CN109918762A - 一种交直流电网混合仿真对比模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种交直流电网混合仿真对比模型构建方法，包括：1)以被分析局域电网的直流换流站为中心，向外搜索三级电网节点构建内部电网网络，其他网络作为外部电网网络；2)基于机电软件构建全网机电模型，开展三相及单相短路仿真计算，计算得到内部电网网络的正序、零序导纳矩阵；3)基于步骤2)计算结果，构建交流电网电磁模型；4)交流电网电磁模型校验；5)将直流输电系统电磁暂态模型与经步骤4)验证后的交流电网电磁模型组合，形成交直流电网混合仿真对比模型。本发明提供一种交直流混联电网机电‑电磁暂态仿真适应性、准确性的有效验证手段，其仿真结果可用于机电‑电磁暂态混合仿真适应性研究以及电网运行分析等工作。

Description

一种交直流电网混合仿真对比模型构建方法

技术领域

本发明涉及电力系统仿真技术领域，具体是一种交直流电网混合仿真对比模型构建方法。

背景技术

随着近年来电力系统建设工作的快速推进，我国电网已形成交直流混联的格局。为了确保电网安全、稳定、可靠运行，必须借助仿真工具对电网的各种运行工况进行分析。目前主要有两种仿真模式，一种是数字-物理混合仿真，即换流站直流控制保护(二次)系统采用物理模型，换流站一次系统及外部交流电网采用数字仿真模型，物理模型及数字模型通过专门的接口设备交互数据；另一种是数字仿真，其又分为机电-电磁暂态混合仿真(以下简称为混合仿真)以及纯电磁暂态仿真；前者将换流站一次、二次系统构建电磁暂态数字仿真模型，外部电网系统采用机电暂态仿真模型，两种模型间通过机电-电磁仿真接口交互数据，后者将换流站一次、二次系统及近区电网采用电磁暂态仿真模型，电网其他部分简化等效。

由于受物理装置性能的制约，数字-物理混合仿真模型一般用于特定对象的仿真分析。纯电磁暂态仿真模型使用较灵活，但是受计算量的限制，所仿真电网的规模有限。混合仿真结合了机电暂态和电磁暂态仿真的优点，可以在较好仿真准确度的前提下，对大规模交直流混联电网开展仿真计算，已得到推广应用。但是混合仿真的适应性、准确性还有待进一步研究；目前针对该问题的主要方法是构建相应的电网纯电磁暂态仿真模型，并将电磁暂态模型仿真计算结果与混合仿真相比较。为了有效验证混合仿真的适应性、准确性，构建精确的对比分析用电磁暂态仿真模型(简称为电磁对比模型)十分关键，具体包括电磁对比模型的规模、结构以及如何实现对外部(非近区)电网的有效简化等效等。

目前电磁对比模型的构建大多基于工程经验，所构建的模型不完全满足交直流混联电网仿真工作需要。基于以上需要，提出一种电磁对比模型构建方法，用于提升交直流混联电网混合仿真的准确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种交直流电网混合仿真对比模型构建方法，用于交直流混联电网机电-电磁暂态混合仿真适应性研究以及电网运行分析。

一种交直流电网混合仿真对比模型构建方法，包括如下步骤：

1)内部电网网络构建：以所研究局域电网的直流换流站为中心向外搜索，考虑电网节点间的紧密程度与各节点间的电气距离相关，选择向外搜索三级节点作为内部电网网络，内部电网网络之外的网络作为外部电网网络；

2)内部交流电网网络参数计算：基于商用机电暂态仿真软件(简称为机电软件)构建全网机电暂态仿真模型(简称为全网机电模型)，在将直流输电系统(包括所研究直流换流站的直流部分及直流输电线路)从全网机电模型中删除后，开展三相及单相短路仿真计算，计算得到内部交流电网网络的正序、零序导纳矩阵；

3)交流电网网络电磁暂态等效模型(简称为交流电网电磁模型)建模：由步骤2)计算的导纳矩阵，基于商用电磁暂态仿真软件(简称为电磁软件)，构建内部交流电网网络电磁暂态等效模型；并将外部电网网络等效为与内部交流电网网络各边界节点相连的等值电压源；最终形成交流电网电磁模型；

