CN111654026A - 一种特高压并联电容器暂态分析方法、装置及存储介质 - Google Patents

一种特高压并联电容器暂态分析方法、装置及存储介质 Download PDF

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CN111654026A CN202010540182.7A CN202010540182A CN111654026A CN 111654026 A CN111654026 A CN 111654026A CN 202010540182 A CN202010540182 A CN 202010540182A CN 111654026 A CN111654026 A CN 111654026A
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李慧慧
张友强
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樊晓伟
姚欣愚
廖玉祥
王灵龙
王光强
付昂
杨爽
马兴
董光德
宫林
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Abstract

本发明公开了一种特高压并联电容器暂态分析方法、装置及存储介质，其中方法包括，基于当前电网参数确定并联电容器组同期合闸的同期暂态电容器电流以及非同期合闸的非同期暂态电容器电流；分别建立所述同期暂态电容器电流以及所述非同期暂态电容器电流与初相角之间的关系模型；根据所述关系模型确定并联电容器组的合闸电流，本发明方法能够获得电容器的暂态运行电流，实现对特高压并联电容器运行状态进行监测。

Description

一种特高压并联电容器暂态分析方法、装置及存储介质
技术领域
本发明涉及供电服务技术领域，特别是一种特高压并联电容器暂态分析方法、装置及存储介质。
背景技术
特高压输电线路的充电功率大，随着系统方式的改变，线路潮流变化较大，特高压输电系统中的无功变化幅度较大，因此特高压输电系统须要充足的无功调节方法。特高压变电站主变低压侧110kV并联电容器是无功调节的重要手段，其正常与否直接影响特高压变电站的安全运行。特高压并联电容器长期在露天环境下工作，且处于满负荷运行状态，高电压、大电流、系统谐波等因素使电容器元件老化问题加重，发生局部放电、闪络等，更严重者发生鼓肚、群爆，影响电网的安全运行以及检修人员的生命安全。
目前最常用的特高压并联电容器监测方法主要是定期预防性试验，停电后低电压试验，较难发现缺陷。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的就是提供一种特高压并联电容器暂态分析方法、装置及存储介质，实现实时计算出特高压并联电容器的运行状态并判断电容器发是否处于故障状态。
本发明的目的之一是通过这样的技术方案实现的，一种特高压并联电容器暂态分析方法，包括：
基于当前电网参数确定并联电容器组同期合闸的同期暂态电容器电流以及非同期合闸的非同期暂态电容器电流；
分别建立所述同期暂态电容器电流与初相角之间以及所述非同期暂态电容器电流与初相角之间的关系模型；
根据所述关系模型确定并联电容器组的合闸电流。
可选的，基于当前电网参数确定并联电容器组同期合闸的同期暂态电容器电流，包括：
根据并联电容器的额定线电压、并联电容器补偿装置的容量以及串联电抗器串比率确定并联电容器的单相电容值；
根据所述单相电容值以及电网实际运行方式确定并联电容器组同期合闸的同期暂态电容器电流。
可选的，建立所述同期暂态电容器电流与初相角之间的关系模型，包括：
根据初相角、合闸时间以及所述同期暂态电容器电流构建同期合闸电流模型。
可选的，基于当前电网参数确定非同期合闸的非同期暂态电容器电流，包括：
对两相合闸情况下电网进行等效以获得对应的等效参数；
根据所述等效参数确定两相合闸情况下的单项电容器电流。
可选的，建立所述非同期暂态电容器电流与初相角之间的关系模型，包括：
根据初相角、合闸时间以及所述单项电容器电流构建非同期合闸电流模型。
可选的，基于当前电网参数确定非同期合闸的非同期暂态电容器电流，还包括：
在复频域中确定两相合闸后第三相合闸情况下的三相电容器电流；
基于所述三相电容器电流进行Laplace反变换以确定非同期暂态电容器电流。
可选的，根据所述关系模型确定并联电容器组的合闸电流，包括：
根据同期合闸电流模型以及非同期合闸电流模型对应的曲线图确定并联电容器组的合闸电流。
