一種特高壓增容後變電站設備安全性分析的仿真方法
2023-10-31 00:35:52 1
一種特高壓增容後變電站設備安全性分析的仿真方法
【專利摘要】本發明涉及一種特高壓增容後變電站設備安全性分析的仿真方法，包括下述步驟：步驟1：根據實際電網的潮流數據採用PSCAD搭建等值網絡模型，等值網絡模型包括負荷模型，交流輸電線路模型，發電機模型以及變壓器模型；步驟2：對PSCAD等值網絡模型進行穩態情況和故障情況下的仿真，得到穩態電壓電流數據以及過電壓、過電流數據，分析穩態下和故障下主設備的運行狀態；步驟3：使用MATLAB軟體讀入PSCAD輸出的各種故障情況下的過電壓、過電流數據，編程分析二次設備的運行狀態。該方法針對特高壓環境對變電站一二次設備的影響進行研究，保證主設備的安全運行和二次設備的正確控制，保證特高壓電網安全穩定運行。
【專利說明】一種特高壓增容後變電站設備安全性分析的仿真方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及特高壓輸電與電力系統軟體仿真交叉領域，具體涉及一種特高壓增容後變電站設備安全性分析的仿真方法。
【背景技術】
[0002]PSCAD/EMTDC (Power Systems Computer Aided Design/Electro-MagneticTransient In DC System)是目前世界上電力系統中廣泛使用的一種電磁暫態仿真軟體。EMTDC是一套電磁暫態模擬程序，PSCAD是其用戶界面。PSCAD是一個功能強大並且完全集合的繪圖界面，是用戶與EMTDC連接的窗口。在這個界面上可以模擬實際系統繪出仿真系統，並且對其進行仿真。結果分析，可以採用曲線或者測量表對結果進行輸出，從仿真界面上可以直觀的看到仿真結果。EMTDC是PSCAD仿真的核心程序，它採用F0RTRAN77和F0RTRAN90承認的模型編寫，當使用F0RTRAN90模型時，可自動分配網絡尺寸來滿足仿真的需要。當我們實際需要某一個模型時，如果元件庫中沒有，我們也可以採用FORTRAN語言進行編寫。在仿真電路模型建立完成後，運行時是通過R0RTRTAN編譯器進行編譯、連接，運行結果可以隨著程序的進度在PLOT中實時生成曲線，以效驗結果是否合理。
[0003]MATLAB是由美國mathworks公司發布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環境。它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易於使用的視窗環境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，並在很大程度上擺脫了傳統非交互式程序設計語言(如C、Fortran)的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟體的先進水平。
[0004]PSCAD程序僅具有電力系統的仿真功能，對於輸出的數據缺乏進一步的處理能力；MATLAB程序可以根據用戶的需求對現有的數據進行編程處理，但是需要其他的仿真軟體為其提供仿真數據。因此現有的軟體缺乏既能仿真輸出數據，又能根據用戶需求對數據進行處理進而得到結果的能力。
【發明內容】
[0005]針對現有技術的不足，本發明的目的是提供一種特高壓增容後變電站設備安全性分析的仿真方法，該方法針對複雜特高壓環境對變電站一二次設備的影響進行深入研究，通過仿真分析方法研究在特高壓、大負荷情況條件下主設備的工作特性，以及二次設備的運行控制方式，在此基礎上深入研究複雜特高壓環境對繼電保護的影響，保證主設備的安全運行以及二次設備的正確控制，保證特高壓電網的安全穩定運行。
[0006]本發明的目的是採用下述技術方案實現的:
[0007]本發明提供一種特高壓增容後變電站設備安全性分析的仿真方法，其改進之處在於，所述方法包括下述步驟:
[0008]步驟1:根據實際電網的潮流數據採用PSCAD搭建等值網絡模型，等值網絡模型包括負荷模型，交流輸電線路模型，發電機模型以及變壓器模型；
