高等電力網(wǎng)絡(luò)報告

1、高等電力網(wǎng)絡(luò)分析報告姓 名： 學 號：S14050 專業(yè)班級：電氣工程研14-1同組成員：孫 二零一四年十二月一 節(jié)點注入電流及支路電流計算1.1 研究對象分析 本組采用IEEE14節(jié)點模型進行分析計算。編程形成導納矩陣，修正，求解各節(jié)點電流和各支路電流。IEEE14節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖及參數(shù)分別如圖1和表1所示。圖1 IEEE14節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖表1 IEEE14節(jié)點參數(shù)表支路號首端母線號末端母線號支路電阻支路電抗1/2充電電容電納額定電流1120.019380.059170.02641.71*22230.046990.019790.02191.713240.058110.176320.0187

2、1.714150.054030.223040.02461.715250.056950.173880.0171.716340.067010.171030.01731.717450.013350.042110.00641.7185600.2520200.6594700.2091200.65107800.1761500.5114900.5561800.4127900.1100100.65139100.031810.084500.5146110.094980.198900.5156120.122910.1558100.5166130.066150.1302700.5179140.127110.2703

3、800.51810110.082050.1920700.51912130.220920.1998800.52013140.170930.3480200.5、題目分析及編程思路：首先對IEEE14節(jié)點模型進行節(jié)點導納矩陣計算，然后在進行修正，最后利用公式計算節(jié)點注入電流及支路電流1.2 節(jié)點導納矩陣1.2.1 節(jié)點導納矩陣的性質(zhì)及物理意義1. 節(jié)點不定導納矩陣令聯(lián)通的電力網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)是N,大地作為節(jié)點未包含在內(nèi).網(wǎng)絡(luò)中有b條支路，包括了接地支路。如果把地節(jié)點增廣進來，電網(wǎng)的（N+1）*b階節(jié)點支路關(guān)聯(lián)矩陣A0，b階支路導納矩陣是yb，定義（N+1）*（N+1）階節(jié)點導納矩陣Y0為 式中 為N+1

4、維節(jié)點電壓和節(jié)點電流列矢量。包括大地節(jié)點在內(nèi)的N+1個節(jié)點b條支路的聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點導納矩陣Y0，其公共參考點在N+1個節(jié)點之外，且該連通網(wǎng)絡(luò)之間無支路相連，這時Y0稱為節(jié)點不定導納矩陣。節(jié)點不定導納矩陣的特點是連通網(wǎng)絡(luò)的公共參考點與該聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)之間沒有支路相關(guān)聯(lián)，全網(wǎng)各節(jié)點點位不定，節(jié)點導納矩陣不可逆。2. 節(jié)點定導納矩陣選地節(jié)點為參考節(jié)點，將它排在第N+1位，令參考節(jié)點點位為零，則可將節(jié)點不定導納矩陣表示的網(wǎng)絡(luò)方程式寫成分塊形式 展開后有 式中，Y為N*N階矩陣，它是不定導納矩陣Y0劃去地節(jié)點相對應(yīng)的行和列后剩下的矩陣，即以地為參考點形成的節(jié)點導納矩陣； 分別為N維節(jié)點電壓和電流列矢量； 為流

5、入地節(jié)點的電流。當網(wǎng)絡(luò)中存在接地支路時，N個節(jié)點的電力網(wǎng)絡(luò)和大地參考點之間的支路相連，Y是非奇異的，定義為節(jié)點導納矩陣。1.2.2 節(jié)點導納矩陣的建立令A(yù)為N*N階節(jié)點支路關(guān)聯(lián)舉著，Ml為A的第l個列矢量，則有 即相當于b個單元的疊加。每個單元表示一條支路對節(jié)點導納矩陣的貢獻。如果把每個單元想象成一個N*N階方的透明膠片，每片最多在四個位置有非零元素，把b個這樣的單元疊在一起，透過膠片看過去，我們就得到了Y矩陣。不同性質(zhì)的支路決定了不同的單元?？梢园粗窉呙?，累加每條支路對導納矩陣的貢獻，最后就得到Y(jié)矩陣，幾種支路對Y矩陣的貢獻如下：1) 對節(jié)點i上的接地支路， ，改支路對應(yīng)的單元只在（i,i

