一种考虑隔离开关断口电弧的电力系统仿真方法与流程

本申请涉及电力技术领域，尤其涉及一种考虑隔离开关断口电弧的电力系统仿真方法。

背景技术

电力设备发生故障时，往往会引起电力系统的暂态变化，其中，电弧引起的暂态变化过程最为复杂，且对设备的影响较大，因此有必要对电弧引起的电网暂态过程进行分析，评估电弧对电力设备造成的影响，通常可以采用仿真的手段对电弧过程进行分析。

在电力企业中，分/合隔离开关是最为常见的操作，在进行分/合隔离开关的操作时，往往会伴随有电弧的产生，但目前考虑电弧的仿真分析大多数都是针对输电线路放电的，缺少一种考虑分/合隔离开关引起的电弧的仿真方法，难以评估分/合隔离开关引起的电弧对电力设备造成的影响。

技术实现要素：

本申请实施例提供了一种考虑隔离开关断口电弧的电力系统仿真方法，解决了目前考虑电弧的仿真分析大多数都是针对输电线路放电的，缺少一种考虑分/合隔离开关引起的电弧的仿真方法，难以评估分/合隔离开关引起的电弧对电力设备造成的影响的技术问题。

有鉴于此，本申请提供了一种考虑隔离开关断口电弧的电力系统仿真方法，所述方法包括步骤：

s1、根据隔离开关分/合过程的断口距离与时间的第一对应关系以及所述断口距离与击穿电压的第二对应关系，建立所述隔离开关分/合过程的所述击穿电压与时间的第三对应关系；

s2、根据所述第三对应关系，设定电弧模拟模块的电弧状态判断依据；

s3、在电力系统仿真模型中调用所述电弧模拟模块以进行仿真。

优选地，所述电弧状态判断依据具体包括步骤：

a1、判断监测到的所述断口电弧的电流幅值是否小于预设电流幅值，若是，则进入步骤a2，否则，确定所述断口电弧为燃弧状态并重新进入步骤a1；

a2、判断实时监测到的所述隔离开关断口两端的电压是否大于同一时刻对应的所述击穿电压，若是，则进入步骤a1，若否，则确定所述断口电弧为熄弧状态。

优选地，所述步骤a1具体包括：

判断监测到的所述断口电弧的电流幅值是否小于预设电流幅值且所述断口电弧的电压变化率是否小于预设电压变化率，若均为是，则进入步骤a2，否则，则确定所述断口电弧为燃弧状态并重新进入步骤a1。

优选地，所述步骤s1具体包括：

根据隔离开关分/合过程的断口距离与时间的第一对应关系以及所述断口距离与击穿电压的第二对应关系，构建所述隔离开关分/合过程的所述击穿电压与时间的关系曲线，对所述关系曲线进行分段拟合得到所述隔离开关分/合过程的所述击穿电压随时间变化的数学表达式，将所述数学表达式作为第三对应关系。

优选地，所述电力系统仿真模型包括：电力设备等效模型、输电线路等效模型以及电网参数等效模型。

优选地，所述步骤s3之后还包括：

s4、根据仿真过程监测到的电流与电压，计算所述电力设备等效模型积累的热量；

s5、将所述热量与所述电力设备等效模型的额定通流容量进行比对，得出设备状态评估结果。

优选地，所述电力系统仿真模型还包括：

故障/操作模块，用于调整电力系统参数以模拟电力操作或电力故障。

优选地，所述电力设备等效模型具体包括：隔离开关等效模型、避雷器等效模型、断路器等效模型、电流互感器等效模型以及电压互感器等效模型。

优选地，所述隔离开关分/合过程的断口距离与时间的第一对应关系具体为根据所述隔离开关的物理构造及传动装置特性得到的所述隔离开关分/合过程的断口距离随时间变化的关系曲线。

