一种输电线路工频相参数仿真计算方法与流程

本发明涉及电力系统仿真计算领域，具体涉及一种输电线路工频相参数仿真计算方法。

背景技术：

EMTP(Electro-Magnetic Transient Program)是用于电力系统电磁暂态分析的仿真软件，是电力系统中高电压等级的电力网络和电力电子仿真应用最广泛的程序。

目前国内外获取工频相参数的两类基本方法，第一类方法主要是通过公式计算得出。计算法又可以分为两种：一种是根据架空导线的结构、材料、气温环境等情况把具体的参量逐项代入计算公式得到，称为精确计算；另外一种是从手册或产品目录中查取单位长度线路的相参数，称为近似计算。精确计算方法需要预先知道的参数较多，计算公式复杂。在工程上常采用近似计算，该方法忽略了地理环境、气候条件等因素的影响，其计算结果有时误差较大。

第二类是通过输电线路架通后，现场实际测量取得线路工频相参数。实际测量时，由于运行线路对测量线路存在感应电压及感应电流，对测试过程形成干扰，严重影响测量结果的准确性。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种输电线路工频相参数仿真计算方法，本发明为一种基于ATP-EMTP的输电线路工频相参数仿真计算方法。该方法采取了程序仿真与公式计算相结合的方式，比公式精确计算高效便捷，比近似估算精确，同时又可为现场实测提供测试校验。从而为继电保护整定计算、潮流计算、故障测距、短路电流计算、网损计算以及选择电力系统运行方式等提供可靠的输电线路工频相参数。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种输电线路工频相参数仿真计算方法，包括：

获取输电线路、地线、输电杆塔的基本参数及输电线路沿线的土壤电阻率，并将上述参数传输至ATP-EMTP仿真系统；

搭建ATP-EMTP仿真模型；

输电线路参数设置：根据获取输电线路、地线及输电杆塔的基本参数、输电线路沿线的土壤电阻率设置ATP-EMTP仿真系统中的输电线路模块的相关参数；

对运行线路施加源；

输电线路相参数的计算：采用单端法或双端法计算输电线路相参数中的相自阻抗、相自电容、相互阻抗、相互电容，在ATP-EMTP仿真系统中，根据单端法或双端法对待计算相导线进行开路、短路设置，施加电源，仿真计算待计算相导线的电压相量及电流相量，根据测量结果计算输电线路的上述各个相参数。

进一步的，搭建ATP-EMTP仿真模型时，根据输电线路沿线土壤电阻率、输电线路架设方式、地线型号及架设方式、输电线路相序四个因素确定输电线路模型分段点，四个因素为与的关系，若四个因素同时一致，则在一个设计段中；

输电线路模型搭建：对短距离输电线路可选择ATP-EMTP仿真系统中的集中参数模型，对长距离输电线路需选择ATP-EMTP仿真系统中的分布参数模型。

进一步的，输电线路参数设置时，设置的参数包括ATP-EMTP仿真系统中的输电线路模块中的Model模块及data模块的参数；

Model模块中设置输电线路类型及对应的特征、设置土壤电阻率、输电线路输送频率及输电线路长度；

data模块设置输电线路相号、内径、外径、直流电阻、水平距离Horiz、导线高度Vtower、档距中央导线高度V_mid、分裂间距、地线保护角及分裂数。

进一步的，施加信号源为电压源，并设置该电压源的幅值、频率、角度、起止时间。

进一步的，在输电线路相参数的计算时，在输电线路终端设置分相器，将一条三相输电线路分成三个单相输电线路，实现待计算线路的感应电压及电流的分相探测。

进一步的，输电线路相参数的在探测时，将探测电流源串联接在每个单相输电线路中，将探测电压源并联接在感应的每个单相输电线路两端，探测电流源显示通过的电流幅值及角度，探测电压源显示并接线路点的电压幅值与角度。

