一种电力系统混合仿真故障统一处理的方法.pdf

本发明提供了一种电力系统混合仿真故障统一处理的方法，其包括以下步骤：A、混合仿真中，机电暂态侧采用机电暂态超实时仿真程序TH-STBLT建立电力系统交流网络；B、在故障端口处，将电力系统交流网络划分为正常子网络和多端口故障子网络；C、在正常子网络中，电网部分采用基波三序网络描述，发电机、动态负荷、电力电子装置等一次设备动态元件接入正序网；D、在多端口故障子网络中，根据故障信息建立电力系统网络元件的故障模型，推导出多端口复故障的综合导纳统一模块Yf；E、将Yf叠加进正常子网络正序网导纳模块Y中，计算正序网故障端口的正序电压和正序电流；F、通过正序故障端口电流计算负序和零序网络的故障端口电压。

1.  一种电力系统混合仿真故障统一处理的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
A、混合仿真中，机电暂态侧采用机电暂态超实时仿真程序TH-STBLT建立电力系统交流网络；
B、在故障端口处，将电力系统交流网络划分为正常子网络和多端口故障子网络；
C、在正常子网络中，电网部分采用基波三序网络描述，发电机、动态负荷、电力电子装置等一次设备动态元件接入正序网；
D、在多端口故障子网络中，根据故障信息建立电力系统网络元件的故障模型，推导出多端口复故障的综合导纳统一模块Y_f；其中，所述故障信息包括横向故障信息和纵向故障信息；所述故障模型包括横向故障模型和纵向故障模型；
所述横向故障的综合导纳模块为
Yf={Zks-ZkmYp2ZknYp0×[I+ZksYp2ZkmYp0ZknYp2(Zks+3Zkg)Yp0]-1ZknZkm}-1]]>
所述纵向故障的综合导纳模块为
Yf={Zks-ZkmYp2ZknYp0×[I+ZksYp2ZkmYp0ZknYp2ZksYp0]-1ZknZkm}-1]]>
E、将Y_f叠加进正常子网络正序网导纳模块Y中，计算正序网故障端口的正序电压和正序电流；
F、通过正序故障端口电流计算负序和零序网络的故障端口电压。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述横向故障模型包括接地短路故障、相间短路故障和三相不平衡负荷，横向故障模型采用一Y接三相阻抗接入故障端口，其中Y接三相阻抗中性点通过阻抗接地来描述。

3.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纵向故障模型包括断线，纵向故障模型增加的故障支路可由三相阻抗接入故障线路来描述：正常情况下，故障支路阻抗值为一个很小的值，而三相阻抗设置不同的值来组合出不同的纵向故障或扰动。

4.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用序分量法，将电压和电流进行三相和三序变换。

5.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在电力系统混合仿真的横向故障计算中，将横向故障的综合导纳模块Y_f合并进入电网正序网的导纳模块Y中。

6.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在电力系统混合仿真的纵向故障计算中，将纵向故障的综合导纳模块Y_f合并进入电网正序网导纳模块Y中。

一种电力系统混合仿真故障统一处理的方法
技术领域
本发明是一种电力系统混合仿真故障统一处理的方法，属于交直流大电网数字仿真技术领域。
背景技术
为研究和分析大规模交直流系统相互作用的电网特性，保障大电网安全稳定运行，精确而可信的仿真系统是必不可少的工具。目前，人们已开发出电磁-机电混合实时仿真平台，实现对电力系统中电磁和机电的暂态过程有机结合，紧密耦合在一起同时进行仿真。
