基于有限元理论的多直流落点条件下直流偏磁抑制方法
【专利摘要】一种基于有限元理论的多直流落点条件下直流偏磁抑制方法，属直流电场领域。其用有限元分析的方法对直流电流场进行计算，通过计算指定土壤网格的径向电阻，获得其幅向电阻，得到指定方向上的电压和电流分布趋势，确定不同直流落点下的电流场，采用CDEGS软件作为验证手段；其所得到的对应多个方向电流分布曲线，作为后续步骤中采用相对应直流偏磁抑制方案的技术依据。可分别形成针对不同输电系统的偏磁电流计算子模型，拓展了直流偏磁研究和直流偏磁抑制方案的覆盖范围，并大大提高了仿真计算效率。可广泛用于超特高压直流输电线路的设计、运行和管理领域。
【专利说明】基于有限元理论的多直流落点条件下直流偏磁抑制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于直流电场领域，尤其涉及一种用于确定直流电场中地上交流电力网络中的电流分布和变化的方法。
【背景技术】
[0002]随着我国电力系统不断发展，超特高压直流输电线路逐渐成为跨地区电力输送的
重要走廊。
[0003]直流输电工程通常采用双极系统接线方式，正常运行时，直流电流不流经大地(或海水)。但在系统调试、检修或故障时，转为单极大地回线运行方式，大地(或海水)相当于直流输电线路的一根导线，其电流场会使地电位发生变化。对中心点接地的交流系统而言，处于不同直流电位的变电站经输电线路、变压器绕组构成直流回路，使变压器产生直流偏磁现象，严重影响供电质量和供电安全。
[0004]直流系统接地极主要有3个，在单极大地回线运行方式下，直流电流从接地极进入大地(或海水)，对电网运行产生影响，而且随着电力网架不断建设，这一影响将日趋严重。因此，多直流落点条件下直流偏磁抑制研究和技术优化显得十分重要。
[0005]关于直流偏磁的抑制技术研究目前已取得一些成果，例如，申请公布日为2011年4月27日，申请公布号为CN102035082A的中国发明专利申请中，公开了一种“直流接地系统及方法”，其将多个直流接地极之间通过联络线并联，形成接地岛，实现了针对整个电网有效的分散直流入地电流，从而减小直流对周边变压器的影响，以解决地中直流分量对整个交流电网的影响；该技术方案利用现有的高压线路，实现起来简单方便。但是其将直流接地系统简化为多个电阻的简单串、并联，不能真正反映直流接地系统的实际情况。
[0006]又例如，华东电力试验研究院顾承昱提出了并联直流接地极法(参见《高压电器》2012年04期P65?P74，“并联直流接地极抑制上海区域直流偏磁的方法研究”，顾承昱、司文荣、郑旭、赵文彬)，该方法以近年上海地区电网主要拓扑结构，对直流接地极单独运行、并联运行进行了地表电位和变压器中心点电流分析。其结果表明，在并联运行方式中，各变电站的地表电位和直流电流都得到了有效控制，然而，文中提到的地表电位仅根据土壤分层模型计算得到，并未考虑地表电网结构即变压器的直流电阻和输电线路的直流电阻对电位的影响。
[0007]为了弥补这一缺陷，需要计算整个上海地区在不同直流落点下的土壤电阻分布，从而搭建整个上海地区地下和地表的直流电阻网络，进而得到更为合理的地表电位和电网直流电流。
[0008]土壤直流电阻计算涉及直流电流场计算，目前已有文献多针对直流换流站接地极电流场开展研究，但均未涉及一个大地区的直流电流场计算。
[0009]计算上海地区直流电流场主要面临以下三个问题。
[0010](I)计算模型巨大，涉及整个上海市7000多平方公里面积和周边东海、杭州湾、长
江等；[0011](2)模型剖分细密，为了得到精细的电阻网络，以提高结果准确性和适用性，必须对模型进行细密剖分，这将进一步增大运算量；
[0012](3)由于运算量巨大，常规配置的计算机无法满足要求，需要找到适合解决这一问题的运算平台。
【发明内容】
[0013]本发明所要解决的技术问题是提供一种基于有限元理论的多直流落点条件下直流偏磁抑制方法，其基于有限元理论对直流电流场进行计算，确定不同直流落点下的电流场，得到对应的多个方向电流分布曲线，并据此来采取相对应的直流偏磁抑制措施，进而使得变电站直流电流得到有效的均衡和抑制。
[0014]本发明的技术方案是:提供一种基于有限元理论的多直流落点条件下直流偏磁抑制方法，包括对指定区域的土壤电阻进行计算，根据计算结果采用相对应的直流偏磁抑制方案，实现针对整个电网直流入地电流的有效分散，使得变电站直流电流得到有效的均衡和抑制，其特征是对所述指定区域土壤电阻的计算，包括下列步骤:
