CN110233481A - 一种电网拓扑中隔离刀闸的仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种电网拓扑中隔离刀闸的仿真方法，在电网的运行中，隔离刀闸所起的作用就是在倒闸操作中形成明显的“断点”，是电网操作中形成安全区域的必不可少的环节，它并不参与电路在分断或闭合中的“灭弧”，而隔离刀闸往往是和断路器配合设置的，基于这些实际的特点，可以在电网仿真模型的构建中，将隔离刀闸依托断路器考虑，从而使得电网仿真模型在拓扑中不包括隔离刀闸，但由于依托断路器考虑，所以也不影响仿真系统的电网倒闸操作的“五防闭锁”功能的实现。这一方法的特点是根据电网运行的实际情况解决了电网仿真模型的构建中因隔离刀闸导致的“维数灾”问题。

Description

一种电网拓扑中隔离刀闸的仿真方法

技术领域

本发明属于电力系统及其相关设备领域，具体涉及一种电网拓扑中隔离刀闸的仿真方法。

背景技术

电力网络拓扑分析是指运用图论等方面的知识对电网的几何结构和性质进行分析和研究，以反映电力系统上各电气设备元件(发电机、变压器、线路、母线、断路器等)的连接情况或带电状态；最终根据各个元件之间的连接关系以及各个开关的实时开合状态，动态生成能够正确描述网络结构并可为计算机分析所利用的数学模型。它只反映系统中各个元件之间的物理连接关系，而与系统各个元件的特性和具体的电气参数无关。在水电站保护仿真培训平台中我们将根据实时的网络拓扑数据来判断系统中各个设备的状态。

电力系统数字仿真中，由于电网中元件数量特别庞大，因而电力系统的仿真建模很容易出现“维数灾”的问题。而电网元件中隔离刀闸的数量占了很大的比重，因而在电力系统的仿真建模中，一般的做法是在电网拓扑时将隔离刀闸和断路器等元件采用“节点融合、支路融合”等办法消去，从而解决电力系统仿真中出现的“维数灾”问题。这样处理的问题在于：实时仿真中需要对电力系统的各种元件进行控制，例如倒闸操作，以达到对电网运行进行操作的目的；

在现有技术中，如图1和图2所示，这是一个简单的电网络，发电机1是一个一端口元件，通过连接线连接到二端口元件断路器1 上，断路器1的另外一个端口又经过连接线连接到变压器1上,变压器1通过断路器2连接到母线上。从连接线本身考虑，一个连接线连接了两个端口(也可以是两个端口以上的)，连接线Link1连接了端口1和端口2。基于连接线的网络拓扑描述描述了电网拓扑，为下面的拓扑分析做准备。

首先对电网中所有的电气元件的全部端口自动编号，编号不重复，如图1所示，接着是把所有连接线都遍历一遍，同时按照以下方法对端口号进行处理：

1)设置每个连接线两端所连元件的端口号分别为D1、D2，如果 D1＝D2，不处理。

2)如果D1与D2不相等，则消去较大的编号。编程逻辑是：假设D1大于D2,则D1＝D2(赋值语句)，否则D2＝D1(赋值语句)。

3)遍历整个网络所有元件的端口，若任一个元件的端口编号D1 或D2大于步骤2)中的较大编号,则将其减1。如图2所示。

4)若需要消去断路器支路，可在遍历时将断路器令D1＝D2。

经过上面的步骤将“连接线”融合以后，电气设备之间的连接关系就可以用程序表示出来。

该现有技术为避免“维数灾”问题，采用“节点融合”技术，消去电网仿真模型中的刀闸或断路器，使得刀闸或断路器，并不包含在实时计算的仿真模型中。但为了实现仿真培训系统中对电网的倒闸操作要求，可采用一些补救方法例如，当发生倒闸操作时，重新进行电网拓扑计算重新形成实时计算的仿真模型。这种方法一方面使得程序更为复杂，另一方面使得每时步的计算量增加。从而很大程度上降低了仿真系统的品质。

发明内容

本发明所提供的一种关于仿真方法的技术方案，它能解决在传统电力系统数字仿真中刀闸或断路器并不包含在实时仿真模型里面，导致不能满足在实时仿真中对上述元件进行控制时的需要的技术问题。

一种电网拓扑中隔离刀闸的仿真方法，它包括以下步骤：

步骤1)在电网仿真模型中对电网部分采用准稳态模型，获取电网节点电压方程，电网节点电压方程包括节点导纳矩阵Y、节点电压向量电流向量

步骤2)在电网的拓扑过程中，获得断路器两端的节点编号；

步骤3)依托断路器来建立隔离刀闸的仿真模型；或依托断路器来来建立接地刀闸的仿真模型；或依托其他元件来建立隔离刀闸或接地刀闸的仿真模型；

在步骤1)中，节点导纳矩阵中的元素单元由线路的阻抗及导纳形成，电网元件中的断路器作为支路导纳存在于导纳矩阵中。

在步骤1)中，当目标断路器断开时，该断路器用一个大阻抗模拟，当目标断路器闭合时，该断路器用一个小阻抗模拟。

在步骤1)中，在形成电网的导纳矩阵时，不考虑电网中的隔离刀闸，在电网仿真模型中依托断路器来考虑隔离刀闸的操作。

在步骤1)中，在电网仿真模型中，断路器的仿真模型可用m维向量breaker(i)表示。这里m代表该电网中断路器总台数；i代表断路器的身份号；breaker(i)＝1代表断路器处于合闸状态；breaker(i)＝0 代表断路器处于分闸状态。

