CN101719695B - 一种特高压线路稳态过电压装置需求判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无损传输线理论的特高压线路稳态过电压装置需求判别方法，依据无损传输线理论仅需已知导线分布参数即可分析线路上任意两点间电压、电流关系的特点，分析电力系统带特高压空线运行时沿线电压分布情况，综合考虑特高压导线参数、长度、高抗配置，判断特高压线路是否存在稳态过电压问题，是否需要配置稳态过电压装置。采用本发明的判别方法克服了现有判断方法完全依赖电力系统模拟软件进行大量繁琐仿真的问题，具有适应性强，使用简单，计算量小的特点，可以应用于特高压稳态过电压装置需求的快速判别。

Description

一种特高压线路稳态过电压装置需求判别方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，具体涉及一种基于无损传输线理论的特高压线路稳态过电压装置需求判别方法。

背景技术

特高压交流线路具有送电距离远、充电功率大的特点。由开关偷跳或特高压解列装置动作引起任意一个特高压设备开关三相跳闸时，将出现系统带特高压空线运行的情况，特高压沿线电压会大幅增加，综合考虑线路充电电容以及高抗配置，线路电压最高点并不在线路末端，而是在距离末端一定距离的某点，在这点特高压的充电功率和特高压变压器第三绕组容性无功涌向两侧的500kV系统，可能造成两侧系统电压大幅上升，对设备和事故后处理和恢复均产生不利影响。因此，特高压线路解列后，特高压沿线电压虽然满足暂态过电压的要求，但可能超过允许的长期运行最高电压1100kV，系统500kV侧电压可能逼近或超过设备允许的最高电压550kV，必须研究抑制电压偏高的解决措施。

目前特高压电网尚处于发展初期，对特高压线路是否需要配置稳态过电压装置问题，完全依赖于采用电力系统模拟软件对大量不同工况下特高压空充线路沿线电压分布情况进行仿真模拟，进而判断是否存在稳态过电压问题，工作量巨大且非常繁琐；同时对研究工况采用枚举法不可避免地将存在漏判、误判的情况。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于无损传输线理论的特高压线路稳态过电压装置需求判别方法，提出利用无损传输线理论分析电力系统带特高压空线运行时沿线电压分布情况，综合考虑特高压导线参数、长度、高抗配置，判断特高压线路是否存在稳态过电压问题，是否需要配置稳态过电压装置，具有适应性强，使用简单，计算量小的特点，可以应用于特高压稳态过电压装置需求的快速判别。

为实现上述目的，本发明提供了一种特高压线路稳态过电压装置需求判别方法，所述方法采用无损传输线理论分析电力系统带特高压空线运行时沿线电压分布情况，综合考虑特高压导线参数、长度、高抗配置，判断特高压线路是否存在稳态过电压问题，是否需要配置稳态过电压装置，具体包括如下步骤：

步骤A：建立包含待求特高压线路在内的电网数据模型，采用潮流计算电网的初始运行工况，得到母线电压、功角以及线路功率等基础条件；然后采用数值积分方法计算特高压线路一端开关偷跳或解列装置动作引起任一个特高压设备开关三相跳闸时，特高压线路合空侧1000kV母线稳态电压恢复值U；

步骤B：假设合空侧特高压母线电压为U，利用特高压导线单位长度的线路感抗L₀和充电电容C₀计算得到传播常数β和波阻抗Z_c，空充线路末端高抗容量用其导纳值Y_end表示；利用上述参数计算得到特高压线路的极限长度，满足在此极限长度特高压线路空充时，沿线电压不超过稳态电压极限值1100kV；

步骤C：重复所述步骤A和步骤B，采用不同的合空侧特高压母线稳态恢复电压值U得到对应的一组特高压线路极限长度，作为是否存在稳态过电压问题的判断依据；

步骤D：判断实际电网中特高压线路是否存在稳态过电压问题；

采用数值积分法计算得到电力系统此线路空充时的合空侧电压，并对照所述步骤C得到的同一特高压线路的合空侧母线稳态恢复电压值U对应的特高压线路极限长度，若此特高压线路的实际线路长度超过所述极限长度，则此特高压线路存在稳态过电压问题，必须配置稳态过电压装置。

本发明的一个优选技术方案为：所述一种特高压线路稳态过电压装置需求判别方法，其特征在于，在所述步骤B中的特高压线路极限长度的推导公式如下：

$l_{\mathrm{AB}}=\frac{2\arctan \left(\frac{\sqrt{U_B^2\·Y_{\mathrm{end}}^2\·Z_C^2-U_A^2+U_B^2}\text{+}{U}_B\·Y_{\mathrm{end}}\·Z_C}{U_A+U_B}\right)}{\mathrm{\β}}$