优选地，所述所述断口距离与击穿电压的第二对应关系具体为根据现场试验数据得出的隔离开关分/合过程的所述断口距离与击穿电压的第二对应关系。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请实施例中，提供了一种考虑隔离开关断口电弧的电力系统仿真方法，根据隔离开关分/合过程的断口距离与时间的第一对应关系，以及断口距离与击穿电压的第二对应关系，建立隔离开关分/合过程的击穿电压与时间的第三对应关系，再根据第三对应关系，设定电弧模拟模块的电弧状态判断依据，在电力系统仿真模型中调用上述的电弧模拟模块以进行仿真。由于在设定电弧模拟模块的电弧状态判断依据时，考虑了隔离开关分/过程的击穿电压与时间的关系，而隔离开关分/过程的击穿电压与时间的关系能够反映出隔离开关分/合过程中断口距离的非线性变化，因此该仿真方法能够准确地模拟分/合隔离开关产生的电弧造成电力系统暂态变化的过程，从而可以根据仿真得到的数据评估分/合隔离开关产生的电弧对电力设备造成的影响。

附图说明

图1为典型隔离开关的结构示意图；

图2为本申请提供的考虑隔离开关断口电弧的电力系统仿真方法的第一个实施例的流程示意图；

图3为本申请提供的考虑隔离开关断口电弧的电力系统仿真方法的第二个实施例的流程示意图；

图4为某隔离开关分闸过程断口距离-时间的关系曲线图；

图5为利用emtp编写的关于击穿电压判据的程序示意图

图6为在隔离开关传动卡涩故障下的电力系统仿真模型的接线示意图；

图7为仿真过程得到的某电力设备的电压波形图；

图8为电容器在热备用及多次燃弧情况下的能量积累情况的示意图；

图9为采用emtp中varify功能对线路对地电容进行估算的示意图；

图10为避雷器电阻片典型的伏安特性曲线示意图；

图11为投切短母线对应的等效系统的接线图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

隔离开关的主要用途是保证电路中的检修部分与带电体之间的隔离，其动作方式可分为闸刀式、旋转式、插入式等，可以参见图1，图1为典型隔离开关的结构示意图。隔离开关断口距离通常在一米以上，操作时在手动或电动操作机构驱动下，闸刀在平面内转动带动触头分离。在这一过程中往往存在拉弧现象。由于其传动的特点，导致其运行时间与断口距离变化往往是非线性关系。

请参阅图2，图2为本申请提供的考虑隔离开关断口电弧的电力系统仿真方法的第一个实施例的流程示意图，该方法包括：

步骤201：根据隔离开关分/合过程的断口距离与时间的第一对应关系以及断口距离与击穿电压的第二对应关系，建立隔离开关分/合过程的击穿电压与时间的第三对应关系。

第一对应关系是断口距离与时间的对应关系，第二对应关系是断口距离与击穿电压的对应关系，因此结合第一对应关系和第二对应关系可以建立击穿电压与时间的第三对应关系，显然，该第三对应关系已经包含了断口距离随时间的变化的信息。

步骤202：根据第三对应关系，设定电弧模拟模块的电弧状态判断依据。

在得到第三对应关系后，可以利用第三对应关系中包含的击穿电压与时间的数据及关系信息，设定电弧模拟模块的电弧状态判断依据。

步骤203：在电力系统仿真模型中调用电弧模拟模块以进行仿真。

应当理解的是，电力系统仿真模型是具备对整个电力系统进行仿真的系统，可以在该仿真模型的基础上调用上述的电弧模拟模块，由于上述的电弧模拟模块的电弧状态判断依据是利用了隔离开关击穿电压与时间的对应关系设定的，因此该仿真过程也能反映出分/合隔离开关产生的电弧造成的影响。