可选的，根据所述关系模型确定并联电容器组的合闸电流之后，所述方法还包括：
建立并联电容器组仿真模型；
根据所述仿真模型对所述合闸电流进行验证。
本发明的目的之二是通过这样的技术方案实现的，一种特高压并联电容器暂态分析装置，包括：
数据处理单元，用于基于当前电网参数确定并联电容器组同期合闸的同期暂态电容器电流以及非同期合闸的非同期暂态电容器电流；
模型构建单元，用于分别建立所述同期暂态电容器电流与初相角之间以及所述非同期暂态电容器电流与初相角之间的关系模型；
电流计算单元，用于根据所述关系模型确定并联电容器组的合闸电流。
本发明的目的之三是通过这样的技术方案实现的，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有信息传递的实现程序，所述程序被处理器执行时实现如前述的特高压并联电容器暂态分析方法。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：本发明方法基于当前电网参数确定并联电容器组同期合闸的同期暂态电容器电流以及非同期合闸的非同期暂态电容器电流；分别建立同期暂态电容器电流与初相角之间以及非同期暂态电容器电流与初相角之间的关系模型，由此获得特高压并联电容器的暂态运行电流，实现了对特高压并联电容器运行状态进行监测。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1为本发明第一实施例流程图；
图2为本发明第一实施例同期合闸电流曲线图；
图3为本发明第一实施例非同期合闸电流曲线图；
图4为本发明第一实施例非同期合闸电流-时间关系曲线；
图5为本发明第一实施例非同期合闸三相电流曲线；
图6为本发明第一实施例仿真电容器合闸电流和电压波形；
图7为本发明第一实施例A相电容器合闸电流的谐波幅值与基波幅值之比随时间变化的曲线；
图8为本发明第一实施例谐波总畸变率随时间变化的曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例一
本发明第一实施例提出一种特高压并联电容器暂态分析方法，如图1所示，包括：
S10、基于当前电网参数确定并联电容器组同期合闸的同期暂态电容器电流以及非同期合闸的非同期暂态电容器电流；
S20、分别建立所述同期暂态电容器电流与初相角之间以及所述非同期暂态电容器电流与初相角之间的关系模型；
S30、根据所述关系模型确定并联电容器组的合闸电流。
本发明方法基于当前电网参数确定并联电容器组同期合闸的同期暂态电容器电流以及非同期合闸的非同期暂态电容器电流；分别建立同期暂态电容器电流与初相角之间以及非同期暂态电容器电流与初相角之间的关系模型，由此获得电容器的暂态运行电流，实现了对电容器运行状态进行监测。
可选的，基于当前电网参数确定并联电容器组同期合闸的同期暂态电容器电流，包括：
根据并联电容器的额定线电压、并联电容器补偿装置的容量以及串联电抗器串比率确定并联电容器的单相电容值；
根据所述单相电容值以及电网实际运行方式确定并联电容器组同期合闸的同期暂态电容器电流。
具体的说，在本实施例中，以110kV系统为例，进行举例说明，选择UA、UB和UC为110kV系统三相电源，R为电源侧和线路的等效电阻，L为电容器装置的串联电抗，C为并联电容器组的等效电容，用理想开关模拟真空断路器，不考虑线路寄生电容。
在t＝0时刻开关合上，电路的微分方程为：
Figure BDA0002536966790000041
设电压源电压为：
Figure BDA0002536966790000042
先求解微分方程对应的齐次方程的通解，其特征方程为：
LCs2+RCs+1＝0
特征方程的特征根为：
Figure BDA0002536966790000043
Figure BDA0002536966790000044
其中α为衰减系数，且：
Figure BDA0002536966790000051
特征根s1和s2与电路的原始状态无关，由电路的参数决定。不同的R、L、C对应着过阻尼(α＞σ0)、临界阻尼(α＝σ0)和欠阻尼(α＜σ0)三种情况。
在本算例中，实际的特高压110kV侧，并联电容器补偿装置的容量为240Mvar，电容器的额定线电压
Figure BDA0002536966790000052
串联电抗器串比率η＝5％。所以并联电容器的单相电容值为：
Figure BDA0002536966790000053
单相电抗值：
Figure BDA0002536966790000054
将参数代入得：
