CN113221375A - 一种考虑线路覆冰与绝缘子闪络的电力系统仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种考虑线路覆冰与绝缘子闪络的电力系统仿真方法，包括：步骤S1.构建仿真系统；步骤S2.获取气象数据，基于气象数据构建扰动模型，通过扰动模型对气象数据进行处理，获取气象电气数据；步骤S3.基于气象电气数据构建故障率模型，对气象电气数据进行判断；步骤S4.获取电网信息，基于电网信息获取暂态数据，基于对暂态数据进行暂态仿真；步骤S5.基于暂态仿真的结果重复执行步骤S2，直到满足迭代条件；基于电网信息进行潮流计算，获取系统失电荷量，并通过气象电气数据判断结果与暂态仿真结果进行故障统计，完成电力系统仿真。本发明实现对各类运行工况下的电力系统性能精确评价，增加了电力系统仿真的精确性和实用性。

Description

一种考虑线路覆冰与绝缘子闪络的电力系统仿真方法
技术领域
本发明涉及电力系统仿真技术领域，特别涉及一种考虑线路覆冰与绝缘子闪络的电力系统仿真方法。
背景技术
极端冰雪天气下，输电线路上覆冰重量超出承受极限时，会发生断线、倒塔事故；绝缘子上覆冰会导致耐压程度下降，形成闪络、跳闸。开展相关仿真是研究极端冰雪天气对电力系统影响程度的有效手段。
传统研究方法将冰雪天气建立严重度模型，得到电网元件在不同严重度气象下的故障率模型，并对元件进行故障抽样，建立元件故障集，执行电力系统仿真。
上述方法存在以下问题：一是粗放式地把气象处理为不同严重程度，并建立相应的元件故障率模型，这一处理方法忽略了气象的动态过程及对线路、绝缘子影响的累积过程，不够准确；二是忽略了气象过程与电力过程的交互动态影响，未考虑电力系统对输电线路覆冰以及绝缘子闪络的反作用，缺乏合理性。
发明内容
为解决上述现有技术中所存在忽略气象的动态过程及对线路、绝缘子影响的累积过程，忽略了气象过程与电力过程的交互动态影响的问题，本发明提供一种考虑线路覆冰与绝缘子闪络的电力系统仿真方法，能够保留气象的动态过程及对线路、绝缘子影响的累积过程及气象过程与电力过程的交互动态影响，对各类运行工况下的电力系统性能精确评价，增强了电力系统仿真的实用性，本发明公开的仿真方法包括：
步骤S1.基于电力系统构建仿真系统；
步骤S2.获取气象数据，基于所述气象数据在所述仿真系统中构建扰动模型，通过所述扰动模型对所述气象数据进行处理，获取气象电气数据；
步骤S3.基于所述气象电气数据在所述仿真系统中构建故障率模型，通过所述故障率模型对所述气象电气数据进行判断；
步骤S4.获取电网信息，基于所述电网信息获取暂态数据，基于对所述暂态数据进行暂态仿真；
步骤S5.基于所述暂态仿真的结果重复执行所述步骤S2，直到满足迭代条件；基于所述电网信息进行潮流计算，获取系统失电荷量，并通过所述气象电气数据的判断结果与所述暂态仿真的结果获取故障类型，完成电力系统仿真。
优选的，所述步骤S2中，所述气象数据包括但不限于输电线路温度、覆冰厚度、降水方向、风速风向。
优选的，所述步骤S4中，所述电网信息包括但不限于电网结构、电网参数、电网功率、电网电压。
优选的，所述步骤S2中，所述扰动模型包括覆冰重量-电力系统扰动模型与绝缘子闪络电压-故障扰动模型；
所述覆冰重量-电力系统扰动模型基于气象数据获取覆冰重量；
所述绝缘子闪络电压-故障扰动模型基于气象数据获取闪络电压。
优选的，构建所述覆冰重量-电力系统扰动模型的具体步骤包括：通过单自由度模型构建所述覆冰重量-电力系统扰动模型，所述覆冰重量-电力系统扰动模型如下：
Figure BDA0003092489190000031
