一种抽能电抗器动态模拟试验系统及方法

技术领域

本发明涉及电力系统物理仿真模拟技术领域，更具体地，涉及一种抽能电抗器动态模拟试验系统及方法。

背景技术

抽能电抗器主要作用与普通并联电抗器相同，可以为超高压远距离输电提供无功补偿，同时抽能型电抗器可以利用抽能绕组直接从电抗器抽出部分能量，作为开关站的站用变，为边远地区、无电力供应的开关站提供便捷、稳定的电源。抽能型电抗器具有电抗器和变压器的双重特性，但由于其结构不同于电抗器和变压器，应用场合较特殊，应用数量也较少，在其应用特性、故障机理及模拟测试方面的研究相对缺乏，迫切需要对抽能电抗器自身特性及保护适应性开展研究。

发明内容

本发明技术方案提供一种抽能电抗器动态模拟试验系统及方法，以解决如何对抽能电抗器进行动态测试的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种抽能电抗器动态模拟试验系统，所述系统包括：

等值发电机组物理模拟单元、负荷物理模拟单元、无穷大系统物理模拟单元、输电线路物理模拟单元、多个电压/电流互感器物理模拟单元、多个开关物理模拟单元、抽能电抗器物理模拟单元、故障物理模拟单元、录波器单元和控制台；

所述等值发电机组物理模拟单元通过第一开关物理模拟单元与所述系统的第一母线相连接；

所述无穷大系统物理模拟单元通过第二开关物理模拟单元与所述系统的第二母线相连接；

所述输电线路物理模拟单元依次经由第一电压/电流互感器物理模拟单元和第三开关物理模拟单元与所述系统的第一母线相连接；

所述输电线路物理模拟单元依次经由第二电压/电流互感器物理模拟单元和第四开关物理模拟单元与所述系统的第二母线相连接；

所述抽能电抗器物理模拟单元的电抗器侧经由所述第一电压/电流互感器物理模拟单元与所述输电线路物理模拟单元相连接；所述抽能电抗器物理模拟单元的抽能侧依次经由第三电压/电流互感器物理模拟单元、第五开关物理模拟单元、第四电压/电流互感器物理模拟单元与所述负荷物理模拟单元相连接；

所述抽能电抗器物理模拟单元与所述故障物理模拟单元相连接；

所述抽能电抗器物理模拟单元的电抗器侧所连接的第一电压/电流互感器物理模拟单元以及抽能侧所连接的第三电压/电流互感器物理模拟单元均可输出电压/电流模拟信号至录波器单元；

所述控制台读取所述录波器单元中的录波文件，并对所述录波文件进行波形和故障分析。

优选地，所述等值发电机组物理模拟单元包括：水轮机模拟控制器或汽轮机模拟控制器、原动机、升压变压器、并网开关、电流互感器、电压互感器和励磁装置，所述汽轮机模拟控制器为隐极机；所述水轮机模拟控制器为凸极机。