Figure BDA0002536966790000055
在本实施例中，讨论三相断路器同时合闸的情况，此时三相完全对称，三相RLC电路可等效为单相RLC二阶电路进行求解。
可选的，建立所述同期暂态电容器电流与初相角之间的关系模型，包括：
根据初相角、合闸时间以及所述同期暂态电容器电流构建同期合闸电流模型。
可选的，根据所述关系模型确定并联电容器组的合闸电流，包括：
根据同期合闸电流模型以及非同期合闸电流模型对应的曲线图确定并联电容器组的合闸电流。
具体的说，在本实施例中，为了研究不同的系统初相角对合闸涌流的影响，用MATLAB将各种参数代入求解。
ic(t)＝(K3cosβt-K4sinβt)e-αt+K5cosωt-K6sinωt
在本算例中，系统内阻R＜＜29.72Ω，所以实际系统的参数属于α＜ω0，即欠阻尼情况。此时特征根为一对实部为负数的共轭复根。令
Figure BDA0002536966790000056
二阶微分方程的解为：
Figure BDA0002536966790000057
Figure BDA0002536966790000061
为了简化分析，假设初始条件uc(0+)＝uc(0-)＝0，il(0+)＝il(0)-＝0，得：
Figure BDA0002536966790000062
Figure BDA0002536966790000063
取110kV系统单相电源电压峰值Usm＝89.81kV，系统内阻R＝2.521Ω，L＝10.59mH，C＝47.9uF，可以看出合闸过渡过程中并联电容器装置的电流包含一个稳态分量和一个正弦振荡指数衰减分量。
为了研究不同的系统初相角对电容器投入运行过程的电容电流的影响，将合闸初相角
Figure BDA0002536966790000064
和时间t看作变量，在MATLAB中用mesh函数绘制
Figure BDA0002536966790000065
的图形，如图2。
ic(t)＝(K3cosβt-K4sinβt)e-αt+K5cosωt-K6sinωt
其中：
Figure BDA0002536966790000066
Figure BDA0002536966790000067
Figure BDA0002536966790000068
Figure BDA0002536966790000069
α＝119，β＝1399
根据图2可知，在电容器组的合闸暂态过程中，随着合闸初相角的增大，电容器组合闸电流呈正弦曲线变化。
可选的，基于当前电网参数确定非同期合闸的非同期暂态电容器电流，包括：
对两相合闸情况下电网进行等效以获得对应的等效参数；
根据所述等效参数确定两相合闸情况下的单项电容器电流。
具体的说，基于前述算例，在本算例中，以A、B两相合闸为例进行举例说明，认为A、B相电流方向相反、大小相等。
Figure BDA00025369667900000610
Figure BDA00025369667900000611
A、B两相合闸的电路可以等效为一个RLC电路，其中R'＝2R＝5.042Ω，L'＝2L＝21.18mH，C'＝C/2＝23.95uF，AB两相线电压
Figure BDA0002536966790000071
取U'sm＝155.56kV。
用MATLAB编程，求得A相电容器的电流：
i'A(t)＝(K9sinβ't-K10cosβ't)e-α't+K11cosωt-K12sinωt
其中：
Figure BDA0002536966790000072
Figure BDA0002536966790000073
Figure BDA0002536966790000074
Figure BDA0002536966790000075
Figure BDA0002536966790000076
Figure BDA0002536966790000077
α'＝119,β'＝1399
可选的，建立所述非同期暂态电容器电流与初相角之间的关系模型，包括：
根据初相角、合闸时间以及所述单项电容器电流构建非同期合闸电流模型。
具体的说，在前述实施例的基础上，本算例中，在MATLAB中用mesh函数绘制
Figure BDA0002536966790000078
的图形，取t＝0时刻的电容电流，得到电容器电流i'A(t)峰值和合闸初相角
Figure BDA0002536966790000079
的关系曲线，随着合闸初相角的增大，电容器组电流先减小后增大，在
Figure BDA00025369667900000710
