一种基于综合友元模型的死区故障模拟方法
【专利摘要】本发明涉及电网故障智能分析【技术领域】，具体涉及一种基于综合友元模型的死区故障模拟方法。针对现有技术的电网死区故障模型中计算节点量较大和计算效率较低等不足，本发明提供了一种基于综合友元模型的死区故障模拟方法。为了减少计算节点，提高计算速度，本发明采用综合友元建模方法建立了断路器和电流互感器的组合模型，结合死区故障的特点，详细说明了在组合模型下发生死区故障的处理方法。发明设计简洁，易于实施，建设、维护和能耗成本较低，适合不同情况下电网死区故障分析，具有广阔的应用和推广前景。
【专利说明】一种基于综合友元模型的死区故障模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电网故障智能分析【技术领域】，具体涉及一种基于综合友元模型的死区 故障模拟方法。
【背景技术】
[0002] 在实际的电网工作现场，电流互感器与断路器是两个独立设备，但电网的保护装 置常常会误判电流互感器或断路器的故障。现有技术中典型的电网死区故障主要包括三 类：主变断路器与主变电流互感器之间的死区故障、母联断路器与母联电流互感器之间的 死区故障、出线断路器与出线电流互感器之间的死区故障。随着电网系统的日趋复杂，电力 系统的稳定可靠运行变得愈加重要。发生电网死区故障时，若不能及时排除故障或者不能 准确排除故障，将会对电网系统的稳定运行造成巨大影响和较大经济损失。因此，仿真模拟 电网的各种死区故障，分析各种死区故障下电网的保护动作行为，进而改进并提高电网保 护动作的可靠性和速动性，显得尤为重要。现有技术中，针对电网死区故障的模拟建模中各 种元器件单独建模，致使死区故障模型的计算节点数量庞大，计算效率较低。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术的电网死区故障模型中计算节点量较大和计算效率较低等不足，本 发明提供了一种基于综合友兀模型的死区故障模拟方法。
[0004]为解决以上技术问题，本发明的技术方案为： 一种基于综合友元模型的死区故障模拟方法，包括步骤如下： (a) 建立断路器、刀闸、地刀和电流互感器的综合友元模型； (b) 根据基尔霍夫定律建立步骤（a)所述综合友元模型的KCL方程组； (c) 消除步骤（b)所述综合友元模型的KCL方程组中综合友元模型的内部节点，得到综 合友元模型的等效电磁暂态模型/ =Gt/，其中/为综合友元模型外节点的注入电流矩阵W 为综合友元模型的导纳阵，V为综合友元模型外节点的电压矩阵； (d) 将故障过渡导纳gf引入到预设的故障点以建立断路器、刀闸、地刀和电流互感器的 死区故障等效模型，根据基尔霍夫定律建立所述死区故障等效模型的KCL方程组； (e) 消除步骤（d)所述死区故障等效模型的KCL方程组中死区故障等效模型的内部节 点，得到死区故障的等效电磁暂态模型// = --，其中Jf为死区故障等效模型外节点的 注入电流矩阵，&为死区故障等效模型的导纳阵，仏为死区故障等效模型外节点的电压矩 阵电流矩阵； (f) 令电网导纳阵^bgromd中与综合友元模型的外节点所对应的行和列元素分别减去导 纳阵G中综合友元模型的外节点所对应的导纳元素，得到第一次修正导纳阵&g_dl ;令第 一次修正导纳阵^bgraundl中与综合友元模型的外节点所对应的行和列元素分别加上导纳阵 G中死区故障等效模型的外节点所对应的导纳元素，得到第二次修正导纳阵&gMund2 ; (g) 根据全网注入历史电流源Znrt和第二次修正导纳阵&gMund2计算电网电压矩阵Vnrt， 得到发生死区故障下的电网节点电压，根据死区故障等效模型KCL方程组求得各支路电 流。
[0005] 具体的，步骤（a)中综合友元模型包括双母接线形式下的综合友元模型和单母接 线形式下的综合友元模型。
[0006] 双母接线形式下的综合友元模型包括刀闸等效导纳gl~g2、刀闸等效导纳g4、断路 器等效导纳g3、地刀等效导纳g5~g7和电流互感器等效导纳gCT。地刀等效导纳g5~g7 -端接 地，刀闸等效导纳S1和g2的一端分别接地刀等效导纳g5的非接地端，刀闸等效导纳S1和g2 的另一端为双母接线的输入端；断路器等效导纳g3和电流互感器等效导纳gCT串联后接在 地刀等效导纳g5和g6的非接地端之间；刀闸等效导纳g4两端分别连接地刀等效导纳g6和 g7的非接地端；地刀等效导纳g7的非接地端为双母接线形式下的电流互感器与开关综合友 元模型的输出端。
