CN107290624A - 一种适用于非有效接地配电网的三相配电线路模型 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种适用于非有效接地配电网的三相配电线路模型，可用于测试验证暂态量故障选线和零残流故障消弧方法的有效性。所提出的改进型三相配电线路模型参数确定方法包括，一是限定三相配电线路模型适用的线路长度范围，能够保证在数千赫兹频率范围内配电线路零序网络模型均处于容性范围内；二是给出修正系数a和b的确定方法，使所提模型满足单相接地故障下配电系统稳态响应特性，具体指能使三相配电线路零序网络阻抗首次由容性变化为感性的边界频率与真实配电线路相等；三是确定虚拟电阻的数值，能使所提单相接地故障下配电线路模型的时间常数与真实配电线路相等。
Description
技术领域
本发明属于非有效接地配电网技术领域，具体涉及一种适用于非有效接地配电网的三相配电线路模型及其参数的确定。
背景技术
为提高非有效接地配电网中的接地选线动作正确率，实现单相接地故障的零残流消弧，有必要对提出的新方法与新产品进行验证分析。目前非有效接地配电网中的保护及消弧新方法的测试验证主要采取两种方法：一是利用电力系统数字仿真软件产生相应的波形数据，通过功率放大仪与测试设备进行接口；另一种方法是建立电力系统的物理模拟仿真模型，可直接将测试设备与所建模型进行连接。
物理模拟是采用物理元件对真实系统的行为进行模拟，尤其适合于新型设备和控制策略的仿真与测试。为构建非有效接地配电网的物理模型，三相配电线路的精确建模是其关键因素。
非有效接地配电网中，零模网络阻抗主要由三相配电线路阻抗决定，而线模网络阻抗则由三相配电线路阻抗、变压器阻抗、负荷阻抗和系统阻抗综合组成。
现有实验中，多忽略非有效接地配电网线模网络阻抗对零序电流的影响，直接将三相配电线路等效为零序网络阻抗，且仅利用单个集中参数电容来建模，过于粗糙。而常用的输电线路集中参数等值“π”模型则主要用于模拟工频50赫兹情况下的稳态特性，无法准确模拟配电网单相接地故障时工频50赫兹至数千赫兹频率范围内电力系统的真实响应特性。
因此，需寻找一种适用于非有效接地配电网故障选线和消弧测试验证的三相配电线路模型及其参数确定方法。
发明内容：
本发明的目的是提供一种适用于非有效接地配电网的三相配电线路模型，可用于构建配电系统物理模型，以测试验证暂态量故障选线和零残流故障消弧方法的有效性，以克服背景技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种适用于非有效接地配电网的三相配电线路模型，包括三相配电线，三条线路的输入端和输出端之间分别设有串联的电感LA电阻RA，串联的电感LB电阻RB，串联的电感LC电阻RC，电感LA、电感LB、电感LC与三相线路的输入端之间分别通过电容CA1、电容CA2和电容CA3连接对地电容CA的一端，对地电容CA的另一端通过虚拟电阻R1连接地线，电阻RA、电阻RB、电阻RC与三相线路的输出端之间分别通过电容CB1、电容CB2和电容CB3连接对地电容CB的一端，对地电容CB的另一端通过虚拟电阻R2连接地线，虚拟电阻R1和虚拟电阻R2之间的地线线路上设有串联的电感L和电阻R。
较佳地，对地电容CA的取值为aCNl，对地电容CB的取值为bCNl，其中l为配电线路长度，a和b为修成系数，
C1为配电线路每单位长度正序电纳对应的电容，C0为配电线路每单位长度零序电纳对应的电容，k＝ω'1/ω'0，长度为l的配电线路零序网络阻抗首次由容性变化为感性的边界频率为ω'0，同等长度l的真实配电线路首次由容性变化为感性的边界频率为ω'1。
较佳地，长度为l的配电线路零序网络阻抗首次由容性变化为感性的边界频率ω'0可通过以下公式获取
L0和C0分别为配电线路每单位长度的零序电感和零序电容。
较佳地，等长度l的真实配电线路首次由容性变化为感性的边界频率ω'1通过如下公式迭代获取
L0、r0和C0分别为配电线路每单位长度的零序电感、零序电阻和零序电容，L1、r1和C1分别为配电线路每单位长度的正序电感、正序电阻和正序电容，
