基于机电暂态和电磁暂态结合的操作过电压计算方法与流程

本发明涉及电力系统的过电压计算方法，具体是一种基于机电暂态和电磁暂态结合的操作过电压计算方法。

背景技术

随着我国“西电东送，南北互供，全国联网”的格局逐渐形成，500kv输电线路逐渐已经成为电网交流主干网架。但由于500kv输电线路电压等级高、输送距离远，线路末端可能会出现工频过电压，断路器分合闸时会产生较大的操作过电压，参数不合适时会产生谐振过电压等。目前，500kv输电线路中的过电压问题日益突出，影响了变压器、断路器和输电线路等电力设备的绝缘强度设计，还直接关系到电力系统能否安全稳定地运行，已经成为电力生产、技术监督、设备管理和运行管理中不可忽视的环节。但是由于目前的过电压计算方法尚未考虑到电网实际运行方式和状态，也没有对线路上的断路器合闸电阻和并联电抗器进行全面详细的考虑，因此不能很好地服务于实际电网的生产和科研。

对于电力系统过电压计算而言，计算过程中必须要考虑到以下几个问题：(1)实际电网的运行方式和状态，它影响了待计算线路和电源之间的电气联系强弱(2)线路上的断路器合闸电阻和并联电抗器，它们对线路的过电压均有抑制作用(3)2％统计过电压的计算次数，不同断路器合闸时间的蒙特卡洛模型和不同随机抽样的计算次数都对最终结果有影响。因此，发明一种将实际电网运行状态和方式、断路器合闸电阻、并联电抗器以及断路器合闸时间概率模型的都考虑进去的过电压计算方法是相当急迫的。

目前电力系统合闸操作过电压计算方法大部分只单独考虑线路本身模型、断路器模型等，尚未有方法建立一个完整的详细过电压仿真模型；同时目前机电暂态仿真中电气模型参数完备详细，但暂态仿真不精细；电磁暂态仿真模型中暂态仿真更为精细，但参数难以符合电网实际运行状态和情况；在进行操作过电压计算时候，断路器非同期合闸和计算次数的计及都对计算机时有较大影响。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出一种基于机电暂态和电磁暂态结合的操作过电压计算方法，该方法考虑实际电网运行状态和方式、断路器合闸电阻、并联电抗器以及断路器合闸时间蒙特卡洛模型，能够尽可能准确地计算出500kv线路合闸操作过电压数值，在保证计算精度的情况下，简化了统计过电压计算时的模型和方法。

本发明采用如下技术方案实现：

一种基于机电暂态和电磁暂态结合的操作过电压计算方法，包括如下步骤：

(1)考虑实际电网的运行状态和运行方式，建立包含发电机、输电线路、变压器等电气设备的电网详细机电暂态模型；

(2)建立采用分布式参数的线路模型：

考虑线路不同相之间的耦合作用和不同线路之间的耦合作用，建立包含正、负、零三序参数的线路模型；

(3)建立线路并联电抗器及断路器合闸电阻的模型：

根据线路实际状况，建立线路并联电抗器、中性点小电抗及断路器合闸电阻的模型；

(4)计算2％统计操作过电压：

基于步骤(1)-步骤(3)建立完整电磁暂态模型仿真模型，在上述仿真模型中考虑断路器合闸时间的统计特性，其合闸时间在整定值附近概率大，因此断路器合闸时间的概率模型采用正态分布模型其中t0和t0分别为合闸时间整定值和工频周期，在不考虑断路器三相非同期合闸和时间序列为120的情况下计算2％操作过电压，即大于98％次计算数值。

进一步的，步骤(1)中通过计算两侧厂站短路容量及支路分量得到厂站a和b的等值电源模型参数，该参数可以有效反映实际电网的运行状态和运行方式，具体的计算方法是：首先在机电暂态仿真软件中建立电网详细机电暂态模型，并在待求解的500kv线路两端母线侧设置三相短路故障，将待计算线路(若有待求解线路有并列线路则该并列线路也包括在内)以外所有支路电流求和，用短路电流等效的思路采用一个等值电源来等效其余支路，保证等值前后短路电流iσ＝ieq，其中iσ为等值前待计算线路其余支路短路电流之和，ieq为等值后等值电源注入系统电流；然后计算该线双侧电源等值内电抗，在500kv厂站a和厂站b母线处分别设置三相短路故障后，计算得各个支路短路电流幅值及相位；根据上述计算结果，由公式z＝u/iσ进一步计算厂站a和厂站b等值电源参数，其中u表示等值电源电压，z表示等值电源等值内阻抗。

