CN117473730A - Gis开关场内部电流分布的建模分析方法、系统及介质 - Google Patents

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CN117473730A CN202311406543.9A CN202311406543A CN117473730A CN 117473730 A CN117473730 A CN 117473730A CN 202311406543 A CN202311406543 A CN 202311406543A CN 117473730 A CN117473730 A CN 117473730A
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Abstract

本发明公开了GIS开关场内部电流分布的建模分析方法、系统及介质，该方法包括：将GIS设备组件进行类别划分，得到三类导体单元；对每一类导体单元分别等值，并根据GIS设备连接拓扑构建开关场等值电路模型；根据每一类导体单元，确定等值电路模型中每个元件的电阻和电感参数；根据待计算工况运行方式及确定的元件电阻和电感参数，形成节点信息矩阵和支路阻抗矩阵；根据开关场节点信息矩阵和支路阻抗矩阵，利用潮流计算方法完成潮流计算，并获得开关电流；其中，三类导体单元包括开关单元、母线分支单元和主母线单元。本发明能够实现微欧级阻抗电路的建模，实现变电站开关场内部各开关电流的准确计算。

Description

GIS开关场内部电流分布的建模分析方法、系统及介质
技术领域
本发明涉及电力系统分析计算领域，具体涉及GIS开关场内部电流分布的建模分析方法、系统及介质。
背景技术
变电站内相互联接并列运行的母线、开关等设备由于阻抗极小，一般可以被视为短路，因此一个站内的母线、开关等通常都被看作一个电气节点，鲜有人关注变电站内母线、开关等设备的潮流分布，其计算模型与计算方法更少有涉足。近年来，工程实践中出现了一些需要对开关场电流的理论分布进行计算的场景，例如GIS开关的三相电流不平衡度的校核、研究串内电流的分布等。准确计算开关场内部电流分布对设计院配串设计、GIS厂家的产品设计、电力生产单位运维检修均有实际意义。
然而，现有技术中开关场内部电流分布的建模与计算，不能实现微欧级阻抗电路的建模，变电站开关场内部各开关电流的计算不够准确。
发明内容
本发明目的在于提供GIS开关场内部电流分布的建模分析方法、系统及介质，能够实现微欧级阻抗电路的建模，实现变电站开关场内部各开关电流的准确计算。
本发明通过下述技术方案实现：
第一方面，本发明提供了GIS开关场内部电流分布的建模分析方法，该方法包括：
将GIS设备组件进行类别划分，得到三类导体单元；对每一类导体单元分别等值，并根据GIS设备连接拓扑构建开关场等值电路模型；
根据每一类导体单元，确定所述等值电路模型中每个元件的电阻和电感参数；
根据待计算工况运行方式及确定的元件电阻和电感参数，形成节点信息矩阵和支路阻抗矩阵；
根据所述开关场节点信息矩阵和支路阻抗矩阵，利用潮流计算方法完成潮流计算，并获得到开关电流；
其中，三类导体单元包括开关单元、母线分支单元和主母线单元。
进一步地，将GIS设备组件进行类别划分，得到三类导体单元；对每一类导体单元分别等值，并根据GIS设备连接拓扑构建开关场等值电路模型，包括：
将GIS设备组件进行类别划分，得到三类导体单元；
根据三类导体单元，将每类导体单元等值为一个电感和电阻串联的阻抗；
针对每类导体单元，根据全站GIS实际连接拓扑，将GIS开关场等值为一个等值电路模型。
进一步地，开关单元是将开关及其附属的刀闸、CT构成的组合电器视为一个单元；
母线分支单元是将一端与开关间隔相连接、另一端与主母线相连接的分支段称为母线分支，视为一个单元；
主母线单元是以分支段与主母线的连接点为边界，将两个分支段与主母线的连接点之间的部分视为一个单元。
进一步地，根据每一类导体单元，确定等值电路模型中每个元件的电阻和电感参数，包括：
按照单位长度参数乘以导体长度来确定等值电路模型中每个元件的电阻和电感参数。
进一步地，主母线单元中的单位长度参数计算公式为：
单位长度电阻r0：
式中，R1、R2分别为主母线单元的中心导体内径和外径；ρconductor为导体电阻率；
单位长度电感l0：
式中，R3为GIS外壳的外径；μ0为空气磁导率。
同理，开关单元、母线分支单元与主母线单元中的单位长度参数计算方法一样。
