1、信息工程系電力系統(tǒng)分析課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)題目: 電力系統(tǒng)短路故障的計(jì)算機(jī)算法程序設(shè)計(jì)專(zhuān) 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)：學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師： 鐘建偉 2012年 03月 15 日 信息工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名學(xué) 號(hào)成 績(jī)?cè)O(shè)計(jì)題目電力系統(tǒng)故障分析設(shè)計(jì)內(nèi)容給定的系統(tǒng)接線圖，按照要求手工計(jì)算出各種簡(jiǎn)單故障的電氣量值；設(shè)計(jì)要求1計(jì)算機(jī)計(jì)算原理應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行電力系統(tǒng)計(jì)算，首先要掌握電力系統(tǒng)相應(yīng)計(jì)算的數(shù)學(xué)模型；其次是運(yùn)用合理的計(jì)算方法；第三則是選擇合適的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編制計(jì)算程序。建立電力系統(tǒng)計(jì)算的相關(guān)數(shù)學(xué)模型，就是建立用于描述電力系統(tǒng)相應(yīng)計(jì)算的有關(guān)參數(shù)間的相互關(guān)系的數(shù)學(xué)方程式。該數(shù)學(xué)模型的建立

2、往往要突出問(wèn)題的主要方面，即考慮影響問(wèn)題的主要因素，而忽略一些次要因素，使數(shù)學(xué)模型既能正確地反映實(shí)際問(wèn)題，又使計(jì)算不過(guò)于復(fù)雜。運(yùn)用合理的計(jì)算方法，就是要求所選用的計(jì)算方法能快速準(zhǔn)確地得出正確結(jié)果，同時(shí)還應(yīng)要求在解算過(guò)程中占用內(nèi)存少，以利提高計(jì)算機(jī)的解題規(guī)模。選擇合適的語(yǔ)言編寫(xiě)程序，就是首先確定用什么計(jì)算機(jī)語(yǔ)言來(lái)編制程序；其次是作出計(jì)算的流程圖；第三根據(jù)流程圖用選擇的語(yǔ)言編寫(xiě)計(jì)算程序。然后上機(jī)調(diào)試，直到語(yǔ)法上無(wú)錯(cuò)誤。所編制的程序難免存在邏輯錯(cuò)誤，因此先用一個(gè)已知結(jié)果的系統(tǒng)作為例題進(jìn)行計(jì)算。用程序計(jì)算的結(jié)果和已知結(jié)果相比較，如果結(jié)果相差甚遠(yuǎn)就要逐步分析程序的計(jì)算步驟，查出問(wèn)題的出處；如果結(jié)果比較接

3、近，則逐步分析誤差來(lái)源；直到結(jié)果正確為止。最后將所編制出的正確計(jì)算程序，用于電力系統(tǒng)的實(shí)際計(jì)算。2電力系統(tǒng)短路計(jì)算計(jì)算機(jī)算法一般在電力系統(tǒng)短路計(jì)算中，多數(shù)情況下只要計(jì)算短路電流、電壓的周期分量起始值。因此，電力系統(tǒng)短路電流計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，可歸結(jié)為求解短路故障初始狀態(tài)下的等值電路穩(wěn)態(tài)解的問(wèn)題。對(duì)于三相對(duì)稱(chēng)短路，可建立一相等值電路的計(jì)算模型，對(duì)于不對(duì)稱(chēng)短路，則可應(yīng)用對(duì)稱(chēng)分量法建立系統(tǒng)的正、負(fù)、零序網(wǎng)絡(luò)，從而建立故障計(jì)算的序網(wǎng)模型。時(shí)間安排參考資料（1）對(duì)稱(chēng)短路計(jì)算有關(guān)數(shù)學(xué)模型和原理框圖以及已知結(jié)果的例題，參見(jiàn)電力系統(tǒng)分析第六章。常用的計(jì)算方法為節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣法或節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣法，其形成方法分別參見(jiàn)電力

