一种特高压增容后变电站设备安全性分析的仿真方法
【专利摘要】本发明涉及一种特高压增容后变电站设备安全性分析的仿真方法，包括下述步骤：步骤1：根据实际电网的潮流数据采用PSCAD搭建等值网络模型，等值网络模型包括负荷模型，交流输电线路模型，发电机模型以及变压器模型；步骤2：对PSCAD等值网络模型进行稳态情况和故障情况下的仿真，得到稳态电压电流数据以及过电压、过电流数据，分析稳态下和故障下主设备的运行状态；步骤3：使用MATLAB软件读入PSCAD输出的各种故障情况下的过电压、过电流数据，编程分析二次设备的运行状态。该方法针对特高压环境对变电站一二次设备的影响进行研究，保证主设备的安全运行和二次设备的正确控制，保证特高压电网安全稳定运行。
【专利说明】一种特高压增容后变电站设备安全性分析的仿真方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及特高压输电与电力系统软件仿真交叉领域，具体涉及一种特高压增容后变电站设备安全性分析的仿真方法。
【背景技术】
[0002]PSCAD/EMTDC (Power Systems Computer Aided Design/Electro-MagneticTransient In DC System)是目前世界上电力系统中广泛使用的一种电磁暂态仿真软件。EMTDC是一套电磁暂态模拟程序，PSCAD是其用户界面。PSCAD是一个功能强大并且完全集合的绘图界面，是用户与EMTDC连接的窗口。在这个界面上可以模拟实际系统绘出仿真系统，并且对其进行仿真。结果分析，可以采用曲线或者测量表对结果进行输出，从仿真界面上可以直观的看到仿真结果。EMTDC是PSCAD仿真的核心程序，它采用F0RTRAN77和F0RTRAN90承认的模型编写，当使用F0RTRAN90模型时，可自动分配网络尺寸来满足仿真的需要。当我们实际需要某一个模型时，如果元件库中没有，我们也可以采用FORTRAN语言进行编写。在仿真电路模型建立完成后，运行时是通过R0RTRTAN编译器进行编译、连接，运行结果可以随着程序的进度在PLOT中实时生成曲线，以效验结果是否合理。
[0003]MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言(如C、Fortran)的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
[0004]PSCAD程序仅具有电力系统的仿真功能，对于输出的数据缺乏进一步的处理能力；MATLAB程序可以根据用户的需求对现有的数据进行编程处理，但是需要其他的仿真软件为其提供仿真数据。因此现有的软件缺乏既能仿真输出数据，又能根据用户需求对数据进行处理进而得到结果的能力。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种特高压增容后变电站设备安全性分析的仿真方法，该方法针对复杂特高压环境对变电站一二次设备的影响进行深入研究，通过仿真分析方法研究在特高压、大负荷情况条件下主设备的工作特性，以及二次设备的运行控制方式，在此基础上深入研究复杂特高压环境对继电保护的影响，保证主设备的安全运行以及二次设备的正确控制，保证特高压电网的安全稳定运行。
[0006]本发明的目的是采用下述技术方案实现的:
[0007]本发明提供一种特高压增容后变电站设备安全性分析的仿真方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤:
[0008]步骤1:根据实际电网的潮流数据采用PSCAD搭建等值网络模型，等值网络模型包括负荷模型，交流输电线路模型，发电机模型以及变压器模型；
[0009]步骤2:对PSCAD等值网络模型进行稳态情况和故障情况下的仿真，得到稳态电压电流数据以及过电压、过电流数据，分析稳态下和故障下主设备的运行状态；
[0010]步骤3:使用MATLAB软件读入PSCAD输出的各种故障情况下的过电压、过电流数据，编程分析二次设备的运行状态。