[0015]A、建立所指定区域的三维土壤电阻网络实体模型；
[0016]B、对该直流落点/直流接地极的三维土壤电阻网络实体模型进行网格化，对网格化后得到的各个模型单元进行赋值，所述的赋值包括对各个模型单元的单元定义及材料属性添加；
[0017]C、对网格化后的三维土壤电阻网络模型进行模型改进及剖分；
[0018]D、确定模型单元的载荷及边界条件；
[0019]E、利用有限元分析的方法，采用共轭梯度法对模型进行求解；
[0020]F、进行计算结果的后处理，提取划分结构中某一土壤网格中所有剖分单元的电流密度Jk和电位Vk，并求取电流密度总和及平均电位；计算在不同直流落点/直流接地极注入电流时的土壤电位及电流分布；
[0021]G、应用利用电力系统接地分析软件计算的土壤电位分布结果，对所述的有限元分析计算结果进行比对/校核；
[0022]H、如果有限元分析计算得到的电位分布结果通过了电力系统接地分析软件的校核，进行下一步骤，否则返回第C步骤，重新进行模型的改进及剖分；
[0023]J、根据所述F步骤所得到的土壤电位及电流分布情况，计算所述土壤电阻网络的径向电阻艮和幅向电阻Re，并计算出了每一网格的径向电阻和幅向电压，得到某个指定方向上的电压和电流分布趋势；
[0024]K、将地上运行电力网络抽象成直流电阻网络，并通过主变接地点与土壤电阻网络耦合，形成直流偏磁仿真计算直流电阻网络，作为后续步骤采用相对应直流偏磁抑制方案的技术依据。
[0025]具体的，在所述A步骤中，所述的三维土壤电阻网络实体模型分为上、下两层，所述网络实体模型的上层由土壤、长江、杭州湾、海洋和基岩五部分组成，模型尺寸为500 X 400 X 15m3,对应实际尺寸为500 X 400 X 15km3 ;所述网络实体模型的上层厚度为
0.35m，对应实际尺寸为0.35km ;所述网络实体模型的下层厚度为14.65m，对应实际尺寸为14.65km,全部为基岩。[0026]在所述B步骤中，经过网格化后的三维土壤电阻网络模型为一个以指定的一个直流落点/直流接地极为圆心的、向四周辐射的、大网格形式的土壤电阻网络；所述土壤电阻网络的总辐射半径为150km;将整个圆周12等分，辐射角度取30°，得到由多个内径为r1;外径为r2，相对圆心的角度为Θ的扇形立体土壤网格；其所述外、内径的差值为75m;对所述的土壤电阻网络在径向上每隔75m提取一次电阻，所述的电阻包括径向电阻和幅向电阻。
[0027]进一步的，在所述B步骤中，所述的模型单元为八节点热/电六面体；在所述的材料属性添加中，单元材料属性选取为电阻率。
[0028]具体的，在所述的C步骤中，根据“电阻率相同的部分合并为一体”的原则，对模型进行了重新划分，按照“使映射剖分的网格尺寸合理”的要求进行剖分，以保证改进后的模型中所有六面体均满足映射剖分条件。
[0029]在所述的D步骤中，所述的载荷为电流载荷，电流大小为4000A ;对所述模型四周施加电压为O的边界条件。
[0030]在所述F步骤中，应用有限元分析软件ANSYS对指定区域的土壤网格进行有限元分析，并提取划分结构中某一土壤网格中所有剖分单元的电流密度Jk和电位\，并求取电
流密度总和
【权利要求】
1.一种基于有限元理论的多直流落点条件下直流偏磁抑制方法，包括对指定区域的土壤电阻进行计算，根据计算结果采用相对应的直流偏磁抑制方案，实现针对整个电网直流入地电流的有效分散，使得变电站直流电流得到有效的均衡和抑制，其特征是对所述指定区域土壤电阻的计算，包括下列步骤: A、建立所指定区域的三维土壤电阻网络实体模型； B、对该直流落点/直流接地极的三维土壤电阻网络实体模型进行网格化，对网格化后得到的各个模型单元进行赋值，所述的赋值包括对各个模型单元的单元定义及材料属性添加； C、对网格化后的三维土壤电阻网络模型进行模型改进及剖分； D、确定模型单元的载荷及边界条件； E、利用有限元分析的方法，采用共轭梯度法对模型进行求解； F、进行计算结果的后处理，提取划分结构中某一土壤网格中所有剖分单元的电流密度Jk和电位Vk，并求取电流密度总和及平均电位；计算在不同直流落点/直流接地极注入电流时的土壤电位及电流分布； G、应用利用电力系统接地分析软件计算的土壤电位分布结果，对所述的有限元分析计算结果进行比对/校核； H、如果有限元分析计算得到的电位分布结果通过了电力系统接地分析软件的校核，进行下一步骤，否则返回第C步骤，重新进行模型的改进及剖分； J、根据所述F步骤所得到的土壤电位及电流分布情况，计算所述土壤电阻网络的径向电阻&和幅向电阻Re，并计算出了每一网格的径向电阻和幅向电压，得到某个指定方向上的电压和电流分布趋势； K、将地上运行电力网络抽象成直流电阻网络，并通过主变接地点与土壤电阻网络耦合，形成直流偏磁仿真计算直流电阻网络，作为后续步骤采用相对应直流偏磁抑制方案的技术依据。