进一步的，步骤(3)中取实际电网并联电抗器容量按最高运行电压对电抗值进行计算，可参考规定《500kv并联电抗器(含中性点电抗)技术规范》(q/csg1101004—2013)；带合闸电阻的断路器模型建立时，断路器由两个触头k1、k2和一个并联电阻r组成，连接方式如图2(a)和图2(b)所示，两个触头k1、k2串联，电阻r与触头k1并联，或者电阻r与触头k2串联后与触头k1并联；断路器闭合时先闭合k2，后闭合k1，能够有效的利用电阻r抑制线路过电压。

本发明的优点是：

(1)在psasp中建立包含发电机、输电线路、变压器等电气设备的详细电网机电暂态模型，根据实际电网的不同运行方式和状态计算不同条件下的线路合闸操作过电压数值，能够更好地服务于电力实际生产；

(2)考虑到线路上的断路器合闸电阻和并联电抗器及中性点小电抗，建立的电磁暂态仿真模型更加贴近现场实际情况，线路合闸操作过电压数值更准确。

(3)考虑了断路器非同期合闸的影响、合闸时间概率模型选取和随机抽样时间序列的维度带来的影响，保证生成断路器合闸模型更符合实际，确保计算结果准确性。

附图说明

图1是本发明中对电网等值方法示意图；

图2(a)是本发明中的断路器合闸电阻模型其中一种连接示意图，图2(b)是断路器合闸电阻模型的另一种连接示意图；

图3是本发明中最终建立的线路合闸过电压模型示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

一种基于机电暂态和电磁暂态结合的操作过电压计算方法，包括如下步骤：

(1)考虑实际电网的运行状态和运行方式，建立包含发电机、输电线路、变压器等电气设备的电网详细机电暂态模型：

当电网运行状态和方式不同时，待求解线路的两侧厂站的短路容量及各支路分量也不同，因此在psasp中建立包含发电机、输电线路、变压器等电气设备的电网详细机电暂态模型。

通过计算两侧厂站短路容量及支路分量得到厂站a和b的等值电源模型参数，该参数能有效反映实际电网的运行状态和运行方式。

具体的计算方法是：首先在机电暂态仿真软件中建立电网详细机电暂态模型，并在待求解的500kv线路两端母线侧设置三相短路故障，将待计算线路(若有待求解线路有并列线路则该并列线路也包括在内)以外所有支路电流求和，用短路电流等效的思路采用一个等值电源来等效其余支路，保证等值前后短路电流iσ＝ieq，其中iσ为等值前待计算线路其余支路短路电流之和，ieq为等值后等值电源注入系统电流。

(2)建立采用分布式参数的线路(架空线)模型：

建立采用分布式参数的架空线模型，考虑线路不同相之间的耦合作用和不同线路之间的耦合作用，建立包含正、负、零三序参数的线路模型，如图3中待计算线路所示。

(3)建立线路并联电抗器及断路器合闸电阻的模型；

待计算线路上往往装设了并联电抗器，其断路器上也可能装设了合闸电阻(详细模型如图2(a)和图2(b)所示)。根据线路实际状况，建立线路并联电抗器、中性点小电抗及断路器合闸电阻的模型如图3所示。

取实际电网并联电抗器容量按最高运行电压对电抗值进行计算，可参考规定《500kv并联电抗器(含中性点电抗)技术规范》(q/csg1101004—2013)；带合闸电阻的断路器模型建立方式如图2所示，断路器闭合时先闭合k2，后闭合k1，能够有效的利用电阻r抑制线路过电压。

(4)计算2％统计操作过电压：

基于步骤(1)-步骤(3)可以建立图3所示的完整电磁暂态模型仿真模型。

在上述仿真模型中考虑断路器合闸时间的统计特性，其合闸时间在整定值附近概率大，因此断路器合闸时间的概率模型采用正态分布模型(其中t0和t0分别为合闸时间整定值和工频周期)，能够最大限度地逼近实际开关的动作过程。

