本发明属于煤矿高压电网短路计算技术领域，尤其涉及一种t型结构矿井高压电网自动短路计算方法。
背景技术：
35kv以上的电力网中存在多个电源，属于复杂闭式电网，短路计算较为复杂，而矿井高压供电系统为6kv或10kv等级，两个电源应采用分列运行方式，或者是一路使用一路备用，属于单电源开式电网，其短路计算可采用比较简单的绝对值法或相对值法。一般情况下，在矿井高压电网中，相邻的出线开关都是从进线开关后的母线引出，但采用这种接线方式会导致煤矿井下供电级数较多，当发生短路故障时容易导致越级跳闸现象，为了能够降低煤矿高压供电系统的供电级数，在某些煤矿中采用了t型结构的高压供电系统，以便能够有效限制煤矿高压供电系统的供电级数。已有的矿井高压电网自动短路计算方法都是针对一般情况下的供电系统完成自动短路计算，针对t型结构矿井高压电网的自动短路计算方法还未见报道。
本发明提出的一种t型结构矿井高压电网自动短路计算方法，能够依据t型结构矿井高压电网的供电系统特点，构造t型结构矿井高压供电系统的网络拓扑模型，能够很方便地完成t型结构矿井高压供电系统供电网络的拓扑辨识，并以此为基础实现自动短路计算功能，具有方法简单、效率高等特点。
技术实现要素：
本发明之目的在于提供一种t型结构矿井高压电网自动短路计算方法，以解决上述背景技术中提出的煤矿高压供电系统的供电级数多，发生短路故障时导致越级跳闸的问题。
针对矿井高压供电系统，依据每条支路节点直接控制的供电线路建立支路节点-供电线路邻接表t；通过该邻接表，可以依据相应的支路节点编号查询到其直接控制的供电线路基本参数，包括供电线路长度、供电线路型号、单位电阻和单位电抗信息；依据每条干路节点直接控制的供电线路建立干路节点-供电线路邻接表tt；通过该邻接表，可以依据相应的干路节点编号查询到其直接控制的供电线路基本参数，包括供电线路长度、供电线路型号、单位电阻和单位电控信息；并设置矿井高压供电系统最大运行方式下的系统电抗和最小运行方式下的系统电抗；设置矿井高压供电系统的电源支路节点，电源支路节点是指由上级供电部门直接供电的支路节点。
针对矿井高压供电系统，以进线开关连接的母线作为进线节点、以高压出线开关连接的支路作为支路节点，以干路高压开关连接的干路作为干路节点，如果进线节点有m个，支路节点有n个，干路节点有k个，
步骤11：依据矿井高压供电系统图中电气设备之间的连接关系生成干路节点与干路节点的关联矩阵a，干路节点与支路节点的关联矩阵b，进线节点与干路节点的关联矩阵d，支路节点与进线节点的关联矩阵e；
步骤12：依据关联矩阵a和关联矩阵b计算干路节点与支路节点最终供电关联矩阵u，关联矩阵u为k行n列，在关联矩阵u中可以描述某干路节点是由哪些支路节点供电的；同时，完成矩阵运算；
步骤13：依据单向图的连通性，计算支路节点与支路节点供电关联矩阵nh和支路节点与干路节点最终供电关联矩阵g；同时，完成矩阵运算；
步骤14：当支路节点直接控制的线路发生短路故障时，依据支路节点与支路节点供电关联矩阵nh和支路节点与干路节点最终供电关联矩阵g完成矿井高压供电系统自动短路计算。
其中，优选地，在步骤11中，关联矩阵a为k行k列，关联矩阵a以干路节点顺序号为行号，以干路节点顺序号为列号；关联矩阵b为k行n列，关联矩阵b以干路节点顺序号为行号，以支路节点顺序号为列号；关联矩阵d为m行k列，关联矩阵d以进线节点顺序号为行号，以干路节点顺序号为列号；关联矩阵e为n行m列，关联矩阵e以支路节点顺序号为行号，以进线节点顺序号为列号，具体步骤如下：
步骤21：在生成关联矩阵a的过程中，关联矩阵a中第i行第j列的元素用aij表示，在i≠j的情况下，如果第i行对应的干路节点由第j列对应的干路节点直接供电，且第i行对应的干路节点上高压开关状态为合闸，第j列对应的干路节点上高压开关状态为合闸，则aij＝1，否则aij＝0；在i＝j的情况下，如果第i行对应的干路节点上高压开关状态为合闸，则aij＝1，否则aij＝0；
步骤22：在生成关联矩阵b的过程中，关联矩阵b中第i行第j列的元素用bij表示，如果第i行对应的干路节点由第j列对应的支路节点直接供电，且第i行对应的干路节点上高压开关状态为合闸，第j列对应的支路节点上高压开关状态为合闸，则bij＝1，否则bij＝0；
