一种考虑分布式电源的配网短路全电流计算方法及系统与流程

1.本发明属于电力系统故障分析技术领域，尤其涉及一种考虑分布式电源的配网短路全电流计算方法及系统。


背景技术：

2.短路计算是电力系统故障分析中的重要内容之一。短路计算的结果能够用于校验电气设备的稳定、为系统系统设计和设备选型提供依据。传统的短路计算方法基于叠加原理，将故障后的网络状态分为正常状态和故障分量状态。在短路点加一与故障前该节点电压大小相等、方向相反的电动势，利用阻抗矩阵即可求得各节点故障分量的电压值，进而求出通过各支路的故障电流。
3.近些年，大量新能源电源接入电网后，给传统电网带来了诸多影响，传统的短路电流计算方法已不再适用于含新能源发电的电网。光伏等新能源采用逆变电路连接电网，其短路电流与自身控制方式密切相关，新能源接入时，还需要考虑切除时间等，因此新能源的接入使得电力系统更加复杂，其短路特性也呈现多样性，现有故障分析方法难以满足运行需求。本方法旨在提出一种全时域的新能源电网故障电流的计算方法，用于新能源电力系统的故障分析。


技术实现要素：

4.本发明提供一种考虑分布式电源的配网短路全电流计算方法及系统，用于至少解决上述技术问题之一。
5.第一方面，本发明提供一种考虑分布式电源的配网短路全电流计算方法，包括：步骤a：利用潮流计算方法计算各个节点故障前的电压和注入电流，并基于诺顿等值方法将某一发电机节点等值成一电流源并联一电抗，将某一负荷节点等值成一导纳；步骤b：发生三相对称短路故障后，设短路接地阻抗为，若故障节点在发电机节点、负荷节点或新能源节点中，则视为在该节点上存在短路接地阻抗，若故障节点在线路上，则新增加一个含接地导纳的节点，并视为负荷为0的负荷节点，计算导纳矩阵，设用于短路计算的子导纳矩阵为，为一个维的矩阵；步骤c：对系统节点按发电机节点、负荷节点和新能源节点进行分类，并依照发电机节点、负荷节点、新能源节点的构建节点电压与注入电流的关系方程，式中，为导纳阵，为节点电压，为注入电流；步骤d：联立新能源节点电压和电流的非线性分段表达式，通过迭代法求解新能源故障时的电流和电压，进而求取发电机的次暂态短路电流、发电机的暂态短路电流和发电机的稳态短路电流；步骤e：依据各个衰减时间常数，通过次暂态故障电流的相角、暂态故障电流的相角和稳态电流的相角近似的原则计算故障点短路的全电流，其中，计算故障点短路的全电流的表达式
为：，式中，为励磁磁动势超前发电机转子s轴的角度，为直流分量衰减时间常数，为电流次暂态短路值，为电流暂态短路值，为电流稳态短路值，为发电机转子电角速度，为故障后时间，为平均暂态衰减时间常数，为平均暂态衰减时间常数。
6.第二方面，本发明提供一种考虑分布式电源的配网短路全电流计算系统，包括：等值模块，配置为利用潮流计算方法计算各个节点故障前的电压和注入电流，并基于诺顿等值方法将某一发电机节点等值成一电流源并联一电抗，将某一负荷节点等值成一导纳； 修改模块，配置为发生三相对称短路故障后，设短路接地阻抗为，若故障节点在发电机节点、负荷节点或新能源节点中，则视为在该节点上存在短路接地阻抗，若故障节点在线路上，则新增加一个含接地导纳的节点，并视为负荷为0的负荷节点，计算导纳矩阵，设用于短路计算的子导纳矩阵为，为一个维的矩阵；分类模块，配置为对系统节点按发电机节点、负荷节点和新能源节点进行分类，并依照发电机节点、负荷节点、新能源节点的构建节点电压与注入电流的关系方程，式中，为导纳阵，为节点电压，为注入电流；求解模块，配置为联立新能源节点电压和电流的非线性分段表达式，通过迭代法求解新能源故障时的电流和电压，进而求取发电机的次暂态短路电流、发电机的暂态短路电流和发电机的稳态短路电流；计算模块，配置为依据各个衰减时间常数，通过次暂态故障电流的相角、暂态故障电流的相角和稳态电流的相角近似的原则计算故障点短路的全电流，其中，计算故障点短路的全电流的表达式为：，式中，为励磁磁动势超前发电机转子s轴的角度，为直流分量衰减时间常数，为电流次暂态短路值，为电流暂态短路值，为电流稳态短路值，为发电机转子电角速度，为故障后时间，为平均暂态衰减时间常数，为平均暂态衰减时间常数。
7.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考虑分布式电源的配网短路全电流计算方法的步骤。
8.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，所述程序指令被处理器执行时，使所述处理器执行本发明任一实施例的考虑分布式电源的配网短路全电流计算方法的步骤。
9.本技术的考虑分布式电源的配网短路全电流计算方法及系统，通过计算得到的配