较佳地，电容CA1、电容CA2和电容CA3的电容值均为0.5CNl，其中，C1为配电线路每单位长度正序电纳对应的电容，C0为配电线路每单位长度零序电纳对应的电容，l为配电线路长度。
较佳地，电容CB1、电容CB2和电容CB3的电容值均为0.5CNl，其中，C1为配电线路每单位长度正序电纳对应的电容，C0为配电线路每单位长度零序电纳对应的电容，l为配电线路长度。
较佳地，虚拟电阻R1和虚拟电阻R2的电阻值均为其中，ω＝314，l为配电线路长度，L0、r0和C0分别为配电线路每单位长度的零序电感、零序电阻和零序电容，
较佳地，三相配电线路长度小于等于最大线路长度xmax，
其中，L0和C0分别为配电线路每单位长度的零序电感和零序电容，ω0为依据经验人工确定的最大频率值，且ω0大于50赫兹。
较佳地，当三相配电线路的总长度大于最大线路长度xmax时，将其均分为数个分段配电线路串联而成，且各个分段配电线路长度均小于等于最大线路长度xmax。
本发明的有益效果在于：本发明一种新的三相配电线路模型提出的三相配电线路模型构建方法，限定三相配电线路模型适用的线路长度范围，提出满足单相接地故障下配电系统稳态响应特性的元件参数修正方法，加入虚拟电阻改善模型在单相接地故障下暂态响应特性。所提供的三相配电线路模型及其参数确定方法可精确模拟非有效接地配电网单相接地故障下工频50赫兹至数千赫兹频率范围内配电系统稳态响应和暂态响应。通过限定适用范围、修正元件参数、引入虚拟电阻措施，形成改进型三相配电线路模型，可用于测试验证暂态量故障选线和零残流故障消弧方法的有效性。本发明所提供的适用范围限定方法，能够保证在数千赫兹频率范围内配电线路零序网络模型均处于容性范围内。本发明所提供的修正元件参数也即修正系数a和b的确定方法，能使三相配电线路零序网络阻抗首次由容性变化为感性的边界频率与真实配电线路相等。本发明所提供的引入虚拟电阻措施，能使单相接地故障下所提配电线路模型的时间常数与真实配电线路相等。
附图说明
图1传统模拟三相导线的模型网络接线图；
图2本发明实施例所述三相配电线路模型；
图3一典型非有效接地配电网模型；
图4配电线路采用分布参数模型、传统三相配电线路模型以及采用本发明实施例所述适用于非有效接地配电网的三相配电线路模型时，线路2末端发生单相接地故障时，线路1首端测量到的零序电流暂态波形；
图5配电线路采用分布参数模型、传统三相配电线路模型以及采用本发明实施例所述适用于非有效接地配电网的三相配电线路模型时，线路2末端发生单相接地故障时，线路1首端测量到的零序电流稳态波形。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
三相导线模型建立过程中，普遍按其相序网络参数相似原理建立普通链形回路来模拟，既省去较困难的互感模拟，又可通过变换计算，减少元件数目。传统模拟三相导线的模型网络接线图如附图1所示。
忽略配电线路对地电导，配电线路每单位长度零序电感L0，零序电阻r0，零序电纳对应的电容为C0；正序电感L1，正序电阻r1，正序电纳对应的电容为C1。则对于长度为l的配电线路，传统三相导线模型网络接线中，
本实施例提供了一种新的三相配电线路模型及其参数确定方法，提出的三相配电线路模型构建方法主要包括三部分内容：一是限定三相配电线路模型适用的线路长度范围；二是提出满足单相接地故障下配电系统稳态响应特性的元件参数修正方法；三是加入虚拟电阻，改善模型在单相接地故障下暂态响应特性。
所提适用于非有效接地配电网的三相配电线路模型如附图2所示，相比传统三相导线模型网络接线，所提改进型三相配电线路模型将传统三相导线模型两侧对地电容0.5CNl分别修正为aCNl和bCNl，其中，a和b为修正系数；同时所提三相配电线路模型在两侧对地电容与地线间分别接入了虚拟电阻rg，以改善其时间常数。
