【正文】 第1章 緒 論國內(nèi)地區(qū)電網(wǎng)通常呈輻射狀分布，一般采用環(huán)網(wǎng)設計、開環(huán)運行的電網(wǎng)供電方式[13]。當進行網(wǎng)內(nèi)負荷轉(zhuǎn)移、故障處理和設備檢修時，可以通過進行斷路器合環(huán)操作，以減少停電次數(shù)和時間[46]，但在合環(huán)操作瞬間，電網(wǎng)在合環(huán)點處會出現(xiàn)瞬時沖擊電流，電網(wǎng)穩(wěn)定后形成的新環(huán)網(wǎng)中還可能產(chǎn)生較大的循環(huán)電流，可能造成某些電氣設備超負荷或者某條線路過載，繼電保護裝置動作跳閘等情況的發(fā)生，從而嚴重影響整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[7]。一般運行人員只能夠憑借日常運行經(jīng)驗來決定是否進行地區(qū)電網(wǎng)的合環(huán)操作，在某些情況下會避免一些合環(huán)操作的實施，這樣會增加電網(wǎng)的停電次數(shù)，降低地區(qū)電網(wǎng)的供電經(jīng)濟性和可靠性[810]。此外，由于合環(huán)開關閉合操作前合環(huán)點位置兩側(cè)的電壓差可能不為零，當開關閉合的同時，要經(jīng)歷一個暫態(tài)過程才能使合環(huán)點兩側(cè)電壓趨于相等，會造成新形成地區(qū)環(huán)網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點電壓相角和幅值以及發(fā)電機電勢和角度變化。由于發(fā)電機要達到一個新的穩(wěn)定狀態(tài)需要經(jīng)過震蕩搖擺的過程，因此在合環(huán)操作進行的同時會出現(xiàn)瞬間的沖擊電流。綜合以上分析，進行地區(qū)電網(wǎng)合環(huán)操作時可能會產(chǎn)生合環(huán)點處瞬間沖擊電流和合環(huán)操作后新形成環(huán)網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)循環(huán)電流。合環(huán)電流仿真系統(tǒng)能得到合環(huán)操作可能產(chǎn)生的瞬間沖擊電流和環(huán)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)循環(huán)電流，在合環(huán)操作前，通過合環(huán)電流仿真系統(tǒng)對合環(huán)操作可能產(chǎn)生的電流進行計算和分析，校驗合環(huán)操作后的穩(wěn)態(tài)循環(huán)電流是否滿足設備的要求，分析合環(huán)瞬間沖擊電流對于整個網(wǎng)絡產(chǎn)生的波動和影響，可以為電網(wǎng)的運行可靠性評估提供理論依據(jù)，并能幫助運行人員進行正確的決策，以避免操作引起設備過載和保護跳閘，提高供電的安全性和可靠性[1115]。合環(huán)電流仿真計算系統(tǒng)的建立，能夠驗證實際電網(wǎng)的合環(huán)操作方案的可行性，優(yōu)化操作方案，可以為電網(wǎng)母線檢修以及母線故障時負荷轉(zhuǎn)移的合環(huán)操作提供計算依據(jù)，保障負荷轉(zhuǎn)移的成功率，進而保障用戶供電的可靠性，合環(huán)電流計算系統(tǒng)可以通過豐富的報表、曲線方式展示分析數(shù)據(jù)，并且提供報表的瀏覽，可以通過該系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)和分析報表，實現(xiàn)對合環(huán)電流情況的預期判斷，該系統(tǒng)的應用將會很大程度上提高地區(qū)電網(wǎng)運行的可靠性，為地區(qū)電網(wǎng)進行合環(huán)操作時提供技術支持。