左右时达到最小值，在
Figure BDA00025369667900000711
左右时达到最大值，如图3所示。
进一步，在MATLAB中用mesh函数绘制
Figure BDA00025369667900000712
的图形，取
Figure BDA00025369667900000713
时刻的电容电流电容器电流，得到i'A(t)峰值和时间t的关系曲线，在电容器合闸后的2～3周波内电容器存在合闸涌流，3周波以后电容器电流恢复稳定，稳定电流大概为1000A左右，合闸涌流最大幅值为稳态幅值的2.5倍，如图4所示。
可选的，基于当前电网参数确定非同期合闸的非同期暂态电容器电流，还包括：
在复频域中确定两相合闸后第三相合闸情况下的三相电容器电流；
基于所述三相电容器电流进行Laplace反变换以确定非同期暂态电容器电流。
具体的说，当第三相(C相)合闸时，A、B两相已合闸运行一段时间，电容和电感的电压、电流都有一定的初值，所以在复频域中分析C相合闸时各相电流的大小，再用Laplace反变换来求解三相电流的时域解。当A、B两相在
Figure BDA00025369667900000714
投入运行之后再过π/2合C相，合闸涌流最大，取合闸涌流最大时刻的参数来计算电容器投入运行的电容电流，假设t1＝0时刻A、B相合闸，t2＝5msC相合闸。
用节点电压法求解电压：
Figure BDA0002536966790000081
其中：
Figure BDA0002536966790000082
Figure BDA0002536966790000083
Figure BDA0002536966790000084
求解得：
Figure BDA0002536966790000085
Figure BDA0002536966790000086
Figure BDA0002536966790000087
Figure BDA0002536966790000088
可选的，根据所述关系模型确定并联电容器组的合闸电流，包括：
根据同期合闸电流模型以及非同期合闸电流模型对应的曲线图确定并联电容器组的合闸电流。
在MATLAB中用Laplace反变换求解三相电容电流的时域解，求得A、B、C相电容器电流分别为：
iA(t)＝-701e-119t(cos1399t-2.58sin1399t)+759sin314t+1200cos314t
iB(t)＝758e-119t(cos1399t-10.8sin1399t)+661sin314t-1266cos314t
iC(t)＝-56.7e-119t(cos1399t-112sin1399t)-1422sin314t+56.7cos314t
在MATLAB中用plot函数画出A、B、C三相电容器电流的曲线图，合闸涌流大概为额定电流的5.6倍，如图5所示。
可选的，根据所述关系模型确定并联电容器组的合闸电流之后，所述方法还包括：
建立并联电容器组仿真模型；
根据所述仿真模型对所述合闸电流进行验证。
具体的说，在本实施例中，对特高压110kV侧并联电容器系统仿真，110kV系统和电容器单元的等值参数如下表所示，采用的元件参数为集中参数，建立仿真模型，模型参数如表1所示。
表1仿真参数
Figure BDA0002536966790000091
设置A、B相的合闸时间为3.3ms，C相的合闸时间为8.3ms，得到如电容器合闸电流和电压的波形，如图6所示。
在合闸后因谐波的存在所以电流和电压的波形都有畸变，用PSCAD/EMTDC中的FFT对谐波进行分析，得出A相电容器合闸电流的谐波幅值与基波幅值之比随时间变化的曲线，如图7所示。
用PSCAD/EMTDC分析发现，电容器电流的谐波中2次～7次谐波的含量是最多的。用PSCAD/EMTDC中的谐波总畸变率模块对谐波电流进行分析，得到谐波总畸变率随时间变化的曲线，如图8。可以看出电容器组A、B相断路器初合闸时谐波总畸变率是最大的，等一段时间后再合C相断路器，谐波总畸变率会再次上升但没有A、B相合闸时大，这主要是因为A、B相电容器组断路器合闸时电容器组的电压和系统电压悬殊较大，而C相电容器组断路器合闸时电容器组已经存在了一定的电压，所以电压差相对较小，所以谐波畸变率相对较小。
综上，本发明方法为了计算方便以及让模型构造更加的简单，采用ABC三相电压源对称，同时由于谐波影响过小基本忽略不计；
电容器组以及电容器单元，它们内部的连接线由于在实际情况下电阻和电感相对其他元器件太小，忽略不计；
电容器单元内部放电电阻的放电时间较长，电容器单元的电压在短时间内变化不大，所以搭建模型时忽略放电电阻。