本发明所述的一种适用于非有效接地配电网的三相配电线路模型，包括三相配电线，三条线路的输入端和输出端之间分别设有串联的电感LA电阻RA，串联的电感LB电阻RB，串联的电感LC电阻RC，电感LA、电感LB、电感LC与三相线路的输入端之间分别通过电容CA1、电容CA2和电容CA3连接对地电容CA的一端，对地电容CA的另一端通过虚拟电阻R1连接地线，电阻RA、电阻RB、电阻RC与三相线路的输出端之间分别通过电容CB1、电容CB2和电容CB3连接对地电容CB的一端，对地电容CB的另一端通过虚拟电阻R2连接地线，虚拟电阻R1和虚拟电阻R2之间的地线线路上设有串联的电感L和电阻R。
对地电容CA的取值为aCNl，对地电容CB的取值为bCNl，其中l为配电线路长度，a和b为修成系数，
C1为配电线路每单位长度正序电纳对应的电容，C0为配电线路每单位长度零序电纳对应的电容，k＝ω'1/ω'0，长度为l的配电线路零序网络阻抗首次由容性变化为感性的边界频率为ω'0，同等长度l的真实配电线路首次由容性变化为感性的边界频率为ω'1。
长度为l的配电线路零序网络阻抗首次由容性变化为感性的边界频率ω'0可通过以下公式获取
L0和C0分别为配电线路每单位长度的零序电感和零序电容。
等长度l的真实配电线路首次由容性变化为感性的边界频率ω'1通过如下公式迭代获取
L0、r0和C0分别为配电线路每单位长度的零序电感、零序电阻和零序电容，L1、r1和C1分别为配电线路每单位长度的正序电感、正序电阻和正序电容，
电容CA1、电容CA2和电容CA3的电容值均为0.5CNl，其中，C1为配电线路每单位长度正序电纳对应的电容，C0为配电线路每单位长度零序电纳对应的电容，l为配电线路长度。
电容CB1、电容CB2和电容CB3的电容值均为0.5CNl，其中，C1为配电线路每单位长度正序电纳对应的电容，C0为配电线路每单位长度零序电纳对应的电容，l为配电线路长度。
虚拟电阻R1和虚拟电阻R2的电阻值均为其中，ω＝314，L0、r0和C0分别为配电线路每单位长度的零序电感、零序电阻和零序电容，
三相配电线路长度小于等于最大线路长度xmax，
其中，L0和C0分别为配电线路每单位长度的零序电感和零序电容，ω0为依据经验人工确定的最大频率值，且ω0大于50赫兹。
当三相配电线路的总长度大于最大线路长度xmax时，将其均分为数个分段配电线路串联而成，且各个分段配电线路长度均小于等于最大线路长度xmax。
本发明提出的方法具体涉及一种可精确模拟工频50赫兹至数千赫兹频率范围响应特性的三相配电线路模型及其参数确定方法，尤其是一种适用于非有效接地配电网的三相配电线路模型及其参数确定方法。
实际上，非有效接地配电网发生单相接地故障时，配电网故障特性主要由零序网络阻抗决定，而零序网络阻抗主要由配电线路决定。因此，本发明专利重点讨论的是三相配电线路模型及其参数确定方法，具体为对由相序网络参数相似原理建立的三相输电线路模型的修正，主要包括三部分内容，一是限定三相配电线路模型适用的线路长度范围；二是提出满足单相接地故障下配电系统稳态响应特性的元件参数修正方法；三是加入虚拟电阻，改善模型在单相接地故障下暂态响应特性。
下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。为了研究方便，不失一般性，取定频率范围为0～5kHz。
忽略配电线路对地电导，配电线路每单位长度零序电感L0，零序电阻r0，零序电纳对应的电容为C0；正序电感L1，正序电阻r1，正序电纳对应的电容为C1。
传统由相序网络参数相似原理建立的三相配电线路模型如附图1所示，假设配电线路的长度为l。其中，
附图2为所提出的改进型三相配电线路模型。所不同的是，本发明实施例三相配电线路物理模型线路两侧对地电容0.5CNl分别修正为αCNl和bCNl，也即对地电容CA的取值为aCNl，对地电容CB的取值为bCNl，其中，a和b为修正系数；同时所提三相配电线路物理模型接入了虚拟电阻rg。
下面结合实施例描述本发明所述三相配电线路模型参数确定方法，各参数的确定包括如下所述具体过程：
第1步，限定所提三相配电线路物理模型的适用范围。
