基于pscad的電容式電壓互感器運行故障模擬方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于PSCAD的電容式電壓互感器運行故障模擬方法，包括，整理現場實際運行的500kV電容式電壓互感器的設備參數；構建CVT等值電路的系統模型，并為系統模型設置設備參數，同時給CVT等值電路的系統模型配置二次電壓監視器；建立可調交流電源模塊、可調電容元件模塊、模塊控制器；CVT內部電容元件擊穿故障仿真模擬；在CVT內部電容元件擊穿故障仿真模擬的運行前后，得出CVT內部電容元件擊穿故障與二次電壓變化的關聯性。本發明靈活高效、簡潔易行、精確細致，且無安全風險和試驗成本，可模擬多種CVT運行故障，為CVT狀態監測及故障診斷研究提供依據，具有良好的應用前景。
【專利說明】
基于PSCAD的電容式電壓互感器運行故障模擬方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種基于PSCAD的電容式電壓互感器運行故障模擬方法，屬于高壓電 力設備運行故障模擬技術領域。
【背景技術】
[0002] 作為電力系統中重要的測量、保護、通信設備，電容式電壓互感器(CVT)的穩定運 行對電網安全至關重要。但是，CVT的電容單元故障時常發生，具體表現在運行過程中電容 元件因受潮、老化，而導致擊穿、爆炸等現象，因此，通過模擬CVT的電容元件擊穿故障用以 研究CVT狀態監測及故障診斷方法具有重要意義。
[0003] 目前，利用仿真軟件對CVT進行故障模擬的方法尚未見報道，有研究者通過實體的 CVT來模擬其電容元件擊穿故障，實體故障模擬試驗是基于現場的電容式電壓互感器，從其 電容單元C1的各個電容元件的兩端設置接線端子，根據故障模擬狀態中電容單元C1短路的 電容元件，將其對應的接線端子分別進行短接，進而實現CVT的電容單元內電容元件擊穿故 障的模擬試驗，該方法直觀、有效，但是仍存在以下不足:整套模擬系統需要購置較多的硬 件設備，試驗成本較高，實施難度較大;模擬試驗需要在CVT-次側加載參考電壓，并檢測二 次側的輸出電壓，試驗涉及多次加壓，具有一定的安全隱患，試驗過程需要重復改接線，試 驗結果也易受人為、環境、電網等因素的影響，導致試驗缺乏靈活性和準確度。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是為了克服現有的CVT實體故障模擬試驗，試驗成本較高，實施難度 較大，具有一定的安全隱患，需要重復改接線，缺乏靈活性和準確度的問題。本發明提供的 基于PSCAD的電容式電壓互感器運行故障模擬方法，靈活高效、簡潔易行、精確細致，且無安 全風險和試驗成本，可模擬多種CVT運行故障，為CVT狀態監測及故障診斷研究提供依據，具 有良好的應用前景。
[0005] 為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案是：
[0006] -種基于PSCAD的電容式電壓互感器運行故障模擬方法，其特征在于:包括以下步 驟，
[0007] 步驟(1)，整理現場實際運行的500kV電容式電壓互感器的設備參數；
[0008] 步驟(2)，根據電容式電壓互感器的電氣原理圖，利用戴維南定理，在PSCAD仿真軟 件中構建CVT等值電路的系統模型，并為系統模型設置步驟(1)中的設備參數，同時給CVT等 值電路的系統模型配置二次電壓監視器；
[0009] 步驟(3)，建立可調交流電源模塊
[0010] 在PSCAD仿真軟件中新建一個元件模塊，對此模塊進行可調功能編譯，在PSCAD仿 真軟件的系統庫函數中選擇相應函數模塊，按照CVT等值電路的系統模型中的等效電壓源 的要求，建立數值可變的可調交流電源模塊，并設置其的輸出端口，命名為Ue;
[0011] 步驟(4 )，建立可調電容元件模塊
[0012] 在PSCAD仿真軟件中新建第二個元件模塊，根據CVT的電容元件擊穿故障的特征， 對此模塊進行數值可調功能的編譯，在PSCAD仿真軟件的系統庫函數中選擇相應函數模塊， 建立數值可變的可調電容元件模塊，并設置其的輸出端口，命名為Ce;
[0013] 步驟(5)，建立模塊控制器
