基于有限元理論的多直流落點條件下直流偏磁抑制方法
【專利摘要】一種基于有限元理論的多直流落點條件下直流偏磁抑制方法，屬直流電場領(lǐng)域。其用有限元分析的方法對直流電流場進行計算，通過計算指定土壤網(wǎng)格的徑向電阻，獲得其幅向電阻，得到指定方向上的電壓和電流分布趨勢，確定不同直流落點下的電流場，采用CDEGS軟件作為驗證手段；其所得到的對應(yīng)多個方向電流分布曲線，作為后續(xù)步驟中采用相對應(yīng)直流偏磁抑制方案的技術(shù)依據(jù)?？煞謩e形成針對不同輸電系統(tǒng)的偏磁電流計算子模型，拓展了直流偏磁研究和直流偏磁抑制方案的覆蓋范圍，并大大提高了仿真計算效率?？蓮V泛用于超特高壓直流輸電線路的設(shè)計、運行和管理領(lǐng)域。
【專利說明】基于有限元理論的多直流落點條件下直流偏磁抑制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于直流電場領(lǐng)域，尤其涉及一種用于確定直流電場中地上交流電力網(wǎng)絡(luò)中的電流分布和變化的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國電力系統(tǒng)不斷發(fā)展，超特高壓直流輸電線路逐漸成為跨地區(qū)電力輸送的
重要走廊。
[0003]直流輸電工程通常采用雙極系統(tǒng)接線方式，正常運行時，直流電流不流經(jīng)大地(或海水)。但在系統(tǒng)調(diào)試、檢修或故障時，轉(zhuǎn)為單極大地回線運行方式，大地(或海水)相當(dāng)于直流輸電線路的一根導(dǎo)線，其電流場會使地電位發(fā)生變化。對中心點接地的交流系統(tǒng)而言，處于不同直流電位的變電站經(jīng)輸電線路、變壓器繞組構(gòu)成直流回路，使變壓器產(chǎn)生直流偏磁現(xiàn)象，嚴(yán)重影響供電質(zhì)量和供電安全。
[0004]直流系統(tǒng)接地極主要有3個，在單極大地回線運行方式下，直流電流從接地極進入大地(或海水)，對電網(wǎng)運行產(chǎn)生影響，而且隨著電力網(wǎng)架不斷建設(shè)，這一影響將日趨嚴(yán)重。因此，多直流落點條件下直流偏磁抑制研究和技術(shù)優(yōu)化顯得十分重要。
[0005]關(guān)于直流偏磁的抑制技術(shù)研究目前已取得一些成果，例如，申請公布日為2011年4月27日，申請公布號為CN102035082A的中國發(fā)明專利申請中，公開了一種“直流接地系統(tǒng)及方法”，其將多個直流接地極之間通過聯(lián)絡(luò)線并聯(lián)，形成接地島，實現(xiàn)了針對整個電網(wǎng)有效的分散直流入地電流，從而減小直流對周邊變壓器的影響，以解決地中直流分量對整個交流電網(wǎng)的影響；該技術(shù)方案利用現(xiàn)有的高壓線路，實現(xiàn)起來簡單方便。但是其將直流接地系統(tǒng)簡化為多個電阻的簡單串、并聯(lián)，不能真正反映直流接地系統(tǒng)的實際情況。
[0006]又例如，華東電力試驗研究院顧承昱提出了并聯(lián)直流接地極法(參見《高壓電器》2012年04期P65?P74，“并聯(lián)直流接地極抑制上海區(qū)域直流偏磁的方法研究”，顧承昱、司文榮、鄭旭、趙文彬)，該方法以近年上海地區(qū)電網(wǎng)主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對直流接地極單獨運行、并聯(lián)運行進行了地表電位和變壓器中心點電流分析。其結(jié)果表明，在并聯(lián)運行方式中，各變電站的地表電位和直流電流都得到了有效控制，然而，文中提到的地表電位僅根據(jù)土壤分層模型計算得到，并未考慮地表電網(wǎng)結(jié)構(gòu)即變壓器的直流電阻和輸電線路的直流電阻對電位的影響。
[0007]為了彌補這一缺陷，需要計算整個上海地區(qū)在不同直流落點下的土壤電阻分布，從而搭建整個上海地區(qū)地下和地表的直流電阻網(wǎng)絡(luò)，進而得到更為合理的地表電位和電網(wǎng)直流電流。