[0011]进一步地，所述步骤I中，所述负荷模型处理包括:(1)按照有功出力与负有功负荷相等的情况等值发电机的方式处理；(2)作为三相有功负荷来处理，三相有功负荷值会随母线电压产生波动，不影响无功的分布；
[0012]交流输电线路模型:采用PSCAD中的PI模型，PI模型为集中参数模型，利用集中参数R、L、C模拟线路的电阻、感性效应和容性效应；
[0013]发电机模型:仿真过程中采用PSCAD中自带的三相电压源模型作为发电机模型，给定发电机正序和零序的次暂态电抗，并给予实际潮流运算结果中电压和功率的期望值让其自动调节；
[0014]变压器模型:电网进行动态等值后，变压器分布于保留发电机和500kV母线节点之间，变压器的各绕组电压为相电压，且按照分接头位置电压来确定。
[0015]进一步地，所述步骤2中，在PSCAD等值网络模型中分别在变电站区内、区外、进线端以及母线上设置单相接地故障，两相相间故障和三相接地故障，仿真计算得到电压电流值，分析主设备(变压器、断路器)在稳态情况下的运行状态。
[0016]进一步地，所述步骤3中，将第2步中所得到的各种故障状态下PSCAD仿真得到的电压电流测量数据以文本格式输出，并使用MATLAB编程读入电压电流数据，进行傅里叶变换之后矢量相乘，进而做出开断容量曲线来分析主变压器各侧断路器的开断容量是否越限；
[0017]将各种故障情况下所有保护安装处的测量数据以文本格式输出，然后结合继电保护装置原理，编写进线、母线及变压器主保护的算法程序，读入PSCAD输出的数据进行分析，做出保护动作特性，分析二次设备(主要为继电保护设备)能否正确动作。
[0018]与现有技术比，本发明达到的有益效果是:
[0019]1、本发明基于PSCAD和MATLAB联合仿真特高压增容后相邻变电站设备运行状态，能够充分发挥软件的各自优势，进行特高压增容后变电站主设备和二次设备的安全情况的仿真与分析。为设备配置、现场运行提供管理维护依据，具有重要的指导意义。本发明所用到的分析方法，可以实现对一个区域的电力系统的混合仿真分析，具有推广价值。
[0020]2、本发明针对复杂特高压环境对变电站一二次设备的影响进行深入研究，通过仿真分析方法研究在特高压、大负荷情况条件下主设备的工作特性，以及二次设备的运行控制方式，在此基础上深入研究复杂特高压环境对继电保护的影响，保证主设备的安全运行以及二次设备的正确控制，保证特高压电网的安全稳定运行。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本发明提供的特高压增容后变电站设备安全性分析的仿真方法流程图；
[0022]图2是本发明提供的常用于PSCAD模型中变电站的一种故障设置方法图；
[0023]图3是本发明提供的特高压增容后的稳态运行下变电站I号主变压器的电压波形；其中(a)为高压侧电压波形；(b)为中压侧电压波形；(c)为低压侧电压波形；
[0024]图4是本发明提供的特高压增容后变电站I号主变压器中压侧A相短路接地故障下三侧电压波形；其中(a’)为高压侧电压波形；(b’)为中压侧电压波形；(c’)为低压侧电压波形；
[0025]图5是本发明提供的特高压增容后与变电站相连的线路发生A相短路接地故障下MATLAB做出的纵联电流差动保护特性图；
[0026]图6是本发明提供的特高压增容后与变电站相连的线路发生A相短路接地故障下MATLAB做出的距离保护特性图；
[0027]图7是本发明提供的特高压增容后变电站I号主变压器中压侧发生AB相间短路故障下MATLAB做出的电流差动保护特性图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细说明。
[0029]本发明主要针对特高压增容后的送电端500kV变电站设备安全性进行分析。首先采用PSCAD仿真分析软件搭建特高压送电端500kV变电站所在的局部电网模型，然后对系统在各种运行状态下(停送电，故障停电)进行仿真计算，然后将计算结果数据导入MATLAB仿真中进行处理，分析特高压增容后的变电站主设备与二次设备运行安全性。
