直流输电工程网络拓扑自动建模方法

摘要

本发明公开了一种直流工程网络拓扑自动建模方法，该方法依据直流工程结构信息加载直流工程模块生成直流工程主接线原理图，依据直流工程主接线原理图提取子接线图模板、设备模型和电路元件，进而生成直流工程设备信息文件；依据直流工程主接线原理图进行避雷器参数和位置配置，进而生成避雷器方案配置信息文件；以直流工程主接线原理图为模板，结合直流工程设备信息文件和避雷器方案配置信息文件，完成具有避雷器的直流工程网络拓扑建模及等效电路图生成。本发明预置了典型直流工程网络拓扑模块和各设备类型及等效模型，用户通过选型及参数配置即可完成直流工程实例化应用，极大简化直流工程网络拓扑等效和建模的工作量，提高了直流工程建模效率。

权利要求

1.一种直流工程网络拓扑自动建模方法，预置有直流工程结构模块、子接线图模板、电路图、设备模型、电路元件模型库和公共阀片文件库，并建立直流工程结构模块与子接线图模板、子接线图模板与电路图之间的对应关系，该方法包括以下步骤：(1)配置直流工程结构信息和直流工程基本电气参数；

(2)依据直流工程结构信息加载预置的直流工程结构模块，生成直流工程主接线原理图；

(3)将直流工程主接线原理图关联到其对应的预置子接线图模板，加载该子接线图模板以及其涉及的设备模型，根据外部输入的设备配置参数从电路元件模型库中选择该设备模型对应的电路元件，进而生成包含子接线图模板、设备模型和电路元件信息的直流工程设备信息文件；将该子接线图模板关联到其对应的预置电路图；

(4)依据直流工程主接线原理图进行避雷器参数和位置配置，从预置的公共阀片文件库中提取配置的避雷器所对应的阀片文件，依据直流工程基本电气参数和避雷器参数计算配置的避雷器的参考电压Uref，依据避雷器参考电压值Uref和提取的阀片文件生成避雷器伏安文件，进而生成包含避雷器位置和避雷器伏安文件信息的避雷器方案配置信息文件；

(5)以直流工程主接线原理图为建模模板，结合直流工程设备信息文件和避雷器方案配置信息文件，完成具有避雷器配置方案的直流工程网络拓扑建模，进而根据直流工程网络拓扑建模结果和步骤(3)关联得到的预置电路图生成直流工程网络拓扑等效电路图。

2.根据权利要求1所述的直流工程网络拓扑自动建模方法，其特征在于，所述直流工程模块包括送端交流源模块、送端换流站模块、输电线路模块、受端换流站模块和受端交流源模块。

3.根据权利要求1所述的直流工程网络拓扑自动建模方法，其特征在于，所述直流工程结构信息包括直流工程运行方式、输电方式、换流器接线形式、直流线路及接地极线路杆塔类型。

4.根据权利要求1所述的直流工程网络拓扑自动建模方法，其特征在于，所述直流工程基本电气参数包括额定功率Pr、额定电压Ur、额定电流Ir、设计触发角α、设计关断角β、线路长度l、线路最高运行电压Udcm、线路最高运行电流Idcm、12次谐波电流含量Kd(12)、线路单位长度电阻值rdcl、换流变压器的阀侧电压最大值Uvmax和换相过冲系数K1。

5.根据权利要求1所述的直流工程网络拓扑自动建模方法，其特征在于，所述避雷器参数信息包括避雷器类型、荷电率、并联柱数、台数及阀片文件。

说明书

直流输电工程网络拓扑自动建模方法

技术领域

[0001] 本发明属于高压直流输电系统分析领域，具体涉及一种直流输电工程网络拓扑自动建模方法。

背景技术

[0002] 我国电网正处于高速发展时期，目前已经进入从大区性电网向全国性互联电网过渡的阶段，随着高压直流输电技术在我国的广泛应用和西部大开发战略中各项西电东送工程、全国联网工程的实施，直流输电技术将在西电东送和全国联网中起着主导作用。与此同时，直流工程电压等级逐渐由500kV向800kV提高，甚至有往更高电压等级发展的趋势，直流运行方式逐渐从单回向双回发展，直流输电系统结构越来越复杂，将带来一系列技术和安全上的问题，比如直流系统故障更加复杂，故障带来的损失和系统问题更为严重等。因此有效的开展直流换流站的过电压分析，合理的开展绝缘配合设计成为工程面临的重大技术挑战之一。

