基于混合仿真进行合环电流分析和控制的可行性

－1－第1章绪论1.1课题研究背景和意义国内地区电网通常呈辐射状分布，一般采用环网设计、开环运行的电网供电方式[1-3]。当进行网内负荷转移、故障处理和设备检修时，可以通过进行断路器合环操作，以减少停电次数和时间[4-6]，但在合环操作瞬间，电网在合环点处会出现瞬时冲击电流，电网稳定后形成的新环网中还可能产生较大的循环电流，可能造成某些电气设备超负荷或者某条线路过载，继电保护装置动作跳闸等情况的发生，从而严重影响整个电网的安全稳定运行[7]。一般运行人员只能够凭借日常运行经验来决定是否进行地区电网的合环操作，在某些情况下会避免一些合环操作的实施，这样会增加电网的停电次数，降低地区电网的供电经济性和可靠性[8-10]。此外，由于合环开关闭合操作前合环点位置两侧的电压差可能不为零，当开关闭合的同时，要经历一个暂态过程才能使合环点两侧电压趋于相等，会造成新形成地区环网内的节点电压相角和幅值以及发电机电势和角度变化。由于发电机要达到一个新的稳定状态需要经过震荡摇摆的过程，因此在合环操作进行的同时会出现瞬间的冲击电流。综合以上分析，进行地区电网合环操作时可能会产生合环点处瞬间冲击电流和合环操作后新形成环网的稳态循环电流。合环电流仿真系统能得到合环操作可能产生的瞬间冲击电流和环网稳态循环电流，在合环操作前，通过合环电流仿真系统对合环操作可能产生的电流进行计算和分析，校验合环操作后的稳态循环电流是否满足设备的要求，分析合环瞬间冲击电流对于整个网络产生的波动和影响，可以为电网的运行可靠性评估提供理论依据，并能帮助运行人员进行正确的决策，以避免操作引起设备过载和保护跳闸，提高供电的安全性和可靠性[11-15]。合环电流仿真计算系统的建立，能够验证实际电网的合环操作方案的可行性，优化操作方案，可以为电网母线检修以及母线故障时负荷转移的合环操作－2－提供计算依据，保障负荷转移的成功率，进而保障用户供电的可靠性，合环电流计算系统可以通过丰富的报表、曲线方式展示分析数据，并且提供报表的浏览，可以通过该系统生成的数据和分析报表，实现对合环电流情况的预期判断，该系统的应用将会很大程度上提高地区电网运行的可靠性，为地区电网进行合环操作时提供技术支持。1.2国内外研究现状及发展趋势1.2.1合环电流的计算方法电力系统需要建设更高电压等级的电网结构来满足电源送电和负荷用电的需求，这可能会伴随着产生高低压电磁环网的问题。高低压电磁环网是指不同电压等级的两组输电线路，通过两侧变压器的磁耦合回路连接所构成的环形电网，是主干电网由低级向高级发展过程中的产物[16]。随着高电压等级网架结构的加强，部分高低压电磁环网要求开环运行，这也伴随着产生了低电压等级地区电网的环网问题。经过研究认为可以将环网运行分析分为两大类。第一类以高低压电磁环网分析为核心，包括电磁环网解环的分析方法、评价指标以及无功环流的控制；第二类以同电压等级的非电磁环网分析为核心，包括地区电网的合环潮流、合环稳态电流、合环冲击电流的相应计算分析方法。本课题所研究的地区电网潮流计算是地区电网合环问题分析的基础，应对合环后的潮流变化做出预测分析，并在操作中避免设备过载和保护跳闸。目前针对地区电网潮流计算方法大致可分为两类，其中母线类算法有Zbus法和Ybus法[17,18]；支路类算法包括面向回路的回路法[19]和面向支路前推回代法[20]，这类算法的潮流方程主要采用的是支路上数据来列出的。合环稳态电流的计算方法包括前推回带法[21]、牛顿-拉夫逊法[22]、叠加法[23]等。合环冲击电流可以通过简化网络的方法进行计算[24]。有些地区电网根据叠加定理和分布系数法来计算电网进行合环操作时潮流的具体分布情况[25]，首先采用分布系数法求解电网的自然功率分布关系，然后计算均衡功率时只考虑变压器变比的不同，最后将这些计算结果叠加起来，得到电网合环操作时的实际潮流分布[26]，这种方法一般采用手动计算，适用于简单网络的计算。