CN106096076A - 基于pscad的电容式电压互感器运行故障模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PSCAD的电容式电压互感器运行故障模拟方法，包括，整理现场实际运行的500kV电容式电压互感器的设备参数；构建CVT等值电路的系统模型，并为系统模型设置设备参数，同时给CVT等值电路的系统模型配置二次电压监视器；建立可调交流电源模块、可调电容元件模块、模块控制器；CVT内部电容元件击穿故障仿真模拟；在CVT内部电容元件击穿故障仿真模拟的运行前后，得出CVT内部电容元件击穿故障与二次电压变化的关联性。本发明灵活高效、简洁易行、精确细致，且无安全风险和试验成本，可模拟多种CVT运行故障，为CVT状态监测及故障诊断研究提供依据，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于PSCAD的电容式电压互感器运行故障模拟方法，属于高压电力设备运行故障模拟技术领域。
背景技术
作为电力系统中重要的测量、保护、通信设备，电容式电压互感器(CVT)的稳定运行对电网安全至关重要。但是，CVT的电容单元故障时常发生，具体表现在运行过程中电容元件因受潮、老化，而导致击穿、爆炸等现象，因此，通过模拟CVT的电容元件击穿故障用以研究CVT状态监测及故障诊断方法具有重要意义。
目前，利用仿真软件对CVT进行故障模拟的方法尚未见报道，有研究者通过实体的CVT来模拟其电容元件击穿故障，实体故障模拟试验是基于现场的电容式电压互感器，从其电容单元C1的各个电容元件的两端设置接线端子，根据故障模拟状态中电容单元C1短路的电容元件，将其对应的接线端子分别进行短接，进而实现CVT的电容单元内电容元件击穿故障的模拟试验，该方法直观、有效，但是仍存在以下不足：整套模拟系统需要购置较多的硬件设备，试验成本较高，实施难度较大；模拟试验需要在CVT一次侧加载参考电压，并检测二次侧的输出电压，试验涉及多次加压，具有一定的安全隐患，试验过程需要重复改接线，试验结果也易受人为、环境、电网等因素的影响，导致试验缺乏灵活性和准确度。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的CVT实体故障模拟试验，试验成本较高，实施难度较大，具有一定的安全隐患，需要重复改接线，缺乏灵活性和准确度的问题。本发明提供的基于PSCAD的电容式电压互感器运行故障模拟方法，灵活高效、简洁易行、精确细致，且无安全风险和试验成本，可模拟多种CVT运行故障，为CVT状态监测及故障诊断研究提供依据，具有良好的应用前景。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于PSCAD的电容式电压互感器运行故障模拟方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤(1)，整理现场实际运行的500kV电容式电压互感器的设备参数；
步骤(2)，根据电容式电压互感器的电气原理图，利用戴维南定理，在PSCAD仿真软件中构建CVT等值电路的系统模型，并为系统模型设置步骤(1)中的设备参数，同时给CVT等值电路的系统模型配置二次电压监视器；
步骤(3)，建立可调交流电源模块
在PSCAD仿真软件中新建一个元件模块，对此模块进行可调功能编译，在PSCAD仿真软件的系统库函数中选择相应函数模块，按照CVT等值电路的系统模型中的等效电压源的要求，建立数值可变的可调交流电源模块，并设置其的输出端口，命名为Ue；
步骤(4)，建立可调电容元件模块
在PSCAD仿真软件中新建第二个元件模块，根据CVT的电容元件击穿故障的特征，对此模块进行数值可调功能的编译，在PSCAD仿真软件的系统库函数中选择相应函数模块，建立数值可变的可调电容元件模块，并设置其的输出端口，命名为Ce；
步骤(5)，建立模块控制器
在PSCAD仿真软件中新建一个模块控制器，通过操作模块控制器的按钮，分别调节可调交流电源模块、可调电容元件模块的输出数值；
