一种变电站10kV母线旁路转供带电作业分析与仿真方法

技术领域

本发明涉及一种变电站10kV母线旁路转供带电作业分析与仿真方法，属于电力技术领域。

背景技术

随着社会各领域用电需求的提高，负荷种类日益增多，配电网系统的运行方式需频繁调整以满足负载要求，保证变电站的负载均衡。当主变出现故障或者过载问题时，需要考虑进行负荷转供。此外，由于变电站内设备如断路器等需要定期进行检修维护，为了保证用户的供电可靠性也常常需要进行母线负荷转供的带电作业。

110kV及以下配电网主要通过合环方式来实现不停电转供，以减少停电时间，提高供电可靠性。母线负荷转供带电作业过程中，由于进行合环操作，常常会引起线路电流变化，可能会导致超出设备容量限额影响系统的正常运行。合环转供工作结束时，需要对合环开关进行解环操作，而带电断接电缆极易产生电弧，严重危害操作人员的安全。因此，为了降低带电作业过程的风险，有必要对变电站母线旁路转供的带电作业过程进行研究。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种变电站10kV母线旁路转供带电作业分析与仿真方法，本发明同时考虑了10kV母线旁路转供带电作业合环、解环操作前后时刻的暂稳态过程，深入研究在进行变电站10kV母线旁路转供过程中的影响因素，并研究有利于母线旁路转供合环、解环操作的措施，为变电站 10kV母线旁路转供带电作业提供专业技术理论指导。

本发明技术方案是：一种变电站10kV母线旁路转供带电作业分析与仿真方法，包括如下步骤：

步骤S1：将叠加原理的思想应用到单位电流法中，实现实时计算合环操作过程中的循环电流；

步骤S2：采用提高合环开关两侧母线负荷对称度以及减小合环开关两侧母线电压相量差的方法来提高母线合环转供的成功率，并运用MATLAB/Simulink 仿真软件进行验证；

步骤S3：采用电弧黑盒模型模拟电弧的暂态特性，并分别从多种角度，研究合环开关解环过程对电弧电流的影响因素，并运用ATP-EMTP仿真软件进行分析研究。

作为本发明的进一步方案，所述步骤S1的具体实现如下：

基于叠加原理思想的单位电流法，能够在母线负荷转供的过程中，实时计算转供线路的循环电流，用于避免计算复杂的节点阻抗矩阵，基于叠加原理思想的单位电流法的基本步骤如下：

(1)在合环开关合环之前，首先测量保留网络原有电源和负荷的情况下合环开关两侧两条母线的电压相量值

(2)保证其他节点均无电流注入的情况下在合环开关两侧两条母线分别注入大小相等方向相反的单位电流，并再次测量两条母线的电压相量值

(3)根据叠加原理的思想，通过前两次的测量值相减得到将系统中负荷和上级网络电源全部置0时的无源网络中注入单位电流的测量情况，进而求解得到等值阻抗与循环电流，计算表达式如下：

式中，ΔU

作为本发明的进一步方案，所述步骤S2的具体实现如下，包括：

提高合环开关两侧母线负荷对称度来提高母线合环转供的成功率包括：

假设U

(1)合环开关闭合后，计算变压器T

(2)认为合环开关所在馈线阻抗为0，即U

(3)计算流入系统总功率S

S

ΔS＝S

(4)联立式(7)至式(10)可得合环转供时的循环电流：

由式(11)可知系统中变压器型号和参数已经固定，Z

减小合环开关两侧母线电压相量差的方法来提高母线合环转供的成功率包括：

假设有两条母线进行转供操作，母线1电压幅值小于母线2电压幅值，要减小合环开关两侧母线电压相量差，能增大母线1电压幅值或者减小母线2电压幅值；合环开关两侧母线电压相量分别为U