步骤23：在生成关联矩阵d的过程中，关联矩阵d中第i行第j列的元素用dij表示，如果第i行对应的进线节点由第j列对应的干路节点直接供电，且第i行对应的支路节点上高压开关状态为合闸，第j列对应的干路节点上高压开关状态为合闸，则dij＝1，否则dij＝0；
步骤24：在生成关联矩阵e的过程中，关联矩阵e中第i行第j列的元素用eij表示，如果第i行对应的支路节点由第j列对应的进线节点直接供电，且第i行对应的支路节点上高压开关状态为合闸，第j列对应的干路节点上高压开关状态为合闸，则eij＝1，否则eij＝0。
其中，优选地，在步骤12中的在完成矩阵运算时，将矩阵元素与矩阵元素乘法运算定义为二进制与运算，将矩阵元素与矩阵元素的加法运算定义为二进制或运算，具体计算步骤如下：
步骤31：依据支路节点上高压开关的分合闸状态，生成支路节点上高压开关的开关状态矢量s，开关状态矢量s包含n个元素；在开关状态矢量s中，开关状态合闸，对应元素值为1，反之，则为0；
步骤32：依据干路节点上高压开关的分合闸状态，生成干路节点上高压开关的开关状态矢量q，开关状态矢量q包含k个元素，在开关状态矢量q中，开关状态合闸，对应元素值为1；反之，则为0；
步骤33：依据单向图的连通性，将关联矩阵a和关联矩阵b做乘法运算，得到原始的第1级干路节点与支路节点供电关联矩阵l，l＝a*b；
步骤34：依据关联矩阵a和关联矩阵l，得到关联矩阵c，c＝a*l；
步骤35：在关联矩阵c和关联矩阵l不相同，则将关联矩阵c的数值赋予l，重复执行步骤34，如果关联矩阵c和关联矩阵l相同，执行步骤36；
步骤36：将开关状态矢量s中的每个元素和关联矩阵c中每行的n个元素进行与运算后得到关联矩阵v，将开关状态矢量q中的每个元素和关联矩阵v中每列的k个元素进行与运算后得到关联矩阵u。
其中，优选地，所述步骤13中的矩阵运算，将矩阵元素与矩阵元素乘法运算定义为二进制与运算，将矩阵元素与矩阵元素的加法运算定义为二进制或运算，具体计算步骤如下：
步骤41：依据进线节点上高压开关的分合闸状态，生成进线节点上高压开关的开关状态矢量w，开关状态矢量w包含m个元素，在开关状态矢量w中，开关状态合闸，对应元素值为1；反之，则为0；
步骤42：将开关状态矢量w中的每个元素和关联矩阵d中每列的m个元素进行与运算后得到关联矩阵nd，将开关状态矢量w中的每个运算和关联矩阵e中每行的m个元素进行与运算后得到关联矩阵ne；
步骤43：依据关联矩阵ne和关联矩阵nd得到关联矩阵f，f＝ne*nd；fij表示关联矩阵f中第i行第j列的元素；如果fij＝1，表示支路节点i由干路节点j供电，如果fij＝0，表示支路节点i不由干路节点j供电；
步骤44：依据关联矩阵f和关联矩阵a计算支路节点与干路节点最终供电关联矩阵g，g＝f*a；
步骤45：如果关联矩阵g和关联矩阵f不相同，则将关联矩阵g的数值赋予f，重复执行步骤44，如果关联矩阵g和关联矩阵f相同，则继续执行步骤46；
步骤46：依据关联矩阵g和关联矩阵u计算矩阵支路节点与支路节点供电关联矩阵h，h＝g*u；hij表示矩阵h中第i行第j列的元素；
步骤47：支路节点i和支路节点i之间的供电系统未能得到正确反映，因此需要对关联矩阵h进行修正，得到修正后的关联矩阵nh，nhij表示关联矩阵nh中第i行第j列的元素；如果i≠j，则nhij＝hij，如果i＝j，且支路节点i上高压开关状态为合闸，则nhij＝1，否则nhij＝0。
其中，优选地，所述步骤14中的依据支路节点与支路节点供电关联矩阵nh和支路节点与干路节点最终供电关联矩阵g完成矿井高压供电系统自动短路计算，具体步骤如下：
步骤51：当某支路节点上高压开关直接控制的线路i对应的线路末端发生短路时，因线路i由支路节点i控制，支路节点i在支路节点与支路节点供电关联矩阵nh中对应的行号为i，因此首先依据支路节点i在支路节点与支路节点供电关联矩阵nh中找到相应的行，然后找到第i行中数值为1的所有元素对应的列号，再依据获得的列号找到对应的支路节点集合p，集合p是所有给线路i供电的支路节点集合，如果集合p中不存在电源支路节点，则说明线路i没有电源供电，不进行短路计算；如果集合p中存在电源支路节点，则说明线路i有电源供电，则执行步骤52；
