CN102969714A - 平行线路潜供电流分析方法 - Google Patents

Abstract

一种平行线路潜供电流分析方法，涉及供电或配电的电路装置或***，尤其涉及一种输电网络多回平行线路潜供电流分析的方法，包括以下步骤：确定多回平行线路的原始序参数矩阵；确定多回平行线路的简化序参数矩阵；建立平行线路潜供电流分析模型：确定两端口***的戴维南等值电源和阻抗；对平行线路潜供电流分析模型的多回平行线路部分和外部两端口***联立求解，获得多回平行线路各回线路的电流和各节点电压；计算出各种故障状态的潜供电流或恢复电压；寻求限制潜供电流的措施。该方法反映出对***运行产生较大影响的因素，提供限制潜供电流的技术依据，简化了计算流程，提高处理效率，为平行线路设计建设及运行维护提供有效的仿真分析设计工具。

Description

平行线路潜供电流分析方法

技术领域

本发明涉及供电或配电的电路装置或***，尤其涉及一种通过推导、计算或其他方式处理电变量，实现输电网络多回平行线路潜供电流分析的方法。

背景技术

电网输送能力不足问题，是当今乃至今后相当长一段时间内困扰我国电网发展的一个关键制约因素。我国人口众多，土地资源非常紧张，电网建设用地和地区经济发展用地之间的矛盾日益突出。为充分利用线路走廊，提高单位走廊面积的输送能力，提高电网输送能力，我国在电网规划、建设、改造中，大力推广大同塔双（多）回线、紧凑型线路等先进适用技术的应用工作，合理归并走廊，减小占地面积。同塔双（多）回线、紧凑型线路的建设一方面有效地增加了电网输送能力，另一方面由于平行间距较小，线路间的电磁感应和电容耦合较大，感应电流电压将对线路的序电流、潜供电流产生影响，从而危及电网的安全稳定运行。

平行线路结构和组成多样，例如平行类型就有同塔线路、同一输电通道非同塔线路、同一输电通道同塔线路对非同塔线路，同一输电通道同塔线路对同塔线路等。由于超高压电网平行线路结构的特殊性，对电网的影响也与普通线路区别较大，例如改变了***潮流的分布、同塔线路回数的加多增加了短路故障的概率和降低了***的暂态稳定性、线路参数的不平衡引起***运行的不平衡、潜供电流的增大造成的单相重合时间的延长等等。平行线路的线路参数是影响电网安全运行的主要因素，根据不同分析目的建立不同的平行线路理论模型、分析评估平行线路不平衡度、潜供电流在不同运行工况下的大小及变化趋势，总结可能对不平衡度、潜供电流影响程度较为严重及影响较小的工况并提出相应的工程建议，这对于指导平行线路在电网中的规划、设计、试验和运行，提高电网安全稳定水平有着重要的意义。

潜供电流是单相重合闸过程中产生的一种电磁暂态现象。当线路发生单相接地故障时，故障相两端断路器跳闸后，其它两相仍在运行，且保持工作电压。由于相间电容和相间互感的作用，故障点仍流过一定的电流，即为潜供电流。潜供电流由电容分量和电感分量组成。其中，电容分量是指正常相的电压通过相间电容向故障点提供的电流。而电感分量则是由正常相上的负载电流经相间互感在故障相上感应出电动势，并且通过相对地电容及高抗形成的回路，向故障点提供电流。当潜供电弧(电流)熄灭后，同样由于相间电容和互感的作用，在原电弧道间出现恢复电压，这可能导致故障点电弧难以自动熄灭，从而造成单相重合闸失败。

