短路电流计算的matlab算法.docx
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短路电流计算的matlab算法
河南城建皇家学院
电力系统短路计算的MATLAB算法
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指导老师：
所在院系：
电气与信息工程学院
2014年11月22日
摘要
本设计是利用设计相关的MATLAB程序实现对不同类型电力系统短路故障进行计算机计算。
随着人类生产生活对电力日加依赖，电网正向着跨国界的巨型电网发展，随着电网规模的扩大，人类对电力系统的稳定性要求也日益提高。
电力系统的短路故障是电网故障中较为严重的故障，而且是发生几率最多的故障。
当发生短路时，其短路电流可达数万安培，巨大的短路电流产生的热效应和电动力效应将使电气设备遭受严重破环，所以当发生短路时，开关电气设备必须经得起可能的最大短路电流而不致损坏，所以求取相关网络的短路电流对于电网的设计具有不可估量的巨大作用。
本文所设计的MATLAB算法是根据电力系统发生短路时的相关特点，建立不同故障所对应的短路数学模型，从而构造出网络的线性代数方程，最终得到电力系统短路电流的MATLAB汁算方法──节点阻抗矩阵的支路追加法，该办法适用于各种结构的电网，展现出了计算机计算的巨大优势。
1引言
电力系统短路电流计算是电力系统运行、分析的重要环节，是电力设计中最重要的计算之一。
传统的短路电流计算是以手工计算为基础进行的，先通过相关电路知识化简所求的电力网络,求出各电源点对短路点的转移阻抗，进而计算出电抗XJS，再查找运算曲线，最终求得短路电流的周期分量。
传统的手工计算过程非常繁杂,工作量大,容易出错。
随着电网规模的扩大传统的手工计算已经不能满足现代电力网络设计的要求。
此时，采用计算机辅助计算显得势在必行。
本文所设计的MATLAB算法是根据电力系统发生短路时的相关特点，建立不同故障所对应的短路数学模型，从而构造出网络的线性代数方程，最终得到电力系统短路电流的MATLAB汁算方法──节点阻抗矩阵的支路追加法。
2理论分析
本文针对以下例题进行详细的计算机算法的分析和设计。
例：
某三节点电力系统的简化等值电路如图2-1所示，阻抗参数标幺值编注在图上，发电机电压认为是1。
计算：
1.节点3三相短路电流及各节点电压和各支路电流。
2.节点3发生单相短路接地、两相短路的瞬时，
（1）节点1和2的电压；
（2）线路1-2、1-3和2-3的电流；（3）发电机1、2的端电压。
图2-1某电力系统的简化等值电路
2.1计算条件
1）假设系统有无限大的容量。
短路后，系统母线电压能维持不变。
即计算阻抗比系统阻抗要大得多。
2）在计算高压电器中的短路电流时，只需考虑发电机、变压器、电抗器的电抗，而忽略其电阻；对于架空线和电缆，只有当其电阻大于电抗1/3时才需计入电阻，一般也只计电抗而忽略电阻。
3）短路电流计算公式或计算图表，都以三相短路为计算条件。
因为单相短路或二相短路时的短路电流都小于三相短路电流。
2.2计算步骤
三相短路：
1.用节电阻抗矩阵计算短路电流
如果已经形成了故障分量网络的节点阻抗矩阵，则矩阵中的对角元素就是网络从点看进去的等值阻抗，又称为点的自阻抗。
为点与点的互阻抗均用大写表示。
由节点方程中的第个方程：
。
为其它节电电流为零时，节点的电压和电流之比，即网络对点的等值阻抗。
根据故障分量网络，直接应用戴维南定理可求得直接短路电流（由故障点流出）为
（2-1）
式中，为接地阻抗；为点短路前的电压。
如果短路点为直接短路，则=0，在实用计算中采用（2-2）式
（2-2）
因此，一旦形成了节点阻抗矩阵，任一点的短路电流即可方便地求出，即等于该点自阻抗的倒数。
节点导纳矩阵的特点是易于形成，当网络结构变化时也容易修改，而且矩阵本身是很稀疏的，但是应用它计算短路电流不如用节点阻抗矩阵那样直接。
由于节点阻抗矩阵是节点导纳矩阵的逆矩阵，可以先求再求（等于），或者中的部分元素。
具体计算可以采用以下步骤：
应用计算短路点的自阻抗和互阻抗。
应用（2-1）式计算短路电流。
2．计算节点电压和支路电流
由故障分量网络可知，只有节点有节点电流，各节点电压的故障分量为
==（2-3）
所以，各节点短路故障后的电压为
（2-4）
任一支路-的电流为
（2-5）
式中，为-支路的阻抗。
不对称短路：
1.近似的实用计算中，对于短路故障可假设各节点短路前瞬间电压均为1。
如果要求准确计算故障前的运行情况，则需要进行潮流计算。
2.成正序、负序和零序节点导纳矩阵。
发电机的正序电抗用，可计算故障后瞬时的量。
发电机的负序电抗近似等于。
当不考虑负荷影响时，在正、序负序网络不接入负荷阻抗。
因为负荷的中性点一般不接地，所以零序无通路。
3.形成三个序网的节点导纳矩阵后，可求得故障端点的等值阻抗。
对于短路故障，只要令（其余节点电流均为零），分别应用三个序网的节点导纳矩阵求解一次即可得到三个序网和点的有关阻抗。
4.根据不同的故障，分别利用表2-1列出的公式计算故障处各序电流、电压，进而合成得到三相电流、电压。
表2-1三种不对称短路在短路点处的各序电流、电压计算公式
短路类型
短路点各序电流计算公式
短路点各序电压计算公式
单相短路
两相短路
两相短路接地
同单相接地
5.计算网络中任一点的电压，将用到以下相应的计算公式。
（2-6）
式中，为短路前点的电压。
6．对于短路故障，任一支路的各序电流均可用下式计算：