本申请提供的第一个实施例中，根据隔离开关分/合过程的断口距离与时间的第一对应关系，以及断口距离与击穿电压的第二对应关系，建立隔离开关分/合过程的击穿电压与时间的第三对应关系，再根据第三对应关系，设定电弧模拟模块的电弧状态判断依据，在电力系统仿真模型中调用上述的电弧模拟模块以进行仿真。由于在设定电弧模拟模块的电弧状态判断依据时，考虑了隔离开关分/过程的击穿电压与时间的关系，而隔离开关分/过程的击穿电压与时间的关系能够反映出隔离开关分/合过程中断口距离的非线性变化，因此该仿真方法能够准确地模拟分/合隔离开关产生的电弧造成电力系统暂态变化的过程，从而可以根据仿真得到的数据评估分/合隔离开关产生的电弧对电力设备造成的影响。

以上为本申请提供的考虑隔离开关断口电弧的电力系统仿真方法的第一个实施例的详细说明，下面请参阅图3，图3为本申请提供的考虑隔离开关断口电弧的电力系统仿真方法的第二个实施例的流程示意图，该方法包括：

步骤301：根据隔离开关分/合过程的断口距离与时间的第一对应关系以及断口距离与击穿电压的第二对应关系，构建隔离开关分/合过程的击穿电压与时间的关系曲线，对关系曲线进行分段拟合得到的隔离开关分/合过程的击穿电压随时间变化的数学表达式，将上述数学表达式作为第三对应关系。

需要说明的是，隔离开关分/合过程的断口距离与时间的第一对应关系可以根据隔离开关的物理构造及传动装置特性得到，具体的，第一对应关系可以是反映断口距离随时间变化的关系曲线，如图4所示，图4为某隔离开关分闸过程断口距离-时间的关系曲线图；隔离开关分/合过程的断口距离与击穿电压的第二对应关系可以通过现场进行试验，将试验后的数据进行处理得到。

构建出隔离开关分/合过程的击穿电压与时间的关系曲线后，可以对该关系曲线进行分段拟合，得到该关系曲线的数学表达式，从而方便计算机对数据进行计算与处理。

步骤302：根据第三对应关系，设定电弧模拟模块的电弧状态判断依据为：

步骤3021：判断监测到的断口电弧的电流幅值是否小于预设电流幅值，若是，则进入步骤3022，否则，确定断口电弧为燃弧状态并重新进行步骤3021；步骤3022：判断实时监测到的隔离开关断口两端的电压是否大于同一时刻对应的击穿电压，若是，则进入步骤3021，若否，则确定断口电弧为熄弧状态。

需要说明的是，具体在构建仿真模型时，可以在隔离开关的断口两侧设置电压、电流实时监测模块，对断口两端电压以及弧道电流进行监测，通过软件对监测得到断口两端电压绝对值进行计算，并将该电压绝对值以及测量到的弧道电流值提供给电弧模拟模块。

电弧模拟模块可以根据电弧理论对燃熄弧过程进行模拟，即在电弧状态及系统状态已知的情况下，可以预估下一时间周期的行为特性。具体描述如下：如果已知电弧处于燃弧状态，根据电弧理论，电弧在过零点熄弧，考虑到弧道较长时，电弧电流小于某一值时便难以维持，因此可以设置一个预设电流幅值，若判断监测到的断口电弧的电流幅值小于预设电流幅值，则表明电弧不能维持，将要熄灭；若判断监测到的断口电弧的电流幅值仍然大于或者等于预设电流幅值，表明电弧将继续维持，则重新开始步骤3021，继续对下一时刻的断口电弧的电流幅值进行判断。

需要说明的是，在判断电弧能否维持时，为了得到更为准确的仿真结果，还可以在判断断口电弧的电流幅值是否小于预设电流幅值的同时判断断口电弧的电压变化率是否小于预设电压变化率，当同时满足上述两个条件时，确定电弧为熄灭状态，否则，电弧为燃弧状态。