作为本发明的进一步方案，所述步骤S3的具体实现如下：

采用电弧黑盒模型模拟电弧的暂态特性，基于电弧黑盒模型的基本原理，用如下非线性方程表示电弧电压：

式中，u

在电弧模型中考虑电弧的伸长，通过乘以一个函数L(t)来实现，L(t)的表达式为：

L(t)＝L

式中：ΔL(t-T

联立式(15)和式(16)有：

采用指数函数来描述电弧长度改变的动态过程：

L(t)＝L

式中：A、B为决定弧长改变量的参数，且：

ΔL(t-T

综上所述，电弧模型的表达式：

再联立式(19)和式(20)，得：

u

式中：A、B的值为常数，在相关的实验数据基础上通过曲线拟合的方法计算得到，能够基本保证仿真模型的准确性。

本发明的有益效果是：

1、本发明同时考虑了10kV母线旁路转供带电作业合环、解环操作前后时刻的暂稳态过程，能够更加切合实际地仿真研究旁路转供带电作业的全过程；

2、本发明所提的基于叠加原理的单位电流法能够避免计算复杂的节点阻抗矩阵，给出了一种能够实时测量转供线路循环电流的方法；

3、本发明在研究转供线路循环电流的同时，考虑了提高合环开关两侧母线负荷对称度以及减小合环开关两侧母线电压相量差两种策略，能够在负荷转供过程中提高成功率；

4、本发明采用的电弧黑盒模型既能够反映稳定燃烧时的静态性能，又能反映预击穿和熄弧阶段的外部动态性能，解决了传统电弧模型不完全适用于电弧实际产生过程的不足。同时，从多个角度研究合环开关解环过程中对电弧电流的影响因素，能够减小解环过程中的电弧电流。

附图说明

图1为负荷控制原理图；

图2为变压器分接头调整的电压相量图；

图3为ATP-EMTP中电弧黑盒模型图；

图4为MATLAB/Simulink中基于叠加原理的单位电流法的仿真电路图；

图5为MATLAB/Simulink中提高母线合环转供成功率模型图；

图6为母线1负荷控制记录的负荷调整过程中冲击电流和循环电流示意图； (a)有功控制；(b)无功控制；其中，在图中，位于上方的曲线为合环冲击电流值，位于下方的曲线为循环电流稳态值；

图7为母线2负荷控制记录的负荷调整过程中冲击电流和循环电流示意图； (a)有功控制；(b)无功控制；其中，在图中，位于上方的曲线为合环冲击电流值，位于下方的曲线为循环电流稳态值；

图8为分接头调整过程中合环电流大小；其中，在图中，位于上方的曲线为合环冲击电流值，位于下方的曲线为循环电流稳态值；

图9为研究电弧电流影响因素的ATP-EMTP模型图；

图10为不同分闸角下电弧电流波形；(a)分闸角为0°；(b)分闸角为120°；

图11为不同导体层半径下的电弧电流波形；(a)半径为12mm；(b)半径为 24mm；

图12为不同电缆长度下的电弧电流波形；(a)电缆长度为1km；(b)电缆长度为4km；

图13为调整母线1负荷时的电弧电流有效值；(a)调整电阻；(b)调整电抗；

图14为调整母线2负荷时的电弧电流有效值；(a)调整电阻；(b)调整电抗；

图15为调整变压器分接头时的电弧电流有效值；(a)变压器T1；(b)变压器 T2；

图16为基于叠加原理的单位电流法原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1-16所示，一种变电站10kV母线旁路转供带电作业分析与仿真方法，包括如下步骤：

步骤S1：将叠加原理的思想应用到单位电流法中，实现实时计算合环操作过程中的循环电流；

本发明所述技术方案的步骤S1的具体实现如下：

基于叠加原理思想的单位电流法，原理图如图16所示，能够在母线负荷转供的过程中，实时计算转供线路的循环电流，用于避免计算复杂的节点阻抗矩阵，基于叠加原理思想的单位电流法的基本步骤如下：

(1)在合环开关合环之前，首先测量保留网络原有电源和负荷的情况下合环开关两侧两条母线的电压相量值

(2)保证其他节点均无电流注入的情况下在合环开关两侧两条母线分别注入大小相等方向相反的单位电流，并再次测量两条母线的电压相量值

(3)根据叠加原理的思想，通过前两次的测量值相减得到将系统中负荷和上级网络电源全部置0时的无源网络中注入单位电流的测量情况，进而求解得到等值阻抗与循环电流，计算表达式如下：

式中，ΔU

步骤S2：采用提高合环开关两侧母线负荷对称度以及减小合环开关两侧母线电压相量差的方法来提高母线合环转供的成功率，并运用MATLAB/Simulink 仿真软件进行验证；

