CN111338233A - 一种城市电网中地铁杂散电流分布的仿真建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种城市电网中地铁杂散电流分布的仿真建模方法，根据电力系统的供电方式及其拓扑结构建立交流电网地上等效模型，再根据各接地变电站的距离、接地网接地电阻的大小以及大地电阻率，求得各接地变电站间的大地等效电阻，从而建立城市电网大地等效网络；再将外部控制电流源元件连接在某一接地变电站接地变压器的中性线上，并采用早发车时段该接地变电站变压器中性点直流电流的实测数据对电流源进行控制；最后，仿真并调节等效电源初始接地电阻R的大小修正模型，直到得到最终仿真模型。本发明能够实现对地铁杂散电流在城市电网中的分布规律分析以及进行杂散电流分布的影响因素研究，为杂散电流导致的变压器直流偏磁的治理提供指导性建议。

Description

一种城市电网中地铁杂散电流分布的仿真建模方法

技术领域

本发明涉及电力系统建模领域，具体为一种城市电网中地铁杂散电流分布的仿真建模方法。

背景技术

随着城市轨道交通规模的网络化、供电电流的动态变化以及钢轨对地绝缘的逐渐老化，地铁杂散电流也呈现出网络化、持久化和叠加增大的趋势。由于地铁在实际运行当中采用直流供电，且由于钢轨摩擦产生的铁屑、粉尘以及泄漏阻抗降低等原因，使得钢轨与大地之间无法做到完全绝缘，因此一部分供电电流会从钢轨泄漏至大地从而形成地铁杂散电流。目前针对地铁杂散电流的防护措施，依然无法做到大地中杂散电流的完全收集和治理，导致一部分杂散电流无法回流至地铁系统，在大地中流窜。

由于城市电网交流系统的直流电阻远远小于大地等效电阻，因此当地铁杂散电流在大地中流通并遇到交流系统的接地变压器时，杂散电流会通过接地变压器的接地电阻流入至变压器的绕组中，使得变压器磁通发生偏移，从而进入磁路的半波饱和状态，导致变压器的直流偏磁现象。当变压器发生直流偏磁时，变压器的励磁电流产生大量谐波，从而导致变压器的振动加剧以及引起交流系统电压波形畸变、继电保护误动等现象；同时，直流偏磁使得变压器无功损耗增加，从而导致交流系统无功补偿装置过载或电压下降，影响系统的正常运行。此外，铁心的高度饱和将会使得变压器漏磁增加，从而引起变压器金属结构件和油箱过热，加速变压器的绝缘老化以及变压器油的分解，大大影响了变压器的寿命。目前已有相关研究表明，深圳、长沙、成都、贵阳等城市均出现了由地铁杂散电流导致的接地变压器的直流偏磁现象。

目前，城市电网中地铁杂散电流的分布规律尚不明确，交流系统各元件的电气参数以及电容隔直装置的投切对交流电网中杂散电流分布的影响暂不明朗，因此研究地铁杂散电流在交流系统中分布规律的仿真建模方法对地铁杂散电流导致的变压器直流偏磁的研究和治理具有重要意义。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种城市电网中地铁杂散电流分布的仿真建模方法，能够实现对地铁杂散电流在城市电网中的分布规律分析以及进行杂散电流分布的影响因素研究，其结果可以对杂散电流导致的变压器直流偏磁的治理提供指导性建议。该技术方案如下：

一种城市电网中地铁杂散电流分布的仿真建模方法，包括以下步骤：

步骤A：定义城市电网变电站中含中性点接地的变压器的变电站为接地变电站S_j ¹，j为城市电网中接地变电站的编号，j＝1,2,3,…,c，c为城市电网中接地变电站的数量；

定义城市电网变电站中不含中性点接地的变压器的变电站为非接地变电站S_k ⁰，k为城市电网中非接地变电站的编号，k＝1,2,3,…,d，d为城市电网中非接地变电站的数量；

定义接地变电站S_j ¹中中性点接地的变压器为接地变压器T_j,a ¹，中性点不接地的变压器为非接地变压器T_j,b ⁰；a为接地变电站S_j ¹中接地变压器的编号，接地变电站S_j ¹中接地变压器的数量大于等于1；b为接地变电站S_j ¹中非接地变压器的编号，接地变电站S_j ¹中非接地变压器的数量大于等于0；