[0003] 在系统过电压分析中不仅涉及直流系统建模及电磁暂态模拟计算，关键还涉及到设备的合理等效。因此电力系统分析是一项专业性很强的工作，需要设计人员有坚实的专业基础。特别是在高压直流系统中为数众多的设备、复杂的系统接线、多种运行方式、灵活的控制系统都给其过电压分析带来了更大的难度。

[0004] 目前通用的电磁暂态分析软件主要为PSCAD(Power Systems Computer Aided Design，加拿大马尼托巴高压直流研究中心推出的一款商业软件)和电磁暂态仿真软件ATP(The Alternative Transients Program，雏形由美国能源部邦维尔电力局(BPA)主导开发的一款全球免费软件)。由于该两款软件都只提供的最基本的电路元件，针对直流工程网络拓扑进行建模，使用者首先需要特别熟悉系统元件库和直流输电特性，同时对直流工程设备进行合理的等效建模，其次还需要将繁杂的工程数据转化成相应的电路元件参数，工作量非常大。同时当工程接线越复杂，建模的工作量就越大，越容易出错。

[0005] 因此，为了更好的指导使用者开展直流系统过电压分析，降低新建工程网络拓扑等效难度及建模的工作量，本发明提出了一种直流输电工程网络拓扑自动建模方法。

发明内容

[0006] 本发明提供一种直流工程网络拓扑自动建模方法，目的在于简化直流工程网络拓扑等效和建模的工作量，提高直流工程建模效率。

[0007] 一种直流工程网络拓扑自动建模方法，预置有直流工程结构模块、子接线图模板、电路图、设备模型、电路元件模型库和公共阀片文件库，并建立直流工程结构模块与子接线图模板、子接线图模板与电路图之间的对应关系，该方法包括以下步骤：

[0008] (1)配置直流工程结构信息和直流工程基本电气参数；

[0009] (2)依据直流工程结构信息加载预置的直流工程模块，生成直流工程主接线原理图；

[0010] (3)将直流工程主接线原理图关联到其对应的预置子接线图模板，加载该子接线图模板以及其涉及的设备模型，根据外部输入的设备配置参数从电路元件模型库中选择该设备模型对应的电路元件，进而生成包含子接线图模板、设备模型和电路元件信息的直流工程设备信息文件；将该子接线图模板关联到其对应的预置电路图；

[0011] (4)依据直流工程主接线原理图进行避雷器参数和位置配置，从预置的公共阀片文件库中提取配置的避雷器所对应的阀片文件，依据直流工程基本电气参数和避雷器参数计算配置的避雷器的参考电压Uref，依据避雷器参考电压值Uref和提取的阀片文件生成避雷器伏安文件，进而生成包含避雷器位置和避雷器伏安文件信息的避雷器方案配置信息文件；

[0012] (5)以直流工程主接线原理图为建模模板，结合直流工程设备信息文件和避雷器方案配置信息文件，完成具有避雷器配置方案的直流工程网络拓扑建模，进而根据直流工程网络拓扑建模结果和步骤(3)关联得到的预置电路图生成直流工程网络拓扑等效电路图。

[0013] 进一步地，所述直流工程模块包括送端交流源模块、送端换流站模块、输电线路模块、受端换流站模块和受端交流源模块。

[0014] 进一步地，所述直流工程结构信息包括直流工程运行方式、输电方式、换流器接线形式、直流线路及接地极线路杆塔类型。

[0015] 进一步地，所述直流工程基本电气参数包括额定功率Pr、额定电压Ur、额定电流Ir、设计触发角α、设计关断角β、线路长度l、线路最高运行电压Udcm、线路最高运行电流Idcm、12次谐波电流含量Kd(12)、线路单位长度电阻值rdcl、换流变压器的阀侧电压最大值Uvmax和换相过冲系数K1。

