一种电力系统混合仿真故障统一处理的方法
【专利摘要】本发明提出的一种电力系统混合仿真故障统一处理的方法，属于电力系统数字仿真技术领域。该方法首先在电力系统混合仿真中的机电暂态侧建立电力系统交流网络；并在故障端口处，将所述网络划分为正常子网络和多端口故障子网络；在正常子网络中，一次设备动态元件接入正序网，并求解正常子网络正序导纳矩阵；在多端口故障子网络中，按照故障信息划分不同故障模型并求解相应的多重故障端口综合导纳矩阵；最后将多重故障端口综合导纳矩阵叠加进正常子网络正序网导纳矩阵中，在混合仿真中计及故障扰动对系统的影响。本发明法有效针对电网各种横向、纵向故障，通过故障端口综合导纳矩阵做出统一处理。
【专利说明】
-种电力系统混合仿真故障统一处理的方法
技术领域
[0001] 本发明属于电力系统数字仿真技术领域，特别设及一种电力系统混合仿真故障统 一处理的方法。
【背景技术】
[0002] 通常情况下，电力系统是由S相对称的元件组成，电网中各节点电压和各支路电 流=相幅值相同，任意两相间的相角差相等。当出现故障或系统局部异常运行时，电力网络 中出现电气量=相不平衡。实际上，不对称故障、扰动和系统不对称工况是电力系统中较为 常见的现象，使得在短路电流计算和暂稳计算中，非对称故障和扰动，相比=相对称故障和 扰动更为普遍。例如，电力系统输电线路接地短路故障，单相接地故障发生概率远远大于= 相同时接地故障;再如，某些特殊情况下，低压配电网可作短时间非对称运行。
[0003] 随着交直流混合电网，大量电力电子装置负荷入电网，电网=相不对称情况越发 严重。运些电网中出现的实际问题对由电力系统机电暂态仿真和电磁暂态仿真联合组成的 混合仿真模拟系统在非对称故障、扰动激励下特性和行为、系统=相不对称工况下运行行 为提出了要求。
[0004] 电力系统故障、非对称运行工况的仿真分析是电力系统仿真中的重要组成部分。 为能更好的维护电力系统的供电可靠性和运行稳定性，电力系统规范化的、系统的计算故 障方法也具有非常重要的现实意义。
[0005] 机电暂态过程仿真是对电力系统中机械暂态过程和电磁暂态过程的综合分析研 究。机电暂态模型一次系统电气量采用相量形式表示，一次系统的=相网络经过线性变换 转换为解禪的基波=序(正序、负序、零序）网络计算。相对于电磁暂态模型，机电暂态模型 有一定或较大程度的简化。机电暂态仿真只能反映电力系统工频特性及低频振荡等特性， 主要用于分析电力系统受到大扰动后的暂态稳定和受到小扰动后的静态稳定性能。
[0006] 电磁暂态过程指电力系统中各元件中电场和磁场W及相应的电压和电流的变化 过程。电磁暂态模型一次系统电气量采用ABCS相瞬时值表示，可W详细描述系统S相不对 称、波形崎变谐波、过电压等过程;动态元件模型多微分方程或偏微分方程描述，发电机大 多采用dqO坐标或abcS相电压、磁链方程和暂态阻抗后电压模型描述。由于电磁暂态仿真 模型精细度高、阶数高、求解复杂，其仿真的规模受到限制，一般情况为几十至几百个节点 或几十台发电机的系统。
[0007] 建模方式和模型求解算法决定了电磁暂态仿真可W自然、有效地的处理系统非对 称工况和非对称故障、扰动；由于相坐标空间里元件参数存在禪合的问题，相分量计算方法 的计算量比较大，同时复杂的禪合关系也使得相分量法在网络处理上不同于单相的情况， 比采用单相网络的分析计算技术要困难得多。
[000引对称分量法是分析电力系统=相不平衡的有效方法，其基本思想是把=相不平衡 的电流、电压分解成=组对称的序分量，把电力系统不平衡的问题转化成平衡问题进行处 理。
[0009] 节点导纳矩阵是W系统元件的等值导纳为基础所建立的、描述电力网络各节点电 压和注入电流之间的关系。根据正序网络建立的节点导纳矩阵即称为正序网导纳矩阵。