[0014] 在PSCAD仿真軟件中新建一個模塊控制器，通過操作模塊控制器的按鈕，分別調節 可調交流電源模塊、可調電容元件模塊的輸出數值；
[0015] 步驟(6)，將建立的可調交流電源模塊、可調電容元件模塊、模塊控制器接入到步 驟(2)中的CVT等值電路的系統模型中，并在PSCAD仿真軟件運行環境中運行該系統模型，通 過模塊控制器調節可調交流電源模塊提供CVT等值電路的系統模型所需的等效電壓源，并 調節可調電容元件模塊輸出電容量值的大小，完成CVT內部電容元件擊穿故障仿真模擬；
[0016] 步驟(7)，在CVT內部電容元件擊穿故障仿真模擬的運行前后，觀察其的二次側電 壓的變化情況，得出CVT內部電容元件擊穿故障與二次電壓變化的關聯性，為CVT的故障診 斷及狀態監測研究提供依據。
[0017] 前述的基于PSCAD的電容式電壓互感器運行故障模擬方法，其特征在于：步驟（1) 所述設備參數包括電容單元參數、電磁單元參數、阻尼器參數、負載參數。
[0018] 本發明的有益效果是:本發明的基于PSCAD的電容式電壓互感器運行故障模擬方 法，具有以下優勢，
[0019] (1)利用PSCAD仿真軟件中模擬CVT運行工況，其建模方法清晰、直觀，設計界面簡 潔、明了，省去了各種硬件成本，避免了高壓安全風險；
[0020] (2)僅需通過調整可調電容元件模塊內部的函數構造，即可實現模擬CVT內部電容 元件(包括電磁單元各部件)受潮、老化、擊穿等各種運行故障，操作靈活、方便；
[0021] (3)不受外界人為、環境、電網等因素的影響，提高了試驗結果的穩定性和準確性； 同時，各種試驗數據(包括各支路電流、各節點電壓等)均可直接導出，便于進一步處理、分 析和研究，安全可靠，仿真成本低，省時省力，具有良好的應用前景。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發明的基于PSCAD的電容式電壓互感器運行故障模擬方法的流程圖。
[0023] 圖2是本發明的實施例構建的CVT等值電路系統模型的電路圖。
[0024] 圖3是本發明的實施例建立的可調交流電源模塊的系統框圖。
[0025] 圖4是本發明的實施例建立的可調電容元件模塊的系統框圖。
[0026] 圖5是本發明的實施例建立的模塊控制器的系統框圖。
[0027]圖6是本發明的實施例CVT二次電壓的時域譜圖。
[0028] 圖7是本發明的實施例中CVT二次電壓的有效值時域譜圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面將結合說明書附圖，對本發明做進一步說明。以下實施例僅用于更加清楚地 說明本發明的技術方案，而不能以此來限制本發明的保護范圍。
[0030] 如圖1所示，本發明的基于PSCAD的電容式電壓互感器運行故障模擬方法，包括以 下步驟，
[0031] 步驟（1)，整理現場實際運行的500kV電容式電壓互感器的設備參數，設備參數包 括電容單元參數、電磁單元參數、阻尼器參數、負載參數；
[0032]步驟(2)，根據電容式電壓互感器的電氣原理圖，利用戴維南定理，在PSCAD仿真軟 件中構建CVT等值電路的系統模型，并為系統模型設置步驟(1)中的設備參數，同時給CVT等 值電路的系統模型配置二次電壓監視器；
[0033] 步驟(3)，建立可調交流電源模塊
[0034] 在PSCAD仿真軟件中新建一個元件模塊，對此模塊進行可調功能編譯，在PSCAD仿 真軟件的系統庫函數中選擇相應函數模塊，按照CVT等值電路的系統模型中的等效電壓源 的要求，建立數值可變的可調交流電源模塊，并設置其的輸出端口，命名為Ue;
[0035] 步驟(4)，建立可調電容元件模塊
[0036] 在PSCAD仿真軟件中新建第二個元件模塊，根據CVT的電容元件擊穿故障的特征， 對此模塊進行數值可調功能的編譯，在PSCAD仿真軟件的系統庫函數中選擇相應函數模塊， 建立數值可變的可調電容元件模塊，并設置其的輸出端口，命名為Ce;
[0037] 步驟(5)，建立模塊控制器
[0038] 在PSCAD仿真軟件中新建一個模塊控制器，通過操作模塊控制器的按鈕，分別調節 可調交流電源模塊、可調電容元件模塊的輸出數值；
