CN116298578A - 一种变速抽蓄机组内部故障的动态模拟试验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种变速抽蓄机组内部故障的动态模拟试验系统及方法。其中，系统包括：无穷大物理模拟单元、输电线路物理模拟单元、开关物理模拟单元、母线物理模拟单元、变压器物理模拟单元、变速抽蓄机组物理模拟单元、变速抽蓄机组物理模拟单元内部的故障物理模拟单元，其中变速抽蓄机组物理模拟单元经变压器物理模拟单元通过开关物理模拟单元接入母线物理模拟单元，母线物理模拟单元另一侧通过开关物理模拟单元接无穷大物理模拟单元和输电线路物理模拟单元。
Description
技术领域
本申请涉及电力系统物理动态模拟及试验技术领域，特别是涉及一种变速抽蓄机组内部故障的动态模拟试验系统及方法。
背景技术
可变速抽水蓄能机组调节范围宽、响应快、运行灵活，具有良好的稳定性和变速恒频发电能力，适应更宽广的水头变幅，兼顾水轮机工况和水泵工况的最优效率，对改善高比例新能源电力系统的频率稳定和动态有功调节能力具有重要意义。我国在可变速抽水蓄能机组保护技术上还处于起步阶段，尚无国产化工程应用，由于其结构不同于常规抽蓄机组，在其应用特性、故障机理及模拟测试方面的研究相对缺乏，迫切需要对变速抽蓄机组自身特性及保护适应性开展研究。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本公开提供了一种变速抽蓄机组内部故障的动态模拟试验系统及方法。
根据本申请的一个方面，提供了一种变速抽蓄机组内部故障的动态模拟试验系统，包括：无穷大物理模拟单元、输电线路物理模拟单元、开关物理模拟单元、母线物理模拟单元、变压器物理模拟单元、变速抽蓄机组物理模拟单元、变速抽蓄机组物理模拟单元内部的故障物理模拟单元，其中
变速抽蓄机组物理模拟单元经变压器物理模拟单元通过开关物理模拟单元接入母线物理模拟单元，母线物理模拟单元另一侧通过开关物理模拟单元接无穷大物理模拟单元和输电线路物理模拟单元。
可选地，变速抽蓄机组物理模拟单元包括模拟水泵/水轮机的永磁同步电动/发电机、模拟变速抽蓄发电/电动机的交流励磁发电电动机、控制永磁同步电动/发电机的全功率变流器、控制交流励磁发电电动机的双馈变流器、配套的变速抽蓄机组模拟控制器以及交流励磁控制器。
可选地，内部故障物理模拟单元包括故障位置开关、故障开关和选相开关，用于模拟变速抽蓄机组定子和转子侧的匝对地和匝间内部故障。
可选地，变压器物理模拟单元包括具备内部故障模拟能力的升压变压器。
可选地，母线物理模拟单元包括母线在不同电压等级下的接线方式以及系统内其他物理模拟单元的一次接线。
可选地，无穷大物理模拟单元包括开关柜通过电力变压器直接与电力系统相连。
可选地，输电线路物理模拟单元包括可调整的电阻、电抗以及电容单元。
可选地，变速抽蓄机组内部故障的动态模拟试验系统还包括：录波器单元，用于记录电压/电流互感器物理模拟单元二次侧输出的电压电流波形，其中录波器单元包括故障录波器。
可选地，变速抽蓄机组内部故障的动态模拟试验系统还包括：开关物理模拟单元包括断路器及断路器控制系统，用于将开关位置信息输出至录波器单元。
可选地，还包括：控制台，用于调阅录波器单元中的录波文件，并进行波形和故障分析，其中控制台包括变速抽蓄机组物理模拟单元、开关物理模拟单元、故障模拟单元的控制系统上位机以及录波器单元的配置监控系统上位机。
根据本申请的另一个方面，提供了一种变速抽蓄机组内部故障的动态模拟试验方法，包括：
根据原型电力系统、原型变速抽蓄机组以及原型电力系统、原型变速抽蓄机组之间的二次接线结构，确定变速抽蓄机组内部故障的动态模拟试验系统；
根据原型电力系统以及原型变速抽蓄机组的短路容量以及电压等级，确定动态模拟试验系统的容量、电压的模拟比，并根据模拟比确定动态模拟试验系统的个物理模拟单元的电气参数；
根据故障模拟方案，确定变速抽蓄机组内部故障位置以及故障点数量，并根据故障位置以及故障点数量在变速抽蓄机组物理模拟单元内接入故障物理模拟单元；