6、）位置有非零元，其值是yl.2) 對兩端節(jié)點分別為i和j的普通非接地支路，該支路對應(yīng)的單元有四個非零元，對Yii和Yjj的貢獻是yl,對Yij和Yji的貢獻是-yl.3) 對兩端節(jié)點分別為i和j的非標準變比變壓器支路，改支路對應(yīng)的單元有四個非零元，對Yii的貢獻是yl,對Yjj的貢獻是yl/t2,對Yij和Yji的貢獻都是-yl/t.。這里的t是非標準變比，在支路l的j側(cè)。4) 對有互感支路，應(yīng)將互感支路組成一組，共同考慮它們對節(jié)點導納矩陣的貢獻。首先將互感支路組的支路阻抗矩陣變成支路導納矩陣，然后共同考慮它們對節(jié)點導納矩陣的貢獻。1.2.3 節(jié)點導納矩陣的修改1. 支路移去和添加當支路l從網(wǎng)

7、絡(luò)中移出，則導納矩陣將變成Y,并有 只需像建立節(jié)點導納矩陣那樣考慮支路l對修改前導納矩陣的貢獻，所貢獻的支路導納為-yl，即相當于在原網(wǎng)絡(luò)的支路l上并連一個-yl的支路。對支路l添加到網(wǎng)絡(luò)中的情況與支路移出時的情況相同，區(qū)別是所考慮的修改支路的導納為yl.2. 節(jié)點合并雙母線母聯(lián)開關(guān)合上時，兩節(jié)點合并為一個節(jié)點，新的節(jié)點的注入電流等于原兩個節(jié)點的注入電流之和。3. 節(jié)點消去網(wǎng)絡(luò)簡化時需要消去某些節(jié)點。令節(jié)點P為待消節(jié)點，將p排在后面，則有用導納矩陣表示的網(wǎng)絡(luò)方程是 消去節(jié)點p后有 令 為消去節(jié)點p后的節(jié)點導納矩陣，則有 因此，消去節(jié)點p，只需對Y陣中的和p有支路直接相連的節(jié)點之間的元素進行修正

8、，其他節(jié)點之間的元素不用修正。1.3 ETAP仿真模型搭建及仿真 由于在計算節(jié)點注入電流及支路電流時需要用到各節(jié)點在短路時的節(jié)點電壓，故選取在ETAP中搭建IEEE14節(jié)點模型，并在支路20靠近13節(jié)點30%處發(fā)生三相金屬性短路，對模型進行仿真得到各節(jié)點的故障電壓。模型如下：測得的仿真數(shù)據(jù)如下：1.4 程序?qū)崿F(xiàn)首先導入數(shù)據(jù)，形成支路阻抗矩陣，然后在形成節(jié)支關(guān)聯(lián)矩陣A，求出節(jié)點導納矩陣，然后根據(jù)短路情況對節(jié)點導納矩陣進行修改。故障設(shè)置在支路20靠近13節(jié)點測的30%處，有修改后的節(jié)點導納矩陣和在ETAP中搭建仿真模型得到的故障電壓，計算各節(jié)點注入電流及支路電流。 下圖2為形成節(jié)點導納矩陣的流程圖

9、，對形成的導納矩陣進行修改后即可求得各節(jié)點注入電流及支路電流。圖 2：節(jié)點導納矩陣形成流程圖具體程序如下：運行結(jié)果如下：結(jié)果分析：分析結(jié)果可知：各短路點的電壓都較正常運行時偏低，且距離短路點越近，電壓越低，符合短路規(guī)律。各支路電流，在支路20,26處電流較大，且在與13,14節(jié)點相連的支路短路電流也較大，符合短路后電流的特征。二 并行計算在短路計算中的應(yīng)用2.1 并行計算基本概念并行計算是利用多個處理器協(xié)同求解一個應(yīng)用問題的計算方法。具體的計算方法： 將被求解的問題分為若干問題 每個問題分別由不同的處理器同時進行計算實現(xiàn)上述方法的程序稱為并行程序，具有多個處理器的，并能夠協(xié)同解決問題的計算機稱

