CN110208634A - 一种复杂电力系统不对称短路电流直流分量获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复杂电力系统不对称短路电流直流分量获取方法，包括以下步骤：1)根据故障点和故障端口，分别构建用以计算复杂电力系统不对称短路电流周期分量的复合序网，包括正序网、负序网和零序网，并将各序网原始支路中的电抗增大到k倍，构成正序k网、负序k网和零序k网；2)分别获取故障端口的负序网输入阻抗Z_2Σ.N、零序网输入阻抗Z_0Σ.N、负序k网输入阻抗Z_2Σ.k和零序k网输入阻抗Z_0Σ.k；3)计算不同种类短路类型下的附加阻抗，将其引入复杂电力系统，并对复合序网进行简化得到网络简化模型；4)分别计算每种不对称短路类型下对应的直流分量初值及其衰减时间常数。与现有技术相比，本发明具有适用于复杂网络、计算简单准确等优点。

Description

一种复杂电力系统不对称短路电流直流分量获取方法

技术领域

本发明涉及电力系统领域，尤其是涉及一种复杂电力系统不对称短路电流直流分量获取方法。

背景技术

随着电力系统的发展和人们对节能降耗的追求，我国电力系统不断向更高电压等级和更大规模发展。为降低损耗，各主要一次元件如发电机、变压器、输电线的电抗电阻比越来越大，导致系统短路电流中的直流分量衰减越来越慢，为限制短路电流使用的串联电抗和高阻抗变压器更加剧这个问题。

我国部分区域电网(经济比较发达的京津唐、长三角、珠三角地区和我国西北电源密集区域)已经出现三相短路电流、单相短路电流超标问题。然而，计算复杂电力系统(多机系统)不对称短路电流直流分量还缺少简便易行的方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种复杂电力系统不对称短路电流直流分量获取方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种复杂电力系统不对称短路电流直流分量获取方法，包括以下步骤：

1)根据故障点和故障端口，分别构建用以计算复杂电力系统不对称短路电流周期分量的复合序网，包括正序网、负序网和零序网，并将各序网原始支路中的电抗增大到k倍，构成正序k网、负序k网和零序k网；

2)分别获取故障端口的负序网输入阻抗Z_2Σ.N、零序网输入阻抗Z_0Σ.N、负序k网输入阻抗Z_2Σ.k和零序k网输入阻抗Z_0Σ.k；

3)计算不同种类短路类型下的附加阻抗，将其引入复杂电力系统，并对复合序网进行简化得到网络简化模型；

4)分别计算每种不对称短路类型下对应的直流分量初值及其衰减时间常数。

2.根据权利要求1所述的一种复杂电力系统不对称短路电流直流分量获取方法，其特征在于，所述的短路类型包括单相短路、两相短路和两相短路接地。

所述的步骤4)中，在单相短路下直流分量初值的计算式为：

其中，V_f(0)为短路点故障前电压，z_fi.N为网络简化模型中节点阻抗矩阵中第f行第i列元素z_fi在ω＝ω_N时的取值，ω为支路阻抗中电抗使用的角频率，ω_N为电力系统额定角频率，Z_ff为节点阻抗矩阵中第f行第f列元素，z_i为发电机内阻抗，为在单相短路下计算直流分量初值时的附加阻抗。

所述的步骤4)中，在两相短路下，直流分量初值的计算式为：

其中，为在两相短路下计算直流分量初值时的附加阻抗。

所述的步骤4)中，在两相短路接地下，直流分量初值的计算式为：

其中，为在两相短路接地下计算直流分量初值时的附加阻抗。

所述的步骤4)中，短路点f处总的直流分量衰减时间常数T_a的计算式为：

其中，T_ai为第i条电源支路的短路电流直流分量衰减时间常数，i_dc(t)为各电源支路短路电流直流分量之和，i_dc.∑0为电源支路直流分量初值之和，r_fi.k、x_fi.k分别为网络简化模型中节点阻抗矩阵中第f行第i列元素z_fi在ω＝kω_N时的取值z_fi.k的实部和虚部，k为正整数，为计算直流分量衰减时间常数时的附加阻抗。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、适用于复杂电力系统、计算简单：本发明结合实际网络的情况，提出可以通过求取各电源支路的直流分量i_dc.i来计算短路点总的直流分量i_dc，比现有技术更加简洁有效，无需像短路电流计算标准中推荐的等效频率法那样使用多种频率，更适用于复杂网络的直流分量计算。

