一种短路电流分析系统及其分析方法与流程

本发明涉及电力运行安全领域，尤其涉及一种短路电流分析系统及其分析方法。

背景技术：

电力是国家的基础产业与能源支柱，电力产业是几乎当今一切工业的基石，为经济社会的可持续发展提供能源保障。电网是维系电力供需的纽带，电网安全关系国家安全、经济发展和社会和谐，是社会公共安全的重要组成部分。

随着各地方比如南宁电网规模的不断扩大，电力资源得到进一步优化配置，但随着客户全方位服务工作的全面深化开展，电网的可靠运行却迎来了新的挑战。配电用户对于供电可靠性要求越来越高，供电局内部对于供电可靠性的考核也愈发严格。但是统计考核，从管理上来说，更多的是事后的管理措施。如何能够做到，事前评估、事中预防、事后统计，从日常运行到规划阶段就实现对可靠性的有效管理，从根本上提高配电网运行的可靠性水平，具有重大的理论和现实意义。

伴随着电网规模的扩大，每次停电故障可能造成的平均负荷损失也随之增大。因此，优化配电网的负荷、潮流分布，提高电网可靠性、确保电网紧急安全运行已成为配电网运行当前面临的紧迫问题。

面对复杂的配电网络以及客户端的用电负荷，短路故障的时有发生，这个简单的电路问题给电力系统的正常运行带来了很大的隐患和威胁。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明提供一种短路电流分析系统及其分析方法，为电路运行中的短路故障提供了一种可靠的解决方案。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种短路电流分析系统及其分析方法，包括：gis接口、数据库、短路分析模块、若干客户端，客户端连接短路分析模块，短路分析模块连接数据库，数据库连接gis接口。

gis接口用于从电路中导入需要分析的原始数据；原始数据包括拓扑结构数据和电气参数；数据库用于存储原始数据；短路分析模块用于短路模型的计算和分析，客户端获取最终分析结果；短路分析模块包括处理器、拓扑和电气分析模块。

短路电流分析系统及其分析方法，包括如下步骤：

步骤一：导入原始数据，收集和提取拓扑结构数据和电气参数，通过gis接口输入到数据库；

步骤二：短路分析模块从数据库获取原始数据，根据故障类型建立对应的短路电流模型，故障类型包括但不限于：三相短路、单项接地短路、两相短路、两相接地短路、特殊短路，特殊短路模型中可以通过改变短路计算参数来定义任意的短路类型；由建立的模型进行短路电流计算与分析；并获得最终结果；

步骤三：客户端获取最终结果；

步骤四：将最终结果进行现场试验，并与专家评估进行对比。

短路电流模型的计算和分析主要包括：

初始短路电流ik″通过iec标准或叠加法计算；

初始短路功率sk″根据出现的故障类型计算：

对称故障：

非对称和特殊故障：un为标称系统电压；

峰值短路电流ip根据iec标准计算，

短路开断电流ib和稳态电流ik根据不同网络类型计算：

非网格网络供给短路：ib＝∑iibi，ibi代表与故障节点相连的有源元件i的开断电流；

单供给短路：ib＝ibi，ibi代表与故障节点相连的有源元件i的开断电流；

网格网络供给短路：ik＝ikom″，ikom″是不考虑电机的初始短路电流；

非网格网络供给短路：ik＝∑iiki，iki代表与故障节点相连元件i的稳态电流；

单供给短路：ik＝iki，iki代表与故障节点相连元件i的稳态电流；

当计算不对称和特殊故障，ib＝ik″；

热短路电流ith计算公式为：

短路功率的直流分量的计算：其中f为频率，t为短路持续时间，r/x为阻抗的虚部，r/x根据等效频率法计算；

非对称电流开断计算为：ib代表开断电流，idc代表短路电流的直流分量；

对称的1/2周期电流电流按如下公式计算：故障位置的阻抗zk1在正序系统的导纳矩阵；

非对称的1/2周期电流iasy按如下公式计算：

对称的开断电流按如下公式计算：

对称稳态电流按如下公式计算：zkk1是故障位置的阻抗。

本发明的有益效果：能够实现对电路中短路故障及时地检测和评估，保障电路运行的安全性，同时为电路故障排查提供了可靠的评价方法。对电路的正常运行具有重要意义。

附图说明

图1为本发明短路电流分析系统的一个优选实施的结构示意图。

图2为本发明短路电流分析系统及其分析方法的一个优选实施的流程图。

图3为本发明单网络短路的结构示意图。

图4为本发明非网格网络供给短路电流的结构示意图。

图5为本发明一个公共阻抗的非网格网络供给短路电流的结构示意图。

图6为本发明啮合网络的短路电流的结构示意图。

图7为本发明变压器和网络馈线的结构示意图。

图8为本发明网络馈线的结构示意图。

图中，1为gis接口，2为数据库，3为短路分析模块，4为客户端。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

