VB与Matlab混合编程在电力系统短路计算中的应用.pdf

第 31 卷 增刊 2 电 网 技 术 Vol.31 Supplement 2 2007 年 12 月 Power System Technology Dec.2007 文章编号：1000-3673（2007）S2-0143-04 中图分类号：TM77 文献标识码：A 学科代码：4704054 VB 与 Matlab 混合编程在电力系统 短路计算中的应用 王建元1，师 旭1，师耀林2，赵 阳3（1东北电力大学，吉林省 吉林市 132012；2铜川供电局，陕西省 铜川市 727031；3两锦供电公司，辽宁省 锦州市 121000）Application of Hybrid Programming of VB and Matlab in Short-Circuit Calculation of Power System WANG Jian-yuan1，SHI Xu1，SHI Yao-lin2，ZHAO Yang3（1Northeast Dianli University，Jilin 132012，Jilin Province，China；2Tongchuan Power Supply Co.Ltd，Tongchuan 727031，Shaanxi Province，China；3Liangjin Power Supply Co.Ltd，Jinzhou 121000，Liaoning Province，China）摘要：实用短路电流计算模块是各种保护整定计算软件中最核心的部分。将 Visual Basic 与 Matlab 混合编程方法应用到短路计算中，结合了 Matlab 在矩阵运算方面速度快的优势和 VB 方便实现可视化人机界面的优点。在实际算例中验证了该方法的有效性和实用性，该方法相比于其他编程方法具有编程工作量少，界面清晰，方便运行人员使用的优点。关键词：电力系统；短路电流计算；VB；Matlab 软件 0 引言 随着电力工业的发展，电网规模不断扩大，继电保护整定计算和管理的工作量和技术难度大大增加，现场运行人员对继电保护整定计算系统的要求也越来越高。短路计算作为整个继电保护系统的核心部分也越来越受到重视。目前，继保整定运行人员借助计算机的一些辅助应用软件完成这项工作，但这些软件大都是采用Fortran 语言编制，需要在 DOS 环境下运行1-2。这些软件是不可视的，对使用人员要求较高，故障分析数据创建输入较繁，一般采用数据文件的形式输入数据，难以实现数据共享3。同时短路计算中要进行大量的数值及矩阵运算，具体处理过程耗时耗力。而采用计算功能强大的 Matlab 语言和 Visual Basic 语言相结合，便可容易克服这些问题，并能实现可视化短路计算。这将在很大程度上推动继电保护整定计算软件的研究和开发。本文利用 Matlab 语言的强大数值计算功能和VB 语言易于实现可视化编程优点，采用 2 种语言混合编程的方法；并通过 ActiveX 机制及利用Matcom 编译器将 Matlab 文件编译为 VB 可调用的模块的方法，实现了 2 种语言间的数据交换；并用实际算例验证了该方法的有效性和实用性。1 短路计算的数学模型 电力系统在运行过程中发生的故障大多数为短路故障(简称为短路)。其基本类型有4：对称短路和不对称短路；其中对称短路故障为三相接地短路；不对称短路包括：单相接地短路、两相接地短路和两相短路。同时还包括不对称纵向故障：单相断线和两相断线。用计算机进行故障分析时，主要采取 2 条基本假设：系统各元件的参数是恒定的，因而可以应用叠加原理；除了发生不对称故障的局部以外，系统其余部分各元件的三相参数是对称的。1.1 对称短路的计算机算法 对于具有 n 个节点的电力系统而言，其节点电压方程如式(1)所示 1112111(0)112122222(0)2212(0)12(0)knknkkkkknkkknnnknnnnnZZZZUUIZZZZUUIZZZZUUIZZZZUUI=+?(1)式中：iU?、iI?和(0)iU?分别为节点i的电压、电流和144 王建元等：VB 与 Matlab 混合编程在电力系统短路计算中的应用 Vol.31 Supplement 2 电压初值；ijZ为系统阻抗矩阵的元素。假设在k节点发生三相故障，故障阻抗为 Zf、故障电流为fI?时，其边界条件为 fff,0kkjZ=UIIII?(2)(1,2,()jn jk=?联立式(1)和式(2)，求解可得()0ffkkkZZ=+UI?(3)在求得故障电流求得后，利用式(4)即可求出各节点电压()()0f 0iikiUUIZ=?(1,2,)in=?(4)然后按式(5)可求得各支路短路电流 ijijijUUIZ=?(5)1.2 简单不对称短路的计算机算法 不对称短路的计算方法为对称分量法5。将发生不对称短路处出现的三相不对称电压分解成 3 组各自对称的正序、负序和零序分量。