其中特高压线路AB，在B点短路后断开B点的断路器，但是B点所接高抗仍连接在线路的B端，未与长线路断开，则此线路由于充电功率和高抗的同时存在，会造成线路中间某点C的电压最高。

本发明的另一个优选技术方案为：所述一种特高压线路稳态过压装置需求判别方法，其特征在于，所述步骤A中的电网数据模型包括电网结构，线路、变压器、发电机、负荷以及其他相关元件的模型和参数。

本发明的有益效果：本发明特高压线路稳态过电压装置需求判别方法克服了目前在特高压线路稳态过电压问题研究中，完全依赖于采用电力系统模拟软件对大量不同工况下特高压空充线路沿线电压分布情况进行仿真模拟，进而判断是否存在稳态过电压问题，工作量巨大且非常繁琐的问题。提出的基于无损传输线理论的特高压线路稳态过电压装置需求判别方法，适应性强，使用简单，计算量小，可以应用于特高压稳态过电压装置需求的快速判别。

附图说明

图1为本发明方法采用的简单特高压线路系统结构图；

图2为本发明方法采用二端口的特高压线路系统结构图；

图3为本发明实施例中计算得到的特高压线路一侧开关打开时沿线电压分布图；

图4为本发明实施例中特高压长南线南阳侧开关打开时沿线电压分布图；

图5为本发明特高压线路稳态过电压装置需求判别方法的流程图。

具体实施方式

如图5所示，本发明特高压线路稳态过电压装置需求判别方法的步骤如下：

步骤A：建立包含待求特高压线路在内的电网数据模型，该电网数据模型包括电网结构，线路、变压器、发电机、负荷以及其他相关元件的模型和参数。通过采用牛顿-拉夫逊法计算电网的初始运行工况，得到母线电压、功角以及线路功率等基础条件；然后采用数值积分方法计算特高压线路一端开关偷跳或解列装置动作引起任一个特高压设备开关三相跳闸时，特高压线路合空侧1000kV母线稳态电压恢复值U；

步骤B：假设合空侧特高压母线电压为上述步骤得出的母线稳态电压恢复值U，利用特高压导线单位长度的线路感抗L₀和充电电容C₀计算得到传播常数β和波阻抗Z_c，空充线路末端高抗容量用其导纳值Y_end表示；利用上述参数计算得到特高压线路的极限长度，满足在此极限长度特高压线路空充时，沿线电压不超过稳态电压极限值1100kV；

步骤C：重复步骤A和步骤B，采用不同的合空侧特高压母线稳态恢复电压值U得到对应的一组特高压线路极限长度，此组特高压极限长度作为是否存在稳态过电压问题的判断依据；例如：分别取合空侧特高压母线稳态恢复电压值U为1050kV和1060kV进行步骤A和步骤B的计算，分别得到与合空侧特高压母线稳态恢复电压值U为1050kV和1060kV对应的两个特高压线路极限长度，作为判断存在稳态过电压的依据。上述不同的合空侧特高压母线稳态恢复电压值U是在同一条特高压线路上取值。

步骤D：判断实际电网中特高压线路是否存在稳态过电压问题；

采用数值积分法计算得到电力系统此线路空充时的合空侧电压，并对照步骤C得到的同一特高压线路的合空侧母线稳态恢复电压值U对应的特高压线路极限长度，若此特高压线路的实际线路长度超过极限长度，则此特高压线路存在稳态过电压问题，必须配置稳态过电压装置。

本发明特高压线路稳态过电压装置需求判别方法的步骤B中提出的特高压线路极限长度的公式及其推导过程如下：

如图1所示，特高压线路AB，在B点短路后断开B点的断路器，但是B点所接高抗仍连接在线路的B端，未与长线路断开，则此线路由于充电功率和高抗的同时存在，会造成线路中间某点C的电压最高。

对于均匀传输线，线路两端的电压、电流有如下关系：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_1\\ {\stackrel{\·}{I}}_1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\βl}\right)& j{Z}_C\sin \left(\mathrm{\βl}\right)\\ j\frac{1}{Z_C}\sin \left(\mathrm{\βl}\right)& \cos \left(\mathrm{\βl}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_2\\ {\stackrel{\·}{I}}_2\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中

为线路首端的电压、电流，

为线路末端的电压、电流，l为线路长度，β为传播常数，Z_C为波阻抗，可由下面两个公式求得

$\mathrm{\β}=\mathrm{\ω}\sqrt{L_0{C}_0}---\left(2\right)$

$Z_C=\sqrt{\frac{L_0}{C_0}}---\left(3\right)$

其中L₀、C₀分别为单位长度的线路感抗和充电电容。

如图1所示，则

为线路末端B点的电压、电流，

为线路中距离B点l长度的某点的电压、电流。式(1)中β、Z_C可由L₀、C₀求得，设已知为一定值。

的正方向如图2所示。设线路末端高抗的导纳为Y_end，则有如下关系：

${\stackrel{\·}{I}}_2={\stackrel{\·}{U}}_2(-j{Y}_{\mathrm{end}})---\left(4\right)$