2.按照权利要求1所述的基于有限元理论的多直流落点条件下直流偏磁抑制方法，其特征是在所述A步骤中，所述的三维土壤电阻网络实体模型分为上、下两层，所述网络实体模型的上层由土壤、长江、杭州湾、海洋和基岩五部分组成，模型尺寸为500X400X 15m3，对应实际尺寸为500X400X 15km3 ;所述网络实体模型的上层厚度为0.35m，对应实际尺寸为0.35km ;所述网络实体模型的下层厚度为14.65m,对应实际尺寸为14.65km,全部为基岩。
3.按照权利要求1所述的基于有限元理论的多直流落点条件下直流偏磁抑制方法，其特征是在所述B步骤中，经过网格化后的三维土壤电阻网络模型为一个以指定的一个直流落点/直流接地极为圆心的、向四周辐射的、大网格形式的土壤电阻网络；所述土壤电阻网络的总辐射半径为150km;将整个圆周12等分，辐射角度取30°，得到由多个内径为^，外径为r2，相对圆心的角度为Θ的扇形立体土壤网格；其所述外、内径的差值为75m;对所述的土壤电阻网络在径向上每隔75m提取一次电阻，所述的电阻包括径向电阻和幅向电阻。
4.按照权利要求1所述的基于有限元理论的多直流落点条件下直流偏磁抑制方法，其特征是在所述B步骤中，所述的模型单元为八节点热/电六面体；在所述的材料属性添加中，单元材料属性选取为电阻率。
5.按照权利要求1所述的基于有限元理论的多直流落点条件下直流偏磁抑制方法，其特征是在所述的C步骤中，根据“电阻率相同的部分合并为一体”的原则，对模型进行了重新划分，按照“使映射剖分的网格尺寸合理”的要求进行剖分，以保证改进后的模型中所有六面体均满足映射剖分条件。
6.按照权利要求1所述的基于有限元理论的多直流落点条件下直流偏磁抑制方法，其特征是在所述的D步骤中，所述的载荷为电流载荷，电流大小为4000A ;对所述模型四周施加电压为O的边界条件。
7.按照权利要求1所述的基于有限元理论的多直流落点条件下直流偏磁抑制方法，其特征是在所述F步骤中，应用有限元分析软件ANSYS对指定区域的土壤网格进行有限元分析，并提取划分结构中某一土壤网格中所有剖分单元的电流密度Jk和电位Vk，并求取电流密度总和
8.按照权利要求1所述的基于有限元理论的多直流落点条件下直流偏磁抑制方法，其特征是在所述G步骤中，所述的电力系统接地分析软件为CDEGS仿真计算软件，所述的CDEGS仿真计算软件仅针对土壤电位分布参数，对所述的有限元分析计算结果和采用进行CDEGS仿真计算软件得到的土壤电位分布计算结果进行比对/校核；当两者的计算结果偏差在10%以内时，认为符合工程要求，予以认可和通过。
9.按照权利要求1所述的基于有限元理论的多直流落点条件下直流偏磁抑制方法，其特征是在所述的J步骤中，根据所得到的土壤电位及电流分布情况，根据电流密度和电流值的关系可求取通过某一土壤网格的电流值Ii:
10.按照权利要求1所述的基于有限元理论的多直流落点条件下直流偏磁抑制方法，其特征是在所述的J步骤中，在获得某个指定土壤网格的径向电阻Rh后，该指定土壤网格的幅向电阻R0 i，通过下式确定:
11.按照权利要求1所述的基于有限元理论的多直流落点条件下直流偏磁抑制方法，其特征是在所述的H步骤中，根据现有电力网络的运行方式和设备参数，提取电力网络的直流电阻网络，并通过每个变电站的地理坐标，通过主变接地点，与土壤电阻网络进行耦合，形成完整的直流偏磁仿真计算电阻网络模型。
【文档编号】G06F17/50GK103593523SQ201310559672
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月12日 优先权日:2013年11月12日
【发明者】赵丹丹, 傅晨钊, 苏磊 申请人:国网上海市电力公司, 华东电力试验研究院有限公司