在不同运行工况以及故障条件下，对动态模拟试验系统进行变速抽蓄机组动态模拟试验，并通过录波器单元记录各试验的波形文件；
根据波形文件对变速抽蓄机组物理模拟单元进行试验分析。
从而，本发明提供了一种变速抽蓄机组内部故障动态模拟试验系统及方法，动态模拟试验作为对电力系统新型控制保护设备进行试验验证的必备手段，可对变速抽蓄机组进行有效模拟。通过在实验室建立变速抽蓄机组动态模拟试验系统，设计变速抽蓄动态模拟试验方法，建立变速抽蓄机组控制及保护装置的试验验证平台。可针对各种运行工况和故障情况，准确模拟变速抽蓄机组的暂稳态特性，深入掌握其运行特性及故障机理，同时可为变速抽蓄机组保护适应性验证提供试验环境，对于变速抽蓄机组自身特性研究及保护原理验证具有十分重要的意义。
根据下文结合附图对本申请的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本申请实施例第一个方面所述的变速抽蓄机组内部故障的动态模拟试验系统的流程示意图；
图2是根据本申请实施例第一个方面所述的变速抽蓄机组动态模拟试验系统结构示意图；
图3是根据本申请实施例第一个方面所述的变速抽蓄机组内部故障模拟示意图；
图4是根据本申请实施例第一个方面所述的变速抽蓄机组动模系统一次接线图；
图5a和图5b是根据本申请实施例第一个方面所述的绕线转子发电电动机定子、转子绕组示意图；
图6是根据本申请实施例第二个方面所述的变速抽蓄机组内部故障的动态模拟试验方法的流程示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。
为了使本技术领域的人员更好地理解本公开方案，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开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公开一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，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，都应当属于本公开保护的范围。
需要说明的是，本公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
图1是根据本申请实施例所述的变速抽蓄机组内部故障的动态模拟试验系统的示意图。参考图1所示，变速抽蓄机组内部故障的动态模拟试验系统，包括：无穷大物理模拟单元、输电线路物理模拟单元、开关物理模拟单元、母线物理模拟单元、变压器物理模拟单元、变速抽蓄机组物理模拟单元、变速抽蓄机组物理模拟单元内部的故障物理模拟单元，其中
变速抽蓄机组物理模拟单元经变压器物理模拟单元通过开关物理模拟单元接入母线物理模拟单元，母线物理模拟单元另一侧通过开关物理模拟单元接无穷大物理模拟单元和输电线路物理模拟单元。
其中，无穷大物理模拟单元主要是用于模拟变速抽蓄机组送出系统外部实际电力系统、输电线路物理模拟单元用于模拟变速抽蓄机组送出输电线路、开关物理模拟单元用于模拟变速抽蓄机组外部接线方式的主要断路器以及开关、母线物理模拟单元用于模拟变速抽蓄机组送出母线的接线方式、变压器物理模拟单元用于模拟变速抽蓄机组升压变压器、变速抽蓄机组物理模拟单元用于模拟实际变速抽蓄机组的运行特性、变速抽蓄机组物理模拟单元内部的故障物理模拟单元用于模拟试验所需进行的内部故障。
可选地，变速抽蓄机组物理模拟单元包括模拟水泵/水轮机的永磁同步电动/发电机、模拟变速抽蓄发电/电动机(交流励磁)的交流励磁发电电动机、控制永磁同步电动/发电机的全功率变流器、控制交流励磁发电电动机的双馈变流器、配套的变速抽蓄机组模拟控制器以及交流励磁控制器。
可选地，内部故障物理模拟单元包括故障位置开关、故障开关和选相开关，用于模拟变速抽蓄机组定子和转子侧的匝对地和匝间内部故障。
可选地，变压器物理模拟单元包括具备内部故障模拟能力的升压变压器。
可选地，母线物理模拟单元包括母线在不同电压等级下的接线方式以及系统内其他物理模拟单元的一次接线。
