CN111781442A - 配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置方法及装置 - Google Patents

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CN111781442A CN202010528442.9A CN202010528442A CN111781442A CN 111781442 A CN111781442 A CN 111781442A CN 202010528442 A CN202010528442 A CN 202010528442A CN 111781442 A CN111781442 A CN 111781442A
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Abstract

本发明公开了一种配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置方法及装置，其中所述方法包括：基于配电线路分布特性及故障点设置选取π型线路模型；建立N节的所述π型线路模型，根据所述N节的所述π型线路模型得到系统振荡频率、和/或线路长度、和/或节数，并根据所述N节的所述π型线路模型通过计算得到π节数；基于所述π节数以及电缆线路、或架空线路的参数得到配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置。在本发明实施中，能够模拟不同长度的电缆线路或架空线路，满足配电网实境试验平台的线路模拟。

Description

配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置方法及装置
技术领域
本发明涉及电力系统的技术领域，尤其涉及一种配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置方法及装置。
背景技术
随着电力系统的发展日新月异，系统的运行状态日趋复杂，新技术、新理论需要验证，电力设备的投入运行和退出检修对电力系统的影响同样需要进行试验；而电力系统的供电可靠性要求电力系统不允许进行无原因停电，因此电力系统大部分设备试验都不能在电力系统的电力网中直接进行，这些设备的试验都需要在实验室条件下进行仿真和模拟，经过多次试验和验证后才应用于电力系统。
目前使用配电网实境试验平台对这些设备进行试验，该配电网实境试验平台包括变压器、电压互感器、电流互感器、线路和负荷；为了能模拟配电网的实际状态，配电网实境试验平台中的电压互感器、电流互感器采用实际的设备，变压器、线路和负荷采用物理模型近似代替；但是受到线路长度的限制，目前使用的配电网实境试验平台不能采用等长度的线路模型，而采用简单的集中参数模型，会导致该配电网实境试验平台的暂态过程丢失部分暂态信号。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置方法及装置，能够模拟不同长度的电缆线路或架空线路，满足配电网实境试验平台的线路模拟。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置方法，所述方法包括：
基于配电线路分布特性及故障点设置选取π型线路模型；
建立N节的所述π型线路模型，根据所述N节的所述π型线路模型得到系统振荡频率、和/或线路长度、和/或节数，并根据所述N节的所述π型线路模型通过计算得到π节数；
基于所述π节数且根据不同长度的电缆线路、或架空线路得到配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置。
可选的，所述N节的所述π型线路模型的具体方程如下：
Figure BDA0002534368990000021
Figure BDA0002534368990000022
其中，
Figure BDA0002534368990000023
其中，
Figure BDA0002534368990000024
表示稳态的强制分量，x表示第x节数，l表示第x节数的线路长度，K为数字1～N，t表示时间，后半项
Figure BDA0002534368990000025
表示系统发生短路故障后的各次振荡分量，ωk表示振荡频率，L0表示N节π型线路模型的基准电感值，C0表示N节π型线路模型的基准电容值。
可选的，所述系统振荡频率包括系统最低振荡频率、和系统最高频率；其中，所述系统最低振荡频率的具体公式如下：
Figure BDA0002534368990000026
其中，f0表示系统最低振荡频率，ω0表示初始的振荡频率，L0表示N节π型线路模型的基准电感值，C0表示N节π型线路模型的基准电容值。
所述系统最高振荡频率的具体公式如下：
Figure BDA0002534368990000027
其中，fH表示系统最高振荡频率，ωN表示第N个振荡频率，L0表示N节π型线路模型的基准电感值，C0表示N节π型线路模型的基准电容值。
可选的，所述根据所述N节的所述π型线路模型通过计算得到π节数包括：
根据所述N节的所述π型线路模型的最高振荡频率和π节数得到π节数的具体计算公式；
根据所述π节数的具体计算公式得到所述N节的所述π型线路模型的最低节数值。
可选的，所述π节数的具体计算公式如下：