[0010] 电力系统的故障可W分为横向故障和纵向故障两大类。横向故障是指各种类型的 短路，包括=相短路、两相短路、单相接地短路及两相接地短路。纵向故障主要是指各种类 型的断线故障，包括单相断线、两相断线和=相断线。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种电力系统混合仿真故障统 一处理的方法。本发明方法有效针对电网各种横向、纵向复故障通过故障端口综合导纳矩 阵做出统一处理。
[0012] -种电力系统混合仿真故障统一处理的方法，其特征在于该方法包括W下步骤：
[0013] 1)通过电力系统机电暂态仿真和电磁暂态仿真联合组成的混合仿真中机电暂态 侦U，构建电力系统交流网络；
[0014] 2)当电力系统出现故障时，在故障端口处，机电侧将电力系统交流网络划分为正 常子网络和多端口故障子网络；
[0015] 3)在正常子网络中，将一次设备动态元件接入正序网，并求解正常子网络正序导 纳矩阵；
[0016] 4)在多端口故障子网络中，根据故障信息建立电力系统网络元件的故障模型，并 求出相应故障模型的多重故障端口综合导纳矩阵；
[0017] 5)将步骤4)计算得到的多重故障端口综合导纳矩阵叠加进步骤3)求得的正常子 网络正序网导纳矩阵中，完成在混合仿真中对于故障的统一处理。
[0018] 本发明的特点及有益效果在于：
[0019] 本发明主要是针对在机电一一电磁混合仿真中，针对机电侧和电磁侧建模的特性 和结算的优缺点，结合不同的故障信息，通过多重故障端口综合导纳矩阵作出统一处理，并 在混合仿真中反映出故障扰动状态对系统的影响。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明的电力系统混合仿真故障统一处理方法的流程框图。
[0021] 图2为电网横向故障一般化等效网络示意图。
[0022] 图3为电网纵向故障一般化等效网络示意图。
【具体实施方式】
[0023] 本发明提出的一种电力系统混合仿真故障统一处理的方法，下面结合附图和具体 实施例进一步详细说明如下。
[0024] 本发明提出的一种电力系统混合仿真故障统一处理的方法，该方法具体包括W下 步骤：
[0025] 1)通过机电暂态仿真和电磁暂态仿真所组成的混合仿真中的机电暂态侧，建立电 力系统交流网络；
[0026] 2)当电力系统出现故障时，在故障端口处，机电暂态侧将电力系统交流网络划分 为正常子网络和多端口故障子网络；
[0027] 3)在正常子网络中，电网部分采用基波=序(正序、负序、零序）网络描述，将一次 设备动态元件包括发电机、动态负荷和电力电子变换装置接入正序网相正序分量的大 小相等，相位彼此相差120%相序与系统正常运行方式下的相同），通过常规方式形成正常 子网络的正序导纳矩阵，并采用常规求解方法，如牛顿一拉夫逊法，即可对正常子网络正序 导纳矩阵进行解算；
[0028] 4)在多端口故障子网络中，根据故障信息建立电力系统网络元件的故障模型，并 求出相应模型的多重故障端口综合导纳矩阵;具体步骤包括：
[0029] 所述的故障信息，包括横向故障信息和纵向故障信息；对于电力系统中的横向故 障的一般描述，如图2所示;纵向故障的一般描述，如图3所示；图2和图帥，I、J均为有源等 值网络，k为故障点，Zi、Z2表示线路阻抗，Zka、Zkb、Zkc为故障点故障阻抗，ik。、么>、心分别 为故障时A、B、CS相的相电流，氏,、1:),6、馬,,分别为故障时故障点处A、B、CS相的相电压； 图2中Zkg为中性点接地阻抗。
[0030] 所述的故障模型，包括横向故障模型和纵向故障模型：
[0031] 4.1)所述的横向故障为短路故障，并且本发明将=相不平衡负荷类型也划归为横 向故障类型；横向故障模型采用一星接(Y接)=相阻抗接入故障端口，其中Y接=相阻抗中 性点通过阻抗接地来描述；
[0032] 在横向故障模型中多端口故障子网络一共有t个，分别为故障子网络1，故障子网 络2,……，故障子网络t;根据=相电压和=相电流关系，得到t个故障子网络电压和电流的 相量关系式，如式（1)所示：