优选地，所述负荷物理模拟单元包括：电容模拟单元和电抗模拟单元。

优选地，还包括：所述抽能电抗器物理模拟单元的电抗器侧绕组和抽能侧绕组均为多抽头设计，在不同绕组抽头之间接入故障物理模拟单元。

优选地，电压/电流互感器物理模拟单元中的电压互感器物理模拟单元均与电流互感器物理模拟单元并联相连接。

基于本发明的另一方面，本发明提供一种基于权利要求1所述的系统进行试验的方法，所述方法包括：

确定接入系统的电压等级和等值容量，以及输电线路物理模拟单元中输电线路的长度；

基于所述电压等级和所这等值容量，计算系统的模拟比，确定抽能电抗器物理模拟单元的原型容量；

在所述抽能电抗器物理模拟单元的抽能侧接入不同负载，对所述抽能电抗器物理模拟单元的不同负荷水平进行模拟；

通过控制台读取所述录波器单元中的记录的不同负荷水平的第一电气量波形文件，基于所述第一电气量波形文件进行抽能电抗器物理模拟单元的稳定性分析；

通过控制台向所述故障物理模拟单元发送故障模拟信号，模拟所述抽能电抗器物理模拟单元不同位置或不同类型的故障工况；

通过控制台读取所述录波器单元中的记录的不同故障工况的第二电气量波形文件，基于所述第二电气量波形文件进行抽能电抗器物理模拟单元的暂态特性测试分析。

本发明技术方案提供了一种抽能电抗器动态模拟试验系统及方法，其中系统包括：等值发电机组物理模拟单元、负荷物理模拟单元、无穷大系统物理模拟单元、输电线路物理模拟单元、多个电压/电流互感器物理模拟单元、多个开关物理模拟单元、抽能电抗器物理模拟单元、故障物理模拟单元、录波器单元和控制台；等值发电机组物理模拟单元通过第一开关物理模拟单元与系统的第一母线相连接；无穷大系统物理模拟单元通过第二开关物理模拟单元与系统的第二母线相连接；输电线路物理模拟单元依次经由第一电压/电流互感器物理模拟单元和第三开关物理模拟单元与系统的第一母线相连接；输电线路物理模拟单元依次经由第二电压/电流互感器物理模拟单元和第四开关物理模拟单元与系统的第二母线相连接；抽能电抗器物理模拟单元的电抗器侧经由第一电压/电流互感器物理模拟单元与输电线路物理模拟单元相连接；抽能电抗器物理模拟单元的抽能侧依次经由第三电压/电流互感器物理模拟单元、第五开关物理模拟单元、第四电压/电流互感器物理模拟单元与负荷物理模拟单元相连接；抽能电抗器物理模拟单元与故障物理模拟单元相连接；抽能电抗器物理模拟单元的电抗器侧所连接的第一电压/电流互感器物理模拟单元以及抽能侧所连接的第三电压/电流互感器物理模拟单元均可输出电压/电流模拟信号至录波器单元；控制台读取录波器单元中的录波文件，并对录波文件进行波形和故障分析。本发明技术方案提供了一种抽能电抗器动态模拟试验系统及方法，通过模拟抽能电抗器各种正常和故障运行工况，分析运行特性及故障机理，对抽能电抗器保护适应性进行验证。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本发明优选实施方式的一种抽能电抗器动态模拟试验系统结构图；

图2为根据本发明优选实施方式的抽能电抗器动态模拟试验系统结构图；

图3为根据本发明优选实施方式的绕组联结示意图；以及

图4为根据本发明优选实施方式的一种抽能电抗器动态模拟试验方法流程图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为根据本发明优选实施方式的一种抽能电抗器动态模拟试验系统结构图。由于目前对抽能电抗器的实际故障机理以及运行特性的了解相对匮乏，本发明提供了一种抽能电抗器动态模拟试验系统及方法，动态模拟试验作为对电力系统新型控制保护设备进行试验验证的必备手段，可对抽能电抗器进行有效模拟。通过在实验室建立抽能电抗器动态模拟试验系统，设计科学的抽能电抗器动态模拟试验方法，通过物理仿真的方法来模拟抽能电抗器在工程实际的应用，完成针对各种正常和故障运行工况，模拟实际现场中抽能电抗器的暂稳态特性，深入掌握其运行特性及故障机理，同时可为抽能电抗器保护适应性验证测试提供试验环境，对于抽能电抗器自身特性研究及保护适应性验证具有十分重要的意义。

如图1所示，本发明提供一种抽能电抗器动态模拟试验系统，系统包括：

等值发电机组物理模拟单元、负荷物理模拟单元、无穷大系统物理模拟单元、输电线路物理模拟单元、多个电压/电流互感器物理模拟单元、多个开关物理模拟单元、抽能电抗器物理模拟单元、故障物理模拟单元、录波器单元和控制台。

等值发电机组物理模拟单元通过第一开关物理模拟单元与系统的第一母线相连接；

优选地，等值发电机组物理模拟单元包括：水轮机模拟控制器或汽轮机模拟控制器、原动机、升压变压器、并网开关、电流互感器、电压互感器和励磁装置，汽轮机模拟控制器为隐极机；水轮机模拟控制器为凸极机。

