基于自適應(yīng)拓撲建模的船用電網(wǎng)短路計算方法

翁藍天

中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢 430064

0 引 言

短路計算是電力系統(tǒng)的基本計算內(nèi)容之一，船用電力系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備選型、負荷額定值整定、電纜敷設(shè)方式設(shè)計等都依賴于短路計算的結(jié)果。

船用電力系統(tǒng)多采用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行短路計算，但這些標(biāo)準(zhǔn)多為上世紀(jì)90年代前后制定，對某些影響短路電流的系統(tǒng)因素采用的是較為粗略的計算方法。隨著我國船舶行業(yè)的快速發(fā)展，船用電力系統(tǒng)擔(dān)負的功能越來越多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，相應(yīng)的短路計算標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范已在一些方面跟不上船舶發(fā)展的需求。此外，現(xiàn)有的短路計算方法大多基于陸用電網(wǎng)平臺［1-2］，通過網(wǎng)絡(luò)矩陣的迭代運算獲得短路電流。此類方法大多源自高壓輸電網(wǎng)算法的改進［3-5］，其網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較艦船電力系統(tǒng)有較大差別。此外，也有一些專門針對陸用配電網(wǎng)的短路電流算法［6-8］，所采用的電壓和電流等級已接近船用電網(wǎng)，但仍然無法適應(yīng)船用電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)極易改變的特點。

鑒于此，本文將首先分析現(xiàn)代船用電網(wǎng)的特點，再針對這些特點提出適應(yīng)船舶電網(wǎng)特點的自適應(yīng)短路計算建模方案，而后基于自適應(yīng)模型提出短路計算方法。該算法可對主要異步電機反充負荷進行量化計算，并能應(yīng)付多電源、多重故障、不對稱故障短路等復(fù)雜情況。

1 船用電力系統(tǒng)環(huán)境特點及拓撲建模

相比陸用電力系統(tǒng)，船用電力系統(tǒng)具有其自身的環(huán)境特點（圖1），主要表現(xiàn)為：

1）開環(huán)運行，樹形結(jié)構(gòu)供電（輻射狀供電）；

2）多電源并行供電：船用發(fā)電機組容量有限，一般采用多機并行供電，形成多電源供電；此外，船用電動機功率較大，短路時很可能產(chǎn)生反充大電流，形成等效的反充電源，進一步增加了電源數(shù)量；

3）變結(jié)構(gòu)：發(fā)電機組的并車、解列將造成電力系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)的變化；許多船用設(shè)備都配備了自動電源轉(zhuǎn)換裝置，設(shè)備的供電端切換也會改變電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)；

4）節(jié)點數(shù)量多、規(guī)模龐大。

圖1 多電源混合供電Fig.1 Multi-source power supply

鑒于以上特點，短路電流算法必須能夠適應(yīng)船用電網(wǎng)的多電源和變結(jié)構(gòu)帶來的影響，并充分利用開環(huán)樹形運行特點提高運算效率和準(zhǔn)確度。

傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)多沿用陸用電網(wǎng)計算方法，采用關(guān)聯(lián)矩陣或節(jié)點矩陣描述網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的拓撲關(guān)系，基于這種拓撲模型的矩陣迭代運算方法（如牛頓—拉夫遜迭代法）較為復(fù)雜，隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)的增加，復(fù)雜度呈三次方甚至更高次的非線性增長，不適應(yīng)船用電網(wǎng)的多節(jié)點環(huán)境。此外，網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)生變化時，關(guān)聯(lián)矩陣元素將發(fā)生整行、整列的修改，甚至改變矩陣階數(shù)，從而導(dǎo)致重構(gòu)過程復(fù)雜，不適應(yīng)船用電網(wǎng)的變結(jié)構(gòu)特點。

基于以上因素，本文采用鏈表進行網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系建模，圖1中電力系統(tǒng)的鏈表拓撲模型如圖2所示。

圖2 多電源混合供電網(wǎng)絡(luò)變結(jié)構(gòu)拓撲模型Fig.2 Variable structure model for marine multi-source power supply grid

樹形拓撲模型可以充分利用樹形鏈表父節(jié)點唯一性的特點，快速搜索節(jié)點在模型中的層次；利用鏈表樹路徑唯一性特點，快速尋找短路點至供電電源間的路徑；利用鏈表結(jié)構(gòu)關(guān)系清晰的特點，在變結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中進行拓撲關(guān)系的快速重構(gòu)［9］。

