一種輸電線路工頻相參數仿真計算方法與流程
2023-11-11 11:46:42 4
本發明涉及電力系統仿真計算領域，具體涉及一種輸電線路工頻相參數仿真計算方法。
背景技術：
EMTP(Electro-Magnetic Transient Program)是用於電力系統電磁暫態分析的仿真軟體，是電力系統中高電壓等級的電力網絡和電力電子仿真應用最廣泛的程序。
目前國內外獲取工頻相參數的兩類基本方法，第一類方法主要是通過公式計算得出。計算法又可以分為兩種：一種是根據架空導線的結構、材料、氣溫環境等情況把具體的參量逐項代入計算公式得到，稱為精確計算；另外一種是從手冊或產品目錄中查取單位長度線路的相參數，稱為近似計算。精確計算方法需要預先知道的參數較多，計算公式複雜。在工程上常採用近似計算，該方法忽略了地理環境、氣候條件等因素的影響，其計算結果有時誤差較大。
第二類是通過輸電線路架通後，現場實際測量取得線路工頻相參數。實際測量時，由於運行線路對測量線路存在感應電壓及感應電流，對測試過程形成幹擾，嚴重影響測量結果的準確性。
技術實現要素：
為解決現有技術存在的不足，本發明公開了一種輸電線路工頻相參數仿真計算方法，本發明為一種基於ATP-EMTP的輸電線路工頻相參數仿真計算方法。該方法採取了程序仿真與公式計算相結合的方式，比公式精確計算高效便捷，比近似估算精確，同時又可為現場實測提供測試校驗。從而為繼電保護整定計算、潮流計算、故障測距、短路電流計算、網損計算以及選擇電力系統運行方式等提供可靠的輸電線路工頻相參數。
為實現上述目的，本發明的具體方案如下：
一種輸電線路工頻相參數仿真計算方法，包括：
獲取輸電線路、地線、輸電桿塔的基本參數及輸電線路沿線的土壤電阻率，並將上述參數傳輸至ATP-EMTP仿真系統；
搭建ATP-EMTP仿真模型；
輸電線路參數設置：根據獲取輸電線路、地線及輸電桿塔的基本參數、輸電線路沿線的土壤電阻率設置ATP-EMTP仿真系統中的輸電線路模塊的相關參數；
對運行線路施加源；
輸電線路相參數的計算：採用單端法或雙端法計算輸電線路相參數中的相自阻抗、相自電容、相互阻抗、相互電容，在ATP-EMTP仿真系統中，根據單端法或雙端法對待計算相導線進行開路、短路設置，施加電源，仿真計算待計算相導線的電壓相量及電流相量，根據測量結果計算輸電線路的上述各個相參數。
進一步的，搭建ATP-EMTP仿真模型時，根據輸電線路沿線土壤電阻率、輸電線路架設方式、地線型號及架設方式、輸電線路相序四個因素確定輸電線路模型分段點，四個因素為與的關係，若四個因素同時一致，則在一個設計段中；
輸電線路模型搭建：對短距離輸電線路可選擇ATP-EMTP仿真系統中的集中參數模型，對長距離輸電線路需選擇ATP-EMTP仿真系統中的分布參數模型。
進一步的，輸電線路參數設置時，設置的參數包括ATP-EMTP仿真系統中的輸電線路模塊中的Model模塊及data模塊的參數；
Model模塊中設置輸電線路類型及對應的特徵、設置土壤電阻率、輸電線路輸送頻率及輸電線路長度；
data模塊設置輸電線路相號、內徑、外徑、直流電阻、水平距離Horiz、導線高度Vtower、檔距中央導線高度Vmid、分裂間距、地線保護角及分裂數。
進一步的，施加信號源為電壓源，並設置該電壓源的幅值、頻率、角度、起止時間。
進一步的，在輸電線路相參數的計算時，在輸電線路終端設置分相器，將一條三相輸電線路分成三個單相輸電線路，實現待計算線路的感應電壓及電流的分相探測。