中国发明专利申请“同杆多回架空输电线路不同方式下零序等值阻抗计算方法”（发明专利申请号：200810024474.4公开号：CN 101246190A）公开了一种同杆多回架空输电线路不同方式下零序等值阻抗计算方法，其目的是为了大大减少线路参数的人工测量组合，为继电保护整定、线路参数测试节约时间，提高效率。中国发明专利申请“一种同塔双回直流输电线路直流侧谐波电流的计算方法”（发明专利申请号：201110052148.6公开号：CN 102157930A）公开了一种同塔双回直流输电线路直流侧谐波电流的计算方法，包括：（1）对同塔双回直流输电线路进行分段；（2）计算出同塔双回直流输电线路整段和每一分段的导纳矩阵；（3）计算出同塔双回直流输电线路每一分段上的直流侧谐波电流。这两项发明专利申请涉及到同塔多回输电线路的计算方法，但都未解决平行线路潜供电流分析问题。

线路参数是影响潜供电流和恢复电压的关键因素。平行线路常常作为电网中的关键输电通道，承担着电网中的大功率传输。与普通输电线路相比，平行输电线路由于线间存在较强的电磁、静电耦合，其潜供电流与恢复电压可能较高，这将给单相瞬时性故障后的重合闸操作带来不利的影响，甚至可能造成重合操作失败。当平行线路位于电网的关键输送断面，单相重合失败将导致线路跳闸，电网关键断面输送能力大幅下降，电网的安全稳定运行将面临严峻考验。

鉴于平行线路潜供电流分析的复杂性，目前国内外尚无现成的分析手段。建立适用的平行线路潜供电流分析模型，进行平行线路不同运行工况下的潜供电流评估，针对可能出现的问题，进行相位排列优化以减少线路的潜供电流等，对于电网平行线路的建设和运行具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种平行线路潜供电流分析方法，通过平行线路潜供电流的建模分析，进行平行线路不同运行工况下的潜供电流评估，进行相位排列优化以减少线路的潜供电流。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种平行线路潜供电流分析方法，使用计算机程序模拟多回平行线路的运行工况，分析平行线路的潜供电流，其特征在于包括以下步骤：

S100）根据平行线路的塔型、平行类型、平行长度、平行间距和相位布置，以卡森模型为基础，计算多回平行线路的电阻、电抗和电纳，确定多回平行线路的原始序参数矩阵；

S200）从所述的原始序参数矩阵中，取每回线路的3条线的自阻抗平均值，作为该回线路的自阻抗；取每回线路的3条线的互阻抗平均值，作为该回线路的互阻抗；取每回线路的3条线与其他回线路的3条线之间的互阻抗平均值，作为对应两回线路的互阻抗；确定多回平行线路的简化序参数矩阵；

S300）采用电力***故障分析的方法，建立多回平行线路不平衡度分析模型：把多回平行线路作为故障部分，多回平行线路的每回线路表示为一回等效支路；在各等效支路的始端和末端，分别增加一回开关支路和一个内部节点，用于模拟线路两端的开关，线路闭合时开关支路的相应部分取无穷小，线路开断时开关支路的相应部分取无穷大；在各等效支路上，分别增加一个内部接点和一回接地支路，用于模拟短路接地故障，正常情况下接地支路均为无穷大对角阵，短路接地故障时接地支路的相应部分取无穷小；把平行线路以外部分作为一个两端口***；

S400）使用电力***仿真分析工具，利用所述的简化序参数矩阵进行计算，确定所述两端口***的戴维南等值电源和阻抗；

S500）将各开关支路的相应部分设为无穷小，将各接地支路设为无穷大，求得故障部分的节点导纳矩阵，消去内部节点，再和外部两端口***联立求解，获得多回平行线路各回线路的电流和各节点电压；

S600）应用多回平行线路不平衡度分析模型，将支路阻抗的相应部分设为无穷大或无穷小，模拟不同故障位置及不同故障类型，分别单独计算出各种故障状态的潜供电流或恢复电压；