在步骤2)中，在电网的拓扑过程中，令断路器两端的节点编号，分别储存于m维向量Ice(i)和Jce(i)中，其中i仍然代表断路器的身份号，Ice(i)和Jce(i)分别代表断路器两端的节点编号。

在步骤3)中，令连接于断路器i左侧的隔离刀闸状态为isolator1(i1)，接地刀闸状态为grounder1(i1)，连接于断路器i 右侧的隔离刀闸状态为isolator2(i2)，接地刀闸状态为 grounder2(i2)，其中：i1＝Ice(i)，i2＝Jce(i)，令isolator1(i1)＝1 代表隔离刀闸处于合闸状态，isolator1(i1)＝0代表隔离刀闸处于分闸状态，grounde1(i1)＝1代表接地刀闸处于合闸状态， grounde2(i2)＝0代表接地刀闸处于分闸状态。

还包括步骤4)，在获得了隔离刀闸和/或接地刀闸的仿真模型后，根据电网运行规程中的隔离刀闸闭锁规则，在仿真时，实现隔离刀闸、接地刀闸和断路器的闭锁操作，从而实现仿真机的电网的倒闸操作功能。

根据断路器的状态breaker(i)，隔离刀闸状态isolator1(i1)， isolator2(i2)，接地刀闸状态grounder1(i1)，grounder2(i2)，实现五防闭锁。

在步骤1)中，n节点的电网节点电压方程表示为：

上式简写为：

其中Y为导纳矩阵，为节点电压向量，为节点注入电流向量。

采用上述技术方案，使得本发明具有以下技术效果；

1)本发明能很好的实现隔离刀闸、接地刀闸和断路器的操作，从而很好的实现仿真机的电网的倒闸操作功能；

2)避免了电网的仿真中因隔离刀闸数量庞大而造成的“维数灾”问题。

附图说明

图1为现有技术中节点融合前电网拓扑图；

图2为现有技术中节点融合后电网拓扑图。

具体实施方式

一种电网拓扑中隔离刀闸的仿真方法，它包括以下步骤：

步骤1)在电网仿真模型中对电网部分采用准稳态模型，获取电网节点电压方程，电网节点电压方程包括节点导纳矩阵Y、节点电压向量电流向量

步骤2)在电网的拓扑过程中，获得断路器两端的节点编号；

步骤3)依托断路器来建立隔离刀闸的仿真模型；或依托断路器来来建立接地刀闸的仿真模型；或依托其他元件来建立隔离刀闸或接地刀闸的仿真模型；

对于电网节点电压方程，Y为导纳矩阵，为节点电压向量，为节点注入电流向量。n节点的电网节点电压方程表示为：

上式可以简写为：

其中Y为导纳矩阵，为节点电压向量，为节点注入电流向量。

对于电力系统的机电暂态仿真，电网部分采用的是准稳态模型，如公式(1)所示。节点导纳矩阵中的元素Yij由线路的阻抗及导纳形成。电网元件中的断路器也与线路一样作为支路导纳而存在于导纳矩阵中。由于电网中的断路器控制着整个电网的拓扑结构，因此当断路器断开时，该断路器用一个很大的阻抗模拟，当断路器闭合时，该断路器用一个很小的阻抗模拟。这样断路器的分合变化就可以体现在电网的导纳矩阵中。

为避免导纳矩阵的规模过大而引发的“维数灾”问题，在形成电网的导纳矩阵时不考虑电网中的隔离刀闸。但由于电网的实际运行中离不开隔离刀闸的操作，因而在电网仿真模型中可以依托断路器来考虑隔离刀闸的操作。

在电网仿真模型中，断路器的仿真模型可用m维向量breaker(i) 表示。这里m代表该电网中断路器总台数；i代表断路器的身份号； breaker(i)＝1代表断路器处于合闸状态；breaker(i)＝0代表断路器处于分闸状态。

在电网的拓扑过程中，可获得断路器两端的节点编号，分别以m 维向量Ice(i)和Jce(i)来表示。其中i仍然代表断路器的身份号，Ice(i) 和Jce(i)分别代表断路器两端的节点编号。

为依托断路器i来建立隔离刀闸的的仿真模型，令连接于断路器 i左侧的隔离刀闸的仿真模型为isolator1(i1)，其中i1＝Ice(i)；连接于断路器i右侧的隔离刀闸的仿真模型为isolator2(i2)。其中i2＝Jce(i)。如此完成了依托断路器建立隔离刀闸仿真模型的目的。

