超高压输变电系统内部过电压计算的发展与应用

我国电网发展很迅速,早在20世纪80年代就开始发展500kV超高压输电。随着电网电压等级的升高,电网规划设计及输变电工程设计所涉及的系统问题也有了很大的变化。35～110kV电网主要是潮流、短路电流问题,220kV电网就增加了稳定问题,电压升到500kV就必须考虑其内部过电压计算的问题。现在电网已经进入了大容量、超高压、远距离的输电时代,内部过电压计算越来越受到人们的重视。世界各国包括我国清华大学、浙江大学、中国电力科学研究院、国网电力科学研究院(原武高所)等在内的院校和研究机构对内部过电压的形成机理、模型建立、仿真计算和防护限制都做了深入细致的研究,取得了很多成果,如蒙特卡洛法模拟统计操作过电压、过电压计算中应用快速傅里叶变换、在断路器上增加分合闸电阻和利用避雷器限制操作过电压等。

20世纪60年代以来,对过电压的数值计算先后提出了多种不同的计算方法,不同之处主要体现在对分布长线的处理方法上,如行波法、差分法、拉普拉斯变换法以及用集中的T型和∏型链代替分布参数长线的方法等。

1.输变电系统建模的发展历程

输变电系统建模发展历经变迁,由于传输线的重要性,传输线理论一直是个很活跃的研究领域,主要包括传输线特性、不连续性、不同传输线之间的变换等方面的研究。很长一段时间以来,对于电磁暂态研究来说,建立传输线模型时最重要的方面之一就是考虑参数的频变特性,这方面的研究也始终未间断过。最早人们所采用的行波算法是由Bewley于1933年首创的网络法,由于这种方法对步长限制很大,非线性元件的模拟也较难实现,使得实际计算非常复杂,从而并未得到广泛的应用,现在仿真中也很少采用。20世纪70年代以来,许多学者都对频变参数线路暂态计算的问题进行了研究,并建立了一些考虑参数频变特性的传输线暂态模型。早期由Budner提出的线路导纳权函数法(导纳配置法)是取代线路的电流冲激响应中作为基元过程,通过卷积计算以求解频变参数线路的暂态过程。不过在此模型中权函数有很高的振荡性,并且很难精确估计,这一方法由于计算方面的弱点未被普遍应用,但是它的物理意义有助于理解频变传输线的暂态过程。Snelson介绍了在时域应用Bergeron简化波动方程的解释来获得关联电压、电流的变量代换。Snelson行波法的主要思路是将线性阻抗看作是一个不随频率变换的常数,然后再加权处理前行波和反行波分量来求解频变参数的电磁暂态过程。应用这一行波对前、反行波权函数进行卷积运算要比采用导纳权函数简单,且效果好,但该法在低频时会影响权函数的计算精度。Meyer和Dommel进一步提高了前、反行波权函数的概念,所得加权函数公式的表示法比其他加权函数法有了很大的改进,并且已在许多暂态研究中得出了可靠结果。然而,该方法要求计算积分每一步长上的值而导致运行时间较长,而且用卷积积分计算加权函数的尾部值很困难。这些早期方法都存在两个较大的缺陷:一是需要计算许多个卷积积分;二是加权函数的振荡难以确定。Semlyen用指数函数对线路阶跃响应及脉冲导纳响应进行了拟合,并利用插值法将卷积运算简化为当前输入值及其历史值可以获得的递归公式,大大节省了计算时间。随着计算机技术的不断发展,简捷又相当精确的数字仿真技术也得到了不断发展,线路暂态仿真研究取得了大量成果。J.Mart在这方面取得了较大的进展,建立了更有效的模型。J.Mart模型不但发展了Semlyen的思想,而且后来也被应用到电磁暂态计算程序(EMTP)中。该模型实质上就是将模拟滤波技术应用于求解频变参数线路,据此建立的线路模型仍具有Bergeron线路模型的基本形式,便于和电磁暂态计算通用程序连接,能得到较好的效果,计算速度也大大加快了,但对特性阻抗或导纳函数的拟合精度均不高,在低频范围内更是如此。F.Castellanos与H.V.Nguyen在J.Mart和Dommel的基础上,开发了频变传输线路的相域模型,避免了变换矩阵的递归卷积计算,提高了模型的效率。Bjorn Gustavsen等人开发了矢量匹配算法,建立了通用的架空输电线路与电缆模型。电磁暂态计算中不断出现新的频变参数传输线模型及其处理方法,且各有其特点。

2.仿真软件的应用

电力系统是一个大规模、时变的复杂系统,在国民经济中有非常重要的作用。电力系统数字仿真已成为电力系统研究、规划、运行、设计等各个方面不可或缺的工具,特别是电力系统新技术的开发研究、新装置的设计、参数的确定更是需要通过仿真来确认。