将式(4)代入式(1)，则式(1)的第一个方程可化为

${\stackrel{\·}{U}}_1=\cos \left(\mathrm{\βl}\right){\stackrel{\·}{U}}_2+j{\stackrel{\·}{U}}_2\·(-j{Y}_{\mathrm{end}})Z_c\sin \left(\mathrm{\βl}\right)---\left(5\right)$

认为线路是无损耗线，则

相位相同，在长线路中间某点电压最高时，此点电压

和此点到线路末端的长度l之间必有如下关系

$\frac{d{\stackrel{\·}{U}}_1}{\mathrm{dl}}=0---\left(6\right)$

将式(5)代入式(6)，则有

$\frac{d{\stackrel{\·}{U}}_1}{\mathrm{dl}}={\stackrel{\·}{U}}_2[-\mathrm{\β}\sin \left(\mathrm{\βl}\right)+Z_c{Y}_{\mathrm{end}}\mathrm{\β}\cos \left(\mathrm{\βl}\right)]=0---\left(7\right)$

由此推出

$l=\frac{1}{\mathrm{\β}}\arctan \left(Z_c{Y}_{\mathrm{end}}\right)---\left(8\right)$

即在图1的长线路上，距离线路末端长度为l的点电压最高，l的值由式(8)确定。下面计算线路末端B和电压最高点C的电压。设线路首端A点电压、电流为图2中的

线路末端B点电压、电流为图2中的

A点电压已知，则B点电压可由式(5)得到，其中l_AB为线路全长

${\stackrel{\·}{U}}_B=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_A}{\cos \left({\mathrm{\βl}}_{\mathrm{AB}}\right)+Y_{\mathrm{end}}{Z}_c\sin \left({\mathrm{\βl}}_{\mathrm{AB}}\right)}---\left(9\right)$

再设线路电压最高点C点电压、电流为图2中的

线路末端B点电压、电流为图2中的

B点电压已经求出，则C点电压可由式(5)推出，其中l_BC为BC段线路长度，可由式(8)求出

${\stackrel{\·}{U}}_C=\cos \left({\mathrm{\βl}}_{\mathrm{BC}}\right){\stackrel{\·}{U}}_B+{\stackrel{\·}{U}}_B{Y}_{\mathrm{end}}{Z}_c\sin \left({\mathrm{\βl}}_{\mathrm{BC}}\right)---\left(10\right)$

依据目前特高压母线电压控制要求(1000～1100kV)，线路电压最高点C点电压为1100kV，合空侧特高压母线电压为U时，根据公式(8)和公式(5)，即可得到特高压线路极限长度。

由式(8)

$l_{\mathrm{BC}}=\frac{1}{\mathrm{\β}}\arctan \left(Z_c{Y}_{\mathrm{end}}\right)---\left(11\right)$

由式(10)

${\stackrel{\·}{U}}_B=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_C}{\cos \left({\mathrm{\βl}}_{\mathrm{BC}}\right)+Y_{\mathrm{end}}{Z}_c\sin \left({\mathrm{\βl}}_{\mathrm{BC}}\right)}---\left(12\right)$

由式(9)可以解出

$l_{\mathrm{AB}}=\frac{2\arctan \left(\frac{\sqrt{U_B^2\·Y_{\mathrm{end}}^2\·Z_C^2-U_A^2+U_B^2}+U_B\·Y_{\mathrm{end}}\·Z_C}{U_A+U_B}\right)}{\mathrm{\β}}---\left(13\right)$

通过(11)、(12)、(13)三个公式即可得出在给定

及线路末端高抗的情况下，特高压线路的极限长度l_AB。当线路长度为计算所得的极限长度时，得到的特高压电路一侧开关打开时沿线电压分布如图3所示。

以下是本发明在目前电网调度计算数据的基础上，以特高压长治-南阳1000kV线路打开南阳侧开关为例进行高压线路稳态过电压装置需求判别：

1)利用PSD-BPA电力系统分析软件建立电网数据模型，通过牛顿-拉夫逊法仿真计算当特高压长治-南阳1000kV线路打开南阳侧开关后，长治侧1000kV母线稳态恢复电压为1070kV；

2)采用上述公式，可以得到特高压线路末端不带高抗时的极限长度为：

$l=\frac{1}{\mathrm{\β}}\arccos \frac{{\stackrel{\·}{U}}_1}{{\stackrel{\·}{U}}_2}=217.71\mathrm{km}$

其中， $\mathrm{\β}=\mathrm{\ω}\sqrt{L_0{C}_0}=1.075\×{10}^{-3}\mathrm{rad}/\mathrm{km},$ U₁为长治侧稳态电压1070kV，U₂＝1100kV。