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 合環(huán)電流的計算方法電力系統(tǒng)需要建設更高電壓等級的電網(wǎng)結(jié)構來滿足電源送電和負荷用電的需求，這可能會伴隨著產(chǎn)生高低壓電磁環(huán)網(wǎng)的問題。高低壓電磁環(huán)網(wǎng)是指不同電壓等級的兩組輸電線路，通過兩側(cè)變壓器的磁耦合回路連接所構成的環(huán)形電網(wǎng)，是主干電網(wǎng)由低級向高級發(fā)展過程中的產(chǎn)物[16]。隨著高電壓等級網(wǎng)架結(jié)構的加強，部分高低壓電磁環(huán)網(wǎng)要求開環(huán)運行，這也伴隨著產(chǎn)生了低電壓等級地區(qū)電網(wǎng)的環(huán)網(wǎng)問題。經(jīng)過研究認為可以將環(huán)網(wǎng)運行分析分為兩大類。第一類以高低壓電磁環(huán)網(wǎng)分析為核心，包括電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)的分析方法、評價指標以及無功環(huán)流的控制；第二類以同電壓等級的非電磁環(huán)網(wǎng)分析為核心，包括地區(qū)電網(wǎng)的合環(huán)潮流、合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流、合環(huán)沖擊電流的相應計算分析方法。本課題所研究的地區(qū)電網(wǎng)潮流計算是地區(qū)電網(wǎng)合環(huán)問題分析的基礎，應對合環(huán)后的潮流變化做出預測分析，并在操作中避免設備過載和保護跳閘。目前針對地區(qū)電網(wǎng)潮流計算方法大致可分為兩類，其中母線類算法有Zbus法和Ybus法[17,18]；支路類算法包括面向回路的回路法[19]和面向支路前推回代法[20]，這類算法的潮流方程主要采用的是支路上數(shù)據(jù)來列出的。合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流的計算方法包括前推回帶法[21]、牛頓拉夫遜法[22]、疊加法[23]等。合環(huán)沖擊電流可以通過簡化網(wǎng)絡的方法進行計算[24]。有些地區(qū)電網(wǎng)根據(jù)疊加定理和分布系數(shù)法來計算電網(wǎng)進行合環(huán)操作時潮流的具體分布情況[25]，首先采用分布系數(shù)法求解電網(wǎng)的自然功率分布關系，然后計算均衡功率時只考慮變壓器變比的不同，最后將這些計算結(jié)果疊加起來，得到電網(wǎng)合環(huán)操作時的實際潮流分布[26]，這種方法一般采用手動計算，適用于簡單網(wǎng)絡的計算。另外，還有地區(qū)電網(wǎng)合環(huán)后潮流計算方法采用簡化的合環(huán)網(wǎng)絡，具體步驟如下：首先給出合環(huán)前簡化網(wǎng)絡的潮流分布；然后計算出循環(huán)電流的大小即合環(huán)點兩側(cè)的電壓差和環(huán)網(wǎng)總阻抗的比值；最后采用疊加原理計算出合環(huán)后的潮流。在此方法的研究基礎上發(fā)展出一種兩階段算法，該算法基于疊加原理和前推回代法并以支路功率為變量，用于計算合環(huán)后地區(qū)電網(wǎng)的潮流分布，具體步驟為：對合環(huán)后的網(wǎng)絡在合環(huán)點處解環(huán)，形成兩個子網(wǎng)絡包括開環(huán)運行網(wǎng)絡和一個環(huán)狀網(wǎng)絡；通過兩階段的迭代過程來求解潮流分布，第一階段迭代過程計算開環(huán)運行網(wǎng)絡的潮流，得到合環(huán)開關兩側(cè)電壓差值，而第二階段迭代過程主要修正合環(huán)開關兩側(cè)負荷功率值的大小，滿足整體收斂要求從而得出電網(wǎng)合環(huán)潮流分布[27]。上述傳統(tǒng)的合環(huán)電流計算方法一般不考慮外部網(wǎng)絡模型，只考慮環(huán)網(wǎng)所涉及的電氣設備進行戴維南等值，因此無法準確獲得等值電勢和阻抗并引入計算誤差，合環(huán)操作時可能引入較大諧波分量，因此傳統(tǒng)解決方案很多情況下不能滿足計算的要求。