CN102521017B - 一种三相自耦变压器参数仿真方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三相自耦变压器参数仿真方法及其系统，通过对PSCAD仿真软件中的普通单相三绕组变压器模型的高中压侧进行一定的连接，形成三相三绕组自耦变压器模型；然后对实际电网中的变压器参数进行换算，再输入自建的三相三绕组自耦变压器模型中，即可进行500kV自耦变压器三相参数不对称的电磁暂态仿真。因此可对变压器高中低压侧的电压和电流进行分析，同时可以判断因三相参数不对称对500kV自耦变压器继电保护的影响，进行继电保护模拟控制。本发明提供了用不具有直接电连接的自耦变压器模型来研究自耦变压器三相不对称问题的方法，能够获得三相参数不对称对变压器电气特性以及继电保护的影响，具有很高的实用价值。

Description

一种三相自耦变压器参数仿真方法及其系统

技术领域

本发明涉及电力系统自耦变压器的仿真技术领域，尤其涉及一种三相自耦变压器参数仿真方法，以及一种三相自耦变压器参数仿真系统。

背景技术

自耦变压器具有成本低、运行效率高和励磁功率低等优点，广泛应用于220kV及以上电压等级的电网中。500kV自耦变压器重量和体积很大，出于运输等方面的考虑，多采用单相变压器组的型式。500kV自耦变压器的标准连接组通常是以YN,a0,d11的连接方式连接，即由三个单相三绕组自耦变压器通过连接方式组合而成，高压侧和中压侧绕组采用星型接线方式，中性点接地，低压侧绕组采用三角型接线。

现有的电磁暂态仿真软件PSCAD的元件库中提供了单相及三相自耦变压器的模型，但是其三相自耦变压器模型无法分相设置各相参数且是双绕组模型，其单相自耦变压器模型也是双绕组模型，且现有的自耦变压器模型均未模拟高低压绕组间的电气联系。因此PSCAD仿真软件提供的变压器模型无法模拟500kV自耦变压器三相不对称问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种能够方便地模拟500kV自耦变压器的三相自耦变压器参数仿真方法。

一种三相自耦变压器参数仿真方法，包括：读取PSCAD仿真软件中的单相三绕组变压器经典模型；将所述单相三绕组变压器模型的两个绕组首尾相接获得单相三绕组自耦变压器模型，并将三个所述单相三绕组自耦变压器模型按照接线组别连接成三相三绕组自耦变压器模型；对组成电网自耦变压器的单相三绕组变压器的额定电压和短路电抗进行参数转换，并将转换后的额定电压和短路电抗输入所述三相三绕组自耦变压器模型；设置所述三相三绕组自耦变压器模型的各相参数和饱和特性，获取所述三相三绕组自耦变压器模型各侧的电压，电流，以及继电保护参数，其中，对组成电网自耦变压器的单相三绕组变压器的额定电压和短路电抗进行参数转换的步骤包括：

根据以下公式转换所述单相三绕组变压器的额定电压：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_I=V_H-V_L\\ V_{\mathrm{II}}=V_L\\ V_{\mathrm{III}}=V_T\end{array}\right.$

其中，V_Ι、V_ΙΙ和V_ΙΙΙ分别为输入所述三相三绕组自耦变压器模型的串联绕组电压、公共绕组电压和低压绕组电压；

V_H、V_L和V_T分别为所述单相三绕组变压器的高压绕组电压、中压绕组电压和低压绕组电压；

并且，根据以下公式转换所述单相三绕组变压器的短路电抗：

${X^{*}}_{I,\mathrm{II}}=X_{\mathrm{HL}}\·{\left(\frac{V_H}{V_H-V_L}\right)}^2$

X^* _ΙΙ,ΙΙΙ＝X_LT

${X^{*}}_{I,\mathrm{III}}=X_{\mathrm{HL}}\·\frac{V_H{V}_L}{{(V_H-V_L)}^2}+X_{\mathrm{HT}}\·\frac{V_H}{V_H-V_L}-X_{\mathrm{LT}}\·\frac{V_T}{V_H-V_L}$