对含有大容量电力电子装置的交流电网，由于存在复杂的换流过程，这类电网的分析面临与上述交直流混合系统相似的问题和计算分析的需求。随着大量电力电子装置投运、大量电力电子用电负荷投入电网，电网三相不对称情况越发严重。这些电网中出现的实际问题对混合仿真模拟系统在非对称故障、扰动激励下特性和行为、系统三相不对称工况下运行行为提出了要求。
传统的混合仿真机电暂态程序对三相不对称工况、故障扰动的处理，大多只针对单端口电网横向故障或纵向故障进行计算，缺少统一处理方法，计算效率低下，难以在大规模电网中处理多端口横向、纵向复故障。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种电力系统混合仿真故障统一处理的方法，给出大规模电网多端口横向、纵向复故障的综合导 纳统一表达式，全面涵盖了电力系统所有故障类型，克服了传统混合仿真故障计算的单一性，从而提高混合仿真故障计算的效率，实现编程标准化，是一种实用可行的故障计算方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种电力系统混合仿真故障统一处理的方法，该方法包括以下步骤：
A、混合仿真中，机电暂态侧采用机电暂态超实时仿真程序TH-STBLT建立电力系统交流网络；
B、在故障端口处，将电力系统交流网络划分为正常子网络和多端口故障子网络；
C、在正常子网络中，电网部分采用基波三序网络描述，发电机、动态负荷、电力电子装置等一次设备动态元件接入正序网；
D、在多端口故障子网络中，根据故障信息建立电力系统网络元件的故障模型，推导出多端口复故障的综合导纳统一模块Y_f；其中，所述故障信息包括横向故障信息和纵向故障信息；所述故障模型包括横向故障模型和纵向故障模型；
横向故障的综合导纳模块为
Yf={Zks-ZkmYp2ZknYp0×[I+ZksYp2ZkmYp0ZknYp2(Zks+3Zkg)Yp0]-1ZknZkm}-1]]>
纵向故障的综合导纳模块为
Yf={Zks-ZkmYp2ZknYp0×[I+ZksYp2ZkmYp0ZknYp2ZksYp0]-1ZknZkm}-1]]>
E、将Y_f叠加进正常子网络正序网导纳模块Y中，计算正序网故障端 口的正序电压和正序电流；
F、通过正序故障端口电流计算负序和零序网络的故障端口电压。
本发明给出了大规模电网多端口横向、纵向复故障的综合导纳统一表达式，全面涵盖了电力系统所有故障类型，克服了传统混合仿真故障计算的单一性，从而提高混合仿真故障计算的效率，实现编程标准化，是一种实用可行的故障计算方法。
根据本发明另一具体实施方式，横向故障模型包括接地短路故障、相间短路故障和三相不平衡负荷，横向故障模型采用一Y接三相阻抗接入故障端口，其中Y接三相阻抗中性点通过阻抗接地来描述。多端口故障子网络一共有t个，即故障子网络1，故障子网络2，……，故障子网络t。
根据三相电压和三相电流关系，可得t个横向故障子网络的相量模块关系式：
U·kaU·kbU·kc=Zka+ZkgZkgZkgZkgZkb+ZkgZkgZkgZkgZkc+KkgI·kaI·kbI·kc---(1)]]>
式(1)中，Z_ka、Z_kb、Z_kc分别为A相、B相、C相接入故障端口的阻抗模块向量，即Z_kg为中性点阻抗模块向量，即分别为A相、B相、C相电压相量的模块向量，即U·ka=U·ka1U·ka2......U·katT,U·kb=U·kb1U·kb2......U·kbtT,]]>U·kc=U·kc1U·kc2......U·kctT;]]>分别为A相、B相、C相电流相量的模块向量，即I·ka=I·ka1I·ka2......I·katT,I·kb=I·kb1I·kb2......I·kbtT,]]>I·kc=I·kc1I·kc2......I·kctT.]]>
采用序分量法，将电压和电流进行三相和三序变换，则式(1)可变形为