其中，Mi为覆冰重量；τ为仿真总时长，r(t)为覆冰输电线路的半径；Ca为覆冰系数；Va为空气运动指数；Sw为风速；r为输电线路半径；Cw为空气液态水密度；Cc为收集系数；Ci为电流热效应系数；I为输电线路电流；θ1、θ2分别为降水、风向与输电线路之间的夹角；t为仿真时间变量。
优选的，所述绝缘子闪络电压-故障扰动模型如下：
Figure BDA0003092489190000032
其中，Uf为闪络电压；A为常数；b是污秽影响特征指数；S是为绝缘子表面污秽程度；H为高度；W为绝缘子上覆冰重量。
优选的，所述步骤S3中，通过所述故障率模型对所述气象电气数据进行判断的具体步骤包括：
通过故障率模型对覆冰重量、闪络电压进行判断，其中故障率模型为：
Figure BDA0003092489190000033
其中，Mi为覆冰重量；Mo为线路承载重量极限；Pb为断线故障率；Uf为闪络电压；Ui为绝缘子端电压；Pf为闪络故障率；
当Pb为1时发生覆冰-断线故障，Pb为0时未发生故障；
当Pf为1时发生闪络-短路故障，Pf为0时未发生故障。
优选的，所述步骤S4中，对所述暂态数据进行暂态仿真的具体步骤包括：
基于所述暂态数据中的电压数据进行电压失稳判断，基于所述电压判断结果进行切负荷操作，在所述切负荷操作之后，基于所述电网信息进行潮流越限判断，基于潮流越限判断结果，进行线路开断操作，获取暂态仿真结果。
优选的，所述步骤S5中，所述迭代条件为仿真系统中的仿真参数大于仿真系统中的预设参数；
其中，所述仿真参数包括但不限于所述气象仿真周期，暂态仿真周期；所述预设参数包括但不限于预设气象仿真周期，预设暂态仿真周期；
所述仿真参数基于所述判断结果与所述暂态仿真结果进行更新。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本发明建立了冰雪天气下气象条件与输电线路断线的故障关系模型以及绝缘子的闪络故障模型，通过精细化建模，精确揭示了气象动态演化过程。
本发明通过对输电线路上的覆冰过程、绝缘子上的闪络过程以及电力系统过程三部分的混合仿真，能够得到交互过程中的各物理量，从而对其影响机理以及过程能够精确动态跟踪。
本发明将电力系统仿真拓展到气象领域，从而为电力系统从业人员提供抵御极端气象的研究工具与数据支撑，并且能够对动态仿真过程中的变量自定义，实现对各类运行工况下的电力系统性能精确评价，增强了电力系统仿真的实用性。
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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的混合仿真流程示意图；
图2为本发明实施例提供的混合仿真框架示意图；
图3为本发明实施例提供的覆冰重量-断线故障率关系建模示意图；
图4为本发明实施例提供的闪络电压-闪络故障率故障关系建模示意图；
图5是本发明实施例提供的气象数据；
图6为本发明实施例提供的输电线路绝缘电压示意图；
图7为本发明实施例提供的输电线路覆冰重量示意图；
图8为本发明实施例提供的输电线路输送功率示意图；
图9为本发明实施例提供的输电线路电流示意图。
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，都属于本发明保护的范围。
为了解决在现有技术中存在所存在忽略气象的动态过程及对线路、绝缘子影响的累积过程，忽略了气象过程与电力过程的交互动态影响的问题，等问题，本发明提供了如下方案：
如图1-2所述，本发明提供了一种考虑线路覆冰与绝缘子闪络的电力系统仿真方法，包括：
步骤S1.基于电力系统构建仿真系统；