另外，还有地区电网合环后潮流计算方－3－法采用简化的合环网络，具体步骤如下：首先给出合环前简化网络的潮流分布；然后计算出循环电流的大小即合环点两侧的电压差和环网总阻抗的比值；最后采用叠加原理计算出合环后的潮流。在此方法的研究基础上发展出一种两阶段算法，该算法基于叠加原理和前推回代法并以支路功率为变量，用于计算合环后地区电网的潮流分布，具体步骤为：对合环后的网络在合环点处解环，形成两个子网络包括开环运行网络和一个环状网络；通过两阶段的迭代过程来求解潮流分布，第一阶段迭代过程计算开环运行网络的潮流，得到合环开关两侧电压差值，而第二阶段迭代过程主要修正合环开关两侧负荷功率值的大小，满足整体收敛要求从而得出电网合环潮流分布[27]。上述传统的合环电流计算方法一般不考虑外部网络模型，只考虑环网所涉及的电气设备进行戴维南等值，因此无法准确获得等值电势和阻抗并引入计算误差，合环操作时可能引入较大谐波分量，因此传统解决方案很多情况下不能满足计算的要求。一些研究表明利用PSCAD/EMTDC仿真软件来对多级合环电网系统进行建模[28-32]，通过对比模型元件和实际元件之间的电压损耗、功率损耗，研究模型参数的设置，建立了能够准确模拟实际元件的仿真模型，这种方法一般是针对大规模电网进行等值后得到的小规模仿真系统，往往忽略了大电网动态特性，必然会降低仿真结果的准确性。所以对于地区电网合环电流的计算，既要不损失大规模电网的动态特性，又可以满足局部电网的详细分析要求，才能保证合环电流计算的准确性。基于这一点，进行合环电流计算时考虑应用机电暂态-电磁暂态混合仿真技术，对合环区域外动态响应过程相对较慢的大电网采用机电暂态程序仿真，而对需要进行详尽研究的合环区域附近的小电网采用更为精确的电磁暂态程序仿真，这样既可以反映特定系统中详细的电网电磁暂态变化过程，又可以仿真较大规模的电力系统，网络不需要进行等值化简，大大提高了地区电网仿真分析结论的准确性。1.2.2机电暂态-电磁暂态混合仿真机电暂态-电磁暂态混合仿真的思想最早由Heffernan等人[33,34]于1981年第－4－一次提出的，其后国外学者对此问题作了一些深入研究，主要集中于接口电路的选择和接口时序的设计方面[35]，新西兰Canternury大学和加拿大Waterloo大学也做了一些相关的研究，他们所做的研究工作仅属于论文探索阶段，没有进行商业化的开发。ReeveJ，AndersonGWJ，SultanM等[36-38]提出了减小电力电子器件产生的谐波对交流系统影响的计算方法。由于电力系统中各元件相差很大的时间常数，CrowML提出了多速率算法，把系统划分为以不同的积分步长分别计算的不同子系统，在此基础上又发展出了多种多速率仿真技术[39-41]，这些算法缺点在于网络接口多，程序复杂，网络划分不均匀很难达到预期效果。目前，具有机电暂态-电磁暂态混合仿真能力的商业化软件有：ABB公司开发的SIMPOW和SIEMENS开发的NETOMAC程序。其中，SIMPOW程序既能在时间轴上相互切换机电暂态和电磁暂态的仿真功能，也在空间范围内实现了部分电网用机电暂态仿真，剩余电网用电磁暂态仿真的混合仿真，但其在空间范围内进行混合仿真时，计算步长全网要求统一，只能采用电磁暂态微妙级的仿真步长，计算速度会受到很大影响。NETOMAC程序提出的实时数据转换算法可以基于电磁暂态和机电暂态模型进行网络分块来建立不同的模型[42]，也可以通过分时段，即电磁暂态模型应用于系统故障后的暂态过程，机电暂态模型应用于稳定过程的分析和计算。这些软件的混和仿真功能还不是非常成熟，也没有真正用于指导实际生产运行。香港大学、清华大学以及天津大学在FACTS仿真方面开展了一些混合仿真的研究，但研究仅属于论文探索阶段。中国电力科学研究院从2001年起开展了电力系统机电暂态和电磁暂态混合仿真技术的相关问题研究，在工程项目《电力系统全数字实时仿真装置研制》和《直流输电系统全数字实时仿真系统的开发》中，给出了机电暂态和电磁暂态混和并行仿真的研究计算方法，在工程项目《电力系统电磁暂态和机电暂态混合仿真技术研究》和《大电网仿真技术研究》中，给出了大规模交直流系统的机电暂态和电磁暂态混合仿真技术实用的研究计算方法。