Figure BDA0002534368990000031
其中，fH表示系统最高振荡频率，l表示第x节数的线路长度，L0表示N节π型线路模型的基准电感值，C0表示N节π型线路模型的基准电容值。
可选的，所述基于所述π节数且根据不同长度的电缆线路、或架空线路得到配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置包括：
基于实际配电线路正序、和/或负序、和/或零序的参数，选取电缆模拟线路、或架空线路的参数；
基于所述电缆模拟线路、或架空线路的参数以及所述π节数，且根据不同长度的电缆线路、或架空线路得到配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置。
另外，本发明实施例还提供了一种配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置装置，所述装置包括：
选取模块：用于基于配电线路分布特性及故障点设置选取π型线路模型；
建立模块：用于建立N节的所述π型线路模型，根据所述N节的所述π型线路模型得到系统振荡频率、和/或线路长度、和/或节数，并根据所述N节的所述π型线路模型通过计算得到π节数；
配置模块：用于基于所述π节数且根据不同长度的电缆线路、或架空线路得到配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置。
在本发明实施中，建立了N节的所述π型线路模型，能满足单相接地故障模拟的试验精度要求的线路模型π节数的确定原则；同时根据不同长度的电缆线路、或架空线路得到配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置，在配电网实境试验平台的线路模拟试验中，具有良好的有效性和合理性，为配电网实境试验平台中线路模拟装置参数设计提供理论指导，且为模拟不同长度电缆及架空线的线路模拟装置灵活配置方案选取提供理论依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例中的配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置方法的流程示意图；
图2是本发明实施例中的配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置装置的结构组成示意图；
图3是本发明实施例中的N节的π型线路模型的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
请参阅图1，图1是本发明实施例中的配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置方法的流程示意图。
如图1所示，一种配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置方法，所述方法包括：
S11：基于配电线路分布特性及故障点设置选取π型线路模型；
在本发明具体实施过程中，通过研究不同的电力系统线路模型，选取既能够体现配电线路分布特点又易于设置故障点的π型线路模型作为研究对象；具体的，如图3所示，图3示出本发明实施例中的N节的π型线路模型的结构示意图，在配电网实境试验平台中，线路模拟是一次设备中最重要的组成成分，由于π型线路模型既能体现配电线路的分布特点，且易于在配电线路中间位置设置故障点，故选取π型线路模型作为配电网实境试验平台中线路的等值电路模型；当对典型π型线路模型进行等值电路计算时，由于每节π型等值电路形式完全相同(单二端口)，故求取N个二端口级联后的参数，再代入始端电压、电流数据，即可推出末端的电压电流，具体的计算步骤如下：
第k节π型等值电路与第k+1节π型等值电路的关系如式(1)所示：
Figure BDA0002534368990000051
N节π型电路级联后的两端电压电流计算如式(2)所示：
Figure BDA0002534368990000052
除去π型线路模型的两端电容支路，然后把中间π型等值电路的相邻2条电容支路进行合并，形成多T型电路；多T型线路模型中，有多个T型电路相连，每个T型电路有相同的传递函数特性，因此可以只分析第p节T型电路；通过第p节电路与第p-1节和第p+1节电路的关系形成方程的差分形式，对差分方程求解，得到第p节π型电路的频域解；
Figure BDA0002534368990000053
Figure BDA0002534368990000054
Figure BDA0002534368990000055
Figure BDA0002534368990000056
联系方程组，可得：
Up-1(s)-2Up(s)+Up+1(s)＝Up(s)·s2·L1C1 (7)
令Up(s)＝Mevp，并带入公式(7)可得：
Mev(p-1)-2Mevp+Mev(p+1)＝Mevp·s2·L1C1 (8)
消去Mevp，可得：
Figure BDA0002534368990000057
则：
Figure BDA0002534368990000061
令β＝ch-1(1+s2L1C1/2)，则Up(s)的通解为：
Up(s)＝M1eβp+M2e-βp (11)
其中M1和M2可由边界条件得到，在首端和末端处分别有：p＝0时，Up(s)＝U/s；p＝N时，Up(s)＝0；将这些条件带入Up(s)的通解，可得：
