CN107219420A - 一种换流站短路电流分流系数仿真方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种换流站短路电流分流系数仿真方法及系统，该方法包括：根据换流站的结构参数和线路参数在PSCAD平台中分别创建换流站模型和换流站线路模型，对换流站模型和换流站线路模型进行短路故障仿真分析，读取PSCAD平台仿真得到的短路电流和入地电流波形，并将其导入Matlab平台，Matlab平台计算分析仿真短路电流和入地电流的波形，分别得到换流站模型暂态和稳态时的短路电流分流系数。本申请基于PSCAD与Matlab平台联合仿真，PSCAD平台能够正确反映换流站及线路上各设备对分流系数的影响，通过Matlab平台计算换流站发生短路故障时暂态及稳态地分流系数，计算方法简便易行，计算速度快。
Description
技术领域
本发明涉及换流站接地网技术领域，尤其涉及一种换流站短路电流分流系数仿真方法及系统。
背景技术
输电线路对地短路故障是电力系统中常见的故障，电站内或周围发生线路对地短路时，短路电流会通过换流站接地网入地。最大入地故障电流的计算是换流站及变电站接地系统设计的基础，直接与电站安全性能有关，这是由于最大入地电流将产生最严重的地电位升、跨步电压和接触电压。电站发生短路故障时，短路电流并不完全从电站接地网络入地，而是存在多个散流途径。由于线路地线和中性点接地的变压器与电站接地网相连，故障时地线与变压器将对入地电流起到分流的作用。由于真正对电站产生危害的是通过电站地网入地的电流，而该电流值无法直接测量得到，在这种情况下设计接地时应当考虑电站短路电流的分流系数，即真正通过变电站接地网入地的电流与短路电流的比通过分流系数与测量测到的短路电流大小可以反算出入地电流的大小。因此，研究短路电流分流系数对于正确评估接地系统的性能有着重要的意义。
目前，计算架空地线分流系数的方法有序分量法和相分量法，序分量法是建立序分量模型，按照序网络法计算出每档架空地线中的电流以及流经杆塔接地装置的电流，再计算出架空地线分走的电流及分流系数。相分量法最早是由加拿大的F.Dawalibi博士提出的，其给出了计算短路电流分布的相分量模型，进而提出了采用链式电路的单侧消去、双侧消去的计算方法，该模型能很好地反映实际情况，准确度较高。
但是，换流站不仅包含交流系统，还包含直流系统，设备繁多，系统复杂，现有分流系数计算方法需要对换流站模型进行大量的简化，导致计算结果与实际差别较大。还有大多数方法仅能计算稳态时的分流系数，无法实现暂态分析。
发明内容
本发明提供了一种换流站短路电流分流系数仿真方法及系统，以解决现有计算方法结果误差大，不能实现换流站暂态分析的问题。
第一方面，本发明提供了一种换流站短路电流分流系数仿真方法，基于PSCAD和Matlab平台，所述方法包括：
根据换流站中变压器、接地网和龙门架的结构参数在所述PSCAD平台中创建换流站模型，根据换流站相连接的输电线路参数在所述PSCAD平台中创建换流站线路模型；
所述PSCAD平台中的换流站模型和换流站线路模型仿真短路故障；
读取所述PSCAD平台仿真得到的短路电流和入地电流，并将仿真短路电流和入地电流的波形导入Matlab平台；
所述Matlab平台计算分析所述仿真短路电流和入地电流的波形，分别得到所述换流站模型暂态和稳态时的短路电流分流系数。
可选的，所述PSCAD平台中的换流站模型和换流站线路模型仿真短路故障，具体包括：
在所述PSCAD平台中创建故障产生模块，所述故障产生模块作用于所述换流站模型和换流站线路模型；
所述PSCAD平台仿真所述换流站模型和换流站线路模型发生短路故障。
可选的，所述将仿真短路电流和入地电流的波形导入Matlab平台，之后还包括：
在所述Matlab平台中分析所述换流站模型短路电流和入地电流的频谱特性。
第二方面，本发明还提供了一种换流站短路电流分流系数仿真系统，基于PSCAD和Matlab平台，所述系统包括：
模型创建模块：用于根据换流站的结构参数创建换流站模型，根据所述换流站相连接的输电线路参数创建换流站线路模型；
故障产生模块：用于产生短路故障，并作用于所述换流站模型和换流站线路模型；
仿真分析模块：用于仿真分析所述换流站模型和换流站线路模型的短路故障，并分别获得仿真短路电流和入地电流；
读取模块：用于读取PSCAD平台得到的仿真短路电流和入地电流，并将所述仿真短路电流和入地电流的波形导入Matlab平台；
计算分析模块：用于根据导入的仿真短路电流和入地电流的波形分别得到换流站模型暂态和稳态时的短路电流分流系数。