无穷大系统物理模拟单元通过第二开关物理模拟单元与系统的第二母线相连接；

输电线路物理模拟单元依次经由第一电压/电流互感器物理模拟单元和第三开关物理模拟单元与系统的第一母线相连接；

输电线路物理模拟单元依次经由第二电压/电流互感器物理模拟单元和第四开关物理模拟单元与系统的第二母线相连接；

本发明的无穷大系统物理模拟单元和等值发电机组物理模拟单元分别通过开关单元接入模拟系统两侧母线Ⅰ和母线Ⅱ；发电机模拟单元包括水轮机模拟控制器/汽轮机模拟控制器、原动机、升压变压器、并网开关、电流互感器、电压互感器和励磁装置；汽轮发电机是隐极机，水轮发电机是凸极机。母线I和母线II通过电压/电流互感器物理模拟单元、开关物理模拟单元和输电线路物理模拟单元相连。

抽能电抗器物理模拟单元的电抗器侧经由第一电压/电流互感器物理模拟单元与输电线路物理模拟单元相连接；抽能电抗器物理模拟单元的抽能侧依次经由第三电压/电流互感器物理模拟单元、第五开关物理模拟单元、第四电压/电流互感器物理模拟单元与负荷物理模拟单元相连接；

优选地，负荷物理模拟单元包括：电容模拟单元和电抗模拟单元。

本发明的抽能电抗器物理模拟单元的电抗器侧通过电压/电流互感器物理模拟单元以星型接线形式与输电线路物理模拟单元的一端相连接；抽能电抗器物理模拟单元的抽能侧以角型接线与负荷物理模拟单元相连接；负荷物理模拟单元包括电容模拟单元和电抗模拟单元。

抽能电抗器物理模拟单元与故障物理模拟单元相连接；优选地，还包括：抽能电抗器物理模拟单元的电抗器侧绕组和抽能侧绕组均为多抽头设计，在不同绕组抽头之间接入故障物理模拟单元。

本发明的抽能电抗器物理模拟单元的主电抗绕组侧和抽能绕组侧均为多抽头设计，通过在不同绕组抽头之间接入故障模拟单元，将不同占比的绕组短接，可实现不同范围的匝间短路故障模拟。故障模拟单元包括故障位置开关、故障开关和选相开关，可模拟抽能电抗器出线、主电抗绕组侧和抽能绕组侧各种类型的匝对地故障和匝间故障。如图3所示。

抽能电抗器物理模拟单元的电抗器侧所连接的第一电压/电流互感器物理模拟单元以及抽能侧所连接的第三电压/电流互感器物理模拟单元均可输出电压/电流模拟信号至录波器单元；

控制台读取录波器单元中的录波文件，并对录波文件进行波形和故障分析。

本发明的抽能电抗器物理模拟单元其电抗器侧和抽能侧所连接的电压/电流互感器物理模拟单元组均可输出电压/电流模拟信号至录波器单元。开关物理模拟单元可输出辅助触点位置信息给录波器单元。录波器单元可记录电压/电流互感器物理模拟单元二次侧输出的电压电流波形。控制台可调阅录波器单元中的录波文件，并进行波形和故障分析。