[0030]本发明提供的特高压增容后变电站设备安全性分析的仿真方法流程图如图1所示，包括下述步骤:
[0031]步骤1:根据实际电网的潮流数据采用PSCAD搭建等值网络模型，具体包括负荷模型，交流输电线路模型，发电机模型以及变压器模型；
[0032]1、负荷模型。负荷模型的处理方法有二，一种是按照有功出力与负有功负荷相等的情况等值为发电机，这样处理发电机必然会有无功输出，可以在发电机母线上挂无功负荷来吸收一部分无功功率，但是仍然会有大量无功流入系统，对系统潮流的分布会造成影响；第二种是作为三相有功负荷来处理，这样的话其值就会随母线电压产生波动，但是不影响无功的分布。如果负有功负荷所在母线节点电压变化不大的话，可以按照第二种方式来处理。由等值后的结果可知，负有功负荷主要出现在边界节点和等值机上，而这些节点处于动态等值系统的电源附近，电压幅值的波动不大，在对远离这些节点的故障进行仿真分析时，按照第二种方法处理有一定的可行性，仿真模型也更简化。
[0033]I1、交流输电线路模型。采用PSCAD中的PI模型，该模型为集中参数模型，利用集中参数R、L、C模拟线路的电阻以及感性和容性效应。
[0034]II1、变压器模型。电网进行动态等值后，变压器分布于保留发电机和500kV母线节点之间。变压器的各绕组电压为相电压，且应该按照分接头位置电压来确定。
[0035]IV、发电机模型。仿真过程中可采用PSCAD中自带的三相电压源模型作为发电机模型，给定发电机的正序和零序的次暂态电抗，并给予实际潮流运算结果中的电压和功率的期望值让其自动调节。
[0036]步骤2:对PSCAD模型进行稳态情况下的仿真，得到稳态电压电流数据，分析稳态下设备运行状态；在所搭模型中分别在变电站区内、区外、进线端以及母线上分别设置单相接地故障，两相相间故障和三相接地故障，仿真计算得到相应的电压电流值，分析主设备的运行状态。
[0037]如图1所示，对所搭建的PSCAD模型进行稳态情况下的仿真，得到稳态电压电流数据，从而分别分析主设备在稳态情况下的过电压和过电流情况；如图2所示，在所搭模型中分别在变电站区内、区外、进线端以及母线上分别设置A相接地故障，AB相间故障和ABC三相接地故障，仿真并得到故障状态下的电压电流值，分析主设备在各种故障下的过电压情况。
[0038]步骤3:将各种故障情况下PSCAD中电压电流的测量数据以文本格式输出。然后使用MATLAB软件编写算法程序，读入PSCAD输出的数据来确定主设备和二次设备的运行状态。
[0039]如图1所示，将第二步中所得到的各种故障状态下PSCAD仿真得到的电压电流测量数据以文本格式输出。使用MATLAB编程读入电压电流数据，进行傅里叶变换之后矢量相乘，进而做出开断容量曲线来分析主变压器各侧断路器的开断容量是否越限；将各种故障情况下所有保护安装处的测量数据以文本格式输出，然后结合继电保护装置原理，使用MATLAB软件编写进线、母线及变压器主保护的算法程序，读入PSCAD输出的数据进行分析，做出保护动作特性，分析其能否正 确动作。
[0040]通过上述实施步骤，可以通过PSCAD与MATLAB混合仿真分析复杂特高压环境对变电站一二次设备的影响，保证主设备的安全运行以及二次设备的正确控制，保证特高压电网的安全稳定运行。
[0041]实施例
[0042]采用PSCAD搭建的特高压增容后某实际电站及其所在区域电网的等值模型。对该模型进行稳态情况下的仿真，得到特高压增容后的稳态运行下某变电站I号主变压器的电压波形如图3所示。由此图可以得到变压器三侧引出线上的瞬时电压值，取稳定运行电压上下限为0.95至1.05倍的额定值，则三侧瞬时电压值均在此范围内，变压器处于正常工作状态。
[0043]对该变电站I号主变压器设置中压侧A相短路接地故障，其三侧电压波形如图4所示。故障状态下I号主变三侧相电压值均低于1.05倍额定电压，可以保证变压器的正常工作。