一些研究表明利用PSCAD/EMTDC仿真軟件來對多級合環(huán)電網(wǎng)系統(tǒng)進行建模[2832]，通過對比模型元件和實際元件之間的電壓損耗、功率損耗，研究模型參數(shù)的設置，建立了能夠準確模擬實際元件的仿真模型，這種方法一般是針對大規(guī)模電網(wǎng)進行等值后得到的小規(guī)模仿真系統(tǒng)，往往忽略了大電網(wǎng)動態(tài)特性，必然會降低仿真結(jié)果的準確性。所以對于地區(qū)電網(wǎng)合環(huán)電流的計算，既要不損失大規(guī)模電網(wǎng)的動態(tài)特性，又可以滿足局部電網(wǎng)的詳細分析要求，才能保證合環(huán)電流計算的準確性?；谶@一點，進行合環(huán)電流計算時考慮應用機電暫態(tài)電磁暫態(tài)混合仿真技術，對合環(huán)區(qū)域外動態(tài)響應過程相對較慢的大電網(wǎng)采用機電暫態(tài)程序仿真，而對需要進行詳盡研究的合環(huán)區(qū)域附近的小電網(wǎng)采用更為精確的電磁暫態(tài)程序仿真，這樣既可以反映特定系統(tǒng)中詳細的電網(wǎng)電磁暫態(tài)變化過程，又可以仿真較大規(guī)模的電力系統(tǒng)，網(wǎng)絡不需要進行等值化簡，大大提高了地區(qū)電網(wǎng)仿真分析結(jié)論的準確性。 機電暫態(tài)電磁暫態(tài)混合仿真機電暫態(tài)電磁暫態(tài)混合仿真的思想最早由Heffernan等人[33,34]于1981年第一次提出的，其后國外學者對此問題作了一些深入研究，主要集中于接口電路的選擇和接口時序的設計方面[35]，新西蘭Canternury大學和加拿大Waterloo大學也做了一些相關的研究，他們所做的研究工作僅屬于論文探索階段，沒有進行商業(yè)化的開發(fā)。Reeve J，Anderson G W J，Sultan M等[3638]提出了減小電力電子器件產(chǎn)生的諧波對交流系統(tǒng)影響的計算方法。由于電力系統(tǒng)中各元件相差很大的時間常數(shù)，Crow M L提出了多速率算法，把系統(tǒng)劃分為以不同的積分步長分別計算的不同子系統(tǒng)，在此基礎上又發(fā)展出了多種多速率仿真技術[3941]，這些算法缺點在于網(wǎng)絡接口多，程序復雜，網(wǎng)絡劃分不均勻很難達到預期效果。目前，具有機電暫態(tài)電磁暫態(tài)混合仿真能力的商業(yè)化軟件有：ABB公司開發(fā)的SIMPOW和SIEMENS開發(fā)的NETOMAC程序。其中，SIMPOW程序既能在時間軸上相互切換機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)的仿真功能，也在空間范圍內(nèi)實現(xiàn)了部分電網(wǎng)用機電暫態(tài)仿真，剩余電網(wǎng)用電磁暫態(tài)仿真的混合仿真，但其在空間范圍內(nèi)進行混合仿真時，計算步長全網(wǎng)要求統(tǒng)一，只能采用電磁暫態(tài)微妙級的仿真步長，計算速度會受到很大影響。NETOMAC程序提出的實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法可以基于電磁暫態(tài)和機電暫態(tài)模型進行網(wǎng)絡分塊來建立不同的模型[42]，也可以通過分時段，即電磁暫態(tài)模型應用于系統(tǒng)故障后的暫態(tài)過程，機電暫態(tài)模型應用于穩(wěn)定過程的分析和計算。這些軟件的混和仿真功能還不是非常成熟，也沒有真正用于指導實際生產(chǎn)運行。香港大學、清華大學以及天津大學在FACTS仿真方面開展了一些混合仿真的研究，但研究僅屬于論文探索階段。