本发明所述技术方案的步骤S2的具体实现如下：

提高合环开关两侧母线负荷对称度提高母线合环转供的成功率以附图1简单说明原理。

附图1中U

(1)合环开关闭合后，计算变压器T

(2)认为合环开关所在馈线阻抗为0，即U

(3)计算流入系统总功率S

S

ΔS＝S

(4)联立式(7)至式(10)可得合环转供时的循环电流：

由式(11)可知系统中变压器型号和参数已经固定，Z

减小合环开关两侧母线电压相量差的方法提高母线合环转供的成功率以附图2原理图说明。

假设有两条母线进行转供操作，母线1电压幅值小于母线2电压幅值，要减小合环开关两侧母线电压相量差，可以增大母线1电压幅值或者减小母线2电压幅值。合环开关两侧母线电压相量分别为U

步骤S3：采用电弧黑盒模型模拟电弧的暂态特性，并分别从分闸角、电缆导体截面积、电缆长度、合环开关两侧母线负荷对称度以及合环开关两侧母线电压相量差五个角度，，研究合环开关解环过程对电弧电流的影响因素，并运用 ATP-EMTP仿真软件进行分析研究。

本发明所述技术方案的步骤S3的具体实现如下：

采用电弧黑盒模型模拟电弧的暂态特性，基于电弧黑盒模型的基本原理，用如下非线性方程表示电弧电压：

式中，u

在电弧模型中考虑电弧的伸长，通过乘以一个函数L(t)来实现，L(t)的表达式为：

L(t)＝L

式中：ΔL(t-T

联立式(15)和式(16)有：

采用指数函数来描述电弧长度改变的动态过程：

L(t)＝L

式中：A、B为决定弧长改变量的参数，且：

ΔL(t-T

综上所述，电弧模型的表达式：

再联立式(19)和式(20)，得：

u

式中：A、B的值为常数，在相关的实验数据基础上通过曲线拟合的方法计算得到，能够基本保证仿真模型的准确性。

通过上述推导，在ATP-EMTP仿真软件中电弧黑盒模型如附图3所示。图中Type-91R(t)为控制电阻器；MODELS为ATP-EMTP中的一种综合性编辑工具，可以通过内部程序控制Type-91R(t)电阻大小，以此来模拟电弧电阻的动态变化，并分别从分闸角、电缆导体截面积、电缆长度、合环开关两侧母线负荷对称度以及合环开关两侧母线电压相量差五个角度研究各个因素与电弧电流的关系。

实施例2：一种变电站10kV母线旁路转供带电作业分析与仿真方法，本实施例与实施例1相同，不同之处在于：

对本发明所提的基于叠加原理的单位电流法进行仿真验证，利用 MATLAB/Simulink搭建仿真模型如附图4所示。为了简化分析过程，只取A相进行研究计算。根据上述步骤测得各数据如表1所示，计算结果如表2所示。

表1电压相量测量值

表2仿真计算结果

仿真结果分析：通过表1和表2中数据可知，I

如果将表中的数据均保留到小数点的后四位，再次进行误差分析，所得的误差将高达1349.1％。原因是注入单位电流前后，节点a和b处电压变化的幅度较小，数据的有效位数较少，会导致与实际计算结果有很大的偏差。I

对本发明所提的提高合环开关两侧母线负荷对称度提高母线合环转供的成功率进行仿真分析，利用MATLAB/Simulink搭建仿真模型如附图5所示。采用控制变量原则进行仿真分析负荷控制与合环电流大小的关系。

其中母线1所带负荷为13+j4.5MV·A，母线2所带负荷为18+j7.5 MV·A。为使合环点两侧母线负荷趋于对称，可以通过控制母线1负荷有功功率提高，母线1负荷无功功率提高，母线2负荷有功功率降低，母线2负荷无功功率降低四种方式实现。

设置仿真步长为1MW，记录负荷调整过程中冲击电流和循环电流的大小如附图6与附图7所示。

根据仿真结果分析可知，当合环开关两侧母线负荷对称度越高，例如母线1 负荷有功功率调整至22MW或无功功率调整至9.5Mvar时，合环后线路上冲击电流最大瞬时值与稳态循环电流值达到最小。但是当母线1负荷的功率继续上调时，合环电流增大，验证了本发明所提的控制合环开关两侧母线负荷对称性提高母线合环转供成功率的方法。

