CN111339624B - 基于psasp和emtp/atp短路电流直流分量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力建模与仿真技术，具体涉及基于PSASP和EMTP/ATP短路电流直流分量计算方法，将区域电网分为内部电网和外部电网，设被分析线路为内部电网，其他部分为外部电网，对内部电网进行建模，外部电网进行等值简化；外部电网和内部电网之间的节点为边界节点；外部电网等值简化为一个只存在边界节点的多端网络，包含边界节点的注入电流源、节点自导纳和节点之间的互导纳；利用PSASP软件设置短路故障，求解外部电网等值后边界节点的注入电流源和导纳矩阵，在EMTP/ATP中建立内部电网和等值后外部电网模型，设置短路故障，从仿真得到短路电流直流分量。该方法结合复杂电力***网络的数学模型的特点，计算结果精确且简便易行，便于工程例行计算。

Description

基于PSASP和EMTP/ATP短路电流直流分量计算方法

技术领域

本发明属于电力建模与仿真技术领域，尤其涉及基于PSASP和EMTP/ATP短路电流直流分量计算方法。

背景技术

随着电力***的发展，电源间的联系越来越紧密，***短路容量超标问题也越来越突出。目前我国在断路器断流能力例行校核时只考虑周期分量，并未计及直流分量对断路器开断能力的影响，但短路电流直流分量对断路器的正常开断会产生一定的影响，尤其在是断路器遮断容量裕度越来越小，而短路电流直流分量衰减越来越慢的情况下，准确有效地分析短路电流直流分量衰减特性，对保证电网的断路器能够正常开断***短路电流，不至因电弧能量和电动力过大损坏断路器以致开断失败影响供电可靠性具有重要意义。

然而，目前对短路电流直流分量衰减的计算一直缺乏工程上简单实用的方法和工具。短路电流计算标准对周期分量计算的描述较多，但对复杂网络衰减时间常数的计算并无明确规定。现有的复杂网络短路电流直流分量计算方法有极限频率法、二支路等效网络法和等效频率法。极限频率法仅在各支路时间常数相差不大时有效；二支路法一次只能处理两条支路且事先必须固定其中一条支路的时间常数，在多电源的网状网络中使用很不方便；且二者的实质也都是对工频阻抗描述的电力网络进行等值变换，这样用工频下的等值阻抗来参与计算并没有频率特性的直流分量衰减是否恰当难以确定。等效频率法，需根据关注的不同时刻查表选取相应的等效频率f_c，计算出等值阻抗Z_c，但此方法需对短路后不同时刻计算等效频率，并求出相应等效频率下的等值阻抗，大大增加了计算工作量。

需要更准确地研究计算考虑衰减的短路电流周期分量和非周期分量，可以借助电磁暂态仿真软件EMTP进行三相全相建模，然后从仿真得到的短路全电流瞬时值波形中分离出对应的直流分量。使用EMTP建模时，难点在于被等值的电网节点数达到数千个时，等值计算的工作量巨大，需要将区域外的电网等值简化。传统的电网等值方法如Ward和REI等值，在所等值的电网较大时，高斯消元要消去的节点过多，等值电网将变得难以求解，在导纳矩阵求解过程中涉及到被等值电网所有的节点电压，工作量巨大。国内在短路电流直流分量衰减的计算一直缺乏工程上简单实用的方法和工具。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于PSASP短路故障仿真和EMTP/ATP电磁暂态仿真的等值网络计算短路电流直流分量的方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于PSASP和EMTP/ATP短路电流直流分量计算方法，将区域电网分为内部电网和外部电网，设被分析线路为内部电网，其他部分为外部电网，对内部电网进行建模，外部电网进行等值简化；外部电网和内部电网之间的节点为边界节点；外部电网等值简化为一个仅存在边界节点的多端网络，包含边界节点的注入电流源、节点自导纳和节点之间的互导纳；利用PSASP软件设置断路、短路故障，求解边界节点的注入电流源和导纳矩阵，再通过EMTP/ATP计算短路电流直流分量；包括以下步骤：