4、系統(tǒng)分析第四章。（2）簡(jiǎn)單不對(duì)稱(chēng)短路計(jì)算有關(guān)數(shù)學(xué)模型、原理框圖以及已知結(jié)果的例題參見(jiàn)電力系統(tǒng)分析第八章8-4節(jié)一、任務(wù)設(shè)計(jì)階段：（一） 計(jì)算的假設(shè)1、 不計(jì)各元件的電阻，即R=0；2、 各元件的正序和負(fù)序電抗相等，即X1=X2；3、 不計(jì)線路電容電流的影響；4、 計(jì)算簡(jiǎn)單短路故障時(shí)，各發(fā)電機(jī)電勢(shì)的標(biāo)幺值均為E=j1。5、 各種短路均為金屬性短路，縱向不對(duì)稱(chēng)故障指一相斷相和兩相斷相；6、 故障形式取A相為特殊相，故障計(jì)算以A相為基準(zhǔn)相。（二） 準(zhǔn)備工作1、 始數(shù)據(jù)計(jì)算 根據(jù)給定的系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)各元件的標(biāo)幺值參數(shù)，取。 （1）發(fā)電機(jī)參數(shù)計(jì)算公式：X = X計(jì)算結(jié)果廠名編號(hào)XS(MVA)U(K

5、V)X(標(biāo)幺值)A廠1#，2#0.18862.510.53.0083#，4#0.14575.010.51.933B廠1#0.14162.510.52.2562#，3#0.16231.256.35.184 (2)變壓器計(jì)算公式：X=, (i,j,k,=1,2,3)計(jì)算結(jié)果：廠站編號(hào)A廠1#、2#60.011.161.863#、4#90.010.251.139B廠1#63.010.51.6672#、3#31.510.53.333C站31.59.8116.165.913.184-0.0701.946D站50.09.8217.56.232.109-0.1451.391(3) 線路 計(jì)算公式： ， ，

6、， 計(jì)算結(jié)果：線路 A-CA-DC-DD-EE-B長(zhǎng)度L（Km）4025306080X1（標(biāo)幺值）1.2100.7560.9071.8152.420X0（標(biāo)幺值）3.6292.2682.7225.4447.260（4）系統(tǒng)系統(tǒng)：X1=0.36 X0=0.87系統(tǒng)：X1=0.38 X0=0.51二、序網(wǎng)絡(luò)的制定根據(jù)上面的基本數(shù)據(jù)可以制定出系統(tǒng)的正序、負(fù)序、零序網(wǎng)絡(luò)圖。由假設(shè)2可知，正、負(fù)序網(wǎng)絡(luò)相同，故在此只需制定正、零序網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)如下所示：說(shuō)明：正序網(wǎng)絡(luò)中電源支路的等效電抗為發(fā)電機(jī)電抗與變壓器電抗之和，系統(tǒng)、均處理為發(fā)電機(jī)模型。（三）、手工計(jì)算系統(tǒng)故障時(shí)各電氣量 為了便于驗(yàn)證程序運(yùn)行的正確性，在

7、編制程序之前先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行手工的故障計(jì)算，確定故障時(shí)系統(tǒng)的各個(gè)電氣量。其大體步驟是：化簡(jiǎn)序網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算出各個(gè)序網(wǎng)的電流分布系數(shù)，計(jì)算特定故障點(diǎn)的正、零序綜合電抗并由此確定故障點(diǎn)的短路電流，利用分布系數(shù)求出各支路電流，計(jì)算各節(jié)點(diǎn)電壓。1、化簡(jiǎn)序網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行“星-三角”變換，得下圖： 2、計(jì)算電流分支系數(shù)在特定故障點(diǎn)加入單位電流，求出各支路電流，該電流即為支路的電流分支系數(shù)。而原網(wǎng)絡(luò)三角形回路的支路電流可由星形支路電流求得，其關(guān)系如下： 現(xiàn)將計(jì)算結(jié)果列表如下：故障點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型母線C正序0.02750.13070.19720.0122零序0.00080.08230.11040.0052 3、計(jì)算故障

8、點(diǎn)綜合阻抗母線C： 4、計(jì)算故障口電流各種類(lèi)型的故障口基準(zhǔn)相正序電流計(jì)算公式如下：而基準(zhǔn)相的負(fù)、零序電流與正序電流又存在如下關(guān)系：n01-1010據(jù)此可求出各類(lèi)故障的故障口基準(zhǔn)相序電流：C母線故障3.921.131.962.460.001.13-1.96-1.460.001.130.00-1.005、利用分支系數(shù)求解各線路的序電流C母線故障網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型正序0.10770.51170.7720.0478負(fù)序0.000.000.000.00零序0.000.000.000.00正序0.05380.25590.38610.0239負(fù)序-0.0537-0.2559-0.3861-0.0239零序0.000.

