一種用于電網電磁暫態計算的網絡邊界等值方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電力系統分析計算領域，具體地，涉及一種用于電網電磁暫態計算的 網絡邊界等值方法。
【背景技術】
[0002] 電磁暫態計算廣泛應用于電力系統的設計、運行和研究分析，是電力系統設備選 型、風險評估、決策制定和故障分析的重要技術手段。由于所使用的模型復雜、計算量大， 因此電磁暫態計算能夠仿真的電網規模較為有限，實際應用中必須對網絡邊界進行等值處 理。
[0003] 電網電磁暫態計算需要對數微秒至數秒間的電磁暫態過程進行模擬，因此在數赫 茲到數千赫茲頻帶內準確的模擬電網元件以及對外部網絡進行等值化簡，對于提高電磁暫 態計算的準確性極為重要。現有電磁暫態計算程序擁有較為完善和準確的電網元件模型， 但由于電網結構的復雜性，難以在等值過程中準確地保留外部電網的原始特性。
[0004] 目前工程實用的網絡邊界等值方法是對邊界節點逐一進行短路電流計算，再根據 外部電網向該節點提供的短路電流計算從該節點向外部網絡看的工頻等值阻抗。上述方法 存在以下缺陷：（1)無法準確描述外部網絡阻抗的頻譜特性。在外部網絡較弱或外部網絡 含有大容量無功補償裝置時，從邊界節點向外部網絡看的等值阻抗將呈現出明顯的非線性 頻譜特性。若忽略這些特性，將給電磁暫態計算結果帶來較大誤差；（2)無法正確描述各邊 界節點間的電氣聯系。當保留網絡處于原始網絡的內部而非邊緣時，各邊界節點間除了在 保留網絡內的電氣聯系外，在外部網絡內部亦存在電氣聯系，傳統方法割裂了邊界節點在 外部網絡中的電氣聯系；（3)對每個邊界節點單獨處理的方式，可能重復計入外部網絡提 供的短路電流，使計算出的工頻等值阻抗不準確。
[0005] 鑒于電磁暫態計算在電網設計、運行中的重要地位，研究適用于電網電磁暫態計 算的網絡邊界等值方法，對于提高電網電磁暫態計算的準確性具有重要價值。
【發明內容】
[0006] 本發明所要解決的技術問題是提供一種提高仿真計算準確度、用于電網電磁暫態 計算的網絡邊界等值方法。
[0007] 本發明使用的技術術語： 電磁暫態計算：用數值計算方法對從數微秒至數秒之間的電磁暫態過程進行仿真模 擬。
[0008] 網絡邊界等值：將網絡劃分為內部網絡、外部網絡和邊界節點三部分，保持內部網 絡不變，將外部網絡用包含邊界節點的簡化網絡替代的過程。
[0009] 諧波阻抗：支路或網絡的阻抗隨頻率變化的特性。
[0010] Ward等值：一種對線性有源網絡進行星一網變換以進行網絡化簡的方法。
[0011] 節點導納矩陣：一種由網絡節點電壓方程導出，用以描述網絡節點連接關系、支路 導納參數的對稱稀疏矩陣。
[0012] 本發明解決上述問題所采用的技術方案是： 一種用于電網電磁暫態計算的網絡邊界等值方法，包括以下步驟： S1、預設諧波阻抗觀測母線的步驟：諧波阻抗觀測母線包含以下三類：（1)內部子網的 樞紐站點高壓\中壓母線；（2)電磁暫態計算中待模擬操作的母線；（3)內部子網中關鍵發 電廠的高壓母線。
[0013] S2、預設等值邊界的步驟； 優選的，該步驟中，以包含所有諧波阻抗觀測母線的最小子網為核心內部子網，將核心 內部子網與外部網絡的邊界預設為初始等值邊界。
