CN102819646A - 一种线路舞动的电力系统运行模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种线路舞动的电力系统运行模拟方法，将线路舞动事件与电力系统运行放在一个框架内进行分析，通过线路舞动的实测信息计算出线路舞动幅度，然后计算出线路的故障率，再进行电网机电暂态仿真，从而可以获得线路舞动对整个电力系统运行的模拟仿真结果。通过给定外部气象条件、线路参数、输电走廊地理分布等因素，可以仿真计算线路舞动的幅度，并判断线路发生跳闸的概率，根据故障概率随机生成短路故障，再针对短路故障进行机电暂态仿真分析，分析系统稳定性。

Description

一种线路舞动的电力系统运行模拟方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统的线路运行方法，具体是一种存在线路舞动的电力系统运行模拟方法，属于线路运行模拟技术领域。

背景技术

随着电力行业的发展，输电线路遍布各地。在风的激励作用下，架空输电线路的导线存在各种振动形式，特别是导线在覆冰雪改变自重时，容易产生大幅度振荡，称为线路舞动。输电线路的舞动早在上世纪30年代初在美国就有报道，随后在加拿大、前苏联、英国、日本、中国等许多国家和地区均发生过线路舞动。线路舞动在输电线路中不可避免，同时线路舞动带来的危害巨大，不仅会造成短路、断路等故障，严重时甚至威胁电网的安全运行，给我国的电力行业造成巨大的经济损失。线路舞动带来的损失是多方面的，导线舞动严重时，会造成杆塔塔身摇晃，耐张塔横担顺线摆动或者扭曲变形，使导线之间的距离缩短或者碰撞而产生闪络，烧毁导线并引起跳闸。此外，还会造成金具及部件受损，如间隔棒棒爪松动或脱落，线夹船体滑出、螺栓松动、脱落。导线舞动对杆塔、导线、金具及部件的损害，造成线路频繁跳闸与停电，对输电线路安全运行的危害十分重大，而且会造成重大的经济损失和社会影响。

由于线路舞动存在着如上所述的众多危害，现有技术中对线路舞动的研究主要集中在线路舞动机理分析和建模、防舞措施和舞动检测装置这几个方面。线路舞动机理分析和建模主要包括美国Den Hartog提出的垂直激发机理、加拿大O Nigol提出的扭转激发机理，以及惯性耦合舞动机理。这三种机理主要针对线路本身进行理论分析和建模。基于上述三种机理开发设计了多种防舞措施，如各种舞动阻尼间隔棒、双摆防舞器、偏心重锤等。防舞设备在我国防舞研究和实践中发挥了重要作用，但是该方案仅是从物理层面减少线路舞动的程度，在某些情况下也无法完全杜绝线路舞动。舞动检测装置是在单线上安装位置或加速传感器，无线加速传感器节点采集输电线路监测点的位移加速度值，并将其通过GPRS等无线通信方式传送到监控中心，进行线路舞动的在线检测。如中国专利CN101470013B中公开了一种架空输电线路舞动监测方法，根据无线传输的控制指令对架空输电线路导线上的多个舞动监测点的舞动加速度数据进行在线监测；由每个舞动监测点将监测到的自身的舞动加速度数据进行无线发射；由远端无线接收每个舞动监测点无线发射的舞动加速度数据，并根据接收的同一档导线的不同舞动监测点的舞动加速度数据计算生成该档导线的舞动轨迹。通过以上分析可以看出，上述对线路舞动的研究只针对线路舞动本身，如产生机理及监测，无法对线路舞动产生的影响进行判断，因此也无法采取措施减轻或者避免该线路舞动对整个输电线路以及电力系统造成的影响，无法实现对舞动事件的预估，对舞动线路的处理很难发挥作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中只能对线路舞动进行产生机理分析及监测，无法预估线路舞动对电力系统造成的影响，从而提供一种线路舞动的电力系统运行模拟方法。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的。

一种线路舞动的电力系统运行模拟方法，包括如下步骤：

（1）获得线路舞动的实测信息，并进行线路舞动幅度计算；

（2）通过线路舞动幅度计算线路故障率；

（3）根据线路故障率随机生成短路故障，然后针对短路故障进行电网机电暂态仿真分析。

所述的电力系统运行模拟方法，在所述步骤（1）中，计算线路舞动幅度的公式如下：

$m\stackrel{\·\·}{y}+2{\mathrm{\ζ}}_{y}m{\mathrm{\ω}}_n\stackrel{\·}{y}+\mathrm{ky}=\frac{1}{2}(\mathrm{\ρ}{U}^{2}D\frac{\∂C_L}{\∂\mathrm{\θ}}+C_D)(-\frac{\stackrel{\·}{y}}{U})$

其中，U—风速；D—导线的迎风尺寸，此处为导线直径；ρ—空气密度；θ—风向与导线的夹角；C_L—升力系数；C_D—阻力系数；m—单位长度导线与其周围的流体的附加质量之总和；k—导线的支承总刚度；y—结构体的振动位移；ωn—结构体振动的固有频率；ζ_y—结构阻尼率。