可选地，无穷大物理模拟单元包括开关柜通过电力变压器直接与电力系统相连。
可选地，输电线路物理模拟单元包括可调整的电阻、电抗以及电容单元。
可选地，变速抽蓄机组内部故障的动态模拟试验系统还包括：录波器单元，用于记录电压/电流互感器物理模拟单元二次侧输出的电压电流波形，其中录波器单元包括故障录波器。
可选地，变速抽蓄机组内部故障的动态模拟试验系统还包括：开关物理模拟单元包括断路器及断路器控制系统，用于将开关位置信息输出至录波器单元。
可选地，还包括：控制台，用于调阅录波器单元中的录波文件，并进行波形和故障分析，其中控制台包括变速抽蓄机组物理模拟单元、开关物理模拟单元、故障模拟单元的控制系统上位机以及录波器单元的配置监控系统上位机。
具体地，本发明提供了一种变速抽蓄机组内部故障动态模拟试验系统及方法，模拟变速抽蓄机组各种运行工况和故障情况，分析运行特性及故障机理，对变速抽蓄机组保护装置进行试验验证。
一种变速抽蓄机组内部故障动态模拟试验系统及方法，所述试验方法包括如下步骤：
1)确定所要模拟的原型电力系统结构及电气参数包括电压等级、短路容量、接线方式以及输电线路长度等；
2)确定所要模拟的原型变速抽蓄机组的系统及电气参数包括机组容量、绕组结构以及控制方式等；
3)确定所要模拟原型系统以及变速抽蓄机组的二次接线结构、互感器配置位置以及变比等参数。
3)根据原型系统短路容量、电压等级选择动态模拟试验系统的容量、电压模拟比，根据一定模拟比例确定各物理模拟单元的电气参数；
4)根据原型系统电气接线以及运行方式制定变速抽蓄机组的动态模拟试验方案并确定具体试验内容；
5)建立动态模拟试验系统，将上述不同物理模拟单元按设计参数连接组成模拟电力系统；
6)将变速抽蓄机组物理模拟单元接入动态模拟试验系统；
7)基于试验方案中涉及的故障试验项目确定变速抽蓄机组内部故障位置以及故障点数量，接入内部故障物理模拟单元；
8)在不同运行工况以及故障条件下进行变速抽蓄机组的动态模拟试验。
9)通过控制台调取不同故障工况下的录波器中记录的波形文件，进行变速抽蓄机组物理模拟单元的试验分析。
此外，本申请上述方案的有效实施例如下：
如图1所述，动态模拟试验系统包括无穷大物理模拟单元、输电线路物理模拟单元、开关物理模拟单元、变压器物理模拟单元、变速抽蓄机组物理模拟单元、故障物理模拟单元、测量单元、录波器单元和控制台。
如图2所述，含有变速抽蓄机组内部故障模拟单元的动态模拟试验系统结构图。永磁同步发电电动机与交流励磁发电电动机同轴安装，内部故障模拟单元接于定子与转子绕组引出的故障抽头，可以模拟不同程度、不同类型的绕组内部故障。
如图3所述，为变速抽蓄机组内部故障模拟接线方式，将定子、转子绕组内部故障接入故障点位置开关FD，通过选相开关FP选择短路故障的具体匝数比，通过控制故障开关对具体的故障时间以及故障的起始时刻进行控制。
如图4所述，动态模拟试验系统一次接线将变速抽蓄机组通过升压变与500kV地区等值系统相连。变速抽水蓄能机组含励磁变压器以及交流励磁系统。变速抽水蓄能机组采用交流励磁系统启动，同期装置捕捉并网的并网方式。其中变速抽水蓄能机组部分，由同步发电/电动机模拟水泵/水轮机，由交流励磁的异步发电/电动机模拟变速抽蓄机组的电动/发电机，电动机(泵水)运行工况下同轴的永磁同步电机运行在发电状态，所发电力通过全功率变流器逆变回馈电网模拟水泵抽水，发电机运行工况下，永磁同步电机运行在电动机状态，模拟水轮机驱动同轴转子交流异步机运行在发电机状态，发出电力向电网供电。模拟的变速抽蓄机组容量为300MW，其中被测发电机组的升压变的额定容量为360MW。
如图4所述，变速抽蓄机组母线电流二次值由电流互感器CT1、CT2提供，升压变压器高压侧电流二次值由电流互感器CT3提供，电压由电压互感器PT1提供，变比为500kV/0.1kV；变压器低压侧的电流二次值由电流互感器机端CT4提供，变比为15000A/1A，电压由电压互感器机端PT2提供，变比为15.75kV/0.1kV。变速抽水蓄能机组出口以及励磁回路电流互感器CT5和CT6变比为15000/1。
