CN101957398A - 一种基于机电与电磁暂态混合仿真技术检测计算电网一次时间常数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电网一次时间常数的检测计算方法。本发明的方法步骤如下：(1)利用国内广泛应用的电力系统分析综合程序(PSASP)，并且根据电网的实际参数及网络拓扑结构进行电网的机电暂态建模；(2)对于需要计算电网一次时间常数的地点，利用实际电网参数在PSASP下进行电磁暂态建模，并在该地点设置接地短路故障；(3)利用机电与电磁暂态混合仿真方法得到电网短路点的短路电流；(4)将短路电流中的工频分量滤除，得到随时间衰减的直流电流分量，并利用数学计算方法求得直流电流分量的衰减时间常数，即为电网的一次时间常数。本发明是一种便于普通技术人员应用的、并且非常简便快捷的计算电网一次时间常数的方法。

Description

一种基于机电与电磁暂态混合仿真技术检测计算电网一次时间常数的方法

技术领域

本发明涉及一种基于机电与电磁暂态混合仿真检测计算电网一次时间常数的方法。

背景技术

在我国当前的电流互感器检测中，根据国家标准GB/T 1208-1997《电流互感器》中的规定，只是针对其稳态误差进行检测，并绘制5％或10％误差曲线。其准确限值应满足以下标准：

随着国民经济的发展和国家对电力系统的大力投入，电力系统正朝着高电压、大电网的方向发展，电网的短路容量迅速增大。因此，在系统故障初始阶段，电流互感器的暂态特性对继电保护装置的影响也发展到了不能忽视的程度。目前，国家电网公司也在积极制定相关行业标准，要求各地方电网公司对电流互感器的暂态特性进行必要的测试工作。

电网一次时间常数的大小对电流互感器暂态特性分析的结果有直接的影响。系统不同地点Tp差异较大，输电线路的Tp＝20～30ms，大型发变组Tp可达200ms以上。因此，准确计算电流互感器安装地点的电网一次时间常数，是电流互感器暂态特性检测的重要前提和基础。

电网一次时间常数(Tp)对保护用电流互感器的影响主要体现在：

电流互感器暂态面积系数Ktd是反应电流互感器抗饱和能力的一个重要参数，对于单次通电循环C-t-O：

$\mathrm{Ktd}=\frac{\mathrm{\ω}{T}_p{T}_s}{T_p-T_s}(e^{-\frac{t}{T_p}}-e^{-\frac{t}{T_s}})+1$

对于两次通电循环C-t′-O-t_fr-C-t″-O：

$K_{\mathrm{td}}=[\frac{\mathrm{\ω}{T}_p{T}_s}{T_p-T_s}(e^{-\frac{t\′}{T_p}}-e^{-\frac{t\′}{T_s}})-\sin \mathrm{\ωt}\′]\×e^{\frac{-(t_{\mathrm{fr}}+t\″)}{T_s}}+\frac{\mathrm{\ω}{T}_p{T}_s}{T_p-T_s}(e^{-\frac{t\″}{T_p}}-e^{-\frac{t\″}{T_s}})+1$

不同的Tp计算出来的电流互感器暂态面积系数Ktd的值不同，而且相差较大。

以实测的一台lgso20型的电流互感器为例：

当Tp＝100ms时，Ktd＝10.1；

当Tp＝60ms时，Ktd＝8.18；

当Tp＝20ms时，Ktd＝4.71；

由此可见，准确计算电网一次时间常数，是电流互感器暂态特性分析的重要前提。

此外，电网一次时间常数(Tp)决定了短路电流非周期分量衰减的快慢。如果发生线路差动保护区外故障，两侧的电流互感器感受到的暂态衰减电流差值如果超过差动保护的定值，将会引起差动保护的误动作。

如附图6(a)、(b)所示为在相同短路电流下，由于不同系统一次时间常数导致的电流互感器饱和特性曲线图。图(a)中T_p＝32.8ms，图(b)中T_p＝200ms，从两图的对比中可以看出，(a)中Tp值较小，电流互感器发生了轻微的饱和，在故障后的5个周期内，电流互感器的饱和现象消失。(b)中Tp值较大，导致电流互感器在故障后的第一个周期即发生了深度饱和。在第10个周期电流互感器的饱和现象仍然存在。此时，检测到的系统短路电流小于系统的实际短路电流，容易导致继电保护装置的拒动。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种便于普通技术人员应用的、并且非常简便快捷的计算电网一次时间常数的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种基于机电与电磁暂态混合仿真技术检测计算电网一次时间常数的方法，采用如下的方法步骤