步骤52：支路节点i在支路节点与干路节点最终供电关联矩阵g中对应的行号为i，因此首先依据支路节点i在支路节点与干路节点最终供电关联矩阵g中找到相应的行，然后找到第i行中数值为1的所有元素对应的列号，再依据获得的列号找到对应的干路节点集合tp，集合tp是所有给线路i供电的干路节点集合；
步骤53：针对集合p和集合tp中每个支路节点和干路节点的编号分别查询支路节点-供电线路邻接表t和干路节点-供电线路邻接表tt，获取集合p和集合tp中所有支路节点和干路节点对应的供电线路信息，依据获取的每条供电线路长度、单位电阻和单位电抗计算出每条线路的电阻和电抗，执行步骤54和步骤55；
步骤54：根据每条线路的电阻、电抗和预先设置的最大运行方式下的系统电抗计算获得最大运行方式下的系统总电阻rmax和总电抗xmax，然后依据高压供电系统短路点所在线路的平均电压us和总电阻、总电抗计算最大运行方式下的三相短路电流
步骤55：根据每条线路的电阻、电抗和预先设置的最小运行方式下的系统电抗计算获得最小运行方式下的系统总电阻rmin和总电抗xmin，然后依据高压供电系统短路点所在线路的平均电路us和总电阻、总电抗计算最小运行方式下的二相短路电流
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
采用t型结构的高压供电系统，在发生短路故障时，容易导致越级跳闸现象，以便能够有效限制煤矿高压供电系统的供电级数，避免矿井高压电网由于越级跳闸而导致大面积停电事故的发生。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的矿井高压供电系统图。
图中：图1中填充部分表示高压开关为分闸状态，未填充部分表示高压开关为合闸状态，电源支路节点为(1)、(2)、(3)、(4)、(5)和(6)。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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做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。
如图1所示，本实施例提供一种t型结构矿井高压电网自动短路计算方法，针对附图1的矿井高压供电系统，生成关联矩阵a，关联矩阵b，关联矩阵d和关联矩阵e；具体步骤如下：
步骤21：在生成关联矩阵a的过程中，关联矩阵a中第i行第j列的元素用aij表示，在i≠j的情况下，如果第i行对应的干路节点由第j列对应的干路节点直接供电，且第i行对应的干路节点上高压开关状态为合闸，第j列对应的干路节点上高压开关状态为合闸，则aij＝1，否则aij＝0，在i＝j的情况下，如果第i行对应的干路节点上高压开关状态为合闸，则aij＝1，否则aij＝0；由此可得：
步骤22：在生成关联矩阵b的过程中，关联矩阵b中第i行第j列的元素用bij表示，如果第i行对应的干路节点由第j列对应的支路节点直接供电，且第i行对应的干路节点上高压开关状态为合闸，第j列对应的支路节点上高压开关状态为合闸，则bij＝1，否则bij＝0，由此可得：
步骤23：在生成关联矩阵d的过程中，关联矩阵d中第i行第j列的元素用dij表示，如果第i行对应的进线节点由第j列对应的干路节点直接供电，且第i行对应的进线节点上高压开关状态为合闸，第j列对应的干路节点上高压开关状态为合闸，则dij＝1；否则dij＝0；由此可得：
步骤24：在生成关联矩阵e的过程中，关联矩阵e中第i行第j列的元素用eij表示，如果第i行对应的支路节点由第j列对应的进线节点直接供电，且第i行对应的支路节点上高压开关状态为合闸，第j列对应的进线节点上高压开关状态为合闸，则eij＝1；否则eij＝0；由此可得：
针对附图1的矿井高压供电系统，依据关联矩阵a和关联矩阵b计算干路节点与支路节点最终供电关联矩阵u，具体计算步骤如下：
步骤31：依据支路节点上高压开关的分合闸状态，生成支路节点上高压开关的开关状态矢量s，开关状态矢量s包含n个元素，在开关状态矢量s中，开关状态合闸，对应元素值为1；反正，则为0；
s＝[1111111111111111111111]；
步骤32：依据干路节点上高压开关的分合闸状态，生成干路节点上高压开关的开关状态矢量q，开关状态矢量q包含k个元素；在开关状态矢量q中，开关状态合闸，对应元素值为1；反之，则为0；
q＝|111111|；