4)交流电网电磁模型校验：对步骤3)构建模型中的内部交流电网网络的各节点进行三相接地短路和单相接地短路仿真计算，求得各个故障节点处的正序短路电流和零序短路电流，并与已删除直流输电系统的全网机电模型计算得到的结果进行比较，以验证电磁模型的有效性；

5)交直流混联电网等效模型构建：将直流输电系统电磁暂态模型与经步骤4)验证后的交流电网电磁模型组合，形成交直流混联电网仿真等效对比模型。

进一步的，所述步骤1)内部电网网络构建具体步骤包括：

(1.1)以所研究局域电网的直流换流站为根节点，向外延伸一级，和初始网络中的研究节点一起，将所得到新的网络作为一级网络；

(1.2)以一级网络的边界节点为根节点，按照步骤(1.1)的方法向外延伸一级，新增的研究节点与一级网络组合作为二级网络；

(1.3)以二级网络的边界节点为根节点，按照步骤(1.2)的方法向外延伸一级，新增的研究节点与二级网络组合作为三级网络，将最终得到的三级网络作为内部电网网络。

进一步的，所述步骤2)交流电网网络参数计算的具体步骤包括：

(2.1)基于机电软件，构建包含所研究局域电网的全网机电模型；

(2.2)修改全网机电模型中的数据文件，将直流输电系统从全网机电模型中删除；

(2.3)在已删除直流输电系统的全网机电模型中，进行所有节点(包括内部节点与边界节点)同时发生三相短路故障的仿真，计算获得各节点的短路支路电流，认定各个节点的短路支路电流与等值网络中该节点的注入电流源相等；

(2.4)对已删除直流输电系统的全网机电模型的各个节点逐一进行三相短路故障仿真，计算获得短路支路的正序电流和各个节点的正序电压，再根据已求得的等值后各个节点的注入电流源，分别列写每次短路的节点电压方程，联立求解得到节点的正序导纳矩阵；

(2.5)采用同样的方法对已删除直流输电系统的全网机电模型各个节点逐一进行单相接地短路故障仿真，计算获得短路支路的零序电流和各个节点的的零序电压，分别列写每次短路的节点电压方程，联立求解可得到边界节点的零序导纳矩阵；

(2.6)根据已删除直流输电系统的全网机电模型中的实际线路参数，计算内部交流电网网络中各个节点之间交流连接线的导纳值，并将该导纳值与步骤(2.4)、(2.5)求解得到的导纳进行对比分析，如果两个节点之间的线路导纳与矩阵中导纳计算值接近，则在建立等值模型时，该两节点通过交流联接线相连；如果两个节点之间的线路导纳与矩阵中导纳计算值区别较大，则实施调整，具体为：在建立等值模型时，该两节点之间除了交流联接线外，还加入耦合支路，该耦合支路的导纳值为计算导纳与线路导纳的差值。

进一步的，步骤(2.6)中根据两个节点之间的线路导纳与导纳计算值偏差是否小于10％来判定是否接近。

进一步的，所述步骤3)交流电网电磁模型建模具体为：

交流电网电磁模型构建中，将外部电网网络等效为与内部交流电网网络各边界节点相连的等值电压源；电压源内阻抗为恒定阻抗，内阻抗可依据各母线的等值短路阻抗来确定；交流电网电磁模型各节点之间的互阻抗采用集中参数的耦合线路建模；交流长距离输电线路采用分布式参数数字仿真模型，并考虑线路分布电容及波过程的影响。

进一步的，所述步骤4)交流电网电磁模型校验具体为：

将交流电网电磁模型各节点的正序短路电流、零序短路电流与已删除直流输电系统的全网机电模型各节点的相应电流计算结果相比，根据工程经验，如果误差在±5％以内，则认为交流电网电磁模型为有效模型，否则对该模型的导纳矩阵进行修改。

进一步的，步骤5)中的所述直流输电系统电磁暂态模型采用被比对混合仿真模型中的相应电磁暂态模型。

本发明提供一种交直流混联电网机电-电磁暂态仿真适应性、准确性的有效验证手段，依托本发明提供方法构建的电磁暂态仿真模型，可以与机电-电磁暂态混合仿真模型进行对比性试验，验证大电网混合仿真结果的准确性；此外，依据本发明提供方法构建的模型还可直接用于电网运行分析。