同样的道理，可依托断路器i来建立接地刀闸的的仿真模型，令连接于断路器i左侧的接地刀闸的仿真模型为ground1(i1)，其中i1＝Ice(i)；连接于断路器i右侧的接地刀闸的仿真模型为ground2(i2)。其中i2＝Jce(i)，如此完成了依托断路器建立接地刀闸仿真模型的目的。

同样的道理，可依托其他元件例如线路、发电机组、负荷、变压器等来建立隔离刀闸或接地刀闸的仿真模型。这里以线路为例。依托线路i来建立接地刀闸的的仿真模型，令连接于线路i左侧的接地刀闸的仿真模型为ground1(i1)，其中i1＝Ice(i)；连接于线路i右侧的接地刀闸的仿真模型为ground2(i2)。其中i2＝Jce(i)，如此完成了依托线路建立接地刀闸仿真模型的目的。

由于在电网拓扑中已确立了发电机组、变压器、断路器、线路、负荷的拓扑信息，采用上述方法获得了隔离刀闸和接地刀闸的仿真模型，从而很容易根据电网运行规程中的隔离刀闸闭锁规则，在仿真机程序的编写中，实现隔离刀闸、接地刀闸和断路器的闭锁操作。从而实现仿真机的电网的倒闸操作功能。

Claims (9)

1.一种电网拓扑中隔离刀闸的仿真方法，其特征在于，它包括以下步骤：

步骤1)在电网仿真模型中对电网部分采用准稳态模型，获取电网节点电压方程，电网节点电压方程包括节点导纳矩阵Y、节点电压向量电流向量

步骤2)在电网的拓扑过程中，获得断路器两端的节点编号；

步骤3)依托断路器来建立隔离刀闸的仿真模型；或依托断路器来建立接地刀闸的仿真模型；或依托其他元件来建立隔离刀闸或接地刀闸的仿真模型；

在步骤1)中，节点导纳矩阵中的元素单元由线路的阻抗及导纳形成，电网元件中的断路器作为支路导纳存在于导纳矩阵中。

2.根据权利要求1所述的一种电网拓扑中隔离刀闸的仿真方法，其特征在于：在步骤1)中，当目标断路器断开时，该断路器用一个大阻抗模拟，当目标断路器闭合时，该断路器用一个小阻抗模拟。

3.根据权利要求1所述的一种电网拓扑中隔离刀闸的仿真方法，其特征在于：在步骤1)中，在形成电网的导纳矩阵时，不考虑电网中的隔离刀闸，在电网仿真模型中依托断路器来考虑隔离刀闸的操作。

4.根据权利要求1至3其中之一所述的一种电网拓扑中隔离刀闸的仿真方法，其特征在于：

在步骤1)中，在电网仿真模型中，断路器的仿真模型可用m维向量breaker(i)表示，其中m代表该电网中断路器总台数；i代表断路器的身份号；breaker(i)＝1代表断路器处于合闸状态；breaker(i)＝0代表断路器处于分闸状态。

5.根据权利要求4所述的一种电网拓扑中隔离刀闸的仿真方法，其特征在于：在步骤2)中，在电网的拓扑过程中，令断路器两端的节点编号，分别储存于m维向量Ice(i)和Jce(i)中，其中i仍然代表断路器的身份号，Ice(i)和Jce(i)分别代表断路器两端的节点编号。

6.根据权利要求5所述的一种电网拓扑中隔离刀闸的仿真方法，其特征在于：在步骤3)中，令连接于断路器i左侧的隔离刀闸状态为isolator1(i1)，接地刀闸状态为grounder1(i1)，连接于断路器i右侧的隔离刀闸状态为isolator2(i2)，接地刀闸状态为grounder2(i2)，其中：i1＝Ice(i)，i2＝Jce(i)，令isolator1(i1)＝1代表隔离刀闸处于合闸状态，isolator1(i1)＝0代表隔离刀闸处于分闸状态，grounde1(i1)＝1代表接地刀闸处于合闸状态，grounde2(i2)＝0代表接地刀闸处于分闸状态。

7.根据权利要求1或2或3或5或6所述的一种电网拓扑中隔离刀闸的仿真方法，其特征在于，还包括步骤4)，在获得了隔离刀闸和/或接地刀闸的仿真模型后，根据电网运行规程中的隔离刀闸闭锁规则，在仿真时，实现隔离刀闸、接地刀闸和断路器的闭锁操作，从而实现仿真机的电网的倒闸操作功能。

8.根据权利要求7所述的一种电网拓扑中隔离刀闸的仿真方法，其特征在于，根据断路器的状态breaker(i)，隔离刀闸状态isolator1(i1)，isolator2(i2)，接地刀闸状态grounder1(i1)，grounder2(i2)，实现五防闭锁。

9.根据权利要求1或2或3或5或6或8所述的一种电网拓扑中隔离刀闸的仿真方法，其特征在于：在步骤1)中，n节点的电网节点电压方程表示为：

上式简写为：

其中Y为导纳矩阵，为节点电压向量，为节点注入电流向量。