U·ka1U·ka2U·ka0=ZksZkmZknZknZksZkmZkmZknZks+3KkgI·ka1I·ka2I·ka0---(2)]]>
其中分别为A相电压的正序分量、负序分量和零序分量的相量模块，即U·ka1=U·ka1-1U·ka2-1......U·kat-1T,]]>U·ka2=U·ka1-2U·ka2-2......U·kat-2T,U·ka0=U·ka1-0U·ka2-0......U·kat-0T;]]>分别为A相电流的正序分量、负序分量和零序分量的相量模块，即I·ka1=I·ka1-1I·ka2-1......I·kat-1T,I·ka2=I·ka1-2I·ka2-2......I·kat-2T,]]>I·ka0=I·ka1-0I·ka2-0......I·kat-0T;]]>Z_km、Z_kn、Z_ks均为对角元素，维数等于故障重数(即t个故障子网络)，如下式：
Zkm=13(Zka+Zkb+Zkc)Zm=13(Zka+a2Zkb+aZkc)Zks=13(Zka+aZkb+a2Zkc)---(3)]]>
其中a为引用算子e为自然对数的底，j为虚数单位；
在横向故障端口，电网侧负序网和零序网的故障支路电流与故障端口电压关系为
I·ka2=-Yp2U·ka2---(4)]]>
I·ka0=-Yp0U·ka0---(5)]]>
其中Y_p2和Y_p0分别为正常子网络的负序导纳模块和零序导纳模块。
将式(4)和(5)代入(2)，得到
U·ka1=ZksI·ka1-ZkmYp2ZknYp0U·ka2U·ka0---(6)]]>
U·ka2U·ka0=[I+ZksYp2ZkmYp0ZknYp2(Zks+3Zkg)Yp0]-1ZknZkmI·ka1---(7)]]>
将式(7)代入(6)，得到
I·ka1={Zks-ZkmYp2ZknYp0×[I+ZksYp2ZkmYp0ZknYp2(Zks+3Zkg)Yp0]-1ZknZkm}-1U·ka1---(8)]]>
其中I为单位模块，
因此可得横向故障的综合导纳模块为
Yf={Zks-ZkmYp2ZknYp0×[I+ZksYp2ZkmYp0ZknYp2(Zks+3Zkg)Yp0]-1ZknZkm}-1---(9)]]>
根据本发明另一具体实施方式，纵向故障模型包括断线，纵向故障模型增加的故障支路可由三相阻抗接入故障线路来描述：正常情况下，故障支路阻抗值为一个很小的值，而三相阻抗设置不同的值来组合出不同的纵向故障或扰动。多端口故障子网络一共有r个，即故障子网络1，故障子网络2，……，故障子网络r。
根据三相电压和三相电流关系，可得r个纵向故障子网络的相量模块关系式：
ΔU·kaΔU·kbΔU·kc=Zka000Zkb000ZkcI·kaI·kbI·kc---(10)]]>
式(10)中，Z_ka、Z_kb、Z_kc分别为A相、B相、C相接入故障端口的阻抗模块向量，即分别为A相、B相、C相故障端口阻抗两端的电压相量的模块向量，即ΔU·ka=ΔU·ka1ΔU·ka2......ΔU·karT,]]>ΔU·kb=ΔU·kb1ΔU·kb2......ΔU·kbrT,ΔU·kc=ΔU·kc1ΔU·kc2......ΔU·kcrT;,]]>分别为流过A相、B相、C相阻抗的电流相量的模块向量，即I·ka=I·ka1I·ka2......I·karT,I·kb=I·kb1I·kb2......I·kbrT,]]>I·kc=I·kc1I·kc2......I·kcrT.]]>
采用序分量法，将电压和电流进行三相和三序变换，则式(10)可变 形为
ΔU·ka1ΔU·ka2ΔU·ka0=ZksZkmZknZknZksZkmZkmZknZksI·ka1I·ka2I·ka0---(11)]]>