（2-7）
3仿真分析
3.1程序主框图
图3.1程序框图
3.2程序代码
三相短路：
clear
ZZ（1,2）=j*0.1;ZZ（1,3）=j*0.1;ZZ（2,3）=j*0.1;%节点i,j之间的阻抗（iYB=[-j*26.6266j*10j*10
j*10-j*33.2933j*10
j*10j*10-j*19.96];%输入节点导纳矩阵
n=3;%输入网络的节点数
k=3;%确定短路点的节点号
fori=1:
n
ifi==k
II（i）=1;
else
II（i）=0;
end
end
Z（:
k）=YB\II';
Zk=Z（:
k）%节点m的自阻抗和互阻抗
k,Ik=1/Z（k,k）
fori=1:
n
U（i）=1-Z（i,k）*Ik;
end
Un=U'
fori=1:
n
forj=1:
n
ifiI（i,j）=（U（i）-U（j））/ZZ（i,j）;%支路电流的实用计算
ij
（1）=i;ij
（2）=j;
ij,Iij=I（i,j）
end
end
End
不对称短路：
clear
ZZ1（1,2）=j*0.1;ZZ1（1,3）=j*0.1;
ZZ1（2,3）=j*0.1;%节点m,n之间的正序阻抗（mZZ2（1,2）=j*0.1;ZZ2（1,3）=j*0.1;
ZZ2（2,3）=j*0.1;%节点m,n之间的负序阻抗（mZZ0（1,2）=j*0.2;ZZ0（1,3）=j*0.2;
ZZ0（2,3）=j*0.2;%节点m,n之间的零序阻抗（mY1=[-j*26.6266j*10j*10
j*10-j*33.2933j*10
j*10j*10-j*19.96];%输入正序网络节点导纳矩阵
Y2=[-j*26.6266j*10j*10
j*10-j*33.2933j*10
j*10j*10-j*19.96];%输入负序网络节点导纳矩阵
Y0=[-j*30j*5j*5
j*5-j*50j*5
j*5j*5-j*10];%输入零序网络节点导纳矩阵
YY1=[-j*39.96j*10j*10j*200
j*10-j*59.96j*100j*40
j*10j*10-j*19.9600
j*2000-j*300
0j*4000-j*60];
YY2=YY1;%输入包括发电机机端电压节点的正，负序网络节点导纳矩阵
N1=3;%输入网络的节点数
N2=5;%输入包括所有发电机节点的网络的节点数
k=3;%输入短路点的节点号
fault=1;%输入短路类型f（3）=3;f
（1）=1;f
（2）=2;f（1,1）=4
%第一部分：
计算所有节点的a,b,c三相电压
forp=1:
N1
ifp==k
I（p）=1;
else
I（p）=0;
end
end
Z1（:
k）=Y1\I';Zk1=Z1（:
k）;%正序网络中节点m的自阻抗和互阻抗
Z2（:
k）=Y2\I';Zk2=Z2（:
k）;%负序网络中节点m的自阻抗和互阻抗
Z0（:
k）=Y0\I';Zk0=Z0（:
k）;%零序网络中节点m的自阻抗和互阻抗
iffault==1%根据故障类型选择不同的计算公式
Ik1=1/（Z1（k,k）+Z2（k,k）+Z0（k,k））;
Ik2=Ik1;Ik0=Ik1;
else
iffault==2
Ik1=1/（Z1（k,k）+Z2（k,k））;
Ik2=-Ik1;Ik0=0;
else
iffault==3
Ik1=1/Z1（k,k）;Ik2=0;Ik0=0;
else
iffault==4
Ik1=1/（Z1（k,k）+Z2（k,k）*Z0（k,k）/（Z2（k,k）+Z0（k,k）））;
Ik2=-Ik1*Z0（k,k）/（Z2（k,k）+Z0（k,k））;
Ik0=-Ik1*Z2（k,k）/（Z2（k,k）+Z0（k,k））;
end
end
end
end
Ik1%计算短路节点的正序电流
forp=1:
N1
ifp==k
I（p）=1;
else
I（p）=0;
end
end
Z1（:
k）=Y1\I';Zk1=Z1（:
k）;%正序网络中节点m的自阻抗和互阻抗
Z2（:
k）=Y2\I';Zk2=Z2（:
k）;%负序网络中节点m的自阻抗和互阻抗
Z0（:
k）=Y0\I';Zk0=Z0（:
k）;%零序网络中节点m的自阻抗和互阻抗
%第二部分：
计算支路电流
forp=1:
N1
U1（p）=1;
end
u1=U1'+uu1（:
k）;%计算所有节点正序电压
u2=uu2（:
k）;%计算所有节点负序电压
u0=uu0（:
k）;%计算所有节点零序电压
form=1:
N1
forn=1:
N1
ifmmn
（1）=m;mn
（2）=n;
mn
I1（m,n）=（u1（m）-u1（n））/ZZ1（m,n）;%正序支路电流的实用计算
I2（m,n）=（u2（m）-u2（n））/ZZ2（m,n）;%负序支路电流的实用计算
I0（m,n）=（u0（m）-u0（n））/ZZ0（m,n）;%零序支路电流的实用计算
Iabc=T*[I1（m,n）I2（m,n）I0（m,n）].';
Iabc%Iabc表示支路（m,n）的a,b,c三相电流
abs（Iabc）
end
end
end
%第三部分：
计算发电机的端电压
forp=1:
N2
ifp==k
II（p）=-Ik1;
else
II（p）=0;
end
end
vv1（:
k）=YY1\II.';
vv2（:
k）=YY2
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