進一步的，輸電線路相參數的在探測時，將探測電流源串聯接在每個單相輸電線路中，將探測電壓源並聯接在感應的每個單相輸電線路兩端，探測電流源顯示通過的電流幅值及角度，探測電壓源顯示並接線路點的電壓幅值與角度。
進一步的，輸電線路相自阻抗在仿真計算時，若採用單端法仿真時，具體包括：
將待計算相導線末端開路，首端施加單相電源，其餘相兩端開路；
仿真計算測量相首端電壓相量電流相量
其餘保持不變，將待計算相末端接地，仿真計算該相首端電壓相量電流相量
仿真數據分析計算：根據EMTP仿真計算結果，得到輸電線路特徵阻抗及輸電線路傳播係數，該輸電線路仿真計算相單位自阻抗為輸電線路特徵阻抗及輸電線路傳播係數之積。
進一步的，輸電線路相自阻抗在仿真計算時，若採用雙端法仿真時，具體包括：
將待計算相導線首端施加單相電源，末端接地，其餘相兩端開路；
仿真計算該相首端電壓相量電流相量及末端電流相量
仿真數據分析計算：根據EMTP仿真計算結果，得到輸電線路特徵阻抗及輸電線路傳播係數，該輸電線路仿真計算相單位自阻抗為輸電線路特徵阻抗及輸電線路傳播係數之積。
進一步的，輸電線路相自電容在仿真計算時，若採用單端法仿真時，具體包括：
將待計算相導線末端開路，首端施加單相電源，其餘相保持兩端接地；
仿真計算測量相首端電壓相量電流相量
其餘保持不變，將待計算相末端接地，仿真計算該相首端電壓相量電流相量
仿真數據分析計算：根據EMTP仿真計算結果，得到輸電線路特徵阻抗及輸電線路傳播係數，該輸電線路仿真計算相單位自導納為輸電線路傳播係數與輸電線路特徵阻抗之比，相單位自電容為相單位自導納的虛部與角頻率之比。
進一步的，輸電線路相自電容在仿真計算時，若採用雙端法仿真時，具體包括：
將待計算相導線首端施加單相電源，末端開路，其餘相兩端接地；
仿真計算測量相首端電壓相量電流相量及末端電壓相量
仿真數據分析計算。根據EMTP仿真計算結果，得到輸電線路特徵阻抗及輸電線路傳播係數，該輸電線路仿真計算相單位自導納為輸電線路傳播係數與輸電線路特徵阻抗之比，相單位自電容為相單位自導納的虛部與角頻率之比。
進一步的，輸電線路相間互電容在仿真計算時，若採用單端法仿真時，具體包括：
將待計算的其中一相輸電線路首端施加單相電源，末端開路，其餘相首端接地，末端開路；
仿真計算施加電源相首端電壓相量另一相首端電流相量
仿真數據分析計算：根據EMTP仿真計算結果，該兩相輸電線路間單位長度相間互電容單位F/km，L為該輸電線路線路長度，單位為千米，ω為施加電源的角頻率，單位為弧度/秒。
進一步的，輸電線路相間互電容在仿真計算時，若採用雙端法仿真時，設輸電線路系統為N相，仿真計算任意i相與j相間互電容cij，在EMTP仿真環境中，具體包括：
將第i相輸電線路首端施加單相電源，末端開路，其餘相首端接地，末端開路；
仿真計算i相首端電壓相量末端電壓相量j相首端電流與末端電壓
同樣的方法對另外除去i相外的其它N相輸電系統中輸電線路施加電源及仿真計算；
仿真數據分析計算：將EMTP仿真計算結果帶入方程組
式中m≠j，i取1到N-1,j取i+1到N，N相導線系統一共可列出含有1+2+3+...+N-1個未知數的1+2+3+...+N-1元方程組，聯立求解出所有相間互導納Yij，進而求出相間互電容cij＝Yij/(L·jω)。式中已從前面仿真計算得到，zj、yj為相單位自阻抗與相單位自導納已從前面仿真計算得到，Yij、Yjm為所有相間互導納，為該方程組待求解的變量，L為輸電線路長度。
進一步的，輸電線路相間互阻抗在仿真計算時，具體包括：
將待計算的其中一相輸電線路首端施加單相電源，末端接地，其餘相首端開路，末端接地；
