一種基於配電網等效暫態電源模型的等效短路電流生成方法及裝置
2024-04-13 06:25:05 1
1.本發明涉及一種基於配電網等效暫態電源模型及其參數獲取方法，屬於電網技術領域。
背景技術：
2.近年來，隨著傳統能源的日益枯竭，電力電子電源在配電網中的滲透率逐步升高。電力電子電源大量電力電子電源的接入改變了配電網的潮流流向，配電網從傳統單側電源供電的簡單網絡變為了多端電源供電的複雜網絡，只計及發電機電源的傳統模型不再適用。
3.通常，電力系統的分析與計算採用時域仿真法進行。當計及接入電網的新能源電源時，因其具有更小時間尺度的動態特性和控制行為，故需要進行步長更小精度更高的精細仿真才能準確反應其輸出特性。然而，如果計及每個新能源電源和電網間的交互作用，通過時域仿真法進行電力系統的分析與計算時將會遇到「海量」的計算量，大大降低了仿真速度。同時，如果採用簡化模型的方式來提高仿真速度，則電力系統分析與計算將會遇到精度不足的問題。
4.目前，關於計及高比例電力電子電源的通用暫態模型的研究較少或相對複雜難用，電力運行人員在對實際電網暫態過程分析時面臨精度和速度不能兼顧的難題。因此，如何建立一種適用於高比例電力電子電源的配電網等效暫態電源模型，使其足夠簡單以滿足計算速度的要求，同時又能突出傳統發電機和電力電子電源在暫態過程中的主要機理特性以滿足計算精度問題，是未來相關科研人員的主要研究方向。
技術實現要素：
5.本發明的目的在於克服現有技術中的不足，提供一種基於配電網等效暫態電源模型的等效短路電流生成方法及裝置，使其足夠簡單以滿足計算速度的要求，同時又能突出傳統發電機和電力電子電源在暫態過程中的主要機理特性以滿足計算精度問題。
6.為達到上述目的，本發明是採用下述技術方案實現的：
7.第一方面，本發明提供了一種基於配電網等效暫態電源模型的等效短路電流生成方法及裝置，包括以下步驟：
8.步驟一、搭建適用於高比例電力電子電源的配電網等效暫態電源模型；
9.步驟二、獲取配電網保護安裝處的實測數據，包括電壓量和電流量；
10.步驟三、基於配電網等效暫態電源模型進行參數辨識，獲取短路計算結果相關性較大的待辨識重點參數；
11.步驟四、根據等效電源模型和重點參數，對發生在配電線路不同位置的短路故障場景進行短路電流計算，得到短路電流。
12.進一步的，搭建適用於高比例電力電子電源的配電網等效暫態電源模型，包括：
13.將配電網電源側所有的傳統發電機等效為一臺聚合傳統發電機，所有的電力電子電源等效為一臺聚合電力電子電源；
14.將電力電子電源在短時間尺度下的輸出電流等效為輸出電流恆定的電流源；用d軸暫態電壓源和d軸暫態電抗串聯的形式等效代替。
15.進一步的，基於所述配電網等效暫態電源模型，與短路計算結果相關性較大的待辨識重點參數包括：發電機電源內電抗x
′d、電力電子電源大小i
dg
和電力電子電源內電抗xs，利用負荷投切帶來的小擾動信號進行辨識得到；
16.非重點參數包括：發電機電源的暫態電動勢e
′q，由實際電網經驗值得到；
17.重點參數利用負荷投切帶來的小擾動信號進行辨識。
18.進一步的，基於配電網等效暫態電源模型進行參數辨識的方法包括以下步驟：
19.步驟一、獲取保護安裝處的實測電壓值u和實測電流值i；
20.步驟二、非重點參數可採用實際電網經驗值，重點參數設為待定，則線路上流經電流的計算值為：令電流計算值和電流實測值間差值的絕對值最小為目標，建立目標函數，並計及相應的約束條件：
[0021][0022]
步驟三、採用信賴域算法中的移動漸近線法求解上述最優問題以獲取相應的模型參數發電機電源內電抗x
′d、電力電子電源大小i
dg
和電力電子電源內電抗xs。
[0023]
進一步的，所述移動漸近線法包括以下步驟：
[0024]
步驟(1)給定初始值x0，令k＝0；
[0025]
步驟(2)給出迭代點xk，計算f(xk)，ci(xk)，f(xk)和ci(xk)分別為當前迭代點xk處目標函數值和約束函數值；和分別為xk處目標函數和約束關於決策變量的梯度；
[0026]
步驟(3)若滿足收斂條件，則輸出結果；
[0027]
所述收斂條件為ε為收斂閥值；
[0028]