S700）分析不同平行类型、平行长度、相位排列、平行间距对潜供电流的影响，结合潜供电流的产生机理，寻求限制潜供电流的措施。

本发明的平行线路潜供电流分析方法的一种较佳的技术方案，其特征在于所述的多回平行线路不平衡度分析模型设有中性点电抗支路；所述的步骤S600通过改变的中性点电抗支路的电抗值，计算出各种故障状态的潜供电流或恢复电压，所述的步骤S700分析潜供电流随中性点电抗支路的电抗值的变化，确定与线路参数合理配合的中性点电抗值。

本发明的有益效果是：

本发明的平行线路潜供电流分析方法针对平行线路运行工况的复杂性，提出适用于平行线路潜供电流的计算仿真分析方法，该方法突出分析了各个运行工况下潜供电流的变化情况，可以很好的反映出对***运行可能产生较大影响的因素，为平行线路规划设计提供限制潜供电流的有效技术依据，同时简化了计算流程，提高了处理效率，为平行线路设计建设及运行维护提供了有效的仿真分析设计工具。

附图说明

图1是本发明平行线路潜供电流分析方法的主流程图；

图2是平行线路同塔双回线对单回线塔型结构示意图；

图3是每回线路的六种相位排列图；

图4是同塔双回线对单回线的相位排列的三种方式示意图；

图5是平行类型为同塔双回线对同塔双回线的潜供电流分析计算模型示意图。

具体实施方式

为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施方案进行进一步地详细描述。

平行线路每回线路的三相之间不仅存在耦合，而且每回线路的三相和其他回线路的三相之间也存在不同程度的耦合，以同塔双回线对同塔双回线为例，一条导线和其他十一条导线均存在不同程度的耦合，不同塔线路的耦合与平行间距有关，这与单回线路存在较大的差异，如果再计及四条避雷线，则耦合的形式将十分复杂。线路之间的相互耦合使参数求取较为困难，而线路参数是平行线路运行技术计算分析的前提。以下详细说明中，各参数均以标么值表示，S_B=100MVA，基准电压U_B=525kV。

本发明的平行线路潜供电流分析方法的一个实施方案的主流程图如图5所示，本方法使用计算机程序模拟多回平行线路的运行工况，分析平行线路的潜供电流，包括以下步骤：

S100）根据平行线路的塔型、平行类型、平行长度、平行间距和相位布置，以卡森模型为基础，计算多回平行线路的电阻、电抗和电纳，确定多回平行线路的原始序参数矩阵；

以卡森模型为基础，利用EMTP线路参数计算程序，可得出100km长的同塔双回线对单回线理论计算参数（消去四条避雷线），包括多回平行线路的电阻、电抗和电纳。同塔双回线线路参数、单回线对单回线线路参数、同塔双回线对同塔双回线线路参数计算方法与同塔双回线对单回线线路参数计算方法相同。常规的计算中，一般需要线路的序参数，如潮流计算中需要线路的正序参数，短路故障计算中需要线路的正序、负序、零序参数，机电暂态稳定中故障部分需要线路的等值正序参数、非对称部分需要线路的正序参数。依据不同计算的需要，可以计算得出同塔双回线对单回线的典型序参数。

输电线路常见的平行线路有四种类型，即：同塔双回线、单回线对单回线、同塔双回线对单回线和同塔双回线对同塔双回线。四种平行类型下塔型的组合种类较多，为了简化计算过程，选取平行类型为同塔双回线对单回线进行原始线路参数计算，其它平行类型的原始线路参数计算方法与之类似。在图2所示的实施例中，同塔双回线为双回线塔第一种塔型，单回线为三角形塔第一种塔型，线路长度为100km，平行间距为50m。对于每回线路1、2、3线路，有6种相位排列方式，如图3所示。对于平行类型为同塔双回线对单回线情况下，相应的相位排列矩阵为

$B=\left[\begin{array}{ccc}{B}_i& & \\ & B_j& \\ & & B_k\end{array}\right]$ i,j,k,∈[1…6]