仿真計算施加電源相首端電流相量其餘感應相首端感應電壓相量
其餘相間互阻抗採用上述同樣方法進行施加源及仿真計算；
仿真數據分析計算：根據EMTP仿真計算結果，對短距離輸電線路，輸電線路相間互阻抗其中L為輸電線路長度。
進一步的，輸電線路相間互阻抗在仿真計算，對長距離輸電線路或對相間互阻抗計算精度要求高時，其中k≠j,k≠i，zi、yi、zj、yjj、yjk均在前面相單位自阻抗和相單位自導納中仿真計算得到，zi、yi分別為施加電源的i相導線單位長度阻抗與導納；zj為施加電源的j相導線單位長度阻抗，yjj為感應相j相單位長度自導納，yjk為與其它感應相相間單位長度互導納。
進一步的，檔距中央導線高度Vmid＝導線高度-弧垂。
進一步的，若將連續若干級杆塔所假設的導線合併在一個設計段，則平均檔距中央導線高度Vmid′：
Vmid'＝加權平均導線高度-平均弧垂
加權平均導線高度—該設計段內的不同導線高度與其所佔的百分比乘積的加和；
平均弧垂—該設計段平均檔距對應的弧垂。
進一步的，水平距離Horiz在設置時，首先選定一個參考的水平距離，若選定杆塔中線為參考水平距離0點，設參考坐標點左方為負，右方為正，輸電線路距該參考點的絕對間距為d；
若輸電線路在杆塔左側，則Horiz輸電線路＝-d；
若輸電線路在杆塔右側，則Horiz輸電線路＝d。
本發明的有益效果：
本發明研究的輸電線路工頻相參數的仿真計算方法，適用於任意輸電線路。
本發明採取了程序仿真與公式計算相結合的方式，比公式精確計算高效便捷，比近似估算精確，同時又可為現場實測提供測試校驗。從而為繼電保護整定計算、潮流計算、故障測距、短路電流計算、網損計算以及選擇電力系統運行方式等提供可靠的輸電線路工頻參數。
附圖說明
圖1單端法相自阻抗仿真計算示意圖；
圖2雙端法相自阻抗仿真計算示意圖；
圖3單端法相自電容仿真計算示意圖；
圖4雙端法相自電容仿真計算示意圖；
圖5單端法相互電容仿真計算示意圖；
圖6雙端法相互電容仿真計算示意圖；
圖7相互阻抗仿真計算示意圖；
圖8輸電線路工頻相參數仿真計算流程圖
具體實施方式：
下面結合附圖對本發明進行詳細說明：
如圖8所示，一種輸電線路工頻相參數仿真計算方法，具體包括的步驟為：
1、數據採集
1)獲取所涉及的輸電線路資料，包括輸電線路型號、內徑、外徑、直流電阻值，分裂數，分裂間距，弧垂、相序。
2)獲取所涉及的地線資料，包括地線型號，內徑，外徑、直流電阻，弧垂，接地方式、地線保護角。
3)獲取所涉及的輸電桿塔資料，包括杆塔型號、呼高、檔距、導線在杆塔懸掛點及參數。
4)獲取所涉及的土壤電阻率參數。
2.數據分析計算
將獲取到的上述數據根據下述公式進行數據分析計算：
1)Vmid＝導線高度-弧垂
Vmid—檔距中央導線高度。
2)若將連續若干級杆塔所假設的導線合併在一個設計段，則：
Vmid'＝加權平均導線高度-平均弧垂
加權平均導線高度—該設計段內的不同導線高度與其所佔的百分比乘積的加和。
平均弧垂—該設計段平均檔距對應的弧垂。
3)在同塔雙回、同塔多回、並行架設的輸電線路間的距離是影響輸電線路參數的重要因素。ATP-EMTP軟體中的LCC(輸電線路模塊)中Model中的Horiz參數設定同塔雙回、同塔多回、並行架設線路的距離。首先選定一個參考的水平距離，若選定任一桿塔中線為參考水平距離0點，輸電線路距該參考點的絕對間距為d。設參考坐標點左方為負，右方為正。
若輸電線路在杆塔左側，則Horiz輸電線路＝-d
若輸電線路在杆塔右側，則Horiz輸電線路＝d
3、ATP-EMTP仿真模型搭建。