考虑断路器不存在三相非同期合闸和三相同期合闸两种情况，线路合闸操作过电压仅仅相差0.001p.u.但考虑三相同期合闸时断路器模型变量数量增加三倍，因此不考虑断路器三相同期合闸。

同时根据多次试验结果，断路器合闸时间序列为240和120时结果仅仅相差不到1％，因此考虑到节省计算时间，取时间序列维度为120。

因此，在不考虑断路器三相非同期合闸和时间序列为120的情况下计算2％操作过电压(即大于98％次计算数值)。

其中步骤(1)-(3)的目的是构建图3所示的仿真模型，步骤(4)基于该模型进行线路合闸操作过电压数值。相较于其他过电压计算方法，本发明的创新点是：建立一种包括电网500kv全部设备电气模型的过电压仿真计算模型；在模型中考虑了电网实际运行状态和方式，反映在等值电源模型的参数中；在保证计算精度的情况下，简化了统计过电压计算时的模型和方法。

以某条线路为例，应用本方法进行线路合闸操作过电压计算。

步骤(1)实施过程为：在如图1中所示的500kv母线侧设置三相短路故障，将待计算线路(若有并列线路也应保留)以外所有支路电流求和，用短路电流等效的思路采用一个等值电源来等效其余支路，保证等值前后短路电流iσ＝ieq。

计算该线双侧电源等值内电抗，在500kv厂站a和厂站b母线处分别设置三相短路故障后，计算得各个支路的短路电流幅值及相位如下表1所示:

表1500kv各个支路的短路电流幅值及相位

根据上表计算结果，由公式z＝u/iσ进一步计算厂站a和厂站b等值电源参数如下表2所示：

表2厂站a和厂站b等值电源参数

步骤(2)实施过程：建立采用分布式参数的架空线模型，该模型考虑了线路之间的耦合作用和线路相-相耦合作用，因此必须采用含正负零序三序参数对该线路模型进行搭建。同样针对该线路，线路参数(正序、负序相同)如下表3所示(基准值un＝525kv，sn＝100mw)，根据表中参数，建立图3中所示的待计算线路模型。

表3线路正负零序三序参数

步骤(3)实施过程：实际电网中并联电抗器参数一般按容量设计，然而在仿真建模时必须计算相应的电抗器电抗值。根据《500kv并联电抗器(含中性点电抗)技术规范》(q/csg1101004—2013)规定，并联电抗器电抗值一般按最高运行电压计算。为了补偿输电线路的对地电容，一般还在星型接线的并联电抗器中性点和大地之间接一个大电抗，该电抗成为中性点小电抗。

断路器一般装设并联合闸电阻，其接法如图2(a)和图2(b)所示。断路器由两个触头k1、k2和一个并联电阻r组成，对合闸过电压和分闸过电压均可以起到抑制作用。断路器带空载线路合闸时，先合k2，此时并联电阻r串入线路中对回路中的电压振荡起到阻尼作用，经过1.5-2个工频周期(30ms-40ms)，k1闭合将r短接，此时合闸操作完成。由于前一阶段的回路振荡被r阻尼而削弱，电阻r上的电压也不大，因k1闭合产生的过电压也不大。

以该线路为例，其并联电抗器(三相容量)、中性点电抗器及合闸电阻装设情况及参数如下表4所示。根据该参数在pscad/emtdc中搭建该线路的并联电抗器及中性点小电抗、(待合闸电阻的)断路器模型如图3所示。

表4并联电抗器(三相容量)、中性点电抗器及合闸电阻装设情况及参数

步骤(4)实施过程：忽略断路器非同期合闸的影响，考虑断路器合闸时间的统计性质，选取正态分布模型构建断路器合闸时间概率模型，生成维度为120的断路器合闸时间序列。针对该线路，计算120次后得到操作过电压数值如下表5所示。取2％统计过电压(大于98％数值)作为该线路合闸操作过电压值(2.035p.u)。

表5计算120次后得到操作过电压数值

本发明建立了一种包括电网500kv全部设备电气模型的过电压仿真计算模型；在模型中考虑了电网实际运行状态和方式，并反映在等值电源模型的参数中；在保证计算精度的情况下，简化了统计过电压计算时的模型和方法。采用本发明对线路合闸操作过电压进行计算，更符合电网实际情况，准确度较高。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。