[0007] 单母接线形式下的综合友元模型包括刀闸等效导纳gl '和g3 '、断路器等效导 纳g，、地刀等效导纳g/和g，以及电流互感器等效导纳gc/。地刀等效导纳g/和 g5 ' -端接地；刀闸等效导纳S1 '的一端接地刀等效导纳g4 '的非接地端，刀闸等效导纳 g/的另一端为单母接线形式下电流互感器与开关的综合友元模型的输入端；断路器等效 导纳g，和电流互感器等效导纳gc/串联后接在地刀等效导纳g/和g，的非接地端 之间；刀闸等效导纳g3'的一端接地刀等效导纳85'的非接地端，刀闸等效导纳8 3'的另 一端为单母接线形式下电流互感器与开关的综合友元模型的输出端。
[0008]具体的，步骤（f)中电网导纳阵通过全网拓扑及各元件的电磁暂态模型得 到。
[0009] 本发明的有益效果：1、本发明采用综合友元法建立了断路器与电流互感器的组合 仿真模型，涵盖断路器、刀闸、地刀和电流互感器，相较按照各个元器件分别建立模型的方 法，本发明大大减少了仿真模型的计算节点，提高了计算速度；2、本发明所建模型为电磁暂 态模型，可用于电磁暂态实时仿真，并且可以通过数字物理接口装置与真实的电网保护设 备实现无缝连接，实现电网死区故障的闭环实时仿真，满足了针对变电站控制保护设备的 检测和测试、运维和检修的仿真培训的需要；3、本发明能够详细模拟各种故障下的电网死 区故障，包括主变断路器死区故障、母联断路器死区故障和出线断路器死区故障，本发明可 用于各种故障情况下的电磁暂态过程分析和研究，为各种故障下电网保护装置的动作行为 分析提供了有效的技术支持。本发明提出了一种基于综合友元模型的电流互感器与断路器 的死区故障模拟方法，能够模拟各种典型死区故障。本发明采用电磁暂态建模原理，详细模 拟故障的电磁暂态过程。此外，本发明可以应用于数字物理混合实时仿真中，仿真数据可以 通过接口设备驱动真实保护装置，为各种死区故障下的电网保护动作行为分析提供了有效 技术支持。本发明设计简洁，易于实施，建设、维护和能耗成本较低，适合不同情况下的电网 死区故障分析，具有广阔的应用和推广前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 图1为本发明的流程示意图。
[0011] 图2为本发明中双母接线形式下的综合友元模型的电路原理图。
[0012] 图3为本发明中双母接线形式下的死区故障等效模型的电路原理图。
[0013] 图4为本发明中单母接线形式下的综合友元模型的电路原理图。
[0014] 图5为本发明中单母接线形式下的死区故障等效模型的电路原理图。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0016] 为了减少计算节点，提高计算速度，本发明采用综合友元建模方法建立了断路器 和电流互感器的组合模型，结合死区故障的特点，详细说明了在组合模型下发生死区故障 的处理方法。按照接线形式及间隔类型划分，死区故障可统一分为两类：第一类是双母接线 形式下主变断路器与电流互感器的死区故障，另一类是单母接线形式下断路器与电流互感 器的死区故障。两种类型死区故障的处理步骤相同，见图1，但具体的综合友元模型不同。
[0017] 实施例1 : 实施例1以第一类死区故障即双母接线形式下主变断路器与电流互感器的死区故障 为例，详细说明断路器与电流互感器组合模型的死区故障处理方法。
[0018] (Ι-a)建立双母接线形式下断路器、刀闸、地刀和电流互感器的综合友元模型，见 图2。如图2所示，双母接线形式下的综合友元模型包括刀闸等效导纳gl~g2、刀闸等效导纳 g4、断路器等效导纳g3、地刀等效导纳g5~g7和电流互感器等效导纳gCT。地刀等效导纳g5~g7 一端接地，刀闸等效导纳S1和g2的一端分别接地刀等效导纳g5的非接地端，刀闸等效导纳 gi和&的另一端为双母接线的输入端；断路器等效导纳A和电流互感器等效导纳Sct串联 后接在地刀等效导纳g5和g6的非接地端之间；刀闸等效导纳g4两端分别连接地刀等效导 纳g6和g7的非接地端；地刀等效导纳g7的非接地端为双母接线形式下的电流互感器与开 关综合友元模型的输出端。
[0019] (Ι-b)将双母接线形式下综合友元模型的节点按照①?⑤的顺序编号，节点① 和节点②分别为连接母线的两个节点，节点@为出线侧节点，节点④和节点⑤分别为内节 点。根据基尔霍夫定律建立步骤（Ι-a)中双母接线形式下的综合友元模型的KCL方程组， 见公式（1)?（5)。
[0020] EiU1-E1U i =X1 (1) S^?2~=?"a (2) Cs4 -5 = ^3 (3) J1CZ1 +^2? *1" (& Sct')^5 ~ (4) Cg3 +Sct)u4 +SiU3 =Ss2uS (5) 其中，G、％、％、?/4和仏分别为双母接线形式下综合友元模型的节点①?⑤的节点 电压，4、/2和/3分别为双母接线形式下综合友元模型的节点①?③的外部注入电流， Szi = Si +& + S + Scr + Ss，= ^ + Se + & + 。