步骤B：在PSCAD软件中搭建城市电网地上等效模型：

步骤B1：利用PSCAD中的变压器元件，根据接地变电站S_j ¹中各变压器的组成、绕组数、各绕组的电压等级、容量、连接组别、漏抗参数、饱和参数、中性点是否接地，搭建接地变电站S_j ¹各变压器等效模型，并按照接地变电站S_j ¹的电气接线图将各变压器进行连接；

步骤B2：使用PSCAD中的负载元件，将接地变电站S_j ¹中变压器所连接的非接地变电站S_k ⁰等效为负载PQ_k，并将负载元件连接至接地变电站S_j ¹中对应变压器的绕组上；

步骤B3：按照城市电网的拓扑结构、输电线路参数、避雷线参数及供电方式将接地变电站S₁ ¹,S₂ ¹,S₃ ¹,…,S_c ¹进行连接；

步骤B4：选择一个电压等级最高的接地变电站，并将对应电压等级的无穷大等效电源的A、B、C三相分别与该变电站的A、B、C三相的进线相连，无穷大等效电源的中性点通过初始接地电阻R进行接地，其中R的一端接无穷大电源的中性点，另一端直接接地；

步骤C：在PSCAD软件中搭建城市电网地下等效模型

步骤C1：将接地变电站S_j ¹中所有接地变压器T_j,a ¹的中性点通过导线连接在一起，连接后的交点定义为接地变电站S_j ¹的中性点公共点W_j ¹；

步骤C2：通过实际测量或根据设计标准确定接地变电站S_j ¹中接地网的自身接地电阻的阻值，该阻值在PSCAD软件中使用电阻元件R_j ¹等效，并将R_j ¹的一端连接接地变电站S_j ¹的中性点公共点W_j ¹，另一端接地；

步骤C3：根据两接地变电站S_t ¹与S_j ¹的距离、两接地网的等效半径及大地电阻率分别计算接地变电站S_t ¹与S_j ¹的站间大地等效电阻的阻值，其中t＝1,2,3,…,c，且t≠j；该阻值在PSCAD软件中使用电阻元件R_t,j ¹等效，并在PSACD软件中将R_t,j ¹的一端连接在接地变电站S_t ¹的中性点公共点W_t ¹上，另一端连接在接地变电站S_j ¹的中性点公共点W_j ¹上；

步骤D：在某一接地变电站S_h ¹中所有接地变压器的中性点上均连接1个受“FileRead”元件控制的电流源，各电流源的另一端均连接在接地变电站S_h ¹的中性点公共点W_h ¹上；其中，h为1，2，3，…，c中的任意数；

步骤E：利用地铁早发车时间段变压器中性点直流电流的实测数据对模型参数进行调整

步骤E1：将早发车时段接地变电站S_h ¹中各接地变压器的中性点直流电流实测数据分别导入到对应的“File Read”元件中，将“File Read”元件读取数据的频率设置为实测数据的采样频率，为f赫兹，并将仿真模型的仿真步长设置为

步骤E2：通过运行以上步骤建立的仿真模型，获得除接地变电站S_h ¹以外的其它接地变电站S_w ¹中接地变压器中性点直流电流的仿真值I^* _w,v ^m，其中w为除接地变电站S_h ¹以外的其它接地变电站的编号，其中w＝1,2,3,…,c，且w≠h，m为数据窗内数据的编号，m＝1,2,3,…,n，n为数据窗长度，且n＞f；v为接地变电站S_w ¹中接地变压器的编号；计算仿真值I^* _w,v ^m与实测值I_w,v ^m的平均误差E_w,v：

并根据平均误差E_w,v逐渐调节无穷大等效电源初始接地电阻R的大小，直到除接地变电站S_h ¹以外的其它接地变电站S_w ¹中接地变压器中性点直流电流仿真值与实测值的误差E_w,v均降低至在15％以内，则终止调节R的大小。

进一步的，所述步骤B2中的等效负载的计算公式为：等效负载PQ_k的有功功率P_k的计算公式为：

等效负载PQ_k的无功功率Q_k的计算公式：

其中U_j、I_j、

分别为接地变电站S_j ¹中与变电站S_k ⁰相连的变压器的额定电压、额定电流、功率因数角，功率因数角按实际运行工程中的参数进行设定。

更进一步的，所述步骤C3中的接地变电站S_t ¹与S_j ¹的站间大地等效电阻的阻值采用静电比拟法进行数值计算，其计算公式如：

其中，ρ为大地电阻率；d为接地变电站S_t ¹与S_j ¹之间的距离；r_t和r_j分别为接地变电站S_t ¹与S_j ¹接地网的等效半径。

本发明的有益效果是：

1)本发明进行了合理的负荷等效从而简化了模型的等效过程：非接地变电站均利用等效负载进行合理等效，可有效减少建模的规模，提高模型仿真的速度，且可以排除一些特殊情况对研究内容的干扰，如无关负荷导致的电压不平衡问题；