其中分别为A相故障端口阻抗两端电压的正序分量、负序分量和零序分量的相量模块，即ΔU·ka1=ΔU·ka1-1ΔU·ka2-1......ΔU·kat-1T,]]>ΔU·ka2=ΔU·ka1-2ΔU·ka2-2......ΔU·kat-2T,]]>ΔU·ka0=ΔU·ka1-0ΔU·ka2-0......ΔU·kat-0T;]]>分别为流过A相阻抗的电流正序分量、负序分量和零序分量的相量模块，即I·ka1=I·ka1-1I·ka2-1......I·kat-1T,I·ka2=I·ka1-2I·ka2-2......I·kat-2T,]]>I·ka0=I·ka1-0I·ka2-0......I·kat-0T;]]>Z_km、Z_kn、Z_ks均为对角元素，维数等于故障重数(即r个故障子网络)，如下式：
Zkm=13(Zka+Zkb+Zkc)Zkn=13(Zka+a2Zkb+aZkc)Zks=13(Zka+aZkb+a2Zkc)---(12)]]>
其中a为引用算子e为自然对数的底，_j为虚数单位；
在纵向故障端口，电网侧负序网和零序网的故障支路电流与故障支路电压关系为
I·ka2=-Yp2ΔU·ka2---(13)]]>
I·ka0=-Yp0ΔU·ka0---(14)]]>
其中Y_p2和Y_p0分别为正常子网络的负序导纳模块和零序导纳模块。联立式(11)-(14)，推导得到
ΔU·ka2ΔU·ka0=[I+ZksYp2ZkmYp0ZknYp2ZksYp0]-1ZknZkmI·ka1---(15)]]>
则纵向故障的综合导纳模块为
Yf={Zks-ZkmYp2ZknYp0×[I+ZksYp2ZkmYp0ZknYp2ZksYp0]-1ZknZkm}-1---(16)]]>
其中I为单位模块，
根据本发明另一具体实施方式，采用序分量法，将电压和电流进行三相和三序变换。
根据本发明另一具体实施方式，在电力系统混合仿真的横向故障计算中，将横向故障的综合导纳模块Y_f合并进入电网正序网的导纳模块Y中。
根据本发明另一具体实施方式，在电力系统混合仿真的纵向故障计算中，将纵向故障的综合导纳模块Y_f合并进入电网正序网导纳模块Y中。
与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：
本发明的方法给出了大电网多端口复故障的综合导纳统一表达式，既包含了对多端口横向故障的计算，也包含对多端口纵向故障的计算，适应分析研究各种复杂故障的模拟，从而提高了混合仿真故障计算效率和实用性，是一种有效、可行的解决方法。同时，该方法适合于实时仿真计算。
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1为实施例1的电力系统故障统一处理原理图；
图2为实施例1的电力系统横向故障示意图；
图3为实施例1的电力系统纵向故障示意图；
具体实施方式
实施例1
图1所示是本实施例的电力系统混合仿真故障统一处理原理图。本实施例的电力系统混合仿真故障统一处理的方法包括以下步骤：
A、混合仿真中，机电暂态侧采用机电暂态超实时仿真程序TH-STBLT 建立电力系统交流网络；
B、在故障端口处，将电力系统交流网络划分为正常子网络和多端口故障子网络；
C、在正常子网络中，电网部分采用基波三序网络描述，发电机、动态负荷、电力电子装置等一次设备动态元件接入正序网；
D、在多端口故障子网络中，根据故障信息建立电力系统网络元件的故障模型，推导出多端口复故障的综合导纳统一模块Y_f；其中，所述故障信息包括横向故障信息和纵向故障信息；所述故障模型包括横向故障模型和纵向故障模型；
横向故障的综合导纳模块为
Yf={Zks-ZkmYp2ZknYp0×[I+ZksYp2ZkmYp0ZknYp2(Zks+3Zkg)Yp0]-1ZknZkm}-1]]>
纵向故障的综合导纳模块为
Yf={Zks-ZkmYp2ZknYp0×[I+ZksYp2ZkmYp0ZknYp2ZksYp0]-1ZknZkm}-1]]>