进一步的，输电线路相自阻抗在仿真计算时，若采用单端法仿真时，具体包括：

将待计算相导线末端开路，首端施加单相电源，其余相两端开路；

仿真计算测量相首端电压相量电流相量

其余保持不变，将待计算相末端接地，仿真计算该相首端电压相量电流相量

仿真数据分析计算：根据EMTP仿真计算结果，得到输电线路特征阻抗及输电线路传播系数，该输电线路仿真计算相单位自阻抗为输电线路特征阻抗及输电线路传播系数之积。

进一步的，输电线路相自阻抗在仿真计算时，若采用双端法仿真时，具体包括：

将待计算相导线首端施加单相电源，末端接地，其余相两端开路；

仿真计算该相首端电压相量电流相量及末端电流相量

仿真数据分析计算：根据EMTP仿真计算结果，得到输电线路特征阻抗及输电线路传播系数，该输电线路仿真计算相单位自阻抗为输电线路特征阻抗及输电线路传播系数之积。

进一步的，输电线路相自电容在仿真计算时，若采用单端法仿真时，具体包括：

将待计算相导线末端开路，首端施加单相电源，其余相保持两端接地；

仿真计算测量相首端电压相量电流相量

其余保持不变，将待计算相末端接地，仿真计算该相首端电压相量电流相量

仿真数据分析计算：根据EMTP仿真计算结果，得到输电线路特征阻抗及输电线路传播系数，该输电线路仿真计算相单位自导纳为输电线路传播系数与输电线路特征阻抗之比，相单位自电容为相单位自导纳的虚部与角频率之比。

进一步的，输电线路相自电容在仿真计算时，若采用双端法仿真时，具体包括：

将待计算相导线首端施加单相电源，末端开路，其余相两端接地；

仿真计算测量相首端电压相量电流相量及末端电压相量

仿真数据分析计算。根据EMTP仿真计算结果，得到输电线路特征阻抗及输电线路传播系数，该输电线路仿真计算相单位自导纳为输电线路传播系数与输电线路特征阻抗之比，相单位自电容为相单位自导纳的虚部与角频率之比。

进一步的，输电线路相间互电容在仿真计算时，若采用单端法仿真时，具体包括：

将待计算的其中一相输电线路首端施加单相电源，末端开路，其余相首端接地，末端开路；

仿真计算施加电源相首端电压相量另一相首端电流相量

仿真数据分析计算：根据EMTP仿真计算结果，该两相输电线路间单位长度相间互电容单位F/km，L为该输电线路线路长度，单位为千米，ω为施加电源的角频率，单位为弧度/秒。

进一步的，输电线路相间互电容在仿真计算时，若采用双端法仿真时，设输电线路系统为N相，仿真计算任意i相与j相间互电容c_ij，在EMTP仿真环境中，具体包括：

将第i相输电线路首端施加单相电源，末端开路，其余相首端接地，末端开路；

仿真计算i相首端电压相量末端电压相量j相首端电流与末端电压

同样的方法对另外除去i相外的其它N相输电系统中输电线路施加电源及仿真计算；

仿真数据分析计算：将EMTP仿真计算结果带入方程组

式中m≠j，i取1到N-1,j取i+1到N，N相导线系统一共可列出含有1+2+3+...+N-1个未知数的1+2+3+...+N-1元方程组，联立求解出所有相间互导纳Y_ij，进而求出相间互电容c_ij＝Y_ij/(L·jω)。式中已从前面仿真计算得到，z_j、y_j为相单位自阻抗与相单位自导纳已从前面仿真计算得到，Y_ij、Y_jm为所有相间互导纳，为该方程组待求解的变量，L为输电线路长度。

