課程設計---電力系統(tǒng)短路故障的計算機算法程序設計

1、<p>　　電力系統(tǒng)分析課程設計報告書</p><p>　　題目: 電力系統(tǒng)短路故障的計算機算法程序設計 </p><p>　　專 業(yè)：電氣工程及其自動化</p><p>　　班 級： </p><p>　　學 號： </p><p>　　學生姓名： </p&g

2、t;<p>　　指導教師： </p><p>　　2012年 3 月 11 日</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1目的與原理4</b></p><p>　　1.1關于電力系統(tǒng)短路故障的計算機算法程序設計目的4</p>&

3、lt;p><b>　　1.2原理4</b></p><p><b>　　2總體設計6</b></p><p>　　2.1程序設計說明6</p><p>　　2.2選擇計算機語言6</p><p><b>　　3程序設計9</b></p>&l

4、t;p>　　3.1流程圖：9</p><p>　　3.2習題實例10</p><p><b>　　4總結18</b></p><p><b>　　參考文獻19</b></p><p><b>　　1目的與原理</b></p><p>　

5、　1.1關于電力系統(tǒng)短路故障的計算機算法程序設計目的</p><p>　　電力系統(tǒng)正常運行的破壞多半是由于短路故障引起的，發(fā)生短路時，系統(tǒng)從一種狀態(tài)劇變成另一種狀態(tài)，并伴隨復雜的暫態(tài)現象。所謂短路故障，是指一切不正常的相與相之間或相與地發(fā)生通路的情況。</p><p>　　根據所給的電力系統(tǒng)，編制短路電流計算程序，通過計算機進行調試，最后完成一個切實可行的電力系統(tǒng)計算應用程序。通過自己設計

6、電力系統(tǒng)計算程序使同學對電力系統(tǒng)分析有進一步理解，同時加強計算機實際應用能力的訓練。</p><p><b>　　1.2原理</b></p><p><b>　　①計算機計算原理</b></p><p>　　應用計算機進行電力系統(tǒng)計算，首先要掌握電力系統(tǒng)相應計算的數學模型；其次是運用合理的計算方法；第三則是選擇合適的計算機

7、語言編制計算程序。</p><p>　　建立電力系統(tǒng)計算的相關數學模型，就是建立用于描述電力系統(tǒng)相應計算的有關參數間的相互關系的數學方程式。該數學模型的建立往往要突出問題的主要方面，即考慮影響問題的主要因素，而忽略一些次要因素，使數學模型既能正確地反映實際問題，又使計算不過于復雜。</p><p>　　運用合理的計算方法，就是要求所選用的計算方法能快速準確地得出正確結果，同時還應要求在解算

8、過程中占用內存少，以利提高計算機的解題規(guī)模。</p><p>　　選擇合適的語言編寫程序，就是首先確定用什么計算機語言來編制程序；其次是作出計算的流程圖；第三根據流程圖用選擇的語言編寫計算程序。然后上機調試，直到語法上無錯誤。</p><p>　　所編制的程序難免存在邏輯錯誤，因此先用一個已知結果的系統(tǒng)作為例題進行計算。用程序計算的結果和已知結果相比較，如果結果相差甚遠就要逐步分析程序的計

9、算步驟，查出問題的出處；如果結果比較接近，則逐步分析誤差來源；直到結果正確為止。</p><p>　　最后將所編制出的正確計算程序，用于電力系統(tǒng)的實際計算。</p><p>　　②電力系統(tǒng)短路計算計算機算法</p><p>　　一般在電力系統(tǒng)短路計算中，多數情況下只要計算短路電流、電壓的周期分量起始值。因此，電力系統(tǒng)短路電流計算的數學模型，可歸結為求解短路故障初始狀