所述的电力系统运行模拟方法，在所述步骤（2）中，由线路舞动幅度到故障率的计算步骤为：

(2.1）输入线路舞动幅度x；

（2.2）根据故障率和舞动幅度的关系，判断舞动幅度所处位置，计算故障率。

所述的电力系统运行模拟方法，在所述步骤（2.2）中，当x<L时，故障率为η=x/L；当x≥L时，故障率为η=1，此处的L为舞动幅度的拐点横坐标，对垂直排列导线，L＝L_P/2，对水平排列导线，L＝L_P×5/2,其中L_P为相间距离。

所述的电力系统运行模拟方法，在所述步骤（3）中，根据线路故障率进行电网机电暂态仿真的过程是是从Python环境调用电力系统仿真计算程序。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

（1）本发明所述的线路舞动的电力系统运行模拟方法，将线路舞动事件与电力系统运行放在一个框架内进行分析，通过线路舞动的实测信息计算出线路舞动幅度，然后计算出线路的故障率，再进行电网机电暂态仿真，从而可以获得线路舞动对整个电力系统运行的模拟仿真结果，从而可以预测出该电力系统的运行情况，从而可以及时通过对整个系统进行线路开断避免灾害发生，从而减少损失。这样，就通过监测线路舞动仿真出的电力系统的运行情况，便于及时采取措施应对，具有更好的指导意义。也就是说本发明通过给定外部气象条件、线路参数、输电走廊地理分布等因素，可以仿真计算线路舞动的幅度，并判断线路发生跳闸的概率，根据故障概率随机生成短路故障，再针对短路故障进行机电暂态仿真分析，分析系统稳定性。上述线路舞动的电力系统运行模拟方法，有效解决了现有技术中线路舞动仅从舞动机理、舞动监测、防舞措施方面进行分析，不能更好的通过舞动监测知道电力系统的运行的问题。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中，

图1是本发明所述的线路舞动的电力系统运行模拟方法的结构图；

图2是本发明所述的线路舞动的电力系统运行模拟方法的步骤（1）的流程图；

图3是本发明所述的线路舞动的电力系统运行模拟方法的步骤（2）的流程图；

图4是本发明所述的线路舞动的电力系统运行模拟方法的步骤（3）的流程图。

具体实施方式

本发明所述的一种线路舞动的电力系统运行模拟方法对应的系统，其结构如图1所示，包括线路舞动幅度计算模块、电气故障生成模块和电网机电暂态仿真模块，本发明所述的一种线路舞动的电力系统运行模拟方法包括如下步骤：

（1）根据线路舞动的实测信息进行线路舞动幅度计算，具体过程如下：根据如下公式计算线路舞动幅度，计算过程如图2：

$m\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{y}+2{\mathrm{\&zeta;}}_{y}m{\mathrm{\&omega;}}_n\stackrel{\&CenterDot;}{y}+\mathrm{ky}=\frac{1}{2}(\mathrm{\&rho;}{U}^{2}D\frac{\&PartialD;C_L}{\&PartialD;\mathrm{\&theta;}}+C_D)(-\frac{\stackrel{\&CenterDot;}{y}}{U})---\left(1\right)$

其中，U—风速；D—导线的迎风尺寸，此处为导线直径；ρ—空气密度；θ—风向与导线的夹角；C_L—升力系数；C_D—阻力系数；m—单位长度导线与其周围的流体的附加质量之总和；k—导线的支承总刚度；y—结构体的振动位移；ωn—结构体振动的固有频率；ζ_y—结构阻尼率。

上述公式（1）中，通过下面公式可获得舞动时要求的等效质量，即

m_总是单位长度覆冰后的质量总和，L是导线长度。

公式（1）中，

T是输电导线运行的导线张力，L是导线的长度。

在本步骤中，还可以考虑气象预报信息如风向、风速等，来计算线路舞动幅度，因线路舞动幅度计算公式中含有参数风速，故可考虑气象预报信息计算线路舞动幅度。

（2）根据线路舞动幅度计算线路故障率；

由线路舞动幅度到故障率的计算步骤为：

S1：输入线路舞动幅度x；

S2：线路舞动幅度与不同电压等级线路的相间距和安全距离有关,故对于舞动幅度的拐点横坐标的L简化处理为：对垂直排列导线，L＝L_P/2，对水平排列导线，L＝L_P×5/2,其中L_P为相间距离，相间距离即相邻两相导线或分裂导线轴线间的距离，相间距离是已知量。则可判断舞动幅度所处位置，如图3所示，当x<L时，故障率为η=x/L；当x≥L时，故障率为η=1。L为故障率为1时的线路舞动幅度。

