火力发电厂实用短路电流计算软件的开发.pdf

研 究 与 开 发 火 力发 电厂实用短路 电流计算软件 的开发 董彬政 郭国梁 白云霄 华北电力大学电气与电子工程学院，北京 1 0 2 2 0 6 摘要对火力发 电厂进行建模 ，得出短路电流计算的计算机算法；利用 c 群 编程开发出一个界 面友好，具有数据导入和导出模块，能够对各种常见结构的火力发 电厂的各个短路故障点发生短 路后的短路电流进行计算的软件。经与专业短路计算软件作数据 比较，短路电流周期分量、非周 期分量、热效应计算结果均实现了较好的匹配，计算误差基本在 5 ％以内。同时，本软件具有操作 简便，执行效率高，应用性强的特点，可应用于常见接线形式火力发电厂设计中。 关键词短路电流计算；火力发 电厂；V i s u a l C } } ；软件开发 So f t wa r e De s i g n f o r S h o r t - c i r c u i t Cu r r e n t Ca l c u l a t i o n o f t h e Fo s s i l - f u e l Pl a nt s Don g Bi n z h e n g Gu o Gu o l i a n g Ba i Y un xi a o S c h o o l o f E l e c t r i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ， N o r t h C h i n a E l e c t r i c P o we r U n i v e r s i t y ， B e ij i n g 1 0 2 2 0 6 Ab s t r a c t Thi s p a p e r s t ud i e s mo d e l i n g o f Fo s s i l f ue l pl a n t ，t h e n g i ve s a n a l g o r i t h m S ho rt- c i r c u i t c u r r e n t c a l c u l a t e d b y c o mpu t e r ；us i n g Vi s u a l S t u d i o C ≠ }p r o g r a mmi n g l a n g u a g e t o d e v e l o p a f r i e n d l y i n t e r f a c e d s o ftwa r e wi t h da t a i mp o rt a nd e x po r t mod ul e s ，whi c h c a n mo d e l s e v e r a l k i n d s of Fo s s i l f u e l p l a n t s t o m a d e a c a l c u l a t i o n f o r t he S h o rt- c i r c ui t c u r r e n t a t e a c h n o d e ．Co mpa r e d wi t h t h e p r o f e s s i o na l s h o rt c i r c ui t c a l c u l a t i o n s o ftwa r e ， s ho r t - c i r c u i t c u r r e n t o f p e r i od i c c o mp o n e n t s ， n o n pe r i o d i c c o mp o ne n t s ， t h e r ma l e f f e c t s v a l u e a r e g r e a t l y ma t c h e d． The c a l c u l a t e d e r r o r s a r e a l mo s t wi t hi n 5 ％ ．