10、態(tài)下的等值電路穩(wěn)態(tài)解的問題。對于三相對稱短路，可建立一相等值電路的計算模型，對于不對稱短路，則可應用對稱分量法建立系統(tǒng)的正、負、零序網絡，從而建立故障計算的序網模型。</p><p><b>　?。?）對稱短路計算</b></p><p>　　有關數學模型和原理框圖以及已知結果的例題，參見《電力系統(tǒng)分析》第六章。常用的計算方法為節(jié)點導納矩陣法或節(jié)點阻抗矩陣法，其形成方

11、法分別參見《電力系統(tǒng)分析》第四章。</p><p>　　（2）簡單不對稱短路計算</p><p>　　有關數學模型、原理框圖以及已知結果的例題參見《電力系統(tǒng)分析》第八章8-4節(jié)。</p><p><b>　　2總體設計</b></p><p><b>　　2.1程序設計說明</b></p>

12、;<p>　　根據所給的電力系統(tǒng)，編制短路電流計算程序，通過計算機進行調試，最后完成一個切實可行的電力系統(tǒng)計算應用程序。通過自己設計電力系統(tǒng)計算程序使同學們對電力系統(tǒng)分析有進一步理解，同時加強計算機實際應用能力的訓練。 </p><p>　　2.2選擇計算機語言</p><p>　　MATLAB軟件的基本功能</p><p>　　在進行電力系統(tǒng)潮流計算

13、，應用計算機算法進行求解節(jié)點導納矩陣時候，我們要用到MATLAB的知識，所以應當對MATLAB的基本指令有所了解，下面是MATLAB的一些基本功能：</p><p>　　進入MATLAB之后，會看到一個MATLAB Command Window，稱為命令窗，它是最主要的窗口，既是鍵入命令也是顯示計算結果的地方。另外還有一個編程窗，專門用來編輯應用程序。還有一個主窗口，用來記錄已使用過的歷史命令和已打開的目錄，方便

14、使用者查找。如果繪圖還會自動彈出一個繪圖窗，專門用來顯示繪制的圖形。MATLAB一般有3種進行計算的方法，第1種就如同使用計算器，直接輸入數值和運算符，立即從屏幕上獲得結果。第2種先對變量賦值，然后再輸入由變量構成的表達式，也可立即獲得結果。第3種，就是采用編程的方法來解決較復雜的，諸如含有判斷、循環(huán)、迭代、遞歸等算法的較復雜的問題。上述方法中，第2和第3包括了數組和矩陣運算，只要定義了數組和矩陣變量，就可以如同普通代數運算一樣直接用變

15、量進行數學運算，十分方便。</p><p>　　我們使用的是第四代計算機語言的MATLAB，利用其豐富的函數資源，它的優(yōu)點如下： </p><p>　　1.語言簡潔緊湊，使用方便靈活，庫函數極其豐富。MATLAB程序書寫形式自由，利用起豐富的庫函數避開繁雜的子程序編程任務，壓縮了一切不必要的編程工作。由于庫函數都由本領域的專家編寫，用戶不必擔心函數的可靠性?？梢哉f，用MATLAB進行科技開

16、發(fā)是站在專家的肩膀上。</p><p>　　具有FORTRAN和C等高級語言知識的讀者可能已經注意到，如果用FORTRAN或C語言去編寫程序，尤其當涉及矩陣運算和畫圖時，編程會很麻煩。例如，如果用戶想求解一個線性代數方程，就得編寫一個程序塊讀入數據，然后再使用一種求解線性方程的算法（例如追趕法）編寫一個程序塊來求解方程，最后再輸出計算結果。在求解過程中，最麻煩的要算第二部分。解線性方程的麻煩在于要對矩陣的元素作循

17、環(huán)，選擇穩(wěn)定的算法以及代碼的調試動不容易。即使有部分源代碼，用戶也會感到麻煩，且不能保證運算的穩(wěn)定性。解線性方程的程序用FORTRAN和C這樣的高級語言編寫，至少需要四百多行，調試這種幾百行的計算程序可以說很困難。以下用MATLAB編寫以上兩個小程序的具體過程。</p><p>　　MATLAB求解下列方程，并求解矩陣A的特征值。</p><p><b>　　Ax=b,其中：&l