动态模拟试验系统在发电电动机和变压器的内部共设置了3个故障点，其编号分别为FD6、FD7、FD8，每一个故障点都可模拟抽水蓄能机组定子、转子绕组接地及匝间短路等故障试验。此外，还可以模拟各种类型的金属性故障。其中FD6为发电电动机定子绕组故障点，FD7为发电电动机转子绕组，FD8为发电电动机中性点引出线故障点。
所述变速抽蓄机组动态模拟试验项目包括以下两个部分：
1)进行不同运行工况变速抽蓄机组物理模拟单元的稳态运行试验。
在不同负荷水平(短路、空载、轻载、额定负载和过载)、不同运行工况(发电、电动、调相)下，进行稳态下变速抽蓄机组的动态模拟试验。
2)模拟不同类型故障，进行变速抽蓄机组物理模拟单元的暂态特性测试根据变速抽蓄机组内部故障抽头位置，进行了变速抽蓄机组内部不同位置(定子绕组、转子绕组)、不同类型(匝间、匝地)的故障模拟。通过控制台下发故障模拟信号至开关物理模拟单元，进行变速抽蓄机组物理模拟单元的暂态特性测试。
如图5所述，所述变速抽蓄机组内部故障模拟单元与变速抽蓄定子、转子绕组故障抽头相连，其中异步发电/电动机定子绕组为双Y绕组接线方式，中性点有6个引出接线头，定子绕组的A相的一个分支绕组引出4个抽头用于定子匝间短路试验，抽头位置见图5中的a图，转子绕组A相引出2个抽头用于转子绕组故障试验，抽头位置见图5中的b图。
本发明涉及变速抽蓄机组动态模拟试验系统及方法，应用于变速抽蓄机组动态模拟多种工况、多种故障下的实际运行特性的试验测试验证。通过物理仿真的方法来模拟变速抽蓄机组在工程实际的应用，能够准确模拟变速抽蓄机组在实际系统中稳态运行与暂态故障情况下的运行特性。达到应用模拟的变速抽蓄机组进行动态模拟试验的目的。
此外，参考图6所示，本申请实施例第二个方面提供了一种变速抽蓄机组内部故障的动态模拟试验方法100，包括：
步骤101，根据原型电力系统、原型变速抽蓄机组以及原型电力系统、原型变速抽蓄机组之间的二次接线结构，确定变速抽蓄机组的动态模拟试验系统；
步骤102，根据原型电力系统以及原型变速抽蓄机组的短路容量以及电压等级，确定动态模拟试验系统的容量、电压的模拟比，并根据模拟比确定动态模拟试验系统的个物理模拟单元的电气参数；
步骤103，根据故障模拟方案，确定变速抽蓄机组内部故障位置以及故障点数量，并根据故障位置以及故障点数量在变速抽蓄机组物理模拟单元内接入故障物理模拟单元；
步骤104，在不同运行工况以及故障条件下，对动态模拟试验系统进行变速抽蓄机组动态模拟试验，并通过录波器单元记录各试验的波形文件；
步骤105，根据波形文件对变速抽蓄机组物理模拟单元进行试验分析。
本发明的有益效果如下：1、本发明提供的变速抽蓄机组动态模拟试验系统能够模拟变速抽蓄机组原型稳态运行特性和暂态电气量变化特性；2、本发明提供的变速抽蓄机组动态模拟试验方法能够为变速抽蓄机组保护适应性验证测试提供试验平台。
从而，本发明提供了一种变速抽蓄机组内部故障动态模拟试验系统及方法，动态模拟试验作为对电力系统新型控制保护设备进行试验验证的必备手段，可对变速抽蓄机组进行有效模拟。通过在实验室建立变速抽蓄机组动态模拟试验系统，设计变速抽蓄动态模拟试验方法，建立变速抽蓄机组控制及保护装置的试验验证平台。可针对各种运行工况和故障情况，准确模拟变速抽蓄机组的暂稳态特性，深入掌握其运行特性及故障机理，同时可为变速抽蓄机组保护适应性验证提供试验环境，对于变速抽蓄机组自身特性研究及保护原理验证具有十分重要的意义。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
在本公开的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (11)
1.一种变速抽蓄机组内部故障的动态模拟试验系统，其特征在于，包括：无穷大物理模拟单元、输电线路物理模拟单元、开关物理模拟单元、母线物理模拟单元、变压器物理模拟单元、变速抽蓄机组物理模拟单元、所述变速抽蓄机组物理模拟单元内部的故障物理模拟单元，其中