10、為并行計算機。目前兩種最重要的并行編程模型是數(shù)據(jù)并行模型和消息傳遞模型。數(shù)據(jù)并行模型：將相同的操作同時作用于不同的數(shù)據(jù)。這種模型給編程者提供一個全局的地址空間。一般這種形式的語言本身就提供并行執(zhí)行的語句,因此對于編程者來說,只需要簡單地指明執(zhí)行什么樣的并行操作和并行操作的對象，就可實現(xiàn)并行數(shù)據(jù)的編程。它可以高效的解決一大類科學和工程計算問題,但它需要等數(shù)據(jù)并行語言的支持，同時對于非數(shù)據(jù)并行類的問題,則難以取得較高的效率。高效的編譯實現(xiàn)是它面臨的一個主要問題。消息傳遞編程模型：是通過消息的傳遞,將各個并行執(zhí)行部分的信息交換、步伐的協(xié)調(diào)以及對執(zhí)行的控制聯(lián)系起來。其并行應(yīng)用的進程都具有自己的私有地址

11、空間，通過顯式的消息傳遞共享數(shù)據(jù)，源進程顯式地發(fā)送消息,目的進程顯式地接受消息。數(shù)據(jù)由顯式的源語來共享，而同步卻隱含在消息的發(fā)送和接收過程中。其編程模式為程序設(shè)計者提供了更為靈活的控制手段和表達并行的方法。但它在提供靈活性的同時，也把并行執(zhí)行部分之間復(fù)雜的消息交換和協(xié)調(diào)、控制的任務(wù)交給了編程者，進而在一定程度上增加了編程者的負擔。在當前并行計算環(huán)境中，并行算法的性能度量一般涉及到求解問題的規(guī)模與分類、具體并行機的性能、并行算法評價準則等方面的問題。并行性能的度量主要包括：1、運行時間并行算法的運行時間是指算法在并行計算機上求解一個問題所需的時間，即從算法開始執(zhí)行到執(zhí)行結(jié)束的這一段時間。如果多個

12、處理機不能同時開始或同時結(jié)束時，則算法的運行時間定義為：從最早開始執(zhí)行的處理機開始執(zhí)行時算起直到最后一臺處理機執(zhí)行完成所經(jīng)過的時間。 3、加速比和速率加速比和效率是傳統(tǒng)的并行算法評價標準，它們體現(xiàn)了并行算法求解實際問題所能獲得的好處。4、可擴展性可擴展性是設(shè)計高性能并行計算機和并行算法所追求的另一個重要目標。并行系統(tǒng)的性能與系統(tǒng)規(guī)模、問題規(guī)模、算法內(nèi)在并行性，以及通信、同步和進程創(chuàng)建所引起的系統(tǒng)開銷等因素有關(guān)，而這些因素對并行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用程序的可擴展性都有影響，因此可擴展性也是衡量并行系統(tǒng)性能的一個重要度量指標。衡量系統(tǒng)可擴展性的方法有很多，一般采用等效率度量方法。所謂等效率是指系統(tǒng)規(guī)模增

13、加時，測量增加多少運算量會保持效率不變。 2.2 短路計算電網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生短路時，很大的短路電流會使電器設(shè)備過熱或受電動力作用而遭到損壞，同時使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的電壓大大降低，因而破壞了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)用電設(shè)備的正常工作·為了消除或減輕短路的后果，就需要計算短路電流，以正確地選擇電器設(shè)備、設(shè)計繼電保護和選用限制短路電流的元件。計算條件：1.假設(shè)系統(tǒng)有無限大的容量.用戶處短路后,系統(tǒng)母線電壓能維持不變.即計算阻抗比系統(tǒng)阻抗要大得多. 具體規(guī)定: 對于335KV級電網(wǎng)中短路電流的計算,可以認為110KV及以上的系統(tǒng)的容量為無限大.只要計算35KV及以下網(wǎng)絡(luò)元件的阻抗.2.在計算高壓電器中的短路電流時,只需考慮發(fā)