进一步的，输电线路相间互阻抗在仿真计算时，具体包括：

将待计算的其中一相输电线路首端施加单相电源，末端接地，其余相首端开路，末端接地；

仿真计算施加电源相首端电流相量其余感应相首端感应电压相量

其余相间互阻抗采用上述同样方法进行施加源及仿真计算；

仿真数据分析计算：根据EMTP仿真计算结果，对短距离输电线路，输电线路相间互阻抗其中L为输电线路长度。

进一步的，输电线路相间互阻抗在仿真计算，对长距离输电线路或对相间互阻抗计算精度要求高时，其中k≠j,k≠i，z_i、y_i、z_j、y_jj、y_jk均在前面相单位自阻抗和相单位自导纳中仿真计算得到，z_i、y_i分别为施加电源的i相导线单位长度阻抗与导纳；z_j为施加电源的j相导线单位长度阻抗，y_jj为感应相j相单位长度自导纳，y_jk为与其它感应相相间单位长度互导纳。

进一步的，档距中央导线高度V_mid＝导线高度-弧垂。

进一步的，若将连续若干级杆塔所假设的导线合并在一个设计段，则平均档距中央导线高度V_mid′：

V_mid'＝加权平均导线高度-平均弧垂

加权平均导线高度—该设计段内的不同导线高度与其所占的百分比乘积的加和；

平均弧垂—该设计段平均档距对应的弧垂。

进一步的，水平距离Horiz在设置时，首先选定一个参考的水平距离，若选定杆塔中线为参考水平距离0点，设参考坐标点左方为负，右方为正，输电线路距该参考点的绝对间距为d；

若输电线路在杆塔左侧，则Horiz_输电线路＝-d；

若输电线路在杆塔右侧，则Horiz_输电线路＝d。

本发明的有益效果：

本发明研究的输电线路工频相参数的仿真计算方法，适用于任意输电线路。

本发明采取了程序仿真与公式计算相结合的方式，比公式精确计算高效便捷，比近似估算精确，同时又可为现场实测提供测试校验。从而为继电保护整定计算、潮流计算、故障测距、短路电流计算、网损计算以及选择电力系统运行方式等提供可靠的输电线路工频参数。

附图说明

图1单端法相自阻抗仿真计算示意图；

图2双端法相自阻抗仿真计算示意图；

图3单端法相自电容仿真计算示意图；

图4双端法相自电容仿真计算示意图；

图5单端法相互电容仿真计算示意图；

图6双端法相互电容仿真计算示意图；

图7相互阻抗仿真计算示意图；

图8输电线路工频相参数仿真计算流程图

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图8所示，一种输电线路工频相参数仿真计算方法，具体包括的步骤为：

1、数据采集

1)获取所涉及的输电线路资料，包括输电线路型号、内径、外径、直流电阻值，分裂数，分裂间距，弧垂、相序。

2)获取所涉及的地线资料，包括地线型号，内径，外径、直流电阻，弧垂，接地方式、地线保护角。

3)获取所涉及的输电杆塔资料，包括杆塔型号、呼高、档距、导线在杆塔悬挂点及参数。

4)获取所涉及的土壤电阻率参数。

2.数据分析计算

将获取到的上述数据根据下述公式进行数据分析计算：

1)V_mid＝导线高度-弧垂

V_mid—档距中央导线高度。

2)若将连续若干级杆塔所假设的导线合并在一个设计段，则：

V_mid'＝加权平均导线高度-平均弧垂

加权平均导线高度—该设计段内的不同导线高度与其所占的百分比乘积的加和。

平均弧垂—该设计段平均档距对应的弧垂。

3)在同塔双回、同塔多回、并行架设的输电线路间的距离是影响输电线路参数的重要因素。ATP-EMTP软件中的LCC(输电线路模块)中Model中的Horiz参数设定同塔双回、同塔多回、并行架设线路的距离。首先选定一个参考的水平距离，若选定任一杆塔中线为参考水平距离0点，输电线路距该参考点的绝对间距为d。设参考坐标点左方为负，右方为正。

