機電-電磁暫態混合仿真在電網合環分析中的應用研究

胡立錦，常喜強，周 茂，夏時宇，張新燕，姚秀萍

(1.重慶電力公司建設分公司，重慶 410021;2.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047;3.新疆電力公司，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引言

隨著超高壓、特高壓骨干輸電網絡的不斷建成和投運，地區電網環狀結構增多，雙電源或多電源供電越來越普遍，通過合環操作實現不間斷供電倒負荷和設備檢修成為電網運行方式調整的一種必然趨勢。然而，合環操作過程中會造成饋線間斷路器兩側電磁突變并產生沖擊環流，合環電流造成的系統熱穩定影響、聯絡阻抗易突增造成的聯絡線暫態穩定極限影響、系統潮流分配改變、聯鎖切機切負荷等安全自動裝置拒動誤動等對電網安全穩定運行造成嚴重威脅。由此可見，合環操作在保證電網供電可靠性的同時，又因環流等因素嚴重威脅到電網的安全穩定運行，采取合理的手段更加真實和具體地研究合環問題對電網運行方式制定等具有實際的參考價值。

文獻［5］基于PSASP計算合環潮流，采用忽略發電機模型中q軸的g繞組的作用，采用恒定Ed’的五階模型，勵磁和調速系統仍采用綜合程序提供的典型模型參數。文獻［10］采用實時數據及離線數據相結合的方法計算合環潮流，其核心是對于進行合環分析的局部網絡的所有運行數據采用實時數據，而對于該局部網絡以外的網絡則依據離線數據進行網絡等值。文獻［8］利用疊加原理，根據戴維南等效定律，將合環前后電網等效成在合環之前。文獻［12］利用BPA等離線計算軟件通過合環后潮流和合環前的電壓回推得出戴維南等值阻抗。文獻［9］提出了天津開發區電網快速環流計算軟件，該軟件結合了實時和離線數據，能對電網各種工況下的環流進行計算分析。在進行次同步振蕩等問題研究時，電磁暫態網絡包含有發電機，采用文獻［1，2］所提出的等值電路，電磁暫態網絡等值為時變負荷(恒阻抗負荷，或恒阻抗、恒功率、恒電流等相配比)，或是文獻［3］所提出的等值電路，電磁暫態網絡等值為時變電流源，都不能準確地描述該電磁網絡的特性。

下面在研究機電暫態仿真和電磁暫態仿真的基礎上，提出PSASP平臺下基于機電-電磁暫態混合仿真的方法來實現對電網合環分析研究，即對需要研究的合環局部電網進行電磁暫態仿真以反映真實的合環過程中電氣量的變化規律，而對其余大電網系統采用基于潮流的不等值機電暫態仿真，通過接口程序實現整個仿真系統的同步對接運行和數據交互?；旌戏抡娣椒缺ＷC了電磁暫態過程的精細化要求，同時又避免了系統側等值而產生的模型誤差，具有一定的參考價值和現實意義。

1 機電暫態仿真與電磁暫態仿真

如圖1所示，在電力系統仿真時，整個網絡可分為兩大部分:機電暫態網絡和電磁暫態網絡(圖中所示為一個接口點情況)。

圖1 網絡分割示意圖

常規仿真大多采用對非研究對象進行等值考慮:在進行機電暫態仿真研究時，將電磁暫態網絡按戴維南電路等值，如圖2(a)所示;在進行電磁暫態仿真研究時，將機電暫態網絡進行諾頓電路等值，如圖2(b)所示。

圖2 網絡等值圖

但是單純的機電暫態仿真和電磁暫態仿真面對更加多元化和復雜的現代電力系統網絡表現出諸多不足:忽略電磁暫態網絡進行機電暫態研究無法衡量柔性輸電系統(FACTS)、超高壓交直流輸電系統以及風光儲系統等不同環境和運行方式下對電網穩定性的影響。同時，以工頻等值阻抗的形式表示機電暫態網絡有其固有的局限性，其一，工頻等值阻抗并不能真實反映系統的諧波阻抗特性，對系統高頻特性的描述并不準確;其二，以工頻等值阻抗的形式表示機電暫態系統，有可能將系統中本來很小的特征諧波放大，有些系統中還有可能引起原系統并不存在的新的諧波。而進行電磁暫態研究時，若將機電暫態網絡進行諾頓電路等值將進一步復雜網絡的整體求解過程，加之電磁暫態研究仿真步長一般為50微秒級導致計算急劇膨脹，對仿真系統要求增加。