为测试验证暂态量故障选线和零残流故障消弧方法的有效性，需保证三相配电线路模型可准确模拟配电网单相接地故障下的特性，即保证在工频50赫兹至数千赫兹频率(最大频率按研究需要确定，假设为ω0)范围内配电线路零序网络模型均处于容性范围。可根据公式(1)求出三相配电线路模型可模拟的配电线路最大线路长度xmax。
长度大于xmax的配电线路应将其均分为m个配电线路串联而成，保证这m个配电线路长度不超过xmax。
第2步，修正系数a和b的确定。为保证在工频50赫兹至ω0范围内尽量准确模拟三相配电线路稳态阻抗，应该保证所提三相配电线路零序网络阻抗首次由容性变化为感性的边界频率与真实配电线路相等。设未修正的传统三相配电线路模型下，如附图1所示，长度为l(l<xmax)的配电线路零序网络阻抗首次由容性变化为感性的边界频率约为ω'0，同等长度l的真实配电线路，首次由容性变化为感性的边界频率为ω'1，ω'1/ω'0＝k可以推出修正系数a和b的计算公式分别如式(2)和(3)所示。
a和b为修正系数，具体如附图2所示，改进型三相配电线路模型将传统三相导线模型两侧对地电容0.5CNl分别修正为αCNl和bCNl。C1为配电线路每单位长度正序电纳对应的电容，C0为配电线路每单位长度零序电纳对应的电容。
ω'0为传统三相配电线路模型零序网络阻抗首次由容性变化为感性的边界频率，利用公式(4)计算得出。
ω'1为同等长度l的真实配电线路首次由容性变化为感性的边界频率，其利用公式(5)迭代求出。
式(5)中，L0、r0和C0分别为配电线路每单位长度的零序电感、零序电阻和零序电容，L1、r1和C1分别为配电线路每单位长度的正序电感、正序电阻和正序电容。
第3歩，虚拟电阻的确定。为模拟三相配电线路的暂态响应，使所提配电线路模型的时间常数与真实配电线路相等，可加入虚拟电阻rg。可以推出虚拟电阻rg的计算公式如式(6)所示。
式(6)中，ω＝314。
至此，所提改进型三相配电线路模型参数参数求解完毕。
下面为说明所提改进型三相配电线路模型的有效性，结合一典型非有效接地配电网模型，如附图3所示。其中，配电线路参数，具体如下：
正序网络参数：
单位长度电阻：r1＝0.096Ω/km；
单位长度电感：l1＝1.22mH/km；
单位长度电容：c1＝0.011μF/km；
零序网络参数：
单位长度电阻：r0＝0.23Ω/km；
单位长度电感：l0＝3.66mH/km；
单位长度电容：c0＝0.007μF/km；
所研究频率范围：50Hz～5kHz；
求出三相配电线路模型的rN、LN和CN参数分别如下：
rN＝0.045Ω/km，LN＝0.81mH/km，CN＝0.058μF/km
根据公式(1)，可计算出正序网络模型中可模拟的最大线路长度xmax＝8.9km；因此，线路1应由4个7.5km的改进型三相配电线路模型串联组成；线路2和线路3分别由1个改进型三相配电线路模型组成。
根据公式(4)和(5)，分别计算可得：
L＝7.5km配电线路对应的ω'1与ω'0的分别为41378rad/s(6.6kHz)和37253rad/s(5.9kHz)，k＝1.1。
L＝3km配电线路对应的ω'1与ω'0的分别为103440rad/s(16.5kHz)和93133rad/s(14.8kHz)，k＝1.1。
L＝8km配电线路对应的ω'1与ω'0的分别为38792rad/s(6.2kHz)34925rad/s(5.5kHz)，k＝1.1。
上述ω'1是基于公式(5)，利用MATLAB的fsolve函数求解得出。
将k值代入式(2)和式(3)，可计算修正系数α＝0.843，b＝0.317；
根据公式(6)，可计算出l＝7.5km对应的虚拟电阻rg＝0.093Ω，l＝3km对应的虚拟电阻rg＝0.037Ω，l＝8km对应的虚拟电阻rg＝0.103Ω。
附图4给出了配电线路采用分布参数模型、传统三相配电线路模型以及所提改进型三相配电线路模型时，线路2末端发生单相接地故障时，线路1首端测量到的零序电流暂态波形。
