CN110165670A - 一种引起换流母线电压畸变的非工频电流快速定位方法 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种引起换流母线电压畸变的非工频电流快速定位方法，主要步骤有：(1)获取系统拓扑及设备参数信息；(2)建立系统宽频导纳矩阵模型，并求取系统宽频阻抗矩阵模型；(3)利用频率扫描法计算得到非工频电流注入节点与换流站母线节点的宽频互阻抗；(4)筛选并保存非工频电流注入节点与换流站母线节点宽频互阻抗信息；(5)评估各节点非工频电流注入对换流站母线电压的影响。该方法综合了宽频导纳矩阵模型与频率扫描法的优点，具有原理明确、易于编程实现等优势，可快速得到对换流站母线电压影响较大的非工频电流注入位置，为进一步的系统仿真研究提供参考和指导。

Description

一种引起换流母线电压畸变的非工频电流快速定位方法

技术领域

本发明属于电力系统安全稳定分析评估领域，具体涉及一种快速定位对换流站母线电压影响较大的非工频电流注入位置的方法。

背景技术

近年来，大容量、远距离的超高压/特高压直流输电在我国电网得到了广泛的推广和应用。国家大气污染防治行动计划“四交四直”工程中的4回特高压直流输电(宁东-浙江、锡盟-泰州、晋北-南京、上海庙-山东)均已建成投产，输送容量更大的±1100kV准东-皖南特高压直流输电工程也已开工建设。至2018年底，华东电网将拥有7回特高压直流落点、3回超高压直流落点，成为典型的多直流馈入受端电网。多回大容量的直流输电落点在解决电网电力紧缺问题的同时，单回或多回直流输电换相失败甚至闭锁也将给电网的安全稳定运行带来严峻的挑战。

同时，随着电力系统的建设和电力电子技术的大力推广，电力系统运行中所面临的谐波问题也逐渐显现。我国电网运行过程中，谐波造成直流换相失败甚至闭锁的情况也时有发生：青藏直流联网工程投运后，2011年西北电网750kV主变励磁涌流曾两次引起柴达木换流站100Hz谐波保护动作、造成闭锁；2013年，华东电网练塘特高压主变充电励磁涌流造成邻近的枫泾换流站发生连续换相失败，并最终导致直流控制保护系统动作闭锁直流。

我国华东电网等大型受端电网拥有多回超高压/特高压直流输电落点，直流受电功率大且各直流落点之间电气距离近，电网内励磁涌流等非工频谐波电流注入可能会造成直流输电发生换相失败，进而危及大电网的安全稳定运行。

非工频谐波电流注入导致直流输电换流站交流母线电压波形发生畸变，是造成直流换相失败的直接原因。因此，获取对换流站电压影响较大的非工频谐波电流注入位置，并开展进一步的分析研究，对提升我国电网的安全稳定运行水平具有十分重要的意义。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于，提供一种快速定位对换流站母线电压影响较大的非工频电流注入位置的方法，以量化评价并筛选出对直流输电换流站母线电压影响较大的谐波电流注入节点位置。

技术方案：为达到上述目的，本发明综合利用宽频导纳矩阵模型和频率扫描的方法，提供了一种可快速定位对换流站母线电压影响较大的非工频电流注入位置的方法，步骤如下：

步骤(1)、获取系统拓扑及设备参数信息；

步骤(2)、生成系统宽频导纳矩阵，求取系统宽频阻抗矩阵；

步骤(3)、利用频率扫描法计算得到非工频电流注入节点与换流站母线节点的宽频互阻抗；

步骤(4)、筛选并保存非工频电流注入节点与换流站母线节点宽频互阻抗信息；

步骤(5)、评估各节点非工频电流注入对换流站母线电压的影响。

所述步骤(1)中，参数信息包括系统工频频率、系统基准容量、元件间的拓扑连接关系、设备元件参数、换流站母线节点编号、非工频电流注入节点编号、频率扫描步长和上下截止频率，以及非工频谐波电流的频率和幅值信息。

所述步骤(2)中，根据系统各元件宽频导纳模型和拓扑连接关系，采用节点分析法生成系统的宽频导纳矩阵。

所述步骤(5)，具体包括如下内容：

(5.1)、对于单一频率的非工频电流注入，将各节点与换流站母线节点在该频率下的互阻抗由大到小排序，互阻抗幅值越大，则对应节点对换流站母线节点电压的影响越大；

(5.2)、对于有包含多个频率分量的非工频注入电流，根据不同频率分量的电流幅值大小计算对应节点对换流站母线电压影响的指标，指标幅值越大，则对应节点对换流站母线节点电压的影响越大；