2 機電-電磁暫態混合仿真技術

混合仿真技術實現了在一次仿真過程中對大規模電網的機電暫態仿真和局部電網的電磁暫態仿真過程，對研究大電網環境下電力系統整體穩定性和局部動態特性有很強的現實意義和理論價值。

所提出的混合仿真過程實現原理如圖3所示，以電磁暫態網絡為參考點則機電暫態網絡為一個戴維南電路，并向中間接口處發送阻抗和電勢數據;而以機電暫態網絡為參考點，電磁暫態網絡為諾頓等效電路并向接口發送電壓和電流數據。這種等值電路，對于網絡為有源或無源網絡情況都是適宜的。

圖3 混合仿真實現原理

為了提高混合仿真模擬精度，需要在原有對機電暫態系統進行工頻等值的基礎上添加頻域等值功能。具體由以下幾個步驟完成。

1)對機電暫態系統進行頻域掃描，計算出系統在接口點處的阻抗-頻率特性關系。

2)采用矢量匹配算法進行頻率擬合，得到式(1)。

3)根據式(1)形成如圖4所示的電阻、電感、電容元件組成的串并聯等值網絡。

圖4 等效阻抗網絡

4)將此電路作為機電暫態網絡的等值電路，接入電磁暫態網絡共同計算。

3 機電-電磁暫態混合仿真接口數據交互實現

完成混合仿真最關鍵的技術在于實現接口處數據的交換與共享。

3.1 接口數據交互時序

由于機電暫態網絡計算的步長大，而電磁暫態網絡計算的步長小，通常以機電暫態步長為交互單位進行。機電暫態網絡和電磁暫態網絡的數據交換可采用如下的時序(以機電暫態網絡計算步長為DTP=0.01 s，電磁暫態網絡計算步長為DTE=0.001 s為例)。.

圖5 接口數據交換時序

在t=N×DTP時刻兩網絡交換數據，其中電磁暫態網絡接收的是機電暫態網絡在t-DTP時刻的值，機電暫態網絡接收的是電磁暫態網絡在t-DTE時刻的值。

3.2 接口數據交互形式

機電暫態網絡和電磁暫態網絡的數據交換采用如下的數據形式:初始化時機電暫態網絡向電磁暫態網絡發送(傳遞)機電暫態網絡的正、負、零序等值阻抗陣及正、負、零序等值電勢的初始值;在每一機電暫態網絡積分步長，機電暫態網絡向電磁暫態網絡發送(傳遞)邊界點的正、負、零序等值電勢，電磁暫態網絡向機電暫態網絡發送(傳遞)邊界點的正、負、零序電壓和電流。在有故障或操作導致機電暫態網絡結構發生變化時，機電暫態網絡還需向電磁暫態網絡發送(傳遞)機電暫態網絡的正、負、零序等值阻抗陣。

圖6 接口數據交互形式

3.3 接口方法在仿真網絡中的實現

機電暫態網絡為三序相量網絡，而電磁暫態網絡為三相瞬時值網絡，因此，需要對機電-電磁暫態接口數據進行序-相變換及瞬時量-相量變換，這部分工作由電磁暫態網絡計算部分來完成，主要有:

(1)獲得機電暫態網絡的三序戴維南等值電勢和阻抗后，將其轉換為三相瞬時值形式。

(2)將邊界點的三相電壓、電流瞬時值轉換為相量值，再進一步轉換為三序相量值。①通過傅里葉變換，將電磁暫態網絡邊界點的A、B、C相注入電流瞬時值，轉換成相量值;將電磁暫態網絡邊界點的A、B、C相注入電壓瞬時值，轉換成相量值。②將邊界點的A、B、C相電流、電壓(相量)轉換為正、負、零序電流、電壓(相量)。

