本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)故障計(jì)算方法的研究領(lǐng)域，特別涉及一種高壓/特高壓直流線路故障電壓行波快速計(jì)算方法。

背景技術(shù)：
行波保護(hù)是直流線路主保護(hù)，準(zhǔn)確計(jì)算直流線路故障行波保護(hù)相關(guān)電磁暫態(tài)電氣量是正確分析行波保護(hù)動(dòng)作行為的基礎(chǔ)。由于直流系統(tǒng)自身拓?fù)浼爸绷骶€路故障的復(fù)雜性，現(xiàn)有的故障分析往往通過電磁暫態(tài)仿真軟件來完成。詳細(xì)的電磁暫態(tài)仿真方法雖然能夠詳細(xì)模擬高壓直流線路故障行波過程，然而傳統(tǒng)的數(shù)值仿真應(yīng)用于直流系統(tǒng)行波保護(hù)研究時(shí)，存在只能獲取離散時(shí)間節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)、高采樣頻率時(shí)計(jì)算效率十分低下等問題，難以適用于對(duì)計(jì)算效率有較高要求的場合，因此有必要提出一種在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上提高計(jì)算效率的新方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種高壓/特高壓直流線路故障電壓行波快速計(jì)算方法。一種高壓/特高壓直流線路故障電壓行波快速計(jì)算方法，包括下述步驟：(1)根據(jù)直流系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼爸绷骶€路故障條件，獲取相-頻域故障點(diǎn)注入電流If及系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓方程；(2)由步驟(1)中的節(jié)點(diǎn)電壓方程，在用戶自定義的頻率范圍Ω內(nèi)，獲取直流線路端與故障點(diǎn)互阻抗的若干個(gè)采樣值，即頻域響應(yīng)F(Ω)；(3)將步驟(2)中得到的頻率響應(yīng)沿F(Ω)頻率軸劃分為N段，并給定每個(gè)頻段上的階數(shù)初始范圍[Nmink,Nmaxk]；(4)對(duì)于頻段k的頻率響應(yīng)記為F(Ωk)，其中k＝N，N-1,…1，計(jì)算由(k+1)段應(yīng)用VectorFitting法得到的具有NP階的擬合函數(shù)F*(k+1)在該段產(chǎn)生的誤差函數(shù)Ek＝F(Ωk)-F*(k+1)(Ωk)，k＝N時(shí)，F(xiàn)*(k+1)＝0，將Ek作為第k段的VF法的擬合對(duì)象，擬合結(jié)果記為E*k；同時(shí)在第k段上實(shí)現(xiàn)模型階數(shù)NPk和迭代次數(shù)NIk的自適應(yīng)；(5)k＝1時(shí)，終止計(jì)算，輸出NP階F*(1)為頻率響應(yīng)F(Ω)的最終擬合結(jié)果；(6)線路端暫態(tài)電壓行波U的頻域方程可由步驟(1)中的If和步驟(5)中的F*(1)得到，即：U＝F*(1)·If(7)將步驟(6)中的電壓行波U通過拉式逆變換實(shí)現(xiàn)頻-時(shí)域轉(zhuǎn)換，進(jìn)而獲取其時(shí)域表達(dá)式u(t)。優(yōu)選的，步驟(4)中，在第k段上實(shí)現(xiàn)模型階數(shù)NPk和迭代次數(shù)NIk的自適應(yīng)的具體步驟為：i)迭代次數(shù)NIk自適應(yīng)；采用矢量匹配法進(jìn)行迭代次數(shù)NIk自適應(yīng)，利用每次迭代后產(chǎn)生的均方差作為目標(biāo)函數(shù)T，由于該目標(biāo)函數(shù)越小越好，因此若當(dāng)前迭無法進(jìn)一步降低目標(biāo)函數(shù)值，則停止迭代，認(rèn)為迭代已經(jīng)收斂；否則，繼續(xù)迭代，同時(shí)若階數(shù)不夠?qū)е聼o法收斂，則設(shè)置最大迭代次數(shù)NImax，當(dāng)達(dá)到最大迭代次數(shù)還未收