其中，X^* _Ι,ΙΙ、X^* _ΙΙ,ΙΙΙ和X^* _Ι,ΙΙΙ分别为输入所述三相三绕组自耦变压器模型的串联绕组和公共绕组短路电抗标幺值、公共绕组和低压绕组短路电抗标幺值，以及串联绕组和低压绕组短路电抗标幺值；

X_HL、X_HT和X_LT分别为所述单相三绕组变压器的高中压绕组短路电抗标幺值、高低压绕组短路电抗标幺值和中低压绕组短路电抗标幺值。

本发明要解决的技术问题还在于提供一种能够方便地模拟500kV自耦变压器的三相自耦变压器参数仿真系统。

一种三相自耦变压器参数仿真系统，包括：数据读取模块、模型拼接模块、参数转换模块和数据模拟模块。所述数据读取模块用于读取PSCAD仿真软件中的单相三绕组变压器经典模型；

所述模型拼接模块用于将所述单相三绕组变压器模型的两个绕组首尾相接获得单相三绕组自耦变压器模型，并将三个所述单相三绕组自耦变压器模型按照接线组别连接成三相三绕组自耦变压器模型；

所述参数转换模块用于对组成电网自耦变压器的单相三绕组变压器的额定电压和短路电抗进行参数转换，并将转换后的额定电压和短路电抗输入所述三相三绕组自耦变压器模型；其中，根据以下公式转换所述单相三绕组变压器的额定电压：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_I=V_H-V_L\\ V_{\mathrm{II}}=V_L\\ V_{\mathrm{III}}=V_T\end{array}\right.$

其中，V_Ι、V_ΙΙ和V_ΙΙΙ分别为输入所述三相三绕组自耦变压器模型的串联绕组电压、公共绕组电压和低压绕组电压；V_H、V_L和V_T分别为所述单相三绕组变压器的高压绕组电压、中压绕组电压和低压绕组电压；

并且，根据以下公式转换所述单相三绕组变压器的短路电抗：

${X^{*}}_{I,\mathrm{II}}=X_{\mathrm{HL}}\·{\left(\frac{V_H}{V_H-V_L}\right)}^2$

X^* _ΙΙ,ΙΙΙ＝X_LT

${X^{*}}_{I,\mathrm{III}}=X_{\mathrm{HL}}\·\frac{V_H{V}_L}{{(V_H-V_L)}^2}+X_{\mathrm{HT}}\·\frac{V_H}{V_H-V_L}-X_{\mathrm{LT}}\·\frac{V_T}{V_H-V_L}$

其中，X^* _Ι,ΙΙ、X^* _ΙΙ,ΙΙΙ和X^* _Ι,ΙΙΙ分别为输入所述三相三绕组自耦变压器模型的串联绕组和公共绕组短路电抗标幺值、公共绕组和低压绕组短路电抗标幺值，以及串联绕组和低压绕组短路电抗标幺值；X_HL、X_HT和X_LT分别为所述单相三绕组变压器的高中压绕组短路电抗标幺值、高低压绕组短路电抗标幺值和中低压绕组短路电抗标幺值；

所述数据模拟模块用于设置所述三相三绕组自耦变压器模型的各相参数和饱和特性，获取所述三相三绕组自耦变压器模型各侧的电压，电流，以及继电保护参数。

与现有技术相比较，本发明的三相自耦变压器参数仿真方法及其系统，通过对PSCAD仿真软件中的普通单相三绕组变压器模型的高中压侧进行一定的连接，形成三绕组自耦变压器模型；然后对实际电网中的变压器参数进行换算，再输入自建的自耦变压器模型中，即可进行500kV自耦变压器三相参数不对称的电磁暂态仿真。因此可对变压器高中低压侧的电压和电流进行分析，同时还可以判断因三相参数不对称对500kV自耦变压器继电保护的影响，进行继电保护模拟控制。本发明提供了运用不具有直接电连接的自耦变压器模型来研究自耦变压器三相不对称问题的方法，能够获得三相参数不对称对变压器电气特性以及继电保护的影响，具有很高的实用价值。

