一种含分布式电源的电网短路电流计算方法及装置与流程

本发明属于电力系统故障分析技术领域，尤其涉及一种含分布式电源的电网短路电流计算方法及装置。

背景技术

研究电网发生短路故障后的短路电流的主要方法是构建故障后的等效电路模型，列写发电机节点、负荷节点和故障节点的注入电流方程，通过解线性的矩阵方程来计算出短路电流。

然而，在大量分布式电源接入电网后，由于分布式电源模型的表达式是非线性的，因此通过直接解方程的方法难以求解，所以需要迭代计算。由于牛顿-拉夫逊法在迭代过程中要不断更新变量对于函数的偏导值，即雅克比矩阵，而分布式电源模型的表达式是分段函数，难以求导。

技术实现要素：

本发明提供一种含分布式电源的电网短路电流计算方法及装置，用于至少解决上述技术问题之一。

第一方面，本发明提供一种含分布式电源的电网短路电流计算方法，包括：

步骤A：利用潮流计算方法计算发电机节点故障前的电压和注入电流；

步骤B：建立发生三相对称短路故障后的等效电路模型，所述等效电路模型中电压源与电抗串联由发电机等效形成，接地导纳由故障点等效形成，导纳由负荷等效形成，压控流源由分布式电源等效形成；

根据各节点和各支路的已知参数形成节点导纳矩阵，所述节点导纳矩阵的表达式为：

，

式中，为节点1的自电导，为节点1的自电纳，为节点1与节点n的互电导，为节点1与节点n的互电纳，为节点n与节点1的互电导，为节点n与节点1的互电纳，为节点n的自电导，为节点n的自电纳，为单位虚部；

并将分布式电源中电流关于电压的分段表达式转成离散化数据后经三次多项式拟合得到光滑曲线的解析表达式，其中，所述分段表达式为：

，

式中，为节点i的注入电流幅值，为分布式电源的额定电流，为节点i的注入电流相角，为节点i的电压相角，为节点i的电压幅值；

所述解析表达式为：

，

式中，、、、、、、、均为参数；

步骤C：将系统节点类型分为负荷节点、发电机节点以及新能源接入节点三类，并列写各个节点的修正方程；

步骤D：以各节点的节点电压幅值、节点电压相角为变量，采用牛顿-拉夫逊法求解短路方程，并将求解后的各节点电压值代入各节点注入电流公式中，使计算出各节点注入电流值。

第二方面，本发明提供一种含分布式电源的电网短路电流计算装置，包括：

计算模块，配置为利用潮流计算方法计算发电机节点故障前的电压和注入电流；

拟合模块，配置为建立发生三相对称短路故障后的等效电路模型，所述等效电路模型中电压源与电抗串联由发电机等效形成，接地导纳由故障点等效形成，导纳由负荷等效形成，压控流源由分布式电源等效形成；

根据各节点和各支路的已知参数形成节点导纳矩阵，所述节点导纳矩阵的表达式为：

，

式中，为节点1的自电导，为节点1的自电纳，为节点1与节点n的互电导，为节点1与节点n的互电纳，为节点n与节点1的互电导，为节点n与节点1的互电纳，为节点n的自电导，为节点n的自电纳，为单位虚部；

并将分布式电源中电流关于电压的分段表达式转成离散化数据后经三次多项式拟合得到光滑曲线的解析表达式，其中，所述分段表达式为：

，

式中，为节点i的注入电流幅值，为分布式电源的额定电流，为节点i的注入电流相角，为节点i的电压相角，为节点i的电压幅值；

所述解析表达式为：

，

式中，、、、、、、、均为参数；

列写模块，配置为将系统节点类型分为负荷节点、发电机节点以及新能源接入节点三类，并列写各个节点的修正方程；

求解模块，配置为以各节点的节点电压幅值、节点电压相角为变量，采用牛顿-拉夫逊法求解短路方程，并将求解后的各节点电压值代入各节点注入电流公式中，使计算出各节点注入电流值。

第三方面，提供一种电子设备，其包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本发明任一实施例的含分布式电源的电网短路电流计算方法的步骤。

第四方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，使所述计算机执行本发明任一实施例的含分布式电源的电网短路电流计算方法的步骤。

本申请的含分布式电源的电网短路电流计算方法及装置，利用潮流计算计算出发电机节点故障前的电压和注入电流，建立发生三相对称短路故障后的等效电路模型，建立导纳矩阵，并将分段的分布式电源表达式进行拟合，形成一条连续光滑曲线，以便在后续牛拉法求解中对节点电压求偏导，对系统节点进行分类，分别列写各类节点的修正方程，对设定的初始值用牛拉法求解各节点的电压值，再将每次迭代后得到的新电压值代入修正方程，对节点电压值进行修正，直至满足收敛条件，用最后的结果解出各节点注入电流值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种含分布式电源的电网短路电流计算方法的流程图；