考虑相位排列后的平行线路阻抗矩阵为Z_ABC=BZB^-1，其中，Z为同塔双回线对单回线理论计算阻抗矩阵：

通过相序变换，最后可得平行线路的序阻抗矩阵Z₀₁₂=A^-1Z_ABCA，其中，A为平行线路的相序变换矩阵 $A=\left[\begin{array}{ccc}{A}^{\′}& & \\ & A^{\′}& \\ & & A^{\′}\end{array}\right],$ A'为单回线的相序变换矩阵 $A^{\′}=\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& a^2& a\\ 1& a& a^2\end{array}\right]$ a=e^j120°。

假设同塔双回线对单回线的相位排列取图4所示的三种方式，可以分别求得的对应的平行线路序电抗矩阵。类似地，可以求得同塔双回线对单回线序电纳参数，以及其他三种平行类型下的线路序阻抗参数。一般来说，线路的电抗较大程度上决定了线路的运行状态，例如潮流分布、短路电流大小、暂态稳定性。

S200）从所述的原始序参数矩阵中，取每回线路的3条线的自阻抗平均值，作为该回线路的自阻抗；取每回线路的3条线的互阻抗平均值，作为该回线路的互阻抗；取每回线路的3条线与其他回线路的3条线之间的互阻抗平均值，作为对应两回线路的互阻抗；确定多回平行线路的简化序参数矩阵；

步骤S100计算得到的未换位的平行线路序参数矩阵为一非对称的满阵，耦合形式十分复杂，每回线路的正序、负序、零序电抗之间不仅存在耦合，而且，每回线路的正序、负序、零序电抗与其他三回线路的正序、负序、零序电抗之间也均存在耦合。不同的相位排列时平行线路的序参数并不相同，以同塔双回线对单回线这一平行类型为例，3回线路的相位排列方式可达6³/3=72种，在相位排列方式还未确定的情况下，线路可能存在72种不同的序参数。这些特性给***分析计算带来极大困难。通过平行线路正序、负序、零序参数之间的耦合，正常运行时***便存在负序和零序分量，对常用的PSS/E、BPA、PSASP等电力***计算分析工具，单从潮流计算来讲，都无法实现。即使应用具有三相潮流计算功能的NETOMAC，但由于相位排列方式的多样性，相应的平行线路的序参数也不确定，计算分析工作将非常繁杂。因此，本发明提出了一套能够反应平行线路主要运行特性的简化参数。