E、将Y_f叠加进正常子网络正序网导纳模块Y中，计算正序网故障端口的正序电压和正序电流；
F、通过正序故障端口电流计算负序和零序网络的故障端口电压。
上述的横向故障模型，包括接地短路故障、相间短路故障和三相不平衡负荷等，横向故障模型采用一Y接三相阻抗接入故障端口，其中Y接三相阻抗中性点通过阻抗接地来描述，多端口故障子网络一共有t个，即故障子网络1，故障子网络2，……，故障子网络t，如图2所示。
根据三相电压和三相电流关系，可得t个故障子网络的相量模块关系式：
U·kaU·kbU·kc=Zka+ZkgZkgZkgZkgZkb+ZkgZkgZkgZkgZkc+KkgI·kaI·kbI·kc---(1)]]>
式(1)中，Z_ka、Z_kb、Z_kc分别为A相、B相、C相接入故障端口的阻抗模块向量，即Z_kg为中性点阻抗模块向量，即分别为A相、B相、C相电压相量的模块向量，即U·ka=U·ka1U·ka2......U·katT,]]>U·kb=U·kb1U·kb2......U·kbtT,U·kc=U·kc1U·kc2......U·kctT;]]>分别为A相、B相、C相电流相量的模块向量，即I·ka=I·ka1I·ka2......I·katT,]]>I·kb=I·kb1I·kb2......I·kbtT,I·kc=I·kc1I·kc2......I·kctT.]]>下同。
采用序分量法可得，
U·kaU·kbU·kc=IIIa2aIaa2IU·ka1U·ka2U·ka0---(2)]]>
I·kaI·kbI·kc=IIIa2aIaa2II·ka1I·ka2I·ka0---(3)]]>
其中I为单位模块，a为引用算子e为自然对数的底，j为虚数单位；分别为A相电压的正序分量、负序分量和零序分量的相量模块，即U·ka1=U·ka1-1U·ka2-1......U·kat-1T,U·ka2=U·ka1-2U·ka2-2......U·kat-2T,]]>U·ka0=U·ka1-0U·ka2-0......U·kat-0T;]]>分别为A相电流的正序分量、负序分量和零序分量的相量模块，即I·ka1=I·ka1-1I·ka2-1......I·kat-1T,]]>I·ka2=I·ka1-2I·ka2-2......I·kat-2T,I·ka0=I·ka1-0I·ka2-0......I·kat-0T.]]>下同。
将式(2)和(3)代入式(1)，整理后得到
U·ka1U·ka2U·ka0=ZksZkmZknZknZksZkmZkmZknZks+3KkgI·ka1I·ka2I·ka0---(4)]]>
式(4)的模块元素如下式
Zkm=13(Zka+Zkb+Zkc)Zm=13(Zka+a2Zkb+aZkc)Zks=13(Zka+aZkb+a2Zkc)---(5)]]>
其中Z_km、Z_kn、Z_ks均为对角元素，维数等于故障重数(即t个故障子网络)。
在故障端口，电网侧负序网和零序网的故障支路电流与故障端口电压关系为
I·ka2=-Yp2U·ka2---(6)]]>
I·ka0=-Yp0U·ka0---(7)]]>
其中Y_p2和Y_p0分别为正常子网络的负序导纳模块和零序导纳模块。
将式(6)和(7)代入(4)，得到
U·ka1=ZksI·ka1-ZkmYp2ZknYp0U·ka2U·ka0---(8)]]>
U·ka2U·ka0=[I+ZksYp2ZkmYp0ZknYp2(Zks+3Zkg)Yp0]-1ZknZkmI·ka1---(9)]]>
将式(9)代入(8)，得到
I·ka1={Zks-ZkmYp2ZknYp0×[I+ZksYp2ZkmYp0ZknYp2(Zks+3Zkg)Yp0]-1ZknZkm}-1U·ka1---(10)]]>
因此可得横向故障的综合导纳模块