步骤(6)，将建立的可调交流电源模块、可调电容元件模块、模块控制器接入到步骤(2)中的CVT等值电路的系统模型中，并在PSCAD仿真软件运行环境中运行该系统模型，通过模块控制器调节可调交流电源模块提供CVT等值电路的系统模型所需的等效电压源，并调节可调电容元件模块输出电容量值的大小，完成CVT内部电容元件击穿故障仿真模拟；
步骤(7)，在CVT内部电容元件击穿故障仿真模拟的运行前后，观察其的二次侧电压的变化情况，得出CVT内部电容元件击穿故障与二次电压变化的关联性，为CVT的故障诊断及状态监测研究提供依据。
前述的基于PSCAD的电容式电压互感器运行故障模拟方法，其特征在于：步骤(1)所述设备参数包括电容单元参数、电磁单元参数、阻尼器参数、负载参数。
本发明的有益效果是：本发明的基于PSCAD的电容式电压互感器运行故障模拟方法，具有以下优势，
(1)利用PSCAD仿真软件中模拟CVT运行工况，其建模方法清晰、直观，设计界面简洁、明了，省去了各种硬件成本，避免了高压安全风险；
(2)仅需通过调整可调电容元件模块内部的函数构造，即可实现模拟CVT内部电容元件(包括电磁单元各部件)受潮、老化、击穿等各种运行故障，操作灵活、方便；
(3)不受外界人为、环境、电网等因素的影响，提高了试验结果的稳定性和准确性；同时，各种试验数据(包括各支路电流、各节点电压等)均可直接导出，便于进一步处理、分析和研究，安全可靠，仿真成本低，省时省力，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的基于PSCAD的电容式电压互感器运行故障模拟方法的流程图。
图2是本发明的实施例构建的CVT等值电路系统模型的电路图。
图3是本发明的实施例建立的可调交流电源模块的系统框图。
图4是本发明的实施例建立的可调电容元件模块的系统框图。
图5是本发明的实施例建立的模块控制器的系统框图。
图6是本发明的实施例CVT二次电压的时域谱图。
图7是本发明的实施例中CVT二次电压的有效值时域谱图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明做进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的基于PSCAD的电容式电压互感器运行故障模拟方法，包括以下步骤，
步骤(1)，整理现场实际运行的500kV电容式电压互感器的设备参数，设备参数包括电容单元参数、电磁单元参数、阻尼器参数、负载参数；
步骤(2)，根据电容式电压互感器的电气原理图，利用戴维南定理，在PSCAD仿真软件中构建CVT等值电路的系统模型，并为系统模型设置步骤(1)中的设备参数，同时给CVT等值电路的系统模型配置二次电压监视器；
步骤(3)，建立可调交流电源模块
在PSCAD仿真软件中新建一个元件模块，对此模块进行可调功能编译，在PSCAD仿真软件的系统库函数中选择相应函数模块，按照CVT等值电路的系统模型中的等效电压源的要求，建立数值可变的可调交流电源模块，并设置其的输出端口，命名为Ue；
步骤(4)，建立可调电容元件模块
在PSCAD仿真软件中新建第二个元件模块，根据CVT的电容元件击穿故障的特征，对此模块进行数值可调功能的编译，在PSCAD仿真软件的系统库函数中选择相应函数模块，建立数值可变的可调电容元件模块，并设置其的输出端口，命名为Ce；
步骤(5)，建立模块控制器
在PSCAD仿真软件中新建一个模块控制器，通过操作模块控制器的按钮，分别调节可调交流电源模块、可调电容元件模块的输出数值；
步骤(6)，将建立的可调交流电源模块、可调电容元件模块、模块控制器接入到步骤(2)中的CVT等值电路的系统模型中，并在PSCAD仿真软件运行环境中运行该系统模型，通过模块控制器调节可调交流电源模块提供CVT等值电路的系统模型所需的等效电压源，并调节可调电容元件模块输出电容量值的大小，完成CVT内部电容元件击穿故障仿真模拟；
步骤(7)，在CVT内部电容元件击穿故障仿真模拟的运行前后，观察其的二次侧电压的变化情况，得出CVT内部电容元件击穿故障与二次电压变化的关联性，为CVT的故障诊断及状态监测研究提供依据。
下面根据本发明的基于PSCAD的电容式电压互感器运行故障模拟方法，介绍一具体实施例，