进一步地，根据待计算工况运行方式及确定的元件电阻和电感参数，形成节点信息矩阵和支路阻抗矩阵，包括：
对GIS开关场网络节点进行编号；
获取所需计算的运行工况，读取各间隔功率数据和母线电压；
形成节点信息矩阵，节点信息矩阵为n行8列，n为节点数量，每一行描述一个节点的信息；第1列至第8列的内容分别为：节点编号、节点类型、节点电源有功、节点电源无功、节点负荷有功、节点负荷无功、电压幅值和电压相位；
形成支路参数矩阵，支路参数矩阵为m行4列，m为支路数量，每一行描述一条支路的信息；第1列至第4列的内容分别为：入端节点编号、出端节点编号、电阻和电抗。
进一步地，根据所述开关场节点信息矩阵和支路阻抗矩阵，利用潮流计算方法完成潮流计算，并获得开关电流，包括：
利用一种适当的潮流计算法完成进行潮流计算，得到节点电压；
根据节点电压，结合网络阻抗参数，计算得到GIS开关场的各开关电流；开关电流的计算公式为：
其中，为节点j、k之间的支路电流；/>分别为节点j、k的电压相量值，Rjk、Ljk为节点j、k之间的电阻、电感值。
第二方面，本发明又提供了GIS开关场内部电流分布的建模分析系统，该系统使用上述的GIS开关场内部电流分布的建模分析方法；该系统包括：
GIS开关场建模单元，用于将GIS设备组件进行类别划分，得到三类导体单元；对每一类导体单元分别等值，并根据GIS设备连接拓扑构建开关场等值电路模型；其中，三类导体单元包括开关单元、母线分支单元和主母线单元；
模型参数确定单元，用于根据每一类导体单元，确定所述等值电路模型中每个元件的电阻和电感参数；
GIS开关场参数矩阵形成单元，用于根据待计算工况运行方式及确定的元件电阻和电感参数，形成节点信息矩阵和支路阻抗矩阵；
潮流计算单元，用于根据所述开关场节点信息矩阵和支路阻抗矩阵，利用潮流计算方法完成潮流计算，并获得到开关电流。
第三方面，本发明又提供了一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述的GIS开关场内部电流分布的建模分析方法。
第四方面，本发明又提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的GIS开关场内部电流分布的建模分析方法。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明GIS开关场内部电流分布的建模分析方法、系统及介质，本发明实现了开关、母线类设备的微小电气参数建模，进而实现GIS开关场内部开关三相潮流计算，用以掌握开关场内部的电流分布，对电力工程中的开关场配串设计、GIS产品三相平衡度设计校验等应用提供工具。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明GIS开关场内部电流分布的建模分析方法流程图；
图2为本发明GIS电路模型单元等值示意图；
图3为本发明GIS主母线单元截面；
图4为本发明实施例换流站交流场主接线图；
图5为本发明实施例换流站交流场GIS连接拓扑的等值电路；
图6为本发明实施例开关场计算网络节点编号示意图；
图7为本发明GIS开关场内部电流分布的建模分析系统结构框图；
图8为本发明计算机设备的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，本发明GIS开关场内部电流分布的建模分析方法，该方法包括：
步骤1，将将GIS设备组件进行类别划分，得到三类导体单元；对每一类导体单元分别等值，并根据GIS设备连接拓扑构建开关场等值电路模型；其中，三类导体单元包括开关单元、母线分支单元和主母线单元；
具体地，分析GIS开关场内部电流分布时，本发明不再把母线、合上的开关当作短路的电气节点，而需要将实际的开关场等效为多节点连接的电气模型。步骤1包括：
步骤1-1，将GIS设备组件进行类别划分，得到三类导体单元；
这是考虑到GIS设备通常由母线、分支、组合电器构成，其中组合电器由开关、隔离刀闸、接地刀闸、电流互感器等单元组合而成。因此，将GIS设备组件分为三类导体单元——开关单元、母线分支单元、主母线单元，分类方法如图2所示，具体为：
开关单元是将开关及其附属的刀闸、CT构成的组合电器视为一个单元，等值为一个由电感和电阻串联的阻抗元件。
母线分支单元是将一端与开关间隔相连接、另一端与主母线相连接的分支段称为母线分支，视为一个单元，等值为一个电感和电阻串联的阻抗。
