CN103678808B - 基于元件库的变电站电磁场模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于元件库的变电站电磁场模拟方法，属于变电站仿真模拟技术领域。该方法包括以下步骤：根据实际变电站各设备的特性，建立各设备的模型元件，组成模型元件库；将各设备的模型元件导入分析模块中，并按照预定位置布置，根据布置规模建立空气层包裹所有导入的模型元件，赋予各模型元件属性，加载边界条件，并进行网格剖分，建立模拟变电站；对模拟变电站的电磁场进行计算；输出计算结果。该方法采用了模型元件库的方式，避免了不同变电站电磁场仿真设备重复建模的繁琐工作，可以对不同变电站采用同一模型元件库进行组合仿真，实现了对变电站电磁环境进行简便、高效的仿真计算。

Description

基于元件库的变电站电磁场模拟方法

技术领域

本发明涉及一种变电站仿真模拟方法，特别是涉及一种基于元件库的变电站电磁场模拟方法。

背景技术

建设集约式绿色变电站/换流站的主要目的，是为了在变电站/换流站全寿命周期内，最大限度地节约资源(如：节地、节能、节水、节材)、保护环境和减少污染，提供安全、适用、健康的工作环境，提供高效低耗、环境友好，并与自然和谐共存的变电站/换流站。目前，在广东、天津、江苏等地已经建成了若干座低电压等级绿色变电站。可以预见的是，集约式绿色变电站/换流站将是以后绿色电网建设的一个重点方向，必定拥有广泛的市场前景。而进行集约式绿色变电站/换流站研究，有利于形成核心创新技术，在变电设计领域实现国内外全面超越，打造理念先进、指标优异的独门技术，抢占设计市场制高点。

集约式绿色变电站/换流站技术是建立在常规变电站的技术之上，但也必须顺应当今施工工艺、社会经济水平等客观条件，更应该符合设备修造前沿技术的发展方向。重点研究模块化集约式布置方案、新型设备、绿色建筑技术、噪声治理、电磁干扰控制等方面的关键技术。

变电站是电网交换电压、接受和分配电能、控制电力流向和调整电压的重要电力设施，是电力系统中一次设备和二次设备最集中的场所，它主要由电力变压器、断路器、隔离开关、电压和电流互感器、避雷器、架空母线、架空进线、架空出线及相连接的架空连线等一次设备以及控制、保护、监测等二次设备构成。变电站正常运行时，空间带电导体的高电压、导体内的大电流，在变电站内产生的工频电场、工频磁场、无线电干扰以及可听噪声，构成了特殊且复杂的变电站电磁环境。如何对变电站电磁环境进行行之有效的分析研究，能够为变电站电磁环境评估及改善措施提供参考依据，有助于推进集约式绿色变电站建设。

传统的变电站电磁场仿真计算方法都是“现建现仿”，即需要对某变电站电磁场进行仿真时，临时建立模型，然后对模型进行仿真。这样的方法只能适用于特定变电站的电磁场仿真，推广性差，效率低。

发明内容

基于此，本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于元件库的变电站电磁场模拟方法，该模拟方法具有普遍适用性，适合进行大范围的推广。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种基于元件库的变电站电磁场模拟方法，包括以下步骤：

根据实际变电站各设备的特性，建立各设备的模型元件，组成模型元件库；

将各设备的模型元件导入分析模块中，并按照预定位置布置，根据布置规模建立空气层包裹所有导入的模型元件，赋予各模型元件属性，加载边界条件，并进行网格剖分，建立模拟变电站；

对模拟变电站的电磁场进行计算；

输出计算结果。

本发明的基于元件库的变电站电磁场模拟方法，是在经过大量调研的基础上，发现如今的变电站同一电压等级、同一电气用途的设备基本上都是统一的尺寸和结构型式，具有标准化的特点，因此，本发明提出了上述基于元件库的变电站电磁场模拟方法。采用上述的变电站电磁场模拟方法，对建立的模拟变电站的电磁场进行计算，进而对实际变电站的电磁场进行仿真计算。并且由于采用了模型元件库的方式，避免了重复的变电站设备建模工作，提高了大型变电站电磁场仿真效率，实现了对变电站电磁环境进行简便、高效的仿真计算。