步驟(4)若不滿足收斂條件，則構造移動漸近線法子問題；
[0029]
步驟(5)產生新子問題代替原問題，求解移動漸近線法子問題，將它的最優解作為下一個迭代點x
k+1
，令k＝k+1，轉向步驟(2)。
[0030]
進一步的，對發生在配電線路不同位置的短路故障場景進行短路電流計算的方法包括：
[0031]
得到上述的等效電源模型和參數後，進一步得到用於等效短路電流計算的電路圖，使用等效模型替換掉電源側實際的網絡及各電源，輸出網絡部分為之前已有的配電網絡的模型和參數，短路點採用原有的短路點位置與短路參數；
[0032]
根據常規電路的解法，可求出等效短路電流。
[0033]
進一步的，所述常規電路的解法包括：戴維南法、節點法、迴路法。
[0034]
進一步的，所述方法還包括：
[0035]
應用計算得到的短路電流值進行電力系統繼電保護整定與設備性能校驗。
[0036]
第二方面，本發明提供一種於配電網等效暫態電源模型的短路電流計算裝置，包括：
[0037]
模型搭建模塊：用於搭建適用於高比例電力電子電源的配電網等效暫態電源模型；
[0038]
實測模塊：用於獲取配電網保護安裝處的實測數據，包括電壓量和電流量；
[0039]
參數辨識模塊：用於基於配電網等效暫態電源模型進行參數辨識，獲取短路計算結果相關性較大的待辨識重點參數；
[0040]
短路電流生成模塊：用於根據等效電源模型和重點參數，對發生在配電線路不同位置的短路故障場景進行短路電流計算，得到短路電流。
[0041]
第三方面，本發明提供一種於配電網等效暫態電源模型的短路電流計算裝置，包括處理器及存儲介質；
[0042]
所述存儲介質用於存儲指令；
[0043]
所述處理器用於根據所述指令進行操作以執行第一方面所述方法的步驟。
[0044]
與現有技術相比，本發明所達到的有益效果：
[0045]
(1)本發明建立的配電網等效暫態電源模型能等效代替電源側的所有傳統發電機和海量的電力電子電源，能體現目前型號各異的傳統發電機和電力電子電源在暫態過程中的輸出共性，使得建立的配電網等效暫態電源模型具有較好的普適性。
[0046]
(2)本發明建立的配電網等效暫態電源模型結構足夠簡單，但又能計及傳統發電機和電力電子電源的關鍵暫態機理特性，極好地解決了高比例電力電子電源接入下電力系統計算的速度和精度不能兼顧的問題。
[0047]
(3)本發明提出的模型參數辨識方法能夠在線辨識所建立模型的參數，既考慮了電力電子電源時變性和波動性的特徵，又能滿足電力系統暫態分析計算的要求。
[0048]
(4)本發明提供了一種基於配電網等效暫態電源模型及其參數獲取方法，利用該模型可在裝置中計算生成準確的短路電流，用於配電網後續的保護與控制
附圖說明
[0049]
附圖1為含高比例電力電子電源的配電網等效暫態電源模型；
[0050]
附圖2為典型傳統發電機各繞組位置示意圖；
[0051]
附圖3為d軸暫態磁鏈等效電路；
[0052]
附圖4為d軸暫態等效電路。
具體實施方式
[0053]
下面結合附圖對本發明作進一步描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此來限制本發明的保護範圍。
[0054]
實施例一：
[0055]
本實施例提供一種一種基於配電網等效暫態電源模型的等效短路電流生成方法及裝置，包括以下步驟：
[0056]
步驟一、搭建適用於高比例電力電子電源的配電網等效暫態電源模型；
[0057]
步驟二、獲取配電網保護安裝處的實測數據，包括電壓量和電流量；
[0058]
步驟三、基於配電網等效暫態電源模型進行參數辨識，獲取短路計算結果相關性較大的待辨識重點參數；
[0059]
步驟四、根據等效電源模型和重點參數，對發生在配電線路不同位置的短路故障場景進行短路電流計算，得到短路電流。
[0060]
本發明的具體創新點在於：建立一種適用於高比例電力電子電源的配電網等效暫態電源模型，以滿足電網暫態分析計算的需求。
[0061]
具體的，本實施例提供了一種適用於高比例電力電子電源的配電網等效暫態電源模型，包括建立的配電網等效暫態電源模型和相應的參數辨識方法。