主母线单元是以分支段与主母线的连接点为边界，将两个分支段与主母线的连接点之间的部分视为一个单元，等值为一个电感和电阻串联的阻抗。
步骤1-2，根据三类导体单元，将每类导体单元等值为一个电感和电阻串联的阻抗；
步骤1-3，针对每类导体单元，根据全站GIS实际连接拓扑，将GIS开关场等值为一个等值电路模型。
步骤2，根据每一类导体单元，确定等值电路模型中每个元件的电阻和电感参数；
上一步骤1中所确定的开关单元、母线分支单元、主母线单元三种单元，均被等值为一个由电阻和电感串联的电路模型，确定每个元件电阻、电感参数的方法可以实测。无实测参数时，采用下述方法计算：
(1)主母线单元
主母线单元截面规整，电阻、电感按照单位长度参数乘以导体长度来确定。
母线单界面如图3所示，其中R1、R2分别为主母线单元的中心导体内径和外径，R3、R4分别为GIS外壳的内径和外径。
单位长度电阻r0：
单位长度电感l0：
其中，ρconductor为导体电阻率，μ1、μ2、μ0分别为导体、外壳和空气磁导率。
公式(2)中前两项分别代表导体内磁场和外壳内磁场所贡献的电感量，占比极小，实际应用中将其忽略。一般情况下，单位长度电感按照下公式(3)计算即可：
(2)母线分支单元
母线分支单元与主母线单元结构一致，单位长度电阻、电感参数计算方法与主母线单元相同。
(3)开关单元
开关单元包含开关、刀闸、CT等复杂结构气室，准确需要采用场仿真分析工具准确建模方可得到准确结果。工程应用中，可以认为其阻抗平均值与母线单元相近，采用母线单元单位长度参数替代。
确定上述单元单位长度参数后，根据各元件导体长度，用单位长度参数乘以导体长度，即可得到元件的电阻、电感参数。
需要说明的是：高电压等级GIS设备导体阻抗参数中电抗一般是电阻的15倍左右，电阻不是关键参数，必要时可以忽略。
步骤3，根据待计算工况运行方式及确定的元件电阻和电感参数，形成节点信息矩阵和支路阻抗矩阵；
按照下述步骤形成潮流计算所需的GIS开关场参数矩阵，一是节点信息矩阵，二是支路阻抗矩阵。具体为：
对GIS开关场网络节点进行编号；
获取所需计算的运行工况，读取各间隔功率数据和母线电压；
形成节点信息矩阵，节点信息矩阵为n行8列，n为节点数量，每一行描述一个节点的信息；第1列至第8列的内容分别为：节点编号、节点类型、节点电源有功、节点电源无功、节点负荷有功、节点负荷无功、电压幅值和电压相位；
形成支路参数矩阵，支路参数矩阵为m行4列，m为支路数量，每一行描述一条支路的信息；第1列至第4列的内容分别为：入端节点编号、出端节点编号、电阻和电抗。
步骤4，根据所述开关场节点信息矩阵和支路阻抗矩阵，利用潮流计算方法完成潮流计算，并获得到开关电流，包括：
利用一种适当的潮流计算法完成进行潮流计算，得到节点电压；
根据节点电压，结合网络阻抗参数，计算得到GIS开关场的各开关电流；开关电流的计算公式为：
其中，为节点j、k之间的支路电流；/>分别为节点j、k的电压相量值，Rjk、Ljk为节点j、k之间的电阻、电感值。
本发明方法实现了开关、母线类设备的微小电气参数建模，进而实现GIS开关场内部开关三相潮流计算，用以掌握开关场内部的电流分布，对电力工程中的开关场配串设计、GIS产品三相平衡度设计校验等应用提供工具。
实施例2
如图4至图6所示，本实施例与实施例1的区别在于，对图4所示的某特高压换流站主接线图，需要计算开关场各开关电流理论分布情况。
根据实施例1的方法步骤，实施过程为：
步骤1：GIS开关场建模
1、变电站交流开关场主接线图。获取该换流站交流场主接线图如图4所示。
2、全站GIS拓扑以及各连接段设备类型。
该换流站交流开关场设备连接拓扑如图5所示，图5中的一个矩形块代表一个电阻电感串联的阻抗单元，并对每一个单元命名标注。
步骤2：模型参数确定
根据GIS产品结构数据：
R1＝160mm，R2＝180mm，R3＝568mm，R4＝575mm。
厂家提供电阻实测值和每段单元导体长度，电感值通过计算得到，如表1所示。
单位长度电感值采用公式：计算得到l0＝0.23μH/m。
表1某特高压换流站GIS交流场电阻、电感参数
步骤3：形成GIS开关场参数矩阵；
1、构建潮流计算模型，对其节点进行编号，如图6所示。
2、获取该换流站交流场运行工况，如表2所示，表中功率以流出本站母线为正。
表2换流站交流场计算工况表
3、选取49号节点(即灵龙一线接入点)为平衡节点，其余节点全部定义为PQ节点。根据运行工况，形成节点信息矩阵，如表3所示，其中节点类型编号1为平衡节点，2为PV节点，3为PQ节点。功率、电压均为标幺值，电压基值525kV，容量基值100MVA。