若电弧不能维持，则需要判断其能否重燃，在步骤3022中，可以监测到的电压特征，该电压特征可以是断口处电压绝对值，也可以是瞬态恢复电压梯度等，并且，利用第三对应关系可以计算出该时刻的击穿电压，判断实时监测到的隔离开关断口两端的电压是否大于计算出的同一时刻对应的击穿电压，若是，则表明断口重新击穿，此时电弧重燃，因此再次进入步骤3021时，断口电弧的电流幅值也将大于预设电流幅值，可以确定出断口电弧为燃弧状态；当然，若实时监测到的隔离开关断口两端的电压不大于同一时刻对应的击穿电压，则电弧无法重燃，可以直接确定出电弧处于熄弧状态。在具体实现时，可以采用emtp软件进行编程实现，如图5所示，图5为利用emtp编写的关于击穿电压判据的程序示意图。

循环利用上述的电弧状态判断依据，电弧模拟模块可以实时的判断仿真时间段内每一时刻的电弧状态，当电弧状态明确是，电弧模拟模块便可在仿真中起到模拟电弧发生的效果，使电力系统仿真模型产生相应的暂态变化过程。

步骤303：在电力系统仿真模型中调用电弧模拟模块以进行仿真。

电力系统仿真模型应当是一个完整的电力系统模型，可以包括电力设备等效模型、输电线路等效模型以及电网参数等效模型。

其中，电力设备等效模型可以包括各种电力设备，比如可以包括隔离开关等效模型、避雷器等效模型、断路器等效模型、电流互感器等效模型以及电压互感器等效模型；当然，根据实际需求，还可以增加其他电力设备的模型，比如电容器等效模型，电抗器等效模型等等，各式各样的电力设备均可应用与本申请提供的技术方案中，在此不作限定。

电力系统仿真模型还可以包括故障/操作模块，用于调整电力系统参数以模拟电力操作或电力故障。具体的，模拟的电力操作可以为系统投切操作，系统投切过程可以理解为隔离开关操作短母线的过程以及断路器投切母线或线路的过程，投切母线在实际操作中均存在燃弧现象；而模拟的电力故障可以是突发故障，例如隔离开关传动卡涩、断路器均匀电容故障等，这些故障可能导致燃弧危害进一步扩大。根据实际需求，故障/操作模块可以是时控开关、接地开关等。可以参见图6，图6为在隔离开关传动卡涩故障下的电力系统仿真模型的接线示意图。

步骤304：根据仿真过程监测到的电流与电压，计算电力设备等效模型积累的热量。

在具体仿真时，可以在各个电力设备等效模型两侧设置电压和电流探针，对仿真过程中的电力系统的暂态电压和暂态电流的波形数据进行采集，如图7所示，图7为仿真过程得到的某电力设备的电压波形图，利用采集到的电压及电流数据，通过积分运算，可以计算出各个电力设备积累的热量。

比如，在避雷器等效模型两侧设置电压和电流探针，并通过积分可得出其电阻片的能量积累随时间上升的波形，同理，电容式电压互感器、分压电容以及断路器等重点关注设备上，也可以进行电气参数的实时监测；根据输出电压波形和电流波形，结合持续时间，可以计算出其积累的热量，如图8所示，图8为电容器在热备用及多次燃弧情况下的能量积累情况的示意图。

步骤305：将热量与电力设备等效模型的额定通流容量进行比对，得出设备状态评估结果。

计算出各个电力设备积累的热量后，将其与电力设备的额定通流容量进行比对，可以判断出该设备在分/合隔离开关产生的电弧的影响下处于一种怎样的状态，若计算出的热量远大于其额定通流容量，则该电力设备将处于严重的过热状态，也可以通过热量计算出电力设备的温升，从而判断电力设备的发热是否在合理范围内，能够对各个电力设备的状态进行评估。

不考虑暂态过程散热情况时，可以认为系统内各设备在燃弧期间所吸收的能量全完转化为热量。在系统参数不同，例如输电线路较长、采用电缆出线等情况下，投切隔离开关时的操作顺序不同，对拉弧过程产生影响也不同，也就是说，采用合适的操作顺序是可能避免某些严重的拉弧现象的，并有可能降低拉弧的时间。因此，上述的评估结果可以对故障查找和风险评估起到很好的指导作用，可以对优化电网操作顺序和设备选型等起到指导作用，进一步的，可以降低电网运行风险和检测成本。