斂，則判斷目前的階數(shù)不夠，需要修改迭代階數(shù)；ii)階數(shù)NPk自適應(yīng)選擇；為防止階數(shù)過低計(jì)算不準(zhǔn)確，或階數(shù)過大增加不必要的計(jì)算量，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)精度誤差范圍[Tmin,Tmax]，選擇[Nmink,Ni,maxk]內(nèi)最接近中點(diǎn)的偶數(shù)作為當(dāng)前階數(shù)NPk，若當(dāng)前迭代目標(biāo)函數(shù)T落在[Tmin,Tmax]內(nèi)，則認(rèn)為精度達(dá)到要求，終止在該頻段的迭代計(jì)算；若T<Tmin，則說明階數(shù)太高，停止迭代并更新階數(shù)范圍最大值Nmaxk＝NPk，同時(shí)選擇[Nmink,Nmaxk]內(nèi)最接近中點(diǎn)的偶數(shù)作為當(dāng)前階數(shù)NPk，重新迭代；若T>Tmax，則包括兩種情況：①由于未收斂時(shí)計(jì)算精度不夠而導(dǎo)致；②由于階數(shù)不夠無法收斂而導(dǎo)致。優(yōu)選的，當(dāng)若T>Tmax時(shí)，判斷①和②兩種情況的方法為：若當(dāng)前迭代次數(shù)未達(dá)到最大值NImax，則不做更新操作，繼續(xù)迭代；否則判斷為階數(shù)不夠，停止迭代并更新階數(shù)范圍最小值Nmink＝NPk，同時(shí)選擇[Nmink,Nmaxk]的最接近中點(diǎn)的偶數(shù)作為當(dāng)前階數(shù)NPk，重新迭代。優(yōu)選的，若階數(shù)范圍區(qū)間[Nmink,Nmaxk]逐步縮小，可能由于初始范圍設(shè)置不當(dāng)而無法找到符合計(jì)算精度要求的解，則監(jiān)視區(qū)間長度Lpk＝Nmaxk-Nmink并設(shè)置該長度限制Ltot，一旦檢測Lpk≤Ltot，則在需要增加階數(shù)時(shí)，將階數(shù)范圍區(qū)間最大值Nmaxk擴(kuò)大一倍；反之將最小值Nmink縮小一倍。優(yōu)選的，在當(dāng)前k段上為誤差函數(shù)Ek找到滿意的Npk階的擬合結(jié)果E*k后，更新前k段對(duì)頻率響應(yīng)F(ΩN+ΩN-1+…+Ωk)的擬合結(jié)果F*(k)＝F*(k+1)+E*k，以及其階數(shù)NP＝NP+NPk。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：1、本發(fā)明與現(xiàn)有時(shí)域仿真方法相比，在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上，本發(fā)明無須計(jì)算直流系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，通過對(duì)直流系統(tǒng)直流線路故障的依頻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行等值、進(jìn)而通過拉式變換獲得時(shí)域暫態(tài)行波的計(jì)算方法，能夠獲取任意時(shí)間點(diǎn)的行波信號(hào)，并能大幅提高故障行波的計(jì)算效率。2、本發(fā)明為高壓/特高壓直流系統(tǒng)直流輸電線路故障分析與快速計(jì)算、保護(hù)評(píng)價(jià)等方面提供了科學(xué)的計(jì)算依據(jù)，在工程實(shí)踐中具有很強(qiáng)的實(shí)用性。