Yf={Zks-ZkmYp2ZknYp0×[I+ZksYp2ZkmYp0ZknYp2(Zks+3Zkg)Yp0]-1ZknZkm}-1---(11)]]>
在电力系统混合仿真的横向故障计算中，将Y_f合并进入电网正序网的导纳模块Y中。
上述的纵向故障模型，包括断线等。纵向故障模型增加的故障支路可由三相阻抗接入故障线路来描述：正常情况下，故障支路阻抗值为一个很小的值，而三相阻抗设置不同的值可以组合出不同的纵向故障或扰动。多端口故障子网络一共有r个，即故障子网络1，故障子网络2，……，故障子网络r，如图3所示。
根据三相电压和三相电流关系，可得r个故障子网络的相量模块关系式：
ΔU·kaΔU·kbΔU·kc=Zka000Zkb000ZkcI·kaI·kbI·kc---(12)]]>
式(12)中，Z_ka、Z_kb、Z_kc分别为A相、B相、C相接入故障端口 的阻抗模块向量，即分别为A相、B相、C相故障端口阻抗两端的电压相量的模块向量，即ΔU·ka=ΔU·ka1ΔU·ka2......ΔU·karT,ΔU·kb=ΔU·kb1ΔU·kb2......ΔU·kbrT,]]>ΔU·kc=ΔU·kc1ΔU·kc2......ΔU·kcrT;,]]>分别为流过A相、B相、C相阻抗的电流相量的模块向量，即I·ka=I·ka1I·ka2......I·karT,]]>I·kb=I·kb1I·kb2......I·kbrT,I·kc=I·kc1I·kc2......I·kcrT,]]>下同。
同理，采用序分量法可得，
ΔU·kaΔU·kbΔU·kc=IIIa2aIaa2IΔU·ka1ΔU·ka2ΔU·ka0---(13)]]>
I·kaI·kbI·kc=IIIa2aIaa2II·ka1I·ka2I·ka0---(14)]]>
其中分别为A相故障端口阻抗两端电压的正序分量、负序分量和零序分量的相量模块，即ΔU·ka1=ΔU·ka1-1ΔU·ka2-1......ΔU·kat-1T,]]>ΔU·ka2=ΔU·ka1-2ΔU·ka2-2......ΔU·kat-2T,]]>ΔU·ka0=ΔU·ka1-0ΔU·ka2-0......ΔU·kat-0T;]]>分别为流过A相阻抗的电流正序分量、负序分量和零序分量的相量模块，即I·ka1=I·ka1-1I·ka2-1......I·kat-1T,I·ka2=I·ka1-2I·ka2-2......I·kat-2T,]]>I·ka0=I·ka1-0I·ka2-0......I·kat-0T.]]>下同。
将式(13)和(14)代入式(12)，整理后得到
ΔU·ka1ΔU·ka2ΔU·ka0=ZksZkmZknZknZksZkmZkmZknZksI·ka1I·ka2I·ka0---(15)]]>
式(15)的模块元素如下式
Zkm=13(Zka+Zkb+Zkc)Zkn=13(Zka+a2Zkb+aZkc)Zks=13(Zka+aZkb+a2Zkc)---(16)]]>
其中Z_km、Z_kn、Z_ks均为对角元素，维数等于故障重数(即r个故障子网络)。
在故障端口，电网侧负序网和零序网的故障支路电流与故障支路电压关系为
I·ka2=-Yp2ΔU·ka2---(17)]]>
I·ka0=-Yp0ΔU·ka0---(18)]]>
其中Y_p2和Y_p0分别为正常子网络的负序导纳模块和零序导纳模块。
联立式(15)-(18)，推导得到
ΔU·ka2ΔU·ka0=[I+ZksYp2ZkmYp0ZknYp2ZksYp0]-1ZknZkmI·ka1---(19)]]>
Yf={Zks-ZkmYp2ZknYp0×[I+ZksYp2ZkmYp0ZknYp2ZksYp0]-1ZknZkm}-1---(20)]]>
在电力系统混合仿真的纵向故障计算中，将Y_f合并进入电网正序网导纳模块Y中。
虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。