算時均應(yīng)被看作一個節(jié)點，比如各條母線、變壓器高低壓側(cè)、發(fā)電機(jī)出口等。而對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)變換后會產(chǎn)生出來一個額外的節(jié)點，而且該節(jié)點必須被納入節(jié)點導(dǎo)納矩陣進(jìn)行計算，但是此節(jié)點與系統(tǒng)發(fā)生短路點不一致，所以不被列為短路點。

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

3.2 基于母線進(jìn)行拓?fù)浞治龅膶崿F(xiàn)

(1)遍歷Autocad 中modelspace 中的母線，賦予母線編號，母線編號從1 出發(fā)，從此母線結(jié)點出發(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。

(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。

(3)把所有的母線對象看作節(jié)點對象，遍歷modelspace 中N 個電氣元件，遇到投運的雙繞組變壓器等雙端口元件時，把其端點坐標(biāo)作為起始條件，遍歷數(shù)據(jù)庫，找到與其端點相連的母線，則母線編號即為此雙端口元件的節(jié)點編號;遇到投運的電源等單端口元件時，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;遇到投運的三繞組變壓器等三端口元件，同樣把端口坐標(biāo)作為起始點條件，遍歷數(shù)據(jù)庫，找到與其端點相連的母線，并且增加一條虛擬母線，同時虛擬母線編號為已經(jīng)分配母線編號最大值加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 短路電流的計算

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

若故障種類為三相短路，設(shè)故障點為f，應(yīng)用節(jié)點導(dǎo)納矩陣計算短路電流，實質(zhì)上是先用它計算與短路點f 有關(guān)的第f 列元素:Z1f～Znf。由式(1)知，若已知節(jié)點阻抗矩陣的對角元素，可以方便地求得任一點短路的短路電流。由節(jié)點阻抗矩陣元素的定義可知，Z1f～Znf是在點f 通以單位電流(其他節(jié)點電流均為0)時1～n 點的電壓，由式(2)知，求得的即Z1f～Znf。計算不同節(jié)點短路時的短路電流，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)(對應(yīng)短路節(jié)點號)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)對短路點的等值阻抗。

若故障類型為不對稱故障，則根據(jù)對稱分量法可知，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? 個序網(wǎng)的節(jié)點導(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的等值阻抗。由此可以計算單相短路、兩相短路和兩相短路接地等故障情況下的短路電流。

短路電流計算程序與設(shè)備圖元數(shù)據(jù)庫相結(jié)合有很多優(yōu)點:計算效率高，比手工的效率提高數(shù)10 倍;可以計算節(jié)點數(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;靈活性比較強，可以隨便搭建模型;符合設(shè)計工作者習(xí)慣。

5 算例驗證

圖2 所示的簡單系統(tǒng)作為例題，f 點在母線上，視作短路點，發(fā)電機(jī)中性點接地;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)

在計算f 點的三相、兩相、兩相接地及單相短路電流時，取基準(zhǔn)值SB=120 MVA，UB=Uav。實際計算結(jié)果與軟件計算結(jié)果作對比，如表1 所示。可見，實際計算結(jié)果與軟件計算結(jié)果完全一致。

表1 實際計算結(jié)果和軟件計算結(jié)果的比較

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

6 結(jié)論

本文將最新的面向?qū)ο蠹夹g(shù)、計算機(jī)圖形處理技術(shù)及數(shù)據(jù)庫技術(shù)引入到短路電流計算中，指出了如何設(shè)計圖元數(shù)據(jù)庫，給出了智能建模的方法，實現(xiàn)了設(shè)備圖元與數(shù)據(jù)庫的動態(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電氣主接線圖上每個設(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?，該方法克服了傳統(tǒng)拓?fù)溥^程中重復(fù)搜索支路的特點，簡化了程序。最后，通過實際算例，驗證了短路電流計算程序的正確性和有效性。短路電流計算程序的開發(fā)不僅大大提高了電氣設(shè)計人員的工作效率，而且對變電站一次設(shè)計有重要的理論意義和實用價值。

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