[0044]以与该变电站相连的某线路发生A相接地故障为例分析线路纵联电流差动保护和距离保护。线路A相故障后，将PSCAD仿真所得的故障数据导入MATLAB，编程做出纵联电流差动保护特性见图5，A相差动电流、制动电流剧增至50?kA，远大于最小差动启动电流，同时差动-制动特性的斜率接近于1，Id > 0.6IpA相纵联电流差动保护动作，而B、C两相电流特性与正常状态接近，保护不会动作。
[0045]同样用MATLAB做出该线路的距离保护特性见图6，距离保护具有选相功能，故只需关注A相接地测量阻抗。变电站侧的A相测量阻抗(黑色曲线)进入了保护动作区域，A相接地距离保护会动作。经仿真分析，其他非故障线路、500kV母线、主变压器的主保护特性均与正常运行状态接近，不会出现误动作情况。
[0046]以该变电站I号主变中压侧发生AB相间短路故障为例分析主变差动保护。I号主变压器中压侧发生AB相间短路故障后，其电流差动保护特性见图7。故障后三相的差动电流都大幅度上升，大于最小启动电流0.4kA，差动保护启动，同时比率制动曲线斜率接近1，大于整定值0.5，故变压器差动保护能够动作，将故障切除。
[0047]最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种特高压增容后变电站设备安全性分析的仿真方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤: 步骤1:根据实际电网的潮流数据采用PSCAD搭建等值网络模型，等值网络模型包括负荷模型，交流输电线路模型，发电机模型以及变压器模型； 步骤2:对PSCAD等值网络模型进行稳态情况和故障情况下的仿真，得到稳态电压电流数据以及过电压、过电流数据，分析稳态下和故障下主设备的运行状态； 步骤3:使用MATLAB软件读入PSCAD输出的各种故障情况下的过电压、过电流数据，编程分析二次设备的运行状态。
2.如权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述步骤I中，所述负荷模型处理包括:(I)按照有功出力与负有功负荷相等的情况等值发电机的方式处理；(2)作为三相有功负荷来处理，三相有功负荷值会随母线电压产生波动，不影响无功的分布； 交流输电线路模型:采用PSCAD中的PI模型，PI模型为集中参数模型，利用集中参数R、L、C模拟线路的电阻、感性效应和容性效应； 发电机模型:仿真过程中采用PSCAD中自带的三相电压源模型作为发电机模型，给定发电机正序和零序的次暂态电抗，并给予实际潮流运算结果中电压和功率的期望值让其自动调节； 变压器模型:电网进行动态等值后，变压器分布于保留发电机和500kV母线节点之间，变压器的各绕组电压为相电压，且按照分接头位置电压来确定。
3.如权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述步骤2中，在PSCAD等值网络模型中分别在变电站区内、区外、进线端以及母线上设置单相接地故障，两相相间故障和三相接地故障，仿真计算得到电压电流值，分析主设备在稳态情况下的运行状态。
4.如权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述步骤3中，将第2步中所得到的各种故障状态下PSCAD仿真得到的电压电流测量数据以文本格式输出，并使用MATLAB编程读入电压电流数据，进行傅里叶变换之后矢量相乘，进而做出开断容量曲线来分析主变压器各侧断路器的开断容量是否越限； 将各种故障情况下所有保护安装处的测量数据以文本格式输出，然后结合继电保护装置原理，编写进线、母线及变压器主保护的算法程序，读入PSCAD输出的数据进行分析，做出保护动作特性，分析二次设备能否正确动作。
【文档编号】G01R31/00GK103823143SQ201410089979
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月12日 优先权日:2014年3月12日
【发明者】蒲天骄, 董雷, 田爱忠, 范征, 李丹 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院, 华北电力大学