在仿真系统中，混合仿真总时间设置为72小时，来模拟现实中的极端冰雪气象事件。由于气象数据时域灵敏度低，变化较慢，混合总仿真周期即整个过程时长，并具有大步长特征，所以在气象系统中气象预设仿真周期为72小时，气象仿真步长即气象步长为2秒；系统中，机电暂态预设仿真周期为20秒，暂态仿真步长即暂态步长为0.01秒；潮流计算周期即潮流预设周期为两次故障间隔时长，潮流计算步长即潮流步长为负荷波动周期，即1小时。
切负荷操作使用低压切负荷模块，低压切负荷模块采用两轮切除方案，采取以下三元表，[0.85p.u.,0.5s,20％]和[0.75p.u.,0.5s,40％]，分别对应电压，持续时间，切负荷量。
步骤S2.获取气象数据，基于所述气象数据在所述仿真系统中构建扰动模型，通过所述扰动模型对所述气象数据进行处理，获取气象电气数据；其中，所述气象数据包括但不限于输电线路温度、覆冰厚度、降水方向、风速风向。所述扰动模型包括覆冰重量-电力系统扰动模型与绝缘子闪络电压-故障扰动模型；所述覆冰重量-电力系统扰动模型基于气象数据获取覆冰重量；所述绝缘子闪络电压-故障扰动模型基于气象数据获取闪络电压。
对输电线路上的覆冰重量-电力系统扰动模型采用单自由度模型，即对最薄弱点进行机械受力分析，在经典覆冰重量模型基础上引入输电线路上流经电流的热温度系数，系数的选取可以根据不同区域历史故障数据确定。所述覆冰重量-电力系统扰动模型如下：
Figure BDA0003092489190000071
其中，Mi为覆冰重量；τ为仿真总时长，r(t)为覆冰输电线路的半径；Ca为覆冰系数；Va为空气运动指数；Sw为风速；r为输电线路半径；Cw为空气液态水密度；Cc为收集系数；Ci为电流热效应系数；I为输电线路电流；θ1、θ2分别为降水、风向与输电线路之间的夹角；t为仿真时间变量。
绝缘子闪络电压-故障扰动模型中在绝缘子端电压低于闪络电压即触发闪络，且绝缘子上电压分布均匀。所述绝缘子闪络电压-故障扰动模型如下：
Figure BDA0003092489190000072
其中，Uf为闪络电压；A为常数；b是污秽影响特征指数；S是为绝缘子表面污秽程度；H为高度；W为绝缘子上覆冰重量。
进一步的，如图5所示，温度影响覆冰模型中的冻结系数,模拟温度在72小时的正弦变化，峰值分别是-10℃、-5℃。降水影响空气温度，模拟降水预测数据为降水基准值在1mm/h的基础上，每五分钟随机变化20％。风速与风向采用转化为垂直于输电线路方向的风速，模拟不同区域风速分别以5m/s和8m/s基础上20％波动。
步骤S3.基于所述气象电气数据在所述仿真系统中构建故障率模型，通过所述故障率模型对所述气象电气数据进行判断；
如图3-图4所示，当输电线路上的覆冰重量超出线路承载极限时，触发断线故障，因此建立以下覆冰重量-断线故障率模型，
Figure BDA0003092489190000081
其中，Mi为覆冰重量；Mo为线路承载重量极限；Pb为断线故障率；
正常状态时，闪络电压高于绝缘子运行端电压，从而起到保护作用。当外界条件变化，引起绝缘子闪络电压降低，直到低于运行电压时，诱发闪络。
Figure BDA0003092489190000082
Uf为闪络电压；Ui为绝缘子端电压；Pf为闪络故障率；
当Pb为1时发生覆冰-断线故障，Pb为0时未发生故障；
当Pf为1时发生闪络-短路故障，Pf为0时未发生故障。
步骤S4.获取电网信息，基于所述电网信息获取暂态数据，基于所述气象电气数据的判断结果对所述暂态数据进行暂态仿真；所述电网信息包括但不限于电网结构、电网参数、电网功率、电网电压。
所述步骤S4中，对所述暂态数据进行暂态仿真的具体步骤包括：
基于所述暂态数据中的电压数据进行电压失稳判断，基于所述电压判断结果进行切负荷操作，在所述切负荷操作之后，基于所述电网信息进行潮流越限判断，基于潮流越线判断结果，进行线路开断操作，获取暂态仿真结果。