所述变速抽蓄机组物理模拟单元经所述变压器物理模拟单元通过所述开关物理模拟单元接入所述母线物理模拟单元，所述母线物理模拟单元另一侧通过所述开关物理模拟单元接所述无穷大物理模拟单元和所述输电线路物理模拟单元。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述变速抽蓄机组物理模拟单元包括模拟水泵/水轮机的永磁同步电动/发电机、模拟变速抽蓄发电/电动机的交流励磁发电电动机、控制所述永磁同步电动/发电机的全功率变流器、控制所述交流励磁发电电动机的双馈变流器、配套的变速抽蓄机组模拟控制器以及交流励磁控制器。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述内部故障物理模拟单元包括故障位置开关、故障开关和选相开关，用于模拟变速抽蓄机组定子和转子侧的匝对地和匝间内部故障。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述变压器物理模拟单元包括具备内部故障模拟能力的升压变压器。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述母线物理模拟单元包括母线在不同电压等级下的接线方式以及系统内其他物理模拟单元的一次接线。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无穷大物理模拟单元包括开关柜通过电力变压器直接与电力系统相连。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述输电线路物理模拟单元包括可调整的电阻、电抗以及电容单元。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，变速抽蓄机组内部故障的动态模拟试验系统还包括：录波器单元，用于记录电压/电流互感器物理模拟单元二次侧输出的电压电流波形，其中所述录波器单元包括故障录波器。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述开关物理模拟单元包括断路器及断路器控制系统，用于将开关位置信息输出至所述录波器单元。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，变速抽蓄机组内部故障的动态模拟试验系统还包括：控制台，用于调阅录波器单元中的录波文件，并进行波形和故障分析，其中所述控制台包括所述变速抽蓄机组物理模拟单元、所述开关物理模拟单元、所述故障模拟单元的控制系统上位机以及所述录波器单元的配置监控系统上位机。
11.一种通过上述权利要求1-10任意一项所述的变速抽蓄机组内部故障的动态模拟试验系统实现的变速抽蓄机组内部故障的动态模拟试验方法，其特征在于，包括：
根据原型电力系统、原型变速抽蓄机组以及所述原型电力系统、所述原型变速抽蓄机组之间的二次接线结构，确定所述变速抽蓄机组内部故障的动态模拟试验系统；
根据所述原型电力系统以及所述原型变速抽蓄机组的短路容量以及电压等级，确定所述动态模拟试验系统的容量、电压的模拟比，并根据所述模拟比确定所述动态模拟试验系统的各个物理模拟单元的电气参数；
根据故障模拟方案，确定变速抽蓄机组内部故障位置以及故障点数量，并根据所述故障位置以及所述故障点数量在变速抽蓄机组物理模拟单元内接入故障物理模拟单元；
在不同运行工况以及故障条件下，对所述动态模拟试验系统进行变速抽蓄机组动态模拟试验，并通过录波器单元记录各试验的波形文件；
根据所述波形文件对所述变速抽蓄机组物理模拟单元进行试验分析。
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2022
- 2022-12-02 CN CN202211541404.2A patent/CN116298578A/zh active Pending
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