一种基于bpa数据的交流系统谐波阻抗扫描方法
【技术领域】
[0001] 本发明是关于一种基于ΒΡΑ数据的交流系统谐波阻抗扫描方法，属于电力系统谐 波阻抗计算技术领域。
【背景技术】
[0002] 特高压直流输电工程换流站接入系统的边界条件复杂，运行方式多样，合理确定 用于交流滤波器设计的谐波阻抗等值参数，能够实现交流滤波器方案的合理配置，同时也 是研究高压直流(HVDC)系统谐波不稳定的关键。现代电力系统节点数成千上万，节点方程 规模庞大，因而研究一种既能高效处理大型矩阵，并能兼顾考虑电力网络中运行方式变化 所引起的网络拓扑结构变化的谐波阻抗计算方法显得尤为重要。
[0003] 加拿大太西蒙公司开发的NMSCAN程序是目前世界上使用最广泛的谐波阻抗等值 程序，该程序通过扫描BPA(Bonneville Power Administration)数据对系统阻抗进行计 算，但是扫描过程过于繁琐，且没有核心源代码，特别随着电网电压等级的增加、新元件的 出现，现有计算平台无法有效应对后续的模型升级，已越来越不适应现代系统的计算。
【发明内容】
[0004] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够为直流输电工程滤波器的参数设计 提供依据的基于BPA数据的交流系统谐波阻抗扫描方法。
[0005] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:一种基于BPA数据的交流系统谐波阻 抗扫描方法，其特征在于，包括以下内容：1)建立电力系统中各元件谐波阻抗模型；2)读取 BPA数据，输入指定频率范围及观察节点；3)基于改进连线矩阵，采用半动态法进行节点编 号优化;4)按照优化后的编号顺序，逐行形成节点导纳矩阵;5)求解节点电压方程;6)根据 频率扫描范围，在指定频率范围内改变频率，重新形成节点导纳矩阵，返回步骤5)求解节点 电压方程，即可得到在不同频率下的谐波阻抗。
[0006] 进一步，改进的连线矩阵Μ共有三列，第一列表示两个节点所连支路的类型，后两 列表示两个节点编号，形成Μ的具体思路是:按照*.DAT文件中Β卡出现顺序将所有母线从1 开始进行编号，按照L卡、E卡和T卡的首末节点在文件中出现顺序，根据支路类型形成Μ的第 一列，首末节点编号形成矩阵Μ的后两列。
[0007] 进一步，节点导纳矩阵按照优化编号后的节点顺序逐行形成，根据优化编号后的 节点顺序依次选择节点，首先扫描矩阵Μ，得到与该节点相连的节点，再根据矩阵Μ第一列定 位到其连接着的元件参数，读取并计算导纳值，对相应的导纳矩阵中的非对角元素赋值，同 时累加到该节点对应的对角元素上；扫描完成后得到了该节点的互导纳和部分自导纳，再 扫描该节点连接的接地元件，得到剩余部分自导纳值，结合两次扫描结果即可得到该节点 完整的自导、互导。
[0008] 进一步，求解节点电压方程的具体过程为：1)将求得的导纳矩阵Υ逐行进行LU分 解;2)选择观察节点，观察节点处注入电流设置为1，其余节点注入电流设置为0,采用前代 回代，求解母线电压V，提取出观察节点母线的电压值，即该处的谐波阻抗值。
[0009] 进一步，LU分解后的矩阵采用三角检索格式进行存储。
[0010] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、由于本发明正是根据我国直 流输电工程自主化设计的要求，基于BPA数据采用电力系统各元件典型谐波模型，由改进的 节点法得到导纳矩阵Y，根据节点电压方程YV=I，由单位电流注入法，计算得到V，即所需节 点的等值谐波阻抗，因此，本发明充分利用节点导纳矩阵的稀疏特性，减少不必要的计算以 提高求解效率。2、本发明对连线矩阵进行改进，将其运用于半动态法的节点优化过程中，基 于改进的连线矩阵对传统节点法进行改进，提出了改进的节点法，并用于导纳矩阵的形成 过程，减少数据的扫描量，提高了数据检索效率。3、本发明选取了适合于谐波阻抗计算的发 电机、变压器、输电线路、负荷、无功补偿装置等电气元件的数学模型，能够有效应对后续模 型的升级，所需参数可以从BPA数据直接读取。4、本发明采用半动态节点编号优化方法，且 采用LU分解算法及前代回代方法求解大型节点电压方程，同时运用节点优化编号、排零存 储与排零计算技术提高计算速度;本发明与现有技术相比，计算速度有显著提高，不受节点 数量和节点电压等级的限制，广泛应用在电力系统谐波阻抗计算中。
