一种基于场路结合获取电力元件等效模型和参数的方法与流程

本发明涉及电力系统建模仿真领域，更具体地说，涉及一种基于场路结合获取电力元件等效模型和参数的方法。

背景技术：

因为电力系统网络的特殊性，如电压等级高、线路长、相关参数复杂等特点，在进行数值计算时，研究方法往往比较复杂，计算量大，同时具体试验也缺少相应试验环境。在这样的前提下，利用计算机相关软件对具体问题进行建模仿真，这样的方法相比较之下更加容易，具有操作方便、贴合实际情况等优点。

但随着电力系统的发展，如今越来越多的研究人员发现建模仿真的结果与实际试验的结果差别远超误差允许的范围，主要原因可能为：(1)对部分电力元件的建模还是沿用以前的模型，如隔离开关的模型；(2)对部分电力元件的建模还是根据以前的经验选取对应的相关参数，如电缆的参数。可见，目前电力系统的建模仿真还是在沿用以前的模型和经验参数，但随着电力系统的发展，这些模型和参数可能都发生了一些变化，这就直接导致根据经验而来的仿真结果与实际差别较大。

场路结合法是近几十年来在电机设计领域应用非常广泛的一种电磁计算方法，最早被应用于电机设计时相关参数的确定，其主要原理是通过三维的场仿真，获得相对准确的二维计算模型及等效参数。大量的研究表明场路结合法为解决工程设计上确定等效参数的问题提供了便利。本发明将场路结合法应用于获取电力元件等效模型及参数中，具有较大的新颖性和应用价值。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提出一种基于场路结合获取电力元件等效模型和参数的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：设计一种基于场路结合获取电力元件等效模型和参数的方法，其包括以下步骤：

step1，获取电力元件的结构和尺寸参数；

step2，在ansys三维仿真软件中建立该电力元件的三维结构模型；

step3，在步骤step2的三维结构模型施加低压行波测试获得该电力元件的单位阶跃响应；

step4，结合该电力元件与其他元件的连接结构给出该电力元件的定性等效电路模型，若该电力元件与其他元件存在直接连接结构则判定该电力元件的定性等效电路模型为电感和电阻的串联，若该电力元件与其他元件存在断口或对地高度则判定该电力元件的定性等效电路模型为电容；

step5，按照步骤step4获得的定性电路模型与电力元件的单位阶跃响应相吻合的原则，获得电力元件的定性电路模型的具体参数。

在上述方案中，在所述步骤step3中，采用有限元法计算电力元件等效电路元件的具体参数。

在上述方案中，有限元法包括以下步骤：

1)，根据变分原理，建立问题解微分方程等价的积分表达式；

2)，根据求解域的几何特征，将整个求解域进行网格剖分；

3)，根据所剖分单元节点数目以及对近似精度的要求，选择满足要求的插值函数作为单元基函数，并将求解函数用单元基函数的线性组合表达式进行逼近，从而获得含有特定系数的代数方程式；

4)，将整个求解区域中的单元有限元方程进行总体合成，得到整个求解域电场分布解。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明有效解决现有技术中沿用以前的电力元件模型及经验参数所带来的仿真结果与实际差别较大的问题。

2、本发明具有建模方法简单、模型直观可靠、参数选择合理等特点。

3、本发明提高仿真结果的可靠性，避免反复的仿真和试验调整，节约大量人力、物力、财力，提高工作效率和工作效果。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为一种基于场路结合获取电力元件等效模型和参数的方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中gis隔离开关的结构示意图；

图3为本发明实施例中gis隔离开关的网格划分示意图；

图4为本发明实施例中gis隔离开关内部的电场强度分布云图。

图中：1-壳体；2-动触头屏蔽罩；3-动触头；4-静触头；5-静侧绝缘盆子；6-动侧绝缘盆子；7-静触头屏蔽罩；8-绝缘支柱。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供一种基于场路结合获取电力元件等效模型和参数的方法，包括以下步骤：

step1，获取电力元件的结构和尺寸参数；

step2，在ansys三维仿真软件中建立该电力元件的三维结构模型；

step3，在步骤step2的三维结构模型施加低压行波测试获得该电力元件的单位阶跃响应。采用有限元法计算电力元件等效电路元件的具体参数，包括以下步骤：

1)，根据变分原理，建立问题解微分方程等价的积分表达式；

2)，根据求解域的几何特征，将整个求解域进行网格剖分；

3)，根据所剖分单元节点数目以及对近似精度的要求，选择满足要求的插值函数作为单元基函数，并将求解函数用单元基函数的线性组合表达式进行逼近，从而获得含有特定系数的代数方程式；

4)，将整个求解区域中的单元有限元方程进行总体合成，得到整个求解域电场分布解。

step4，结合该电力元件与其他元件的连接结构给出该电力元件的定性等效电路模型，若该电力元件与其他元件存在直接连接结构则判定该电力元件的定性等效电路模型为电感和电阻的串联，若该电力元件与其他元件存在断口或对地高度则判定该电力元件的定性等效电路模型为电容。

step5，按照步骤step4获得的定性电路模型与电力元件的单位阶跃响应相吻合的原则，获得电力元件的定性电路模型的具体参数。

本发明实施例以gis隔离开关为例子，获取gis隔离开关在二维仿真电路中的等效模型和相关参数。

gis隔离开关的结构示意图如图2所示，包括壳体1、动触头屏蔽罩2、动触头3、静触头4、静侧绝缘盆子5、动侧绝缘盆子6、静触头屏蔽罩7、绝缘支柱8，壳体1均为金属接地导体，获取gis隔离开关的结构和尺寸参数。特高压gis隔离开关的气室结构并不是对称机构，接着根据gis隔离开关的整个区域建立定性电路模型，gis隔离开关闭合后无断口，所以其定性等效电路模型是电感元件与电阻元件的串联；而gis隔离开关断开后动静触头间存在断口间隙，所以其定性等效电路模型为电容元件。

gis隔离开关的气室结构是以金属罐外壳为边界，在电场计算中，涉及到三种介质，依次为隔离开关气室内部sf6气体、材质为环氧树脂的绝缘件、金属铜，其中，sf6气体的相对介电常数为1.002，环氧树脂的相对介电常数为3.8，金属铜的相对介电常数取为2000，上述3个相对介电常数是ansys三维仿真软件自身计算程序计算电场时所必须的环境材料参数。在ansys三维仿真软件中建立gis隔离开关的三维结构模型，在三维建模时采用自底到顶的方法，根据关键点生成线，生成面，最后生成体。

接下来进行有限元计算，包括以下步骤：1)前处理：特高压gis隔离开关的前处理网格剖分是一个关键环节，由于部分元件尺寸比较小，本发明实施例采用智能划分网格的方法，采用solid122单元在曲率较小的地方进行局部细化，先对线进行细分然后再进行整体部件的剖分，如图3所示。2)有限元计算：动触头及动侧导体加载高电位898kv，金属外壳及静侧导体加载零电位，间隙距离在0-230mm之间，间隔10mm对不同间隙距离下的gis隔离开关电场仿真计算，如图4所示。3)后处理：将计算数据进行处理，包括绘制电场强度云图、计算电场强度和导出计算数据，并根据电场能量法得到等效电路元件的具体参数。

隔离开关合闸情况下，其等效为一小段无损导线，参数可以忽略不计；隔离开关分闸情况下，其等效为串联在线路中的电容元件，根据仿真结果取值为3pf，与经验值的数量级一致而且精确。

附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。