表3节点信息矩阵表(单位：标幺)
4、根据各连接端阻抗参数，形成支路矩阵参数。表4中阻抗为标幺值，基准同样为525kV，100MVA，其中“入端”和“出端”分别代表支路两端所在的节点编号。
表4支路参数矩阵表(单位：标幺)
/>
/>
步骤4：潮流计算
本案例选取牛顿拉夫逊法开展潮流计算，得到节点电压计算结果如表5所示，表5中数据包含计算收敛的节点功率、节点电压，数据均为标幺值。
表5节点电压计算结果表(单位：标幺)
/>
/>
步骤5：计算开关电流
根据节点电压计算结果，结合开关回路阻抗数据，计算开关电流。结果如下表6所示，表6中数据为有名值得。
表6开关电流分布计算结果(单位：A)
2母侧边开关A相 中开关A相 1母侧边开关A相
第1串 181 - -
第2串 96 44 178
第3串 160 157 138
第4串 128 128 46
第5串 139 307 268
第6串 165 107 -
第7串 210 210 187
第8串 200 200 198
第9串 - - 181
第10串 124 124 325
第11串 366 41 41
第12串 202 127 267
第13串 313 172 156
表7所示为现场实测电流，对比表6、表7数据可知，计算电流与实测电流基本吻合，计算结果准确可靠。
表7交流场开关电流实测值(单位：A)
实施例3
如图7所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例提供了GIS开关场内部电流分布的建模分析系统，该系统使用实施例1的GIS开关场内部电流分布的建模分析方法；该系统包括：
GIS开关场建模单元，用于将GIS设备组件进行类别划分，得到三类导体单元；对每一类导体单元分别等值，并根据GIS设备连接拓扑构建开关场等值电路模型；其中，三类导体单元包括开关单元、母线分支单元和主母线单元；
模型参数确定单元，用于根据每一类导体单元，确定所述等值电路模型中每个元件的电阻和电感参数；
GIS开关场参数矩阵形成单元，用于根据待计算工况运行方式及确定的元件电阻和电感参数，形成节点信息矩阵和支路阻抗矩阵；
潮流计算单元，用于根据所述开关场节点信息矩阵和支路阻抗矩阵，利用潮流计算方法完成潮流计算，并获得到开关电流。
其中，各个单元的执行过程按照实施例1的GIS开关场内部电流分布的建模分析方法流程步骤执行即可，此实施例中不再一一赘述。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于，提供一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图8所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括计算机可读存储介质、内存储器。该计算机可读存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为计算机可读存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储建模过程中涉及到的数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现GIS开关场内部电流分布的建模分析方法。
提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述实施例1中的步骤，为避免重复，这里不再赘述。或者，处理器执行计算机程序时实现上述实施例3中系统的各模块/单元的功能。为避免重复，这里不再赘述。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于，提供一计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例1中方法的步骤，为避免重复，这里不再赘述。或者，处理器执行计算机程序时实现系统这一实施例中的各模块/单元的功能。为避免重复，这里不再赘述。
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。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.GIS开关场内部电流分布的建模分析方法，其特征在于，该方法包括：