[0021] (I-C)消除步骤（Ι-b)中KCL方程组中综合友元模型的内部节点④--，得到双母 接线形式下综合友元模型的等效电磁暂态模型/ = 〇[/，其中/为双母接线形式下综合友元 模型外节点的注入电流矩阵，G为双母接线形式下综合友元模型的导纳阵，G中的导纳元素 为正常情况下综合友元模型对电网导纳阵&gMund的贡献，V为双母接线形式下综合友元模 型外节点的电压矩阵。
[0022] 将公式（4)和公式（5)联立，求解后得到公式（6) ~ (7):
【权利要求】
1. 一种基于综合友元模型的死区故障模拟方法，其特征在于包括步骤如下： (a) 建立断路器、刀闸、地刀和电流互感器的综合友元模型； (b) 根据基尔霍夫定律建立步骤（a)所述综合友元模型的KCL方程组； (c) 消除步骤（b)所述综合友元模型的KCL方程组中综合 友元模型的内部节点，得到综合友元模型的等效电磁暂态模型 / =GC/，其中J为综合友元模型外节点的注入电流矩阵，G为综合友元模型的导纳阵，V为 综合友元模型外节点的电压矩阵； (d) 将故障过渡导纳gf引入到预设的故障点以建立断路器、刀闸、地刀和电流互感器的 死区故障等效模型，根据基尔霍夫定律建立所述死区故障等效模型的KCL方程组； (e) 消除步骤（d)所述死区故障等效模型的KCL方程组中死区故障等效模型的内部节 点，得到死区故障的等效电磁暂态模型i/ = ，其中Jf为死区故障等效模型外节点的 注入电流矩阵，&为死区故障等效模型的导纳阵，仏为死区故障等效模型外节点的电压矩 阵电流矩阵； (f) 令电网导纳阵^bgromd中与综合友元模型的外节点所对应的行和列元素分别减去导 纳阵G中综合友元模型的外节点所对应的导纳元素，得到第一次修正导纳阵&g_dl ;令第 一次修正导纳阵^bgraundl中与综合友元模型的外节点所对应的行和列元素分别加上导纳阵 G中死区故障等效模型的外节点所对应的导纳元素，得到第二次修正导纳阵&gMund2 ; (g) 根据全网注入历史电流源Znrt和第二次修正导纳阵&gMund2计算电网电压矩阵Vnrt， 得到发生死区故障下的电网节点电压，根据死区故障等效模型KCL方程组求得各支路电 流。
2. 根据权利要求1所述的一种基于综合友元模型的死区故障模拟方法，其特征在于步 骤（a)中所述综合友元模型包括双母接线形式下的综合友元模型和单母接线形式下的综合 友元模型； 所述双母接线形式下的综合友元模型包括刀闸等效导纳gl~g2、刀闸等效导纳g4、断路 器等效导纳g3、地刀等效导纳g5~g7和电流互感器等效导纳gCT ;所述地刀等效导纳g5~g7 - 端接地，所述刀闸等效导纳gi和g2的一端分别接地刀等效导纳g5的非接地端，所述刀闸等 效导纳gl和g2的另一端为双母接线的输入端；所述断路器等效导纳g3和电流互感器等效 导纳gCT串联后接在地刀等效导纳g5和g6的非接地端之间；所述刀闸等效导纳g4两端分别 连接地刀等效导纳g6和g7的非接地端；所述地刀等效导纳g7的非接地端为双母接线形式 下的电流互感器与开关综合友元模型的输出端； 所述单母接线形式下的综合友元模型包括刀闸等效导纳g/和g，、断路器等效导纳g，、地刀等效导纳g/和g，以及电流互感器等效导纳gc/ ;所述地刀等效导纳g/ 和gZ-端接地；所述刀闸等效导纳g/的一端接地刀等效导纳g4 '的非接地端，所述刀 闸等效导纳gl '的另一端为单母接线形式下电流互感器与开关的综合友元模型的输入端； 所述断路器等效导纳g，和电流互感器等效导纳gc/串联后接在地刀等效导纳g/和 g5 '的非接地端之间；所述刀闸等效导纳g3 '的一端接地刀等效导纳g5 '的非接地端，所 述刀闸等效导纳g，的另一端为单母接线形式下电流互感器与开关的综合友元模型的输 出端。
3.根据权利要求2所述的一种基于综合友元模型的死区故障模拟方法，其特征在于步 骤（f)中所述电网导纳阵通过全网拓扑及各元件的电磁暂态模型得到。
【文档编号】G01R31/00GK104316792SQ201410556873
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月20日 优先权日:2014年10月20日
【发明者】田青, 曹苒, 杨东方, 高艳萍, 夏英, 刘洁云, 穆世霞, 张明, 王全, 于亚伟, 姜 远 申请人:国家电网公司, 国网河北省电力公司培训中心, 北京科东电力控制系统有限责任公司