[0008]土壤直流電阻計算涉及直流電流場計算，目前已有文獻多針對直流換流站接地極電流場開展研究，但均未涉及一個大地區(qū)的直流電流場計算。
[0009]計算上海地區(qū)直流電流場主要面臨以下三個問題。
[0010](I)計算模型巨大，涉及整個上海市7000多平方公里面積和周邊東海、杭州灣、長
江等；[0011](2)模型剖分細(xì)密，為了得到精細(xì)的電阻網(wǎng)絡(luò)，以提高結(jié)果準(zhǔn)確性和適用性，必須對模型進行細(xì)密剖分，這將進一步增大運算量；
[0012](3)由于運算量巨大，常規(guī)配置的計算機無法滿足要求，需要找到適合解決這一問題的運算平臺。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于有限元理論的多直流落點條件下直流偏磁抑制方法，其基于有限元理論對直流電流場進行計算，確定不同直流落點下的電流場，得到對應(yīng)的多個方向電流分布曲線，并據(jù)此來采取相對應(yīng)的直流偏磁抑制措施，進而使得變電站直流電流得到有效的均衡和抑制。
[0014]本發(fā)明的技術(shù)方案是:提供一種基于有限元理論的多直流落點條件下直流偏磁抑制方法，包括對指定區(qū)域的土壤電阻進行計算，根據(jù)計算結(jié)果采用相對應(yīng)的直流偏磁抑制方案，實現(xiàn)針對整個電網(wǎng)直流入地電流的有效分散，使得變電站直流電流得到有效的均衡和抑制，其特征是對所述指定區(qū)域土壤電阻的計算，包括下列步驟:
[0015]A、建立所指定區(qū)域的三維土壤電阻網(wǎng)絡(luò)實體模型；
[0016]B、對該直流落點/直流接地極的三維土壤電阻網(wǎng)絡(luò)實體模型進行網(wǎng)格化，對網(wǎng)格化后得到的各個模型單元進行賦值，所述的賦值包括對各個模型單元的單元定義及材料屬性添加；
[0017]C、對網(wǎng)格化后的三維土壤電阻網(wǎng)絡(luò)模型進行模型改進及剖分；
[0018]D、確定模型單元的載荷及邊界條件；
[0019]E、利用有限元分析的方法，采用共軛梯度法對模型進行求解；
[0020]F、進行計算結(jié)果的后處理，提取劃分結(jié)構(gòu)中某一土壤網(wǎng)格中所有剖分單元的電流密度Jk和電位Vk，并求取電流密度總和及平均電位；計算在不同直流落點/直流接地極注入電流時的土壤電位及電流分布；
[0021]G、應(yīng)用利用電力系統(tǒng)接地分析軟件計算的土壤電位分布結(jié)果，對所述的有限元分析計算結(jié)果進行比對/校核；
[0022]H、如果有限元分析計算得到的電位分布結(jié)果通過了電力系統(tǒng)接地分析軟件的校核，進行下一步驟，否則返回第C步驟，重新進行模型的改進及剖分；
[0023]J、根據(jù)所述F步驟所得到的土壤電位及電流分布情況，計算所述土壤電阻網(wǎng)絡(luò)的徑向電阻艮和幅向電阻Re，并計算出了每一網(wǎng)格的徑向電阻和幅向電壓，得到某個指定方向上的電壓和電流分布趨勢；
[0024]K、將地上運行電力網(wǎng)絡(luò)抽象成直流電阻網(wǎng)絡(luò)，并通過主變接地點與土壤電阻網(wǎng)絡(luò)耦合，形成直流偏磁仿真計算直流電阻網(wǎng)絡(luò)，作為后續(xù)步驟采用相對應(yīng)直流偏磁抑制方案的技術(shù)依據(jù)。
[0025]具體的，在所述A步驟中，所述的三維土壤電阻網(wǎng)絡(luò)實體模型分為上、下兩層，所述網(wǎng)絡(luò)實體模型的上層由土壤、長江、杭州灣、海洋和基巖五部分組成，模型尺寸為500 X 400 X 15m3,對應(yīng)實際尺寸為500 X 400 X 15km3 ;所述網(wǎng)絡(luò)實體模型的上層厚度為