以下是仿真过程中建立电力设备等效模型的具体实现的例子：

对于电网参数等效模型，可以通过给出的系统短路容量、系统零序阻抗对系统进行模拟。根据《电力工程电气设计手册一次部分》公式4-20由短路容量计算得出等效电源正序阻抗，并采用纯电感进行表示，公式如下，系统零序阻抗可由该线路所处位置的系统计算部门给出。

式中

l——系统等效正序电感(mh)

s”——短路容量(mva)

ue——电网或发电机回路的额定线电压(kv)

输电线路模块的暂态波过程以及等效电容对本模拟系统影响较大。输电线路模块必须考虑其分布参数特性，其中主要参数为电感值和对地电容。因此根据暂态过程等效要求，可以选取不同的线路模型，通常可采用atp/emtp中的lcc-jmarti模型，如果需要对其集中参数特性进行评估，部分情况下可以将其等效为集中对地电容。对于架空输电线路，该电容值通过lcc模块jmarti模型的verify功能计算充电功率，再对等效电容进行换算，计算过程如图9所示，图9为采用emtp中varify功能对线路对地电容进行估算的示意图。

简易计算可根据《电力工程电气设计手册一次部分》公式(6-33)对电容电流进行计算，进而推算出等效集中电容：

ic＝(2.7～3.3)uel×10^-3(2)

式中

l——线路长度(km)；

ic——架空线路电容电流(a)；

2.7——系数，适用于无架空地线的线路；

3.3——系数，适用于有架空地线的线路；

对于电缆，该值可以根据《电力工程电气设计手册一次部分》公式(6-34)上提供的公式，进行计算，公式如下：

ic＝0.1uel(3)

根据公式(1)、(2)得出的电容电流，再采用《电力工程电气设计手册一次部分》(3-1)公式计算线路的等效对地集中电容：

式中

ω——角频率；

c——系统每项对地电容；

解得：

避雷器作为电压保护装置对电弧仿真具有较大的影响作用，必须考虑由其u(i)特性模拟，其主要参数通过实际设备铭牌上的额定电压ur、持续运行电压uc表征，如图10所示，图10为避雷器电阻片典型的伏安特性曲线示意图。

通过对避雷器非线性特性的精确考虑，可以对避雷器保护条件下相关设备实际运行安全性进行分析。同时，通过对避雷器上消耗的能量进行分析，可以得出燃弧过程对避雷器通流能力的考验程度。避雷器允许消耗的能量，可以参考gb11032中对其电阻片型式试验要求。

断路器根据其现场实测数据及典型参数对其采用对地电容进行表征，其断口均压电容器采用电容及其泄漏电流等效的电阻并联进行等效，该值根据电容器设备交接试验中介损和电容量两个实测数据计算得出，电容量实测值如表1所示。

表1断路器均压电容值

其中断口均压电容等效电阻用以表征该电容泄漏电流及其发热特性。可通过电容器交接试验可以测得介损值，并结合电容量对该电阻进行计算，对电阻两端暂态电流进行积分可得出电容器暂态过程中能量积累。由于暂态过程持续时间短，因此认为该能量全部转化为热量而没有向周围散热，可见随着燃弧时间的持续，能量必将逐步上升直至引起设备破坏。如图11所示，图11为投切短母线对应的等效系统的接线图。

电容式电压互感器(cvt)的分压电容对电弧燃弧过程影响较大，该设备主要由电容分压器单元和电磁单元构成。如果不考虑电弧过程对cvt本身影响，可将该设备等效为串联的两个电容单元，其参数等于分别分压电容设备实测值；如果需要对该设备进行模拟，需要对电磁单元用atp中提供的单相变压器模型进行等效。

本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表示：只存在a，只存在b以及同时存在a和b三种情况，其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：read-onlymemory，英文缩写：rom)、随机存取存储器(英文全称：randomaccessmemory，英文缩写：ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。