18、t;/b></p><p>　　A= 32 13 45 67</p><p>　　23 79 85 12</p><p>　　43 23 54 65</p><p>　　98 34 71 35</p><p><b>　　b= 1</b>&l

19、t;/p><p><b>　　2</b></p><p><b>　　3</b></p><p><b>　　4</b></p><p>　　解為：x=A\b;設A的特征值組成的向量e，e=eig（A）。</p><p>　　可見，MATLAB的程序極其簡短

20、。更為難能可貴的是，MATLAB甚至具有一定的智能水平，比如上面的解方程，MATLAB會根據矩陣的特性選擇方程的求解方法，所以用戶根本不用懷疑MATLAB的準確性。</p><p>　　2.運算符豐富。由于MATLAB是用C語言編寫的，MATLAB提供了和C語言幾乎一樣多的運算符，靈活使用MATLAB的運算符將使程序變得極為簡短。</p><p>　　3.MATLAB既具有結構化的控制語句

21、（如for循環(huán)，while循環(huán)，break語句和if語句），又有面向對象編程的特性。</p><p>　　4.程序限制不嚴格，程序設計自由度大。例如，在MATLAB里，用戶無需對矩陣預定義就可使用。</p><p>　　5.程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各種型號的計算機和操作系統(tǒng)上運行。</p><p>　　6.MATLAB的圖形功能強大。在FORTRA

22、N和C語言里，繪圖都很不容易，但在MATLAB里，數據的可視化非常簡單。MATLAB還具有較強的編輯圖形界面的能力。</p><p>　　7.MATLAB的缺點是，它和其他高級程序相比，程序的執(zhí)行速度較慢。由于MATLAB的程序不用編譯等預處理，也不生成可執(zhí)行文件，程序為解釋執(zhí)行，所以速度較慢。</p><p>　　8.功能強大的工具箱是MATLAB的另一特色。MATLAB包含兩個部分：核

23、心部分和各種可選的工具箱。核心部分中有數百個核心內部函數。其工具箱又分為兩類：功能性工具箱和學科性工具箱。功能性工具箱主要用來擴充其符號計算功能，圖示建模仿真功能，文字處理功能以及與硬件實時交互功能。功能性工具箱用于多種學科。而學科性工具箱是專業(yè)性比較強的，如control,toolbox,signl proceessing toolbox,commumnication toolbox等。這些工具箱都是由該領域內學術水平很高的專家編寫的

24、，所以用戶無需編寫自己學科范圍內的基礎程序，而直接進行高，精，尖的研究。</p><p>　　9.源程序的開放性。開放性也許是MATLAB最受人們歡迎的特點。除內部函數以外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可讀可改的源文件，用戶可通過對源文件的修改以及加入自己的文件構成新的工具箱。</p><p><b>　　3程序設計</b></p><

25、;p><b>　　3.1流程圖：</b></p><p><b>　　MATLAB流程圖</b></p><p><b>　　3.2習題實例</b></p><p>　　【例6-3】在如圖3-1所示的電力系統(tǒng)中分別在節(jié)點1和節(jié)點5接入發(fā)電機支路，其標幺值參數為：</p><p

26、>　　。在節(jié)點3發(fā)生三相短路，計算短路電流及網絡中的電流分布。線路的電阻和電容略去不計，變壓器的標幺變比等于1。各元件參數的標幺值如下：</p><p>　　圖3-1電力系統(tǒng)等值網絡圖</p><p>　　圖3-2 三相短路時的等值網絡圖</p><p><b>　　Y=</b></p><p>　　-j13.87

27、16 0 j9.5238 0 0 </p><p>　　0 -j8.3333 0 j4.7619 0</p><p>　　j9.5238 0 -j15.2329 j2.2960 j3.4440</p><p>　　0 j4.7619

28、 j2.2960 -j10.9646 j3.9360</p><p><b>　　程序如下：</b></p><p>　　jd=input('please input jd=’);</p><p>　　Y=[0-16.1905j, 9.5238j, 0, 0 , 0;<