所述三相三绕组自耦变压器模型各侧的电压包括相电压、线电压和零序电压。

所述三相三绕组自耦变压器模型各侧的电流包括相电流、线电流以及零序电流。

所述三相三绕组自耦变压器模型各侧的继电保护参数包括主保护参数和后备保护参数，其中，所述主保护参数包括稳态比率差动保护、零序比率差动保护和瓦斯保护的参数，所述后备保护参数包括阻抗保护、过流保护、过负荷保护、零序电流保护、过负荷的参数。

可进一步根据所述三相三绕组自耦变压器模型各侧的电压，电流，以及继电保护参数，对实际的电网自耦变压器进行继电保护控制。

附图说明

图1是本发明三相自耦变压器参数仿真方法的流程示意图；

图2是本发明三相自耦变压器参数仿真方法建立的三绕组自耦变压器模型原理示意图；

图3是本发明一个实施例中将PSCAD仿真软件中读取的单相三绕组变压器模型组合成三绕组自耦变压器模型的示意图；

图4是本发明的三相自耦变压器参数仿真系统的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1，图1是本发明三相自耦变压器参数仿真方法的流程示意图。

所述三相自耦变压器参数仿真方法包括以下步骤：

S1，读取PSCAD仿真软件中的单相三绕组变压器模型；

在本步骤中，从PSCAD仿真软件中读取经典法中的普通三绕组变压器模型。

S2，将所述单相三绕组变压器模型的两个绕组首尾相接获得单相三绕组自耦变压器模型，并将三个所述单相三绕组自耦变压器模型按照接线组别连接成三相三绕组自耦变压器模型；

首先，根据自耦变压器中串联绕组与公共绕组在电气上具有直接电的联系，将变压器经典模型中的普通单相三绕组变压器模型中的2个绕组首尾相接，形成自耦变压器模型的高压绕组和中压绕组，模拟自耦变压器模型。如图2所示，图2中第1、2、3绕组分别模拟串联绕组、公共绕组及低压绕组。再进一步按照自耦变压器各侧接线组别，将三个所述自耦变压器模型连接而成三相三绕组自耦变压器模型。具体地，可以YN,a0,d11的连接方式连接三个所述自耦变压器模型形成所述三相三绕组自耦变压器模型。

S3，对组成电网自耦变压器的单相三绕组变压器的额定电压和短路电抗进行参数转换，并将转换后的额定电压和短路电抗输入所述三相三绕组自耦变压器模型；

在本步骤中，首先获取实际电网中组成电网自耦变压器的单相三绕组变压器的额定电压和短路电抗。

根据所述单相三绕组变压器的高压侧和中压测的额定电压进行参数转换，低压侧不需要转换，然后将三个绕组对应的额定电压输入所述三相三绕组自耦变压器模型中。

优选地，根据以下公式转换所述单相三绕组变压器的额定电压：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_I=V_H-V_L\\ V_{\mathrm{II}}=V_L\\ V_{\mathrm{III}}=V_T\end{array}\right.$

其中，V_Ι、V_ΙΙ和V_ΙΙΙ分别为输入所述三相三绕组自耦变压器模型的串联绕组电压、公共绕组电压和低压绕组电压；

V_H、V_L和V_T分别为所述单相三绕组变压器的高压绕组电压、中压绕组电压和低压绕组电压。

再根据给定的所述单相三绕组变压器的每两个绕组之间的短路电抗标幺值，通过参数转换，计算出自建的三相三绕组自耦变压器模型中每两个绕组之间的短路电抗标幺值，然后将每两绕组相对应的短路电抗标幺值输入所述三相三绕组自耦变压器模型中。

优选地，根据以下公式转换所述单相三绕组变压器的短路电抗：

${X^{*}}_{I,\mathrm{II}}=X_{\mathrm{HL}}\·{\left(\frac{V_H}{V_H-V_L}\right)}^2$

X^* _ΙΙ,ΙΙΙ＝X_LT

${X^{*}}_{I,\mathrm{III}}=X_{\mathrm{HL}}\·\frac{V_H{V}_L}{{(V_H-V_L)}^2}+X_{\mathrm{HT}}\·\frac{V_H}{V_H-V_L}-X_{\mathrm{LT}}\·\frac{V_T}{V_H-V_L}$