[0062]
具體的，所述的配電網等效暫態電源模型，將配電網電源側所有的傳統發電機等效為一臺聚合傳統發電機，所有的電力電子電源等效為一臺聚合電力電子電源。
[0063]
具體的，所述的配電網等效暫態電源模型，電力電子電源在短時間尺度下的輸出電流近似恆定，將其等效為輸出電流恆定的電流源；傳統發電機在暫態過程中d軸分量起主要作用，用d軸暫態電壓源和d軸暫態電抗串聯的形式等效代替。
[0064]
具體的，基於上述模型，與短路計算結果相關性較大的待辨識重點參數包括：發電機電源內電抗x
′d、電力電子電源大小i
dg
和電力電子電源內電抗xs；非重點參數包括：發電機電源的暫態電動勢eq′
。
[0065]
非重點參數可採用實際電網經驗值；重點參數利用負荷投切帶來的小擾動信號進行辨識。
[0066]
所述參數辨識方法包括以下步驟：
[0067]
步驟一、獲取保護安裝處的實測電壓值u和實測電流值i；
[0068]
步驟二、非重點參數可採用實際電網經驗值，重點參數設為待定，則線路上流經電流的計算值為：令電流計算值和電流實測值間差值的絕對值最小為目標，建立目標函數，並計及相應的約束條件：
[0069][0070]
步驟三、採用信賴域算法中的移動漸近線法求解上述最優問題以獲取相應的模型
參數。進一步的，所述的移動漸近線法，其特徵在於：
[0071]
移動漸近線法原理為：
[0072]
設最優化問題的目標函數如下：
[0073]
min f(x)
[0074]
s.t.ci(x)≤0(i＝1,2,...,m)
[0075][0076]
式中：f(x)和ci(x)分別為原問題的目標函數和約束條件；m為約束條件的個數。
[0077]
在當前迭代點xk處採用子問題進行近似：
[0078][0079][0080][0081][0082][0083]
式中：f(xk)和ci(xk)分別為當前迭代點xk處目標函數值和約束函數值；和分別為xk處目標函數和約束關於決策變量的梯度。因此，信賴域算法中的移動漸近線法只需要這些優化信息即可構造出子問題。uk和lk是第k次迭代子問題的漸近線，當xk接近uk和lk時，子問題的目標函數值就會很大，因此求解子問題得到的下一個迭代點x
k+i
被自然地限制在上下界uk和lk之間。子問題對原問題的近似程度可以通過調整uk和lk來實現，uk和lk會隨著迭代進行調整解，以實現子問題對原問題的良好近似效果。
[0084]
具體步驟為：
[0085]
(1)給定初始值x0；
[0086]
(2)計算f(xk)，ci(xk)，
[0087]
(3)若滿足收斂條件，則輸出結果；
[0088]
(4)若不滿足收斂條件，則構造移動漸近線法子問題；
[0089]
(5)求解移動漸近線法子問題，得到下一個迭代點x
k+1
，令k＝
k+1
，轉向步驟(2)。
[0090]
申請人需要強調的是：
[0091]
(1)用d軸分量表示傳統發電機的暫態過程：
[0092]
如圖2所示，典型傳統發電機各繞組位置示意圖。傳統發電機內部有有6個繞組，分別為：即a相繞組(a)、b相繞組(b)、c相繞組(c)、勵磁繞組(f)、直軸阻尼繞組(d)、交軸阻尼繞組(q)。
[0093]
傳統發電機內部各繞組的磁鏈不僅與自身電流有關，還可能與其它繞組電流有關，則傳統發電機的各繞組磁鏈可表示為：
[0094][0095]
將abc坐標系下的各繞組磁鏈變換到dq0坐標系下：
[0096][0097]
則，直軸上d、f、d三個繞組的磁鏈可表示為：
[0098][0099]
交軸上q、q兩個繞組的磁鏈可表示為：
[0100][0101]
在電力線路發生短路故障後，傳統發電機依次經歷次暫態、暫態、穩態階段。因暫態階段的阻尼繞組中電流在經歷次暫態階段後衰減接近於0。因此，暫態階段，可忽略阻尼繞組，即將兩個阻尼繞組視為開路。則設阻尼繞組中電流為0，即id＝iq＝0。
[0102]
則，暫態階段的直軸上d、f三個繞組的磁鏈可由式(4)表示為：變為：
[0103]
[0104]
此時，暫態下d軸磁鏈的等效電路如圖3所示。
[0105]
′
[0106]
從圖3埠dd
′