2)本发明采用网络化建模方法，建立大地等效网络，从而表示了各接地变电站的相对位置：采用大地的网络化建模方法，并利用接地网的自身接地电阻表示接地网到无穷远处的散流作用，利用大地等效电阻表示两接地变电站间的散流作用，从而建立大地等效网络，该网络可有效表示各接地变电站的相对位置以及研究各接地变电站之间大地中的杂散电流的流通作用；

3)通过利用地铁早发车时段接地变电站的接地变压器中性点直流的实测数据与仿真数据的对比，进而调节仿真模型：运用早发车时段实测数据可最大程度避免其他地铁线路及多车辆运行对电网中杂散电流分布规律所造成的干扰，通过调节后的仿真模型将更加精确；

4)该模型引入了采用接地变电站接地变压器中性点直流电流实测数据控制的电流源，以表示杂散电流对城市电网入侵的等效模拟，电流源可直接读取接地变压器中性点直流电流的实测数据，使得仿真规律更加准确：模型引入了PSCAD元件库中外部控制电流源模型，并利用“File Read”元件直接读取接地变压器中性点直流电流实测数据，以控制电流源的输入，实现杂散电流入侵电力系统的动态模拟，能准确研究杂散电流在电网的分布传播规律及其分布的影响因素。

附图说明

图1为城市电网中地铁杂散电流分布规律仿真模型建模流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。图1为城市电网中地铁杂散电流分布规律仿真模型建模流程图，具体步骤如下：

步骤A：定义城市电网变电站中含中性点接地的变压器的变电站为接地变电站S_j ¹，定义城市电网变电站中不含中性点接地的变压器的变电站为非接地变电站S_k ⁰，其中j为城市电网中接地变电站的编号，j＝1,2,3,…,c，c为城市电网中接地变电站的数量，k为城市电网中非接地变电站的编号，k＝1,2,3,…,d，d为城市电网中非接地变电站的数量。

定义接地变电站S_j ¹中中性点接地的变压器为接地变压器T_j,a ¹，中性点不接地的变压器为非接地变压器T_j,b ⁰；a为接地变电站S_j ¹中接地变压器的编号，接地变电站S_j ¹中接地变压器的数量大于等于1；b为接地变电站S_j ¹中非接地变压器的编号，接地变电站S_j ¹中非接地变压器的数量大于等于0；

步骤B：在PSCAD软件中搭建城市电网地上等效模型

步骤B1：利用PSCAD中的变压器元件，根据接地变电站S_j ¹中各变压器的组成、绕组数、各绕组的电压等级、容量、连接组别、漏抗参数、饱和参数、中性点是否接地等，搭建接地变电站S_j ¹各变压器等效模型，并按照接地变电站S_j ¹的电气接线图将各变压器进行连接；

步骤B2：使用PSCAD中的负载元件，将接地变电站S_j ¹中变压器所连接的非接地变电站S_k ⁰等效为负载PQ_k，并将负载元件连接至接地变电站S_j ¹中对应变压器的绕组上；

其中等效负载的计算公式为：等效负载PQ_k的有功功率P_k的计算公式为：

等效负载PQ_k的无功功率Q_k的计算公式：

其中U_j、I_j、

分别为接地变电站S_j ¹中与变电站S_k ⁰相连的变压器的额定电压、额定电流、功率因数角，功率因数角按实际运行工程中的参数进行设定。

步骤B3：按照城市电网的拓扑结构、输电线路参数、避雷线参数及供电方式将接地变电站S₁ ¹,S₂ ¹,S₃ ¹,…,S_c ¹进行连接；

步骤B4：选择一个电压等级最高的接地变电站，并将对应电压等级的无穷大等效电源的A、B、C三相分别与该变电站的A、B、C三相的进线相连，无穷大等效电源的中性点通过初始接地电阻R进行接地，其中R的一端接无穷大电源的中性点，另一端直接接地。若有多个接地变电站的电压等级同为最高，则选择其中任意一个接地变电站，并将无穷大等效电源的A、B、C三相分别与该变电站的A、B、C三相的进线相连，无穷大等效电源的中性点通过初始接地电阻R进行接地，其中R的一端接无穷大电源的中性点，另一端直接接地；

