一種基于綜合友元模型的死區(qū)故障模擬方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及電網(wǎng)故障智能分析【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于綜合友元模型的死區(qū)故障模擬方法。針對現(xiàn)有技術(shù)的電網(wǎng)死區(qū)故障模型中計算節(jié)點量較大和計算效率較低等不足，本發(fā)明提供了一種基于綜合友元模型的死區(qū)故障模擬方法。為了減少計算節(jié)點，提高計算速度，本發(fā)明采用綜合友元建模方法建立了斷路器和電流互感器的組合模型，結(jié)合死區(qū)故障的特點，詳細說明了在組合模型下發(fā)生死區(qū)故障的處理方法。發(fā)明設(shè)計簡潔，易于實施，建設(shè)、維護和能耗成本較低，適合不同情況下電網(wǎng)死區(qū)故障分析，具有廣闊的應(yīng)用和推廣前景。
【專利說明】一種基于綜合友元模型的死區(qū)故障模擬方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電網(wǎng)故障智能分析【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于綜合友元模型的死區(qū) 故障模擬方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在實際的電網(wǎng)工作現(xiàn)場，電流互感器與斷路器是兩個獨立設(shè)備，但電網(wǎng)的保護裝 置常常會誤判電流互感器或斷路器的故障?，F(xiàn)有技術(shù)中典型的電網(wǎng)死區(qū)故障主要包括三 類：主變斷路器與主變電流互感器之間的死區(qū)故障、母聯(lián)斷路器與母聯(lián)電流互感器之間的 死區(qū)故障、出線斷路器與出線電流互感器之間的死區(qū)故障。隨著電網(wǎng)系統(tǒng)的日趨復(fù)雜，電力 系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行變得愈加重要。發(fā)生電網(wǎng)死區(qū)故障時，若不能及時排除故障或者不能 準確排除故障，將會對電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成巨大影響和較大經(jīng)濟損失。因此，仿真模擬 電網(wǎng)的各種死區(qū)故障，分析各種死區(qū)故障下電網(wǎng)的保護動作行為，進而改進并提高電網(wǎng)保 護動作的可靠性和速動性，顯得尤為重要?，F(xiàn)有技術(shù)中，針對電網(wǎng)死區(qū)故障的模擬建模中各 種元器件單獨建模，致使死區(qū)故障模型的計算節(jié)點數(shù)量龐大，計算效率較低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對現(xiàn)有技術(shù)的電網(wǎng)死區(qū)故障模型中計算節(jié)點量較大和計算效率較低等不足，本 發(fā)明提供了一種基于綜合友兀模型的死區(qū)故障模擬方法。
[0004]為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為： 一種基于綜合友元模型的死區(qū)故障模擬方法，包括步驟如下： (a) 建立斷路器、刀閘、地刀和電流互感器的綜合友元模型； (b) 根據(jù)基爾霍夫定律建立步驟（a)所述綜合友元模型的KCL方程組； (c) 消除步驟（b)所述綜合友元模型的KCL方程組中綜合友元模型的內(nèi)部節(jié)點，得到綜 合友元模型的等效電磁暫態(tài)模型/ =Gt/，其中/為綜合友元模型外節(jié)點的注入電流矩陣W 為綜合友元模型的導納陣，V為綜合友元模型外節(jié)點的電壓矩陣； (d) 將故障過渡導納gf引入到預(yù)設(shè)的故障點以建立斷路器、刀閘、地刀和電流互感器的 死區(qū)故障等效模型，根據(jù)基爾霍夫定律建立所述死區(qū)故障等效模型的KCL方程組； (e) 消除步驟（d)所述死區(qū)故障等效模型的KCL方程組中死區(qū)故障等效模型的內(nèi)部節(jié) 