可选的，所述换流站的结构参数包括变压器、接地网和龙门架的参数。
可选的，所述换流站相连接的输电线路参数包括杆塔、架空地线、相线和电缆的参数。
本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明提供一种换流站短路电流分流系数仿真方法及系统，该方法包括：根据换流站中变压器、接地网和龙门架的结构参数在PSCAD平台中创建换流站模型，根据换流站相连接的输电线路参数在PSCAD平台中创建换流站线路模型，PSCAD平台中的换流站模型和换流站线路模型仿真短路故障，读取PSCAD平台仿真得到的短路电流和入地电流，并将仿真短路电流和入地电流的波形导入Matlab平台，Matlab平台计算分析仿真短路电流和入地电流的波形，分别得到换流站模型暂态和稳态时的短路电流分流系数。本发明通过在PSCAD平台中创建换流站模型和换流站线路模型，较为全面地包含了换流站及线路上的各种设备，能够正确反映各设备对短路电流分流系数的影响，计算结果准确，而且通过Matlab平台简便地计算换流站发生短路故障时暂态及稳态地短路电流分流系数，计算方法简便易行，计算速度快。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种换流站短路电流分流系数仿真方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种换流站短路电流分流系数仿真方法中S200的详细流程图；
图3为本发明实施例提供的一种换流站站内短路时电流分布示意图；
图4为本发明实施例提供的富宁500kV换流站短路仿真产生的短路电流波形；
图5为本发明实施例提供的富宁500kV换流站短路仿真产生的入地电流波形；
图6为本发明实施例提供的一种换流站短路电流分流系数仿真系统的结构示意图。
具体实施方式
参见图1，为本发明实施例提供的换流站短路电流分流系数仿真方法的流程图。
本发明实施例提供的换流站短路电流分流系数仿真方法基于PSCAD平台和Matlab平台，所述方法包括：
S100：根据换流站中变压器、接地网和龙门架的结构参数在所述PSCAD平台中创建换流站模型，根据换流站相连接的输电线路参数在所述PSCAD平台中创建换流站线路模型。
具体地，PSCAD(Power Systems Computer Aided Design)是世界上广泛使用的电磁暂态仿真软件，EMTDC(Electromagnetic Transients including DC)是其仿真计算核心，PSCAD为EMTDC提供图形操作界面。PSCAD采用时域分析求解完整电力系统及微分方程(包括电磁和机电两个系统)，结果不仅非常精确，更值得一提的是它允许用户在一个完备的图形环境下灵活地建立电路模型，进行仿真分析，用户在仿真的同时，可以改变控制参数，从而直观地看到各种测量结果和参数曲线，极大地方便用户提高仿真的乐趣和效率。PSCAD里面提供丰富的元件库，从简单的无源元件到复杂的控制模块，以致电机、FACTS装置、电缆线路等模型都有涵盖，如果这些还不够用的话，PSCAD允许用户自定义的方式全新定义一个模块，新模块可以由元件库里提供的模块组合形成，也可以用FORTRAIN写一个。
本申请实施例中，运行人员熟悉现场运行情况，熟悉换流站中变压器、接地网和龙门架等结构参数，根据这些结构参数选择PSCAD图形界面内的元器件，并将这些元器件组装起来，搭建换流站模型。
熟悉换流站相连接的输电线路参数，如杆塔、架空地线回线数、相线数及电缆回数等参数，根据PSCAD中的Cables及Transmission Line模型模拟电缆及架空地线，搭建换流站线路模型。
S200：所述PSCAD平台中的换流站模型和换流站线路模型仿真短路故障。
具体地，在所述PSCAD平台中，换流站模型和换流站线路模型仿真短路故障，仿真分析换流站短路故障时的电流分布情况。短路故障仿真分析如图2所示，具体步骤如下：
S201：在所述PSCAD平台中创建故障产生模块，所述故障产生模块作用于所述换流站模型和换流站线路模型。
S202：所述PSCAD平台仿真所述换流站模型和换流站线路模型发生短路故障。
具体地，在PSCAD中创建故障产生模块，故障产生模块作用于换流站模型和换流站线路模型，使得换流站模型和换流站线路模型发生短路故障，PSCAD平台模拟仿真分析换流站模型和换流站线路模型发生短路故障时的电流分布情况。短路故障包括暂态和稳态两个过程，因此分析结果中包括换流站模型暂态部分和稳态部分的短路电流分布情况。其中，换流站稳态指的是换流站系统正常，三相对称的运行状态，其运行参量持续在某一平均值附近变化，由于变化很小，可以认定为常数。换流站暂态指的是从一种稳定状态到另一种稳定状态的过渡过程，过渡过程其运行参量会发生较大的变化。