2 拓撲模型在變結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的自適應(yīng)變化

樹形鏈表中的節(jié)點只有父節(jié)點、子節(jié)點、兄弟節(jié)點3個信息。拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，只用局部修改變化節(jié)點的相關(guān)信息即可完成重構(gòu)。

若圖1所示船用電網(wǎng)中發(fā)電機組G2解列（Q3斷開網(wǎng)絡(luò)），則只需將圖2中Q3與Q8的連接路徑斷開（連接關(guān)系由1改為0）。具體步驟為：

1）搜索Q3及其連接節(jié)點的關(guān)系，獲得Q3的父節(jié)點為Q8，存在一個子節(jié)點G2，G3與Q3一起脫離網(wǎng)絡(luò)；

2）修改Q8的子節(jié)點信息：刪除一個子節(jié)點Q3，子節(jié)點數(shù)量減1；

3）修改Q3的父節(jié)點信息：刪除Q3的父節(jié)點Q8，Q3脫離網(wǎng)絡(luò)。

完成重構(gòu)后的新拓撲模型如圖3所示，相比圖2，新網(wǎng)絡(luò)改動范圍很小，但正確描述了重構(gòu)后的拓撲關(guān)系。

圖3 變結(jié)構(gòu)拓撲模型自適應(yīng)處理后結(jié)構(gòu)Fig.3 Variable structure model of marine power grid after self-adaptation

3 自適應(yīng)短路計算模型

發(fā)生大電流短路時，網(wǎng)絡(luò)中的電流將集中分布在各電源至短路點的路徑上，而其他支路電流近似為零。因而只需考慮所有發(fā)電機組和大容量電動機至短路點的路徑，其它路徑可忽略。

根據(jù)戴維南等效定理，任何復(fù)雜的線性網(wǎng)絡(luò)均可等效成一個電源與一個阻抗串聯(lián)的形式，所以可將網(wǎng)絡(luò)中的電源兩兩依次等效合并，最后獲得戴維南等效電路，從而算出短路電流。而電源等效次序的正確與否是獲得準(zhǔn)確短路電流值的前提。

為方便尋找電源等效次序和短路計算，不僅需要對自適應(yīng)模型進行拓撲變換，還應(yīng)對短路計算模型進行基于短路點的拓撲關(guān)系變換，即將短路點作為根節(jié)點，通過節(jié)點的連接關(guān)系對網(wǎng)絡(luò)進行遍歷搜索，獲得針對當(dāng)前短路點的的網(wǎng)絡(luò)新拓撲。變換后的新模型是以短路點為根節(jié)點的樹形鏈表，這一模型能有效降低搜索大電流路徑交合點（見本文第4節(jié)）的運算復(fù)雜度，提高算法效率。

在圖2網(wǎng)絡(luò)中，若11與Q16間路徑發(fā)生大電流短路，根據(jù)上述小電流路徑忽略原則和自適應(yīng)短路計算模型拓撲變換方法，其自適應(yīng)變換模型如圖4所示。

圖4 自適應(yīng)變換模型Fig.4 Self-adaptation conversion model

4 電源等效排序算法

自適應(yīng)短路電流算法通過對電源的兩兩等效獲得短路時的戴維南等效電路，而多電源系統(tǒng)存在多種電源兩兩等效組合。如圖4所示的網(wǎng)絡(luò)，正確的等效次序是G3與M2合并，而后再將合并后的等效電源與G2合并，繼而進行后面的合并計算……。如果先將G2與G3合并，再將合并后的等效電源與M2合并，將得出錯誤的結(jié)果。這是由于船用電力系統(tǒng)采用集中參數(shù)模型，計算時嚴(yán)格遵守基爾霍夫定律，若采用不正確的等效次序，運算中將出現(xiàn)節(jié)點的流入電流與流出電流不一致的情況。如果首先將G2和G3合并，則合并計算中節(jié)點Q6的流入電流與流出電流不相等（由于M2的反充電流），不符合基爾霍夫定律，因而是錯誤的等效次序。

因此，如何解決多電源網(wǎng)絡(luò)的電源等效排序問題是算法的難點。

針對圖4所示新拓撲，設(shè)短路點的層號為0，對各節(jié)點進行層號搜索，搜索方法為：

1）流程A-1：將指針指向待搜索的節(jié)點，層號計數(shù)器count＝0；

2）流程A-2：根據(jù)樹形網(wǎng)絡(luò)父節(jié)點唯一性原則，搜索指針?biāo)诠?jié)點的父節(jié)點，判斷其父節(jié)點是否存在，如果存在，執(zhí)行流程A-3，如果不存在，執(zhí)行流程A-4；