其流程圖如圖7所示:接口模塊首先接收機電暫態網絡的邊界點正、負、零序等值電勢Ei(相量形式，i為序標)，然后結合機電暫態網絡的邊界點正、負、零序等值阻抗，將其變換成 A、B、C 相電流源并聯A、B、C相導納的形式;另一方面，接口模塊還要將電磁網絡邊界點的A、B、C相注入電流及A、B、C相電壓瞬時值Vabc、Iabc，通過快速傅里葉變換得到向量電壓和電流后再轉換成正、負、零序相量值Ei、ii，并發送給機電暫態網絡。完成一次信息交互后，機電和電磁暫態網絡繼續進行下一個時步各自的計算。

3.4 不對稱導納的處理

若機電暫態網絡中包括發電機，機電暫態網絡的正、負、零序等值阻抗陣轉換成A、B、C三相導納陣后，會出現導納陣不對稱的情況。假設圖8中區域A代表電磁暫態網絡，區域B代表機電暫態等值網絡;A與B之間的邊界點為m(這里m不僅僅代表一個邊界點，而是代表邊界點的集合)，A與B之間將形成如圖8所示的［α］關聯關系?？紤]到q為單位陣，可推得

圖7 接口模塊交互流程

在仿真初始化時以及機電暫態網絡或電磁暫態網絡結構發生變化時刻進行LU分解式(2)，其他時刻進行回代iα計算各節點電壓即可。

圖8 機電-電磁接口示意圖(節點分裂后)

4 機電-電磁暫態混合仿真在合環問題研究中的應用

4.1 合環問題的分類

根據不同的分類標準將合環問題按電壓等級、合環模式以及電磁/非電磁情況進行分類。

(1)按電壓等級分類

目前，國內針對電網合環問題的研究多數著眼于配電網合環［7-9］，因為配電網一般采用環網設計、輻射運行的模式，即閉環結構，開環運行［7］，這種結構的電網合環問題出現的比較多。配電網按電壓等級來分類，可分為高壓配電網(35～110 kV)、中壓配電網(6～20 kV)、低壓配電網(380 V)等。

(2)按合環模式分類

配電網合環問題一般可以分為以下3類［14］。

①同一變電站同一區域的饋線合環，它們之間直接通過母聯開關或聯絡開關進行合環操作，這類合環操作相對比較簡單安全(直接合環)。

②同一變電站來自不同區域的饋線合環，合環母線的上一級電源來自不同的分區，它們之間直接通過母聯開關或聯絡開關進行合環操作。

③不同變電站的饋線合環，合環母線屬于不同變電站，饋線間通過聯絡開關進行合環操作［7］。

(3)其他分類

①電磁合環

從廣義上說，凡是不同電壓等級的網絡相連，都可能出現電磁環網，電磁環網運行中，由于高一級電壓線路斷開造成負荷轉移而造成的事故擴大，在國內外電力系統中已經出現過多次［13-16］，即使很強的電磁環網也有可能出現穩定問題。電磁合環問題的存在給現代電網的運行管理帶來麻煩，也給電網的發展帶來不確定因素。

②非電磁環網合環

非電磁環網合環是相同電壓等級的電氣元件組成的環網中出現的合環問題，此類合環問題在輸電網和配電網中都曾出現，與高壓輸電網絡所采用的多環路網絡結構不同，配電網采用更多的是輻射型、環式等結構方式。正常時，聯絡開關斷開;當其中某一個站的出線開關需要檢修或有其他突發事件時，先合上聯絡開關，再斷開該站出線開關，通過另一個站的低壓母線帶上兩端配電線路負荷，這就是配電網中的非電磁合環。

4.2 傳統合環問題解決方案比較

傳統合環問題解決方案大多基于經驗估算、簡單網絡等值和機電暫態仿真等方法。由于電力系統本身的復雜性，調度運行人員根據自己的運行經驗來判斷系統是否可以進行合環操作容易引起連鎖反應，導致系統大面積停電甚至系統解列，有較大的局限性。網絡等值方法雖然在一定程度上解決了電網分析中計算速度與精度之間的矛盾，但同時犧牲了一定的系統動態特性，且該方法不能仿真合環操作對于整個系統穩定性的影響，因此不適用于電磁合環的模擬;未考慮外部網絡模型，無法準確獲得等值電勢和等值阻抗，且不能用于大電網求解、沖擊電流計算、諧波分析和三相負荷不對稱的情形。而機電暫態仿真在時間刻度的描述上不夠細致，并且由于其基于相量模型，不能夠得到最惡劣的合環情況，并難以處理不對稱負荷問題，不能計及合環操作時可能引入較多諧波分量，以及難以處理三相負荷不對稱的情形。