14、電機、變壓器、電抗器的電抗,而忽略其電阻;對于架空線和電纜,只有當其電阻大于電抗1/3時才需計入電阻,一般也只計電抗而忽略電阻.3. 短路電流計算公式或計算圖表,都以三相短路為計算條件.因為單相短路或二相短路時的短路電流都小于三相短路電流.能夠分斷三相短路電流的電器,一定能夠分斷單相短路電流或二相短路電流. 三.簡化計算法 即使設(shè)定了一些假設(shè)條件,要正確計算短路電流還是十分困難,對于一般用戶也沒有必要.一些設(shè)計手冊提供了簡化計算的圖表.省去了計算的麻煩.用起來比較方便.但要是手邊一時沒有設(shè)計手冊怎么辦?下面介紹一種 “口訣式”的計算方法,只要記牢7句口訣,就可掌握短路電流計算方法.在介紹簡化計

15、算法之前必須先了解一些基本概念.1.主要參數(shù) Sd三相短路容量 (MVA)簡稱短路容量校核開關(guān)分斷容量 Id三相短路電流周期分量有效值(KA)簡稱短路電流校核開關(guān)分斷電流 和熱穩(wěn)定 IC三相短路第一周期全電流有效值(KA) 簡稱沖擊電流有效值校核動穩(wěn)定 ic三相短路第一周期全電流峰值(KA) 簡稱沖擊電流峰值校核動穩(wěn)定 x電抗() 其中系統(tǒng)短路容量Sd和計算點電抗x 是關(guān)鍵.2.標么值 計算時選定一個基準容量(Sjz)和基準電壓(Ujz).將短路計算中各個參數(shù)都轉(zhuǎn)化為和該參數(shù)的基準量的比值(相對于基準量的比值),稱為標么值(這是短路電流計算最特別的地方,目的是要簡化計算).(1)基準 基準容量

16、 Sjz =100 MVA 基準電壓 UJZ規(guī)定為8級. 230, 115, 37, 10.5, 6.3, 3.15 ,0.4, 0.23 KV 有了以上兩項,各級電壓的基準電流即可計算出,例: UJZ (KV)3710.56.30.4 因為 S=1.73*U*I 所以 IJZ (KA)1.565.59.16144(2)標么值計算 容量標么值 S* =S/SJZ.例如:當10KV母線上短路容量為200 MVA時,其標么值容量 S* = 200/100=2. 電壓標么值 U*= U/UJZ ; 電流標么值 I* =I/IJZ 3無限大容量系統(tǒng)三相短路電流計算公式 短路電流標么值: I*d = 1

17、/x* (總電抗標么值的倒數(shù)). 短路電流有效值: Id= IJZ* I*d=IJZ/ x*(KA) 沖擊電流有效值: IC = Id *1+2 (KC-1)2 (KA)其中KC沖擊系數(shù),取1.8 所以 IC =1.52Id 沖擊電流峰值: ic =1.41* Id*KC=2.55 Id (KA) 當1000KVA及以下變壓器二次側(cè)短路時,沖擊系數(shù)KC ,取1.3 這時:沖擊電流有效值IC =1.09*Id(KA) 沖擊電流峰值: ic =1.84 Id(KA) 掌握了以上知識,就能進行短路電流計算了.公式不多,又簡單.但問題在于短路點的總電抗如何得到?例如:區(qū)域變電所變壓器的電抗、輸電線路的

18、電抗、企業(yè)變電所變壓器的電抗,等等. 一種方法是查有關(guān)設(shè)計手冊,從中可以找到常用變壓器、輸電線路及電抗器的電抗標么值.求得總電抗后,再用以上公式計算短路電流; 設(shè)計手冊中還有一些圖表,可以直接查出短路電流. 下面介紹一種 “口訣式”的計算方法,只要記牢7句口訣,就可掌握短路電流計算方法.4簡化算法【1】系統(tǒng)電抗的計算 系統(tǒng)電抗，百兆為一。容量增減，電抗反比。100除系統(tǒng)容量 例：基準容量 100MVA。當系統(tǒng)容量為100MVA時，系統(tǒng)的電抗為XS*=100/100=1 當系統(tǒng)容量為200MVA時，系統(tǒng)的電抗為XS*=100/200=0.5 當系統(tǒng)容量為無窮大時，系統(tǒng)的電抗為XS*=100/=0