點，得到死區(qū)故障的等效電磁暫態(tài)模型// = --，其中Jf為死區(qū)故障等效模型外節(jié)點的 注入電流矩陣，&為死區(qū)故障等效模型的導納陣，仏為死區(qū)故障等效模型外節(jié)點的電壓矩 陣電流矩陣； (f) 令電網(wǎng)導納陣^bgromd中與綜合友元模型的外節(jié)點所對應(yīng)的行和列元素分別減去導 納陣G中綜合友元模型的外節(jié)點所對應(yīng)的導納元素，得到第一次修正導納陣&g_dl ;令第 一次修正導納陣^bgraundl中與綜合友元模型的外節(jié)點所對應(yīng)的行和列元素分別加上導納陣 G中死區(qū)故障等效模型的外節(jié)點所對應(yīng)的導納元素，得到第二次修正導納陣&gMund2 ; (g) 根據(jù)全網(wǎng)注入歷史電流源Znrt和第二次修正導納陣&gMund2計算電網(wǎng)電壓矩陣Vnrt， 得到發(fā)生死區(qū)故障下的電網(wǎng)節(jié)點電壓，根據(jù)死區(qū)故障等效模型KCL方程組求得各支路電 流。
[0005] 具體的，步驟（a)中綜合友元模型包括雙母接線形式下的綜合友元模型和單母接 線形式下的綜合友元模型。
[0006] 雙母接線形式下的綜合友元模型包括刀閘等效導納gl~g2、刀閘等效導納g4、斷路 器等效導納g3、地刀等效導納g5~g7和電流互感器等效導納gCT。地刀等效導納g5~g7 -端接 地，刀閘等效導納S1和g2的一端分別接地刀等效導納g5的非接地端，刀閘等效導納S1和g2 的另一端為雙母接線的輸入端；斷路器等效導納g3和電流互感器等效導納gCT串聯(lián)后接在 地刀等效導納g5和g6的非接地端之間；刀閘等效導納g4兩端分別連接地刀等效導納g6和 g7的非接地端；地刀等效導納g7的非接地端為雙母接線形式下的電流互感器與開關(guān)綜合友 元模型的輸出端。
[0007] 單母接線形式下的綜合友元模型包括刀閘等效導納gl '和g3 '、斷路器等效導 納g，、地刀等效導納g/和g，以及電流互感器等效導納gc/。地刀等效導納g/和 g5 ' -端接地；刀閘等效導納S1 '的一端接地刀等效導納g4 '的非接地端，刀閘等效導納 g/的另一端為單母接線形式下電流互感器與開關(guān)的綜合友元模型的輸入端；斷路器等效 導納g，和電流互感器等效導納gc/串聯(lián)后接在地刀等效導納g/和g，的非接地端 之間；刀閘等效導納g3'的一端接地刀等效導納85'的非接地端，刀閘等效導納8 3'的另 一端為單母接線形式下電流互感器與開關(guān)的綜合友元模型的輸出端。
[0008]具體的，步驟（f)中電網(wǎng)導納陣通過全網(wǎng)拓撲及各元件的電磁暫態(tài)模型得 到。
[0009] 本發(fā)明的有益效果：1、本發(fā)明采用綜合友元法建立了斷路器與電流互感器的組合 仿真模型，涵蓋斷路器、刀閘、地刀和電流互感器，相較按照各個元器件分別建立模型的方 法，本發(fā)明大大減少了仿真模型的計算節(jié)點，提高了計算速度；2、本發(fā)明所建模型為電磁暫 態(tài)模型，可用于電磁暫態(tài)實時仿真，并且可以通過數(shù)字物理接口裝置與真實的電網(wǎng)保護設(shè) 備實現(xiàn)無縫連接，實現(xiàn)電網(wǎng)死區(qū)故障的閉環(huán)實時仿真，滿足了針對變電站控制保護設(shè)備的 檢測和測試、運維和檢修的仿真培訓的需要；3、本發(fā)明能夠詳細模擬各種故障下的電網(wǎng)死 區(qū)故障，包括主變斷路器死區(qū)故障、母聯(lián)斷路器死區(qū)故障和出線斷路器死區(qū)故障，本發(fā)明可 用于各種故障情況下的電磁暫態(tài)過程分析和研究，為各種故障下電網(wǎng)保護裝置的動作行為 分析提供了有效的技術(shù)支持。本發(fā)明提出了一種基于綜合友元模型的電流互感器與斷路器 的死區(qū)故障模擬方法，能夠模擬各種典型死區(qū)故障。本發(fā)明采用電磁暫態(tài)建模原理，詳細模 擬故障的電磁暫態(tài)過程。此外，本發(fā)明可以應(yīng)用于數(shù)字物理混合實時仿真中，仿真數(shù)據(jù)可以 通過接口設(shè)備驅(qū)動真實保護裝置，為各種死區(qū)故障下的電網(wǎng)保護動作行為分析提供了有效 技術(shù)支持。本發(fā)明設(shè)計簡潔，易于實施，建設(shè)、維護和能耗成本較低，適合不同情況下的電網(wǎng) 死區(qū)故障分析，具有廣闊的應(yīng)用和推廣前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1為本發(fā)明的流程示意圖。