步骤33：依据单向图的连通性，将关联矩阵a和关联矩阵b做乘法运算，得到原始的第1级干路节点与支路节点供电关联矩阵l，l＝a*b；
步骤34：依据关联矩阵a和关联矩阵l得到关联矩阵c，c＝a*l；
步骤35：如果关联矩阵c和关联矩阵l不相同，则将关联矩阵c的数值赋予关联矩阵l，重复执行步骤34；如果关联矩阵c和关联矩阵l相同，执行步骤36；
步骤36：将开关状态矢量s中的每个元素和矩阵c中每行的n个元素进行与运算后得到矩阵v，将开关状态矢量q中的每个元素和矩阵v中每列的k个元素进行与运算后得到矩阵u；
针对附图1的矿井高压供电系统，依据单向图的连通性，计算支路节点与支路节点供电关联矩阵nh和支路节点与干路节点最终供电关联矩阵g，具体计算步骤如下：
步骤41：依据进线节点上高压开关的分合闸状态，生成进线节点上高压开关的开关状态矢量w，w＝[111111]；开关状态矢量w包含m个元素，在开关状态矢量w中，开关状态合闸，对应元素值为1；反之，则为0；
步骤42：在开关状态矢量w中的每个元素和关联矩阵d中每列的m个元素进行与运算后得到关联矩阵nd，将开关状态矢量w中的每个元素和关联矩阵e中每行的m个元素进行与运算后得到关联矩阵ne；
步骤43：依据关联矩阵ne和关联矩阵nd得到关联矩阵f，f＝ne*nd；fij表示关联矩阵f中第i行第j列的元素；如果fij＝1，表示支路节点i由干路节点j供电；如果fij＝0，表示支路节点i不由干路节点j供电；
步骤44：依据关联矩阵f和关联矩阵a计算支路节点与干路节点最终供电关联矩阵g，g＝f*a；
步骤45：如果关联矩阵g和关联矩阵f不相同，则将关联矩阵g的数值赋予f，重复执行步骤44，如果关联矩阵g和关联矩阵f相同，则继续执行步骤46；
步骤46：依据关联矩阵g和关联矩阵u计算矩阵支路节点与支路节点供电关联矩阵h，h＝g*u；
步骤47：计算修正后的关联矩阵nh，
针对附图1的矿井高压供电系统，当支路节点直接控制的线路发生短路故障时，依据支路节点与支路节点供电关联矩阵nh和支路节点与干路节点最终供电关联矩阵g完成矿井高压供电系统自动短路计算，具体步骤如下：
步骤51：当某支路节点上高压开关直接控制的线路i对应的线路末端发生短路时，因线路i由支路节点i控制，支路节点i在支路节点与支路节点供电关联矩阵nh中对应的行号为i，因此首先依据支路节点i在支路节点与支路节点供电关联矩阵nh中找到相应的行，然后找到第i行中数值为1的所有元素对应的列号，再依据获得的列号找到对应的支路节点集合p，集合p是所有给线路i供电的支路节点集合，如果集合p中不存在电源支路节点，则说明线路i没有电源供电，不进行短路计算；如果集合p中存在电源支路节点，则说明线路i有电源供电，则执行步骤52；
步骤52：支路节点i在支路节点与干路节点最终供电关联矩阵g中对应的行号为i，因此首先依据支路节点i在支路节点与干路节点最终供电关联矩阵g中找到相应的行，然后找到第i行中数值为1的所有元素对应的列号，再依据获得的列号找到对应的干路节点集合tp，集合tp是所有给线路i供电的干路节点集合；
步骤53：针对集合p和集合tp中每个支路节点和干路节点的编号分别查询支路节点-供电线路邻接表t和干路节点-供电线路邻接表tt，获取集合p和集合tp中所有支路节点和干路节点对应的供电线路信息；依据获取的每条供电线路长度、单位电阻和单位电抗计算出每条线路的电阻和电抗，执行步骤54和步骤55；
步骤54：根据每条线路的电阻、电抗和预先设置的最大运行方式下的系统电抗计算获得最大运行方式下的系统总电阻rmax和总电抗xmax，然后依据高压供电系统短路点所在线路的平均电压us和总电阻、总电抗计算最大运行方式下的三相短路电流
步骤55：根据每条线路的电阻、电抗和预先设置的最小运行方式下的系统电抗计算获得最小运行方式下的系统总电阻rmin和总电抗xmin，然后依据高压供电系统短路点所在线路的平均电压us和总电阻、总电抗计算最小运行方式下的两相短路电流
本实施例的有益效果是：
本实施例采用t型结构的高压供电系统，在发生短路故障时，容易导致越级跳闸现象，以便能够有效限制煤矿高压供电系统的供电级数，避免矿井高压电网由于越级跳闸而导致大面积停电事故的发生。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。