[0039] 步驟(6)，將建立的可調交流電源模塊、可調電容元件模塊、模塊控制器接入到步 驟(2)中的CVT等值電路的系統模型中，并在PSCAD仿真軟件運行環境中運行該系統模型，通 過模塊控制器調節可調交流電源模塊提供CVT等值電路的系統模型所需的等效電壓源，并 調節可調電容元件模塊輸出電容量值的大小，完成CVT內部電容元件擊穿故障仿真模擬；
[0040] 步驟(7)，在CVT內部電容元件擊穿故障仿真模擬的運行前后，觀察其的二次側電 壓的變化情況，得出CVT內部電容元件擊穿故障與二次電壓變化的關聯性，為CVT的故障診 斷及狀態監測研究提供依據。
[0041] 下面根據本發明的基于PSCAD的電容式電壓互感器運行故障模擬方法，介紹一具 體實施例，
[0042] 步驟（1)，整理現場實際500kV電容式電壓互感器的設備參數，包括電容單元參數、 電磁單元參數、阻尼器參數、負載參數，本實施例涉及的CVT具體參數值見表1，
[0043] 表1某500kV現場CVT設備參數值
[0046]步驟(2)，利用戴維南定理將CVT電氣原理圖等效轉換為等值電路圖，并在PSCAD仿 真軟件中構建CVT等值電路的系統模型，并按表1配置相應參數，同時建立一個集成輸出模 塊，以便于可調電源及可調電容模塊的存放、修改和調用，CVT等值電路的系統模型，如圖2 所示，其中，Ce為高壓電容Cl和中壓電容C2的并聯;Rk和Lk分別為補償電抗器及中間變壓器 的電阻和電感;Rm和Lm分別為中間變壓器勵磁支路電阻和電感;Z2為折算到一次側的負載 阻抗;Rf、Cf、Lf為阻尼器的電阻、電容和電感;Im、If和12分別為流過勵磁支路、阻尼器和負 載的電流;U1為電網運行電壓;U2為折算后的二次輸出電壓;Uc為等效電壓源電壓。根據戴 維南定理，可得：
[0048]步驟(3)，建立可調交流電源模塊，如圖3所示，在PSCAD仿真軟件中新建一個元件 模塊，然后對此模塊進行數值可調的功能編譯，在PSCAD系統庫函數中選擇相應函數進行模 塊構建，按照上述的的等效電壓源的要求，建立數值可變的可調交流電壓源模塊，取電網相 電壓288.68kV，設置輸出端口，命名為Ue_out。
[0049]步驟(4 )，建立可調電容元件模塊，如圖4所示，在PSCAD中新建一個元件模塊，根據 CVT電容元件擊穿故障的特征，對此模塊進行數值可調功能的編譯，在PSCAD系統庫函數中 選擇相應函數模塊，建立數值可變的電容元件模塊，并設置輸出端口，命名為Ce_out，本發 明以CVT主電路C2單元中的電容元件擊穿故障為例，進行對應的故障模擬，C2電容單元由25 個電容元件串聯組成，每發生一個電容元件擊穿后，C2值相應地減小，其數學函數可表示 為：
[0051]其中，Cn為單個電容元件的電容量;X為C2單元電容元件的擊穿個數；
[0052]步驟(5 )，建立模塊控制器，如圖5所示，在PSCAD仿真軟件中新建一個模塊控制器， 通過操作模塊控制器的按鈕調節上述兩個可調模塊的輸出數值；
[0053]步驟(6)，為PSCAD仿真軟件的界面清晰、直觀，將步驟(3)、（4)、（5)中涉及的模塊 和控制器封裝在步驟（1)所述的集成輸出模塊中，通過PSCAD仿真軟件的系統節點同名匹 配，將上述兩個可調模塊接入步驟(2)所述的等值電路系統模型中，并為等值電路系統模型 配置電壓監視器，在PSCAD仿真軟件的環境中運行該模型，通過控制器調節電容元件模塊輸 出電容量值的大小，完成CVT電容元件擊穿故障仿真模擬；
[0054]步驟(7 )，觀察二次側電壓的變化情況，本實施例設置在1秒、3秒時刻，電容元件發 生擊穿故障，如圖6及圖7所示，分別是二次電壓波形圖及二次電壓有效值波形圖，通過圖形 可以找出電容元件擊穿故障與二次電壓變化的關聯性，即二次低壓電容單元電容元件擊穿 將導致二次電壓降低，與理論分析一致，驗證該模擬方法的正確性，為進一步深入研究CVT 故障診斷及狀態監測方法提供依據。