附圖說明圖1是本實(shí)施例的流程圖；圖2是本實(shí)施例相-頻域系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；圖3是本實(shí)施例中情況1時(shí)的仿真波形圖；圖4是本實(shí)施例中情況2時(shí)的仿真波形圖；圖5是本實(shí)施例中情況3時(shí)的仿真波形圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例下面結(jié)合圖1具體說明本發(fā)明的實(shí)施方式，計(jì)及高壓/特高壓直流網(wǎng)絡(luò)依頻特性的直流線路故障電壓行波快速計(jì)算方法包括以下步驟：(1)根據(jù)直流系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼爸绷骶€路故障條件，獲取相-頻域故障點(diǎn)注入電流If及系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓方程；(2)由步驟(1)中的節(jié)點(diǎn)電壓方程，在用戶自定義的頻率范圍Ω內(nèi)，獲取直流線路端與故障點(diǎn)互阻抗的若干個(gè)采樣值，即頻域響應(yīng)F(Ω)；(3)將步驟(2)中得到的頻率響應(yīng)沿F(Ω)頻率軸劃分為N段，并給定每個(gè)頻段上的階數(shù)初始范圍[Nmink,Nmaxk]；(4)對(duì)于頻段k(k＝N，N-1,…1)的頻率響應(yīng)記為F(Ωk)，計(jì)算由(k+1)段應(yīng)用VF法得到的具有NP階的擬合函數(shù)F*(k+1)(k＝N時(shí)，F(xiàn)*(k+1)＝0)在該段產(chǎn)生的誤差函數(shù)Ek＝F(Ωk)-F*(k+1)(Ωk)，將Ek作為第k段的VF法的擬合對(duì)象，擬合結(jié)果記為E*k；同時(shí)在第k段上通過以下方法實(shí)現(xiàn)模型階數(shù)NPk和迭代次數(shù)NIk的自適應(yīng)：i)迭代次數(shù)NIk自適應(yīng)矢量匹配法是一種迭代最小二乘技術(shù)，利用每次迭代后產(chǎn)生的均方差作為目標(biāo)函數(shù)T。由于該目標(biāo)函數(shù)越小越好，因此若當(dāng)前迭無法進(jìn)一步降低目標(biāo)函數(shù)值，則停止迭代，認(rèn)為迭代已經(jīng)收斂；否則，繼續(xù)迭代。同時(shí)由于可能由于階數(shù)不夠?qū)е聼o法收斂，則要設(shè)置最大迭代次數(shù)NImax，一旦到達(dá)最大迭代次數(shù)還未收斂，則判斷目前的階數(shù)不夠，需要修改迭代階數(shù)。ii)階數(shù)NPk自適應(yīng)選擇為防止階數(shù)過低計(jì)算不準(zhǔn)確，或階數(shù)過大增加不必要的計(jì)算量，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)精度誤差范圍[Tmin,Tmax]。選擇[Nmink,Ni,maxk]內(nèi)最接近中點(diǎn)的偶數(shù)作為當(dāng)前階數(shù)NPk，若當(dāng)前迭代目標(biāo)函數(shù)T落在[Tmin,Tmax]內(nèi)，則認(rèn)為精度達(dá)到要求，終止在該頻段的迭代計(jì)算；若T<Tmin，則說明階數(shù)太高，停止迭代并更新階數(shù)范圍最大值Nmaxk＝Npk，同時(shí)選擇[Nmink,Nmaxk]內(nèi)最接近中點(diǎn)的偶數(shù)作為當(dāng)前階數(shù)NPk，重新迭代；若T>Tmax，則可能①由于未收斂時(shí)計(jì)算精度不夠而導(dǎo)致，也可能②由于階數(shù)不夠無法收斂而導(dǎo)致。判斷這兩種情況的方法為：若當(dāng)前迭代次數(shù)未達(dá)到最大值NImax，則不做更新操作，繼續(xù)迭代；否則判斷為階數(shù)不夠，停止迭代并更新階數(shù)范圍最小值Nmink＝Npk，同時(shí)選擇[Nmink,Nmaxk]的最接近中點(diǎn)的偶數(shù)作為當(dāng)前階數(shù)NPk，重新迭代。上述操作過程中，階數(shù)范圍區(qū)間[Nmink,Nmaxk]逐步縮小，可能由于初始范圍設(shè)置不當(dāng)而無法找到符合計(jì)算精度要求的解，因此可監(jiān)視區(qū)間長度Lpk＝Nmaxk-Nmink并設(shè)置該長度限制Ltot，一旦檢測Lpk≤Ltot，則在需要增加階數(shù)時(shí)，將階數(shù)范圍區(qū)間最大值Nmaxk擴(kuò)大一倍；反之將最小值Nmink縮小一倍。