若输电线路在杆塔左侧，则Horiz_输电线路＝-d

若输电线路在杆塔右侧，则Horiz_输电线路＝d

3、ATP-EMTP仿真模型搭建。

1)输电线路模型设计。根据输电线路沿线土壤电阻率、输电线路架设方式、地线型号及架设方式、输电线路相序四个因素确定输电线路模型分段点。四个因素为与的关系，若四个因素同时一致，则在一个设计段中。

2)搭建输电线路模型。对短距离输电线路可选择ATP-EMTP中的集中参数模型，对长距离输电线路需选择ATP-EMTP中的分布参数模型，将步骤1)设计好的各段输电线路，在ATP-EMTP中用选择的输电线路模型模拟，并根据输电线路相序图将各段输电线路连接起来。

3)输电线路参数设置。需设置的参数有ATP-EMTP中的LCC(输电线路模块)中的Model、data模块。此部分参数的设置根据上述1资料收集及上述2数据分析计算得到，具体为Model模块中设置输电线路类型及对应的特征，设置土壤电阻率，输电线路输送频率，输电线路长度；data模块设置输电线路相号，内径，外径，直流电阻，水平距离Horiz,导线高度V_tower,档距中央导线高度V_mid，分裂间距，地线保护角，分裂数。

4)输电线路施加信号源设置。选择施加信号源为电压源，并设置该电压源的幅值、频率、角度、起止时间。一般来说该信号源的幅值在尽可能大些的前提下，可随意选取。若为了使仿真计算量能指导现场实测，则需调查所使用测试设备所能提供的信号源最大幅值，并将仿真计算信号源设为该值。

5)仿真时间步长设置。打开ATP-EMTP中的ATP模块下的ATP-Settings,设置仿真步长deltaT＜1×10^-3，仿真时间T_max>deltaT。

4.ATP-EMTP计算调试

1)运行ATP程序，查看各段换位及相序是否准确，若错误，逐段核对LCC(输电线路模块)相序，并修正，直到相序全部与设计相序一致为止。

2)由于输电线路每相导线出厂工况、架设高度、换位方式、沿线环境等都有所不同，故线路参数也会有所不同，仿真计算中的电压及电流需分相探测，故需在输电线路终端设置分相器，即选择Probe&3-phase中的Splitter(3phase)模块，将一条三相输电线路分成三个单相输电线路。

3)将探测电流源串联接在每个单相输电线路中，将探测电压源并联接在感应的每个单相输电线路两端，双击探测电流源设定探测电流源显示的内容，选择Steady-state的curr/Power,选择Onscreen中的Curr.Ampl,则调试计算结束后该探测电流源显示通过的电流幅值及角度。双击探测电压源设定探测电压源显示的内容，选择Steady-state的Voltage,选择Onscreen中的U,则调试计算结束后该探测电压源显示并接线路点的电压幅值与角度。

4)安排计算方式。目前针对输电线路相参数的测试方法中比较成熟的有两种，一种是针对短距离输电线路的单端法，另一种是针对长距离输电线路的双端法。输电线路相参数包含相自阻抗、相自电容、相互阻抗、相互电容。各参数计算方式安排如下：

a)输电线路相自阻抗仿真计算。

如图1所示，单端法仿真时，在EMTP仿真环境中，步骤1，对待计算相导线末端开路，首端施加单相电源，其余相两端开路。步骤2，仿真计算测量相首端电压相量电流相量步骤3，将待计算相末端接地，仿真计算该相首端电压相量电流相量步骤4，仿真数据分析计算。根据EMTP仿真计算结果，输电线路特征阻抗单位为Ω，输电线路传播系数单位1/km，其中L为该输电线路线路长度，单位为km，该输电线路仿真计算相单位自阻抗为z＝z_cλ，单位Ω/km。