(5.3)、若仅知道非工频注入电流的频率范围，则采用梯形积分法估算对应节点对换流站母线电压影响的指标，指标幅值越大，则对应节点对换流站母线节点电压的影响越大。

所述步骤(5.2)，指标计算方法为：

对各非工频频率电流分量幅值进行归一化处理，并将其作为各非工频频率电流分量的权重：

得到节点i对换流站母线电压影响的指标为：

式中，上标或下标l表示相应的频率下的量值，J表示频率分量个数，A₁,A₂…A_J表示不同频率分量的电流幅值大小。

所述步骤(5.3)，指标计算方法为：

设非工频注入电流的频率下限为ω_low、上限为ω_up，频率扫描的步长为ω_step，节点i对换流站母线电压影响的指标为：

式中，上标或下标ω表示相应的频率分量。

有益效果

和现有技术相比，本发明具有如下显著进步：通过合理的整合综合利用系统宽频导纳模型及频率扫描方法，可快速得到系统在任意频率(工频频率的整数次、非整数次)下的阻抗矩阵，并进一步快速评估定位对换流站母线电压影响较大的非工频电流注入位置，为进一步开展非工频谐波电流注入造成直流输电换相失败风险分析提供依据和指导，为多直流馈入大型电力系统的安全稳定运行提供分析手段上的有力支撑。

附图说明

图1为本发明快速定位对换流站母线电压影响较大的非工频电流注入位置方法的流程图。

图2为本发明快速定位对换流站母线电压影响较大的非工频电流注入位置方法计算机编程实现的流程图。

图3为节点i与换流站节点H之间的宽频互阻抗-角频率曲线示意图，(a)电阻，(b)电抗。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面将结合附图对本发明实施方式做进一步的详细阐述。

本发明为一种快速定位对换流站母线电压影响较大的非工频电流注入位置的方法，方法的主要实现流程参见图1。该方法进行计算机编程实现时主要包括系统参数设置、系统宽频阻抗矩阵建模、频率扫描、与换流站节点宽频互阻抗筛选、对换流站母线电压影响评估等5个步骤，该方法进行计算机编程实现的具体流程参见图2。

(1)系统参数设置，包括以下几大类：

a)用于标幺值和有名值参数转换的系统工频频率、系统基准容量等信息；

b)电力系统元件间的拓扑连接关系、设备参数等系统结构和参数信息；

c)换流站母线节点编号、非工频电流注入节点编号等信息；

d)用于频率扫描设置的频率扫描步长和上/下截止频率等信息；

e)非工频谐波电流的频率和幅值信息。

(2)系统宽频阻抗矩阵建模过程，首先利用系统各元件的宽频导纳模型和拓扑链接关系，采用节点分析的方法生成系统的宽频导纳矩阵；然后，利用系统的宽频导纳矩阵求取系统的宽频阻抗矩阵。采用节点分析法更新系统宽频导纳矩阵，并求解系统宽频阻抗矩阵时有：

2.1)对于并联电容器等单端口元件，其宽频导纳模型为

i＝Y(s)u

式中，i和u分别为单端口并联元件的电流和电压，Y(s)为元件的宽频导纳，s为Laplace算子。设该单端口元件接入系统节点k，则系统宽频导纳矩阵的第k列、第k行元素更新为：

Y_kk(s)＝Y_kk(s)+Y(s)

2.2)对于输电线路等两端口元件，其宽频导纳模型可表示为：

式中，k和m分别为元件的两端节点编号；Y_k′_k和Y_m′_m分别为节点k和m的宽频自阻抗，Y_k′_m和Y_m′_k为节点k和m的宽频互阻抗，且均为Laplace算子s的函数。则系统宽频导纳矩阵的相关元素更新为：

2.3)对于三绕组变压器等三端口元件，其宽频导纳模型可表示为：

式中，r、s和t分别为元件的三端节点编号；Y′_ij(i＝{r,s,t},j＝{r,s,t})为节点r、s和t的宽频自阻抗和互阻抗，且均为Laplace算子s的函数。则系统宽频导纳矩阵的相关元素更新为：

2.4)对于含有N个节点的系统而言，采用节点分析法得到系统的宽频导纳矩阵

式中，Y_ij(i＝1,2…N；j＝1,2…N)为系统各节点的宽频自导纳和互导纳，s为Laplace算子。对其进行求逆即可得到该系统的宽频阻抗矩阵模型：

式中，Z_ij(i＝1,2…N；j＝1,2…N)为系统各节点的宽频自阻抗和互阻抗。

本发明方法实施过程中，电力设备及系统均采用宽频导纳矩阵模型，该模型不仅适用于整数次谐波分析，还适用于非整数次谐波分析的情况。

(3)频率扫描，是在得到系统的宽频阻抗矩阵模型后，针对宽频阻抗矩阵模型中的Laplace算子s，令s＝jω(式中，j为虚数算子；ω为电气量角频率，且其与频率f的关系为ω＝2πf)求解系统宽频阻抗矩阵在角频率ω下的各节点自阻抗和互阻抗值；随后，按照频率扫描的规则不断改变角频率ω的值，并重复上述计算过程，便可计算得到系统在相关频率范围内的非工频(含工频频率的整数倍和非整数倍频率)自阻抗和互阻抗信息。

采用频率扫描的处理方式，不仅可求解得到系统的整数次谐波阻抗矩阵，还可求解得到非整数次谐波的阻抗矩阵，从而可实现非工频(含工频频率的整数次和非整数次频率)电流注入对换流站母线电压影响的分析。