附图5给出了配电线路采用分布参数模型、传统三相配电线路模型以及所提改进型三相配电线路模型时，线路2末端发生单相接地故障时，线路1首端测量到的零序电流稳态波形。
由附图4可得，相比传统三相导线线路模型，所提改进型三相配电线路模型可更为真实地反应非有效接地配电网单相接地故障下的暂态特性。
由附图5可得，所提改进型三相配电线路模型在引入修正系数和虚拟电阻后，仍可真实地反应非有效接地配电网单相接地故障下的稳态特性。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。本说明书中未作详细描述的部分属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (7)
1.一种适用于非有效接地配电网的三相配电线路模型，包括三相配电线，三条线路的输入端和输出端之间分别设有串联的电感LA电阻RA，串联的电感LB电阻RB，串联的电感LC电阻RC，其特征在于：电感LA、电感LB、电感LC与三相线路的输入端之间分别通过电容CA1、电容CA2和电容CA3连接对地电容CA的一端，所述对地电容CA的另一端通过虚拟电阻R1连接地线，电阻RA、电阻RB、电阻RC与三相线路的输出端之间分别通过电容CB1、电容CB2和电容CB3连接对地电容CB的一端，所述对地电容CB的另一端通过虚拟电阻R2连接地线，所述虚拟电阻R1和所述虚拟电阻R2之间的地线线路上设有串联的电感L和电阻R。
2.一种如权利要求1所述适用于非有效接地配电网的三相配电线路模型，其特征在于：对地电容CA的取值为aCNl，对地电容CB的取值为bCNl，其中l为配电线路长度，a和b为修成系数，
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C1为配电线路每单位长度正序电纳对应的电容，C0为配电线路每单位长度零序电纳对应的电容，k＝ω'1/ω'0，长度为l的配电线路零序网络阻抗首次由容性变化为感性的边界频率为ω'0，同等长度l的真实配电线路首次由容性变化为感性的边界频率为ω'1。
3.一种如权利要求2所述适用于非有效接地配电网的三相配电线路模型，其特征在于：所述长度为l的配电线路零序网络阻抗首次由容性变化为感性的边界频率ω'0可通过以下公式获取
L0和C0分别为配电线路每单位长度的零序电感和零序电容。
4.一种如权利要求2所述适用于非有效接地配电网的三相配电线路模型，其特征在于：等长度l的真实配电线路首次由容性变化为感性的边界频率ω'1通过如下公式迭代获取
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L0、r0和C0分别为配电线路每单位长度的零序电感、零序电阻和零序电容，L1、r1和C1分别为配电线路每单位长度的正序电感、正序电阻和正序电容，
5.一种如权利要求1所述适用于非有效接地配电网的三相配电线路模型，其特征在于：所述虚拟电阻R1和所述虚拟电阻R2的电阻值均为其中，ω＝314，l为配电线路长度，L0、r0和C0分别为配电线路每单位长度的零序电感、零序电阻和零序电容，
6.一种如权利要求1所述适用于非有效接地配电网的三相配电线路模型，其特征在于：所述三相配电线路长度小于等于最大线路长度xmax，
其中，L0和C0分别为配电线路每单位长度的零序电感和零序电容，ω0为依据经验人工确定的最大频率值，且ω0大于50赫兹。
7.一种如权利要求8所述适用于非有效接地配电网的三相配电线路模型，其特征在于：当所述三相配电线路的总长度大于所述最大线路长度xmax时，将其均分为数个分段配电线路串联而成，且各个所述分段配电线路长度均小于等于所述最大线路长度xmax。
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2017
- 2017-06-19 CN CN201710463525.2A patent/CN107290624B/zh active Active
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