如图2所示，双端法仿真时，在EMTP仿真环境中，步骤1，将待计算相导线首端施加单相电源，末端接地，其余相两端开路。步骤2，仿真计算该相首端电压相量电流相量及末端电流相量步骤3，仿真数据分析计算。根据EMTP仿真计算结果，输电线路特征阻抗单位为Ω，输电线路传播系数单位1/km，其中L为该输电线路线路长度，单位为km，该输电线路仿真计算相单位自阻抗为z＝z_cλ，单位Ω/km。

b)输电线路相自电容仿真计算。

如图3所示，单端法仿真时，在EMTP仿真环境中，步骤1，对待计算相导线末端开路，首端施加单相电源，其余相保持两端接地。步骤2，仿真计算测量相首端电压相量电流相量步骤3，将待计算相末端接地，仿真计算该相首端电压相量电流相量步骤4，仿真数据分析计算。根据EMTP仿真计算结果，输电线路特征阻抗单位为Ω，输电线路传播系数单位1/km，其中L为该输电线路线路长度，单位为km，该输电线路仿真计算相单位自导纳为y₀＝λ/z_c，单位S，单位长度自电容c₀＝Im(y₀)/ω。

如图4所示，双端法仿真时，在EMTP仿真环境中，步骤1，将待计算相导线首端施加单相电源，末端开路，其余相两端接地。步骤2，仿真计算测量相首端电压相量电流相量及末端电压相量步骤3，仿真数据分析计算。根据EMTP仿真计算结果，输电线路特征阻抗单位为Ω，输电线路传播系数单位1/km，其中L为该输电线路线路长度，单位为km，该输电线路仿真计算相单位自导纳为y₀＝λ/z_c，单位S,单位长度自电容c₀＝Im(y₀)/ω。

c)输电线路相间互电容仿真计算。

如图5所示，单端法仿真线路两相输电线路间互电容时，在EMTP仿真环境中，步骤1，对待计算的其中一相输电线路首端施加单相电源，末端开路，其余相首端接地，末端开路。步骤2，仿真计算施加电源相首端电压相量另一相首端电流相量步骤3，仿真数据分析计算。根据EMTP仿真计算结果，该两相输电线路间单位长度相间互电容单位F/km。

如图6所示，双端法仿真时，设输电线路系统为N相，仿真计算任意i相与j相间互电容c_ij，在EMTP仿真环境中，步骤1，对第i相输电线路首端施加单相电源，末端开路，其余相首端接地，末端开路。步骤2，仿真计算i相首端电压相量末端电压相量j相首端电流与末端电压步骤3，以同样的方法对另外除去i相外的其它N相输电系统中输电线路施加电源，末端开路，其余相导线首端接地，末端开路。仿真计算的量与以上相同，即施加电源相首、末端电压，其余相首端电流与末端电压。步骤4，仿真数据分析计算。将EMTP仿真计算结果带入方程组式中m≠j，i取1到N-1,j取i+1到N。N相导线系统一共可列出含有1+2+3+...+N-1个未知数的1+2+3+...+N-1元方程组，联立求解出所有相间互导纳Y_ij，进而求出相间互电容c_ij＝Y_ij/(L·jω)。

d)输电线路相间互阻抗仿真计算。

如图7所示，相间互阻抗的仿真计算中末端不涉及测量量，所以单端法与双端法仿真计算方式相同。在EMTP仿真环境中，步骤1，对待计算的其中一相输电线路首端施加单相电源，末端接地，其余相首端开路，末端接地。步骤2，仿真计算施加电源相首端电流相量其余感应相首端感应电压相量其余相间互阻抗采用同样方法仿真计算。步骤3，仿真数据分析计算。根据EMTP仿真计算结果，方法一，输电线路相间互阻抗其中L为输电线路长度；方法二，其中k≠j,k≠i，z_i、y_i、z_j、y_jj、y_jk均在前面仿真计算得到，z_i、y_i分别为施加电源的i相导线单位长度阻抗与导纳；y_jj为感应相j相单位长度自导纳，y_jk为与其它感应相相间单位长度互导纳。对短距离输电线路可选用方法一，对长距离输电线路或对互阻抗计算精度要求高的场合宜选用方法二。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。