(4)与换流站节点宽频互阻抗筛选主要用于减少数据存储量。对于规模较大的电力系统而言，保存所有节点的宽频自阻抗和互阻抗数据存储量大，如对于含有N个节点的系统，其中含有换流站母线节点M个(N＞＞M)，在某频率ω下其阻抗矩阵为N×N阶，其中大量的信息为非换流站母线节点之间的宽频互阻抗信息((N-M)×(N-M)阶)，且其对研究非工频电流注入对换流站母线电压影响并无意义。因此，本方法在频率扫描实施的过程中，仅选择性的保存其他节点与换流站母线节点的宽频互阻抗信息。

(5)节点非工频电流注入对换流站母线电压影响评估方法，针对不同的非工频电流特征信息，采用以下流程实现：

5.1)若非工频注入电流仅含有单一频率的分量ω₁，可直接将各节点与换流站母线节点在该频率下的互阻抗由大到小排序，即得到对换流站母线电压影响较大的非工频电流注入位置——互阻抗幅值越大，则对应节点对换流站母线节点电压的影响越大。

5.2)对于包含J个频率分量的非工频注入电流，若不同频率分量的电流幅值大小分别为A₁,A₂…A_J，则节点i注入非工频电流对换流站母线节点H的电压影响指标可通过以下方法计算得到：

首先，对各非工频频率电流分量幅值进行归一化处理，并将其作为各非工频频率电流分量的权重

进而得到节点i对换流站母线电压影响的指标为：

式中，上标或下标l表示相应的频率下的量值。指标B的幅值越大，则对应节点对换流站母线节点H的电压影响越大。

5.3)若仅知道非工频注入电流的频率范围，而其所包含的具体频率分量、幅值大小均不明确，则可通过以下方法快速估算节点i注入非工频电流对换流站母线节点H的电压影响指标：

设节点i与换流站节点H之间的宽频互阻抗曲线如图3所示，非工频注入电流的频率下限为ω_low、上限为ω_up，频率扫描的步长为ω_step，则采用梯形积分的方法可得到节点i对换流站母线电压影响的指标为：

式中，上标或下标ω表示相应的频率分量。指标B的幅值越大，则对应节点对换流站母线节点H的电压影响越大。

Claims (6)

1.一种引起换流母线电压畸变的非工频电流快速定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)、获取系统拓扑及设备参数信息；

步骤(2)、生成系统宽频导纳矩阵，求取系统宽频阻抗矩阵；

步骤(3)、利用频率扫描法计算得到非工频电流注入节点与换流站母线节点的宽频互阻抗；

步骤(4)、筛选并保存非工频电流注入节点与换流站母线节点宽频互阻抗信息；

步骤(5)、评估各节点非工频电流注入对换流站母线电压的影响。

2.根据权利要求1所述的非工频电流注入位置快速定位方法，其特征在于：所述步骤(1)中，参数信息包括系统工频频率、系统基准容量、元件间的拓扑连接关系、设备元件参数、换流站母线节点编号、非工频电流注入节点编号、频率扫描步长和上下截止频率，以及非工频谐波电流的频率和幅值信息。

3.根据权利要求1所述的非工频电流注入位置快速定位方法，其特征在于：所述步骤(2)中，根据系统各元件宽频导纳模型和拓扑连接关系，采用节点分析法生成系统的宽频导纳矩阵。

4.根据权利要求1所述的非工频电流注入位置快速定位方法，其特征在于：所述步骤(5)具体包括如下内容：

(5.1)、对于单一频率的非工频电流注入，将各节点与换流站母线节点在该频率下的互阻抗由大到小排序，互阻抗幅值越大，则对应节点对换流站母线节点电压的影响越大；

(5.2)、对于有包含多个频率分量的非工频注入电流，根据不同频率分量的电流幅值大小计算对应节点对换流站母线电压影响的指标，指标幅值越大，则对应节点对换流站母线节点电压的影响越大；

(5.3)、若仅知道非工频注入电流的频率范围，则采用梯形积分法估算对应节点对换流站母线电压影响的指标，指标幅值越大，则对应节点对换流站母线节点电压的影响越大。

5.根据权利要求1所述的非工频电流注入位置快速定位方法，其特征在于：所述步骤(5.2)中，指标计算方法为：

对各非工频频率电流分量幅值进行归一化处理，并将其作为各非工频频率电流分量的权重：

得到节点i对换流站母线电压影响的指标为：

式中，上标或下标l表示相应的频率下的量值，J表示频率分量个数，A₁,A₂…A_J表示不同频率分量的电流幅值大小。

6.根据权利要求1所述的非工频电流注入位置快速定位方法，其特征在于：所述步骤(5.3)中，指标计算方法为：

设非工频注入电流的频率下限为ω_low、上限为ω_up，频率扫描的步长为ω_step，节点i对换流站母线电压影响的指标为：

式中，上标或下标ω表示相应的频率分量。