(一)利用电力系统分析综合程序PSASP根据电网的实际参数及网络拓扑结构建立电网的机电暂态模型。

(二)利用电力系统分析综合程序PSASP，对于需要计算电网一次时间常数的地点，利用实际电网参数建立地区局部电网的电磁暂态模型，并在该需要计算电网一次时间常数的地点设置接地短路故障：在需要计算电网一次时间常数的地点增设故障元件，设置单相短路故障，故障时间选择为单相母线瞬时电压接近零的时刻。故障时间选择为单相母线瞬时电压靠近零的时刻，此时短路电流具有全偏移特性，能够获得最大的非周期分量，有利于提高计算精度。

由于各地电网公司会定期开展电网规划及方式计算工作，因此PSASP的机电暂态模型可通过各地的调度部门直接获得。我们只需对地区局部电网进行电磁暂态模型的建模，模型可以是发电机模型、变压器模型，也可以是线路模型，或者是以上几种模型的任意组合。因此，电磁暂态建模非常简便，降低了我们的工作强度，提高了工作效率，使得获取电网一次时间常数的过程变得非常快捷。

(三)利用PSASP的机电与电磁暂态混合仿真功能进行计算，获得待检测计算电网一次时间常数地点的短路电流瞬时值；

机电暂态与电磁暂态仿真有着本质的区别。电磁暂态仿真建模详细，考虑非线性、分布参数等特征，基于三相瞬时值方式，步长为微秒级；机电暂态仿真简化建模，采用集中参数，系统由基波相量模式描述，步长为毫秒级。单纯的机电暂态仿真不能准确、详细地模拟系统局部快速变化过程，而电磁暂态仿真受速度和规模的限制无法对全系统进行仿真。因此，实现电力系统机电暂态与电磁暂态混合仿真，可开展基于大电网背景的电力系统分析计算，避免由于进行系统等值而造成了计算误差，极大提高了仿真计算的准确性。

(四)将短路电流中的工频分量滤除，得到随时间衰减的直流电流分量，并利用数学计算方法求得直流电流分量的衰减时间常数，即为电网的一次时间常数。

其计算方法如下：

首先，利用滤波方法将计算得到的电网短路电流瞬时值中的周期分量滤除，得到按时间常数衰减的非周期分量，

暂态短路电流包含周期分量和直流衰减分量，如下式

$I\left(t\right)=A*\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\π})+B*e^{-\frac{t}{T_p}}---\left(1\right)$

式中，A*sin(ωt+π)为周期分量，

为非周期分量，Tp为需要求解的电网一次时间常数，

采用半周延时叠加的方法滤除周期分量，具体实现方法为：

假设，①t时刻采样点为U(t)；

②t+T/2时刻采样点为U(t+T/2)，T为周期分量的周期时间，即为20ms。

将t时刻与t+T/2时刻的采样值叠加，得到滤波后的t时刻采样值u(t)＝U(t)+U(t+T/2)，

其次，根据上面计算得到的电网暂态短路电流非周期分量，利用数学计算方法求取式(1)中的Tp值，即为电网一次时间常数，

具体实现方法为：

对

两侧取自然对数，则

$\ln \left(I_2\left(t\right)\right)=\ln B-\frac{t}{T_p}---\left(2\right)$

如(2)式的线性函数，ln(I₂(t))和t的关系成一条直线，直线的斜率即为

根据有效计算数据，计算其斜率并最终得到电网一次时间常数Tp的值。

本发明的有益效果如下：

系统一次时间常数是一个非常重要的参数。本发明根据电力系统工程应用分析的实际需要，提出了一种基于机电与电磁暂态混合仿真技术检测计算电网一次时间常数的方法，增强了工程技术人员对电力系统的分析、掌控能力，是一种技术含量较高并且非常实用得方法。而且本发明方法操作简单易于实施，本行业普通技术人员就可掌握实施。

电网的一次时间常数决定着电网短路电流非周期分量衰减的快慢。差动保护做为各种电力元件(发电机、变压器、输电线路、电动机等)的主保护，已经被广泛应用于各电压等级的电力系统中。若区外发生系统短路故障，当差动保护两侧的电流互感器安装地点的一次时间常数差异较大时，将会导致两侧的电流互感器的暂态特性呈现不同的特征，一次时间常数较大的电流互感器将会率先进入保护状态，从而在差动保护中产生差动电流。差动电流较大时，会引起保护装置的误动作，导致系统故障扩大化。准确计算系统一次时间常数，将会对电流互感器的暂态特性有一个准确的把握，通过继电保护定值的合理整定，可避免保护装置误动作情况的发生。