在电网中这 3组分量都能独立地形成其序网络，并满足欧姆定律和基尔霍夫定律。由各序网络相应地求出各序电流，然后将它们叠加起来，还原为三相不对称电流。应用对称分量法分析电力系统不对称短路时，总共有以下 3 个方程 AA12BA22CA011111UUUaaUUaaU=?(6)AA12BA22CA011111IIIaaIaaII=?(7)A111A1A22A2A00A0j0000j0000jUEXIUXIUXI=?(8)式中：AU?、BU?、CU?、AI?、BI?、CI?分别表示节点三相相电压和相电流；A1U?、A2U?、A0U?、A1I?、A2I?、A0I?分别表示节点 A 相电压和电流的正序、负序、零序分量；1X、2X、0X为节点的正序、负序、零序网络的综合阻抗；a为不平衡系数，数值为1/2j 3/2+；1E?为系统等效电源电压。上面 9 个方程，再加上电力系统发生不对称短路时的 3 个初始条件，即可求出在系统中发生不对称短路时的短路参数。1.3 对发生故障的互感线路组的处理 对于任意复杂结构的互感线路都可划分成一互感线路组6-7，在正常无故障情况下，求出其中两两线路之间总互感阻抗，写出该线路组的支路阻抗矩阵。但在有互感线路上发生故障时，由于故障点两侧故障电流的大小和方向不同，必须在故障点增设网络节点，将故障线路分裂成 2 条线路，重新计算与其他各线路之间的互感阻抗，形成新的阻抗矩阵。2 Visual Basic 与 Matlab 混合编程 2.1 概述 总体来说，Visual Basic 和 Matlab 有以下几种接口方法8-9：引入 Matrix VB；借助 Matcom 将Matlab 函数转换为 VB 可调用的 DLL 文件；基于ActiveX 机制的 VB 与 Matlab 混合编程。本文选择借助 Matcom 和基于 ActiveX 机制的2 种方法来实现混合编程，所编制的计算软件可处理的短路类型如下：单相接地短路；两相短路；两相接地短路；三相接地短路；单相断线；两相断线。对同杆双回线路中的互感、按照第 1 部分提到的方法加以处理。对于在不同点发生短路故障的信息数据，通过各模块中预留的数据输入环节，可方便灵活地实现 VB 与模块间的数据交换。2.2 基于 Matcom 编译器实现软件编程 利用 Matcom 编译器，将编写调试好的各短路计算模块函数，编译为 VB 可调用的模块，类模块和动态连接库文件；然后在 VB 代码中调用这些文件。其具体流程如图 1 所示。在具体使用过程中需要注意的事项如下：必 开始 读入初始网络数据 进行初始潮流计算 根据不同的短路类型，在 Matlab 中 编写短路计算模 m 块文件 利用 Matcom 将所编写的 m 文件，编译为*.dll*，.bas 和*.cls 文件 在 VB 程序中编写短路计算界面代码，并在不同类型断路故障计算中调用相应的模块根据所选的短路类型，输出计算结果结束 图 1 软件计算流程图 第 31 卷 增刊 2 电 网 技 术 145 须将生成的DLL文件拷贝到VB工程目录或者是系统目录 system32 下；把函数文件中的函数添加到VB 公共模块，其中的程序不需要任何修改；要实现与 Matrix 函数动态链接库接口，还必须有一个COM 动态链接库作为运行环境和 Matrix 函数动态链接库之间的代理，因此在 VB 工程中也必须引用Matrix 作为代理。2.3 基于 ActiveX 机制的 VB 与 Matlab 混合编程 Matlab 提供了对 ActiveX 自动化服务器和ActiveX 自动化控制器技术支持。在 VB 中开启Matlab 自动化服务器功能的具体步骤如下：（1）创建 ActiveX 对象。VB 能通过不同的方式实现对自动化对象的使用和操作，要创建一个ActiveX 对象，只需将 CreateObject 函数返回的对象赋给一个对象变量。具体如下：Dim Matlab As Object Set Matlab=CreateObject(“Matlab.Application”)（2）ActiveX 对象的操作。主要操作对象有 3个：BSTR Execute(inBSTR Command);GetFullMatrix(in BSTR Name);PutFullMatrix(inBSTR Name)Execute 对象操作的输入参数为字符串类型变量，它可以包含任何合法 Matlab 命令，执行 Execute方法将调用 Matlab，并执行一条由 Command 字符串决定的 Matlab 命令，并将结果以字符串形式进行输出，同时命令所产生的任何图形窗口都将直接显示在屏幕上。