19、 系統(tǒng)容量單位：MVA 系統(tǒng)容量應(yīng)由當?shù)毓╇姴块T提供。當不能得到時，可將供電電源出線開關(guān)的開斷容量 作為系統(tǒng)容量。如已知供電部門出線開關(guān)為W-VAC 12KV 2000A 額定分斷電流為40KA。則可認為系統(tǒng)容量S=1.73*40*10000V=692MVA, 系統(tǒng)的電抗為XS*=100/692=0.144?！?】變壓器電抗的計算 110KV, 10.5除變壓器容量；35KV, 7除變壓器容量；10KV6KV,4.5除變壓器容量。 例：一臺35KV 3200KVA變壓器的電抗X*=7/3.2=2.1875 一臺10KV 1600KVA變壓器的電抗X*=4.5/1.6=2.813 變壓器容量單位

20、：MVA 這里的系數(shù)10.5，7，4.5 實際上就是變壓器短路電抗的%數(shù)。不同電壓等級有不同的值?！?】電抗器電抗的計算 電抗器的額定電抗除額定容量再打九折。 例：有一電抗器 U=6KV I=0.3KA 額定電抗 X=4% 。 額定容量 S=1.73*6*0.3=3.12 MVA. 電抗器電抗X*=4/3.12*0.9=1.15 電抗器容量單位：MVA ?！?】架空線路及電纜電抗的計算 架空線：6KV，等于公里數(shù)；10KV，取1/3；35KV，取 3%0 電纜：按架空線再乘0.2。 例：10KV 6KM架空線。架空線路電抗X*=6/3=2 10KV 0.2KM電纜。電纜電抗X*=0.2/3*0

21、.2=0.013。 這里作了簡化，實際上架空線路及電纜的電抗和其截面有關(guān)，截面越大電抗越小?！?】短路容量的計算 電抗加定，去除100。 例：已知短路點前各元件電抗標么值之和為 X*=2, 則短路點的短路容量 Sd=100/2=50 MVA。 短路容量單位：MVA ?！?】短路電流的計算 6KV，9.2除電抗；10KV，5.5除電抗; 35KV，1.6除電抗; 110KV，0.5除電抗。 0.4KV，150除電抗 例：已知一短路點前各元件電抗標么值之和為 X*=2, 短路點電壓等級為6KV, 則短路點的短路電流 Id=9.2/2=4.6KA。 短路電流單位：KA ?！?】短路沖擊電流的計算 1

22、000KVA及以下變壓器二次側(cè)短路時：沖擊電流有效值Ic=Id, 沖擊電流峰值ic=1.8Id 1000KVA以上變壓器二次側(cè)短路時：沖擊電流有效值Ic=1.5Id, 沖擊電流峰值ic=2.5Id 例：已知短路點1600KVA變壓器二次側(cè)的短路電流 Id=4.6KA， 則該點沖擊電流有效值Ic=1.5Id,=1.5*4.6=7.36KA,沖擊電流峰值ic=2.5Id=2.5*406=11.5KA。 可見短路電流計算的關(guān)鍵是算出短路點前的總電抗標么值.但一定要包括系統(tǒng)電抗。2.3 并行計算在短路計算中的應(yīng)用短路電流計算中要用到節(jié)點阻抗矩陣，它是一個高維數(shù)的滿矩陣，適當?shù)剡x擇切割支路，也可以將原來

23、規(guī)模較大的電網(wǎng)分解成幾個規(guī)模較小的網(wǎng)絡(luò)。移去切割支路以后的電網(wǎng)其節(jié)點阻抗矩陣對每個子網(wǎng)絡(luò)是相互獨立的，而切割支路上的電流用等效電流源代替，可用支路切割法進行分塊并行計算。1 文獻：多核并行計算技術(shù)在電力系統(tǒng)短路計算中的應(yīng)用 熊瑋，夏文龍，余曉鴻，林湘寧文獻提出一種共享存儲模式下的對稱多核并行計算方法 將矩陣的LDU分解過程和由LD元素求解阻抗矩陣過程調(diào)整為并行計算將多核并行算法與串行算法的計算時間和加速比進行了比較2 文獻：一種可用于大型電力系統(tǒng)數(shù)字仿真的復(fù)雜故障并行計算方法李亞樓，周孝信，吳中習算法中采用了故障處理局部化，構(gòu)造降維網(wǎng)絡(luò)方程和線性方程組并行處理等多種技術(shù)，有效地減少了并行計算量