图2为本发明一实施例提供的一种含分布式电源的电网短路电流计算装置的结构框图；

图3是本发明一实施例提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，其示出了本申请的一种含分布式电源的电网短路电流计算方法的流程图。

如图1所示，含分布式电源的电网短路电流计算方法具体包括以下步骤：

步骤A：利用潮流计算方法计算发电机节点故障前的电压和注入电流。

步骤B：建立发生三相对称短路故障后的等效电路模型，所述等效电路模型中电压源与电抗串联由发电机等效形成，接地导纳由故障点等效形成，导纳由负荷等效形成，压控流源由分布式电源等效形成；

根据各节点和各支路的已知参数形成节点导纳矩阵，所述节点导纳矩阵的表达式为：

，

式中，为节点1的自电导，为节点1的自电纳，为节点1与节点n的互电导，为节点1与节点n的互电纳，为节点n与节点1的互电导，为节点n与节点1的互电纳，为节点n的自电导，为节点n的自电纳，为单位虚部；

并将分布式电源中电流关于电压的分段表达式转成离散化数据后经三次多项式拟合得到光滑曲线的解析表达式，以便在后续牛拉法求解中对节点电压求偏导，其中，所述分段表达式为：

，

式中，为节点i的注入电流幅值，为分布式电源的额定电流，为节点i的注入电流相角，为节点i的电压相角，为节点i的电压幅值；

所述解析表达式为：

，

式中，为0.1508，为-0.3763，为0.06756，为1.21，为0.2982，为-0.04768，为-1.945，为1.896。

步骤C：将系统节点类型分为负荷节点、发电机节点以及新能源接入节点三类，并构建各个节点的修正方程。进而形成总的修正方程。

在本实施例中，具体包括：步骤C1：根据网络推导列写各节点的注入电流公式，由节点导纳方程得：

，

式中，为节点注入电流，为节点导纳矩阵，为节点电压，为节点i的注入电流，为第i行第j列元素实部，为节点j的电压，为第i行第j列元素虚部，为节点j的相角，为节点数；

步骤C2：列写每个节点的实际注入电流式：

，

式中，为发电机电抗，为发电机节点故障前的电压，为发电机节点故障前的注入电流向量；

其中，对于负荷节点，根据每个节点的实际注入电流式和各节点的注入电流公式将实部虚部分列成两组实数方程，得：

，

式中，，为负荷节点下注入电流实部的表达式，为负荷节点下注入电流虚部的表达式，为节点j的电压幅值；

对于发电机节点，根据每个节点的实际注入电流式和各节点的注入电流公式将实部虚部分列成两组实数方程，得：

，

式中，为发电机节点下注入电流实部的表达式，为发电机节点下注入电流虚部的表达式，为节点的初始相角，为节点的初始注入电流相角，为发电机节点故障前的初始注入电流；

对于新能源节点，根据每个节点的实际注入电流式和各节点的注入电流公式将实部虚部分列成两组实数方程，得：

，

其中， ，

式中，为新能源节点下注入电流实部的表达式，为新能源节点下注入电流虚部的表达式；

按节点顺序列些上述方程，简写成，式中，为关于各节点电压幅值和相角的修正方程。

步骤D：以各节点的节点电压幅值、节点电压相角为变量，采用牛顿-拉夫逊法求解短路方程，并将求解后的各节点电压值代入各节点注入电流公式中，使计算出各节点注入电流值。

在本实施例中，具体包括：步骤D1：以各节点的节点电压幅值、节点电压相角为变量，构建雅克比矩阵，所述雅克比矩阵的表达式为：

，

式中，为雅可比矩阵第2n行第2n列的元素，为分子对分母求偏导，为修正方程，为节点电压相角，为节点电压幅值；

其中，构建雅克比矩阵包括：对于负荷节点构建的雅克比矩阵为：

，

，

，

，

式中，为节点电压相角向量的转置，为节点电压幅值向量的转置；

对于发电机节点构建的雅克比矩阵为：

，

，

，

；

对于新能源节点构建的雅克比矩阵为：

，

，

，

，

其中，；

步骤D2：令k为迭代次数，设置初始值；

步骤D3：计算雅可比矩阵，式中，为第k次迭代的雅可比矩阵，为第k次迭代的各节点电压幅值，为第k次迭代的各节点电压相角；

步骤D4：计算不平衡量以及修正量；

步骤D5：计算修正状态量，令k=k 1;

步骤D6：若，转到步骤D3，否则输出结果。

综上，本申请的方法利用潮流计算计算出发电机节点故障前的电压和注入电流，建立发生三相对称短路故障后的等效电路模型，建立导纳矩阵，并将分布式电源表达式进行拟合，对系统节点进行分类，列写修正方程，将求解后的各节点电压值代入各节点注入电流公式，解出各节点注入电流值。