S300：读取所述PSCAD平台仿真得到的短路电流和入地电流，并将仿真短路电流和入地电流的波形导入Matlab平台。
具体地，PSCAD软件是世界上广泛使用的电磁暂态仿真软件，在PSCAD平台中，故障产生模块作用于换流站模型和换流站线路模型，仿真换流站模型发生线路短路，短路电流流经换流站模型和换流站线路模型中的架空地线、电缆、接地网和变压器中性点等。短路电流存在多个散流途径，如图3所示，由于架空地线和中性点接地的变压器与换流站接地网相连，故障时架空地线与变压器对入地电流起到分流作用，因此可在PSCAD平台中获得短路电流和入地电流。
PSCAD平台通过仿真计算得到换流站模型和换流站线路模型发生短路故障时的短路电流和入地电流，而PSCAD平台只能进行仿真分析，无法进行后续计算，因此本申请基于PSCAD平台和Matlab平台联合仿真，PSCAD平台进行模拟仿真分析，Matlab平台进行数据计算分析。Matlab是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。因此将仿真短路电流和入地电流的波形导入Matlab平台，通过Matlab平台对仿真短路电流和入地电流的波形进行计算分析。
S400：所述Matlab平台计算分析所述仿真短路电流和入地电流的波形，分别得到所述换流站模型暂态和稳态时的短路电流分流系数。
具体地，在Matlab平台中编写程序，将PSCAD平台仿真得到的换流站模型和换流站线路模型的短路电流和入地电流读取至Matlab平台中，Matlab平台对导入的仿真短路电流和入地电流进行分析计算，得到换流站模型的短路电流分流系数。
在PSCAD平台中仿真了换流站模型和换流站线路模型的短路故障，短路故障包括暂态和稳态两个过程，因此在Matlab平台中可获得稳态时的短路电流分流系数和暂态时的短路电流分流系数。
参见图3，换流站包含2回架空地线、变压器和接地网，换流站站内发生单相短路故障，短路电流为Is，该短路电流经过2回架空地线分流的电流分别为Iw1和Iw3，变压器中性点分流的电流为IN，接地网入地电流为Ig，其中，短路电流Is、架空地线分流电流Iw1和Iw3及变压器中性点分流电流IN的大小均可直接测量得知，而接地网入地电流无法直接测量得到，可以通过公式计算得到：
Ig＝Is-Iw1-Iw2-IN
而分流系数ke可通过公式ke＝Ig/Is计算得到。
在分析换流站短路电流分流系数时，短路故障发生位置、换流站接地电阻值、杆塔接地电阻值、换流站进出线数量、电缆长度等参数都对换流站短路电流分流系数产生影响。
还有，为进一步区分换流站稳态和暂态故障时电流分量的不同，使用Matlab平台分析仿真短路电流和入地电流的频谱特性。
以富宁500KV换流站为例，根据富宁500KV换流站实际结构参数和线路参数搭建换流站模型和换流站线路模型，在PSCAD平台中创建故障产生模块，如设置短路点靖西1回交流线第一级杆塔处，故障产生模块作用于换流站模型，对换流站模型和换流站线路模型进行仿真计算，仿真得到的短路电流波形如图4所示，入地电流如图5所示；将仿真短路电流和入地电流的波形导入Matlab平台，Matlab平台计算得到的换流站暂态短路电流分流系数为24.04％，稳态短路电流分流系数为24.51％。
本发明实施例提供的换流站短路电流分流系数仿真方法基于PSCAD和Matlab平台，该方法包括：根据换流站中变压器、接地网和龙门架的结构参数在PSCAD平台中创建换流站模型，根据换流站相连接的输电线路参数在PSCAD平台中创建换流站线路模型，PSCAD平台中的换流站模型和换流站线路模型仿真短路故障，读取PSCAD平台仿真得到的短路电流和入地电流，并将仿真短路电流和入地电流的波形导入Matlab平台，Matlab平台计算分析仿真短路电流和入地电流的波形，分别得到换流站模型暂态和稳态时的短路电流分流系数。本发明实施例基于PSCAD和Matlab平台联合仿真，在PSCAD平台中创建换流站模型和换流站线路模型，较为全面地包含了换流站及线路上的各种设备，能够正确反映各设备对短路电流分流系数的影响，并且通过Matlab平台准确计算短路电流分流系数，实现换流站暂态和稳态分析，计算方法简便易行，计算速度快。