2)计算准确：本发明提出了在足够大频率下对复杂网络进行化简，保证了不对称短路电流直流分量衰减时间常数计算的准确性。

附图说明

图1为复合序网化简流程图，其中，图(1a)为复合网络序网图，图(1b)为网络简化模型。

图2为IEEE9系统网络结构图。

图3为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本专利基于120变换及频域等值法，提出了一种计算复杂电力系统中的不对称短路电流直流分量衰减时间常数的实用计算方法。该方法可以将工频下各原始正、负、零序网络中电抗替换为k倍工频下的电抗，再根据复合序网及附加阻抗，通过网络变换完成对复杂网络的化简，实现不对称短路电流直流分量及其衰减时间常数的计算。具体步骤如下：

步骤1确定故障点，针对故障端口，分别做出计算电力系统不对称短路电流周期分量的正序网、负序网、零序网；

步骤2将各序网原始支路中的电抗增大到k倍，构成正序k网、负序k网、零序k网；

步骤3求故障端口的负序网输入阻抗Z_2Σ.N、零序网输入阻抗Z_0Σ.N、负序k网输入阻抗Z_2Σ.k、零序k网输入阻抗Z_0Σ.k；

步骤4根据表1求各种短路类型下的附加阻抗其中ω为支路阻抗中电抗使用的角频率，ω_N为电力系统额定角频率。

表1各种短路时附加阻抗构成

步骤5复合序网化简

引入附加阻抗后，整个电力系统的复合序网可以表示为图(1a)，其中的附加阻抗求直流分量初值时用表1中的求直流分量时间常数时用表1中的图(1a)中除附加阻抗外的网络其余部分为前述正序网(求直流分量初值时，ω＝ω_N)或正序k网(求直流分量衰减时间常数时，ω＝kω_N)。

图(1a)可简化为图(1b)。

图(1b)中z_fi的计算公式如下：

式中，Z_fi为节点阻抗矩阵中第f行第i列元素，Z_ff为节点阻抗矩阵中第f行第f列元素，z_i为发电机内阻抗。

步骤6求各种不对称短路时的直流分量初值

求不对称短路时的第i条电源支路上短路电流直流分量初值，其中单相短路时如式(2)所示

式中，V_f(0)为短路点故障前电压，z_fi.N为图(1b)中z_fi在ω＝ω_N时的取值。

两相短路时，如式(3)所示：

式中，V_f(0)为短路点故障前电压，z_fi.N为图(1b)中z_fi在ω＝ω_N时的取值。

两相短路接地，其入地电流如式(4)所示：

式中，Z_2∑.N为两相短路接地时的负序网输入阻抗，Z_0∑.N两相短路接地时的零序网输入阻抗，V_f(0)为短路点故障前电压，z_fi.N为图1(b)中z_fi在ω＝ω_N时的取值。

步骤7求各种不对称短路时直流分量衰减时间常数

每条电源支路的短路电流直流分量衰减时间常数T_ai：

式中，r_fi.k，x_fi.k分别为图(1b)中z_fi在ω＝kω_N时的取值z_fi.k的实部和虚部

对各支路短路电流直流分量求和如式(6)所示

式中，i_dc.i0为第i条电源支路对短路点f提供的短路电流直流分量的初值；T_ai为第i条电源支路的衰减时间常数。

再求出短路点f处总的直流分量衰减时间常数T_a，可由式(7)计算：

式中，i_dc(t)各电源支路短路电流直流分量之和，i_dc.∑0为电源支路直流分量初值之和。

实施例1：

本专利方法获取的复杂网络不对称短路电流直流分量及其衰减时间常数，能够为获取短路节点断路器在断开时刻的开断电流提供依据。

本例中，IEEE3机9节点系统(具体参数见附录)含3台发电机，其中GEN1为凸极机，其他两台为隐极机；含有三台两绕组变压器，接线方式为Y，d11。

用EMTP软件仿真了在Bus1发生不对称短路故障，再从其结果中分离出直流分量，最后拟合得到不对称短路情况下的衰减时间常数，本专利将仿真得到的直流分量及衰减时间常数与本专利方法计算得到的直流分量及衰减时间常数对比，以验证本专利方法的准确性。表2～表4分别为单相短路、两相短路、两相短路接地时Bus1短路电流直流分量幅值的计算结果，另外，根据本专利的直流分量计算结果求出各种不对称短路故障时，断路器的断开时刻(40ms)的开断电流如表6所示。