[0009]步驟2:對PSCAD等值網絡模型進行穩態情況和故障情況下的仿真，得到穩態電壓電流數據以及過電壓、過電流數據，分析穩態下和故障下主設備的運行狀態；
[0010]步驟3:使用MATLAB軟體讀入PSCAD輸出的各種故障情況下的過電壓、過電流數據，編程分析二次設備的運行狀態。
[0011]進一步地，所述步驟I中，所述負荷模型處理包括:(1)按照有功出力與負有功負荷相等的情況等值發電機的方式處理；(2)作為三相有功負荷來處理，三相有功負荷值會隨母線電壓產生波動，不影響無功的分布；
[0012]交流輸電線路模型:採用PSCAD中的PI模型，PI模型為集中參數模型，利用集中參數R、L、C模擬線路的電阻、感性效應和容性效應；
[0013]發電機模型:仿真過程中採用PSCAD中自帶的三相電壓源模型作為發電機模型，給定發電機正序和零序的次暫態電抗，並給予實際潮流運算結果中電壓和功率的期望值讓其自動調節；
[0014]變壓器模型:電網進行動態等值後，變壓器分布於保留髮電機和500kV母線節點之間，變壓器的各繞組電壓為相電壓，且按照分接頭位置電壓來確定。
[0015]進一步地，所述步驟2中，在PSCAD等值網絡模型中分別在變電站區內、區外、進線端以及母線上設置單相接地故障，兩相相間故障和三相接地故障，仿真計算得到電壓電流值，分析主設備(變壓器、斷路器)在穩態情況下的運行狀態。
[0016]進一步地，所述步驟3中，將第2步中所得到的各種故障狀態下PSCAD仿真得到的電壓電流測量數據以文本格式輸出，並使用MATLAB編程讀入電壓電流數據，進行傅立葉變換之後矢量相乘，進而做出開斷容量曲線來分析主變壓器各側斷路器的開斷容量是否越限；
[0017]將各種故障情況下所有保護安裝處的測量數據以文本格式輸出，然後結合繼電保護裝置原理，編寫進線、母線及變壓器主保護的算法程序，讀入PSCAD輸出的數據進行分析，做出保護動作特性，分析二次設備(主要為繼電保護設備)能否正確動作。
[0018]與現有技術比，本發明達到的有益效果是:
[0019]1、本發明基於PSCAD和MATLAB聯合仿真特高壓增容後相鄰變電站設備運行狀態，能夠充分發揮軟體的各自優勢，進行特高壓增容後變電站主設備和二次設備的安全情況的仿真與分析。為設備配置、現場運行提供管理維護依據，具有重要的指導意義。本發明所用到的分析方法，可以實現對一個區域的電力系統的混合仿真分析，具有推廣價值。
[0020]2、本發明針對複雜特高壓環境對變電站一二次設備的影響進行深入研究，通過仿真分析方法研究在特高壓、大負荷情況條件下主設備的工作特性，以及二次設備的運行控制方式，在此基礎上深入研究複雜特高壓環境對繼電保護的影響，保證主設備的安全運行以及二次設備的正確控制，保證特高壓電網的安全穩定運行。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1是本發明提供的特高壓增容後變電站設備安全性分析的仿真方法流程圖；
[0022]圖2是本發明提供的常用於PSCAD模型中變電站的一種故障設置方法圖；
[0023]圖3是本發明提供的特高壓增容後的穩態運行下變電站I號主變壓器的電壓波形；其中(a)為高壓側電壓波形；(b)為中壓側電壓波形；(c)為低壓側電壓波形；
[0024]圖4是本發明提供的特高壓增容後變電站I號主變壓器中壓側A相短路接地故障下三側電壓波形；其中(a』)為高壓側電壓波形；(b』)為中壓側電壓波形；(c』)為低壓側電壓波形；
[0025]圖5是本發明提供的特高壓增容後與變電站相連的線路發生A相短路接地故障下MATLAB做出的縱聯電流差動保護特性圖；
[0026]圖6是本發明提供的特高壓增容後與變電站相連的線路發生A相短路接地故障下MATLAB做出的距離保護特性圖；
[0027]圖7是本發明提供的特高壓增容後變電站I號主變壓器中壓側發生AB相間短路故障下MATLAB做出的電流差動保護特性圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步的詳細說明。