步骤(1)，整理现场实际500kV电容式电压互感器的设备参数，包括电容单元参数、电磁单元参数、阻尼器参数、负载参数，本实施例涉及的CVT具体参数值见表1，
表1某500kV现场CVT设备参数值
步骤(2)，利用戴维南定理将CVT电气原理图等效转换为等值电路图，并在PSCAD仿真软件中构建CVT等值电路的系统模型，并按表1配置相应参数，同时建立一个集成输出模块，以便于可调电源及可调电容模块的存放、修改和调用，CVT等值电路的系统模型，如图2所示，其中，Ce为高压电容C1和中压电容C2的并联；Rk和Lk分别为补偿电抗器及中间变压器的电阻和电感；Rm和Lm分别为中间变压器励磁支路电阻和电感；Z2为折算到一次侧的负载阻抗；Rf、Cf、Lf为阻尼器的电阻、电容和电感；Im、If和I2分别为流过励磁支路、阻尼器和负载的电流；U1为电网运行电压；U2为折算后的二次输出电压；Uc为等效电压源电压。根据戴维南定理，可得：
步骤(3)，建立可调交流电源模块，如图3所示，在PSCAD仿真软件中新建一个元件模块，然后对此模块进行数值可调的功能编译，在PSCAD系统库函数中选择相应函数进行模块构建，按照上述的的等效电压源的要求，建立数值可变的可调交流电压源模块，取电网相电压288.68kV，设置输出端口，命名为Ue_out。
步骤(4)，建立可调电容元件模块，如图4所示，在PSCAD中新建一个元件模块，根据CVT电容元件击穿故障的特征，对此模块进行数值可调功能的编译，在PSCAD系统库函数中选择相应函数模块，建立数值可变的电容元件模块，并设置输出端口，命名为Ce_out，本发明以CVT主电路C2单元中的电容元件击穿故障为例，进行对应的故障模拟，C2电容单元由25个电容元件串联组成，每发生一个电容元件击穿后，C2值相应地减小，其数学函数可表示为：
其中，Cn为单个电容元件的电容量；x为C2单元电容元件的击穿个数；
步骤(5)，建立模块控制器，如图5所示，在PSCAD仿真软件中新建一个模块控制器，通过操作模块控制器的按钮调节上述两个可调模块的输出数值；
步骤(6)，为PSCAD仿真软件的界面清晰、直观，将步骤(3)、(4)、(5)中涉及的模块和控制器封装在步骤(1)所述的集成输出模块中，通过PSCAD仿真软件的系统节点同名匹配，将上述两个可调模块接入步骤(2)所述的等值电路系统模型中，并为等值电路系统模型配置电压监视器，在PSCAD仿真软件的环境中运行该模型，通过控制器调节电容元件模块输出电容量值的大小，完成CVT电容元件击穿故障仿真模拟；
步骤(7)，观察二次侧电压的变化情况，本实施例设置在1秒、3秒时刻，电容元件发生击穿故障，如图6及图7所示，分别是二次电压波形图及二次电压有效值波形图，通过图形可以找出电容元件击穿故障与二次电压变化的关联性，即二次低压电容单元电容元件击穿将导致二次电压降低，与理论分析一致，验证该模拟方法的正确性，为进一步深入研究CVT故障诊断及状态监测方法提供依据。
本发明基于PSCAD的电容式电压互感器运行故障模拟方法，还能够对CVT的中间变压器故障及CVT内部保护避雷器故障进行模拟，可通过创建一个可调电阻元件模块来实现，将可调电阻元件模块并联到CVT等值电路的系统模型的励磁阻抗两端以及补偿电抗器元件两端，并对该可调电阻元件模块进行具有特定数学功能的函数编译，使其输出值按故障要求变化，分别实现CVT中间变压器绕组绝缘损伤故障和CVT保护避雷器内部受潮故障进行仿真模拟。此外，通过在CVT内部阻尼单元的电容元件上并联一个开关器件，设置模块控制器控制开关的分合，可达到模拟阻尼单元电容元件击穿的故障。由于CVT内部电容元件击穿故障是最常发生的故障模式，因此，CVT内部电容元件击穿故障模拟方法为最重要的应用。
综上所述，本发明的基于PSCAD的电容式电压互感器运行故障模拟方法，具有以下优势，
(1)利用PSCAD仿真软件中模拟CVT运行工况，其建模方法清晰、直观，设计界面简洁、明了，省去了各种硬件成本，避免了高压安全风险；
(2)仅需通过调整可调电容元件模块内部的函数构造，即可实现模拟CVT内部电容元件(包括电磁单元各部件)受潮、老化、击穿等各种运行故障，操作灵活、方便；