参照图1，本发明短路电流分析系统，包括：gis接口、数据库、短路分析模块、若干客户端，客户端连接短路分析模块，短路分析模块连接数据库，数据库连接gis接口。

gis接口用于从电路中导入需要分析的原始数据；原始数据包括拓扑结构数据和电气参数；数据库用于存储原始数据；短路分析模块用于短路模型的计算和分析，客户端获取最终分析结果；短路分析模块包括处理器、拓扑和电气分析模块。

作为进一步优选，本发明的计算可以在应用程序服务器或客户端上执行；数据存储在oracle等数据库中、也可以在本地的xml文件中。

短路分析模块具体设计如下：

短路电流计算理论：电力系统的短路电流行为可以表示为一个等效网络包含有故障前电压u0k和正序，负序，零序网络的故障节点阻抗zkki。馈电元件，例如网络馈线，发电机和异步电机，通过一个阻抗ze和其源电压(emf)模拟。在计算中，它们将被改变为等效的电流源。

假设电力系统的对称结构和供应时，对称组件仅在故障位置互连。互连由故障方程定义。该方程取决于故障类型：

—3相短路

ik″2＝0；

ik″0＝0；

—单相接地短路

ik″2＝ik″1；

ik″0＝ik″1；

—两相短路

ik″2＝-ik″1；

ik″0＝0；

—两相接地短路

u0k：出现故障的节点k工作电压或故障前电压。

zkki：正序(i＝1)，负序(i＝2)，零序(i＝0)系统故障节点的网络阻抗。

iki″：正序(i＝1)，负序(i＝2)，零序(i＝0)系统的初始短路电流。

根据不同的计算方法，故障前电压u0k将：

●在电流源和电流馈电元件的帮助下计算(叠加法)。

●根据定义设定(iec60909，ansi/ieee)。

叠加方法中馈电元件的电流ie等于emf/ze。ze为馈电元件的内部阻抗。故障前电压u0可以从网络方程u＝y-1·ie来计算。节点k的故障前电压为u0k。馈电元件的内部电压(emf)是：

—1.1pu(最大短路电流)还是1.0pu依赖于计算最大ik时计算参数的设置(计算参数必须设置为“无潮流的叠加”)或者

—从潮流结果计算

计算将在节点的复杂电压和功率的帮助下完成，潮流计算必须在之前计算，“计算方法”参数必须设置为“带有潮流的叠加法”。

根据定义，iec909方法设置故障前电压在故障节点为u0k＝c·un，由此馈电元件的电流ie被设置为0。电压因子c依赖于故障位置的标准系统电压，由标准定义。因子c由程序自动设置。

根据定义，ansi/ieee方法设置故障前电压在故障节点为u0k＝eoper，且馈电元件的电流ie被设置为0。eoper的值为输入值，并且是故障位置的最大工作电压。用于计算断路器的断路占空比，电流将与一个因数相乘，其是故障位置x/r比率的函数。

网络阻抗zkk1，zkk2和zkk0可以从正，负序和零序系统的网络工作方程u＝y-1·i进行计算。

根据所使用的方法，所述y矩阵看起来不同。

●所有元素都根据叠加法考虑到计算中。该模型是在“元素的数据输入和模型”一章中介绍。

●iec方法忽略了正序系统的所有并联导纳。此外，供给单元的阻抗将被纠正。

●ansi/ieee标准为正序系统构建了三个不同的y矩阵，以便能够计算出电流ik″(1/2周期)，iarc(x个循环)，和ik(30个循环)。发电机和电动机的阻抗必须对所有三个矩阵进行校正。校正因子在ansi/ieeec37.010-1979的第5.4.1节中描述。负载被忽略。负序和零序系统的阻抗被校正。为了得到x/r的比，两个独立的节点导纳矩阵(正序和零序系统)，带有网络唯一的电阻部分，被构建。

短路电流的典型量是峰值电流，切断电流，稳态电流，和热电流。iec或ansi/ieee给出从原始短路电流来计算这些数量的方法。

简化的零序网络阻抗计算

零序阻抗在谐振接地和隔离网络中可以计算，如下所示：

和

rdi：peterson线圈电阻(隔离网络时为0)；

ldi’：peterson线圈电感(隔离网络时为0)；

cei：所有线路的谐振零序接地电容或隔离网络；

假设故障前电压是已知的时，叠加方法是更精确的方法。很难知道短路前的电压，特别是在规划的状态，负载流量只能估计。负载流量，将导致任一最大或最小的短路电流，在所述的系统不同地点中，很难找到。