附图说明

图1是本发明交直流电网混合仿真对比模型构建方法的所涉及的内部电网网络的结构示意图，

图中节点均为500kV及以上电压等级换流站或变电站，节点之间的红色、蓝色实线分别代表500kV及以上电压等级的交流、直流输电线路；

图中两个节点之间红色/蓝色实线的数量表示节点之间的输电线路数量。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明的基本思路：首先以被分析的直流换流站(简称为换流站A)为中心，向外搜索三级电网节点作为内部电网网络，其他网络作为外部电网网络；基于机电软件构建全网机电模型，开展三相及单相短路仿真计算，计算得到内部电网网络的正序、零序导纳矩阵；然后采用电磁软件构建交流电网电磁模型，并验证交流电网电磁模型的有效性；最后将被比对混合仿真模型中的电磁暂态模型与交流电网电磁模型组合，形成交直流混联电网仿真等效对比模型。

一种交直流电网混合仿真对比模型构建方法，包括如下步骤：

步骤1：内部电网网络构建：以被分析局域电网的直流换流站A为中心向外搜索，考虑电网节点间的紧密程度与各节点间的电气距离相关，选择向外搜索三级节点作为内部电网网络，内部电网网络之外的网络作为外部电网网络。图1为含有15个节点的内部电网网络，构建步骤如下：

步骤1.1：以被分析局域电网的直流换流站A为根节点，按照树形发散结构对初始网络进行扩展，向外延伸一级(一级节点1～4)，即选择与根节点直连的节点为新增的研究节点，和初始网络中的研究节点一起，将所得到新的网络作为一级网络。

步骤1.2：以一级网络的边界节点为根节点，按照步骤1.1的方法向外延伸一级，新增的研究节点与一级网络组合作为二级网络(二级节点1～4)。

步骤1.3：以二级网络的边界节点为根节点，按照步骤1.2的方法向外延伸一级，新增的研究节点与二级网络组合作为三级网络(三级节点1～8)，将最终得到的三级网络作为内部电网网络。

在确定内部电网网络的过程中，注意以下几点：(1)在向外扩展确定内部电网网络的过程中，若搜索得到的新增节点为所研究区域电网外部的节点，则停止扩展，并将该新增节点作为边界节点(一级节点4、二级节点1)。(2)如果线路上装设特殊一次设备，例如：线路串联补偿设备(一级节点1)，则将该设备视为一个节点。(3)如果向外扩展的节点为500千伏终端变电站或电厂(一级节点2)，则停止扩展，并将该新增节点作为边界节点。(4)内部电网网络扩展过程中不考虑500千伏以下电压等级的节点，即500千伏以下电压等级的电网均作为外部电网网络进行等值。

步骤2：内部交流电网网络参数计算：基于机电软件计算内部交流电网网络参数。具体步骤包括：

步骤2.1：基于机电软件，例如：PSASP软件，构建所研究区域电网的全网机电模型。

步骤2.2：修改全网机电暂态仿真模型中的数据文件，将直流输电系统(一级节点4)从全网仿真模型中删除。

步骤2.3：在全网机电改后模型(已删除直流输电系统的全网机电模型)中开展所有节点(包括内部节点与边界节点)上同时发生三相短路故障的仿真，计算获得各节点的短路支路电流，各个节点的短路支路电流与等值网络中该节点的注入电流源相等。

步骤2.4：对全网机电改后模型的各个节点逐一进行三相短路，计算获得短路支路的正序电流和各个节点的正序电压，再根据已求得的等值后各个节点的注入电流源，分别列写每次短路的节点电压方程，联立求解可得到节点的正序导纳矩阵。

步骤2.5：采用同样的方法对全网机电改后模型各个节点逐一进行单相接地短路故障仿真，计算获得短路支路的零序电流和各个节点的零序电压，分别列写每次短路的节点电压方程，联立求解可得到边界节点的零序导纳矩阵。