M e a n wh i l e t he s o ftwa r e i s s i mp l e ， e f f i c i e n t l y i mpl e m e n t e d a n d ha s a wi d e r a n g e o f a d a p t a b i l i t y wh i c h c a n b e u s e d i n t h e c o n s t r uc t i o n o f Fo s s i l f u e l p l a n t s ． Ke y wo r ds Sh o rt- c i r c u i t c u r r e n t F os s i l f u e l p l a n t Vi s u a l C S oftwa r e d e s i g n 在 电力 系统 和 电气 设备 的设计 和运 行 中，短路 计算 是 解 决 一 系 列 技 术 问题 所 不 可 缺 少 的基 本 计 算；随着现代 电力系统网络规模的不断扩大和 电网 电压 等级 的不 断升 高 ， 电力系 统规 划 、运行和 控 制 的复杂 性 日益 增加 i 1 】 。在现 实情 况下 ，实 际条 件 和 系统 的安 全不 允许进 行大 型的 电力科研 试验 。 因此 ， 电力系 统动态 仿真 已成 为 电力系 统研 究 、规划 、运 行 、设计 等各 个方 面不 可缺 少 的工具 ，特 别是 电力 系统 新技 术 的开发 研究 、新 装置 设计 、参数 确 定更 是 需要仿 真来进 行确 认 q J 。 计 算仿 真分析 软件在 电 力系 统 的生产和 研究 中有 了越来 越广泛 的应用 。 1 短路 电流 算法 原理 1 ． 1 短路 电流周 期分 量计 算 1 电源点在额定容量下对短路点的计算 电抗 I 2 4 l 电鼍技l it 2 0 1 2 年第9 期 ； 1 式中， 表示电源 点对短路点的等值转移电抗标 幺 值 ； 表示电源点的额定容量 MV A ； 表示基 准容量 Mv A 。 根据各 电源 点到 短路 点的计 算 电抗 。 查汽 轮 发 电机运算 曲线数 字表 ，可得 到短路 电流 周期 分量 的标 幺值 。 2 短路冲击电流计算 ， c h √ 2 x K 。h x I 2 式中， h 表示冲击系数 一般取 1 ． 8 5 - 1 ． 9 ， 表 示 短路 电流 t O时刻有名 值 。 3 O s 短 路 电流容 量计算 √ 3 x U x I 3 式 中 ， 表 示节 点 电压 。 4 异步电动机 0时刻反馈电流计算 值 Qk I 。 Kd x r d 4 式 中 ， 表示 电动机 的平均 反馈 电流系 数 ；P d 表示 计及 反馈 的 电动机 的额 定功 率之和 。 r ／ x c o s qo 为电动机的平均效率和功率因数乘 积 ，一般 取 0 ． 8 。 5 任 意 时刻 的电机 反馈 电流计 算 J 一 I i d d iI d i Xe 5 式 中， 表 示 时间 常数 ， fd 口 表示 t O时刻 的 电机 反 馈 电流 1 ． 2 短 路 电流 非周 期分 量计 算 短路电流的非周期分量计算 f w t ] I r 、 J 2 x I x e k T i 6 式 中 ， ， 表示 短路 电流 t 0时刻有 名值 ， 表示 时 间常数 。 1 ． 3 短路 电流 热效应 计算 1 短路 电流周期分量的热效应计算 7 式 中 ，Q 表示 t 时刻 由短 路 电流周 期分量 产 生 的热 效 应 ；， 表 示 t - 0时刻 的短 路瞬 时 电流有 名值 ；， Z 表 示在 ∥ 2时刻 短路 瞬 时 电流 有名 值 ； ／ z 表示 在 t 时 刻 的短路 瞬 时 电流有 名值 。 2 短路 电流的非周期分量的热效应计算 一 2ax Q ．， 1 一 P Xi 8 式 中 ， 表 示 t - o时刻 的短 路瞬 时 电流有名 值 ， 表 示 时间常数 。 将 短路 电流 总周 期 分量 的热 效应 值和 总非周 期 分 量 的热效 应值 求和 即 可得 到短 路 总 电流 的热效应 研 究 与 开 发 2 火 力发 电厂典型接线形式短路计算 2 ． 1 三相 短路 计算 的步骤 1 省 去 电厂 主接线 图中的断 路器 、隔离 开关 、 熔 断器 等 开关器 件和 电流 互感 器 、 电压 互感 器 、熔 断器 等保 护器 件 ，得 出用于短 路计 算 的电路 图。 2 根据 电路 图中所 给定 设定 基准 容量 ，将 器件 铭 牌上 的参 数求 出短 路 电流计 算 的原始 数据 ， 并转 换 为相应 的标 幺值 形式 。 3 依据 原始数 据画 出电厂 的短 路 电流 电抗 图 ， 标 出合适 的短路 点 。 4 分别 求 出各 个短 路点 的 网络 阻抗转 换 图 ， 计 算各 支路 的基准 容量 ，基准 电流 和计算 电抗 。 