将GIS设备组件进行类别划分，得到三类导体单元；对每一类导体单元分别等值，并根据GIS设备连接拓扑构建开关场等值电路模型；
根据每一类导体单元，确定所述等值电路模型中每个元件的电阻和电感参数；
根据待计算工况运行方式及确定的元件电阻和电感参数，形成节点信息矩阵和支路阻抗矩阵；
根据所述开关场节点信息矩阵和支路阻抗矩阵，利用潮流计算方法完成潮流计算，并获得开关电流；
其中，三类导体单元包括开关单元、母线分支单元和主母线单元。
2.根据权利要求1所述的GIS开关场内部电流分布的建模分析方法，其特征在于，将GIS设备组件进行类别划分，得到三类导体单元；对每一类导体单元分别等值，并根据GIS设备连接拓扑构建开关场等值电路模型，包括：
将GIS设备组件进行类别划分，得到三类导体单元；
根据三类导体单元，将每一类导体单元等值为一个电感和电阻串联的阻抗；
针对每一类导体单元，根据全站GIS实际连接拓扑，将GIS开关场等值为一个等值电路模型。
3.根据权利要求2所述的GIS开关场内部电流分布的建模分析方法，其特征在于，所述开关单元是将开关及其附属的刀闸、CT构成的组合电器视为一个单元；
所述母线分支单元是将一端与开关间隔相连接、另一端与主母线相连接的分支段称为母线分支，视为一个单元；
所述主母线单元是以分支段与主母线的连接点为边界，将两个分支段与主母线的连接点之间的部分视为一个单元。
4.根据权利要求1所述的GIS开关场内部电流分布的建模分析方法，其特征在于，根据每一类导体单元，确定所述等值电路模型中每个元件的电阻和电感参数，包括：
按照单位长度参数乘以导体长度来确定所述等值电路模型中每个元件的电阻和电感参数。
5.根据权利要求4所述的GIS开关场内部电流分布的建模分析方法，其特征在于，主母线单元中的单位长度参数计算公式为：
单位长度电阻r0：
式中，R1、R2分别为主母线单元的中心导体内径和外径；ρconductor为导体电阻率；
单位长度电感l0：
式中，R3为GIS外壳的内径；μ0为空气磁导率。
6.根据权利要求1所述的GIS开关场内部电流分布的建模分析方法，其特征在于，根据待计算工况运行方式及确定的元件电阻和电感参数，形成节点信息矩阵和支路阻抗矩阵，包括：
对GIS开关场网络节点进行编号；
获取所需计算的运行工况，读取各间隔功率数据和母线电压；
形成节点信息矩阵，所述节点信息矩阵为n行8列，n为节点数量，每一行描述一个节点的信息；第1列至第8列的内容分别为：节点编号、节点类型、节点电源有功、节点电源无功、节点负荷有功、节点负荷无功、电压幅值和电压相位；
形成支路参数矩阵，所述支路参数矩阵为m行4列，m为支路数量，每一行描述一条支路的信息；第1列至第4列的内容分别为：入端节点编号、出端节点编号、电阻和电抗。
7.根据权利要求1所述的GIS开关场内部电流分布的建模分析方法，其特征在于，根据所述开关场节点信息矩阵和支路阻抗矩阵，利用潮流计算方法完成潮流计算，并获得到开关电流，包括：
利用潮流计算法完成进行潮流计算，得到节点电压；
根据所述节点电压，结合网络阻抗参数，计算得到GIS开关场的各开关电流；开关电流的计算公式为：
其中，为节点j、k之间的支路电流；/>分别为节点j、k的电压相量值，Rjk、Ljk为节点j、k之间的电阻、电感值。
8.GIS开关场内部电流分布的建模分析系统，其特征在于，该系统使用如权利要求1至7中任一所述的GIS开关场内部电流分布的建模分析方法；该系统包括：
GIS开关场建模单元，用于将GIS设备组件进行类别划分，得到三类导体单元；对每一类导体单元分别等值，并根据GIS设备连接拓扑构建开关场等值电路模型；其中，三类导体单元包括开关单元、母线分支单元和主母线单元；
模型参数确定单元，用于根据每一类导体单元，确定所述等值电路模型中每个元件的电阻和电感参数；
GIS开关场参数矩阵形成单元，用于根据待计算工况运行方式及确定的元件电阻和电感参数，形成节点信息矩阵和支路阻抗矩阵；
潮流计算单元，用于根据所述开关场节点信息矩阵和支路阻抗矩阵，利用潮流计算方法完成潮流计算，并获得到开关电流。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述的GIS开关场内部电流分布的建模分析方法。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的GIS开关场内部电流分布的建模分析方法。
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