[0033] (1)
[0034] 式中，Zka、Z化、Zkc分别为A相、B相、讨目接入故障端口的阻抗向量，即Zka =[ Zkal Zka2 ......Zkat] , Zlib 二口kbl Zkb2 ...... Zlibt ] , Zkc 二 I! Zkcl Zkc2 ...... Zkct ]; Zkg为中性点阻 抗向量，即Zkg =IiZkgi Zkg2 ...... Zkgt]T;朽ka.、. tJ.kb、. 分别为A相、B相、C相电压向量
阵的转置；
[0035] 采用序分量法，将电压和电流进行=相和=序变换，则式(1)转换为如式(2)所示：
[0036]
(2)
[0037] 式(2)中Ukai、分别为A相电压的正序分量、负序分量和零序分量的向 量(上标为相量表示），iw、ita,、Ikae分别为A相电流的正序分量、负序分量和零序分量的 向量(上标为相量表示），式(2)中各分块矩阵均为对角矩阵，维数为故障个数。各分块矩阵 表达式如式(3)所示；
[00；3 引 (3)
[0039] 式(3)中，a为引用算子矩阵；
[0040] 在故障端口，电网侧负序网和零序网的故障支路电流与故障端口电压关系分别如 式(4)和式(5)所示：
[0041] (4)
[00 创 C 5)
[0043] 联立式(2)~式(5)，可W推导求出故障情况下正序网故障端口正序电压和正序故 障电流的关系，如式(6)所示：
[0044]
(巧）
[0045] 式中Yf为多重故障端口综合导纳矩阵；
[0046] 将式(4)和式(5)代入式(2)，得到
[0047]
[004引 [0049]
[0化0] (任）
[0051]其中I为单位矩阵;根据式(6)和式(9)得到横向故障模型中多重故障端口综合导 纳矩阵，如式(10)所示：
[0化2]
(10)
[0053] 4.2)所述的纵向故障主要为断线故障;纵向故障模型增加的故障支路由S相阻抗 接入故障线路来描述:正常情况下，故障支路阻抗值为一个较小的值，而=相阻抗设置不同 的值可W组合出不同的纵向故障或扰动；
[0054] 纵向故障模型中，多端口故障子网络一共有r个，分别为故障子网络1，故障子网络 2,......，故障子网络。
[0055] 根据=相电压和=相电流关系，得到r个故障子网络电压和电流的相量关系式，如 式(11)所示：
[0化6] (U)
[0057] 式中，Zka、Zkb、Zkc分别为A相、B相、讨目接入故障端口的阻抗向量，即Zka=[ZkalZka2 ......Zkar ] T，Zkb =[ Zkbl Zkb2 ...... Zkbr ] ^ , Zkc = [ Zkcl Zkc2 ...... Zkcr ] ^ ； 如、AtJkf分别为A相、B相、C相故障端口阻抗两端的电压向量(上标为相量表示）， 即础h = [MXai A化邮……Aij Ji.，姑此=[細山A扫…A甘吐J，么占，=[化,"A由A凸JT ; fta、?分别为流过A相、B相、C相阻抗的电流向量（上标为相量表示），即
[0058]采用序分量法，将电压和电流进行S相和S序变换，则式（11)转换为如式（12)所 示：
[0化9] (12)
[0060] 其中，ALk,,,、Aiik。、Aiv,,,分别为A相故障端口阻抗两端电压的正序分量、负序 分量和零序分量的向量（上标为相量表示），iw、ibi、分别为流过A相电流的正序分 量、负序分量和零序分量的向量(上标为相量表示）；
[0061] 式（12)中各分块矩阵均为对角矩阵，维数为故障个数。各分块矩阵表达式如式 (13) 所示：
[0062] (13)
[0063] 式（13)中，a为引用算子矩阵；
[0064] 在故障端口，电网侧负序网和零序网的故障支路电流与故障支路电压关系如式 (14) 和式（15)所示：
[0069]纵向故障模型中多重故障端口综合导纳矩阵Yf,如式(17)所示：
[00 化] (14).