[0016] 进一步地，所述避雷器参数信息包括避雷器类型、荷电率、并联柱数、台数及阀片文件。

[0017] 本发明的技术效果体现在：

[0018] 本发明采用向导的形式指导用户高效的完成直流工程基本信息配置。内置直流工程模型和设备模型，直流工程主接线图的生成可自动完成，简化直流工程网络拓扑等效工作。提供方便快捷的设备配置和避雷器配置功能，自动生成用于仿真分析的直流工程网络拓扑等效电路图，降低了使用者建模的技术要求，简化建模工作量，提高了直流工程建模效率。

[0019] 本发明的优点具体为：1)可操作性强，对于不熟悉直流工程系统等效和建模的分析人员也可以完成建模工作；2)高效，自动生成用于分析的直流工程网络拓扑等效电路图；3)拓展性好，随着直流输电技术的发展，可添加内置直流工程模块和设备模型，实现新型直流工程的建模。

附图说明

[0020] 图1为本发明的整体流程框图；

[0021] 图2为工程基本信息配置逻辑图；

[0022] 图3为设备配置逻辑图；

[0023] 图4为避雷器方案配置逻辑框图。

具体实施方式

[0024] 本发明的一种直流工程网络拓扑自动建模方法，包括以下步骤：

[0025] 第1步骤：配置直流工程基本信息，自动生成直流工程主接线图，具体包括：

[0026] 1.1)根据用户配置，获取直流工程结构信息，包括直流工程运行方式、输电方式、换流器接线形式、直流线路及接地极线路杆塔类型，该信息用于直流工程主接线自动建模。

[0027] 1.2)根据用户参数配置，获取直流工程基本电气参数，生成直流工程基本信息文件。系统基本电气参数包括额定功率Pr、额定电压Ur、额定电流Ir、设计触发角α，设计关断角β，线路长度l，线路最高运行电压Udcm、线路最高运行电流Idcm，12次谐波电流含量Kd(12)，线路单位长度电阻值rdcl，换流变压器的阀侧电压最大值Uvmax，换相过冲系数K1；

[0028] 1.3)底层预置直流工程结构模块，包括：送端交流源模块，送端换流站模块，输电线路模块，受端换流站模块和受端交流源模块。其中，送端换流站模块和受端换流站模块根据换流器接线形式的不同又分为三个子模块，分别为十二脉动换流站模块、双十二脉冲串联换流站模块和双十二脉冲并联换流站模块；其中输电线路模块根据杆塔类型不同又分为三个子模块，分别为单回直流线路模块，双回直流线路模块，交直流混压线路模块。

[0029] 1.4)结合直流工程结构信息，加载预置直流工程模块，自动生成直流工程主接线原理图，为自动建模提供模型配置模板。例如根据用户配置换流器接线形式，确定具体加载的送端/受端换流站模块；根据输电方式和直流线路杆塔及接地极线杆塔类型，确定具体加载的输电线路模块。根据直流工程运行方式，依据直流工程接线原则，自动生成单回或双回直流工程主接线原理图。

[0030] 第2步骤：配置设备，生成直流工程设备信息文件，具体包括：

[0031] 2.1)底层为五大直流工程模块分别预置子接线图模板。如送端换流站/受端换流站模块的子接线图是由换流站各设备连接而成；送端交流源/受端交流源模块的子接线图是由交流源设备和母线连接而成；直流线路模块的子接线图是由线路和杆塔连接而成。同时底层为各直流工程模块子接线图预置一一对应的电路图。

[0032] 2.2)利用链接型元件开发技术，实现层次接线图。从直流工程主接线原理图可以分别关联到五大模块对应的子接线图。

[0033] 2.3)加载子接线图模板，加载预存的内嵌设备模型，提供用户设备配置接口。

[0034] 2.4)底层内置了直流工程所有设备的电路元件模型库。根据用户配置获取设备类型及参数，对其进行实例化即从底层内置的电路元件库中选择相应设备的电路元件，生成直流工程设备信息文件。