该模块提供了一个简化的叠加法。馈电元件的内部电压源(emf)被设定为标准系统电压的110％(为最大短路电流计算)或100％(为最小短路电流计算)。从而，10％的端子电压和内部电压之间的电压降被认为为稳态操作。对于确切的叠加法，潮流在短路计算开始之前进行计算。

iec或ansi/ieee方法是一种简化的方法，该方法可以用来计算短路电流。它具有故障前电压不需要预先给定的优点。计算出的电流在安全测，该计算是根据国际标准进行。

建议依据iec或ansi/ieee的方法计算短路电流，尤其是计算峰值电流，开断电流，稳态电流。要计算短路时(故障后电压)的电压，叠加法应该被使用。

对于根据iec进行的计算，短路的供应是很重要的：

●单供给短路

短路电流仅由单网络支线或发电机或一个相同的平行发电机供给(参见图3)，故障位置电流对应供给元件电流。

●短路电流供给来源于非网格网络

短路通过并联多个有源元件(参见图4)供给。故障点的电流计算为部分电流的总和。部分电流的大小是相互独立的。

●短路电流供给来源于一个公共阻抗的非网格网络；

短路电流是由在一个公共阻抗上的多种活性元件提供(参见图5)，故障点的电流计算为部分电流的叠加。

●啮合网络的短路电流

短路电流是由一个啮合网络的多种活性元件提供(参见图6)，故障点的电流计算为部分电流的叠加。

对于初始短路电流ik″和峰值电流ip的计算，结果是独立的网络类型。

初始短路电流ik″

这个电流是按照iec或叠加法计算。各相的故障电流通过不对称系统组件的电流计算。对于短路模块，最大短路电流ik″max和最小短路电流ik″min可以计算。选择参数对话框的

ik″max字段。当参数选中时，计算最大初始电流。否则，计算最小初始电流。在这种情况下，选取所有网络供给的最小短路功率，异步机被忽略，线电阻随着温度的增加而采用。

初始短路容量sk″

初始短路功率根据其故障种类计算：

对称故障：

非对称和特殊故障：

un为标称系统电压。

峰值短路电流ip

峰值电流ip是短路电流最大瞬时值，依赖于r/x的比率。它可以根据iec计算：

其中，kappa＝1.02+0.98·e^-3·r/x

为了计算r/x，等效频率的方法被使用，这意味着使用下面的公式

r/x＝rc/xc·(fc/f)

rc和xc分别代表故障位置的等效电阻和电抗，等效频率为fc。

zc＝rc+j·2·pi·fc，lc为从故障位置所看到的阻抗，如果一个等效电压源作为唯一的活性电压，在频率fc＝20hz(对于f＝50hz的系统频率)或fc＝24hz(对于60hz的系统频率)时，被应用。

为了计算支路电流，使用支路的r/x比率或故障位置的r/x比率，取决于参数对话框的“故障支路ip计算时r/x的比率”参数是否被选中。

当计算特殊故障时(如双接地故障)，因子kappa与对称三相电路的短路电流用同样的方式计算。如果包含了几个故障节点，则选取最大值。

短路开断电流ib

同步机开断电流计算公式为：

ib＝u·ik″

因子u根据iec计算，其与ik″/irg之比和断路器的最小延迟时间tmin(ik″：初始短路电流，irg：额定电流)有关。最小延迟时间为输入值，在参数对话框中有所介绍。