网短路全电流适用于多个逆变型新能源接入电网时的三相对称短路电流计算，能够描述短路电流短时间内的变化，契合当前电力系统的需求。
附图说明
10.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。
11.图1为本发明一实施例提供的一种考虑分布式电源的配网短路全电流计算方法的流程图；图2为本发明一实施例提供一个具体实施例的配网短路示意图；图3为本发明一实施例提供的一具体实施例的故障点短路电流随时间变化的曲线图；图4为本发明一实施例提供的一种考虑分布式电源的配网短路全电流计算系统的结构框图；图5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
12.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。
13.请参阅图1，其示出了本技术的一种考虑分布式电源的配网短路全电流计算方法的流程图。
14.如图1所示，考虑分布式电源的配网短路全电流计算方法的步骤具体如下所示：步骤a：利用潮流计算方法计算各个节点故障前的电压和注入电流，并基于诺顿等值方法将某一发电机节点等值成一电流源并联一电抗，将某一负荷节点等值成一导纳。
15.在本实施例中，故障前，利用潮流计算计算系统的正常运行状态，计算出各个节点正常运行时的电压和注入电流，分别记为，式中，为发电机节点i故障前的节点电压，为发电机节点i故障前的节点电压幅值，为发电机节点i的电压初始相角，为发电机节点i故障前的注入电流幅值，为发电机节点i故障前的注入电流，为发电机节点i的电流初始相角。
16.对于发电机节点，记发电机次暂态电抗为，暂态电抗，稳态电抗，用诺顿等值将发电机等效为一个电流源并联一个电抗（为次暂态电抗、暂态电抗或稳
态电抗），其中电流源的表达式如下所示：，对于负荷节点，根据节点i的负荷将负荷等效成一个导纳，如下所示：。
17.步骤b：发生三相对称短路故障后，设短路接地阻抗为，若故障节点在发电机节点、负荷节点或新能源节点中，则视为在该节点上存在短路接地阻抗，若故障节点在线路上，则新增加一个含接地导纳的节点，并视为负荷为0的负荷节点，计算导纳矩阵，设用于短路计算的子导纳矩阵为，为一个维的矩阵。
18.在本实施例中，对应元素对应元素表达式如下所示：，式中，为节点和节点之间的导纳，为节点的对地导纳；步骤c：对系统节点按发电机节点、负荷节点和新能源节点进行分类，并依照发电机节点、负荷节点、新能源节点的构建节点电压与注入电流的关系方程，式中，为导纳阵，为节点电压，为注入电流。
19.在本实施例中，依照发电机节点、负荷节点、新能源节点的构建节点电压与注入电流的关系方程的表达式为：，式中，、、均为导纳阵对应发电机节点的子导纳矩阵，、、均为导纳阵对应负荷节点的子导纳矩阵，、、均为导纳阵对应新能源节点的子导纳矩阵，分别为发电机节点电压、负荷节点电压、新能源节点电压，分别为发电机节点的注入电流、新能源节点的注入电流，负荷节点注入电流为0。
20.步骤d：联立新能源节点电压和电流的非线性分段表达式，通过迭代法求解新能源故障时的电流和电压，进而求取发电机的次暂态短路电流、发电机的暂态短路电流和发电机的稳态短路电流。
21.在本实施例中，步骤d1：新能源节点电压和新能源节点的注入电流的非线性分段表达式为：，式中，为新能源节点的注入电流幅值，为新能源额定电流，取值为1，为新能源节点的注入电流相角，为新能源节点的电压相角， 为新能源节点的电压幅值；步骤d2：令k=0，设定新能源注入电流初值电压初值；步骤d3：根据，可以得新能源节点电压的表达式为：；式中，为新能源节点电压第次迭代值，为新能源节点注入电流第次迭代值；将代入新能源节点电压和新能源节点的注入电流的非线性分段表达式中求解；步骤d4：计算两次电流偏差量，若，则为故障时刻的新能源节点的注入电流和新能源节点电压；否则令k=k 1，重复步骤d3；步骤d5：根据故障时刻的新能源节点的注入电流和新能源节点电压计算发电机的次暂态短路电流、发电机的暂态短路电流和发电机的稳态短路电流，其中，计算发电机的次暂态短路电流的表达式为：，式中，为次暂态时定子超前转子角度，为电流次暂态短路值；计算发电机的暂态短路电流的表达式为： ，式中，为暂态时定子超前转子角度，为电流暂态短路值；计算发电机的稳态短路电流的表达式为：，
式中，为稳态时定子超前转子角度，为电流稳态短路值。
22.步骤e：依据各个衰减时间常数，通过次暂态故障电流的相角、暂态故障电流的相角和稳态电流的相角近似的原则计算故障点短路的全电流。