[0029]本發明主要針對特高壓增容後的送電端500kV變電站設備安全性進行分析。首先採用PSCAD仿真分析軟體搭建特高壓送電端500kV變電站所在的局部電網模型，然後對系統在各種運行狀態下(停送電，故障停電)進行仿真計算，然後將計算結果數據導入MATLAB仿真中進行處理，分析特高壓增容後的變電站主設備與二次設備運行安全性。
[0030]本發明提供的特高壓增容後變電站設備安全性分析的仿真方法流程圖如圖1所示，包括下述步驟:
[0031]步驟1:根據實際電網的潮流數據採用PSCAD搭建等值網絡模型，具體包括負荷模型，交流輸電線路模型，發電機模型以及變壓器模型；
[0032]1、負荷模型。負荷模型的處理方法有二，一種是按照有功出力與負有功負荷相等的情況等值為發電機，這樣處理髮電機必然會有無功輸出，可以在發電機母線上掛無功負荷來吸收一部分無功功率，但是仍然會有大量無功流入系統，對系統潮流的分布會造成影響；第二種是作為三相有功負荷來處理，這樣的話其值就會隨母線電壓產生波動，但是不影響無功的分布。如果負有功負荷所在母線節點電壓變化不大的話，可以按照第二種方式來處理。由等值後的結果可知，負有功負荷主要出現在邊界節點和等值機上，而這些節點處於動態等值系統的電源附近，電壓幅值的波動不大，在對遠離這些節點的故障進行仿真分析時，按照第二種方法處理有一定的可行性，仿真模型也更簡化。
[0033]I1、交流輸電線路模型。採用PSCAD中的PI模型，該模型為集中參數模型，利用集中參數R、L、C模擬線路的電阻以及感性和容性效應。
[0034]II1、變壓器模型。電網進行動態等值後，變壓器分布於保留髮電機和500kV母線節點之間。變壓器的各繞組電壓為相電壓，且應該按照分接頭位置電壓來確定。
[0035]IV、發電機模型。仿真過程中可採用PSCAD中自帶的三相電壓源模型作為發電機模型，給定發電機的正序和零序的次暫態電抗，並給予實際潮流運算結果中的電壓和功率的期望值讓其自動調節。
[0036]步驟2:對PSCAD模型進行穩態情況下的仿真，得到穩態電壓電流數據，分析穩態下設備運行狀態；在所搭模型中分別在變電站區內、區外、進線端以及母線上分別設置單相接地故障，兩相相間故障和三相接地故障，仿真計算得到相應的電壓電流值，分析主設備的運行狀態。
[0037]如圖1所示，對所搭建的PSCAD模型進行穩態情況下的仿真，得到穩態電壓電流數據，從而分別分析主設備在穩態情況下的過電壓和過電流情況；如圖2所示，在所搭模型中分別在變電站區內、區外、進線端以及母線上分別設置A相接地故障，AB相間故障和ABC三相接地故障，仿真並得到故障狀態下的電壓電流值，分析主設備在各種故障下的過電壓情況。
[0038]步驟3:將各種故障情況下PSCAD中電壓電流的測量數據以文本格式輸出。然後使用MATLAB軟體編寫算法程序，讀入PSCAD輸出的數據來確定主設備和二次設備的運行狀態。
[0039]如圖1所示，將第二步中所得到的各種故障狀態下PSCAD仿真得到的電壓電流測量數據以文本格式輸出。使用MATLAB編程讀入電壓電流數據，進行傅立葉變換之後矢量相乘，進而做出開斷容量曲線來分析主變壓器各側斷路器的開斷容量是否越限；將各種故障情況下所有保護安裝處的測量數據以文本格式輸出，然後結合繼電保護裝置原理，使用MATLAB軟體編寫進線、母線及變壓器主保護的算法程序，讀入PSCAD輸出的數據進行分析，做出保護動作特性，分析其能否正 確動作。
[0040]通過上述實施步驟，可以通過PSCAD與MATLAB混合仿真分析複雜特高壓環境對變電站一二次設備的影響，保證主設備的安全運行以及二次設備的正確控制，保證特高壓電網的安全穩定運行。
[0041]實施例
[0042]採用PSCAD搭建的特高壓增容後某實際電站及其所在區域電網的等值模型。對該模型進行穩態情況下的仿真，得到特高壓增容後的穩態運行下某變電站I號主變壓器的電壓波形如圖3所示。由此圖可以得到變壓器三側引出線上的瞬時電壓值，取穩定運行電壓上下限為0.95至1.05倍的額定值，則三側瞬時電壓值均在此範圍內，變壓器處於正常工作狀態。
[0043]對該變電站I號主變壓器設置中壓側A相短路接地故障，其三側電壓波形如圖4所示。故障狀態下I號主變三側相電壓值均低於1.05倍額定電壓，可以保證變壓器的正常工作。