0.35m，對應(yīng)實際尺寸為0.35km ;所述網(wǎng)絡(luò)實體模型的下層厚度為14.65m，對應(yīng)實際尺寸為14.65km,全部為基巖。[0026]在所述B步驟中，經(jīng)過網(wǎng)格化后的三維土壤電阻網(wǎng)絡(luò)模型為一個以指定的一個直流落點/直流接地極為圓心的、向四周輻射的、大網(wǎng)格形式的土壤電阻網(wǎng)絡(luò)；所述土壤電阻網(wǎng)絡(luò)的總輻射半徑為150km;將整個圓周12等分，輻射角度取30°，得到由多個內(nèi)徑為r1;外徑為r2，相對圓心的角度為Θ的扇形立體土壤網(wǎng)格；其所述外、內(nèi)徑的差值為75m;對所述的土壤電阻網(wǎng)絡(luò)在徑向上每隔75m提取一次電阻，所述的電阻包括徑向電阻和幅向電阻。
[0027]進一步的，在所述B步驟中，所述的模型單元為八節(jié)點熱/電六面體；在所述的材料屬性添加中，單元材料屬性選取為電阻率。
[0028]具體的，在所述的C步驟中，根據(jù)“電阻率相同的部分合并為一體”的原則，對模型進行了重新劃分，按照“使映射剖分的網(wǎng)格尺寸合理”的要求進行剖分，以保證改進后的模型中所有六面體均滿足映射剖分條件。
[0029]在所述的D步驟中，所述的載荷為電流載荷，電流大小為4000A ;對所述模型四周施加電壓為O的邊界條件。
[0030]在所述F步驟中，應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對指定區(qū)域的土壤網(wǎng)格進行有限元分析，并提取劃分結(jié)構(gòu)中某一土壤網(wǎng)格中所有剖分單元的電流密度Jk和電位\，并求取電
流密度總和
【權(quán)利要求】
1.一種基于有限元理論的多直流落點條件下直流偏磁抑制方法，包括對指定區(qū)域的土壤電阻進行計算，根據(jù)計算結(jié)果采用相對應(yīng)的直流偏磁抑制方案，實現(xiàn)針對整個電網(wǎng)直流入地電流的有效分散，使得變電站直流電流得到有效的均衡和抑制，其特征是對所述指定區(qū)域土壤電阻的計算，包括下列步驟: A、建立所指定區(qū)域的三維土壤電阻網(wǎng)絡(luò)實體模型； B、對該直流落點/直流接地極的三維土壤電阻網(wǎng)絡(luò)實體模型進行網(wǎng)格化，對網(wǎng)格化后得到的各個模型單元進行賦值，所述的賦值包括對各個模型單元的單元定義及材料屬性添加； C、對網(wǎng)格化后的三維土壤電阻網(wǎng)絡(luò)模型進行模型改進及剖分； D、確定模型單元的載荷及邊界條件； E、利用有限元分析的方法，采用共軛梯度法對模型進行求解； F、進行計算結(jié)果的后處理，提取劃分結(jié)構(gòu)中某一土壤網(wǎng)格中所有剖分單元的電流密度Jk和電位Vk，并求取電流密度總和及平均電位；計算在不同直流落點/直流接地極注入電流時的土壤電位及電流分布； G、應(yīng)用利用電力系統(tǒng)接地分析軟件計算的土壤電位分布結(jié)果，對所述的有限元分析計算結(jié)果進行比對/校核； H、如果有限元分析計算得到的電位分布結(jié)果通過了電力系統(tǒng)接地分析軟件的校核，進行下一步驟，否則返回第C步驟，重新進行模型的改進及剖分； J、根據(jù)所述F步驟所得到的土壤電位及電流分布情況，計算所述土壤電阻網(wǎng)絡(luò)的徑向電阻&和幅向電阻Re，并計算出了每一網(wǎng)格的徑向電阻和幅向電壓，得到某個指定方向上的電壓和電流分布趨勢； K、將地上運行電力網(wǎng)絡(luò)抽象成直流電阻網(wǎng)絡(luò)，并通過主變接地點與土壤電阻網(wǎng)絡(luò)耦合，形成直流偏磁仿真計算直流電阻網(wǎng)絡(luò)，作為后續(xù)步驟采用相對應(yīng)直流偏磁抑制方案的技術(shù)依據(jù)。
2.按照權(quán)利要求1所述的基于有限元理論的多直流落點條件下直流偏磁抑制方法，其特征是在所述A步驟中，所述的三維土壤電阻網(wǎng)絡(luò)實體模型分為上、下兩層，所述網(wǎng)絡(luò)實體模型的上層由土壤、長江、杭州灣、海洋和基巖五部分組成，模型尺寸為500X400X 15m3，對應(yīng)實際尺寸為500X400X 15km3 ;所述網(wǎng)絡(luò)實體模型的上層厚度為0.35m，對應(yīng)實際尺寸為0.35km ;所述網(wǎng)絡(luò)實體模型的下層厚度為14.65m,對應(yīng)實際尺寸為14.65km,全部為基巖。