3）流程A-3：將指針指向當(dāng)前節(jié)點的父節(jié)點，同時層號計數(shù)器count＋＋，執(zhí)行流程A-2；

4）流程A-4：將count的值作為待搜索節(jié)點的層號，并寫入其鏈表記錄。

根據(jù)以上流程，可求得圖4網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的層號如表1所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點層號Tab.1 Level number for each node

為搜索電源合并等效次序，本文提出“交合點”的概念——兩電源的“交合點”定義為：分別搜索兩電源X和Y至根節(jié)點的路徑XH和YH，XH與YH中開始重合的第一個節(jié)點即為兩電源的交合點。如圖4中M2至根節(jié)點的路徑為｛1，Q10，Q6，Q8，Q7，Q2，Q16，短路點｝，G3至根節(jié)點的路徑為｛Q4，Q6，Q8，Q7，Q2，Q16，短路點｝，兩路徑從節(jié)點Q6開始重合，所以節(jié)點Q6為P2和G3的交合點。圖4網(wǎng)絡(luò)中各電源對的交合點如表2所示。

表2 交合點初表Tab.2 Primary table of cross-coincide points

根據(jù)表2所示的交合點表，即可求出電源對的等效次序，計算原則為：交合點層號越大的電源對越優(yōu)先等效。這是由于最大層號的交合點意味著改交合點對應(yīng)的電源對處于最靠近電網(wǎng)末端位置，此時電源與交合點的路徑間不存在其它電流注入點（否則會出現(xiàn)層號更大的交合點），電源對的戴維南等效合并符合基爾霍夫電流定律。交合點表搜索電源對等效次序的具體流程如下：

1）流程B-1：搜索當(dāng)前交合點表中層號最大的交合點，將其對應(yīng)的電源對作為優(yōu)先電源對加入等效次序隊列，刪除優(yōu)先電源對中任意一個電源在交合點表中的所有記錄，另一個電源的編號作為電源對合并后的編號，執(zhí)行流程B-2；

2）流程B-2：判斷當(dāng)前交合點表是否為空，如果不為空，執(zhí)行流程B-1；如果為空，執(zhí)行流程B-3；

3）流程B-3：等效次序隊列完成，程序結(jié)束。

根據(jù)上述流程，可得圖4模型的等效電源次序隊列為：Q＝｛（M2，G3-＞G3），（G2，G3-＞G3），（G1，G3-＞G1），（G1，M3-＞戴維南電源）｝

由于多個電源對的交合點層號可能相同，會存在多種等效次序，但只要是按照流程B-1～流程B-3搜索獲得，就是正確的解。

5 自適應(yīng)變換算法流程

根據(jù)隊列Q和表2所示交合點初表信息進行網(wǎng)絡(luò)計算的流程為：

1）流程C-1：將隊列Q的隊首元素彈出隊列，將彈出的電源及其交合點間的電路進行戴維南等效。設(shè)彈出的當(dāng)前電源對的電壓分別為E1和E2，兩者與交合點M間的當(dāng)前電路阻抗分別為Z1和Z2；等效合并后的電源電壓為Eeq，等效電源至交合點的阻抗為Zeq，如圖4所示，則等效電源電壓計算如式（1）所示，等效電源至交合點間的電路阻抗計算如式（2）所示，執(zhí)行流程C-2。

圖5 自適應(yīng)變換算法原理模型Fig.5 Basic model for self-adaptation conversion algorithm

2）流程C-2：判斷隊列Q是否為空，如果不為空，執(zhí)行流程C-1；如果為空，執(zhí)行流程C-3；

3）流程C-3：計算交合點至根節(jié)點間的電路阻抗Z0，Eeq與 Eeq+Z0的比值即為故障點的短路電流。

6 算例分析

設(shè)圖4所示網(wǎng)絡(luò)中流過大電流的各支路阻抗如表3所示（根據(jù)樹形網(wǎng)絡(luò)特點，饋線支路與其末端節(jié)點一一對應(yīng)，所以實際運算時可僅將支路看作有阻抗的元素，節(jié)點的阻抗疊加至其進線支路中進行計算）：