在其中一个实施例中，所述设备的特性为形状尺寸和电气属性。该电气属性即该设备的材料特性（如相对介电系数和相对磁导率），将不同设备的形状尺寸和电气属性等参数赋予各元件，以达到仿真的效果。

在其中一个实施例中，所述预定位置根据实际变电站内各设备的位置设置。可采用统计坐标等方式对变电站各设备进行位置的记录、统计。

在其中一个实施例中，所述空气层通过以下方式建立：建立三层空气层，内层空气层为将所有模型元件包裹，次外层空气层为内层空气层的1.3-1.7倍，最外层空气层为内层空气层的2.6-3.4倍。优选次外层空气层为内层空气层的1.5倍，最外层空气层为内层空气层的3倍。例如：变电站设备占据的空间大小为100m×100m×50m的长方体，那么最内层空气的大小可以设置为105m×105m×55m的长方体，只要将设备能全部包裹住即可，次外层的空气大小可以设置为150m×150m×75m的长方体，最外层空气的大小可以设置为300m×300m×150m的长方体。将空气层建立为多层，可以达到剖分尺寸逐层放大的效果，并能节省单元量，加快计算速度。

在其中一个实施例中，所述模型元件属性为金属或绝缘材料。体现模型元件的不同电学特性。

在其中一个实施例中，所述边界条件为边界处电压为零，磁通平行于边界。

在其中一个实施例中，采用命令流的方式将各设备的模型元件导入分析模块中。可以提高分析计算的速度和效率。

在其中一个实施例中，所述计算结果通过数据和图像的方式展现。以不同方式展现计算结果，具有既精确又直观的优点。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的一种基于元件库的变电站电磁场模拟方法，由于采用了模型元件库的方式，避免了不同变电站电磁场仿真设备重复建模的繁琐工作，可以对不同变电站采用同一模型元件库进行组合仿真，提高了大型变电站电磁场仿真效率，特别是提高了35kV、220kV及500kV电压等级电气设备组合体的电磁场仿真计算效率，实现了对变电站电磁环境进行简便、高效的仿真计算。为理论研究、数值计算及工程实际应用提供了有力的辅助。

采用该方法，体现模块化集约式布置的优越性，能够顺应绿色变电站/换流站的发展趋势，并通过对电流、电压、电场的模拟，预估现场的噪音、电磁干扰等情况，提高噪声治理、电磁干扰控制等方面的效率。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中基于元件库的变电站电磁场模拟方法的工作流程参考图；

图2为具体实施方式中某500kV变电站的设计图。

图3为500kV变电站中的导线一示意图；

图4为500kV变电站中的导线二示意图；

图5为500kV变电站中的导线三示意图；

图6为图3中导线的模型图；

图7为图4中导线的模型图；

图8为500kV变电站中的三相变压器结构示意图；

图9为图8的变压器模型图；

图10为变压器至220kV的进线部分；

图11为图10的模型图；

图12为220kV的GIS设备；

图13为图12的模型图；

图14为220kV出线部分；

图15为图14中出线部分导线的模型图；

图16为变压器与220kV部分模型组装图；

图17为图16的组装模型在高度为1.7m的电场计算等值线示意图；

图18为变压器附近所选路径示意图；

图19为模拟方法中路径电场计算结果；

图20为实测路径电场结果。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例来详细说明本发明。

一种基于元件库的变电站电磁场模拟方法，其工作流程如图1所示，包括以下步骤：

1）建立模型元件库。

根据实际变电站各设备的形状尺寸和电气属性，建立各设备的模型元件库。该电气属性即该设备的相对介电系数、相对磁导率等材料特性。在此过程中，可利用CAD软件的SolidWorks模块建立各设备的模型元件库。

2)建立模拟变电站。

对需要进行电磁场仿真计算的变电站电气设备进行统计，并由技术人员选择一个点作为原点（一般选择在地平面上，便于测量各电气设备坐标即可），对其几何位置进行记录。

采用命令流的方式将上述统计的各设备模型元件逐一导入分析模块中，该分析模块可以选用ANSYS软件为平台，并按照上述记录的预定位置布置，根据布置规模建立空气层包裹所有导入的模型元件。