（3）根据线路故障率随机生成短路故障，也就是根据故障率来模拟生成短路故障，然后针对短路故障进行电网机电暂态仿真分析。因在大风不利气候条件下，线路舞动易发生相间短路和单相对地短路，故是通过短路故障的生成来模拟实际情况。电网机电暂态仿真程序是通过PSSE，python等实现仿真。PSSE（电力系统仿真器，Power System Simulator/Engineering,也写作PSS/E），是目前广泛应用的电力系统分析程序，是美国电力技术公司于1976年推出的电力系统仿真计算的综合行软件，包含了电力系统机电暂态分析计算的常见模块。

此处，根据线路故障率进行电网机电暂态仿真的过程是从Python环境调用电力系统仿真计算程序，python是一种面向对象、直译式计算机程序设计语言，语法简捷而清晰，具有丰富和强大的类库。

在步骤（1）计算出线路舞动幅度后，可根据步骤（2）获知线路舞动故障率，此时即可根据线路舞故障率随机生成短路故障，然后针对短路故障进行电网机电暂态仿真分析，这样就可以通过仿真模拟的方式获得线路扰动对电力系统运行的影响，对短路故障进行电网机电暂态仿真的过程采用的是从Python环境调用电力系统仿真计算程序来进行，该电力系统仿真程序是一种本领域为了获得电力系统的运行情况普遍使用的仿真程序。

如图4所示，从Python环境调用电力系统仿真计算程序，调用过程和命令如下所示：

在进行电网机电暂态仿真分析时，命令psspy.fnsl()、psspy.cong()、psspy.conl()、psspy.fact()、psspy.tysl()均为电网暂态仿真时的准备命令。意义分别为：

psspy.fnsl()进行牛顿-拉夫逊潮流计算。

psspy.cong()发电机转化命令，可以将潮流结果的发电机功率转化为需要的电抗后电势和电流，以便进行动态仿真或短路计算。

psspy.conl()用于将潮流计算中的恒功率负荷转化为复合负荷。

psspy.fact()用于对转化后的潮流进行微调，即三角化。

psspy.tysl()用于对转化后的潮流进行进行微调，可以使潮流结果在一次迭代后便可以达到一个更高的精度，从而更有利于得到优秀的动态仿真初始值。

在做好电网机电暂态仿真分析的准备后，导入暂态仿真时需要的数据文件，即快照文件，命令为ps spy.rstr(),进而可根据线路舞动故障率随机生成的短路故障，进行电网机电暂态仿真分析，仿真分析时首先要采用命令psspy.mstr(),它为中长期仿真命令，该命令用于指定输出通道。指定输出通道后即可进行中长期的故障仿真，获得电力系统的运行情况，命令为psspy.mrun()。

本发明基于Python环境实现线路舞动的模拟，并基于轮盘用户自定义建模功能实现在发明的关键创新之处在于一种实现舞动事件与电力系统电气运行状态联合仿真的方法和系统，而线路舞动本身的数学模型则采用大家多公认的模型。基于本发明，可以实现对线路舞动事件的数值仿真和其对电网影响预估.

显然，上述实例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种线路舞动的电力系统运行模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）获得线路舞动的实测信息，并进行线路舞动幅度计算；

（2）通过线路舞动幅度计算线路故障率；

（3）根据线路故障率随机生成短路故障，然后针对短路故障进行电网机

电暂态仿真分析。

2.根据权利要求1所述的电力系统运行模拟方法，其特征在于，在所述步骤（1）中，计算线路舞动幅度的公式如下：

$m\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{y}+2{\mathrm{\&zeta;}}_{y}m{\mathrm{\&omega;}}_n\stackrel{\&CenterDot;}{y}+\mathrm{ky}=\frac{1}{2}(\mathrm{\&rho;}{U}^{2}D\frac{\&PartialD;C_L}{\&PartialD;\mathrm{\&theta;}}+C_D)(-\frac{\stackrel{\&CenterDot;}{y}}{U})$

其中，U—风速；D—导线的迎风尺寸，此处为导线直径；ρ—空气密度；θ—风向与导线的夹角；C_L—升力系数；C_D—阻力系数；m—单位长度导线与其周围的流体的附加质量之总和；k—导线的支承总刚度；y—结构体的振动位移；ωn—结构体振动的固有频率；ζ_y—结构阻尼率。

3.根据权利要求1或2任一所述的电力系统运行模拟方法，其特征在于，在所述步骤（2）中，由线路舞动幅度到故障率的计算步骤为：

(2.1）输入线路舞动幅度x；

（2.2）根据故障率和舞动幅度的关系，判断舞动幅度所处位置，计算故障率。

4.根据权利要求3所述的电力系统运行模拟方法，其特征在于，在所述步骤（2.2）中，当x<L时，故障率为η=x/L；当x≥L时，故障率为η=1，此处的L为舞动幅度的拐点横坐标，对垂直排列导线，L＝L_P/2，对水平排列导线，L＝L_P×5/2,其中L_P为相间距离。

5.根据权利要求1-4任一所述的电力系统运行模拟方法，其特征在于，在所述步骤（3）中，根据线路故障率进行电网机电暂态仿真的过程是是从Python环境调用电力系统仿真计算程序。

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