其中，X^* _Ι,ΙΙ、X^* _ΙΙ,ΙΙΙ和X^* _Ι,ΙΙΙ分别为输入所述三相三绕组自耦变压器模型的串联绕组和公共绕组短路电抗标幺值、公共绕组和低压绕组短路电抗标幺值，以及串联绕组和低压绕组短路电抗标幺值；

X_HL、X_HT和X_LT分别为所述单相三绕组变压器的高中压绕组短路电抗标幺值、高低压绕组短路电抗标幺值和中低压绕组短路电抗标幺值。

S4，设置所述三相三绕组自耦变压器模型的各相参数和饱和特性，获取所述三相三绕组自耦变压器模型各侧的电压、电流，以及继电保护参数。

将步骤S3中获得电压和短路电抗输入所述三相三绕组自耦变压器模型之后，通过模拟仿真技术设置所述三相三绕组自耦变压器模型的各相参数和饱和特性，可分别获取所述三相三绕组自耦变压器模型各侧的电压、电流，以及继电保护参数。

其中，所述三相三绕组自耦变压器模型各侧的电压包括：相电压、线电压和零序电压；所述三相三绕组自耦变压器模型各侧的电流包括：相电流、线电流以及零序电流；

所述三相三绕组自耦变压器模型各侧的继电保护参数包括：主保护参数和后备保护参数，其中，所述主保护参数包括稳态比率差动保护、零序比率差动保护和瓦斯保护的参数，所述后备保护参数包括阻抗保护、过流保护、过负荷保护、零序电流保护、过负荷的参数。

进一步地，在获取上述电压，电流，以及继电保护参数之后，可根据所述三相三绕组自耦变压器模型各侧的电压，电流，以及继电保护参数，对电网自耦变压器进行继电保护控制。以使电网自耦变压器的继电保护更加全面。

以下结合具体的实例对本发明的三相自耦变压器参数仿真方法做进一步的说明：

首先从PSCAD仿真软件中读取单相三绕组变压器模型；

然后将所述单相三绕组变压器的绕组1和绕组2按照图2所示的方式首尾直接相连，得到单相自耦变压器模型；

以同样的方法制作另外两台单相自耦变压器模型，并将这三台单相自耦变压器模型按照YN,ao,d11接线方式进行连接，构成三相自耦变压器，如图3所示。

接下来进行参数转换，由于本发明是以单相三绕组变压器为基础，在应用的过程中需要将自耦变压器的参数转换成相应的普通单相三绕组变压器的参数，转换步骤如下：

1.根据下式将自耦变压器高压，中压和低压侧电压值转换成普通三绕组变压器绕组的电压。

$\left\{\begin{array}{c}{V}_I=V_H-V_L\\ V_{\mathrm{II}}=V_L\\ V_{\mathrm{III}}=V_T\end{array}\right.$

2.根据式 (p.u.)求出绕组I和II之间的电抗；

3.根据式X^* _ΙΙ,ΙΙΙ＝X_LT(p.u.)求出绕组II和III之间的电抗；

4.根据式 ${X^{*}}_{I,\mathrm{III}}=X_{\mathrm{HL}}\·\frac{V_H{V}_L}{{(V_H-V_L)}^2}+X_{\mathrm{HT}}\·\frac{V_H}{V_H-V_L}-X_{\mathrm{LT}}\·\frac{V_T}{V_H-V_L}$  (p.u.)求出绕组I和III之间的电抗。

以某500kV变电站1#主变数据为例，自耦变压器参数与普通三绕组变压器参数转换如下：

转换前的原始数据

转换后的数据

最后，将获得的电压和短路电抗输入所述三相三绕组自耦变压器模型之后，通过模拟仿真技术设置所述三相三绕组自耦变压器模型的各相参数和饱和特性，可分别获取所述三相三绕组自耦变压器模型各侧的电压、电流，以及继电保护参数。包括：相电压、线电压和零序电压；相电流、线电流以及零序电流；稳态比率差动保护、零序比率差动保护和瓦斯保护的参数，以及阻抗保护、过流保护、过负荷保护、零序电流保护、过负荷的参数。