9、000.000.00正序0.03110.14770.22280.0138負(fù)序0.03110.14770.22280.0138零序0.00090.09300.12480.0059正序0.067650.32150.48510.0300負(fù)序-0.0402-0.1908-0.2879-0.0178零序-0.0008-0.0823-0.1104-0.0052相電流計(jì)算 Ia=Ia1+Ia2+Ia3; Ib= a²Ia1+aIa2+Ia3;Ic= aIa1+²Ia2+Ia3C母線故障相別A0.10770.51170.7720.0478B0.1077240°0.5177240&

10、#176;0.772240°0.0478240°C0.1077120°0.5117120°0.772240°0.0478120°A0000B-j0.0932-j0.4432-j0.6687-j0.0414Cj0.0932j0.4432j0.6687j0.0414A0.06310.38840.57040.0335B0.0302-0.0547-0.098-0.0075C-0.0302-0.0547-0.098-0.0075A0.02670.04840.08680.007B0.094261.2°0.4392250°0.7

11、00253°0.0429254°C0.09498.8°0.4392110°0.700107°0.0429106° 6、節(jié)點(diǎn)電壓的計(jì)算(計(jì)算A母線即節(jié)點(diǎn)1的電壓)C母線故障網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型正序j0.6191負(fù)序0.00零序0.00正序j0.8096負(fù)序j0.1904零序0正序j0.89負(fù)序-j0.1099零序-j0.085正序j0.7628負(fù)序j0.1431零序j0.0752 計(jì)算各相電壓：Ua=Ua1+Ua2+Ua3;Ub= a²Ua1+aUa2+Ua3; Uc= aUa1+ a²Ua2+Ua3C母線故障網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型Uaj0.

12、6191Ub0.6191-30°Uc0.6191-150°Uaj1.000Ub0.7332-43°Uc0.7332-137°Uaj0.695Ub0.974128.8°Uc0.9741151.2°Uaj0.9811Ub0.6584-35.4°Uc0.6584-144.6°三，編程設(shè)計(jì)1、 數(shù)學(xué)模型的選擇電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)建模主要有節(jié)點(diǎn)阻抗方程和節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納方程兩種，節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納方程與節(jié)點(diǎn)阻抗方程相比較，Y陣稀疏，占用內(nèi)存少，Z陣為滿陣，占用內(nèi)存多；Y陣形成容易，速度塊，Z陣形成較難，速度也慢。然而，在電力系統(tǒng)故障計(jì)算中，節(jié)點(diǎn)

13、的注入電流通常為已知量，用節(jié)點(diǎn)阻抗方程進(jìn)行故障計(jì)算比較直觀，解算簡(jiǎn)單且物理意義明確。因此，選用節(jié)點(diǎn)阻抗方程法計(jì)算故障系統(tǒng)的電氣量值，而節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣的形成采用Y陣求逆法。2、 程序設(shè)計(jì)的總體思想系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)以文件的形式輸入，程序根據(jù)這些信息形成導(dǎo)納矩陣，再對(duì)之求逆形成阻抗矩陣，由阻抗矩陣求得故障口三序電流，進(jìn)而求得各節(jié)點(diǎn)的三序電壓，并由之求得各支路三序電流，最后將序分量合成相分量，完成一個(gè)完整的故障電氣量計(jì)算。程序流程圖(見(jiàn)附錄1)。3、 程序的主要功能（1） 形成網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣和節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣；（2） 可以計(jì)算各種短路故障：A） 故障口的序電流和相電流；B） 網(wǎng)絡(luò)中各支路的序電流C） 網(wǎng)絡(luò)

14、中各節(jié)點(diǎn)的序電壓和相電壓。（3） 能夠以文件的形式清楚地輸出計(jì)算結(jié)果。4、 程序使用說(shuō)明本程序使用簡(jiǎn)單，只需按規(guī)定格式輸入電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)信息到一個(gè)名為“in.txt”的文本文件，再運(yùn)行可執(zhí)行文件后按屏幕提示輸入即可。運(yùn)行結(jié)果保存在指定的文件里，打開(kāi)它便可查看計(jì)算結(jié)果。 5、 運(yùn)行結(jié)果分析 經(jīng)核對(duì)，程序的運(yùn)行結(jié)果與指導(dǎo)書(shū)和手算結(jié)果基本一致，故本程序能正確地實(shí)現(xiàn)故障計(jì)算的功能。手算過(guò)程與計(jì)算機(jī)計(jì)算過(guò)程之間的差別在于所選取的計(jì)算模型不同，手算的關(guān)鍵在于正確地化簡(jiǎn)網(wǎng)絡(luò)，求得網(wǎng)絡(luò)的電流分支系數(shù)和故障點(diǎn)綜合阻抗；而計(jì)算機(jī)則是以線性方程組作為計(jì)算模型，它的關(guān)鍵是要形成一個(gè)正確的阻抗矩陣與及能正確求解線性方程