1)輸電線路模型設計。根據輸電線路沿線土壤電阻率、輸電線路架設方式、地線型號及架設方式、輸電線路相序四個因素確定輸電線路模型分段點。四個因素為與的關係，若四個因素同時一致，則在一個設計段中。
2)搭建輸電線路模型。對短距離輸電線路可選擇ATP-EMTP中的集中參數模型，對長距離輸電線路需選擇ATP-EMTP中的分布參數模型，將步驟1)設計好的各段輸電線路，在ATP-EMTP中用選擇的輸電線路模型模擬，並根據輸電線路相序圖將各段輸電線路連接起來。
3)輸電線路參數設置。需設置的參數有ATP-EMTP中的LCC(輸電線路模塊)中的Model、data模塊。此部分參數的設置根據上述1資料收集及上述2數據分析計算得到，具體為Model模塊中設置輸電線路類型及對應的特徵，設置土壤電阻率，輸電線路輸送頻率，輸電線路長度；data模塊設置輸電線路相號，內徑，外徑，直流電阻，水平距離Horiz,導線高度Vtower,檔距中央導線高度Vmid，分裂間距，地線保護角，分裂數。
4)輸電線路施加信號源設置。選擇施加信號源為電壓源，並設置該電壓源的幅值、頻率、角度、起止時間。一般來說該信號源的幅值在儘可能大些的前提下，可隨意選取。若為了使仿真計算量能指導現場實測，則需調查所使用測試設備所能提供的信號源最大幅值，並將仿真計算信號源設為該值。
5)仿真時間步長設置。打開ATP-EMTP中的ATP模塊下的ATP-Settings,設置仿真步長deltaT＜1×10-3，仿真時間Tmax>deltaT。
4.ATP-EMTP計算調試
1)運行ATP程序，查看各段換位及相序是否準確，若錯誤，逐段核對LCC(輸電線路模塊)相序，並修正，直到相序全部與設計相序一致為止。
2)由於輸電線路每相導線出廠工況、架設高度、換位方式、沿線環境等都有所不同，故線路參數也會有所不同，仿真計算中的電壓及電流需分相探測，故需在輸電線路終端設置分相器，即選擇Probe&3-phase中的Splitter(3phase)模塊，將一條三相輸電線路分成三個單相輸電線路。
3)將探測電流源串聯接在每個單相輸電線路中，將探測電壓源並聯接在感應的每個單相輸電線路兩端，雙擊探測電流源設定探測電流源顯示的內容，選擇Steady-state的curr/Power,選擇Onscreen中的Curr.Ampl,則調試計算結束後該探測電流源顯示通過的電流幅值及角度。雙擊探測電壓源設定探測電壓源顯示的內容，選擇Steady-state的Voltage,選擇Onscreen中的U,則調試計算結束後該探測電壓源顯示並接線路點的電壓幅值與角度。
4)安排計算方式。目前針對輸電線路相參數的測試方法中比較成熟的有兩種，一種是針對短距離輸電線路的單端法，另一種是針對長距離輸電線路的雙端法。輸電線路相參數包含相自阻抗、相自電容、相互阻抗、相互電容。各參數計算方式安排如下：
a)輸電線路相自阻抗仿真計算。
如圖1所示，單端法仿真時，在EMTP仿真環境中，步驟1，對待計算相導線末端開路，首端施加單相電源，其餘相兩端開路。步驟2，仿真計算測量相首端電壓相量電流相量步驟3，將待計算相末端接地，仿真計算該相首端電壓相量電流相量步驟4，仿真數據分析計算。根據EMTP仿真計算結果，輸電線路特徵阻抗單位為Ω，輸電線路傳播係數單位1/km，其中L為該輸電線路線路長度，單位為km，該輸電線路仿真計算相單位自阻抗為z＝zcλ，單位Ω/km。