M1+M2＝0 (12)
M1eβN+M2e-βN＝0 (13)
联立公式(12)和公式(13)得到M1和M2，带入得到Up(s)的通解表达式为：
Figure BDA0002534368990000062
利用分解定理可求得原函数为：
Figure BDA0002534368990000063
其中，ωK为：
Figure BDA0002534368990000064
通过差分方程的解，可得到π型等值电路π节数的关系；
当N→∞时，相当于分布参数情况，此时p/N→/l，带入公式(15)可得：
Figure BDA0002534368990000065
Figure BDA0002534368990000066
此时，
Figure BDA0002534368990000067
公式(17)的物理意义为：
Figure BDA0002534368990000068
表示稳态的强制分量，x表示第x节数，l表示第x节数的线路长度，K为数字1～N，t表示时间，后半项
Figure BDA0002534368990000069
表示系统发生短路故障后的各次振荡分量，ωk表示振荡频率，L0表示N节π型线路模型的基准电感值，C0表示N节π型线路模型的基准电容值。如果线路是N节π型线路模型，则系统的振荡情况由ω1～ωn共N个振荡频率组成；如果是分布参数模型，振荡情况如式(19)所示，共由ω1～ω∞无穷多个振荡频率组成。
S12：建立N节的所述π型线路模型，根据所述N节的所述π型线路模型得到系统振荡频率、和/或线路长度、和/或节数，并根据所述N节的所述π型线路模型通过计算得到π节数；
在本发明具体实施过程中，根据S11可知，所述N节的所述π型线路模型的具体方程如下：
Figure BDA0002534368990000071
Figure BDA0002534368990000072
其中，
Figure BDA0002534368990000073
其中，
Figure BDA0002534368990000074
表示稳态的强制分量，x表示第x节数，l表示第x节数的线路长度，K为数字1～N，t表示时间，后半项
Figure BDA0002534368990000075
表示系统发生短路故障后的各次振荡分量，ωk表示振荡频率，L0表示N节π型线路模型的基准电感值，C0表示N节π型线路模型的基准电容值。
具体的，结合分布参数模型特点和N节π型线路模型边界条件，可以得到分布参数下的最低振荡频率和N节π型线路模型最高振荡频率如下：
(1)当N→∞时，线路可认为分布参数模型，其最低振荡频率为：
Figure BDA0002534368990000076
(2)N节π模型中当K＝N时，其最高振荡频率为：
Figure BDA0002534368990000077
需要说明的是，线路的分布参数模型振荡频率波形陡度很大，陡度为90°，其波形函数可以通过傅里叶变换分成基波频率和基波频率的整数次谐波的组合，而π线路模型有最高截至频率，只是分布参数模型中基波和部分谐波的组合。
在本发明具体实施过程中，所述根据所述N节的所述π型线路模型通过计算得到π节数包括：根据所述N节的所述π型线路模型的最高振荡频率和π节数得到π节数的具体计算公式；根据所述π节数的具体计算公式得到所述N节的所述π型线路模型的最低节数值。
具体的，根据上述分析π型线路模型特性可得到N节π型线路最高振荡频率和π节数的关系，推出π节数的公式为：
Figure BDA0002534368990000081
由公式(21)可得到的N为π型线路模型中的最低节数值；
故障选线时π节数的确定如下：
(1)配电系统线路故障选线，无论是中性点不接地系统还是经消弧线圈接地系统都需要保证至少在频率ω′内，线路信息不畸变；
ω′＝min(ωsk) (22)
Figure BDA0002534368990000082
其中，ωsk为第k回出线的角频率要求，ωsk＝2πfsk；
Figure BDA0002534368990000083
其中，fsk为第k回出线的频率要求，lsk为第k回出线长度；依据公式(23)可知，故障选线中频率要求最低值是线路长度最长的一回出线；若系统中最长线路长度为lmax，则对应的频率值为fmin：
Figure BDA0002534368990000084
故障选线要求在频率fmin范围内信号不畸变，也就要求在π型线路中，线路的最高振荡频率必须达到fmin的要求；
fH≥fmin (26)
即：
Figure BDA0002534368990000085
将公式(27)带入公式(21)可得：
Figure BDA0002534368990000086
取整后N≥1，但使用单节π线路模型又使得线路模型成为集中参数，故π节数N≥2；π线路模型中最低振荡频率f0大于fmin，因此π节数N≥2，能足以满足故障选线中暂态信号的要求；
(2)故障行波固有频率中最低频率占比最大，所以只要对最低频率ω0进行分析就能满足要求：
Figure BDA0002534368990000091
线路中最高振荡频率fH必须高于f0，即：
Figure BDA0002534368990000092
由公式(24)可知，N≥3即可；
综上，在配电网实境试验平台中，故障选线采用多π型线路模型，节数选择2节就能满足要求；故障定位中π节数选择3节就能满足要求。