15、組。解算過(guò)程雖不一樣但結(jié)果是基本吻合的。附錄 1開(kāi) 始 數(shù)組、變量的定義 從文件輸入原始數(shù)據(jù) 形成正、零序網(wǎng)的導(dǎo)納矩陣，并輸出 對(duì)導(dǎo)納矩陣求逆形成阻抗矩陣，并輸出 計(jì)算各節(jié)點(diǎn)電壓的正常分量，并輸出故障類(lèi)型FTypeFType=1 FType=2 FType=3 FType=4 K(3)故障 K(1)故障 K(2)故障 K(1，1)故障 各節(jié)點(diǎn)序電壓 各節(jié)點(diǎn)序電流 各電氣量的相量 輸出計(jì)算結(jié)果 結(jié) 束 附錄 2 短 路 計(jì) 算 程 序 的 源 程 序 清 單 #include <math.h> #include <stdio.h> #define N1 5 /*正序結(jié)點(diǎn)數(shù)

16、*/ #define M1 9 /*正序支路數(shù)*/ #define N0 5 /*零序結(jié)點(diǎn)數(shù)*/ #define M0 9 /*零序支路數(shù)*/ float SR33,SI33; /*算子矩陣*/ FILE *rf,*wf; /*輸入,輸出文件指針*/ main() void prog1(); void prog2(); void prog3(); void prog4(); void prog5(); float Y1N1N1,Y0N0N0,Z1N1N1,Z0N0N0; /*結(jié)點(diǎn)導(dǎo)納,阻抗矩陣*/ float I0N1; /*結(jié)點(diǎn)注入電流正常分量*/ float UNN13,UN13,ILM1

17、3,IM13; /*結(jié)點(diǎn)序相電壓,支路序相電流*/ float UP1,ZP1,ZP2,ZP0,IF3,IFX3; /*故障口電壓,口阻抗,口電流*/ float z1M1,z0M0; /*正,零序支路阻抗*/ int n11M1,n12M1,n01M0,n02M0,zl1M1,zl0M0; /*支路相關(guān)結(jié)點(diǎn),支路編號(hào)*/ int i,j,t,p; /*控制循環(huán)變量*/ int kp,sign; /*故障類(lèi)型,故障結(jié)點(diǎn)*/ int n1,m1,n0,m0; /*正零序結(jié)點(diǎn)數(shù)支路數(shù)*/ rf=fopen("d:in.txt","r"); /*打開(kāi)文件*/

18、wf=fopen("d:out.txt","w"); if(rf=NULL) fprintf(wf,"不能打開(kāi)文件!"); return; fscanf(rf,"%d%d",&n0,&m0); /*讀入數(shù)據(jù)*/ fscanf(rf,"%d%d",&n1,&m1); fscanf(rf,"%d%d",&kp,&sign); for(i=0;i<m0;i+) fscanf(rf,"%d%d%d%f",&am

19、p;zl0i,&n01i,&n02i,&z0i); for(i=0;i<m1;i+) fscanf(rf,"%d%d%d%f",&zl1i,&n11i,&n12i,&z1i); for(i=0;i<3;i+) for(j=0;j<3;j+) fscanf(rf,"%f%f",&SRij,&SIij); for(i=0;i<n1;i+) fscanf(rf,"%f",&I0i); prog1(Y1,z1,n11,n12,n1,m1);

20、 /*形成正序結(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣*/ prog1(Y0,z0,n01,n02,n0,m0); /*形成零序結(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣*/ prog2(Y1,Z1,n1); /*形成正序結(jié)點(diǎn)阻抗矩陣*/ prog2(Y0,Z0,n0); /*形成零序結(jié)點(diǎn)阻抗矩陣*/ UP1=0; /*形成口電壓,口阻抗*/ for(i=0;i<n1;i+) UP1+=Z1sign-1i*I0i; ZP1=ZP2=Z1sign-1sign-1; ZP0=Z0sign-1sign-1; if(kp=1) /*形成口電流*/ IF0=-UP1/ZP1; IF1=IF2=0; else if(kp=2) IF0=-UP1/(ZP2+