中國電力科學研究院從2001年起開展了電力系統(tǒng)機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)混合仿真技術的相關問題研究，在工程項目《電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真裝置研制》和《直流輸電系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真系統(tǒng)的開發(fā)》中，給出了機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)混和并行仿真的研究計算方法，在工程項目《電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)和機電暫態(tài)混合仿真技術研究》和《大電網(wǎng)仿真技術研究》中，給出了大規(guī)模交直流系統(tǒng)的機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)混合仿真技術實用的研究計算方法。從各種地區(qū)電網(wǎng)合環(huán)電流計算解決方案來看，提高計算準確性是合環(huán)電流仿真計算發(fā)展的趨勢，而電力系統(tǒng)混合仿真技術能夠為合環(huán)電流的精確計算提供保障。 本文的主要研究內(nèi)容及工作根據(jù)電力系統(tǒng)合環(huán)電流研究的現(xiàn)狀以及混合仿真的發(fā)展歷程，本文主要研究的內(nèi)容如下：1）合環(huán)電流計算方法的研究通過對以往合環(huán)潮流的計算方法的研究，給出合環(huán)電流計算方法的研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢，環(huán)網(wǎng)運行分析可以分為兩大類：第一類以電力系統(tǒng)中高低壓電磁環(huán)網(wǎng)分析為核心；第二類以地區(qū)電網(wǎng)中同電壓等級的非電磁環(huán)網(wǎng)分析為核心。通過對比以往合環(huán)電流計算方法的不足，給出本文解決合環(huán)電流計算問題的基礎理論方法。2）混合仿真技術在電力系統(tǒng)中的應用給出電力系統(tǒng)機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)混合仿真理論及其接口的等值電路，并對機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)網(wǎng)路數(shù)據(jù)的交換時序和形式做出詳細分析，對接口方法在機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)網(wǎng)絡中的實現(xiàn)給出解決方法，通過計算算例的結(jié)果驗證了本文提出的混合仿真方法的可行性和準確性。3）合環(huán)電流仿真系統(tǒng)的總體設計給出系統(tǒng)的總體構架和系統(tǒng)的所有計算功能，提出基于最大級數(shù)搜索算法的暫態(tài)網(wǎng)絡自動劃分、機電暫態(tài)模型到電磁暫態(tài)模型的自動轉(zhuǎn)換算法以及合環(huán)混合仿真計算的單機windows并行算法等系統(tǒng)需要解決的關鍵技術等三個解決系統(tǒng)的關鍵技術，并給出相應的方案。4）仿真系統(tǒng)功能的實現(xiàn)以及對算例的分析詳細研究合環(huán)電流仿真系統(tǒng)的開發(fā)，對計算平臺的關鍵技術進行設計，對地理位置接線圖程序、網(wǎng)絡校驗于網(wǎng)絡拓撲進行詳細分析。提出的圖模一體化平臺應是界面操作方便，可以通過平臺方便地建立電網(wǎng)數(shù)據(jù)、繪制電網(wǎng)圖形、進行各種分析計算。