对于电机，开断电流为：

ib＝u·q·ik″；

因子μ可以按照上述方法计算。因子q与比值m＝p/p(p：额定电阻的功率，p：磁极对数)和断路器的最小延迟时间有关。

根据不同的网络类型，其故障位置的开断电流计算：

网格网络的短路：

其中：

故障位置的等效电压源

ik″：初始短路电流

δugi″，δumj″：同步电机i和异步电机j连接点的初始电压差。

ikgi″，ikmj″：同步电机i和异步电机j的初始短路电流。

短路供给来源于非网格网络

ib＝∑iibi；

ibi代表与故障节点相连的有源元件i的开断电流。

单供给短路

ib＝ibi；

ibi代表与故障节点相连的有源元件i的开断电流。

当计算不对称和特殊故障时，ib＝ik″。

备注：网络类型由程序决定；

稳态电流ik

稳态电流的计算由网络类型决定：

●网格网络的短路：

故障节点的ik，

ik＝ikom″；

ikom″是不考虑电机的初始短路电流。

●短路供给来源于非网格网络：

故障节点的ik，ik＝∑iiki；

iki代表与故障节点相连元件i的稳态电流。

●单供给短路：

故障节点的ik，ik＝iki；

iki代表与故障节点相连元件i的稳态电流。

当计算不对称和特殊故障，ib＝ik″。

对于一个单供给网络，同步机的稳态电流ik计算公式为：

ik＝λ·irg；

因子λ与xdsaturated，ufmax/ufr，ik″/irg和机器类型(涡轮或凸极)有关。这些参数为输入值，除了初始短路电流ik″。irg是机器的额定电流，可以计算最大或最小因子λ。计算最小和最大的初始短路电流和稳态电流，依赖于参数对话框中的ik的最大计算参数是否被选中。

对于计算最小稳态电流，复合励磁发电机被区别对待。

热短路电流ith

热短路电流ith计算公式为：

因子m考虑短路电流的非周期分量的热影响，因子n考虑交流短路电流元件的热影响。因子m与函数κ和短路持续时间tks有关。因子n与ik″/ik的比率，因子kappa和短路持续时间有关。

短路电流的直流分量idc

短路功率的直流分量的计算：

其中f为频率，t为短路持续时间，r/x为阻抗的虚部。r/x是根据等效频率法计算。短路持续时间t是一个输入值”的“故障时的直流电流idc计算”)。

当计算特殊故障(如双接地故障)，r/x的计算与三相短路故障方式相同。如果包含了多个故障节点，选取最小的r/x的值。

非对称电流开断iasy

非对称电流开断计算为：

ib代表开断电流，idc代表短路电流的直流分量。

ansi/ieee电流

根据ansi/ieee，电流的计算是为了能够选择断路器。有三种不同的电流：

●对称的1/2周期电流ik″；

●非对称的1/2周期电流iasy；

●对称的x周期电流iarc(x：输入值，如3，4，5，8)；

●稳态电流ik(30个循环)；

对于其中的三种(1/2，x，30)，必须建立单独的网络，对于1/2周期网络所有的故障电压都必须报告。

对称的1/2周期电流ik″

电流按如下公式计算(3相短路)：

故障位置的阻抗zk1在正序系统的导纳矩阵可以找到，此导纳矩阵与iec909中的导纳矩阵不同。

非对称的1/2周期电流iasy

电流按如下公式计算(3相短路)：

故障位置的阻抗zk1在正序系统的导纳矩阵可以找到，与ik″相同，x/r也可以在导纳矩阵中找到。f为网络频率，t＝0.5/f为时间。

对称的开断电流(x周期电流)

电流按如下公式计算(3相短路)：

故障位置的阻抗zki1在正序系统的导纳矩阵可以找到，与ik″中的不相同。因子fsc在x/r，zki1/r，网络类型(近发电机或远离发电机)和短路类型(对称故障或不对称故障)的帮助下计算。电阻r的值可从一个其中只包含网络的电阻部分的单独的y矩阵中找到。fsc的值为ansi标准c37.010-1979中定义的fsc值。程序也同样报告e/z的值：

对称稳态电流(30个周期)

电流按如下公式计算(3相短路)：

故障位置的阻抗zkk1在正序系统的导纳矩阵可以找到，与ik″和iarc中的不相同。

变频驱动器(可调频率转换器驱动)

1.直流端子短路：电流峰值；

带有网格控制保护的可控硅桥：

方程8.16，ieee551-2006；

不带有网格控制保护的可控硅桥：

方程8.17，ieee551-2006；

二极管桥：

ipsc＝2*ik″，方程8.23，ieee551-2006；

2.直流终端短路电流：考虑到瞬态组件的衰减

带有网格控制保护的可控硅桥：

不带有网格控制保护的可控硅桥：

二极管桥：

i＝(1+(1.804-1))*ik″；

3.电弧闪光短路

带有网格控制保护的可控硅桥：

不带有网格控制保护的可控硅桥：

ipscarcback＝2.53*ik″；

二极管桥：

ipscarcback＝3*ik″；

ansi标准c37.013

本标准规定了计算网络中发电机的短路电流的工作方式，这些电流是由以下公式计算:

发电机对称短路电流源

发电机非对称短路电流源

p＝额定功率，v＝最大额定电压，发电机电抗值；

iec61363-1标准

本标准规定了计算船舶和海上移动单元的电气设备的短路电流的方法。我们计算下列电流：

●预定时间td时的短路电流iac的交流分量。

●预定时间td时的短路电流iac的直流分量。

●第一个半周期的短路电流峰值ip；

●开断电流ib(t＝tb)tb：断路器延迟时间；

●非对称开断电流iasy(t＝tb)；

●稳态电流ik(t＝tend)，如在30个周期后；

非对称开断电流按如下公式计算：；

时间td，tb，tend为输入值，周期t按t＝1.0/f0计算(f0为标准系统频率)。

假设计算的网络不啮合，故障类型始终是三相对称故障。被用来计算电动机和发电机的短路电流的公式在标准文档中给出。

在故障点的短路电流的计算作为一个个体的电动机和发电机的短路电流的叠加。

预设条件(次暂态和暂态内部电压和工作电流)可以来源于有源元件的标称值，或来自于之前的潮流计算。预设条件也可以忽略。

当不考虑短路电流衰减时，只有次暂态电抗将使用。忽略短路电流衰减的含义在标准中给出。

短路之后的节点电压不计算。

iec61660-1标准

该标准描述了在发电厂和变电站的直流辅助设备的短路电流的计算方式。计算以下电流：

●预定时间(td)的短路电流直流分量；

●峰值短路电流ip；

●稳态电流ik(t＝tend)；

时间td和tend为输入值。

假设计算的网络不啮合，平行线或元件不考虑。在平行线的情况下，只有一条线必须表示。在线路输入对话框中的“行数”参数可以用来定义任意数量的平行线。设备的下面部分被考虑：

●整流器(neplan转换器)；

●电池(neplan直流电压源)；

●电容器(neplan直流并联)；

●直流电机(neplan直流电机)；

整流前的交流部分必须由变压器和网络馈线(参见图7)来表示，或者直接通过网络馈线(参见图8)。

换流电阻和电抗必须在neplan转换器中输入。平滑电抗器可以通过neplandc电抗器来表示。

用来计算以上提到的元件的短路电流公式在标准文档中给出。

故障位置的短电路电流计算是所有个体来源的叠加。如果有一个一般支路的短路，个体来源的电流通过一个因子来纠正，在标准文档中有所解释。

短路后的节点电压不计算。

局部网络的计算(短路)

在大型网络中，它包含了几个局部网络，它是可以选择需要计算的局部网络。局部网络是一个不连接到另一个网络的网络，可能是因为开放线路的原因。该程序显示在列表框中的所有部分网络，用户可以选择网络来计算。计算大型网络的局部具有节省了大量计算时间的优势。

弧闪计算

电弧闪光计算在短路计算后进行。

弧闪结果

电弧闪光的计算仅在3相故障时计算。结果只显示在故障点和故障距离为0的地方，也就是供给故障位置的所有分支机构。其结果显示在单线图，激活在图属性和列表的表中的相应参数。

电弧时间的计算

如果保护装置被定义的话，该程序将检查所有供给短路位置的分支。如果是这样，在该分支的所有设备的最大动作时间被确定。有电机负载的分支不考虑。

如果最大动作时间ttrip，程序将会检查跳闸装置的类型。对于

●熔断器：tarc＝ttrip；

●断路器，继电器：tarc＝ttrip+tcbopening；

tcbopening：断路器的开启时间(输入值)；

如果供给短路位置的分支中没有保护装置被定义，燃弧时间为一个输入值。

电弧闪光标签

用户可以打印每个故障位置的电弧闪光的标签。打印将在一个预定义的或用户定义的ms-excel电弧闪光标签模板文件的帮助下完成。下面的结果或信息可以被放置在一个模板ms-excel文件中：

●母线名称；

●馈线名称；

●电压等级；

●设备类型；

●接地；

●计算标准；

●可用三相冲击电流；

●闪存保护边界；

●工作距离的入射能量；

●工作距离；

●ppe等级；

●抵制接近边界；

●限制接近边界；

●禁止接近边界；

●弧闪分析时间；

●分析到期日；

此外，他必须定义；

●ms-excel模板文件；

●所有的标签将被保存的ms-excel文件；

用户要根据所选择的模板文件选择上述结果/信息。此外，他必须输入ms-excel的单元，其中相应的结果/信息已被写入。按下短路结果对话框中的按钮“打印标签”后，ms-excel将开始工作，所有的电弧闪光标签(每个故障位置一个工作表)的结果ms-excel文件被创建。

创建弧闪标签模板文件

在neplan目录中有预定义的电弧闪光标签模板文件，但是每个用户都可以创建自己的模板文件，可以使用自己的语言，字体，对齐方式，绘画等，有些单元式必须保持为空使得neplan可以写结果/信息到模板文件中。

对步骤5中得到的阶比跟踪采样振动信号进行fft计算，得到振动信号阶比谱。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。