表2 Bus1单相短路短路电流直流分量计算结果

表3 Bus1两相短路短路电流直流分量计算结果

表4 Bus1两相短路接地短路电流直流分量计算结果

由表2～表4可知，本专利方法与EMTP仿真值的直流分量之间的误差较小，最大相对偏差不超过8.99％。因此，可以证明本专利方法在计算不对称短路电流直流分量时具有较高的准确性。

表5为不对称短路情况下，本专利方法与EMTP仿真值拟合出的时间常数之间的对比。

表5 Bus1不对称短路直流分量衰减时间常数计算结果

由表5可知，本专利方法与EMTP仿真值在计算不对称短路直流分量衰减时间常数的计算方面，结果较为接近，最大相对偏差不超过8.02％，因此本专利方法在计算不对称短路直流分量衰减时间常数方面，具有较高的准确性。

表6 Bus1断路器断开时刻(40ms)的开断电流

由表6可知，本专利方法获取的直流分量及其衰减时间常数，能为计算断路器断开时刻的开断电流提供更加准确的依据。

Claims (6)

1.一种复杂电力系统不对称短路电流直流分量获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据故障点和故障端口，分别构建用以计算复杂电力系统不对称短路电流周期分量的复合序网，包括正序网、负序网和零序网，并将各序网原始支路中的电抗增大到k倍，构成正序k网、负序k网和零序k网；

2)分别获取故障端口的负序网输入阻抗Z_2Σ.N、零序网输入阻抗Z_0Σ.N、负序k网输入阻抗Z_2Σ.k和零序k网输入阻抗Z_0Σ.k；

3)计算不同种类短路类型下的附加阻抗，将其引入复杂电力系统，并对复合序网进行简化得到网络简化模型；

4)分别计算每种不对称短路类型下对应的直流分量初值及其衰减时间常数。

2.根据权利要求1所述的一种复杂电力系统不对称短路电流直流分量获取方法，其特征在于，所述的短路类型包括单相短路、两相短路和两相短路接地。

3.根据权利要求2所述的一种复杂电力系统不对称短路电流直流分量获取方法，其特征在于，所述的步骤4)中，在单相短路下直流分量初值的计算式为：

其中，V_f(0)为短路点故障前电压，z_fi.N为网络简化模型中节点阻抗矩阵中第f行第i列元素z_fi在ω＝ω_N时的取值，ω为支路阻抗中电抗使用的角频率，ω_N为电力系统额定角频率，Z_ff为节点阻抗矩阵中第f行第f列元素，z_i为发电机内阻抗，为在单相短路下计算直流分量初值时的附加阻抗。

4.根据权利要求3所述的一种复杂电力系统不对称短路电流直流分量获取方法，其特征在于，所述的步骤4)中，在两相短路下，直流分量初值的计算式为：

其中，为在两相短路下计算直流分量初值时的附加阻抗。

5.根据权利要求4所述的一种复杂电力系统不对称短路电流直流分量获取方法，其特征在于，所述的步骤4)中，在两相短路接地下，直流分量初值的计算式为：

其中，为在两相短路接地下计算直流分量初值时的附加阻抗。

6.根据权利要求5所述的一种复杂电力系统不对称短路电流直流分量获取方法，其特征在于，所述的步骤4)中，短路点f处总的直流分量衰减时间常数T_a的计算式为：

其中，T_ai为第i条电源支路的短路电流直流分量衰减时间常数，i_dc(t)为各电源支路短路电流直流分量之和，i_dc.∑0为电源支路直流分量初值之和，r_fi.k、x_fi.k分别为网络简化模型中节点阻抗矩阵中第f行第i列元素z_fi在ω＝kω_N时的取值z_fi.k的实部和虚部，k为正整数，为计算直流分量衰减时间常数时的附加阻抗。