考虑到特高压长南线南阳侧配置有720Mvar高抗，即

$Y_{\mathrm{end}}=\frac{Q_b}{U_N^2}=\frac{720}{{1100}^2}{5.9504\×10}^{-4}s$

则由式(11)、(12)、(13)

$l_{\mathrm{BC}}=\frac{1}{\mathrm{\β}}\arctan \left(Z_c{Y}_{\mathrm{end}}\right)=134.35\mathrm{km}$

${\stackrel{\·}{U}}_B=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_C}{\cos \left({\mathrm{\βl}}_{\mathrm{BC}}\right)+Y_{\mathrm{end}}{Z}_c\sin \left({\mathrm{\βl}}_{\mathrm{BC}}\right)}=1088.5\mathrm{kV}$

$l_{\mathrm{AB}}=\frac{2\arctan \left(\frac{\sqrt{U_B^2\·Y_{\mathrm{end}}^2\·Z_C^2-U_A^2+U_B^2}+U_B\·Y_{\mathrm{end}}\·Z_C}{U_A+U_B}\right)}{\mathrm{\β}}=352.06\mathrm{km}$

即特高压线路极限长度为：352.06km。

3)南阳侧开关打开时沿线电压分布如图4所示，特高压长南线实际长度为360公里，在南阳侧开关打开，长治侧带空线时，长治侧母线电压控制在1070kV时，长南线沿线电压将超过1100kV；电网实际运行时，南阳侧开关跳开、长治侧带空线时，长治侧母线电压可能高于1080kV，存在沿线电压超过1100kV的风险，因此长南线必须配置稳态过电压装置，。

以上是为了便于理解本发明而对本发明进行的详细描述，但本领域技术人员可以想到，在不脱离本发明的权利要求所涵盖的范围内还可以做出其它的变化和修改，这些变化和修改均在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种特高压线路稳态过电压装置需求判别方法，其特征在于：所述方法采用无损传输线理论分析电力系统带特高压空线运行时沿线电压分布情况，综合考虑特高压导线参数、长度、高抗配置，判断特高压线路是否存在稳态过电压问题，是否需要配置稳态过电压装置，具体包括如下步骤：

步骤A：建立包含待求特高压线路在内的电网数据模型，采用潮流计算电网的初始运行工况，得到母线电压、功角以及线路功率等基础条件；然后采用数值积分方法计算特高压线路一端开关偷跳或解列装置动作引起任一个特高压设备开关三相跳闸时，1000KV母线的合空侧特高压母线稳态恢复电压值U；

步骤B：假设合空侧特高压母线电压为上述步骤A中得到的合空侧特高压母线稳态恢复电压值U，利用特高压导线单位长度的线路感抗L₀和充电电容C₀计算得到传播常数β和波阻抗Z_c，空充线路末端高抗容量用其导纳值Y_end表示；利用上述参数计算得到特高压线路的极限长度，满足在此极限长度特高压线路空充时，沿线电压不超过稳态电压极限值1100kV，特高压线路极限长度的推导公式如下：

$l_{\mathrm{AB}}=\frac{2\arctan \left(\frac{\sqrt{U_B^2\·Y_{\mathrm{end}}^2\·Z_C^2-U_A^2+U_B^2}+U_B\·Y_{\mathrm{end}}\·Z_C}{U_A+U_B}\right)}{\mathrm{\β}}$

其中特高压线路AB，U_A为AB中A点的电压，U_B为AB中B点的电压，在B点短路后断开B点的断路器，但是B点所接高抗仍连接在线路的B端，未与长线路断开，则此线路由于充电功率和高抗的同时存在，会造成线路中间某点C的电压最高；

步骤C：重复所述步骤A和步骤B，采用不同的合空侧特高压母线稳态恢复电压值U得到对应的一组特高压线路极限长度，作为是否存在稳态过电压问题的判断依据；

步骤D：判断实际电网中特高压线路是否存在稳态过电压问题；

采用数值积分法计算得到电力系统此线路空充时的合空侧电压，并对照所述步骤C得到的同一特高压线路的合空侧特高压母线稳态恢复电压值U对应的特高压线路极限长度，若此特高压线路的实际线路长度超过所述极限长度，则此特高压线路存在稳态过电压问题，必须配置稳态过电压装置。

2.如权利要求1所述的一种特高压线路稳态过压装置需求判别方法，其特征在于：所述步骤A中的电网数据模型包括电网结构，线路、变压器、发电机、负荷以及其他相关元件的模型和参数。

3.如权利要求1所述的一种特高压线路稳态过压装置需求判别方法，其特征在于：所述步骤A中电网的初始运行工况的潮流计算采用牛顿-拉夫逊法。

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