29、;/p><p>　　0+9.5238j, 37.4084j, 15.3846j, 12.5000j, 0;</p><p>　　0, 15.3846j, -35.3846j, 20.000j, 0;</p><p>　　0, 12.5000j, 20.000j, -37.9348

30、j, 5.4348j;</p><p>　　0, 0, 0, 5.4348j, -9.9802j]</p><p><b>　　Z=inv(Y)</b></p><p>　　I=1/0.1860i</p><p>　　V1=1-0.0902i*I&l

31、t;/p><p>　　V2=1-0.1533i*I</p><p><b>　　V3=0</b></p><p>　　V4=1-0.1611i*I</p><p>　　V5=1-0.0877i*I</p><p>　　I54=(V5-V4)/0.184i</p><p>　　I

32、43=(V4-V3)/0.05i</p><p>　　I23=(V2-V3)/0.065i</p><p>　　I12=(V1-V2)/0.105i</p><p>　　I24=(V2-V4)/0.08i</p><p><b>　　運行結果如下：</b></p><p>　　please inp

33、ut jd=3</p><p><b>　　Y =</b></p><p>　　Columns 1 through 4</p><p>　　0 -16.1905i 0 + 9.5238i 0 0 </p><p>　　0 + 9.5238i 0 +37.4084

34、i 0 +15.3846i 0 +12.5000i</p><p>　　0 0 +15.3846i 0 -35.3846i 0 +20.0000i</p><p>　　0 0 +12.5000i 0 +20.0000i 0 -37.9348i</p><p>　　0

35、0 0 0 + 5.4348i</p><p><b>　　Column 5</b></p><p>　　0 </p><p>　　0 </p><p>　　0 </p><p>　　0 +

36、5.4348i</p><p>　　0 - 9.9802i</p><p><b>　　ans =</b></p><p>　　Columns 1 through 4</p><p>　　0 + 0.0567i 0 - 0.0086i 0 - 0.0081i 0 - 0.0077i</p&g

37、t;<p>　　0 - 0.0086i 0 - 0.0146i 0 - 0.0137i 0 - 0.0130i</p><p>　　0 - 0.0081i 0 - 0.0137i 0 + 0.0289i 0 + 0.0116i</p><p>　　0 - 0.0077i 0 - 0.0130i 0 + 0.0116i

38、 0 + 0.0306i</p><p>　　0 - 0.0042i 0 - 0.0071i 0 + 0.0063i 0 + 0.0166i</p><p><b>　　Column 5</b></p><p>　　0 - 0.0042i</p><p>　　0 - 0.0071i&l

39、t;/p><p>　　0 + 0.0063i</p><p>　　0 + 0.0166i</p><p>　　0 + 0.1093i</p><p><b>　　I =</b></p><p>　　0 - 5.3763i</p><p><b>　　V1 =</

40、b></p><p><b>　　0.5151</b></p><p><b>　　V2 =</b></p><p><b>　　0.1758</b></p><p><b>　　V3 =</b></p><p><b&

41、gt;　　0</b></p><p><b>　　V4 =</b></p><p><b>　　0.1339</b></p><p><b>　　V5 =</b></p><p><b>　　0.5285</b></p><

42、p><b>　　I54 =</b></p><p>　　0 - 2.1447i</p><p><b>　　I43 =</b></p><p>　　0 - 2.6774i</p><p><b>　　I23 =</b></p><p>　　0 -

43、2.7047i</p><p><b>　　I12 =</b></p><p>　　0 - 3.2309i</p><p><b>　　I24 =</b></p><p>　　0 - 0.5242i</p><p>　　【習題6-10】如圖3-9所示網絡，略去負荷，試用節(jié)點阻