本課根據(jù)電力系統(tǒng)機電暫態(tài)電磁暫態(tài)混合仿真計算的科研成果，開展建立基于混合仿真技術的電網(wǎng)合環(huán)電流仿真系統(tǒng)的研究，針對合環(huán)電流仿真系統(tǒng)具體的研究工作如下：1）關于合環(huán)電流計算的方法系統(tǒng)采用的合環(huán)電流計算方法根據(jù)典型運行方式數(shù)據(jù)包生成全網(wǎng)絡機電暫態(tài)模型，通過點擊擬定合環(huán)點啟動合環(huán)電流計算，系統(tǒng)能夠自動在合環(huán)點附近電網(wǎng)生成電磁暫態(tài)模型網(wǎng)絡，電網(wǎng)的其他區(qū)域仍然為機電暫態(tài)模型，通過機電暫態(tài)電磁暫態(tài)混合仿真計算，在一次合環(huán)電流仿真計算過程中得到合環(huán)前、合環(huán)中、合環(huán)后電壓、電流的電磁暫態(tài)波形，進而得到合環(huán)操作對輸電網(wǎng)影響的直觀結(jié)果，同時得到?jīng)_擊電流、穩(wěn)態(tài)電流等量化結(jié)果。系統(tǒng)利用機電暫態(tài)電磁暫態(tài)混合仿真的計算方法，可以基于大電網(wǎng)典型運行方式數(shù)據(jù)進行合環(huán)電流仿真計算，無需對地區(qū)電網(wǎng)進行等值，既能減少等值的工作量，又能避免等值帶來的誤差。2）仿真軟件平臺的建立系統(tǒng)包括本地數(shù)據(jù)庫和圖形平臺，建設方便使用的圖模一體化系統(tǒng)，開發(fā)的電力系統(tǒng)仿真應用應該包括單線圖編輯、基本潮流計算和合環(huán)計算的仿真應用，滿足合環(huán)電流仿真計算系統(tǒng)分析的要求，其中合環(huán)計算部分應包括合環(huán)潮流計算、合環(huán)機電暫態(tài)仿真、合環(huán)混合暫態(tài)仿真。3）數(shù)據(jù)的獲取方式，減少系統(tǒng)建模工作量。4）合環(huán)操作前后穩(wěn)態(tài)性能對比仿真系統(tǒng)可以分別計算合環(huán)前、合環(huán)后的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能并進行比較，系首先啟動合環(huán)前系統(tǒng)基礎潮流計算，用作數(shù)據(jù)參考對象，通過啟動合環(huán)潮流計算后得到合環(huán)后的潮流分布情況，與合環(huán)前潮流分布進行比較，并根據(jù)各個相關設備的額定值等指標要求綜合考慮合環(huán)操作的可行性。5）計算結(jié)果的展示該電網(wǎng)合環(huán)電流仿真計算系統(tǒng)應通過對不同仿真條件的仿真結(jié)果進行整理，得到合環(huán)操作對合環(huán)沖擊電流幅值的影響，支持表格、曲線等多種輸出方式，對比不同運行方式下合環(huán)操作后的潮流分布，在滿足全網(wǎng)潮流穩(wěn)定運行和繼保設備要求的前提下，給出滿足系統(tǒng)要求的合環(huán)操作解決方案。6）應用開關統(tǒng)計功能仿真系統(tǒng)應具備對一個周期內(nèi)不同合環(huán)時刻進行逐個時間點的仿真計算的能力，進而得到在一個周期內(nèi)合環(huán)沖擊電流最大的情況，更好的滿足實際系統(tǒng)的需求。53 / 53第2章 電力系統(tǒng)機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)混合仿真技術 引 言電力系統(tǒng)的機電暫態(tài)仿真和電磁暫態(tài)仿真在變量數(shù)學模型、積分步長、仿真時間范圍等諸多方面都存在著較大的差異[43]。其差異主要在：電磁暫態(tài)仿真通常描述系統(tǒng)的快速暫態(tài)特性，其仿真過程持續(xù)時間在微秒級，計算步長一般為20200微秒之間，機電暫態(tài)仿真通常描述系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定特性，其仿真過程持續(xù)時間在幾秒到幾十秒之間，因此機電暫態(tài)仿真與電磁暫態(tài)仿真之間的計算步長相差上百倍；電磁暫態(tài)仿真主要描述系統(tǒng)的特性有三相不對稱、波形畸變以及高次諧波疊加等，計算時采用ABC三相瞬時值表示，機電暫態(tài)仿真主要