附图说明

图1为实施例1中利用PSASP仿真工具建立的电磁仿真模型图。

图2为实施例1中D11YG变压器模型#2侧系统短路故障电流波形图。

图3为实施例1所述短路电流非周期分量取自然对数后的波形图。

图4为实施例2中利用PSASP仿真工具建立的电磁仿真模型图。

图5为实施例2中输电线路差动保护两侧获取的短路电流图。

图6(a)为Tp＝32.8ms时，电流互感器饱和特性曲线图。

图6(b)为Tp＝200ms时，电流互感器饱和特性曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1所示为实施例1中利用PSASP仿真工具建立的电磁仿真模型图。电磁模型包括发电机、变压器、输电线路及母线。电磁模型通过ISF_PSASP-62及ISF_PSASP-64两个接口元件与机电仿真模型进行数据交互。在变压器的高压侧母线Bus-12上设置A相接地短路故障。

如图2所示为上述实施例1中变压器高压侧的A相短路电流波形图。利用半周延时叠加算法滤除周期分量，得到如图2中间的曲线所示的非周期分量。

如图3所示为上述短路电流非周期分量取自然对数后的波形图。其中直线部分为有效数值，直线的斜率为

从而得到准确的系统一次时间常数Tp。

实施例2

如图4所示为另一实施例中利用PSASP仿真工具建立的电磁仿真模型图。电磁模型包括发电机、变压器、输电线路、母线及开关。电磁模型通过ISF_PSASP-22接口元件与机电仿真模型进行数据交互。在Bus-2母线上设置A  相接地短路故障。

如图5所示在输电线路两侧开关Breaker-24及Breaker-36所感受到的A相短路电流图。两侧的初始电流相同，但是，两侧的系统一次时间常数不同，Breaker-24侧的Tp值为212ms，而Breaker-36侧的Tp值为39.1ms。Breaker-36侧电流非周期分量衰减较快，1个周波后非周期分量衰减到零；而Breaker-24由于系统一次时间常数较大，非周期分量衰减较慢，经5个周期后衰减到零。差动保护中出现的差动电流如图5中间的曲线所示，在初始几个周期内在继电保护装置中将出现较大的差动电流。差动电流大于继电保护定值时，将会导致继电保护装置误动作。

Claims (1)

1.一种基于机电与电磁暂态混合仿真技术检测计算电网一次时间常数的方法，其特征在于：采用如下的方法步骤

(一)利用电力系统分析综合程序PSASP根据电网的实际参数及网络拓扑结构建立电网的机电暂态模型；

(二)利用电力系统分析综合程序PSASP，对于需要计算电网一次时间常数的地点，利用实际电网参数建立地区局部电网的电磁暂态模型，并在该需要计算电网一次时间常数的地点设置接地短路故障：在需要计算电网一次时间常数的地点增设故障元件，设置单相接地故障，故障时间选择为单相母线瞬时电压接近零的时刻，此时短路电流具有全偏移特性，能够获得最大的非周期分量，有利于提高计算精度，

所述地区局部电网的电磁暂态模型可以是发电机模型、或者是变压器模型，或者是线路模型，或者是以上几种模型的任意组合；

(三)利用PSASP的机电与电磁暂态混合仿真功能，自动计算获得待检测电网一次时间常数地点的短路电流瞬时值；

(四)将短路电流中的工频分量滤除，得到随时间衰减的直流电流分量，并利用数学计算方法求得直流电流分量的衰减时间常数，即为电网的一次时间常数；

计算方法如下：

首先，利用滤波方法将计算得到的电网短路电流瞬时值中的周期分量滤除，得到按时间常数衰减的非周期分量，

暂态短路电流包含周期分量和直流衰减分量，如下式

$I\left(t\right)=A*\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\π})+B*e^{-\frac{t}{T_p}}---\left(1\right)$

式中，A*sin(ωt+π)为周期分量，

为非周期分量，Tp为需要求解的电网一次时间常数，

采用半周延时叠加的方法滤除周期分量，具体实现方法为：

假设，①t时刻采样点为U(t)；

②t+T/2时刻采样点为U(t+T/2)，T为周期分量的周期时间，即为20ms，

将t时刻与t+T/2时刻的采样值叠加，得到滤波后的t时刻采样值u(t)＝U(t)+U(t+T/2)，

其次，根据上面计算得到的电网暂态短路电流非周期分量，利用数学计算方法求取式(1)中的Tp值，即为电网一次时间常数，

具体实现方法为：

对

两侧取自然对数，则

$\ln \left(I_2\left(t\right)\right)=\ln B-\frac{t}{T_p}---\left(2\right)$

如(2)式的线性函数，ln(I₂(t))和t的关系成一条直线，直线的斜率即为

根据有效计算数据，计算其斜率并最终得到电网一次时间常数Tp的值。

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