S13：基于所述π节数且根据不同长度的电缆线路、或架空线路得到配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置。
在本发明具体实施过程中，所述基于所述π节数且根据不同长度的电缆线路、或架空线路得到配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置包括：基于实际配电线路正序、和/或负序、和/或零序的参数，选取电缆模拟线路、或架空线路的参数；基于所述电缆模拟线路、或架空线路的参数以及所述π节数，且根据不同长度的电缆线路、或架空线路得到配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置。
具体实施如下，如表4和表5所示，表4示出电缆线路模拟装置的配置示意表，表5示出架空线路模拟装置的配置示意表，为能够模拟不同长度的实际线路，需要设计能够体现典型长度线路参数的线路模拟装置。在配电网实境试验平台中，共配置4台电缆线路模拟装置，且模拟电缆线路总长度要在1km～10km内可调；共配置6台架空线路模拟装置，且模拟架空线路总长度要在1km～10km内可调；表4中名称分别为Lec1、Lec2、Lec3的电缆模拟装置能够模拟长度分别为1km、2km、5km的实际电缆线路；表4中，名称分别为Lol1、Lol2、Lol3的架空线模拟装置能够模拟长度分别为1km、2km、5km的实际架空线路；R1、L1、C1分别为线路模拟装置的正序电阻、正序电感、正序电容值；由于实际线路中负序参数与正序参数基本相同，故本发明实施中选取正序参数作为负序参数进行仿真分析；R0、L0、C0分别为线路模拟装置的零序电阻、零序电感、零序电容值；
表4电缆线路模拟装置的配置示意表
名称 L<sub>ec1</sub> L<sub>ec2</sub> L<sub>ec3</sub>
数量/台 1 2 1
长度/km 1 2 5
R<sub>1</sub>/Ω 0.0797 0.1594 0.3985
L<sub>1</sub>/mH 0.2739 0.5478 1.4
C<sub>1</sub>/μF 0.47 0.94 2.35
R<sub>0</sub>/Ω 0.797 1.594 3.985
L<sub>0</sub>/mH 0.9563 1.9 4.8
C<sub>0</sub>/μF 0.47 0.94 2.35
表5架空线路模拟装置的配置示意表
名称 L<sub>ol1</sub> L<sub>ol2</sub> L<sub>ol3</sub>
数量/台 1 2 3
长度/km 1 2 5
R<sub>1</sub>/Ω 0.01273 0.0255 0.0636
L<sub>1</sub>/mH 0.9337 1.9 4.7
C<sub>1</sub>/pF 12.74 25.48 63.7
R<sub>0</sub>/Ω 0.3864 0.7728 1.932
L<sub>0</sub>/mH 4.1264 8.3 20.6
C<sub>0</sub>/pF 7.751 15.502 38.755
另外，如表6所示，表6示出线路模拟装置的灵活配置示意表，配电网实境试验平台需要模拟不同长度的电缆线路或架空线路，则需要结合上述S12中确定的π节数，设计出线路模拟装置的灵活配置方案；针对其他长度线路，并结合上述理论中确定的π节数，表6给出了线路模拟装置的灵活配置方案。
表6线路模拟装置的灵活配置示意表
线路长度/km L<sub>ec1</sub>或L<sub>ol1</sub>台数 L<sub>ec2</sub>或L<sub>ol2</sub>台数 L<sub>ec3</sub>或L<sub>ol3</sub>台数
2 2 0 0
3 1 1 0
4 0 2 0
5 1 2 0
6 1 0 1
7 0 1 1
8 1 1 1
9 0 2 1
10 1 2 1
在本发明实施中，建立了N节的所述π型线路模型，能满足单相接地故障模拟的试验精度要求的线路模型π节数的确定原则；同时根据不同长度的电缆线路、或架空线路得到配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置，在配电网实境试验平台的线路模拟试验中，具有良好的有效性和合理性，为配电网实境试验平台中线路模拟装置参数设计提供理论指导，且为模拟不同长度电缆及架空线的线路模拟装置灵活配置方案选取提供理论依据。
实施例二
请参阅图2，图2是本发明实施例中的配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置装置的结构组成示意图。
如图2所示，一种配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置装置，所述装置包括：
选取模块11：用于基于配电线路分布特性及故障点设置选取π型线路模型；
建立模块12：用于建立N节的所述π型线路模型，根据所述N节的所述π型线路模型得到系统振荡频率、和/或线路长度、和/或节数，并根据所述N节的所述π型线路模型通过计算得到π节数；
配置模块13：用于基于所述π节数且根据不同长度的电缆线路、或架空线路得到配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置。
具体地，本发明实施例的装置相关功能模块的工作原理可参见方法实施例一的相关描述，这里不再赘述。