请参阅图2，其示出了本申请的一种含分布式电源的电网短路电流计算装置的结构框图。

如图2所示，电网短路电流计算装置200，包括计算模块210、拟合模块220、列写模块230以及求解模块240。

其中，计算模块210，配置为利用潮流计算方法计算发电机节点故障前的电压和注入电流；

拟合模块220，配置为建立发生三相对称短路故障后的等效电路模型，所述等效电路模型中电压源与电抗串联由发电机等效形成，接地导纳由故障点等效形成，导纳由负荷等效形成，压控流源由分布式电源等效形成；

根据各节点和各支路的已知参数形成节点导纳矩阵，所述节点导纳矩阵的表达式为：

，

式中，为节点1的自电导，为节点1的自电纳，为节点1与节点n的互电导，为节点1与节点n的互电纳，为节点n与节点1的互电导，为节点n与节点1的互电纳，为节点n的自电导，为节点n的自电纳，为单位虚部；

并将分布式电源中电流关于电压的分段表达式转成离散化数据后经三次多项式拟合得到光滑曲线的解析表达式，其中，所述分段表达式为：

，

式中，为节点i的注入电流幅值，为分布式电源的额定电流，为节点i的注入电流相角，为节点i的电压相角，为节点i的电压幅值；

所述解析表达式为：

，

式中，、、、、、、、均为参数；

列写模块230，配置为将系统节点类型分为负荷节点、发电机节点以及新能源接入节点三类，并列写各个节点的修正方程；

求解模块240，配置为以各节点的节点电压幅值、节点电压相角为变量，采用牛顿-拉夫逊法求解短路方程，并将求解后的各节点电压值代入各节点注入电流公式中，使计算出各节点注入电流值。

应当理解，图2中记载的诸模块与参考图1中描述的方法中的各个步骤相对应。由此，上文针对方法描述的操作和特征以及相应的技术效果同样适用于图2中的诸模块，在此不再赘述。

在另一些实施例中，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行上述任意方法实施例中的含分布式电源的电网短路电流计算方法；

作为一种实施方式，本发明的计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令设置为：

利用潮流计算方法计算发电机节点故障前的电压和注入电流；

建立发生三相对称短路故障后的等效电路模型，所述等效电路模型中电压源与电抗串联由发电机等效形成，接地导纳由故障点等效形成，导纳由负荷等效形成，压控流源由分布式电源等效形成，根据各节点和各支路的已知参数形成节点导纳矩阵，并将分布式电源中电流关于电压的分段表达式转成离散化数据后经三次多项式拟合得到光滑曲线的解析表达式；

将系统节点类型分为负荷节点、发电机节点以及新能源接入节点三类，并构建各个节点的修正方程；

以各节点的节点电压幅值、节点电压相角为变量，采用牛顿-拉夫逊法求解短路方程，并将求解后的各节点电压值代入各节点注入电流公式中，使计算出各节点注入电流值。

计算机可读存储介质可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据含分布式电源的电网短路电流计算装置的使用所创建的数据等。此外，计算机可读存储介质可以包括高速随机存取存储器，还可以包括存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，计算机可读存储介质可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至含分布式电源的电网短路电流计算装置。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

图3是本发明实施例提供的电子设备的结构示意图，如图3所示，该设备包括：一个处理器310以及存储器320。电子设备还可以包括：输入装置330和输出装置340。处理器310、存储器320、输入装置330和输出装置340可以通过总线或者其他方式连接，图3中以通过总线连接为例。存储器320为上述的计算机可读存储介质。处理器310通过运行存储在存储器320中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例含分布式电源的电网短路电流计算方法。输入装置330可接收输入的数字或字符信息，以及产生与含分布式电源的电网短路电流计算装置的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置340可包括显示屏等显示设备。

上述电子设备可执行本发明实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明实施例所提供的方法。

作为一种实施方式，上述电子设备应用于含分布式电源的电网短路电流计算装置中，用于客户端，包括：至少一个处理器；以及，与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够：

利用潮流计算方法计算发电机节点故障前的电压和注入电流；

建立发生三相对称短路故障后的等效电路模型，所述等效电路模型中电压源与电抗串联由发电机等效形成，接地导纳由故障点等效形成，导纳由负荷等效形成，压控流源由分布式电源等效形成，根据各节点和各支路的已知参数形成节点导纳矩阵，并将分布式电源中电流关于电压的分段表达式转成离散化数据后经三次多项式拟合得到光滑曲线的解析表达式；

将系统节点类型分为负荷节点、发电机节点以及新能源接入节点三类，并构建各个节点的修正方程；

以各节点的节点电压幅值、节点电压相角为变量，采用牛顿-拉夫逊法求解短路方程，并将求解后的各节点电压值代入各节点注入电流公式中，使计算出各节点注入电流值。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。