設(shè)網(wǎng)絡(luò)中各發(fā)電機組出線電壓為400 V，等效反充電源出線電壓為320 V，根據(jù)表4所示參數(shù)，結(jié)合第4節(jié)得出的等效次序隊列Q，可求得短路點13 的短路電流為 494.04-1394.8j A，這一結(jié)果與MATLAB仿真結(jié)果495.27-1396.2j A基本一致，證明了自適應(yīng)變換算法的計算結(jié)果準(zhǔn)確。

表3 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)表Tab.3 Network nodes and branch resistances

7 性能分析

7.1 復(fù)雜度分析

采用自適應(yīng)變換算法進行短路計算，主要的時間開銷在于電源等效排序。

設(shè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點總數(shù)為N，電源及反充等效電源總數(shù)為P，最大層號為L?，F(xiàn)假定最壞情況：每一組電源對都在最大層號上。首先搜索各電源至根節(jié)點路徑，共耗費時間開銷為：

隨后進行交合點搜索，假定最壞情況，電源間交合點都處于靠近根節(jié)點位置，則每個交合點需進行（L-1）次比較后得出，P(P-1)個交合點供耗費時間開銷為：

船用電力系統(tǒng)的層次不多，根據(jù)交合點層號進行電源對排序時，可采用“抽屜分放法”，依次讀取各交合點，將其放入對應(yīng)的“層抽屜”中，而后按層號由大到小的順序依次讀出“層抽屜”內(nèi)的交合點并壓入排序隊列。這樣只需將所有交合點讀一遍即可獲得隊列Q，所需復(fù)雜度為：

綜上所述，自適應(yīng)變換算法總時間開銷為：

由此可見，自適應(yīng)變換算法的時間復(fù)雜度與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點總數(shù)無關(guān)，僅與電源總數(shù)的平方P2和網(wǎng)絡(luò)變換后的層數(shù)的平方L2有關(guān)。因此，自適應(yīng)變換算法能很好地適應(yīng)現(xiàn)代艦船電網(wǎng)節(jié)點數(shù)多的環(huán)境。

以往基于矩陣迭代（牛頓—拉夫遜迭代法及其衍生、改進的算法）的算法，一個基本的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點矩陣方程的求解復(fù)雜度為：

而實船系統(tǒng)中的電力節(jié)點總數(shù) N＞＞P，N＞＞L，所以，自適應(yīng)變換算法相比傳統(tǒng)算法具有明顯的效率優(yōu)勢。

7.2 自適應(yīng)功能可提高運算效率并適應(yīng)拓撲變化

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化或計算工況變化時，新系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)模型（圖2）可根據(jù)先前運算獲得的變結(jié)構(gòu)模型做局部變化后獲得。

如圖2所示的模型中，計算工況由原先的最大工況轉(zhuǎn)為最小工況（僅保留發(fā)電機組G1），如圖6所示。

圖6 最小工況變結(jié)構(gòu)鏈表模型Fig.6 Variable structure model for minimum operating condition

對比圖6和圖2，最小工況模型僅局部取消了末端電源節(jié)點及其與父節(jié)點連接的支路，算法簡潔、清晰，具體步驟可參考本文第2節(jié)。

因此，自適應(yīng)變換短路電流算法可通過對模型的局部修改來實現(xiàn)各種工況或各種結(jié)構(gòu)模型間的快速切換，適應(yīng)船用電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多變的環(huán)境。

7.3 其它性能分析

自適應(yīng)變換算法運算效率高，復(fù)雜度僅與電源總數(shù)的平方有關(guān)，計算時可針對網(wǎng)絡(luò)中每臺大功率旋轉(zhuǎn)負荷根據(jù)其工作特性建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并代入網(wǎng)絡(luò)計算，從而實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)負荷影響的精確量化處理。相比之下，國內(nèi)目前的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范提出的旋轉(zhuǎn)負荷反充電流處理方案過于籠統(tǒng)，無法適應(yīng)新型大電力負荷的船型。

只需獲知各供電母線和旋轉(zhuǎn)負荷的輸出參數(shù)就可進行短路計算，無需網(wǎng)絡(luò)其它節(jié)點的實時數(shù)據(jù)，適應(yīng)船用電力系統(tǒng)空間緊湊、無法進行各節(jié)點全面監(jiān)測的惡劣環(huán)境。