[0066] (做
[0067]
[006引 （化）
[0070]
(17)
[0071] 5)将步骤4)计算得到的不同故障模型所对应的多重故障端口综合导纳矩阵叠加 进正常子网络正序网导纳矩阵中，进行解算，得到正序网故障端口正序电压和电流，继而通 过正序故障端口电流计算得到负序、零序网故障端口电压，从而在混合仿真中计及故障扰 动对系统的影响，完成在混合仿真中对于故障的统一处理。
【主权项】
1. 一种电力系统混合仿真故障统一处理的方法，其特征在于，该方法包括W下步骤： 1) 通过电力系统机电暂态仿真和电磁暂态仿真联合组成的混合仿真中机电暂态侧，构 建电力系统交流网络； 2) 当电力系统出现故障时，在故障端口处，机电暂态侧将电力系统交流网络划分为正 常子网络和多端口故障子网络； 3) 在正常子网络中，将一次设备动态元件接入正序网，并求解正常子网络正序导纳矩 阵； 4) 在多端口故障子网络中，根据故障信息建立电力系统网络元件的故障模型，并求出 相应故障模型的多重故障端口综合导纳矩阵； 5) 将步骤4)计算得到的多重故障端口综合导纳矩阵叠加进步骤3)求得的正常子网络 正序网导纳矩阵中，完成在混合仿真中对于故障的统一处理。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)中根据故障信息建立电力系统网络元 件的故障模型，并求出相应故障模型的多重故障端口综合导纳矩阵，所述故障模型分为横 向故障模型和纵向故障模型，具体步骤包括： 4.1)在横向故障模型中，多端口故障子网络一共有t个，分别为故障子网络1，故障子网 络2,……，故障子网络t;t个故障子网络电压和电流的相量关系式，如式(1)所示：(1) 式中，Zka、Zkb、Zkc分别为A相、B相、C相接入故障端口的阻抗向量，即Zka = [ Zkal Zka2 ......Zkat] , Zlib 二口kbl Zkb2 ...... Zlibt ] , Zkc 二[Zkcl Zkc2 ...... Zkct ] ; Zkg为中性点阻 抗向量，即Zkg=[Zkgi Zkg2 ...... Zkgt]T;il化、?Ι地.、?虹分别为A相、B相、c相电压向量， 即^=[城1的2 ……而 t]T，Ck,, =[咬 W 咕=权。，化。...... i'U'r; 心、ikb、ike分别为A相、B相、棚电流向量，即i;ka = lXi A ：…4j，ii、i, = Κ,, /化2 ..i /帕..，i|tc -.人,..,.1 矣C.2 ;Τ表不矩阵的转置； 采用序分量法，将电压和电流进行立相和立序变换，则式(1)转换为如式(2)所示：(2) 式（2)中分别为A相电压的正序分量、负序分量和零序分量的向量， iw、ik.,; . ?ωι分别为A相电流的正序分量、负序分量和零序分量的向量，式(2)中各分块矩 阵均为对角矩阵，维数为故障个数;各分块矩阵表达式如式(3)所示；(3) 式(3)中，a为引用算子矩阵； 在故障端口，电网侧负序网和零序网的故障支路电流与故障端口电压关系分别如式 (4)和式(5)所示：联立式(2)~式(5)，求出故障情况下正序网故障端口正序电压、正序故障电流的关系， 如式(6)所示：CG) 式中，Yf为多重故障端口综合导纳矩阵； 将式(4)和式巧)代入式(2)，得到其中I为单位矩阵； 根据式(6)和式(9)得到，横向故障模型中多重故障端口综合导纳矩阵，如式(10)所示：4.2)在纵向故障模型中，多端口故障子网络一共有r个，分别为故障子网络1，故障子网 络2,……，故障子网络个故障子网络电压和电流的相量关系式，如式(11)所示：式中，Zka、Zkb、Zkc分别为A相、B相、C相接入故障端口的阻抗向量，即Zl<a= [Zkal Zka2 ...... Zkar] ? Zkb -[Zkbl Zkb2 ...... Zkbr ] ? Zkc -[Zkcl Zkc2 ...... Zkcr ] ; Δ?Ι崎、AU",、Δ??帖分 别为A相、B相、C相故障端口阻抗两端的电压向量，即&町。=^^1、,| Δ?|、.,： Δ?\;,,.]'， 細化=[么。、"Δυ化；，.....Δ?化J，如,，=[么山 Δ白帖·..... Δ?^τ;：^、ikb、4分别为 流过A相、B相、c相阻抗的电流向量，即ib = [4,么,2 .…..屯。=[人61 4:2……4J1, i|" - !........足w.]t，.T表不矩阵的转置； 采用序分量法，将电压和电流进行Ξ相和Ξ序变换，则式(11)转换为如式(12)所示：(12) 式（12)中，??^ι、. ?>^。分别为A相电压的正序分量、负序分量和零序分量的向量， ik?、ik。;、分别为A相电流的正序分量、负序分量和零序分量的向量，式（12)中各分块 矩阵均为对角矩阵，维数为故障个数;各分块矩阵表达式如式(13)所示；(13) 式（13)中，a为引用算子矩阵； 在故障端口，电网侧负序网和零序网的故障支路电流与故障支路电压关系如式（14)和 式(15)所示：
【文档编号】H02J3/00GK106099927SQ201610726054
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月25日
【发明人】唐绍普, 黄冠标, 刘志飞, 甄鸿越, 张树卿, 赵利刚, 童陆园
【申请人】清华大学, 中国南方电网有限责任公司电网技术研究中心