从各种地区电网合环电流计算解决方案来看，提高计算准确性是合环电流仿真计算发展的趋势，而电力系统混合仿真技术能够为合环电流的精确计算提供保障。－5－1.3本文的主要研究内容及工作根据电力系统合环电流研究的现状以及混合仿真的发展历程，本文主要研究的内容如下：1）合环电流计算方法的研究通过对以往合环潮流的计算方法的研究，给出合环电流计算方法的研究现状以及发展趋势，环网运行分析可以分为两大类：第一类以电力系统中高低压电磁环网分析为核心；第二类以地区电网中同电压等级的非电磁环网分析为核心。通过对比以往合环电流计算方法的不足，给出本文解决合环电流计算问题的基础理论方法。2）混合仿真技术在电力系统中的应用给出电力系统机电暂态和电磁暂态混合仿真理论及其接口的等值电路，并对机电暂态和电磁暂态网路数据的交换时序和形式做出详细分析，对接口方法在机电暂态和电磁暂态网络中的实现给出解决方法，通过计算算例的结果验证了本文提出的混合仿真方法的可行性和准确性。3）合环电流仿真系统的总体设计给出系统的总体构架和系统的所有计算功能，提出基于最大级数搜索算法的暂态网络自动划分、机电暂态模型到电磁暂态模型的自动转换算法以及合环混合仿真计算的单机windows并行算法等系统需要解决的关键技术等三个解决系统的关键技术，并给出相应的方案。4）仿真系统功能的实现以及对算例的分析详细研究合环电流仿真系统的开发，对计算平台的关键技术进行设计，对地理位置接线图程序、网络校验于网络拓扑进行详细分析。提出的图模一体化平台应是界面操作方便，可以通过平台方便地建立电网数据、绘制电网图形、进行各种分析计算。本课根据电力系统机电暂态-电磁暂态混合仿真计算的科研成果，开展建立基于混合仿真技术的电网合环电流仿真系统的研究，针对合环电流仿真系统具体的研究工作如下：1）关于合环电流计算的方法－6－系统采用的合环电流计算方法根据典型运行方式数据包生成全网络机电暂态模型，通过点击拟定合环点启动合环电流计算，系统能够自动在合环点附近电网生成电磁暂态模型网络，电网的其他区域仍然为机电暂态模型，通过机电暂态-电磁暂态混合仿真计算，在一次合环电流仿真计算过程中得到合环前、合环中、合环后电压、电流的电磁暂态波形，进而得到合环操作对输电网影响的直观结果，同时得到冲击电流、稳态电流等量化结果。系统利用机电暂态-电磁暂态混合仿真的计算方法，可以基于大电网典型运行方式数据进行合环电流仿真计算，无需对地区电网进行等值，既能减少等值的工作量，又能避免等值带来的误差。2）仿真软件平台的建立系统包括本地数据库和图形平台，建设方便使用的图模一体化系统，开发的电力系统仿真应用应该包括单线图编辑、基本潮流计算和合环计算的仿真应用，满足合环电流仿真计算系统分析的要求，其中合环计算部分应包括合环潮流计算、合环机电暂态仿真、合环混合暂态仿真。3）数据的获取方式系统中机电暂态仿真计算数据与PSASP7.0数据兼容，可直接基于PSASP7.0中潮流计算数据进行合环电流仿真计算，减少系统建模工作量。4）合环操作前后稳态性能对比仿真系统可以分别计算合环前、合环后的系统稳态性能并进行比较，系首先启动合环前系统基础潮流计算，用作数据参考对象，通过启动合环潮流计算后得到合环后的潮流分布情况，与合环前潮流分布进行比较，并根据各个相关设备的额定值等指标要求综合考虑合环操作的可行性。5）计算结果的展示该电网合环电流仿真计算系统应通过对不同仿真条件的仿真结果进行整理，得到合环操作对合环冲击电流幅值的影响，支持表格、曲线等多种输出方式，对比不同运行方式下合环操作后的潮流分布，在满足全网潮流稳定运行和继保设备要求的前提下，给出满足系统要求的合环操作解决方案。6）应用开关统计功能仿真系统应具备对一个周期内不同合环时刻进行逐个时间点的仿真计算的－7