在本发明实施中，建立了N节的所述π型线路模型，能满足单相接地故障模拟的试验精度要求的线路模型π节数的确定原则；同时根据不同长度的电缆线路、或架空线路得到配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置，在配电网实境试验平台的线路模拟试验中，具有良好的有效性和合理性，为配电网实境试验平台中线路模拟装置参数设计提供理论指导，且为模拟不同长度电缆及架空线的线路模拟装置灵活配置方案选取提供理论依据。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
另外，以上对本发明实施例所提供的一种配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置方法及装置进行了详细介绍，本文中应采用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置方法，其特征在于，所述方法包括：
基于配电线路分布特性及故障点设置选取π型线路模型；
建立N节的所述π型线路模型，根据所述N节的所述π型线路模型得到系统振荡频率、和/或线路长度、和/或节数，并根据所述N节的所述π型线路模型通过计算得到π节数；
基于所述π节数且根据不同长度的电缆线路、或架空线路得到配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置。
2.根据权利要求1所述的配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置方法，其特征在于，所述N节的所述π型线路模型的具体方程如下：
Figure FDA0002534368980000011
其中，
Figure FDA0002534368980000012
其中，
Figure FDA0002534368980000013
表示稳态的强制分量，x表示第x节数，l表示第x节数的线路长度，K为数字1～N，t表示时间，后半项
Figure FDA0002534368980000014
表示系统发生短路故障后的各次振荡分量，ωk表示振荡频率，L0表示N节π型线路模型的基准电感值，C0表示N节π型线路模型的基准电容值。
3.根据权利要求1所述的配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置方法，其特征在于，所述系统振荡频率包括系统最低振荡频率、和系统最高频率；其中，所述系统最低振荡频率的具体公式如下：
Figure FDA0002534368980000015
其中，f0表示系统最低振荡频率，ω0表示初始的振荡频率，L0表示N节π型线路模型的基准电感值，C0表示N节π型线路模型的基准电容值。
所述系统最高振荡频率的具体公式如下：
Figure FDA0002534368980000021
其中，fH表示系统最高振荡频率，ωN表示第N个振荡频率，L0表示N节π型线路模型的基准电感值，C0表示N节π型线路模型的基准电容值。
4.根据权利要求1所述的配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置方法，其特征在于，所述根据所述N节的所述π型线路模型通过计算得到π节数包括：
根据所述N节的所述π型线路模型的最高振荡频率和π节数得到π节数的具体计算公式；
根据所述π节数的具体计算公式得到所述N节的所述π型线路模型的最低节数值。
5.根据权利要求4所述的配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置方法，其特征在于，所述π节数的具体计算公式如下：
Figure FDA0002534368980000022
其中，fH表示系统最高振荡频率，l表示第x节数的线路长度，L0表示N节π型线路模型的基准电感值，C0表示N节π型线路模型的基准电容值。
6.根据权利要求1所述的配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置方法，其特征在于，所述基于所述π节数且根据不同长度的电缆线路、或架空线路得到配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置包括：
基于实际配电线路正序、和/或负序、和/或零序的参数，选取电缆模拟线路、或架空线路的参数；
基于所述电缆模拟线路、或架空线路的参数以及所述π节数，且根据不同长度的电缆线路、或架空线路得到配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置。
7.一种配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置装置，其特征在于，所述装置包括：
选取模块：用于基于配电线路分布特性及故障点设置选取π型线路模型；
建立模块：用于建立N节的所述π型线路模型，根据所述N节的所述π型线路模型得到系统振荡频率、和/或线路长度、和/或节数，并根据所述N节的所述π型线路模型通过计算得到π节数；
配置模块：用于基于所述π节数且根据不同长度的电缆线路、或架空线路得到配电网实境试验平台线路模拟的灵活配置。
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