[0044]以與該變電站相連的某線路發生A相接地故障為例分析線路縱聯電流差動保護和距離保護。線路A相故障後，將PSCAD仿真所得的故障數據導入MATLAB，編程做出縱聯電流差動保護特性見圖5，A相差動電流、制動電流劇增至50?kA，遠大於最小差動啟動電流，同時差動-制動特性的斜率接近於1，Id > 0.6IpA相縱聯電流差動保護動作，而B、C兩相電流特性與正常狀態接近，保護不會動作。
[0045]同樣用MATLAB做出該線路的距離保護特性見圖6，距離保護具有選相功能，故只需關注A相接地測量阻抗。變電站側的A相測量阻抗(黑色曲線)進入了保護動作區域，A相接地距離保護會動作。經仿真分析，其他非故障線路、500kV母線、主變壓器的主保護特性均與正常運行狀態接近，不會出現誤動作情況。
[0046]以該變電站I號主變中壓側發生AB相間短路故障為例分析主變差動保護。I號主變壓器中壓側發生AB相間短路故障後，其電流差動保護特性見圖7。故障後三相的差動電流都大幅度上升，大於最小啟動電流0.4kA，差動保護啟動，同時比率制動曲線斜率接近1，大於整定值0.5，故變壓器差動保護能夠動作，將故障切除。
[0047]最後應當說明的是:以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，儘管參照上述實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解:依然可以對本發明的【具體實施方式】進行修改或者等同替換，而未脫離本發明精神和範圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
【權利要求】
1.一種特高壓增容後變電站設備安全性分析的仿真方法，其特徵在於，所述方法包括下述步驟: 步驟1:根據實際電網的潮流數據採用PSCAD搭建等值網絡模型，等值網絡模型包括負荷模型，交流輸電線路模型，發電機模型以及變壓器模型； 步驟2:對PSCAD等值網絡模型進行穩態情況和故障情況下的仿真，得到穩態電壓電流數據以及過電壓、過電流數據，分析穩態下和故障下主設備的運行狀態； 步驟3:使用MATLAB軟體讀入PSCAD輸出的各種故障情況下的過電壓、過電流數據，編程分析二次設備的運行狀態。
2.如權利要求1所述的仿真方法，其特徵在於，所述步驟I中，所述負荷模型處理包括:(I)按照有功出力與負有功負荷相等的情況等值發電機的方式處理；(2)作為三相有功負荷來處理，三相有功負荷值會隨母線電壓產生波動，不影響無功的分布； 交流輸電線路模型:採用PSCAD中的PI模型，PI模型為集中參數模型，利用集中參數R、L、C模擬線路的電阻、感性效應和容性效應； 發電機模型:仿真過程中採用PSCAD中自帶的三相電壓源模型作為發電機模型，給定發電機正序和零序的次暫態電抗，並給予實際潮流運算結果中電壓和功率的期望值讓其自動調節； 變壓器模型:電網進行動態等值後，變壓器分布於保留髮電機和500kV母線節點之間，變壓器的各繞組電壓為相電壓，且按照分接頭位置電壓來確定。
3.如權利要求1所述的仿真方法，其特徵在於，所述步驟2中，在PSCAD等值網絡模型中分別在變電站區內、區外、進線端以及母線上設置單相接地故障，兩相相間故障和三相接地故障，仿真計算得到電壓電流值，分析主設備在穩態情況下的運行狀態。
4.如權利要求1所述的仿真方法，其特徵在於，所述步驟3中，將第2步中所得到的各種故障狀態下PSCAD仿真得到的電壓電流測量數據以文本格式輸出，並使用MATLAB編程讀入電壓電流數據，進行傅立葉變換之後矢量相乘，進而做出開斷容量曲線來分析主變壓器各側斷路器的開斷容量是否越限； 將各種故障情況下所有保護安裝處的測量數據以文本格式輸出，然後結合繼電保護裝置原理，編寫進線、母線及變壓器主保護的算法程序，讀入PSCAD輸出的數據進行分析，做出保護動作特性，分析二次設備能否正確動作。
【文檔編號】G01R31/00GK103823143SQ201410089979
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月12日 優先權日:2014年3月12日
【發明者】蒲天驕, 董雷, 田愛忠, 範徵, 李丹 申請人:國家電網公司, 中國電力科學研究院, 華北電力大學