21、ZP1); IF1=-IF0; IF2=0; else if(kp=3) IF0=IF1=IF2=-UP1/(ZP2+ZP1+ZP0); else if(kp=4) IF0=-UP1/(ZP1+ZP1*ZP0/(ZP1+ZP0); IF1=-(IF0*ZP0)/(ZP1+ZP0); IF2=-(IF0*ZP1)/(ZP1+ZP0); prog3(IF,IFX,1); for(i=0;i<n1;i+) /*形成結(jié)點(diǎn)序電壓*/ for(j=0;j<3;j+) UNij=0; for(i=0;i<n1;i+) for(j=0;j<n1;j+) UNi0+=Z1ij*I0j;

22、UNi0+=Z1isign-1*IF0; UNi1=Z1isign-1*IF1; UNi2=Z0isign-1*IF2; prog3(UN,U,n1); for(i=0;i<m1;i+) /*形成支路序電流*/ t=n11i; p=n12i; if(t=0) ILi0=UNp-10/z1i+I0p-1; ILi1=UNp-11/z1i; else if(p=0) ILi0=-UNt-10/z1i+I0t-1; ILi1=-UNt-11/z1i; else ILi0=(UNt-10-UNp-10)/z1i; ILi1=(UNt-11-UNp-11)/z1i; for(i=0;i<m0

23、;i+) t=n01i; p=n02i; if(t=0) ILi2=UNp-12/z0i; else if(p=0) ILi2=-UNt-12/z0i; else ILi2=(UNt-12-UNp-12)/z0i; prog3(IL,I,m1); fprintf(wf,"故障分析的計(jì)算結(jié)果為：n"); /*輸出計(jì)算結(jié)果*/ fprintf(wf,"零序網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點(diǎn)數(shù)，支路數(shù)分別為：%d %dn",n0,m0); fprintf(wf,"正序網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點(diǎn)數(shù)，支路數(shù)分別為：%d %dn",n1,m1); fprintf(wf,"正序

24、結(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣為：n"); prog4(Y1,n1); fprintf(wf,"正序結(jié)點(diǎn)阻抗矩陣為：n"); prog4(Z1,n1); fprintf(wf,"零序結(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣為：n"); prog4(Y0,n0); fprintf(wf,"零序結(jié)點(diǎn)阻抗矩陣為：n"); prog4(Z0,n0); fprintf(wf,"故障類(lèi)型為: "); if(kp=1) fprintf(wf,"k(3)n"); else if(kp=2) fprintf(wf,"k(2)n"

25、); else if(kp=3) fprintf(wf,"k(1)n"); else if(kp=4) fprintf(wf,"k(1,1)n"); fprintf(wf,"故障結(jié)點(diǎn)為：N=%dn",sign); fprintf(wf,"故障點(diǎn)的序(1,2,0)，相(A,B,C)電流為：n"); for(i=0;i<3;i+) fprintf(wf,"%f ",IFi); for(i=0;i<3;i+) fprintf(wf,"%f ",IFXi); fprint

26、f(wf,"n"); fprintf(wf,"各支路的序(1,2,0)，相(A,B,C)電流為：n"); prog5(IL,I,m1); fprintf(wf,"各結(jié)點(diǎn)序(1,2,0),相電壓(A,B,C)為:n"); prog5(UN,U,n1); void prog1(float YN1N1,float zM1,int n1M1,int n2M1,int n,int m) /*形成結(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣*/ float yM1; int i,j,k; for(i=0;i<n;i+) for(j=0;j<n;j+)Yij=0; f

27、or(i=0;i<m;i+) yi=1/zi; for(i=0;i<n;i+) for(j=0;j<m;j+)if(n1j=i+1|n2j=i+1)Yii+=yj; for(i=0;i<n;i+) for(j=0;j<n;j+)for(k=0;k<m;k+) if(i!=j&&(n1k=i+1&&n2k=j+1)|(n1k=j+1&&n2k=i+1) Yij=-yk; void prog2(float YN1,float ZN1,int n) /*形成結(jié)點(diǎn)阻抗矩陣*/ /*三角分解法*/ float LN1N1,DN1,IN1,UN1; int i,j,k; for(i=0;i<n;i+) Di=Yii; for(j=0;j<i;j+)Lij=Yij; for(k=0;k<n;k+) Lkk=1; for(j=0;j<k;j+) for(i