GetFullMatrix 方法用来将 Matlab 中的一个矩阵变量传送到 VB 程序中一个 1 维或 2 维数组中，具体如下：Void GetFullMatrix(inBSTR Name，inBSTR Workspace，in outBSTR SAFEARRAY(double)*prin outBSTR SAFEARRAY(double)*pi)其中：Name 指定 Matlab 中的矩阵变量名；Workspace 指定了该矩阵所在的工作空间；pr 和 pi分别是数组的实部和虚部。PutFullMatrix 方法用来将 VB 程序中一个 1 维或 2 维数组传送到 Matlab 的一个矩阵变量中，具体如下：Void PutFullMatrix(inBSTR Name,inBSTR Workspace,in outBSTR SAFEARRAY(double)*pr in outBSTR SAFEARRY(double)*pi)本文利用该方法在VB中直接应用Matlab的语句，但是该方法的具体实现要求 VB 和 Matlab 编程环境必须同时存在。3 算例分析 结合铜川地区某一局部网络，应用本文提出的2 种编程方法进行短路计算分析，相应的系统接线简图如图 2 所示。在计算中考虑华能 1 与华能 2 线路间的互感，假定在最大运行方式下进行三相接地短路计算，短路点分别选取母线 2，母线 4，母线 5、母线 6 以及线路华能 1 的中点处。采用 2 种编程方法的计算结果对比如表 1 所示，2 种编程方法的运行时间对比如表 2 所示。桃曲变110kV 母线110kV 母线110kV 母线 关庄变 华能变西环变北环变稠桑变456723 1华能 2 华能 1 西环 北环 关稠 图 2 算例系统接线简图 表 1 短路电流计算结果 短路电流/kA 短路点 短路点电压/kV手算 方法 1 计算 方法 2 计算母线 2 110 9.926 9.934 9.930 母线 4 10 1.769 1.773 1.771 母线 5 10 1.637 1.641 1.638 母线 6 10 1.714 1.713 1.715 华能 1 中点 10 2.243 2.252 2.251 从表 1 中的对比结果来看，采用 2 两种方法的计算结果与手算结果差异不大，说明这 2 种编程方法计算短路电流是有效的。表 2 运行时间对比结果 运行时间/ms 编程方法 母线 2母线 4 母线 5 母线 6 华能 1 中点Matcom 方法812 867 920 850 950 ActiveX 方法1038 1104 1201 1187 1213 从表 2 可以看出，采用基于 ActiveX 机制的编程方法在运算时间上明显大于采用 Matcom 的方法。这是因为前者是直接在VB中调用Matlab命令，相当于 VB 和 Matlab 同时运行，因此所需的时间多一些。虽然在小系统中时间优势不明显，但在多机大系统中有很大的应用空间。4 结论 采用VB和Matlab混合编程的方法进行短路计算，方便地实现了可视化人机交互界面，计算了不146 王建元等：VB 与 Matlab 混合编程在电力系统短路计算中的应用 Vol.31 Supplement 2 同的短路类型，不同运行方式和不同短路点处的短路电流，在很大程度上简化了程序代码的编写，缩短了应用程序的开发周期。采用 Matcom 方法实现 VB 和 Matlab 间数据交换，应用到短路计算中，能有效地提高计算速度节省运行时间；同时使程序在结构上更紧凑，便于维护测试，在短路计算中方便应用。参考文献 1 朱浩骏，蔡泽祥，侯汝峰，等面向对象的图形化地区电网继电保护整定软件研究J电网技术，2004，28(22)：20-25 2 曹国臣继电保护整定计算中故障计算的通用方法J电网技术，2002，26(12)：24-29 3 曹国臣，蔡国伟继电保护整定计算方法存在的问题与解决对策J中国电机工程学报，2003，23(10)：51-56 4 西安交通大学电力系统计算M北京：水利电力出版社，1978 5 姜彤，白雪峰，郭志忠，等基于对称分量模型的电力系统短路故障计算方法J中国电机工程学报，2003，23(2)：50-53 6 张言仓，杨洪平，郭征电网故障计算中零序多重互感线路的处理J电力系统自动化，2004，28(21)：89-91 7 石东源，李银红，段献忠电力系统故障计算中互感线路的处理J中国电机工程学报，2002，22(7)：58-61.8 谢楠，陈汉良 VB 与 Matlab 的几种接口编程技术J 仪器仪表学，2004，23(4)：571-574 9 黎洪生，龚荣，陈雷Matlab 与 VB 的无缝集成在电力系统仿真中的应用J电力自动化设备，2004，24(10)：45-47 收稿日期：2007-09-24。作者简介：王建元(1971)，男，博士，教授，研究方向为继电保护及电力电子技术；师 旭(1982)，女，硕士，研究方向为继电保护；师耀林(1954)，男，学士，工程师，从事地区电网继电保护工作；赵 阳(1969)，男，学士，工程师，从事地区电网调度工作。（责任编辑 马晓华）