如圖2所示，雙端法仿真時，在EMTP仿真環境中，步驟1，將待計算相導線首端施加單相電源，末端接地，其餘相兩端開路。步驟2，仿真計算該相首端電壓相量電流相量及末端電流相量步驟3，仿真數據分析計算。根據EMTP仿真計算結果，輸電線路特徵阻抗單位為Ω，輸電線路傳播係數單位1/km，其中L為該輸電線路線路長度，單位為km，該輸電線路仿真計算相單位自阻抗為z＝zcλ，單位Ω/km。
b)輸電線路相自電容仿真計算。
如圖3所示，單端法仿真時，在EMTP仿真環境中，步驟1，對待計算相導線末端開路，首端施加單相電源，其餘相保持兩端接地。步驟2，仿真計算測量相首端電壓相量電流相量步驟3，將待計算相末端接地，仿真計算該相首端電壓相量電流相量步驟4，仿真數據分析計算。根據EMTP仿真計算結果，輸電線路特徵阻抗單位為Ω，輸電線路傳播係數單位1/km，其中L為該輸電線路線路長度，單位為km，該輸電線路仿真計算相單位自導納為y0＝λ/zc，單位S，單位長度自電容c0＝Im(y0)/ω。
如圖4所示，雙端法仿真時，在EMTP仿真環境中，步驟1，將待計算相導線首端施加單相電源，末端開路，其餘相兩端接地。步驟2，仿真計算測量相首端電壓相量電流相量及末端電壓相量步驟3，仿真數據分析計算。根據EMTP仿真計算結果，輸電線路特徵阻抗單位為Ω，輸電線路傳播係數單位1/km，其中L為該輸電線路線路長度，單位為km，該輸電線路仿真計算相單位自導納為y0＝λ/zc，單位S,單位長度自電容c0＝Im(y0)/ω。
c)輸電線路相間互電容仿真計算。
如圖5所示，單端法仿真線路兩相輸電線路間互電容時，在EMTP仿真環境中，步驟1，對待計算的其中一相輸電線路首端施加單相電源，末端開路，其餘相首端接地，末端開路。步驟2，仿真計算施加電源相首端電壓相量另一相首端電流相量步驟3，仿真數據分析計算。根據EMTP仿真計算結果，該兩相輸電線路間單位長度相間互電容單位F/km。
如圖6所示，雙端法仿真時，設輸電線路系統為N相，仿真計算任意i相與j相間互電容cij，在EMTP仿真環境中，步驟1，對第i相輸電線路首端施加單相電源，末端開路，其餘相首端接地，末端開路。步驟2，仿真計算i相首端電壓相量末端電壓相量j相首端電流與末端電壓步驟3，以同樣的方法對另外除去i相外的其它N相輸電系統中輸電線路施加電源，末端開路，其餘相導線首端接地，末端開路。仿真計算的量與以上相同，即施加電源相首、末端電壓，其餘相首端電流與末端電壓。步驟4，仿真數據分析計算。將EMTP仿真計算結果帶入方程組式中m≠j，i取1到N-1,j取i+1到N。N相導線系統一共可列出含有1+2+3+...+N-1個未知數的1+2+3+...+N-1元方程組，聯立求解出所有相間互導納Yij，進而求出相間互電容cij＝Yij/(L·jω)。
d)輸電線路相間互阻抗仿真計算。
如圖7所示，相間互阻抗的仿真計算中末端不涉及測量量，所以單端法與雙端法仿真計算方式相同。在EMTP仿真環境中，步驟1，對待計算的其中一相輸電線路首端施加單相電源，末端接地，其餘相首端開路，末端接地。步驟2，仿真計算施加電源相首端電流相量其餘感應相首端感應電壓相量其餘相間互阻抗採用同樣方法仿真計算。步驟3，仿真數據分析計算。根據EMTP仿真計算結果，方法一，輸電線路相間互阻抗其中L為輸電線路長度；方法二，其中k≠j,k≠i，zi、yi、zj、yjj、yjk均在前面仿真計算得到，zi、yi分別為施加電源的i相導線單位長度阻抗與導納；yjj為感應相j相單位長度自導納，yjk為與其它感應相相間單位長度互導納。對短距離輸電線路可選用方法一，對長距離輸電線路或對互阻抗計算精度要求高的場合宜選用方法二。
上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。