步骤1、将内部网络以三相断线故障的形式从PSASP软件中隔离，仅对外部电网进行短路计算；

步骤2、在PSASP软件中做一次全部边界节点上的同时三相短路，计算获得各边界节点的短路支路电流，求解正序网络的注入电流源；

步骤3、对各个边界节点逐一进行三相短路，通过PSASP软件计算获得短路支路的正序电流和边界节点的正序电压，求解边界节点的正序导纳矩阵；

步骤4、对边界节点逐一进行单相短路，通过PSASP软件计算获得短路支路的零序电流和边界节点的零序电压，求解边界节点的零序导纳矩阵；

步骤5、根据步骤1-步骤4所计算的正序网络的注入电流源、正序导纳矩阵和零序导纳矩阵，在EMTP/ATP中搭建出内部电网和等值后外部电网模型，设置短路故障，从短路全电流瞬时值波形中分离出对应的直流分量。

本发明的有益效果：本发明利用仿真软件PSASP进行断线和短路故障仿真，进而以矩阵运算获得导纳矩阵，对大型电网实例进行等值简化，并在电磁暂态仿真程序EMTP/ATP中重构完整的等值网络，利用EMTP/ATP计算出短路电流直流分量。在等值过程中计算量小，结合复杂电力***网络的数学模型的特点，计算结果精确且简便易行，便于工程例行计算。

附图说明

图1为本发明一个实施例等值网络模型。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

使用电磁暂态仿真程序EMTP/ATP对大型局域电网的局部线路和附近区域进行电磁暂态分析，需要建立以被分析线路为主体的电网模型，对电网的其它部分作等值简化。广泛应用于电力部门的电力***分析综合程序PSASP软件可以构造上万节点的大型网络的数据库，已经建有与特高压线路相关联几省的电网模型，节点超过7000个，在此基础上利用仿真软件PSASP进行断线和短路故障仿真，进而以矩阵运算获得导纳矩阵，对大型电网实例进行等值简化，并在电磁暂态仿真程序EMTP/ATP中重构完整的等值网络。本实施例提出了基于PSASP和EMTP/ATP短路电流直流分量计算方法。

将区域电网分为内部电网和外部电网二部分，被分析线路为内部电网，需要详细建模，对外部电网进行简化。外部电网和内部电网之间的节点为边界节点。外部电网经过等值简化后，是一个只存在边界节点的多端网络，包含边界节点的注入电流源、节点自导纳和节点之间的互导纳。利用PSASP软件中设置短路故障求解外部电网等值后的边界节点的注入电流源和导纳矩阵，在EMTP/ATP中建出内部电网和等值后外部电网模型，设置短路故障，然后从仿真得到的短路全电流瞬时值波形中分离出对应的直流分量。

第一步，将内部电网以三相断线故障的形式从PSASP软件中隔离，仅仅对外部电网进行短路计算。保留网络为内部电网，其他即为外部电网。内外电网相互连接的线路有很多条，此步工作在PSASP软件中以线路断线故障作业的形式完成。

第二步，在PSASP软件中做一次全部边界节点上的同时三相短路，计算获得各边界节点的短路支路电流。由于各个边界节点电压为零，因此各个边界节点的短路支路电流与等值后外部电网中该节点的注入电流源相等。由于等值后的外部电网只有边界节点，需要以PSASP软件短路计算为基础求解外部电网的等值后边界节点的注入电流源、正序导纳矩阵和零序导纳矩阵。一般的负序网络和零序网络是无源网络，只需要求解正序网络的注入电流源。

第三步，对各个边界节点逐一进行三相短路，通过PSASP软件计算获得短路支路的正序电流和边界节点的正序电压，再根据已求得的等值后外部正序网络中边界节点的注入电流源，分别列些每次短路的节点电压方程，联立求解可得到边界节点的正序导纳矩阵。

第四步，采用同样的方法对边界节点逐一进行单相短路，通过PSASP软件计算获得短路支路的零序电流和边界节点的零序电压，分别列写每次短路的节点电压方程，联立求解可得到边界节点的零序导纳矩阵。需要说明的是，边界节点的注入电流源为正序，因此对于零序网络，边界节点注入电流源为零。

第五步，在EMTP/ATP中建出内部电网和等值后外部电网模型，设置短路故障，从仿真得到的短路全电流瞬时值波形中分离出对应的直流分量。

以一个只有5点边界节点的电网为例，外部电网等值后网络如图1所示，图中标出了各个节点的注入电流源和各个支路的导纳。PSASP软件中已经建立了被等值网络的全部节点、支路和相关参数。