23.在本实施例中，计算直流分量衰减时间常数的表达式为：，式中，为直流分量衰减时间常数，为配电网的总等效电抗，为发电机转子电角速度，为配电网的总等效电阻；计算平均次暂态衰减时间常数的表达式为：，式中，为发电机节点数量，为第i个发电机的阻尼绕组的电阻，为阻尼绕组电流非周期分量衰减的时间常数，为考虑阻尼绕组与电枢绕组、励磁绕组之间的磁耦合作用的等效电抗；计算平均暂态衰减时间常数的表达式为：，式中，为励磁绕组电流非周期分量衰减的时间常数，为第i个发电机的励磁绕组的电阻，为考虑电枢绕组与励磁绕组之间的磁耦合作用的等效电抗；由于次暂态故障电流、暂态故障电流和稳态电流的相角相近，因此将次暂态故障电流、暂态故障电流的相角近似为。由于短路电流远大于正常运行电流，因此忽略正常运行电流对直流非周期分量的影响，故障电流的全电流表达式可按下式计算：，
式中，为励磁磁动势超前发电机转子s轴的角度，为直流分量衰减时间常数，为电流次暂态短路值，为电流暂态短路值，为电流稳态短路值，为发电机转子电角速度，为故障后时间，为平均暂态衰减时间常数，为平均暂态衰减时间常数。
24.综上，本技术的方法，通过计算得到的配网短路全电流适用于多个逆变型新能源接入电网时的三相对称短路电流计算，能够描述短路电流短时间内的变化，契合当前电力系统的需求。
25.请参阅图2，其示出了本技术的一个具体实施例的配网短路示意图。
26.如图2所示，以三节点为例，1为负荷节点，2为平衡节点，3为新能源节点。
27.(1)正常运行其潮流计算数据如下所示1.1节点信息，1.2支路信息，1.3潮流计算各节点的电压和注入电流如下表所示， (2) 线路1至线路3 的50%处发生三相对称接地短路对于负荷节点1，负荷等效阻抗为：；对于发电机节点2，可以等效为一个电流源并联一个发电机电抗，当分别取值，，，对应电流源按下式计算分别为：；对于故障节点，视为新增节点4，经阻抗接地；
短路故障计算的子导纳矩阵按如下所示计算，(3)迭代计算步骤d1：新能源节点电压和新能源节点的注入电流的非线性分段表达式为：，式中，为新能源节点的注入电流幅值，为新能源额定电流，取值为1，为新能源节点的注入电流相角，为新能源节点的电压相角， 为新能源节点的电压幅值；步骤d2：令k=0，设定新能源注入电流初值电压初值；步骤d3：根据，可以得新能源节点电压的表达式为：；式中，为新能源节点电压第次迭代值，为新能源节点注入电流第次迭代值；将代入新能源节点电压和新能源节点的注入电流的非线性分段表达式中求解；步骤d4：计算两次电流偏差量，若，则为故障时刻的新能源节点的注入电流和新能源节点电压；否则令k=k 1，重复步骤d3；步骤d5：根据故障时刻的新能源节点的注入电流和新能源节点电压计算发电机的次暂态短路电流、发电机的暂态短路电流和发电机的稳态短路电流，其中，计算发电机的次暂态短路电流的表达式为：，式中，为次暂态时定子超前转子角度，为电流次暂态短路值；计算发电机的暂态短路电流的表达式为： ，
式中，为暂态时定子超前转子角度，为电流暂态短路值；计算发电机的稳态短路电流的表达式为：，式中，为稳态时定子超前转子角度，为电流稳态短路值。
28.根据不同的取值，可以得到发电机的次暂态电流、发电机的暂态电流和发电机的稳态短路电流如下表所示：，自阻抗和互阻抗按下式计算：，依据公式：，并结合公式：，短路电流的直流分量衰减的时间常数经计算为。
29.综合发电机参数，故障点短路的全电流表达式为：。
30.即故障点短路电流随时间变化如图3所示。
31.请参阅图4，其示出了本技术的一种考虑分布式电源的配网短路全电流计算系统的结构框图。
32.如图4所示，配网短路全电流计算系统200，包括等值模块210、修改模块220、分类模块230、求解模块240以及计算模块250。
33.其中，等值模块210，配置为利用潮流计算方法计算各个节点故障前的电压和注入电流，并基于诺顿等值方法将某一发电机节点等值成一电流源并联一电抗，将某一负荷节点等值成一导纳；修改模块220，配置为发生三相对称短路故障后，设短路接地阻抗为，若故障节点在发电机节点、负荷节点或新能源节点中，则视为在该节点上存在短路接地阻抗，若故障节点在线路上，则新增加一个含接地导纳的节点，并视为负荷为0的负荷节点，计算导纳矩阵，设用于短路计算的子导纳矩阵为，为一个维的矩阵；
分类模块230，配置为对系统节点按发电机节点、负荷节点和新能源节点进行分类，并依照发电机节点、负荷节点、新能源节点的构建节点电压与注入电流的关系方程，式中，为导纳阵，为节点电压，为注入电流；求解模块240，配置为联立新能源节点电压和电流的非线性分段表达式，通过迭代法求解新能源故障时的电流和电压，进而求取发电机的次暂态短路电流、发电机的暂态短路电流和发电机的稳态短路电流。