[0014] S3、獲取諧波導納矩陣基礎參數的步驟：依次讀取電網指定運行方式下的母線、線 路、變壓器、發電機、無功補償、負荷投入情況及對應的工頻參數，包括線路電阻況、電抗Λ、 電納戌、串聯補償不，變壓器電阻私、電抗X t、非標準變比4,發電機定子電阻兄、次暫態電 抗Xd' '、發電機額定容量X，負荷有功功率/1、無功功率Q，感性無功補償對地電抗Xr，容性 無功補償對地電抗X rc。
[0015] S4、基礎參數預處理的步驟：消去i[〈l. 0e_5p. u.的短接線支路和相關短接線母 線，對有功功率小于0的負荷將有功功率置0,去除所有發電機、負荷、線路、變壓器及無功 補償未使用的閑置母線，對所有節點間和節點對地的并聯支路進行合并，并更新線路、變壓 器、發電機、無功補償、負荷工頻參數。
[0016] S5、形成全網絡諧波導納矩陣的步驟：在尤_;至_:范圍內，按照設定步長 依次形成諧波導納矩陣，掃描頻率
，其 中，：
為諧波阻抗掃描起始頻率，
為諧波阻抗掃描結束頻率，為掃描頻率變 化的步長，按照設定
步長依次建立元件諧波計算模型，基于元件諧波計算模型，形成 全網絡的諧波導納矩陣簇； 優選的，各元件的諧波計算模型為： 對于發電機，串聯電阻為：
，串聯電抗為
，其中 S=IOOMVA為系統基準容量，為系統額定頻率； 對于無功補償，并聯電感支路感抗為：
，并聯電容支路容抗為
， 對于負荷，并聯電阻支路電阻為
，并聯電抗支路感抗 LlN 丄UOlbUUOS A I ^ J/IU JM
并聯電容支路容抗
對于輸電線路，i，i兩節點間串聯阻抗為
i、7側并聯導納為 對于變壓器，i，i兩節點間串聯阻抗為
，i側并聯導納為
，7側并聯導納為
，其中
基于上述元件諧波計算模型，形成全網絡的諧波導納矩陣簇。
[0017] 進一步的，其中，非對角元與i、j節點間支路導納為
，對角元等于該行所有非對角元的相反數與該節點對地導納之 和，即
[0018] S6、計算從觀測母線向全網絡看的諧波阻抗的步驟：針對每一個掃描頻率下的諧 波導納矩陣依次設置諧波阻抗觀測母線的注入電流Λ為1，利用三角分解法求解下列方程，
求得G即為該母線在該指定頻率下向系統看的阻抗，上式中，Λ為電網的母線數，/為 觀測母線在導納矩陣中的序列號。再依次求解其他諧波阻抗觀測母線的觀測阻抗，直到所 有指定的頻率都計算完畢為止。最終匯集所有觀測母線在所計算頻帶內的諧波阻抗值，獲 取待掃描母線集的諧波阻抗陣列，其結構如下：
其中，々為觀測母線個數，?為掃描頻率點數。
[0019] S7、對預設等值邊界進行Ward等值的步驟：將網絡中的節點集合劃分為內部系統 節點子集{I}、邊界節點子集{B}和外部網絡節點子集{E}，然后將整個網絡的工頻節點導 納矩陣按節點集合的劃分寫成分塊矩陣
消去外部系統的節點子集，獲取消去外部系統后在邊界節點附加的節點導納矩陣 ，
：，經等值處理后得到簡化系統。基于節點導納矩陣中的對應關 系，得到化簡后等值邊界附加支路的工頻參數。
[0020] S8、求解網絡化簡后從觀測母線向保留子網看的諧波阻抗的步驟：按照前述形成 網絡諧波導納矩陣的步驟，形成含保留子網和等值化簡網絡的諧波導納矩陣，再計算從觀 測母線向保留子網看的諧波阻抗，最終形成網絡等值化簡后待掃描母線集的諧波阻抗陣列 7
[0021] S9、比較等值前后掃描母線集諧波阻抗的步驟：將矩陣:P|和_中所有元素均轉 換成極坐標形式，獲得模矩陣
和相角矩陣:丨
，計算等值前后的差異矩陣
，再根據下式計算綜合差異指標y。
[0022] 優選的，差異指標
