CN112198454B - 一种在含新能源电源的网络中进行短路电流局部迭代的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在含新能源电源的网络中进行短路电流局部迭代的方法，首先根据故障前潮流和短路电流计算得到故障前后各节点的电压；消除各节点电压初值对于分区的影响，并根据电压跌落程度和各节点之间的连接关系划分故障区域节点；在所划分的故障区域内基于新能源电源的输出电流和端口电压之间的关系进行局部迭代，获得故障区域内节点电压的修正量；将故障区域内节点电压的修正量与短路电流计算得到的对应节点电压相叠加，获得基于新能源压控电流源特性的节点电压，并以此求得全网的短路电流。该方法能较好地嵌入原有短路电流计算过程中，并提高含新能源电源的网络短路电流计算精度。

Description

一种在含新能源电源的网络中进行短路电流局部迭代的方法

技术领域

本发明涉及电力系统分析技术领域，尤其涉及一种在含新能源电源的网络中进行短路电流局部迭代的方法。

背景技术

目前，为了解决日益严峻的能源危机和环境问题，以光伏和风电为代表的新能源发电技术得到的迅速的发展，截止2019年底，我国并网风电装机容量达21005万千瓦，并网光伏装机容量20468万千瓦，分别占总装机容量的10.45％和10.18％。风电、光伏等新能源电源高密度接入电网后，改变了电网拓扑结构和潮流分布，也将影响电网短路故障扰动下系统的安全运行水平。然而在当前的配电网短路电流计算和保护配置整定过程中，风电、光伏等新能源电源通常被简单视为负荷或恒流源，这与实际运行情况不符，且严重影响了短路后故障电流计算的精确性以及继电保护装置的动作性能。

随着风电、光伏等新能源电源接入比例的快速增加，由于新能源电源的输出电流与并网点电压相关联，而传统的短路电流计算方法又不支持迭代计算，短路电流的计算精度已经不能满足实际生产运行的需要，因此亟需研究一种能够在故障点附近区域进行局部迭代的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种在含新能源电源的网络中进行短路电流局部迭代的方法，该方法能较好地嵌入原有短路电流计算过程中，并提高含新能源电源的网络短路电流计算精度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种在含新能源电源的网络中进行短路电流局部迭代的方法，所述方法包括：

步骤1、根据故障前潮流和短路电流计算得到故障前后各节点的电压；

步骤2、消除各节点电压初值对于分区的影响，并根据电压跌落程度和各节点之间的连接关系划分故障区域节点；

步骤3、在所划分的故障区域内基于新能源电源的输出电流和端口电压之间的关系进行局部迭代，获得故障区域内节点电压的修正量；

步骤4、将故障区域内节点电压的修正量与短路电流计算得到的对应节点电压相叠加，获得基于新能源压控电流源特性的节点电压，并以此求得全网的短路电流。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法能较好地嵌入原有短路电流计算过程中，并提高含新能源电源的网络短路电流计算精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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他附图。

图1为本发明实施例提供的在含新能源电源的网络中进行短路电流局部迭代的方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的在含新能源电源的网络中进行短路电流局部迭代法的详细流程框图；

图3为本发明实施例所提供的含新能源电源的69节点网络仿真模型示意图。

具体实施方式

下面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。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的在含新能源电源的网络中进行短路电流局部迭代的方法流程示意图，图2为详细流程框图，结合图1和图2，述方法包括：

步骤1、根据故障前潮流和短路电流计算得到故障前后各节点的电压；

在该步骤中，具体是根据故障前潮流得到故障前各节点的电压初值U⁽⁰⁾，并通过短路电流计算得到故障后各节点的电压U⁽¹⁾，以此作为分区迭代的基础，其中：

式中，下标n为网络中总节点个数；

假设l节点发生故障，通过短路电流计算获得故障后各节点电压表示为：

步骤2、消除各节点电压初值对于分区的影响，并根据电压跌落程度和各节点之间的连接关系划分故障区域节点；

在该步骤中，首先获得故障后节点电压相对于故障前节点电压的比值作为节点电压的标幺值，具体为：

预设一个分区临界电压若某一节点电压的标幺值小于该临界电压，即

则该节点保留，认为其为故障相关节点，最终形成节点集S₀；

若节点集S₀中的节点相互连通，则认为其为故障区域节点集S；

若节点集S₀中存在独立节点(不与S₀中其他节点相连的节点)，即该独立节点与节点集S₀中其他节点之间的互导纳均为0，则将该独立节点去除，形成故障区域节点集S；

同时为了避免迭代区域过大影响计算时间，需限制故障区域节点集S中的节点个数，当故障区域节点集S内的节点个数超过预设限值M₀时，减小预设的分区临界电压并重新形成故障区域节点集S。