44、抗矩陣法求節(jié)點5發(fā)生三相短路時，短路點的短路電流及線路L-2、L-3的電流。已知各元件參數如下：</p><p>　　發(fā)電機G-1: SN = 120 MVA, x”d = 0.23; G-2: SN = 60 MVA, x”d = 0.14</p><p>　　變壓器T-1: SN = 120 MVA, Vs = 10.5%; T-2: SN = 60 MVA, Vs = 10.5%&l

45、t;/p><p>　　線路參數 x1 = 0.4Ω/km, b1 = 2.8×10-6 S/km</p><p>　　線路長度 L-1: 120 km, L-2: 80 km, L-3: 70 km</p><p>　　取SB = 120 MVA, VB = Vav</p><p><b>　　電力系統(tǒng)網絡圖</b>

46、;</p><p>　　三相短路時的等值網絡圖</p><p>　　節(jié)點導納矩陣如下所示</p><p><b>　　Y=</b></p><p>　　-j13.8716 0 j9.5238 0 0 </p><p>　　0 -j8.33

47、33 0 j4.7619 0</p><p>　　j9.5238 0 -j15.2329 j2.2960 j3.4440</p><p>　　0 j4.7619 j2.2960 -j10.9646 j3.9360</p><p><b>　　設計程序如下：</

48、b></p><p>　　jd=input ('please input jd=');</p><p>　　Z=[0 + 0.1819i 0 + 0.0616i 0 + 0.1600i 0 + 0.1079i 0 + 0.1326i; </p><p>　　0 + 0.0616i 0

49、+ 0.2078i 0 + 0.0898i 0 + 0.1536i 0 + 0.1242i;</p><p>　　0 + 0.1600i 0 + 0.0898i 0 + 0.2330i 0 + 0.1571i 0 + 0.1932i; </p><p>　　0 + 0.1079i 0 + 0.153

50、6i 0 + 0.1571i 0 + 0.2689i 0 + 0.2174i;</p><p>　　0 + 0.1326i 0 + 0.1242i 0 + 0.1932i 0 + 0.2174i 0 + 0.3427i]</p><p>　　I=1/0.3427i</p><p>　　V1

51、=1-0.1326i*I</p><p>　　V2=1-0.1242i*I</p><p>　　V3=1-0.1932i*I</p><p>　　V4=1-0.2174i*I</p><p><b>　　V5=0</b></p><p>　　I54=(V5-V4)/0.2174i</p>

52、;<p>　　I42=(V4-V2)/0.1536i</p><p>　　I21=(V2-V1)/0.0616i</p><p>　　I43=(V4-V3)/0.1571i</p><p>　　I32=(V3-V2)/0.0898i</p><p><b>　　運行結果如下所示：</b></p>

53、<p><b>　　Y =</b></p><p>　　0 -13.8716i 0 0 + 9.5238i 0 0 </p><p>　　0 0 - 8.3333i 0

54、 0 + 4.7916i 0 </p><p>　　0 + 9.5238i 0 0 -15.2329i 0 + 2.2960i 0 + 3.4440i</p><p>　　0 0 + 4.7916i 0 + 2.2960i

55、 -10.9646 0 + 3.9360i</p><p>　　0 0 0 + 3.4440i 0 + 3.9360i -7.3569 </p><p><b>　　ans =</b></p><p>　　-

56、0.0085 + 0.1211i -0.0045 - 0.0080i -0.0124 + 0.0713i -0.0079 - 0.0139i -0.0260 - 0.0100i</p><p>　　-0.0045 - 0.0080i -0.0226 + 0.1155i -0.0066 - 0.0116i -0.0394 - 0.0078i 0.0096 - 0.0241i</p>

57、<p>　　-0.0124 + 0.0713i -0.0066 - 0.0116i -0.0180 + 0.1039i -0.0115 - 0.0202i -0.0378 - 0.0146i</p><p>　　-0.0079 - 0.0139i -0.0394 - 0.0078i -0.0115 - 0.0202i -0.0685 - 0.0136i 0.0167 - 0.0420i