觀測的等效電抗即為傳統發電機的暫態電抗xd，觀測的電動勢即為傳統發電機的暫態電勢eq′
：
[0107][0108]
則，d軸暫態等效電路可表示為暫態電勢和暫態電抗串聯的形式，如附圖4所示。
[0109]
暫態下q軸磁鏈變為：
[0110]
ψq＝-x
qiq (7)
[0111]
因此時沒有q繞組帶來的磁鏈影響，則交軸電勢ed′
＝0，即沒有交軸分量。
[0112]
因此，暫態下傳統發電機只需要考慮d軸分量，且暫態電勢和暫態電抗呈現串聯的關係。本發明建立的配電網等效暫態電源模型中，傳統發電機部分用電壓源eq′
表示發電機的暫態電勢，用電抗x
′d表示發電機的暫態電抗。
[0113]
(2)用電流源表示電力電子電源：
[0114]
電力電子電源在電力系統分析與計算中主要提供電流量，基於內部的控制策略，其在故障前後輸出電流大小可變但始終保持對稱，輸出特性整體上與電流源類似。因此，電力電子電源可採用電流源和內電抗並聯的模型來等效替代，故障期間的區別在於電流源輸出電流的大小可根據併網點電壓的變化而變化。
[0115]
實施例二：
[0116]
本實施例提供一種於配電網等效暫態電源模型的短路電流計算裝置，包括：
[0117]
模型搭建模塊：用於搭建適用於高比例電力電子電源的配電網等效暫態電源模型；
[0118]
實測模塊：用於獲取配電網保護安裝處的實測數據，包括電壓量和電流量；
[0119]
參數辨識模塊：用於基於配電網等效暫態電源模型進行參數辨識，獲取短路計算結果相關性較大的待辨識重點參數；
[0120]
短路電流生成模塊：用於根據等效電源模型和重點參數，對發生在配電線路不同位置的短路故障場景進行短路電流計算，得到短路電流。
[0121]
本實施例的裝置可以用於實現實施例一所述的方法。
[0122]
實施例三：
[0123]
本實施例提供一種於配電網等效暫態電源模型的短路電流計算裝置，其特徵在於，包括處理器及存儲介質；
[0124]
所述存儲介質用於存儲指令；
[0125]
所述處理器用於根據所述指令進行操作以執行實施例一所述方法的步驟。
[0126]
本領域內的技術人員應明白，本技術的實施例可提供為方法、系統、或電腦程式產品。因此，本技術可採用完全硬體實施例、完全軟體實施例、或結合軟體和硬體方面的實
施例的形式。而且，本技術可採用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(包括但不限於磁碟存儲器、cd-rom、光學存儲器等)上實施的電腦程式產品的形式。
[0127]
本技術是參照根據本技術實施例的方法、設備(系統)、和電腦程式產品的流程圖和/或方框圖來描述的。應理解可由電腦程式指令實現流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結合。可提供這些電腦程式指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數據處理設備的處理器以產生一個機器，使得通過計算機或其他可編程數據處理設備的處理器執行的指令產生用於實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。
[0128]
這些電腦程式指令也可存儲在能引導計算機或其他可編程數據處理設備以特定方式工作的計算機可讀存儲器中，使得存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產生包括指令裝置的製造品，該指令裝置實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。
[0129]
這些電腦程式指令也可裝載到計算機或其他可編程數據處理設備上，使得在計算機或其他可編程設備上執行一系列操作步驟以產生計算機實現的處理，從而在計算機或其他可編程設備上執行的指令提供用於實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。
[0130]
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發明的保護範圍。