采用本发明方法能够实时计算特高压110kV侧并联电容器投入运行时的电流，以区分电容器是投入运行还是出现故障。此种本发明方法能够在电容器正常运行时实时计算出电容器的运行状态，若电容器发生故障能够判断出故障状态，提高了经济效益和实践性效益。
实施例二
本发明第二实施例提出一种特高压并联电容器暂态分析装置，包括：
数据处理单元，用于基于当前电网参数确定并联电容器组同期合闸的同期暂态电容器电流以及非同期合闸的非同期暂态电容器电流；
模型构建单元，用于分别建立所述同期暂态电容器电流与初相角之间以及所述非同期暂态电容器电流与初相角之间的关系模型；
电流计算单元，用于根据所述关系模型确定并联电容器组的合闸电流。
实施例三
本发明第三实施例提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有信息传递的实现程序，所述程序被处理器执行时实现如前述的特高压并联电容器暂态分析方法，在一个具体的实施例中，在执行是用于基于当前电网参数确定并联电容器组同期合闸的同期暂态电容器电流以及非同期合闸的非同期暂态电容器电流；
分别建立所述同期暂态电容器电流与初相角之间以及所述非同期暂态电容器电流与初相角之间的关系模型；
根据所述关系模型确定并联电容器组的合闸电流。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种特高压并联电容器暂态分析方法，其特征在于，包括：
基于当前电网参数确定并联电容器组同期合闸的同期暂态电容器电流以及非同期合闸的非同期暂态电容器电流；
分别建立所述同期暂态电容器电流以及所述非同期暂态电容器电流与初相角之间的关系模型；
根据所述关系模型确定并联电容器组的合闸电流。
2.如权利要求1所述的特高压并联电容器暂态分析方法，其特征在于，基于当前电网参数确定并联电容器组同期合闸的同期暂态电容器电流，包括：
根据并联电容器的额定线电压、并联电容器补偿装置的容量以及串联电抗器串比率确定并联电容器的单相电容值；
根据所述单相电容值以及电网实际运行方式确定并联电容器组同期合闸的同期暂态电容器电流。
3.如权利要求2所述的特高压并联电容器暂态分析方法，其特征在于，建立所述同期暂态电容器电流与初相角之间的关系模型，包括：
根据初相角、合闸时间以及所述同期暂态电容器电流构建同期合闸电流模型。
4.如权利要求1所述的特高压并联电容器暂态分析方法，其特征在于，基于当前电网参数确定非同期合闸的非同期暂态电容器电流，包括：
对两相合闸情况下电网进行等效以获得对应的等效参数；
根据所述等效参数确定两相合闸情况下的单项电容器电流。
5.如权利要求4所述的特高压并联电容器暂态分析方法，其特征在于，建立所述非同期暂态电容器电流与初相角之间的关系模型，包括：
根据初相角、合闸时间以及所述单项电容器电流构建非同期合闸电流模型。
6.如权利要求4或5所述的特高压并联电容器暂态分析方法，其特征在于，基于当前电网参数确定非同期合闸的非同期暂态电容器电流，还包括：
在复频域中确定两相合闸后第三相合闸情况下的三相电容器电流；
基于所述三相电容器电流进行Laplace反变换以确定非同期暂态电容器电流。
7.如权利要求5所述的特高压并联电容器暂态分析方法，其特征在于，根据所述关系模型确定并联电容器组的合闸电流，包括：
根据同期合闸电流模型以及非同期合闸电流模型对应的曲线图确定并联电容器组的合闸电流。
8.如权利要求1-5任一项所述的特高压并联电容器暂态分析方法，其特征在于，根据所述关系模型确定并联电容器组的合闸电流之后，所述方法还包括：
建立并联电容器组仿真模型；
根据所述仿真模型对所述合闸电流进行验证。
9.一种特高压并联电容器暂态分析装置，其特征在于，包括：
数据处理单元，用于基于当前电网参数确定并联电容器组同期合闸的同期暂态电容器电流以及非同期合闸的非同期暂态电容器电流；
模型构建单元，用于分别建立所述同期暂态电容器电流以及所述非同期暂态电容器电流与初相角之间的关系模型；
电流计算单元，用于根据所述关系模型确定并联电容器组的合闸电流。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有信息传递的实现程序，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1至8中任一项所述的特高压并联电容器暂态分析方法。
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