在获取上述参数之后，可进行上述各种参数的影响分析，也可根据所述三相三绕组自耦变压器模型各侧的电压，电流，以及继电保护参数，对电网自耦变压器进行继电保护控制。

请参阅图4，图4是本发明的三相自耦变压器参数仿真系统的结构示意图。

所述三相自耦变压器参数仿真系统，包括：

数据读取模块11，用于读取PSCAD仿真软件中的单相三绕组变压器模型；

模型拼接模块12，用于将所述单相三绕组变压器模型的两个绕组首尾相接获得单相三绕组自耦变压器模型，并将三个所述单相三绕组自耦变压器模型按照接线组别连接成三相三绕组自耦变压器模型；

参数转换模块13，用于对组成电网自耦变压器的单相三绕组变压器的额定电压和短路电抗进行参数转换，并将转换后的额定电压和短路电抗输入所述三相三绕组自耦变压器模型；

数据模拟模块14，用于设置所述三相三绕组自耦变压器模型的各相参数和饱和特性，获取所述三相三绕组自耦变压器模型各侧的电压，电流，以及继电保护参数。

作为一种优选实施方式，所述三相自耦变压器参数仿真系统还包括继电保护模块，用于根据所述三相三绕组自耦变压器模型各侧的电压，电流，以及继电保护参数，对电网自耦变压器进行继电保护控制。

本发明的三相自耦变压器参数仿真方法及其系统还具有以下优点：

1.解决了已有的变压器模型无法分相设置参数和饱和特性的问题，能够用自建模型模拟500kV自耦变压器三相参数不对称问题。

2.建立了自耦变压器高、中压绕组间的电气联系，不仅能够模拟500kV自耦变压器三相参数不对称对外部各种类型故障的影响，而且能够模拟三相参数不对称对变压器内部的各种故障的影响。

3.对500kV自耦变压器高中低压侧的电压和电流形成了模块，能够很好地分析因三相参数不对称对各侧电压和电流的影响分析，电压和电流的波形以及幅值非常直观。

4.关于自耦变压器三相参数不对称对变压器继电保护的影响已经形成了继电保护模块，能够很好的分析因三相参数不对称对变压器继电保护的影响。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种三相自耦变压器参数仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

读取PSCAD仿真软件中的单相三绕组变压器经典模型；

将所述单相三绕组变压器模型的两个绕组首尾相接获得单相三绕组自耦变压器模型，并将三个所述单相三绕组自耦变压器模型按照接线组别连接成三相三绕组自耦变压器模型；

对组成电网自耦变压器的单相三绕组变压器的额定电压和短路电抗进行参数转换，并将转换后的额定电压和短路电抗输入所述三相三绕组自耦变压器模型；

设置所述三相三绕组自耦变压器模型的各相参数和饱和特性，获取所述三相三绕组自耦变压器模型各侧的电压，电流，以及继电保护参数；

对组成电网自耦变压器的单相三绕组变压器的额定电压和短路电抗进行参数转换的步骤包括：

根据以下公式转换所述单相三绕组变压器的额定电压：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_I=V_H-V_L\\ V_{\mathrm{II}}=V_L\\ V_{\mathrm{III}}=V_T\end{array}\right.$

其中，V_Ι、V_ΙΙ和V_ΙΙΙ分别为输入所述三相三绕组自耦变压器模型的串联绕组电压、公共绕组电压和低压绕组电压；

V_H、V_L和V_T分别为所述单相三绕组变压器的高压绕组电压、中压绕组电压和低压绕组电压；

并且，根据以下公式转换所述单相三绕组变压器的短路电抗：

${X^{*}}_{I,\mathrm{II}}=X_{\mathrm{HL}}\·{\left(\frac{V_H}{V_H-V_L}\right)}^2$

X^* _ΙΙ,ΙΙΙ＝X_LT

${X^{*}}_{I,\mathrm{III}}=X_{\mathrm{HL}}\·\frac{V_H{V}_L}{{(V_H-V_L)}^2}+X_{\mathrm{HT}}\·\frac{V_h}{V_H-V_L}-X_{\mathrm{LT}}\·\frac{V_L}{V_H-V_L}$