【附图说明】
[0011] 图1为本发明基于BPA数据的交流系统谐波阻抗扫描流程图；
[0012] 图2为本发明采用的发电机等值电路示意图；
[0013] 图3为本发明采用的变压器等值电路示意图；
[0014] 图4为本发明采用的输电线路等值电路示意图；
[0015] 图5为本发明采用的负荷模型示意图；
[0016] 图6为本发明形成一行节点导纳矩阵的流程示意图；
[0017]图7为本发明实施例中的IEEE 9节点系统拓扑结构图。
【具体实施方式】
[0018] 以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更 好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
[0019] 如图1所示，本发明的基于BPA数据的交流系统谐波阻抗扫描方法，包括以下内容：
[0020] 1、建立电力系统中各元件谐波阻抗模型
[0021] 进行谐波分析时，准确的元件模型是保证获得精确可靠结果的关键因素。在研究 BPA中元件模型的基础上，参考各种典型元件谐波阻抗模型，本发明建立的各元件模型如 下：
[0022] 1)建立发电机谐波阻抗模型
[0023]如图2所示，实际工程中，发电机采用同步电机，故在阻抗扫描时，采用同步发电机 模型，读取BPA数据中发电机的定子电阻及次暂态电抗，h次谐波时的阻抗表达式为：
[0024] Zc(h)=Ra+jhX//d
[0025] 式中，Ra为发电机电枢电阻;X〃d为发电机直轴次暂态电抗。
[0026] 由于实际系统数据规模庞大，容易出现人为输入误差，当读取的发电机数据不含 电阻参数时，根据经验公式定子电阻赋值： X" jio T," = 0 or Τ" > 1
[0027] d, d 4 ^:/^0.003185/7:, 0 < T" < 1
[0028] 式中，Td 〃为直轴次暂态时间常数。
[0029] 2)建立发电机谐波阻抗模型
[0030] 如图3所示，变压器采用"pi"型等值电路，h次谐波时变压器的阻抗为：
[0031] ZT(h)=RT+jhXT
[0032] 式中，RT为变压器短路电阻;Χτ为变压器短路电抗。
[0033] 在变压器处理中，若读取的短路电阻参数为0,根据经验公式电阻赋值：
[0034] RT=Xx/25〇
[0035] 3)建立输电线路的阻抗模型
[0036] 如图4所示，谐波阻抗扫描涉及高频下的阻抗特性，因此输电线路考虑集肤效应和 长线效应的影响，采用"pi"型等值电路进行模拟。
[0037] ①集肤效应的计算表达式如下：
[0038]
[0039] 式中，ber，bei为复Bessel函数的买部和虚部；beV AeV为其相应的导数;mr的计 算公式如下：
[0040]
[0041 ]式中，为导线的相对磁导率，一般近似地取1; f为频率;R〇为直流电阻。
[0042]②考虑长线影响
[0043]考虑长线路的分布特性，采用双曲函数修正，h次谐波时的计算公式如下：
[0044]
[0045]
[0046] 式中，R为考虑集肤效应后的线路电阻;X为线路电抗;B为线路电纳;Zm为双曲函数 修正后的线路阻抗;Yeq为双曲函数修正后的线路电纳。
[0047] 4)建立负荷的阻抗模型
[0048] 如图5所示，电网中绝大部分负荷都是集中型，并联负荷模型适合于表示集中负 荷，因此基于BPA数据的负荷采用并联模型，将其