[0023] 確定最終等值方案的步驟：當綜合差異指標大于閾值，則返回修改預設等值邊 界，將等值邊界向外部網絡延拓一級，重復上述步驟，直到綜合差異指標滿足閾值要求，優 選的，所述的綜合差異指標閾值r_=〇. 〇5。
[0024] 利用本發明提出的方法，可以獲知每一母線向系統看的諧波阻抗，為諧波、故障分 析提供參考，在對網絡邊界進行等值的過程中不僅保留了外部網絡的諧波阻抗特性，也保 留了等值邊界各節點間的互阻抗聯系，從而使等值結果更多的留存了原始網絡的頻率阻抗 特性，提高了網絡等值和電磁暫態計算的準確性。
[0025] 為在網絡邊界等值過程中準確保留外部網絡的諧波阻抗特性和邊界節點間的電 氣聯系，該方法通過讀取電網的線路、變壓器、發電機、無功補償及負荷參數，形成指定運行 方式下網絡的諧波導納矩陣，基于等值前網絡諧波導納矩陣對內部網絡指定節點進行諧波 阻抗掃描，對預設邊界節點進行Ward等值獲取包含等值化簡網絡的保留子網，再基于保留 子網諧波導納矩陣對指定節點進行諧波阻抗掃描，分析比較等值前后指定節點的諧波阻 抗，當二者不滿足誤差條件時，返回修改預設邊界、擴大保留子網范圍，再對邊界進行Ward 等值和掃描保留子網指定節點諧波阻抗，直至等值前后指定節點諧波阻抗滿足誤差條件為 止。
[0026] 綜上，本發明的有益效果是： 電磁暫態計算在電力系統的設計、運行和分析研究等領域中具有舉足輕重的作用，是 電力系統設備選型、風險評估、決策制定和故障分析的重要技術手段。由于所使用的模型復 雜、計算量大，因此電磁暫態計算能夠仿真的電網規模較為有限，實際應用中必須對網絡邊 界進行等值處理。傳統的電磁暫態計算邊界等值方法是對等值邊界節點逐一進行短路電流 計算，再根據外部電網向該節點提供的短路電流計算從該節點向外部網絡看的工頻等值阻 抗，忽略了外部網絡阻抗的頻譜特性，也無法正確描述各邊界節點間的電氣聯系，從而對電 磁暫態計算的準確度造成影響。
[0027] 本發明基于等值前后的網絡諧波導納矩陣，對內部網絡指定母線進行諧波阻抗掃 描，可獲取指定母線向電網看的諧波阻抗特性，同時也使等值子網保留了原始網絡的阻抗 頻譜特性，解決了弱聯系電網的邊界等值問題。
[0028] 本發明對邊界節點進行Ward等值，獲取包含等值化簡網絡的保留子網，從而完整 的保留了等值邊界節點間的電氣聯系，解決了環網內部子網絡的邊界等值問題。
[0029] 本發明對等值前后內部網絡指定母線的諧波阻抗模值、相位進行比較，從而可以 不依賴于數值仿真結果來驗證等值的準確性。
[0030] 本發明提出的方法解決了在等值子網中保留原始網絡阻抗頻譜特性的問題和環 網內部子網的邊界等值問題，并且提供了一種不依賴于數值仿真結果來驗證等值準確性的 途徑。利用本發明提出的方法，可以快速得出網絡中任意母線向系統看的諧波阻抗值，可以 為電磁暫態計算提供保留原始網絡阻抗頻譜特性和邊界節點間完整電氣聯系的等值結果， 從而提高仿真計算的準確度。
【附圖說明】
[0031] 圖1是發電機支路的數學模型； 圖2是無功補償支路的數學模型； 圖3是負荷支路的數學模型； 圖4是輸電線路的數學模型； 圖5是變壓器的數學模型； 圖6是不同頻率下網絡的諧波導納矩陣簇； 圖7是Ward等值后的邊界節點及其支路連接關系； 圖8是實施例所使用的電網結構圖。
【具體實施方式】
[0032] 下面結合實施例及附圖，對本發明作進一步地的詳細