[0055]本發明基于PSCAD的電容式電壓互感器運行故障模擬方法，還能夠對CVT的中間變 壓器故障及CVT內部保護避雷器故障進行模擬，可通過創建一個可調電阻元件模塊來實現， 將可調電阻元件模塊并聯到CVT等值電路的系統模型的勵磁阻抗兩端以及補償電抗器元件 兩端，并對該可調電阻元件模塊進行具有特定數學功能的函數編譯，使其輸出值按故障要 求變化，分別實現CVT中間變壓器繞組絕緣損傷故障和CVT保護避雷器內部受潮故障進行仿 真模擬。此外，通過在CVT內部阻尼單元的電容元件上并聯一個開關器件，設置模塊控制器 控制開關的分合，可達到模擬阻尼單元電容元件擊穿的故障。由于CVT內部電容元件擊穿故 障是最常發生的故障模式，因此，CVT內部電容元件擊穿故障模擬方法為最重要的應用。
[0056] 綜上所述，本發明的基于PSCAD的電容式電壓互感器運行故障模擬方法，具有以下 優勢，
[0057] (1)利用PSCAD仿真軟件中模擬CVT運行工況，其建模方法清晰、直觀，設計界面簡 潔、明了，省去了各種硬件成本，避免了高壓安全風險；
[0058] (2)僅需通過調整可調電容元件模塊內部的函數構造，即可實現模擬CVT內部電容 元件(包括電磁單元各部件)受潮、老化、擊穿等各種運行故障，操作靈活、方便；
[0059] (3)不受外界人為、環境、電網等因素的影響，提高了試驗結果的穩定性和準確性； 同時，各種試驗數據(包括各支路電流、各節點電壓等)均可直接導出，便于進一步處理、分 析和研究，安全可靠，仿真成本低，省時省力，具有良好的應用前景。
[0060] 以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征及優點。本行業的技術人員應該 了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原 理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進 都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界 定。
【主權項】
1. 基于PSCAD的電容式電壓互感器運行故障模擬方法，其特征在于:包括以下步驟， 步驟（1)，整理現場實際運行的500kV電容式電壓互感器的設備參數； 步驟(2)，根據電容式電壓互感器的電氣原理圖，利用戴維南定理，在PSCAD仿真軟件中 構建CVT等值電路的系統模型，并為系統模型設置步驟(1)中的設備參數，同時給CVT等值電 路的系統模型配置二次電壓監視器； 步驟(3)，建立可調交流電源模塊 在PSCAD仿真軟件中新建一個元件模塊，對此模塊進行可調功能編譯，在PSCAD仿真軟 件的系統庫函數中選擇相應函數模塊，按照CVT等值電路的系統模型中的等效電壓源要求， 建立數值可變的可調交流電源模塊，并設置其輸出端口，命名為Ue; 步驟(4)，建立可調電容元件模塊 在PSCAD仿真軟件中新建第二個元件模塊，根據CVT的電容元件擊穿故障的特征，對此 模塊進行數值可調功能的編譯，在PSCAD仿真軟件的系統庫函數中選擇相應函數模塊，建立 數值可變的可調電容元件模塊，并設置其的輸出端口，命名為Ce; 步驟(5)，建立模塊控制器 在PSCAD仿真軟件中新建一個模塊控制器，通過操作模塊控制器的按鈕，分別調節可調 交流電源模塊、可調電容元件模塊的輸出數值； 步驟(6)，將建立的可調交流電源模塊、可調電容元件模塊、模塊控制器接入到步驟(2) 中的CVT等值電路的系統模型中，并在PSCAD仿真軟件運行環境中運行該系統模型，通過模 塊控制器調節可調交流電源模塊提供CVT等值電路的系統模型所需的等效電壓源，并調節 可調電容元件模塊輸出電容量值的大小，完成CVT內部電容元件擊穿故障仿真模擬； 步驟(7)，在CVT內部電容元件擊穿故障仿真模擬的運行前后，觀察其二次側電壓的變 化情況，得出CVT內部電容元件擊穿故障與二次電壓變化的關聯性，為CVT的故障診斷及狀 態監測研究提供依據。2. 根據權利要求1所述的基于PSCAD的電容式電壓互感器運行故障模擬方法，其特征在 于:步驟(1)所述設備參數包括電容單元參數、電磁單元參數、阻尼器參數、負載參數。
【文檔編號】G06F17/50GK106096076SQ201610357331
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月26日
【發明人】陳濤濤, 田世傲, 陸金, 許小飛, 華曉珠, 李占朝, 邵斌斌, 陳志群
【申請人】國網江蘇省電力公司檢修分公司, 國網江蘇省電力公司, 國家電網公司