基于本发明实施例提供的换流站短路电流分流系数仿真方法，本发明还提供了一种换流站短路电流分流系数仿真系统，如图6所示，该系统包括PSCAD平台100和Matlab平台200，PSCAD平台包括模型创建模块101、故障产生模块102和仿真分析模块103，Matlab平台200包括读取模块201和计算分析模块，其中：
模型创建模块101：用于根据换流站的结构参数创建换流站模型，换流站结构参数包括变压器、接地网和龙门架等参数；根据换流站相连接的输电线路参数创建换流站线路参数，输电线路参数包括杆塔、架空地线、相线、电缆等参数，如架空地线回数、电缆回数等参数。
故障产生模块102：用于产生短路故障，并作用于所述换流站模型和换流站线路模型，短路故障包括暂态和稳态两个过程。
仿真分析模块103：故障产生模块102产生的短路故障作用于换流站模型，使得换流站模型和换流站线路模型发生短路故障，PSCAD平台仿真分析换流站模型的短路故障，并分别获得仿真短路电流和入地电流。
读取模块201：用于读取PSCAD平台仿真得到的短路电流和入地电流，并将仿真短路电流和入地电流的波形导入Matlab平台。
计算分析模块202：用于根据导入的仿真短路电流和入地电流的波形分别得到换流站模型暂态和稳态时的短路电流分流系数。
从上述实施例可以看出，本发明实施例提供的换流站短路电流分流系数仿真系统较为全面地包含了换流站及线路上的各种设备，根据这些设备参数在PSCAD平台中创建换流站模型和换流站线路模型，对换流站短路故障进行仿真分析，并通过Matlab平台对仿真数据进行计算分析，得到换流站暂态和稳态时的短路电流分流系数。本发明能够正确反映换流站各设备对分流系数的影响，准确实现分流系数的计算，并进行暂态和稳态分析。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
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。
Claims (6)
1.一种换流站短路电流分流系数仿真方法，基于PSCAD和Matlab平台，其特征在于，所述方法包括：
根据换流站中变压器、接地网和龙门架的结构参数在所述PSCAD平台中创建换流站模型，根据换流站相连接的输电线路参数在所述PSCAD平台中创建换流站线路模型；
所述PSCAD平台中的换流站模型和换流站线路模型仿真短路故障；
读取所述PSCAD平台仿真得到的短路电流和入地电流，并将仿真短路电流和入地电流的波形导入Matlab平台；
所述Matlab平台计算分析所述仿真短路电流和入地电流的波形，分别得到所述换流站模型暂态和稳态时的短路电流分流系数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述PSCAD平台中的换流站模型和换流站线路模型仿真短路故障，具体包括：
在所述PSCAD平台中创建故障产生模块，所述故障产生模块作用于所述换流站模型和换流站线路模型；
所述PSCAD平台仿真所述换流站模型和换流站线路模型发生短路故障。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将仿真短路电流和入地电流的波形导入Matlab平台，之后还包括：
在所述Matlab平台中分析所述换流站模型短路电流和入地电流的频谱特性。
4.一种换流站短路电流分流系数仿真系统，基于PSCAD和Matlab平台，其特征在于，所述系统包括：
模型创建模块：用于根据换流站的结构参数创建换流站模型，根据所述换流站相连接的输电线路参数创建换流站线路模型；
故障产生模块：用于产生短路故障，并作用于所述换流站模型和换流站线路模型；
仿真分析模块：用于仿真分析所述换流站模型和换流站线路模型的短路故障，并分别获得仿真短路电流和入地电流；
读取模块：用于读取PSCAD平台得到的仿真短路电流和入地电流，并将所述仿真短路电流和入地电流的波形导入Matlab平台；
计算分析模块：用于根据导入的仿真短路电流和入地电流的波形分别得到换流站模型暂态和稳态时的短路电流分流系数。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述换流站的结构参数包括变压器、接地网和龙门架的参数。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述换流站相连接的输电线路参数包括杆塔、架空地线、相线和电缆的参数。
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