步骤3、在所划分的故障区域内基于新能源电源的输出电流和端口电压之间的关系进行局部迭代，获得故障区域内节点电压的修正量；

在该步骤中，若故障区域节点集S中有新能源接入节点，则形成S的节点导纳矩阵Y_S，并根据故障后各节点电压U⁽¹⁾中节点集S所对应故障区域节点的节点电压求得新能源电源的输出电流/>

并以此获得新能源节点注入电流的增量，表示为：

式中，为新能源电源的额定电流；

在得到新能源节点注入电流的增量后，通过节点导纳矩阵Y_S在故障区域内进行局部迭代，求解得到故障区域内节点电压的修正量/>

式中，为故障区域节点的注入电流列向量；/>中对应新能源节点的电流值为/>非新能源节点的电流值为0。

步骤4、将故障区域内节点电压的修正量与短路电流计算得到的对应节点电压相叠加，获得基于新能源压控电流源特性的节点电压，并以此求得全网的短路电流。

在该步骤中，在故障区域内进行循环迭代，直到节点电压修正量满足收敛条件：

然后将节点电压修正量与故障后各节点电压U⁽¹⁾中对应节点的节点电压相叠加，获得基于新能源压控电流源特性的节点电压U_f；

进一步的，对于新能源送出线路，若其并网节点属于故障区域节点，则其短路电流表示为：

式中，为通过新能源接入节点的电压/>所求得的新能源的输出电流；

若其并网节点不属于故障区域节点，则其短路电流表示为：

对于不直接与新能源电源相连接线路的短路电流则根据下式(9)求解得到：

从而求得全网的短路电流I_f；

若故障区域节点集S中没有新能源接入节点，则直接通过故障后各节点电压U⁽¹⁾获得全网的短路电流I_f。

下面结合具体仿真实例对本发明所述方法的过程进行具体阐述，本实例在PSCAD中搭建如图3所示的69节点仿真模型，系统中有多个同步机电源和新能源电源，设置在节点12处发生三相短路，过渡电阻为0.2Ω，预设分区临界电压故障区域节点限值M₀＝20。

首先，通过潮流计算得各节点电压的初值：

通过传统短路电流计算获得故障后各节点电压，此处计算时将新能源电源置零处理：

消除节点电压初值对分区的影响，求其故障后节点电压相对于故障前电压的比值作为该节点电压的标幺值：

当分区临界电压时，可求得故障区域如图3中虚线所围区域所示，此区域的节点个数m＝32＞M₀，故需减小分区临界电压；

取此时所得故障区域如图3中点划线所围区域所示，此区域的节点个数m＝26＞M₀，需再次减小分区临界电压；

取此时所得故障区域如图3中点虚线所围区域所示，此区域的节点个数m＝17＜M₀，符合要求，因此取图3中点虚线所围区域节点为故障区域节点集S；

从图3中可知，故障区域节点集S中共含有4个新能源节点：17和55两个永磁直驱风机接入节点，以及15和57两个双馈风机接入节点；

通过I_NE＝f_NE(U)以及求得新能源节点的注入电流/>由于短路电流计算时将新能源电源置零处理，因此可得新能源节点注入电流的增量：

对于故障区域节点注入电流增量的列向量其中新能源节点对应的元素为其余非新能源节点对应元素为0；

由短路电流计算程序得到故障区域的节点导纳矩阵Y_S，需注意，在短路电流计算中所求得的全网的节点导纳矩阵Y中已包含负荷和故障点处的过渡电阻。

在得到故障区域节点注入电流增量的列向量和故障区域的节点导纳矩阵Y_S后，可通过式(14)求解节点电压的一次修正量/>

因此通过式(15)可得到一次迭代后的故障区域节点电压

式中，为U⁽¹⁾中对应故障区域节点的节点电压列向量，需注意，式(15)中的/>在每次迭代中保持不变。

根据式(6)判断节点电压修正量是否满足收敛条件，此处取节点电压修正量的初值来判断第一次迭代结果是否满足度要求。

在故障区域内进行循环迭代，直到节点电压修正量达到精度；然后将故障区域节点电压的修正量/>与U⁽¹⁾中对应节点的节点电压叠加，得到最终考虑了新能源压控电流源特性的节点电压U_f，其与传统短路电流计算所得节点电压对比如表1所示：