通過上述操作，則一定能在當(dāng)前k段上為誤差函數(shù)Ek找到滿意的Npk階的擬合結(jié)果E*k，進(jìn)而更新前k段對(duì)頻率響應(yīng)F(ΩN+ΩN-1+…+Ωk)的擬合結(jié)果F*(k)＝F*(k+1)+E*k，以及其階數(shù)NP＝NP+NPk；(5)k＝1時(shí)，終止計(jì)算，輸出NP階F*(1)為頻率響應(yīng)F(Ω)的最終擬合結(jié)果；(6)線路端暫態(tài)電壓行波U的頻域方程可由步驟⑴中的If和步驟(5)中的F*(1)得到，即：U＝F*(1)·If(7)將步驟(6)中的電壓行波U通過拉式逆變換的方法獲取其時(shí)域表達(dá)式u(t)。下面結(jié)合圖2具體說本發(fā)明的實(shí)施方式，以某高壓直流系統(tǒng)為例，相-頻域系統(tǒng)拓?fù)浼爸绷骶€路故障邊界如圖2所示。圖2中，ZR和ZI是換流器直流側(cè)等值阻抗，直流線路和接地極線路均要采用依頻模型，直流濾波器參數(shù)為已知。行波保護(hù)裝置位于直流線路端2和2’。為說明本發(fā)明在計(jì)算精度和運(yùn)算速度上的優(yōu)越性，以節(jié)點(diǎn)2處的電壓暫態(tài)行波為例，在采用Win7，IntelCorei5-2500，3.3GHz，3.17GRAM(Matlab2012b)的計(jì)算環(huán)境下，在實(shí)例中列舉三種不同故障條件予以說明(以下故障發(fā)生時(shí)刻為1s，仿真波形由PSCAD/EMTDC軟件獲取)。情況1：在直流線路近端50km處發(fā)生正極接地故障，采用本發(fā)明計(jì)算的行波波形與仿真波形對(duì)比圖如圖3所示(其中實(shí)線代表仿真波形，虛線代表計(jì)算波形)。情況2：在直流線路500km處發(fā)生負(fù)極接地故障，采用本發(fā)明計(jì)算的行波波形與仿真波形對(duì)比圖如圖4所示(其中實(shí)線代表仿真波形，虛線代表計(jì)算波形)；情況3：在直流線路末端1300km處發(fā)生雙極故障，采用本發(fā)明計(jì)算的行波波形與仿真波形對(duì)比圖如圖5所示(其中實(shí)線代表仿真波形，虛線代表計(jì)算波形)；圖3～5說明本發(fā)明的計(jì)算結(jié)果與詳細(xì)的電磁暫態(tài)仿真波形相吻合，保證了計(jì)算精度；同時(shí)，采用傳統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真方法，由于要計(jì)算系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)，每種故障約耗時(shí)210秒；而采用本發(fā)明獲取計(jì)算行波，每種故障約耗時(shí)2秒?？梢姳景l(fā)明計(jì)算方法可大大提高計(jì)算效率。理論和實(shí)際表明，本發(fā)明通過計(jì)及直流網(wǎng)絡(luò)依頻特性的網(wǎng)絡(luò)等值方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高壓直流線路故障電壓行波的快速計(jì)算，確保了計(jì)算暫態(tài)電壓行波的準(zhǔn)確性，同時(shí)大大提高了計(jì)算效率。本發(fā)明公開了用于高壓/特高壓直流系統(tǒng)直流線路故障電壓行波的快速計(jì)算方法，其特征在于本發(fā)明結(jié)合直流系統(tǒng)拓?fù)浼肮收蠗l件、計(jì)及線路、換流器阻抗等依頻元件，通過自適應(yīng)選擇迭代次數(shù)和模型階數(shù)、分段匹配頻率響應(yīng)實(shí)現(xiàn)依頻網(wǎng)絡(luò)等值，最后實(shí)現(xiàn)拉氏變換實(shí)現(xiàn)時(shí)域暫態(tài)電壓行波的解析表達(dá)，在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上，大大提高運(yùn)算速度。本發(fā)明為高壓直流系統(tǒng)直流輸電線路故障分析與快速計(jì)算、保護(hù)評(píng)價(jià)等方面提供了科學(xué)的計(jì)算依據(jù)，在工程實(shí)踐中具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。