5 根据求 得 的计算 电抗 查 “ 汽 轮发 电机运 算 曲 线 数 字表 ”，得到 不 同短路 点不 同 时刻 各 个支路 短 路 电流 的周期 分量 ，并 计算 相应 的冲 击 电流值 、短 路容 量和短 路 电流非周 期分 量值 [1 。 6 计算不 同短路点不 同时刻各个支路短路 电流 的周期分量和非周期分量热效应值 ，并求出总的短 路 电流热效 应值 。 2 ． 2 原 始数 据输入 以在建 的典 型坑 口发 电厂为例 。如 图 1所示 ， 这 是 一 一 座 2 x 6 0 0 Mw 机组 以 5 0 0 k V 电压等 级接 入系 统 ，并考虑 留有 2 6 0 0 MW 机 组 的扩 建余 地 。根据 系统 要求 ，在 电厂 线路 侧预 留一 组并联 电抗 器 的位 置 。将 电厂主 接线 中开 关及保 护 设备 去掉 ，得 出短 路计 算 电路 图 。 根据 所得 数据 ，设定 电路 的基 准容 量为 S 1 0 0 M VA 。 电路元 件 的标 幺值 为有 名值 与基准 值 之 比，计 算公 式如 下 瞄 t 射 蝴 图 1 火 力发 电厂短路 电流计 算主 接线 图 2 0 1 2 年 第 9 期 电 气技 了 lt I 2 5 研 究 与开 发 U U J Sj ， 一 I -- Ix 4 x Uj 9 1 0 X 要 U 1 2 j 由式 9 一 1 2 计算各电力元件可得表 1中 各元 件 的电抗值 。 表 1 火力发 电厂各 电力元件在基准容量下的电抗对应表 序 号 设备名 称 短路 阻抗 l 1 、2 、3 、4发 电机 X X X X 9 2 1 、2主变压 器 、X4 、 、 3 ≠ } l 、3高 厂变 o 、 1 4 2 、4高 厂变 XI 2 、 3 5 1 、2降压， 叟 4 6 起 备变 5 7 系统阻 抗 X1 根据 以 E原始数 据得 到短 路 电流 电抗 图如 图 2 所 示 ，根据 图 2所 示的火 力发 电厂短路 电流计 算数 学模 型 图的结构 可 以看 出， 一共 有 6个 短路 设置点 。 分别 用 D1 一D6 表 示在 图 2中。 将火 力发 电厂 网络转 化 为数学 模型 后 ，以任 意 一 点为 短路 点对 网络 利用 多 次的 并联 、串联变 换 以 及 星 一角等值 变换进 行 化简 ，求得 各 电源 点对 短路 点 的转移 阻抗 、计算 电抗 ，然 后根据 各 电源 点到短 路点的计算电抗去查汽轮发电机运算曲线数字表， 求得 短路 电流周 期分量 的标 幺值 。然 后使 用上述 式 1 一 9 ，即可 求得 短路 电流周期 分量 ，短 路 电流 非周 期分量 和热 效应值 。 图 2 火力发电厂短路电流计算等效阻抗图 3火 力发 电厂其 他接 线形式 短路计 算 火力 发 电厂 的接 线形 式并 不是 固定 的 ，为 了增 2 6 J 电 技 7 lt 2 0 1 2 年 第 9 期 加本 软件 的实用 性 ，适 应各 种常 见结构 下 的火力发 电厂 的短 路 电流 计算 ，要求 本软件 可 以对 发 电厂结 构做 出调 整 。经 分析 ，火力 发 电厂 常 见的结 构变化 有 以下几方 面 1 发 电机组 台数 ； 2 母线出线电压等级 ； 3 变 压器绕 组类型 。 以下 分别分析 这 3种结 构 的改变 对短 路计算 结 果 带来 的影 响。 3 ． 1 发 电机 组 台数 在火 力发 电厂 中 ，发 电机 台数 的改变 直接 影响 短 路 电流 的大 小 。根据厂 技规短 路 电流算法 ，短 路 点处短 路 电流 的大 小 即是各个 电源 点经过等 效 阻抗 后至流至短路点的电流之和，再加上与短路点直接 相 连 的动态 负荷 的反馈 电流 。故发 电机 台数 越 多 ， 即 电源 点数越 多 ，则短 路 电流越 大 。对 比图 2所示 的火力发电厂短路 电流计算等效阻抗 图可知，在发 电机 的台数 改变后 ，图 2的短 路 电流计 算等效 阻抗 图的结构也发生了改变 x2 、 、 X 4 、x 5 删去 ，故 需重 新计算 各 电源 点到 短路 点的计算 电抗 。求 得计 算 电抗后 ，即可仍 按照 固定 结构火 力发 电 一 的算法 来求解 各种计 算结 果 。 3 ． 