对平行线路理论计算阻抗矩阵Z，假设每回线路的自阻抗均取其3条线的自阻抗平均值，以第I回线路为例，即

ZZ_I,I=(Z_I1I1+Z_I2I2+Z_I3I3)/3

每回线路的互阻抗均取其3条线的互阻抗平均值，以第I回线路为例，即

ZH_I，I=(Z_I1I2+Z_I1I3+Z_I2I3)/3

由于理论计算阻抗矩阵具有对称性，所以

ZH_I，I=(Z_I2I1+Z_I3I1+Z_I3I2)/3

每回线路的3条线和其他回线路的3条线之间的互阻抗也均取其互阻抗的平均值，以第I回线路和第II回线路为例，即

ZH_I,II=(Z_I1II1+Z_I1II2+Z_I1II3+Z_I2II1+Z_I2II2+Z_I2II3+Z_I3II1+Z_I3II2+Z_I3II3)/9

由于理论计算阻抗矩阵的对称性，所以

ZH_II,I=(Z_II1I1+Z_II1I2+Z_II1I3+Z_II2I1+Z_II2I2+Z_II2I3+Z_II3I1+Z_II3I2+Z_II3I3)/9

通过相序变换，最终得到的同塔双回线对单回线线路简化序阻抗。简化序阻抗有以下特点

（1）正序、负序、零序参数之间解耦；

（2）每回线路只保留了正序、负序、零序自阻抗或自电纳，除零序自阻抗或自电纳外，每回线路和其他线路之间仅存在零序耦合；

（3）序阻抗或序电纳矩阵为对称的稀疏阵；

（4）简化序电抗参数保留了未简化前序参数的主要特性，正序、负序、零序自电抗和各回线路之间的零序互电抗与未简化前相应的序电抗参数相同，而其他序电抗参数为零。

简化序电阻和序电纳参数也具有相同的特性。简化序参数保留了未简化前平行线路序参数的主要特性，在一定的范围内保证了计算结果的合理性；简化参数正序、负序、零序参数之间的解耦，使应用PSS/E、BPA和PSASP等惯用的程序来计算潮流成为可能；简化序参数矩阵为对称稀疏矩阵，采取稀疏矩阵运算技术，可减少存储量、加快计算速度；简化序参数与相位排列无关，使平行线路序参数呈现唯一性。

S300）采用电力***故障分析的方法，建立多回平行线路不平衡度分析模型：把多回平行线路作为故障部分，多回平行线路的每回线路表示为一回等效支路；在各等效支路的始端和末端，分别增加一回开关支路和一个内部节点，用于模拟线路两端的开关，线路闭合时开关支路的相应部分取无穷小，线路开断时开关支路的相应部分取无穷大；在各等效支路上，分别增加一个内部接点和一回接地支路，用于模拟短路接地故障，正常情况下接地支路均为无穷大对角阵，短路接地故障时接地支路的相应部分取无穷小；把平行线路以外部分作为一个两端口***；

本发明可采用电力***故障分析的方法建立平行线路潜供电流分析模型。图5所示的本发明的实施方案模拟平行类型为同塔双回线对单回线，建立潜供电流的分析模型。在图5所示的平行线路潜供电流分析模型实施例中，***分为作为故障部分的平行线路部分和外电网部分。平行线路以外的外电网部分为一个两端口***，通过戴维南等值可求出这个两端口***的戴维南等值电源和阻抗。平行架设的同塔双回线对单回线，组成三回线作为仿真分析的故障部分，三回平行线路的每回线路表示为一回等效支路，图中用支路I、II和III表示，节点1～6为与外电网接口节点。

在图5所示的实施例中，增加开关支路1、4、5、8、9、12回支路和内部节点7～12，用于模拟线路两端开关，线路闭合时支路的相应部分取无穷小，线路开断时支路的相应部分取无穷大；

在等效支路I、II和III上，增加内部节点13～15和13～15回接地支路，用于模拟短路接地故障，正常情况下接地支路均为无穷大对角阵，接地故障时支路的相应部分取无穷小。在图5所示的平行线路潜供电流分析模型实施例中，平行架设的三回线构成包含15条支路的两端口***。

S400）使用电力***仿真分析工具PSS/E，利用所述的简化序参数矩阵进行潮流计算，确定所述两端口***的戴维南等值电源和阻抗。

S500）将各开关支路的相应部分设为无穷小，将各接地支路设为无穷大，求得故障部分的节点导纳矩阵，消去内部节点，再和外部两端口***联立求解，获得多回平行线路各回线路的电流和各节点电压；

将支路阻抗的相应部分设为无穷大或无穷小，求得故障部分的节点导纳矩阵，消去内部节点，再和外电网部分联系求解，即可得出从节点1～6侧注入到平行架设的三回线路各回线的电流，并得出节点1～6的电压。

S600）应用多回平行线路不平衡度分析模型，将支路阻抗的相应部分设为无穷大或无穷小，模拟不同故障位置及不同故障类型，分别单独计算出各种故障状态的潜供电流或恢复电压；

求取潜供电流时，以平行架设的三回线中I回线路A相发生瞬时短路接地故障为例，只需开关支路1和4的A相设为无穷大、接地支路13的A相设为无穷小，接地支路13的A相流过的电流即为故障点的潜供电流；开关支路1和4的A相设为无穷大、接地支路13的A相设为无穷大，接地支路13的A相电压即为故障点的恢复电压。在潜供电流的求解过程中，由于故障部分支路回数和端口数较多，相应的各过程矩阵如支路阻抗矩阵、节点导纳矩阵等阶数较高。故障部分增加的众多模拟开关和接地故障的支路，相应的矩阵为无穷大或无穷小对角阵，为防止矩阵求逆或线性方程组求解时的数值溢出，应尽量采用矩阵的分块运算技术。