步骤C：在PSCAD软件中搭建城市电网地下等效模型

步骤C1：将接地变电站S_j ¹中所有接地变压器T_j,a ¹的中性点通过导线连接在一起，连接后的交点定义为接地变电站S_j ¹的中性点公共点W_j ¹；

步骤C2：通过实际测量或根据设计标准确定接地变电站S_j ¹中接地网的自身接地电阻的阻值，该阻值在PSCAD软件中使用电阻元件R_j ¹等效，并将R_j ¹的一端连接接地变电站S_j ¹的中性点公共点W_j ¹，另一端接地；

步骤C3：根据两接地变电站S_t ¹与S_j ¹的距离、两接地网的等效半径及大地电阻率分别计算接地变电站S_t ¹与S_j ¹的站间大地等效电阻的阻值，其中t＝1,2,3,…,c，且t≠j；该阻值在PSCAD软件中使用电阻元件R_t,j ¹等效，并在PSACD软件中将R_t,j ¹的一端连接在接地变电站S_t ¹的中性点公共点W_t ¹上，另一端连接在接地变电站S_j ¹的中性点公共点W_j ¹上；

其中接地变电站S_t ¹与S_j ¹的站间大地等效电阻的阻值采用静电比拟法进行数值计算，其计算公式如：

其中，ρ为大地电阻率；d为接地变电站S_t ¹与S_j ¹之间的距离，单位为千米；r_t和r_j分别为接地变电站S_t ¹与S_j ¹接地网的等效半径，单位为米。

步骤D：在某一接地变电站S_h ¹中所有接地变压器的中性点上均连接1个受“FileRead”元件控制的电流源，各电流源的另一端均连接在接地变电站S_h ¹的中性点公共点W_h ¹上；其中，h为1，2，3，…，c中的任意数；

步骤E：利用地铁早发车时间段变压器中性点直流电流的实测数据对模型参数进行调整

步骤E1：将早发车时段接地变电站S_h ¹中各接地变压器的中性点直流电流实测数据分别导入到对应的“File Read”元件中，将“File Read”元件读取数据的频率设置为实测数据的采样频率，为f赫兹，并将仿真模型的仿真步长设置为

步骤E2：通过运行以上步骤建立的仿真模型，获得除接地变电站S_h ¹以外的其它接地变电站S_w ¹中接地变压器中性点直流电流的仿真值I^* _w,v ^m，其中w为除接地变电站S_h ¹以外的其它接地变电站的编号，其中w＝1,2,3,…,c，且w≠h，m为数据窗内数据的编号，m＝1,2,3,…,n，n为数据窗长度，且n＞f；v为接地变电站S_w ¹中接地变压器的编号；计算仿真值I^* _w,v ^m与实测值I_w,v ^m的平均误差E_w,v：

并根据平均误差E_w,v逐渐调节无穷大等效电源初始接地电阻R的大小，直到除接地变电站S_h ¹以外的其它接地变电站S_w ¹中接地变压器中性点直流电流仿真值与实测值的误差E_w,v均降低至在15％以内，则终止调节R的大小。

Claims (3)

1.一种城市电网中地铁杂散电流分布的仿真建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：定义城市电网变电站中含中性点接地的变压器的变电站为接地变电站S_j ¹，j为城市电网中接地变电站的编号，j＝1,2,3,…,c，c为城市电网中接地变电站的数量；

定义城市电网变电站中不含中性点接地的变压器的变电站为非接地变电站S_k ⁰，k为城市电网中非接地变电站的编号，k＝1,2,3,…,d，d为城市电网中非接地变电站的数量；

定义接地变电站S_j ¹中中性点接地的变压器为接地变压器T_j,a ¹，中性点不接地的变压器为非接地变压器T_j,b ⁰；a为接地变电站S_j ¹中接地变压器的编号，接地变电站S_j ¹中接地变压器的数量大于等于1；b为接地变电站S_j ¹中非接地变压器的编号，接地变电站S_j ¹中非接地变压器的数量大于等于0；

步骤B：在PSCAD软件中搭建城市电网地上等效模型：

步骤B1：利用PSCAD中的变压器元件，根据接地变电站S_j ¹中各变压器的组成、绕组数、各绕组的电压等级、容量、连接组别、漏抗参数、饱和参数、中性点是否接地，搭建接地变电站S_j ¹各变压器等效模型，并按照接地变电站S_j ¹的电气接线图将各变压器进行连接；