然而实际操作中，负荷投切量的大小不可能达到附图6与附图7所示那样，负荷投切量具有限值，因此附图6与附图7的前半部分，即单调递减曲线部分更加符合实际情况。

对本发明所提的减小合环开关两侧母线电压相量差的方法提高母线合环转供的成功率进行仿真分析，利用MATLAB/Simulink搭建仿真模型如附图5所示。

图中变压器T

仿真结果分析：合环操作前合环开关两侧母线初始电压U

对本发明所提的研究合环开关解环过程对电弧电流的影响因素，运用 ATP-EMTP仿真软件搭建仿真模型如附图9所示。

图中LCC表示埋于地下1m，型号为YJV22，长度为2000m，截面积为300mm

从分闸角、电缆导体层截面积、电缆长度、合环开关两侧母线负荷对称度以及合环开关两侧母线电压相量差五个角度研究对电弧电流的影响。针对上述五种影响因素，分别对母线负荷转供解环过程进行仿真分析。

(1)分闸角影响：通过调整电弧模型接入电路的时间进而调整分闸角的大小，附图10为分闸角为0°和分闸角为120°时的电弧电流波形，其他分闸角的电弧电流仿真结果如表3所示。

表3不同分闸角对电弧电流的影响

从表中可以看出，分闸产生电弧的暂态过程中，电弧燃烧时间段内电弧电流有效值变化不是特别明显。改变分闸角，电弧电流有效值在58.05A到63.99A之间变化。分闸角为150°时电弧电流有效值最大，达到63.99A。分闸初相角30°时电弧电流有效值最小，为58.05A。从表3中可以得出分闸角对母线负荷转供解环暂态过程中产生的电弧电流的影响不是很大。

(2)电缆导体层截面积影响：通过调整电缆模型的导体层半径进而调整截面积的大小，附图11为导体层半径等于12mm和24mm时的电弧电流波形，其他电缆导体层半径下的电弧电流仿真结果如表4所示。

表4不同导体层半径对电弧电流的影响

从表4中可以看出，电缆导体层半径增大时即电缆的截面积增大时，电弧电流有效值随着电缆截面积的增大逐渐增大。随着电缆导体层半径增大的前期，电弧电流有效值增大较快；随着电缆导体层半径增大的后期，电弧电流有效值增大开始减缓。电缆的导体层半径由10mm增大至30mm时，电弧电流有效值由 49.63A增大至66.68A，可见电缆截面积对电弧电流的影响较大。

(3)电缆长度影响：调整电缆模型的电缆长度研究对电弧电流的影响，附图12为电缆长度等于1km和4km时的电弧电流波形，其他电缆长度下的电弧电流仿真结果如表5所示。

表5不同电缆长度对电弧电流的影响

从表5中可以看出随着电缆长度的增加，电弧电流有效值不断减小。电缆长度越长，电弧电流有效值越小。在电缆从0.1km增长到4km的过程中，电弧电流有效值从244.2A减小到35.46A。可见电缆长度对电弧电流有效值的影响很大。

(4)合环开关两侧母线负荷对称度影响：调整ATP-EMTP模型中母线1或母线2负荷的大小，进而调整合环开关两侧母线负荷对称度，附图13和图14 分别为调整母线1负荷及母线2负荷电阻或电抗值大小时的电弧电流有效值变化情况。

根据控制变量原则仿真分析电弧电流有效值大小与负荷改变值的关系可知：通过控制母线1负荷的电阻减小，母线1负荷的电抗减小，母线2负荷的电阻提高，母线2负荷的电抗提高使合环点两侧负荷趋于对称，能有效降低母线负荷转供解环过程中的电弧电流有效值大小。

(5)合环开关两侧母线电压相量差影响：调整ATP-EMTP模型中变压器T

由附图15可知，两台变压器分接头档位均在110kV/10.5kV时，合环开关两侧电压相量差最小，母线负荷转供解环过程时有最小的电弧电流有效值，与研究变压器分接头调整对循环电流大小的影响有相同的关系。

上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。