3.按照權(quán)利要求1所述的基于有限元理論的多直流落點條件下直流偏磁抑制方法，其特征是在所述B步驟中，經(jīng)過網(wǎng)格化后的三維土壤電阻網(wǎng)絡(luò)模型為一個以指定的一個直流落點/直流接地極為圓心的、向四周輻射的、大網(wǎng)格形式的土壤電阻網(wǎng)絡(luò)；所述土壤電阻網(wǎng)絡(luò)的總輻射半徑為150km;將整個圓周12等分，輻射角度取30°，得到由多個內(nèi)徑為^，外徑為r2，相對圓心的角度為Θ的扇形立體土壤網(wǎng)格；其所述外、內(nèi)徑的差值為75m;對所述的土壤電阻網(wǎng)絡(luò)在徑向上每隔75m提取一次電阻，所述的電阻包括徑向電阻和幅向電阻。
4.按照權(quán)利要求1所述的基于有限元理論的多直流落點條件下直流偏磁抑制方法，其特征是在所述B步驟中，所述的模型單元為八節(jié)點熱/電六面體；在所述的材料屬性添加中，單元材料屬性選取為電阻率。
5.按照權(quán)利要求1所述的基于有限元理論的多直流落點條件下直流偏磁抑制方法，其特征是在所述的C步驟中，根據(jù)“電阻率相同的部分合并為一體”的原則，對模型進行了重新劃分，按照“使映射剖分的網(wǎng)格尺寸合理”的要求進行剖分，以保證改進后的模型中所有六面體均滿足映射剖分條件。
6.按照權(quán)利要求1所述的基于有限元理論的多直流落點條件下直流偏磁抑制方法，其特征是在所述的D步驟中，所述的載荷為電流載荷，電流大小為4000A ;對所述模型四周施加電壓為O的邊界條件。
7.按照權(quán)利要求1所述的基于有限元理論的多直流落點條件下直流偏磁抑制方法，其特征是在所述F步驟中，應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對指定區(qū)域的土壤網(wǎng)格進行有限元分析，并提取劃分結(jié)構(gòu)中某一土壤網(wǎng)格中所有剖分單元的電流密度Jk和電位Vk，并求取電流密度總和
8.按照權(quán)利要求1所述的基于有限元理論的多直流落點條件下直流偏磁抑制方法，其特征是在所述G步驟中，所述的電力系統(tǒng)接地分析軟件為CDEGS仿真計算軟件，所述的CDEGS仿真計算軟件僅針對土壤電位分布參數(shù)，對所述的有限元分析計算結(jié)果和采用進行CDEGS仿真計算軟件得到的土壤電位分布計算結(jié)果進行比對/校核；當(dāng)兩者的計算結(jié)果偏差在10%以內(nèi)時，認(rèn)為符合工程要求，予以認(rèn)可和通過。
9.按照權(quán)利要求1所述的基于有限元理論的多直流落點條件下直流偏磁抑制方法，其特征是在所述的J步驟中，根據(jù)所得到的土壤電位及電流分布情況，根據(jù)電流密度和電流值的關(guān)系可求取通過某一土壤網(wǎng)格的電流值Ii:
10.按照權(quán)利要求1所述的基于有限元理論的多直流落點條件下直流偏磁抑制方法，其特征是在所述的J步驟中，在獲得某個指定土壤網(wǎng)格的徑向電阻Rh后，該指定土壤網(wǎng)格的幅向電阻R0 i，通過下式確定:
11.按照權(quán)利要求1所述的基于有限元理論的多直流落點條件下直流偏磁抑制方法，其特征是在所述的H步驟中，根據(jù)現(xiàn)有電力網(wǎng)絡(luò)的運行方式和設(shè)備參數(shù)，提取電力網(wǎng)絡(luò)的直流電阻網(wǎng)絡(luò)，并通過每個變電站的地理坐標(biāo)，通過主變接地點，與土壤電阻網(wǎng)絡(luò)進行耦合，形成完整的直流偏磁仿真計算電阻網(wǎng)絡(luò)模型。
【文檔編號】G06F17/50GK103593523SQ201310559672
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月12日
【發(fā)明者】趙丹丹, 傅晨釗, 蘇磊 申請人:國網(wǎng)上海市電力公司, 華東電力試驗研究院有限公司