24、和通訊量把故障處理歸結(jié)為線性方程組的并行計算使用原始網(wǎng)絡(luò)的三角分解結(jié)果，考慮故障對網(wǎng)絡(luò)的修正，構(gòu)造降維網(wǎng)絡(luò)方程用于并行計算對三角分解和前代回代求解降維網(wǎng)絡(luò)方程應(yīng)用了并行計算三 如和改變變壓器變比使中樞點電壓控制在給定值改變變壓器的變比可以改變次級繞組的電壓。這是系統(tǒng)中采用最多、最普遍的一種調(diào)壓手段。變壓器調(diào)壓分為無勵磁調(diào)壓和有載調(diào)壓兩種。3.1無勵磁（無載）調(diào)壓無勵磁調(diào)壓即不帶負荷調(diào)壓，為了改變變壓器的電壓比來調(diào)壓，變壓器必須使一次繞組具有幾種分接抽頭，以便改變該繞組的匝數(shù)，從而改變變壓器的電壓比。連續(xù)及切換分接頭的裝置，通常稱為分接開關(guān)。如果換分接頭必須將變壓器從網(wǎng)路中切除，即不帶電切換，稱

25、為無勵磁（過去稱無勵磁）調(diào)壓，這種分接開關(guān)稱為無勵磁分接開關(guān)。無勵磁調(diào)壓的優(yōu)點是：開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單易制，變壓器結(jié)構(gòu)較有載調(diào)壓簡單，但它的調(diào)壓范圍較小，一般在10%，而且調(diào)壓必須停電，且停電時間較長（數(shù)分鐘或數(shù)十分鐘），既影響生產(chǎn)，又沒有隨時可調(diào)性，這是它的主要缺點，故許多城市電網(wǎng)對110kV 及以上變壓器都已逐步采用有載調(diào)壓變壓器。一臺無勵磁調(diào)壓變壓器，如需調(diào)壓，首先必須選擇系統(tǒng)允許停電的時機，若這臺變壓器供給多個用戶的電力，則此時機難于得到，因此大部分無勵磁調(diào)壓變壓器投入運行之后，直到故障退出運行，都沒有調(diào)過壓。此外，無勵磁開關(guān)的結(jié)構(gòu)簡單，對大型產(chǎn)品，調(diào)壓后還需測量繞組電阻，以判斷開關(guān)接觸是否良

26、好，致使調(diào)壓和停電過程長，這也是運行管理部門不愿調(diào)壓的一個原因。因此系統(tǒng)中運行的無勵磁調(diào)壓變壓器，除非不得己時，一般都不調(diào)換分接改變電壓比。這樣絕大多數(shù)無勵磁調(diào)壓變壓器，在系統(tǒng)上根本不能發(fā)揮調(diào)壓作用，這也是電力系統(tǒng)的電壓質(zhì)量、無功和有功潮流分配均不易滿足運行要求的主要原因之一。 3.2有載調(diào)壓如果切換分接頭不須將變壓器從網(wǎng)路中切除，即可帶負載切換，稱為有載調(diào)壓，這種分接開關(guān)稱為有載分接開關(guān)。有載調(diào)壓的優(yōu)點是：有載調(diào)壓變壓器可以在帶負荷運行的條件下切換其分接頭，而且調(diào)壓范圍也較普通變壓器大，調(diào)壓級數(shù)多。能帶負載調(diào)壓，調(diào)壓速度快，每調(diào)換一級電壓約3-6s；開關(guān)可手動、電動操作，也能遠方電動操作，便于實現(xiàn)自動化管理；調(diào)壓范圍可達額定電壓的20%30%。所以在110kV 及以上變壓器得到廣泛應(yīng)用。但有載調(diào)壓的開關(guān)和變壓器結(jié)構(gòu)比無