(3)不受外界人为、环境、电网等因素的影响，提高了试验结果的稳定性和准确性；同时，各种试验数据(包括各支路电流、各节点电压等)均可直接导出，便于进一步处理、分析和研究，安全可靠，仿真成本低，省时省力，具有良好的应用前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (2)
1.基于PSCAD的电容式电压互感器运行故障模拟方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤（1），整理现场实际运行的500kV电容式电压互感器的设备参数；
步骤（2），根据电容式电压互感器的电气原理图，利用戴维南定理，在PSCAD仿真软件中构建CVT等值电路的系统模型，并为系统模型设置步骤（1）中的设备参数，同时给CVT等值电路的系统模型配置二次电压监视器；
步骤（3），建立可调交流电源模块
在PSCAD仿真软件中新建一个元件模块，对此模块进行可调功能编译，在PSCAD仿真软件的系统库函数中选择相应函数模块，按照CVT等值电路的系统模型中的等效电压源要求，建立数值可变的可调交流电源模块，并设置其输出端口，命名为Ue；
步骤（4），建立可调电容元件模块
在PSCAD仿真软件中新建第二个元件模块，根据CVT的电容元件击穿故障的特征，对此模块进行数值可调功能的编译，在PSCAD仿真软件的系统库函数中选择相应函数模块，建立数值可变的可调电容元件模块，并设置其的输出端口，命名为Ce；
步骤（5），建立模块控制器
在PSCAD仿真软件中新建一个模块控制器，通过操作模块控制器的按钮，分别调节可调交流电源模块、可调电容元件模块的输出数值；
步骤（6），将建立的可调交流电源模块、可调电容元件模块、模块控制器接入到步骤（2）中的CVT等值电路的系统模型中，并在PSCAD仿真软件运行环境中运行该系统模型，通过模块控制器调节可调交流电源模块提供CVT等值电路的系统模型所需的等效电压源，并调节可调电容元件模块输出电容量值的大小，完成CVT内部电容元件击穿故障仿真模拟；
步骤（7），在CVT内部电容元件击穿故障仿真模拟的运行前后，观察其二次侧电压的变化情况，得出CVT内部电容元件击穿故障与二次电压变化的关联性，为CVT的故障诊断及状态监测研究提供依据。
2.根据权利要求1所述的基于PSCAD的电容式电压互感器运行故障模拟方法，其特征在于：步骤（1）所述设备参数包括电容单元参数、电磁单元参数、阻尼器参数、负载参数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 210000, Jiangsu, Jiangning Development Zone, Nanjing, the source of the road, No. 58, -5 Applicant after: National network Jiangsu Electric Power Co., Ltd. maintenance branch Applicant after: STATE GRID JIANGSU ELECTRIC POWER COMPANY Applicant after: State Grid Corporation of China Address before: 210000, Jiangsu, Jiangning Development Zone, Nanjing, the source of the road, No. 58, -5 Applicant before: State Grid Jiangsu Electric Power Company Maintenance Branch Company Applicant before: STATE GRID JIANGSU ELECTRIC POWER COMPANY Applicant before: State Grid Corporation of China |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20161109 |