步骤2.6：根据全网机电改后模型中的实际线路参数，计算内部交流电网网络(图1)中各个节点之间的交流连接线的导纳值，并将该导纳值与步骤(2.4)、(2.5)通过求解得到的导纳进行对比分析。如果两个节点之间的线路导纳与导纳计算值接近(例如：差值小于10％)，则说明该两个节点之间的电气关系即为输电线路的联系，故在建立等值模型时，该两节点之间通过实际的交流连接线相连即可。如果两个节点之间线路的导纳与导纳计算值区别较大(例如：差值大于10％)，说明该两点之间的电气关系除了输电线路的联系外还存在其他的耦合支路，故在建立等值模型时进行适当调整，该两节点之间除了通过实际的交流连接线相连外，加入耦合支路，该耦合支路的导纳值为计算导纳与线路导纳的差值。

在内部交流电网网络参数计算过程中，注意以下几点：(1)可以采用被对比的机电-电磁混合仿真模型中的机电暂态模型，作为所研究区域电网的全网机电模型，以减小仿真工作量。(2)步骤(2.5)中，由于边界节点的注入电流源为正序，因此对于零序网络，边界节点的注入电流源为零。(3)为了交流电网网络等效模型的规模，忽略阻抗值大于300Ω的耦合支路。

步骤3：交流电网电磁模型：由步骤2)计算的导纳矩阵，基于商用电磁暂态仿真软件，例如：EMTDC，构建内部交流电网网络电磁暂态等效模型；并将外部电网网络等效为与内部交流电网网络各边界节点相连的等值电压源；最终形成交流电网电磁模型。

在交流电网网络等效模型建模过程中，注意以下几点：(1)由于本模型主要模拟电网电磁暂态过程(毫秒级)，一般不需要考虑发电机的调速、功率调节以及电力系统其它安全稳定装置的动态调节过程(一般为秒级)，因此等值电压源内阻抗按照恒定阻抗来考虑，电源内阻抗可依据各母线背后的等值阻抗来确定。(2)各节点之间的互阻抗采用集中参数的耦合线路建模，交流长传输线采用分布式参数数字仿真模型，例如：采用贝瑞龙模型，即需要考虑线路分布电容的影响与波过程的影响。

步骤4：交流电网电磁模型校验。对步骤3)构建模型中的内部交流电网网络的各个边界点以及内部节点，进行三相接地短路和单相接地短路仿真计算，求得各个故障节点处的正序短路电流和零序短路电流，并与全网机电模型(已删除直流输电系统)计算得到的结果进行比较，以验证电磁模型的有效性。

其中将电网网络等效模型各节点的正序短路电流、零序短路电流与全网机电模型(已删除直流输电系统)各节点的相应电流相比，根据工程经验，如果误差在±5％以内，则认为交直流混联电网电磁暂态等效模型为有效模型，否则对交流电网网络等效模型导纳矩阵进行修改。

步骤5：交直流混联电网等效模型构建。将直流输电系统电磁暂态模型与经步骤4)验证后的交流电网电磁模型组合，形成交直流混联电网仿真等效对比模型。

其中，直流输电系统电磁暂态模型可采用被比对混合仿真模型中的相应电磁暂态模型。

本发明提供一种交直流混联电网机电-电磁暂态仿真适应性、准确性的有效验证手段，依托本发明提供方法构建的仿真模型，可以与机电-电磁暂态混合仿真模型进行对比性试验，验证大电网混合仿真结果的准确性；此外，依据本发明提供方法构建的模型还可直接用于电网运行分析。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种交直流电网混合仿真对比模型构建方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)内部电网网络构建：以所研究局域电网的直流换流站为中心向外搜索，考虑电网节点间的紧密程度与各节点间的电气距离相关，选择向外搜索三级节点作为内部电网网络，内部电网网络之外的网络作为外部电网网络；

2)内部交流电网网络参数计算：基于机电软件构建全网机电模型，在将直流输电系统从全网机电模型中删除后，开展三相及单相短路仿真计算，计算得到内部交流电网网络的正序、零序导纳矩阵；

3)交流电网电磁模型建模：由步骤2)计算的正序、零序导纳矩阵，基于商用电磁暂态仿真软件，构建内部交流电网网络电磁暂态等效模型，并将外部电网网络等效为与内部交流电网网络各边界节点相连的等值电压源，最终形成交流电网电磁模型；

4)交流电网电磁模型校验：对步骤3)构建的交流电网电磁模型中的内部交流电网网络的各节点进行三相接地短路和单相接地短路仿真计算，求得各个故障节点处的正序短路电流和零序短路电流，并与已删除直流输电系统的全网机电模型计算得到的结果进行比较，以验证交流电网电磁模型的有效性；