58、</p><p>　　-0.0260 - 0.0100i 0.0096 - 0.0241i -0.0378 - 0.0146i 0.0167 - 0.0420i -0.1066 - 0.0087i</p><p>　　I = 3.1263</p><p>　　V3 = 0 + 0.4632i</p><p>　　V4 = 0

59、 + 0.3890i</p><p>　　IL2 = 0 + 1.5953i</p><p>　　IL3 = 0 - 1.5311i</p><p>　　【習題6-11】電力系統(tǒng)等值電路如圖3-13所示，支路阻抗的標幺值已注明圖中。</p><p>　?。?）形成節(jié)點導納矩陣（或節(jié)點阻抗矩陣），并用以計算節(jié)點3的三相短路電流。</p&

60、gt;<p>　?。?）另選一種方法計算短路電流，并用以驗證（1）的計算結果。</p><p><b>　　電力系統(tǒng)等值電路圖</b></p><p><b>　　最終計算等值電路圖</b></p><p>　　jd=input('please input jd=');</p>

61、<p><b>　　Y=</b></p><p>　　[-10.0j, 5.0j, 0;</p><p>　　5.0j, -14.5j, 10.0j;</p><p>　　0, 10.0j,

62、 -17.6667j]</p><p><b>　　inv(Y)</b></p><p>　　I1=1.05/0.2j</p><p>　　I3=1.05/0.15j</p><p>　　V3=0.98434</p><p>　　If=V3/0.10714</p>

63、;<p>　　程序運行結果如下所示：</p><p>　　please input jd=3</p><p><b>　　Y =</b></p><p>　　0 -10.0000i 0 + 5.0000i 0 </p><p>　　0 + 5.0000i

64、 0 -14.5000i 0 +10.0000i</p><p>　　0 0 +10.0000i 0 -17.6667i</p><p><b>　　ans =</b></p><p>　　0 + 0.1394i 0 + 0.0789i 0 + 0.

65、0446i</p><p>　　0 + 0.0789i 0 + 0.1577i 0 + 0.0893i</p><p>　　0 + 0.0446i 0 + 0.0893i 0 + 0.1071i</p><p>　　I1 = 0 - 5.2500i</p><p>　　I3 = 0 -

66、 7.0000i</p><p>　　V3 = 0.9843</p><p>　　If = 9.1874</p><p><b>　　4總結</b></p><p>　　此次課程設計首先讓我明白了要使電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定，必須經過精密的設計和計算。在進行課題設計的過程中，加深了我對潮流計算的認識，尤其是對牛頓拉夫遜潮流計

67、算的求解思路有了比較透徹的理解。同時由于求解過程中用到求節(jié)點導納矩陣，求矩陣的逆等等，又使我對以前所學的知識有了一次很好的溫習，我通過自己看書查資料，自己把以前比較零碎的知識點理論在實踐設計中加以整合，明白了以前學習中的很多不足。通過這次課程設計，既彌補了知識點的疏漏，同時也看到了研究性學習的效果，從研究中學習，理論結合實際，將理論運用到實際，同時在實踐中發(fā)現問題，然后解決問題。</p><p>　　而且在此次課

68、程設計中，我發(fā)現了自己的基礎知識有很多的不足。這些基礎的缺乏給我的設計計劃造成了不小的障礙。在這個過程中，我明白了，只要用心去做，認真去做，持之以恒，就會有新的發(fā)現，有意外的收獲。</p><p>　　對于這次的課程設計依然有許多不足之處，今后我會把MATLAB語言學好。這次我在MATLAB電子仿真與應用教程中學到了很多東西，今后在這一方面要多加練習。熟練掌握MATLAB算法和程序編寫。</p>&

69、lt;p>　　此次課程設計的完成，首先要感謝老師的指導與幫助，同時也要感謝同學的協(xié)力合作。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1、社《電力系統(tǒng)分析的計算機算法》邱曉燕等 中國電力出版</p><p>　　2、《電力系統(tǒng)基礎》 陳光會 王敏 中國水利電力出版社</p><p>