2 母 线 出线 电压等级 由于发 电厂发 电机 容量和 系统 容量 是通常 固定 的 ，根 据功 率和 电压 、 电流 的关系 P U I 可 知 ， 在容 量不变 的条件 下 ，母线 的 电压 等级越 高 ，则短 路点处的短路电流越大。然而短路 电流大小的改变 并不是完全和线路电压等级成反比的，这是因为还 要 考 虑 到动 态 负 荷 给 短 路 点 的 反 馈 电流 带 来 的影 响 。在本设 计 中，对 比对 比 图 2所示 的火力 发 电厂 短 路 电流计 算等 效阻抗 图可 知 ，母 线 电压等级 的改 变 并不会 改变火 力发 电厂 的主接 线 图，故它对 厂 技 规短 路 电流 算法 没有影 响 ，只需要 按照 常见 结构火 力发 电厂 的母线 的电压等级 来修 改界面 即可 。 3 ． 3变压器绕 组类型 火 力 发 电厂 的厂 用 负荷 通 常 是 从发 电机 的 出 口处通过 厂 用高压 变 压器 进行 降压 来 实现 的 。 变压 器 类 型 的 改变 即 是双 绕 组 变 压 器 和 三绕 组变 压 器 之 间切 换 ， 对 比图 2所示 火 力发 电厂 短路 电流 计算 等 效 阻抗 图可知 ， 变 压器 绕 组 的改变 会通 过二 次侧 与其 相连 的 电动机 反 馈 电流 的改变 而 改变 。 而 电动 机 反 馈 电流 是 由 电机 容 量 和 二 次 侧 节 点 电 压 决 定 的 。 4 软 件设 计 4 ． 1 界 面设计 及 流程 图 火力发电厂短路电流计算软件主界面如图 3 所示。 图 3火力发 电厂 短路 电流计 算软 件主 界面 在 主 界面 中，可 以设置 的选 项有 1 发 电厂母 线 出线 电压等 级 5 0 0 k V， 4 0 0 k V， 2 20 k V ， 1 1 0 kV， 6 6 k V ， 35 k V 。 2 群 1 ，3号厂 公变 类型 j绕 组变 压器 ，双绕 组 变压器 。 3 群 2 ，4号厂 公变 类 型三绕 组变 压器 ，取绕 组 变压器 。 4 发 电厂 的机 组 台数 一 台，两 台 ，四 台。 5 对火力 发 电厂 各 电力元件 的参数进行调整 。 在界 面 上手 写输 入或 由数 据 文件 导入 数据 后 即 可进行计算 ，计算结果以窗 口的形式简要地在软件 中直接 展现 ， 也可 以以报告 的形 式导 出至一 个 Wo r d 文 档 中，供 以后调 用 。 火力发 电厂短路 电流计算软件的流程图如图 4 如 示 。 ＼ ／ 厂 __ ■ ■ _ ] 1 ．兰 _兰 兰 I 厂 ] 1 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 。 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ， ． ． ． ． ． ． ． ． ． _ _l - - - - - - - - - - -- - - -- - - - -- - - - -- - - - u - 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 ‘ - - 。 。 。 一 l修改技鬯f 籀}H， J ， L 件参数 l l ， ． ． ． 一． ， ， ， ， ． ． ． ． ， ， ， ． 删 _ l l j 短路f乜 流周J {lj 行髓“辩撇块 l 路哇 三 々 巍 耀蚓分{I } 快琏l I 算 横块I l { l 1 l 短路电流非删ff} {静醚计辫模块l l 如路电流非删潍分肇快速I I 鳙 魁 蹴 【乜 流 热 敢 恿 链 } 锦 块I { 路 电 流 热 散 陂 能 淡 建 强 榄 块 1 盟 成￡ { 嬲 IH 流 汁罅撤 图 4 火力发电厂短路 电流计算软件流程图 研 究 与 开 发 4 ． 2 计 算结果 分析 按 上述 编程 思想 完成 的软 件进 行计 算 ，计算 生 成 的短路电流周期分量、非周期分量、热效应值如 图 5 a 、 b 、 C 所示。计算数据 以4台发 电机 组 、 1 ，3号 厂公变 为三 绕组 变压器 、撑 2 ，4号厂 公 变 类 型 为 双 绕 组 变 压 器 。 母 线 出 线 电压 等 级 为 5 5 0 k V 的为例 计算得 到 。 图 5中 ，带菱形 标识 的 曲线 表示 由已知的短 路 电流计 算软 件 计算 出 的短路 电流 曲线 ，而带 方块 标 识 的曲线表示 由自己编制的软件，计算 出的短路 电 流 曲线 。