所述空气层通过以下方式建立：建立三层空气层，内层空气层为将所有模型元件包裹，次外层空气层为内层空气层的1.5倍，最外层空气层为内层空气层的3倍。

对导入的各模型元件赋予属性（如属于金属或绝缘材料等），加载边界条件，即边界处电压为零，磁通平行于边界等，并进行网格剖分，建立模拟变电站；

3)计算。

对模拟变电站的电磁场（包括电压、电场、电流密度）进行计算，在此过程中，可利用ANSYS软件进行计算，计算完毕后结果自动保存到工作目录下。

4)输出计算结果。

获取目标部分（变电站内技术人员关心的区域）数据，并观察图形结果（电压、电场、电流密度等）。

采用上述方法对广东省某500kV变电站的变压器和220kV部分进行电磁场仿真，步骤和结果如下：

1）建立模型元件库。

图2为上述500kV变电站的设计图，选取变压器和220kV部分进行仿真。根据上述设备的形状尺寸和电气属性，利用CAD软件的SolidWorks模块，建立各设备的模型元件库，各模型元件如图6、7、9、11、13和15所示。

2)建立模拟变电站。

通过ANSYS软件自带的模型导入功能将各上述各500kV的模型元件导入ANSYS，组成图16所示的组合图，对导入的各模型元件赋予属性（如属于金属或绝缘材料等），加载边界条件（如设定边界处电压为零，磁通平行于边界等），并进行网格剖分，建立模型变电站。

3)计算。

调用命令流文档，利用ANSYS软件对模拟变电站的电磁场（包括电压、电场、电流密度等）进行运算。

4)输出计算结果。

根据需要，获取距地1.7m高度水平面电场等值线图，如图17所示。图中下方的数字代表电场强度，不同的等值线代表不同的数值，等值线较密集处，电场强度较大，外围较稀疏处，电场强度较小。，单位是V/m。

以下选取实际变电站中变压器附近的路径与实测结果进行对比。路径示意图如图18所示。选取变压器附近一条路径1，距离变压器边缘3m。

通过本实施例的模拟方法得到路径结果如图19所示，路径的电场结果在0.3-1.37kV/m之间。

通过实地测量，得出主变附近工频电场范围是0.35～1.5kV/m，其中测试路径同样选取距离变压器边缘3m，距地1.7m的路径，测量结果如图20所示。

通过上述对比可知，通过本实施例的模拟方法，计算得到的路径结果在0.3-1.37kV/m之间。而通过实地测量，得出主变附近工频电场范围是0.35～1.5kV/m。这是因为模型只单纯模拟一组变压器和220kV出线情况，而在实际情况中，测量变电站中的一组变压器附近的电场值，其他设备也会对电场值有影响，导致结果有一定的偏差。但仍可以看出，本实施例的模拟结果与实测结果较为相近，模拟效果较为理想。

通过上述结果，我们可以知道，本实施例的基于元件库的变电站电磁场模拟方法，模拟得到的结果与实际情况相符，该方法的具有很高的可行性与效率。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种基于元件库的变电站电磁场模拟方法，其特征在于包括以下步骤：

根据实际变电站各设备的特性，建立各设备的模型元件，组成模型元件库；

将各设备的模型元件导入分析模块中，并按照预定位置布置，根据布置规模建立空气层包裹所有导入的模型元件，赋予各模型元件属性，加载边界条件，并进行网格剖分，建立模拟变电站；所述空气层通过以下方式建立：建立三层空气层，内层空气层为将所有模型元件包裹，次外层空气层为内层空气层的1.3-1.7倍，最外层空气层为内层空气层的2.6-3.4倍；

对模拟变电站的电磁场进行计算；

输出计算结果。

2.根据权利要求1所述的基于元件库的变电站电磁场模拟方法，其特征在于，所述设备的特性为形状尺寸和电气属性。

3.根据权利要求1所述的基于元件库的变电站电磁场模拟方法，其特征在于，所述预定位置根据实际变电站内各设备的位置设置。

4.根据权利要求1所述的基于元件库的变电站电磁场模拟方法，其特征在于，所述模型元件属性为金属或绝缘材料。

5.根据权利要求1所述的基于元件库的变电站电磁场模拟方法，其特征在于，所述边界条件为边界处电压为零，磁通平行于边界。

6.根据权利要求1所述的基于元件库的变电站电磁场模拟方法，其特征在于，采用命令流的方式将各设备的模型元件导入分析模块中。

7.根据权利要求1所述的基于元件库的变电站电磁场模拟方法，其特征在于，所述计算结果通过数据和图像的方式展现。