其中，X^* _Ι,ΙΙ、X^* _ΙΙ,ΙΙΙ和X^* _Ι,ΙΙΙ分别为输入所述三相三绕组自耦变压器模型的串联绕组和公共绕组短路电抗标幺值、公共绕组和低压绕组短路电抗标幺值，以及串联绕组和低压绕组短路电抗标幺值；

X_HL、X_HT和X_LT分别为所述单相三绕组变压器的高中压绕组短路电抗标幺值、高低压绕组短路电抗标幺值和中低压绕组短路电抗标幺值。

2.如权利要求1所述的三相自耦变压器参数仿真方法，其特征在于，所述三相三绕组自耦变压器模型各侧的电压包括：相电压、线电压和零序电压；所述三相三绕组自耦变压器模型各侧的电流包括：相电流、线电流以及零序电流；

所述三相三绕组自耦变压器模型各侧的继电保护参数包括：主保护参数和后备保护参数，其中，所述主保护参数包括稳态比率差动保护、零序比率差动保护和瓦斯保护的参数，所述后备保护参数包括阻抗保护、过流保护、过负荷保护、零序电流保护、过负荷的参数。

3.如权利要求1至2中任意一项所述的三相自耦变压器参数仿真方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：

根据所述三相三绕组自耦变压器模型各侧的电压，电流，以及继电保护参数，对电网自耦变压器进行继电保护控制。

4.一种三相自耦变压器参数仿真系统，其特征在于，包括：

数据读取模块，用于读取PSCAD仿真软件中的单相三绕组变压器经典模型；

模型拼接模块，用于将所述单相三绕组变压器模型的两个绕组首尾相接获得单相三绕组自耦变压器模型，并将三个所述单相三绕组自耦变压器模型按照接线组别连接成三相三绕组自耦变压器模型；

参数转换模块，用于对组成电网自耦变压器的单相三绕组变压器的额定电压和短路电抗进行参数转换，并将转换后的额定电压和短路电抗输入所述三相三绕组自耦变压器模型；

其中，根据以下公式转换所述单相三绕组变压器的额定电压：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_I=V_H-V_L\\ V_{\mathrm{II}}=V_L\\ V_{\mathrm{III}}=V_T\end{array}\right.$

其中，V_Ι、V_ΙΙ和V_ΙΙΙ分别为输入所述三相三绕组自耦变压器模型的串联绕组电压、公共绕组电压和低压绕组电压；

V_H、V_L和V_T分别为所述单相三绕组变压器的高压绕组电压、中压绕组电压和低压绕组电压；

并且，根据以下公式转换所述单相三绕组变压器的短路电抗：

${X^{*}}_{I,\mathrm{II}}=X_{\mathrm{HL}}\·{\left(\frac{V_H}{V_H-V_L}\right)}^2$

X^* _ΙΙ,ΙΙΙ＝X_LT

${X^{*}}_{I,\mathrm{III}}=X_{\mathrm{HL}}\·\frac{V_H{V}_L}{{(V_H-V_L)}^2}+X_{\mathrm{HT}}\·\frac{V_H}{V_H-V_L}-X_{\mathrm{LT}}\·\frac{V_L}{V_H-V_L}$

其中，X^* _Ι,ΙΙ、X^* _ΙΙ,ΙΙΙ和X^* _Ι,ΙΙΙ分别为输入所述三相三绕组自耦变压器模型的串联绕组和公共绕组短路电抗标幺值、公共绕组和低压绕组短路电抗标幺值，以及串联绕组和低压绕组短路电抗标幺值；

X_HL、X_HT和X_LT分别为所述单相三绕组变压器的高中压绕组短路电抗标幺值、高低压绕组短路电抗标幺值和中低压绕组短路电抗标幺值；

数据模拟模块，用于设置所述三相三绕组自耦变压器模型的各相参数和饱和特性，获取所述三相三绕组自耦变压器模型各侧的电压，电流，以及继电保护参数。

5.如权利要求4所述的三相自耦变压器参数仿真系统，其特征在于，进一步包括继电保护模块，所述继电保护模块用于根据所述三相三绕组自耦变压器模型各侧的电压，电流，以及继电保护参数，对电网自耦变压器进行继电保护控制。