步骤S5.基于所述暂态仿真的结果重复执行所述步骤S2，直到满足迭代条件；基于所述电网信息进行潮流计算，获取系统失电荷量，并通过所述气象电气数据的判断结果与所述暂态仿真的结果获取故障类型，完成电力系统仿真。
所述步骤S5中，所述迭代条件为仿真系统中的仿真参数大于仿真系统中的预设参数；其中，所述仿真参数包括但不限于所述气象仿真周期，暂态仿真周期；所述预设参数包括但不限于预设气象仿真周期，预设暂态仿真周期；所述仿真参数基于所述判断结果与所述暂态仿真结果进行更新。
进一步的，在所述步骤S3中若所述气象电气数据的判断结果为无故障则将仿真参数进行更新，将仿真参数增加一个气象步长，并执行对暂态数据进行仿真的过程，否则将返回步骤S2，进行长中期仿真，判断是否满足迭代条件，满足迭代条件则直接进行潮流计算，获取系统失电荷量，不满足迭代条件则继续执行步骤S3中的操作，潮流计算中考虑负荷日变化波动特性；
进一步的，在所述步骤S4中，暂态仿真的过程中，基于所述暂态数据中的电压数据进行电压失稳判断，电压失稳判断结果中电压失稳则进行切负荷操作，否则直接进行潮流越限怕段，在对所述电网信息进行潮流越限判断过程中，潮流越限判断结果为潮流越限则进行线路开断操作，然后将所述仿真参数进行更新，仿真参数增加一个暂态步长，并获取暂态仿真的结果，否则直接将仿真参数增加一个暂态步长，并获取暂态仿真的结果。获取暂态仿真的结果后将所述仿真参数进行更新，将仿真参数增加一个气象步长，返回步骤S2，进行迭代操作。
同时在本发明的技术方案中采用PSS/E自带6机23节点系统。全网有6台发电机，23条输电线路分布在3个区域。发电机、负荷及输电线路参数如表1-表3所示，表1为发电机参数、表2为负荷参数、表3为输电线路参数。
表1
Figure BDA0003092489190000101
表2
Figure BDA0003092489190000102
Figure BDA0003092489190000111
表3
Figure BDA0003092489190000112
基于上述72小时气象数据与电网信息，在构建的仿真系统中进行采用仿真方法，最终结果如表4所示。表4是输电线路故障事件列表，主要包括三类：绝缘子的闪络故障导致线路跳闸，输电线路的超重导致断线，以及功率越限导致线路切除。
表4
Figure BDA0003092489190000113
Figure BDA0003092489190000121
同时在图6-图9中提供了本发明方法检测到的故障产生情况，在图7中所检测的为四条220kV输电线路上的覆冰重量随时间变化曲线，虚线为线路承载能力极限。在覆冰重量达到线路承载重量极限的时刻，覆冰重量超出了线路承载能力，从而导致断线。图8为其中四条线路功率变化图。线路均因发生相继故障，输电功率先后跌落至零。图9为对应上述三类故障，输电线路因故障或潮流转移也发生相应归零或波动。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本发明建立了冰雪天气下气象条件与输电线路断线的故障关系模型以及绝缘子的闪络故障模型，通过精细化建模，揭示了气象动态演化过程。本发明通过对输电线路上的覆冰过程、绝缘子上的闪络过程以及电力系统过程三部分的混合仿真，能够得到交互过程中的各物理量，从而对其影响机理以及过程能够动态跟踪。本发明将电力系统仿真拓展到气象领域，从而为电力系统从业人员提供抵御极端气象的研究工具与数据支撑，并且能够对动态仿真过程中的变量自定义，实现对各类运行工况下的电力系统性能评价。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种考虑线路覆冰与绝缘子闪络的电力系统仿真方法，其特征在于，包括：
步骤S1.基于电力系统构建仿真系统；
步骤S2.获取气象数据，基于所述气象数据在所述仿真系统中构建扰动模型，通过所述扰动模型对所述气象数据进行处理，获取气象电气数据；