4.3 基于PSASP的機電-電磁暫態電網合環仿真計算系統

這里提出采用機電-電磁暫態混合仿真的方法對電網合環仿真問題進行研究，基于PSASP和Windows平臺設計仿真計算系統，顧全了計算速度的同時也保證了計算精度。

(1)系統概述與仿真流程

系統架構如圖9所示。

圖9 合環電流仿真計算系統架構圖

(2)功能模塊

合環電流仿真計算系統主要包含了以下功能模塊:圖形化界面、合環潮流、合環點電磁暫態網絡自動劃分(用戶不可見)、機電暫態模型到電磁暫態模型自動轉換(用戶不可見)、串行合環暫態仿真(機電暫態仿真)、并行合環暫態仿真(機電暫態-電磁暫態混合仿真)。通過混合仿真中電磁暫態開關統計仿真功能，能夠分析并統計不同合環時刻對沖擊電流幅值的影響。

(3)合環潮流

合環潮流能夠提供的計算結果包括常規潮流計算的結果，支路潮流(支路電流、輸送功率)的對比查看，母線電壓的對比查看以及合環潮流報告。報告中包括合環前母線電壓差、合環前母線相角差、合環點電流值、過流保護定值、與保護定值的差值、與保護定值的差值(百分數)、合環操作是否可行等。

(4)機電暫態仿真

合環機電暫態仿真能夠提供的計算結果包括常規機電暫態仿真結果，自動監視合環點電流、輸送功率以及合環計算報告。報告中包含合環點最大沖擊電流值、合環點最大沖擊電流百分數(相對于繼電保護定值)、合環點穩態電流幅值、合環操作是否可行等。

(5)機電-電磁暫態混合仿真

機電-電磁混合仿真流程圖如圖10所示，合環混合仿真能夠提供的計算結果包括以下幾點:①合環點附近電壓電流情況，包括合環點兩側合環前后的三相電流波形、三相電壓波形以及三相電流幅值和三相電壓幅值;②合環計算報告，其中包括合環點最大沖擊電流值、合環點最大沖擊電流百分數(相對于繼電保護定值)、合環點穩態電流幅值以及合環操作是否可行;③提供開關統計功能，系統可以分析并統計不同合環時刻對沖擊電流幅值的影響，給出最惡劣的合環情況。

圖10 機電暫態、電磁暫態混合仿真流程

4.4 電網合環操作仿真計算系統的優勢與不足

本系統相較其他合環計算仿真系統，有以下幾點優勢:①采用的數據與PSASP 7.0數據兼容，方便用戶調用數據;②仿真規模大(系統規模超過10000個節點)，采用的數據樣本多;③采用全網絡數據進行求解，無需等值，計算精度高;④能夠精確得到合環操作的穩態電流和沖擊電流;⑤能夠計及諧波分量，既提高了計算精度又方便用戶分析原因;⑥能夠模擬不對稱負荷，增大了系統對不同負荷情況的適用性;⑦通過混合仿真中電磁暫態開關統計仿真功能，能夠分析并統計不同合環時刻對沖擊電流幅值的影響;⑧能夠清晰表示合環路徑，界面更加直觀。系統的不足之處在于該離線系統涉及到數據的維護。

5 結語

電力系統環網運行勢必產生合環問題，而隨著電力系統的發展，城市電網傳輸的功率迅速增長，城市電網必須增建更高電壓等級的送電線路，電磁環網的出現不可避免，帶來的電磁合環問題則更加嚴重。電網合環后的穩態電流計算和合環沖擊電流的計算都需要采用仿真軟件或者潮流分析來實現，現有的仿真軟件有些是應用于區域電網的，有些無法實現實時在線仿真，數據維護量比較大，計算速度和算法上也還有很多不盡人意的地方。于是提出了基于電磁暫態-機電暫態混合仿真方法的電網合環操作仿真計算系統設計思路，它基于Windows平臺開發，是基于普通PC機的離線分析工具。既可以反映特定系統中詳細的電磁暫態變化過程，又可仿真較大規模的電力系統，無需等值且準確性較高。

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