基本步骤：实现动态等值

1.决定研究区域

将大规模电力系统分成两大部分,即内部系统和外部系统。其中内部系统的范围是关注部分或待研究的部分,一般情况下,若本级线路为新建或者切改线路,应考虑到其上一级电网的网架结构示意图,并将这一部分作为内部系统。外部系统的范围指的是非内部系统但对内部系统会产生影响的部分。对于研究区域和外部区域实质并没有严格的划分界限,它是根据所要研究的任务而进行人为划分的,研究区域确定的详细过程可以参照附录部分。

2.发电机群的识别与聚合

发电机群的识别是指研究区域内的故障有效的外部系统相关发电机群。目前发电机的相关识别有许多种方法,其中使用比较广泛的是线性仿真法。这种方法是建立一个线性化系统模型,利用隐形式联立梯形积分技术,计算出系统在扰动下的发电机近似暂态振荡曲线,通过观察发电机的振荡曲线来判断是否满足相关条件。这种方法是在线性化模型上使用梯形积分技术,在求解方程的每一个时间段内不需要进行迭代,这样就可以缩短计算时间。但是由于相关发电机群与扰动的地点及类型有关,不同的故障可能会得出不同的结果,所以当对一个事故集中的多种故障进行暂态分析时,需要多次求解线性化的方程,这样累积起来的计算时间还是比较长。基于状态空间的发电机相关识别方法,其思路是根据方程的格纳姆矩阵推出发电机相关的充分必要条件,用此方法只需要计算出格纳姆矩阵的元素值就可以方便地识别出相关发电机,而无需求解发电机在扰动后的近似暂态振荡曲线。这种方法在对多种故障进行暂态计算分析时,计算效率明显提高。

发电机群聚合主要指的是转子参数聚合、控制器参数聚合、励磁系统参数聚合等。

3.网络化简

网络化简的目的主要是通过简化系统中母线和线路数目来减少暂态仿真程序的计算时间和内存。暂态仿真大部分计算量来自求解系统代数方程。因此,在网络简化中不仅要简化网络中母线的数目,而且同时要简化网络中线路的数目,并且简化线路的数目在等值过程中是非常重要的。

(1)在进行网络简化和等值时,应该考虑以下几方面的要求:

1)简化算法应有较高的计算效率,在减少计算时间和计算量的同时,保证所获得结果的正确性和精度。

2)简化算法应该产生一个包含正常元件(如母线、线路、变压器)的等值网络,这有利于常规的分析。

3)简化算法应该产生一个适合于数值运算的等值,即该等值不应有先天的舍入问题,保证等值的准确性,也不应该使暂态仿真期间求解网络的一般方法(如牛顿法、高斯-赛德尔法)的收敛出现问题。

总之,网络的化简既要保证精度又要能与现有的暂态程序相兼容。网络化简主要有辐射等值独立(REI)法,或者用一个单个的假想节点来代替一群泛函地关联着的有源节点等方法。

(2)发电机母线的化简。将相关机群识别出来以后,接下来应该对相关发电机母线进行合并和化简。把待简化的相关发电机群的母线集合记为{c},把与{c}相关联的系统母线的集合记为{b},把与{c}不关联的系统母线集合为{a},并设定母线集合{b}、{c}、{a}中的节点编号分别为l～m、(m+1)～n及n+1、n+2、…在合并简化中要求母线集合{a}及其全部关联支路在简化前后保持不变;母线集合{b}保留,但其与{c}的关联支路要转化为和等值母线t关联的支路;母线集合{c}用一个等值母线t来取代。

设原系统节点方程为(下标A、B、C分别表示{a}、{b}、{c}中的母线)

相关发电机母线简化后所获得的新系统的节点方程为

等值过程中Y AA、Y AB、Y BA是保持不变的,需要计算的参数有:Y Bt、Y tB、Y tt,并应该对Y BB的对角元素作相应修正,修正后的结果记做Y BB*。等值要求满足的约束条件是:稳态时U A、U B不变,{b}中各母线与{c}间稳态时交换的功率不变,即恒等功率变换。

下面用发电机母线化简示意图[图5-1(a)]来说明电网简化与等值的步骤。

第一步:先求解等值母线上的电压相量,一般可取的模值和相角为母线集合{c}各母线的电压模值和相角的平均值,求解U的计算式如下(www.xing528.com)

式中各个量均用稳态值。

然后把母线集合{c}每条母线k均通过一台具有复变比的理想的移相变压器连接到等值母线t上,其中复变比。则在相关条件下,动态过程中群中的每条母线变比a K为常数。

第二步:将母线集合{c}内部的关联支路在相关条件下消去,化为连接在相关母线上的对地支路。则图5-1(b)中的y 23可化为如图5-1(c)中的Δy 20和Δy 30,见式(5-4)。这一步化简后的图如图5-1(c)所示。

第三步:将相关母线上的负荷分别按照恒阻抗、恒电流和恒功率三类转移到母线t上,按类别进行合并,作为综合负荷处理;把发电机功率和对地导纳支路都转移到母线t上进行合并。从而可以将母线集合{c}化为联络点,如图5-1(d)所示。

第四步:将母线集合{c}中的节点和系统保留节点间有关联的支路串联上相应的移相变压器连接到母线t上,如图5-1(e)所示,这样就可以消去母线集合{c},以母线t以及与母线t直接连接到系统的等值支路代替。由于这些支路含有移相变压器,所以相应的节点导纳矩阵将是不对称矩阵。在电磁暂态计算程序中,需要消去网络中的移相变压器,以保证节点导纳矩阵的对称性。

第五步:消去网络中的移相变压器。如图5-2(a)所示,设母线t、k之间有移相变压器,要求等值电路两端电压、电流无稳态偏差,变压器为非移相变压器,等值后电流应如图5-2(b)所示。显然,该步骤的关键是确定y k0和y t0两条对地支路的值,设a k=|a k|∠θk,则

图5-1　发电机母线化简过程

图5-2　消去移相变压器示意图

的选择会影响到这一步简化的精度。发电机的内电势依赖于的大小。第一步将定义为原来各母线的电压相量的平均值,目的就是将相关发电机转移到等值母线上时,使其内部的电势变化最小。通过上述五个步骤,便完成了发电机母线的化简工作。

(3)负荷母线的化简。电力系统动态等值中,除了对上述的发电机母线简化以外,还要对负荷母线进行化简。目前,对负荷母线的化简基本方法有:以Ward简化为基础的等值、REI(Redial Equivalent Independent)等值和CSR(Current Sink Reduction)等值等。负荷母线的简化也是电力系统等值的重要一环。

4.等值后的系统潮流计算

电网等值后在进行电磁暂态计算之前,需要进行潮流计算,这就会涉及潮流收敛问题,需要在现有等值和潮流程序的基础上,提高收敛措施。等值后的潮流计算是电磁暂态过电压计算的数据基础。等值后潮流计算是能否准确进行过电压计算的重要依据。

5.系统校验

等值系统校验可以通过稳态潮流校验、稳定性校验和短路水平校验等方法。一般系统的短路水平和短路容量是否准确,是决定过电压数值计算是否正确的关键数据。系统校验是校验电网的简化和等值是否合理,保证计算精度的重要工作。