S700）分析不同平行类型、平行长度、相位排列、平行间距对潜供电流的影响，结合潜供电流的产生机理，寻求限制潜供电流的措施。

为反映平行线路的潜供电流水平与线路长度、平行间距以及线路相位布置方式等因素之间的变化关系，通过分别针对上述四种典型的平行线路，分析平行线路相关技术参数对潜供电流水平的影响，可以为平行线路规划设计提供限制潜供电流的有效技术依据。

根据本发明的平行线路潜供电流分析方法的一种较佳的实施方案，在图5所示的多回平行线路不平衡度分析模型中，在每回线路的中性点，设置中性点电抗支路；所述的步骤S600通过改变的中性点电抗支路的电抗值，计算出各种故障状态的潜供电流或恢复电压，所述的步骤S700分析潜供电流随中性点电抗支路的电抗值的变化，确定与线路参数合理配合的中性点电抗值。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施方案仅是用来说明本发明的技术方案，而并非用作为对本发明的限定，任何基于本发明的实质精神对以上所述实施方案所作的变化、变型，都将落在本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种平行线路潜供电流分析方法，使用计算机程序模拟多回平行线路的运行工况，分析平行线路的潜供电流，其特征在于包括以下步骤：

S100）根据平行线路的塔型、平行类型、平行长度、平行间距和相位布置，以卡森模型为基础，计算多回平行线路的电阻、电抗和电纳，确定多回平行线路的原始序参数矩阵；

S200）从所述的原始序参数矩阵中，取每回线路的3条线的自阻抗平均值，作为该回线路的自阻抗；取每回线路的3条线的互阻抗平均值，作为该回线路的互阻抗；取每回线路的3条线与其他回线路的3条线之间的互阻抗平均值，作为对应两回线路的互阻抗；确定多回平行线路的简化序参数矩阵；

S300）采用电力***故障分析的方法，建立多回平行线路不平衡度分析模型：把多回平行线路作为故障部分，多回平行线路的每回线路表示为一回等效支路；在各等效支路的始端和末端，分别增加一回开关支路和一个内部节点，用于模拟线路两端的开关，线路闭合时开关支路的相应部分取无穷小，线路开断时开关支路的相应部分取无穷大；在各等效支路上，分别增加一个内部接点和一回接地支路，用于模拟短路接地故障，正常情况下接地支路均为无穷大对角阵，短路接地故障时接地支路的相应部分取无穷小；把平行线路以外部分作为一个两端口***；

S400）使用电力***仿真分析工具，利用所述的简化序参数矩阵进行计算，确定所述两端口***的戴维南等值电源和阻抗；

S500）将各开关支路的相应部分设为无穷小，将各接地支路设为无穷大，求得故障部分的节点导纳矩阵，消去内部节点，再和外部两端口***联立求解，获得多回平行线路各回线路的电流和各节点电压；

S600）应用多回平行线路不平衡度分析模型，将支路阻抗的相应部分设为无穷大或无穷小，模拟不同故障位置及不同故障类型，分别单独计算出各种故障状态的潜供电流或恢复电压；

S700）分析不同平行类型、平行长度、相位排列、平行间距对潜供电流的影响，结合潜供电流的产生机理，寻求限制潜供电流的措施。

2.根据权利要求1所述的平行线路潜供电流分析方法，其特征在于所述的多回平行线路不平衡度分析模型设有中性点电抗支路；所述的步骤S600通过改变的中性点电抗支路的电抗值，计算出各种故障状态的潜供电流或恢复电压，所述的步骤S700分析潜供电流随中性点电抗支路的电抗值的变化，确定与线路参数合理配合的中性点电抗值。

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