表1传统短路电流计算和局部迭代法所得节点电压对比

在已知节点电压U_f之后，可由式(7)-(9)求得全网的短路电流I_f，传统短路电流计算方法与局部迭代法所得电流如表2所示。

表2传统短路电流计算和局部迭代法所得线路电流对比

由表中数据可以看出，传统短路电流计算方法所求得的网络节点电压和线路电流偏小，尤其对于新能源直接相连线路，若其属于分支线路，则其短路电流主要由新能源提供，会导致电流计算值与实际值偏差较大(如线路54-55，56-57，误差将近100％)；采取局部迭代法的计算方法，充分考虑了新能源的压控电流源特性，所得节点电压和线路电流的最大计算误差在7％以内，有效提高了计算精度。

至此，本发明实现了含新能源的电源网络短路电流计算的局部迭代，且由上述节点电压对比表1可知：通过本发明的局部迭代法可提高含新能源网络的短路电流计算精度。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

综上所述，本发明实施例所述方法具有如下优点：

(1)本方法属于调用式迭代，不会增加短路电流计算的计算规模，可以较好地嵌入原有短路电流计算软件，具有较好的适应性；

(2)充分考虑了新能源电源的压控电流源特性，对含新能源电源的网络进行短路电流计算时可以提高计算精度，对正确刻画含新能源电力系统的故障特性具有较好的参考价值，有利于继电保护原理的整定和校验；

(3)对迭代区域的维度进行限制，保证在提高了短路电流计算精度的基础上不会增加太多额外耗时。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种在含新能源电源的网络中进行短路电流局部迭代的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、根据故障前潮流和短路电流计算得到故障前后各节点的电压；

在步骤1中，具体是根据故障前潮流得到故障前各节点的电压初值U⁽⁰⁾，并通过短路电流计算得到故障后各节点的电压U⁽¹⁾，以此作为分区迭代的基础，其中：

式中，下标n为网络中总节点个数；

假设l节点发生故障，通过短路电流计算获得故障后各节点电压表示为：

步骤2、消除各节点电压初值对于分区的影响，并根据电压跌落程度和各节点之间的连接关系划分故障区域节点；

所述步骤2的过程具体为：

首先获得故障后节点电压相对于故障前节点电压的比值作为节点电压的标幺值，具体为：

预设一个分区临界电压若某一节点电压的标幺值小于该临界电压，即：

则该节点保留，认为其为故障相关节点，最终形成节点集S₀；

若节点集S₀中的节点相互连通，则认为其为故障区域节点集S；

若节点集S₀中存在独立节点，即该独立节点与节点集S₀中其他节点之间的互导纳均为0，则将该独立节点去除，形成故障区域节点集S；

当故障区域节点集S内的节点个数超过预设限值M₀时，减小预设的分区临界电压并重新形成故障区域节点集S；

步骤3、在所划分的故障区域内基于新能源电源的输出电流和端口电压之间的关系进行局部迭代，获得故障区域内节点电压的修正量；

所述步骤3的过程具体为：

若故障区域节点集S中有新能源接入节点，则形成S的节点导纳矩阵Y_S，并根据故障后各节点电压U⁽¹⁾中节点集S所对应故障区域节点的节点电压求得新能源电源的输出电流/>

并以此获得新能源节点注入电流的增量，表示为：

式中，为新能源电源的额定电流；

在得到新能源节点注入电流的增量后，通过节点导纳矩阵Y_S在故障区域内进行局部迭代，求解得到故障区域内节点电压的修正量/>

式中，为故障区域节点的注入电流列向量；/>中对应新能源节点的电流值为非新能源节点的电流值为0；

步骤4、将故障区域内节点电压的修正量与短路电流计算得到的对应节点电压相叠加，获得基于新能源压控电流源特性的节点电压，并以此求得全网的短路电流；

所述步骤4的过程具体为：

在故障区域内进行循环迭代，直到节点电压修正量满足收敛条件：

然后将节点电压修正量与故障后各节点电压U⁽¹⁾中对应节点的节点电压相叠加，获得基于新能源压控电流源特性的节点电压U_f；

进一步的，对于新能源送出线路，若其并网节点属于故障区域节点，则其短路电流表示为：

式中，为通过新能源接入节点的电压/>所求得的新能源的输出电流；

若其并网节点不属于故障区域节点，则其短路电流表示为：

对于不直接与新能源电源相连接线路的短路电流则根据下式(9)求解得到：

从而求得全网的短路电流I_f；

若故障区域节点集S中没有新能源接入节点，则直接通过故障后各节点电压U⁽¹⁾获得全网的短路电流I_f。