5)交直流混联电网等效模型构建：将直流输电系统电磁暂态模型与经步骤4)验证后的交流电网电磁模型组合，形成交直流混联电网仿真等效对比模型。

2.如权利要求1所述的交直流电网混合仿真对比模型构建方法，其特征在于：所述步骤1)内部电网网络构建具体步骤包括：

(1.1)以所研究局域电网的直流换流站为根节点，向外延伸一级，和初始网络中的研究节点一起，将所得到新的网络作为一级网络；

(1.2)以一级网络的边界节点为根节点，按照步骤(1.1)的方法向外延伸一级，新增的研究节点与一级网络组合作为二级网络；

(1.3)以二级网络的边界节点为根节点，按照步骤(1.2)的方法向外延伸一级，新增的研究节点与二级网络组合作为三级网络，将最终得到的三级网络作为内部电网网络。

3.如权利要求1所述的交直流电网混合仿真对比模型构建方法，其特征在于：所述步骤2)内部交流电网网络参数计算具体步骤包括：

(2.1)基于机电软件，构建包含所研究局域电网的全网机电模型；

(2.2)修改全网机电模型中的数据文件，将直流输电系统从全网机电模型中删除；

(2.3)在已删除直流输电系统的全网机电模型中进行所有节点同时发生三相短路故障的仿真，计算获得各节点的短路支路电流，认定各个节点的短路支路电流与等值网络中该节点的注入电流源相等；

(2.4)对已删除直流输电系统的全网机电模型的各个节点逐一进行三相短路故障仿真，计算获得短路支路的正序电流和各个节点的正序电压，再根据已求得的等值后各个节点的注入电流源，分别列写每次短路的节点电压方程，联立求解得到节点的正序导纳矩阵；

(2.5)采用同样的方法对已删除直流输电系统的全网机电模型各个节点逐一进行单相接地短路故障仿真，计算获得短路支路的零序电流和各个节点的零序电压，分别列写每次短路的节点电压方程，联立求解可得到边界节点的零序导纳矩阵；

(2.6)根据已删除直流输电系统的全网机电模型中的实际线路参数，计算内部交流电网网络中各个节点之间交流连接线的导纳值，并将该导纳值与步骤(2.4)、(2.5)求解得到的导纳进行对比，如果两个节点之间的线路导纳与矩阵中导纳计算值接近，则在建立等值模型时，该两节点之间通过交流连接线相连；如果两个节点之间的线路导纳与矩阵中导纳计算值区别较大，则实施调整，具体为：在建立等值模型时，该两节点之间除了通过交流联接线外，还加入耦合支路，该耦合支路的导纳值为计算导纳与线路导纳的差值。

4.如权利要求3所述的交直流电网混合仿真对比模型构建方法，其特征在于：步骤(2.6)中根据两个节点之间的线路导纳与导纳计算值偏差是否小于10％来判定是否接近。

5.如权利要求1所述的交直流电网混合仿真对比模型构建方法，其特征在于：所述步骤3)交流电网电磁模型建模具体为：

交流电网电磁模型构建中，将外部电网网络等效为与内部交流电网网络各边界节点相连的等值电压源；电压源内阻抗为恒定阻抗，内阻抗可依据各母线的等值短路阻抗来确定；交流电网电磁模型各节点之间的互阻抗采用集中参数的耦合线路建模；交流长距离输电线路采用分布式参数数字仿真模型，并考虑线路分布电容及波过程的影响。

6.如权利要求1所述的交直流电网混合仿真对比模型构建方法，其特征在于：所述步骤4)交流电网电磁模型校验具体为：

将交流电网电磁模型各节点的正序短路电流、零序短路电流与已删除直流输电系统的全网机电模型各节点的相应电流计算结果相比；根据工程经验，如果误差在±5％以内，则认为交流电网电磁模型为有效模型，否则对该模型的导纳矩阵进行修改。

7.如权利要求1所述的交直流电网混合仿真对比模型构建方法，其特征在于：步骤5)中的所述直流输电系统电磁暂态模型采用被比对混合仿真模型中的相应电磁暂态模型。