(1)去除被等值网络的内部电网的节点和支路，网络保留部分即外部电网。

(2)图1中的4个边界节点1、2、3、4、5同时发生金属性短路，此时5个节点的电压均为零，图中所有节点等电位，因此图1中4个边界节点的导纳支路的电流都为零。以边界节点1为例，y_l0、y₁₂、y₁₃、y₁₄、y₁₅支路电流均为零。通过PSASP软件计算可以获得短路支路的电流I_f1，根据基尔霍夫电流定律，此电流等于注入电流源I₁。同理可获得其它2、3、4、5边界节点的注入电流源。

(3)对各个边界节点逐一进行三相短路，通过PSASP软件计算获得短路支路的正序电流和5个边界节点的正序电压，分别列写每次短路的节点电压方程，联立求解可得到边界节点的正序导纳矩阵。首先仍以图1边界节点l为例，使节点l发生金属性短路，通过PSASP软件计算可以获得短路支路的正序电流I_f1和5个边界节点的正序电压，各个节点的注入电流源因此可以列写节点电压方程：

其中：等号左边第1项是这5点的导纳矩阵，自导纳Y₁₁＝y_l0+y_l2+y_l3+y₁₄+y₁₅，互导纳Y₁₂＝-y₁₂，Y₁₃＝-y₁₃，Y₁₄＝-y_14，Y₁₅＝-y_15，；等号左边第2项是边界节点1短路时5个边界节点的电压；I_f1是节点1短路支路电流；等号右边为5个点的注入电流源。

同理，若在节点2、3、4、5进行三相短路计算同样有：

综合(1-1)(1-2)(1-3)(1-4)(1-5)可得：

在式(1-6)中根据短路计算得到的电压矩阵和电流矩阵，进行矩阵求逆计算，获得边界节点的导纳矩阵。这里矩阵运算的维数等于边界节点数，计算量较小，可以采用Matlab软件完成矩阵运算。

(4)对各个边界节点逐一进行单相短路，通过PSASP软件计算获得短路支路的零序电流和5个边界节点的零序电压，分别列写每次短路的节点电压方程，联立求解可得到边界节点的零序导纳矩阵。边界节点的注入电流源为零，式(1-6)中电流矩阵只包含短路支路的零序电流。

(5)在EMTP/ATP中搭建内部电网和外部电网等值后的边界节点的注入电流源和导纳y₁₀、y₂₀、y₃₀、y₄₀、y₅₀，设置短路故障，从仿真得到的短路全电流瞬时值波形中分离出对应的直流分量。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (1)

1.基于PSASP和EMTP/ATP短路电流直流分量计算方法，其特征是，将区域电网分为内部电网和外部电网，设被分析线路为内部电网，其他部分为外部电网，对内部电网进行建模，外部电网进行等值简化；外部电网和内部电网之间的节点为边界节点；外部电网等值简化为一个仅存在边界节点的多端网络，包含边界节点的注入电流源、节点自导纳和节点之间的互导纳；利用PSASP软件设置断线、短路故障，求解边界节点的注入电流源和导纳矩阵，再通过EMTP/ATP计算短路电流直流分量；包括以下步骤：

步骤1、将内部网络以三相断线故障的形式从PSASP软件中隔离，仅对外部电网进行短路计算；

步骤2、在PSASP软件中做一次全部边界节点上的同时三相短路，计算获得各边界节点的短路支路电流，求解正序网络的注入电流源；

步骤3、对各个边界节点逐一进行三相短路，通过PSASP软件计算获得短路支路的正序电流和边界节点的正序电压，求解边界节点的正序导纳矩阵；

步骤4、对边界节点逐一进行单相短路，通过PSASP软件计算获得短路支路的零序电流和边界节点的零序电压，求解边界节点的零序导纳矩阵；

步骤5、根据步骤1-步骤4所计算的正序网络的注入电流源、正序导纳矩阵和零序导纳矩阵，在EMTP/ATP中搭建出内部电网和等值后外部电网模型，设置短路故障，从短路全电流瞬时值波形中分离出对应的直流分量。