步骤B2：使用PSCAD中的负载元件，将接地变电站S_j ¹中变压器所连接的非接地变电站S_k ⁰等效为负载PQ_k，并将负载元件连接至接地变电站S_j ¹中对应变压器的绕组上；

步骤B3：按照城市电网的拓扑结构、输电线路参数、避雷线参数及供电方式将接地变电站S₁ ¹,S₂ ¹,S₃ ¹,…,S_c ¹进行连接；

步骤B4：选择一个电压等级最高的接地变电站，并将对应电压等级的无穷大等效电源的A、B、C三相分别与该变电站的A、B、C三相的进线相连，无穷大等效电源的中性点通过初始接地电阻R进行接地，其中R的一端接无穷大电源的中性点，另一端直接接地；

步骤C：在PSCAD软件中搭建城市电网地下等效模型

步骤C1：将接地变电站S_j ¹中所有接地变压器T_j,a ¹的中性点通过导线连接在一起，连接后的交点定义为接地变电站S_j ¹的中性点公共点W_j ¹；

步骤C2：通过实际测量或根据设计标准确定接地变电站S_j ¹中接地网的自身接地电阻的阻值，该阻值在PSCAD软件中使用电阻元件R_j ¹等效，并将R_j ¹的一端连接接地变电站S_j ¹的中性点公共点W_j ¹，另一端接地；

步骤C3：根据两接地变电站S_t ¹与S_j ¹的距离、两接地网的等效半径及大地电阻率分别计算接地变电站S_t ¹与S_j ¹的站间大地等效电阻的阻值，其中t＝1,2,3,…,c，且t≠j；该阻值在PSCAD软件中使用电阻元件R_t,j ¹等效，并在PSACD软件中将R_t,j ¹的一端连接在接地变电站S_t ¹的中性点公共点W_t ¹上，另一端连接在接地变电站S_j ¹的中性点公共点W_j ¹上；

步骤D：在某一接地变电站S_h ¹中所有接地变压器的中性点上均连接1个受“File Read”元件控制的电流源，各电流源的另一端均连接在接地变电站S_h ¹的中性点公共点W_h ¹上；其中，h为1，2，3，…，c中的任意数；

步骤E：利用地铁早发车时间段变压器中性点直流电流的实测数据对模型参数进行调整

步骤E1：将早发车时段接地变电站S_h ¹中各接地变压器的中性点直流电流实测数据分别导入到对应的“File Read”元件中，将“File Read”元件读取数据的频率设置为实测数据的采样频率，为f赫兹，并将仿真模型的仿真步长设置为

步骤E2：通过运行以上步骤建立的仿真模型，获得除接地变电站S_h ¹以外的其它接地变电站S_w ¹中接地变压器中性点直流电流的仿真值I^* _w,v ^m，其中w为除接地变电站S_h ¹以外的其它接地变电站的编号，其中w＝1,2,3,…,c，且w≠h，m为数据窗内数据的编号，m＝1,2,3,…,n，n为数据窗长度，且n＞f；v为接地变电站S_w ¹中接地变压器的编号；计算仿真值I^* _w,v ^m与实测值I_w,v ^m的平均误差E_w,v：

并根据平均误差E_w,v逐渐调节无穷大等效电源初始接地电阻R的大小，直到除接地变电站S_h ¹以外的其它接地变电站S_w ¹中接地变压器中性点直流电流仿真值与实测值的误差E_w,v均降低至在15％以内，则终止调节R的大小。

2.根据权利要求1所述的一种城市电网中地铁杂散电流分布的仿真建模方法，其特征在于，所述步骤B2中的等效负载的计算公式为：等效负载PQ_k的有功功率P_k的计算公式为：

等效负载PQ_k的无功功率Q_k的计算公式：

其中U_j、I_j、

k分别为接地变电站S_j ¹中与变电站S_k ⁰相连的变压器的额定电压、额定电流、功率因数角，功率因数角按实际运行工程中的参数进行设定。

3.根据权利要求1所述的一种城市电网中地铁杂散电流分布的仿真建模方法，其特征在于，所述步骤C3中的接地变电站S_t ¹与S_j ¹的站间大地等效电阻的阻值采用静电比拟法进行数值计算，其计算公式如：

其中，ρ为大地电阻率；d为接地变电站S_t ¹与S_j ¹之间的距离；r_t和r_j分别为接地变电站S_t ¹与S_j ¹接地网的等效半径。

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