优选地，电压/电流互感器物理模拟单元中的电压互感器物理模拟单元均与电流互感器物理模拟单元并联相连接。

本发明的每一个电压/电流互感器物理模拟单元中的电压互感器物理模拟单元均并联安装于电流互感器物理模拟单元所处位置。

图4为根据本发明优选实施方式的一种抽能电抗器动态模拟试验方法流程图。如图4所示，本发明提供一种基于试验系统进行试验的方法，方法包括：

步骤401：确定接入系统的电压等级和等值容量，以及输电线路物理模拟单元中输电线路的长度；

步骤402：基于电压等级和所这等值容量，计算系统的模拟比，确定抽能电抗器物理模拟单元的原型容量；

步骤403：在抽能电抗器物理模拟单元的抽能侧接入不同负载，对抽能电抗器物理模拟单元的不同负荷水平进行模拟；

步骤404：通过控制台读取录波器单元中的记录的不同负荷水平的第一电气量波形文件，基于第一电气量波形文件进行抽能电抗器物理模拟单元的稳定性分析；

步骤405：通过控制台向故障物理模拟单元发送故障模拟信号，模拟抽能电抗器物理模拟单元不同位置或不同类型的故障工况；

步骤406：通过控制台读取录波器单元中的记录的不同故障工况的第二电气量波形文件，基于第二电气量波形文件进行抽能电抗器物理模拟单元的暂态特性测试分析。

本发明提供一种抽能电抗器动态模拟试验系统及方法，试验方法包括如下步骤：

(1)选择接入等值系统的电压等级和等值容量，以及输电线路长度；

(2)计算试验系统的模拟比，确定抽能电抗器等值原型容量；

(3)将录波器接入电压/电流互感器二次回路，控制台接入试验系统控制回路；

(4)在抽能电抗器抽能侧接入不同负载，模拟抽能电抗器的不同负荷水平下(短路、空载、轻载、额定负载和过载)的运行工况；

(5)通过控制台调取不同负荷水平下的录波器中记录的电气量波形文件，进行抽能电抗器本体的稳态特性分析；

(6)将故障模拟单元接入抽能电抗器，通过控制台下发故障模拟信号至故障模拟单元，模拟不同位置(主电抗绕组、抽能绕组)、不同类型(匝间、匝地)的故障；

(7)通过控制台调取不同故障工况下的录波器中记录的电气量波形文件，进行抽能电抗器物理模拟单元的暂态特性测试分析。

本发明提供的抽能电抗器动态模拟试验系统及方法能够准确模拟抽能电抗器实物设备稳态运行特性和暂态电气量变化特性。本发明提供的抽能电抗器动态模拟试验方法能够为抽能电抗器保护适应性验证测试提供符合真实生产场景的试验平台。

本发明实施方式选取典型的超高压一次系统结构，建立如附图2所示的模型系统。图中：11G和13G为等值发电机组物理模拟单元，CT 1～9为电流互感器物理模拟单元组、PV1～3为电压互感器物理模拟单元组，BKT1～7为开关物理模拟单元，3W为无穷大系统物理模拟单元，L1和L2为输电线路物理模拟单元，电抗侧与抽能侧共同组成抽能电抗器物理模拟单元。

N厂经双回输电线路与L侧系统相连。N厂装有11G和13G共2台发电机组，总装机容量为2100MW，模拟短路容量为6000MVA的N侧等值系统。L侧系统采用一个半接线方式，L侧母线另接入等值系统3W，其短路容量为22000MVA，抽能电抗器物理模型接于N侧母线，容量为9MW。低压侧10kV的母线上接有负荷。

线路为双回输电线路，长度为400km，线路参数见表1所示。

表1线路参数

超高压输电线路两侧均配置并联电抗器，其中性点经小电抗接地，电抗器额定容量为720MVar，额定电抗1680Ω，中性点小电抗的额定电抗700Ω。各发电机组参数如表2所示。

表2发电机组主要参数

在系统N侧建立了抽能电抗器物理模拟单元，其具体参数如表3所示。

表3模型额定参数

本发明的抽能电抗器动态模拟试验项目包括以下两个部分：

(1)不同运行工况进行抽能电抗器物理模拟单元本体的稳态特性测试

本发明在不同负荷水平(短路、空载、轻载、额定负载和过载)的运行工况下，进行抽能电抗器本体的空载电抗、短路电抗、负载电抗以及空载磁化特性的测量。

(2)模拟不同类型故障，进行抽能电抗器物理模拟单元的暂态特性测试

本发明根据抽能电抗器本体结构以及安装位置，进行了抽能电抗器不同位置(主电抗绕组、抽能绕组)、不同类型(匝间、匝地)的故障模拟。通过控制台下发故障模拟信号至开关物理模拟单元，进行抽能电抗器物理模拟单元的暂态特性测试。

本发明涉及抽能电抗器动态模拟试验系统及方法，应用于抽能电抗器动态模拟多种工况、多种故障下的实际运行特性的试验测试验证。通过物理仿真的方法来模拟抽能电抗器在工程实际的应用，能够准确模拟抽能电抗器在实际系统中稳态运行与暂态故障情况下的运行特性。达到应用模拟的抽能电抗器进行动态模拟试验的目的。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。