每个短路点的计算值分别表示在 t O ． 2 s ， 1 ． O s ，2 ． O s ，4 ． O s时的周期 、非周 期短路 电流 值和 热 效 应值 。 妞路一 I i 蹄4 2 撕路点0 娥瞄r_1 蛳路 娥珏 “ 铆蹋 期艇路点2 矧路点； 路点4雉路点 埘路点“ c 图 5 发 电厂短路电流热效应计算结果比较 由以上计算结果可以得出以下结论 2 o 1 2 年 第 9 期电 技 攥I 2 7 研 究 与开 发 1 短路电流周期分量随时问变化衰减至固定值。 2 短路电流非周期分量随时间的变化衰减为 0 。 3 热效应值随时问的变化而呈加速上升 的趋势。 由上 图可 以看 出短路 电流 周期分 量 、非周 期分 量 、热效 应计算 结 果均有 较好 的匹配 ，两 条 曲线 几 乎处于重合状态，自编的软件和 已知软件计算出的 结 果相差无 几 。 由图 6可 以看 出，计算误 差基本 控 制 在 5 ％以 内， 最大误 差不超 过 1 0 ％，设计 的软件具 有 较高 的精确度 。 图 6 火力发电厂短路 电流计算结果误差曲线 5 结论 考虑 到火力发 电厂 的各 种常见结 构， 建立 用于火 力 发 电厂 短 路 电流 计 算 的 数 学 模 型 。使 用 V i s u a l S t u d i o 2 0 0 5开发环境开 发出火力发 电厂短路 电流计 算软件 。 该软件 的主界面 即为一个可变 结构的火力发 电厂模型， 通过于写或通过数据文件来导入发电厂各 元件参数 ， 计 算结果 以窗 口的形式简要地在 软件 中展 现 ， 或者 以报告的形式 导出至一个数据文 档 中， 供 日 后查看使 用。 经 过与 专业 的短路 电流计 算软件作数据 比较 ，短路 电流 的周期分量 、非周 期分量 、热效应计 算 结果均 实现 了较 好 的匹配 ，计算 误差 基本控 制在 5 ％以 内，最大误差 不超过 1 0 ％。同时，本软件具有 操作简便 ，执行 效率高 ，应用性 强的特点 ，可应用 于 2 8 l 电暮 置 i 技7 l t 2 0 1 2 年 第 9 期 常用接 线形 式火力发 电厂 设计与运行 中。 参考 文献 [ 1 1 周磊 ． 1 0 0 0 MW 火力 发 电厂 厂用 电优化 设计 【 D ] ． 吉 林 大学硕 士学位 论文， 2 0 0 9 ． 5 ． [ 2 ] 李光琦． 电力系统暂态分析[ M] ．3版． 北京 中国电力出版 社， 2 0 0 8 ． [ 3 ] 熊信银 ， 朱永 利．发 电厂 电气部分 [ M] ． 3版 ． 北 京 中国 电力 出版社 2 0 0 8 ． [ 4 ] G L OV E R J D． P o we r s y s t e m a n a l y s i s a n d d e s i g n [ M] ． 北京 机 械工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 5 】 吴 俊， 李晓 明．柔 性 图形 界面 发 电， 短路 电流计算 系 统研究『 J ] ． 高电压技术， 2 0 0 5 7 ． [ 6 】 曾伟东， 王炼．考虑负荷 电流 的发 电厂‘ 图形化短路及 整定计算系统[ J ] -电力信息化， 2 0 0 8 1 0 ． 【 7 ] 水利电力部西北电力设计院．电力工程 电气设计手 册 电气 ～次部分 [ M】 ． 北 京 ． r 卜围电力 版 社， 2 0 0 9 ． [ 8 ] 陈珩．电力系 统稳态 分析【 M] ．3 版． 北京 巾国 电力 出版社 ， 2 0 0 9 ． 【 9 ] 张保会， 尹项根．电力系统继电保护[ M] ．北京 中国 电力 出版 社， 2 0 0 6 ． [ 1 0 ] DL T 5 1 5 3 2 0 0 2火 力发 电厂 厂用 电设计技 术规 定[ S ] ． [ 1 1 ]中国航空工业规划设计研究院．工业与民用配电设 计手册 【 M] ． 3版 ． 北京 中国 电力 出版社 ， 2 0 0 5 ． 作者简介 董彬政 1 9 8 8 ． ，男，河北张家 口人，硕士研 究生，主要研 究方 向 为电力系统分析 、运行与控制 。 郭国梁 1 9 8 7 ． ，男，江西吉安人，硕士研究生，主要研 究方 向为 电力系统分析 、运行与控制。 白云霄 1 9 8 8 ． ，男，吉林洮南人 ，硕士研究生，主要研 究方向为 电力系统分析、运行与控制。