自適應(yīng)變換算法原理簡單，可與許多電網(wǎng)數(shù)學(xué)模型或處理方法配合使用：處理不對稱短路時，可將自適應(yīng)變換算法與疊加原理法［10］結(jié)合，將短路點疊加的電壓源代入自適應(yīng)變換算法進行短路計算；網(wǎng)絡(luò)建模時可同時考慮元件的電阻和電抗，直接采用復(fù)數(shù)運算的方式進行網(wǎng)絡(luò)計算，與系統(tǒng)的實際工況更加貼近。

8 結(jié) 語

針對變結(jié)構(gòu)船用電力網(wǎng)絡(luò)的快速自適應(yīng)能力，以及對不同短路點的快速等效建模，本文提出了一種“基于自適應(yīng)建模的短路計算方法”。其中，自適應(yīng)變換算法解決了船用電網(wǎng)面臨的變結(jié)構(gòu)和大規(guī)模問題，充分利用船舶電力系統(tǒng)開環(huán)運行的特點使運算效率有了質(zhì)的提高（復(fù)雜度降低一個次方級），從而使網(wǎng)絡(luò)各設(shè)備的精確建模，以及進行綜合量化計算成為可能；算法的硬件要求少，無需完備的實時電網(wǎng)數(shù)據(jù)，可快速、量化計算旋轉(zhuǎn)負荷反充電流對短路點的影響，能有效適應(yīng)船用電網(wǎng)的各種惡劣環(huán)境，具有很好的實船應(yīng)用價值。

［1］范忠，張慧媛.基于GIS數(shù)據(jù)平臺的配電網(wǎng)短路電流計算［J］.電力系統(tǒng)自動化，2005，29（23）：76-79.FAN Z，ZHANG H Y.Approach to short circuit current calculation in distribution system based on GIS platform［J］.Automation of Electric Power Systems，2005，29（23）：76-79.

［2］盧本初，張哲，陳紅坤.配電網(wǎng)潮流短路計算統(tǒng)一分析方法［J］.廣西電力，2004，27（6）：10-13.LU B C，ZHANG Z，CHEN H K.Unified method of analysis about short circuit calculation for power flow in power distribution network［J］.Guangxi Electric Power，2004，27（6）：10-13.

［3］羅慶躍，李曉明.變結(jié)構(gòu)模型短路電流計算方法［J］.中國電機工程學(xué)報，2005，25（1）：77-80.LUO Q Y，LI X M.A novel algorithm of short-circuit current with variable structure model［J］.Proceedings of the CSEE，2005，25（1）：77-80.

［4］茅濟春，高翔，張沛超，等.繼電保護運行管理專家系統(tǒng)中短路電流計算［J］.電力系統(tǒng)自動化，2001，25（15）：60-62.MAO J C，GAO X，ZHANG P C，et al.Fault calculate in expect system of relay coordination management［J］.Automation of Electric Power Systems，2001，25（15）：60-62.

［5］BHOWMIK PS，PURKAIT P，BHATTACHARYA K.A novel wavelet assisted neural network for transmission line fault analysis［C］//Procedings of The Indication 2008 IEEE Conference and Exhibition on Control，Communications and Automation.Kanpur，India，2008（1）：223-228.

［6］王輝，戴星華，尚朝奇.配電網(wǎng)三相短路計算［J］.有色冶金設(shè)計與研究，2005，26（4）：28-30，40.WANG H，DAI X H，SHANG Z Q.Calculation on three-phase short circuit of power distribution network［J］.Nonferrous Metals Engineering and Research，2005，26（4）：28-30，40.

［7］JOU H L，WU J C，WU K D，et al.Analysis of zig-zag transformer applying in the three-phase four-wire distribution power system［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2005，20（2）：1168-1173.

［8］KASHEM M A，GANAPATHY V，JASMON G B.A novel method for loss minimization in distribution networks［C］//International Conference on Electric Utility Degregulation and Restructuring and Power Technologies Proceedings.London，UK，2000：251-256.

［9］WENG L T，LIU K P，LIU X L，et al.Calculation of multi-power supplies short circuit based on distribution grid’s structure characteristics［C］//International Conference on ElectricalMachines and Systems（ICEMS）.Wuhan，China，2008：1026.

［10］車仁飛，李仁俊，李玉忠.基于疊加原理的配電網(wǎng)短路電流計算［J］.電力系統(tǒng)自動化，2001，25（24）：22-25，44.CHE R F，LI R J，LI Y Z.Short circuit calculation of distribution network based on superposition theorem［J］.Automation of Electric Power Systems，2001，25（24）：22-25，44.