[0011] 圖2為本發(fā)明中雙母接線形式下的綜合友元模型的電路原理圖。
[0012] 圖3為本發(fā)明中雙母接線形式下的死區(qū)故障等效模型的電路原理圖。
[0013] 圖4為本發(fā)明中單母接線形式下的綜合友元模型的電路原理圖。
[0014] 圖5為本發(fā)明中單母接線形式下的死區(qū)故障等效模型的電路原理圖。

【具體實施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0016] 為了減少計算節(jié)點，提高計算速度，本發(fā)明采用綜合友元建模方法建立了斷路器 和電流互感器的組合模型，結(jié)合死區(qū)故障的特點，詳細說明了在組合模型下發(fā)生死區(qū)故障 的處理方法。按照接線形式及間隔類型劃分，死區(qū)故障可統(tǒng)一分為兩類：第一類是雙母接線 形式下主變斷路器與電流互感器的死區(qū)故障，另一類是單母接線形式下斷路器與電流互感 器的死區(qū)故障。兩種類型死區(qū)故障的處理步驟相同，見圖1，但具體的綜合友元模型不同。
[0017] 實施例1 : 實施例1以第一類死區(qū)故障即雙母接線形式下主變斷路器與電流互感器的死區(qū)故障 為例，詳細說明斷路器與電流互感器組合模型的死區(qū)故障處理方法。
[0018] (Ι-a)建立雙母接線形式下斷路器、刀閘、地刀和電流互感器的綜合友元模型，見 圖2。如圖2所示，雙母接線形式下的綜合友元模型包括刀閘等效導納gl~g2、刀閘等效導納 g4、斷路器等效導納g3、地刀等效導納g5~g7和電流互感器等效導納gCT。地刀等效導納g5~g7 一端接地，刀閘等效導納S1和g2的一端分別接地刀等效導納g5的非接地端，刀閘等效導納 gi和&的另一端為雙母接線的輸入端；斷路器等效導納A和電流互感器等效導納Sct串聯(lián) 后接在地刀等效導納g5和g6的非接地端之間；刀閘等效導納g4兩端分別連接地刀等效導 納g6和g7的非接地端；地刀等效導納g7的非接地端為雙母接線形式下的電流互感器與開 關(guān)綜合友元模型的輸出端。
[0019] (Ι-b)將雙母接線形式下綜合友元模型的節(jié)點按照①?⑤的順序編號，節(jié)點① 和節(jié)點②分別為連接母線的兩個節(jié)點，節(jié)點@為出線側(cè)節(jié)點，節(jié)點④和節(jié)點⑤分別為內(nèi)節(jié) 點。根據(jù)基爾霍夫定律建立步驟（Ι-a)中雙母接線形式下的綜合友元模型的KCL方程組， 見公式（1)?（5)。
[0020] EiU1-E1U i =X1 (1) S^?2~=?"a (2) Cs4 -5 = ^3 (3) J1CZ1 +^2? *1" (& Sct')^5 ~ (4) Cg3 +Sct)u4 +SiU3 =Ss2uS (5) 其中，G、％、％、?/4和仏分別為雙母接線形式下綜合友元模型的節(jié)點①?⑤的節(jié)點 電壓，4、/2和/3分別為雙母接線形式下綜合友元模型的節(jié)點①?③的外部注入電流， Szi = Si +& + S + Scr + Ss，= ^ + Se + & + 。
[0021] (I-C)消除步驟（Ι-b)中KCL方程組中綜合友元模型的內(nèi)部節(jié)點④--，得到雙母 接線形式下綜合友元模型的等效電磁暫態(tài)模型/ = 〇[/，其中/為雙母接線形式下綜合友元 模型外節(jié)點的注入電流矩陣，G為雙母接線形式下綜合友元模型的導納陣，G中的導納元素 為正常情況下綜合友元模型對電網(wǎng)導納陣&gMund的貢獻，V為雙母接線形式下綜合友元模 型外節(jié)點的電壓矩陣。
[0022] 將公式（4)和公式（5)聯(lián)立，求解后得到公式（6) ~ (7):

【權(quán)利要求】