目前常用的电力系统仿真软件有:

(1)邦纳维尔电力局(Bonnevile Power Administration,BPA)开发的BPA软件和EMTP(Electromagnetic Transients Program)软件。

(2)曼尼托巴高压直流输电研究中心(Manitoba HVDC Research Center)开发的PSCAD/EMTDC(Power System Computer Aided Design/Electromagnetic Transients Program including Direct Current)软件。

(3)德国西门子公司研制的电力系统仿真软件NETOMAC(Network Torsion Machine Control)。

(4)中国电力科学研究院开发的电力系统分析综合软件PSASP(Power System Analysis Software Package)。

(5)Math Works公司开发的科学与工程计算软件MATLAB(Matrix Laboratory,矩阵实验室)。(www.xing528.com)

电力系统分析软件除了以上6种,还有美国加州大学伯克利分校研制的PEPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)、美国PTI公司开发的PSS/E、美国EPRI公司开发的ETMSP、ABB公司开发的SYMPOW程序和美国EDSA公司开发的电力系统分析软件EDSA等。

以上各个电力系统仿真软件的结构和功能不同,它们各自的应用领域也有所侧重。EMTP主要用来进行电磁暂态过程数字仿真,PSCAD/EMTDC、NETOMAC主要用来进行电磁暂态和控制环节的仿真,BPA、PSASP主要用来进行潮流和机电暂态数字仿真。

对于内部过电压的仿真计算而言,目前广泛使用的软件是电磁暂态仿真软件EMTP或者PSCAD/EMTDC,它们可以模拟电源、电机、变压器、断路器、集中参数元件、分布参数元件以及控制系统等灵活组合成的任意系统,从而方便进行内部过电压的计算与仿真,记录所需的数据,并且可以有意识地改变某些参数,从而可以对影响内部过电压的一些参数进行定量的分析。我国1981年引入EMTP和PSCAD/EMTDC,并应用于许多项目建设之中,特别是在超高压输变电工程中应用非常广泛,对电力系统的发展和安全起了非常重要的作用。由于内部过电压计算对500kV输变电工程的启动、调试以及绝缘保护等有着非常重要的意义,所以得到了广泛的应用,对于每一个将要投入的系统“逢投必算”。对引起工频电压升高、操作过电压和谐振过电压的各个因素分别进行计算,为绝缘设置提供参考,也为保护提供依据。

3.本书为研究电力系统内部过电压所做的主要工作

(1)第一章:绪论,简要介绍了超高压输变电系统内过电压计算的必要性、发展与应用。

(2)第二章:超高压输变电设备及其参数特性,介绍了超高压输变电设备及其参数特性,对输电线路、变压器、断路器、互感器、电容器、电抗器和避雷器等设备的性能与参数进行研究分析,为后续的建模仿真提供数据基础。

(3)第三章:电力系统内部过电压理论分析,从理论角度分析了因空载长线电容效应、不对称短路、甩负荷引起的工频过电压;因分合闸产生的操作过电压;因铁磁谐振、线性谐振等引起的谐振过电压,深入分析了各种过电压产生的机理与影响因素,为过电压计算奠定了深厚的理论基础。

(4)第四章:基于PSCAD/EMTDC软件的电力系统计算建模,该章介绍了电磁暂态软件在仿真中的应用,讲解了PSCAD/EMTDC的X4版本各元件的详细建模过程,对Source、Machines、Transformers、Transmission Line、Protection、External Data Recorders&Readers、Sequencers、PI sections等各大元件库进行了详尽的介绍,对电源、变压器、发电机、电动机、风机、序列元件、测量、保护元件的参数设置、模型搭建进行深入分析,为读者奠定了深厚的建模基础。

(5)第五章:基于PSCAD/EMTDC软件的超高压输变电系统内部过电压仿真计算,建模分析了工频、操作过电压,潜供电流和恢复电压,并在附录部分给出了工程计算实例——基于PSCAD的500kV武—察(武川到察右中)同塔双回输变电工程内过电压仿真分析、基于PSCAD/EMTDC的500kV坤—旗Ⅰ线破口输变电工程内部过电压计算与呼和浩特抽水蓄能电站500kV输变电工程内部过电压计算实例,完善地给出了内部过电压的计算数据,为相关的超高压工程启动提供了参考,将理论和实践有效地结合起来,具有极强的实用性。

(6)第六章:超高压输变电系统过电压现场录波,创新性地给出了500kV庆云输变电工程现场启动录波实例,为迅猛发展的超高压电站的建设启动提供现场实测数据参考,是验证仿真计算正确性的重要方法。