34.计算模块250，配置为依据各个衰减时间常数，通过次暂态故障电流的相角、暂态故障电流的相角和稳态电流的相角近似的原则计算故障点短路的全电流，其中，计算故障点短路的全电流的表达式为：，式中，为励磁磁动势超前发电机转子s轴的角度，为直流分量衰减时间常数，为电流次暂态短路值，为电流暂态短路值，为电流稳态短路值，为发电机转子电角速度，为故障后时间，为平均暂态衰减时间常数，为平均暂态衰减时间常数。
35.应当理解，图4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4中的诸模块，在此不再赘述。
36.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，其上存储有计算机程序，所述程序指令被处理器执行时，使所述处理器执行上述任意方法实施例中的考虑分布式电源的配网短路全电流计算方法；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各个节点故障前的电压和注入电流，并基于诺顿等值方法将某一发电机节点等值成一电流源并联一电抗，将某一负荷节点等值成一导纳；发生三相对称短路故障后，设短路接地阻抗为，若故障节点在发电机节点、负荷节点或新能源节点中，则视为在该节点上存在短路接地阻抗，若故障节点在线路上，则新增加一个含接地导纳的节点，并视为负荷为0的负荷节点，计算导纳矩阵，设用于短路计算的子导纳矩阵为，为一个维的矩阵；对系统节点按发电机节点、负荷节点和新能源节点进行分类，并依照发电机节点、负荷节点、新能源节点的构建节点电压与注入电流的关系方程，式中，为导纳阵，为节点电压，为注入电流；联立新能源节点电压和电流的非线性分段表达式，通过迭代法求解新能源故障时的电流和电压，进而求取发电机的次暂态短路电流、发电机的暂态短路电流和发电机的稳
态短路电流。
37.依据各个衰减时间常数，通过次暂态故障电流的相角、暂态故障电流的相角和稳态电流的相角近似的原则计算故障点短路的全电流。
38.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考虑分布式电源的配网短路全电流计算系统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考虑分布式电源的配网短路全电流计算系统。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。
39.图5是本发明实施例提供的电子设备的结构示意图，如图5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5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考虑分布式电源的配网短路全电流计算方法。输入装置330可接收输入的数字或字符信息，以及产生与考虑分布式电源的配网短路全电流计算系统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。
40.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。
41.作为一种实施方式，上述电子设备应用于考虑分布式电源的配网短路全电流计算系统中，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各个节点故障前的电压和注入电流，并基于诺顿等值方法将某一发电机节点等值成一电流源并联一电抗，将某一负荷节点等值成一导纳；发生三相对称短路故障后，设短路接地阻抗为，若故障节点在发电机节点、负荷节点或新能源节点中，则视为在该节点上存在短路接地阻抗，若故障节点在线路上，则新增加一个含接地导纳的节点，并视为负荷为0的负荷节点，计算导纳矩阵，设用于短路计算的子导纳矩阵为，为一个维的矩阵；对系统节点按发电机节点、负荷节点和新能源节点进行分类，并依照发电机节点、负荷节点、新能源节点的构建节点电压与注入电流的关系方程，式中，为导纳阵，为节点电压，为注入电流；联立新能源节点电压和电流的非线性分段表达式，通过迭代法求解新能源故障时的电流和电压，进而求取发电机的次暂态短路电流、发电机的暂态短路电流和发电机的稳态短路电流。
42.依据各个衰减时间常数，通过次暂态故障电流的相角、暂态故障电流的相角和稳
态电流的相角近似的原则计算故障点短路的全电流。
43.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。
44.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。