1. 一種基于綜合友元模型的死區(qū)故障模擬方法，其特征在于包括步驟如下： (a) 建立斷路器、刀閘、地刀和電流互感器的綜合友元模型； (b) 根據(jù)基爾霍夫定律建立步驟（a)所述綜合友元模型的KCL方程組； (c) 消除步驟（b)所述綜合友元模型的KCL方程組中綜合 友元模型的內(nèi)部節(jié)點，得到綜合友元模型的等效電磁暫態(tài)模型 / =GC/，其中J為綜合友元模型外節(jié)點的注入電流矩陣，G為綜合友元模型的導納陣，V為 綜合友元模型外節(jié)點的電壓矩陣； (d) 將故障過渡導納gf引入到預(yù)設(shè)的故障點以建立斷路器、刀閘、地刀和電流互感器的 死區(qū)故障等效模型，根據(jù)基爾霍夫定律建立所述死區(qū)故障等效模型的KCL方程組； (e) 消除步驟（d)所述死區(qū)故障等效模型的KCL方程組中死區(qū)故障等效模型的內(nèi)部節(jié) 點，得到死區(qū)故障的等效電磁暫態(tài)模型i/ = ，其中Jf為死區(qū)故障等效模型外節(jié)點的 注入電流矩陣，&為死區(qū)故障等效模型的導納陣，仏為死區(qū)故障等效模型外節(jié)點的電壓矩 陣電流矩陣； (f) 令電網(wǎng)導納陣^bgromd中與綜合友元模型的外節(jié)點所對應(yīng)的行和列元素分別減去導 納陣G中綜合友元模型的外節(jié)點所對應(yīng)的導納元素，得到第一次修正導納陣&g_dl ;令第 一次修正導納陣^bgraundl中與綜合友元模型的外節(jié)點所對應(yīng)的行和列元素分別加上導納陣 G中死區(qū)故障等效模型的外節(jié)點所對應(yīng)的導納元素，得到第二次修正導納陣&gMund2 ; (g) 根據(jù)全網(wǎng)注入歷史電流源Znrt和第二次修正導納陣&gMund2計算電網(wǎng)電壓矩陣Vnrt， 得到發(fā)生死區(qū)故障下的電網(wǎng)節(jié)點電壓，根據(jù)死區(qū)故障等效模型KCL方程組求得各支路電 流。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于綜合友元模型的死區(qū)故障模擬方法，其特征在于步 驟（a)中所述綜合友元模型包括雙母接線形式下的綜合友元模型和單母接線形式下的綜合 友元模型； 所述雙母接線形式下的綜合友元模型包括刀閘等效導納gl~g2、刀閘等效導納g4、斷路 器等效導納g3、地刀等效導納g5~g7和電流互感器等效導納gCT ;所述地刀等效導納g5~g7 - 端接地，所述刀閘等效導納gi和g2的一端分別接地刀等效導納g5的非接地端，所述刀閘等 效導納gl和g2的另一端為雙母接線的輸入端；所述斷路器等效導納g3和電流互感器等效 導納gCT串聯(lián)后接在地刀等效導納g5和g6的非接地端之間；所述刀閘等效導納g4兩端分別 連接地刀等效導納g6和g7的非接地端；所述地刀等效導納g7的非接地端為雙母接線形式 下的電流互感器與開關(guān)綜合友元模型的輸出端； 所述單母接線形式下的綜合友元模型包括刀閘等效導納g/和g，、斷路器等效導納g，、地刀等效導納g/和g，以及電流互感器等效導納gc/ ;所述地刀等效導納g/ 和gZ-端接地；所述刀閘等效導納g/的一端接地刀等效導納g4 '的非接地端，所述刀 閘等效導納gl '的另一端為單母接線形式下電流互感器與開關(guān)的綜合友元模型的輸入端； 所述斷路器等效導納g，和電流互感器等效導納gc/串聯(lián)后接在地刀等效導納g/和 g5 '的非接地端之間；所述刀閘等效導納g3 '的一端接地刀等效導納g5 '的非接地端，所 述刀閘等效導納g，的另一端為單母接線形式下電流互感器與開關(guān)的綜合友元模型的輸 出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于綜合友元模型的死區(qū)故障模擬方法，其特征在于步 驟（f)中所述電網(wǎng)導納陣通過全網(wǎng)拓撲及各元件的電磁暫態(tài)模型得到。
【文檔編號】G01R31/00GK104316792SQ201410556873
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月20日
【發(fā)明者】田青, 曹苒, 楊東方, 高艷萍, 夏英, 劉潔云, 穆世霞, 張明, 王全, 于亞偉, 姜 遠 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)河北省電力公司培訓中心, 北京科東電力控制系統(tǒng)有限責任公司