步骤S3.基于所述气象电气数据在所述仿真系统中构建故障率模型，通过所述故障率模型对所述气象电气数据进行判断；
步骤S4.获取电网信息，基于所述电网信息获取暂态数据，基于对所述暂态数据进行暂态仿真；
步骤S5.基于所述暂态仿真的结果重复执行所述步骤S2，直到满足迭代条件；基于所述电网信息进行潮流计算，获取系统失电荷量，并通过所述气象电气数据的判断结果与所述暂态仿真的结果获取故障类型，完成电力系统仿真。
2.根据权利要求1所述考虑线路覆冰与绝缘子闪络的电力系统仿真方法，其特征在于：
所述步骤S2中，所述气象数据包括但不限于输电线路温度、覆冰厚度、降水方向、风速风向。
3.根据权利要求1所述考虑线路覆冰与绝缘子闪络的电力系统仿真方法，其特征在于：
所述步骤S4中，所述电网信息包括但不限于电网结构、电网参数、电网功率、电网电压。
4.根据权利要求1所述考虑线路覆冰与绝缘子闪络的电力系统仿真方法，其特征在于：
所述步骤S2中，所述扰动模型包括覆冰重量-电力系统扰动模型与绝缘子闪络电压-故障扰动模型；
所述覆冰重量-电力系统扰动模型基于气象数据获取覆冰重量；
所述绝缘子闪络电压-故障扰动模型基于气象数据获取闪络电压。
5.根据权利要求4所述考虑线路覆冰与绝缘子闪络的电力系统仿真方法，其特征在于：
构建所述覆冰重量-电力系统扰动模型的具体步骤包括：通过单自由度模型构建所述覆冰重量-电力系统扰动模型，所述覆冰重量-电力系统扰动模型如下：
Figure FDA0003092489180000021
其中，Mi为覆冰重量；τ为仿真总时长，r(t)为覆冰输电线路的半径；Ca为覆冰系数；Va为空气运动指数；Sw为风速；r为输电线路半径；Cw为空气液态水密度；Cc为收集系数；Ci为电流热效应系数；I为输电线路电流；θ1、θ2分别为降水、风向与输电线路之间的夹角；t为仿真时间变量。
6.根据权利要求4所述考虑线路覆冰与绝缘子闪络的电力系统仿真方法，其特征在于：
所述绝缘子闪络电压-故障扰动模型如下：
Figure FDA0003092489180000031
其中，Uf为闪络电压；A为常数；b是污秽影响特征指数；S是为绝缘子表面污秽程度；H为高度；W为绝缘子上覆冰重量。
7.根据权利要求4所述考虑线路覆冰与绝缘子闪络的电力系统仿真方法，其特征在于：
所述步骤S3中，通过所述故障率模型对所述气象电气数据进行判断的具体步骤包括：
通过故障率模型对覆冰重量、闪络电压进行判断，其中故障率模型为：
Figure FDA0003092489180000032
其中，Mi为覆冰重量；Mo为线路承载重量极限；Pb为断线故障率；Uf为闪络电压；Ui为绝缘子端电压；Pf为闪络故障率；
当Pb为1时发生覆冰-断线故障，Pb为0时未发生故障；
当Pf为1时发生闪络-短路故障，Pf为0时未发生故障。
8.根据权利要求1所述考虑线路覆冰与绝缘子闪络的电力系统仿真方法，其特征在于：
所述步骤S4中，对所述暂态数据进行暂态仿真的具体步骤包括：
基于所述暂态数据中的电压数据进行电压失稳判断，基于所述电压判断结果进行切负荷操作，在所述切负荷操作之后，基于所述电网信息进行潮流越限判断，基于潮流越限判断结果，进行线路开断操作，获取暂态仿真结果。
9.根据权利要求1所述考虑线路覆冰与绝缘子闪络的电力系统仿真方法，其特征在于：
所述步骤S5中，所述迭代条件为仿真系统中的仿真参数大于仿真系统中的预设参数；
其中，所述仿真参数包括但不限于所述气象仿真周期，暂态仿真周期；所述预设参数包括但不限于预设气象仿真周期，预设暂态仿真周期；
所述仿真参数基于所述判断结果与所述暂态仿真结果进行更新。
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