[0035] 如送端换流站模块的子接线图中的平波电抗器设备，根据用户配置的平波电抗器类型干式空心电抗器，电抗器值300mH，从底层设备元件库中选择一个电感元件模型，其电感值实例化为300mH；其他设备实例化过程相同。

[0036] 2.5)完成具体设备实例化过程，根据直流工程模块预置的子接线图模板对应的电路图和设备电路元件，自动生成直流工程五大模块对应的子接线图对应网络拓扑等效电路图。

[0037] 第3步骤：配置避雷器方案及参数，生成避雷器方案配置信息文件，具体包括：

[0038] 3.1)参考国家电力行业标准DL/T 605-1996《高压直流换流站绝缘配合导则》和国家电网公司企业标准Q/GDW 144-2006《±800kV特高压直流换流站过电压保护和绝缘配合导则》软件给出的避雷器所有类型和可能配置位置，提供用户避雷器配置接口。

[0039] 3.2)基于步骤2生成的直流工程主接线原理图，通过用户配置避雷器参数信息，包括避雷器类型、位置、荷电率、并联柱数、台数及关联的阀片文件。

[0040] 3.3)结合步骤1生成直流工程基本信息文件，根据上述两导则给出的各点避雷器给定的计算公式，自动计算避雷器的持续运行电压CCOV和持续运行电压峰值PCOV。

[0041] 3.4)根据用户配置的荷电率和自动计算的持续运行电压峰值PCOV，自动计算避雷器的参考电压Uref＝PCOV/荷电率。

[0042] 3.5)底层预置了公共阀片文件库，其包含了各厂家各种类型的阀片文件。根据上述计算获得的避雷器参考电压值Uref和用户配置的阀片文件，自动计算生成避雷器伏安文件。

[0043] 3.6)结合避雷器配置文件和避雷器文件，生成避雷器方案配置信息文件。

[0044] 第4步骤：以直流工程主接线原理图为自动建模模板、结合设备信息文件和避雷器方案配置信息文件，完成具有避雷器配置方案的直流工程网络拓扑自动建模。进而根据直流工程网络拓扑建模结果和子接线图对应的网络拓扑等效电路图生成直流工程网络拓扑等效电路图。

[0045] 下面通过±800kV云广直流输电工程为例，并结合附图，对本发明进一步说明。

[0046] 用户使用本发明对一个云广直流输电工程网络拓扑自动建模的流程如图1所示。

[0047] 第1步骤：配置直流工程基本信息，自动生成直流工程主接线图，工程基本信息配置逻辑如图2所示：

[0048] 1.1)根据用户配置，获取直流工程结构信息为：直流工程运行方式为单回；输电方式为架空线；换流器接线方式为双十二脉动串联；换流技术为典型晶闸管换流技术；送电接地极杆塔类型为直流单回塔；受端接地杆塔类型为直流单回塔；直流极线杆塔类型为直流单回塔。

[0049] 1.2)根据用户参数配置，获取的直流工程基本电气参数为：系统基本参数包括额定功率Pr＝5000MW、额定电压Ur＝800kV、额定电流Ir＝3.125kA、设计触发角α＝15°，设计关断角β＝17°，线路长度l＝1418km，线路最高运行电压Udcm＝816kV、线路最高运行电流Idcm＝3.795kA，12次谐波电流含量Kd(12)＝0.03，线路单位长度电阻值rdcl＝13.13Ω，换流变压器的阀侧电压最大值Uvmax＝235.7kV，换相过冲系数K1＝1.17。

[0050] 1.3)结合直流工程结构信息，分别加载送端交流源模块，送端双十二串联换流站模块，单回直流线路模块，受端双十二脉冲串联换流站模块，受端交流源模块。根据直流工程运行方式，自动生成单回直流工程主接线图。

[0051] 第2步骤：完成设备配置，生成直流工程设备信息文件，设备配置逻辑如图3所示：

[0052] 2.1)利用链接型元件开发技术，实现层次接线图。自动加载对应直流工程模块的子接线图。

[0053] 2.2)加载子接线图模板，加载内嵌设备模型，提供用户设备配置接口。

[0054] 2.3)进入每个模块层次接线图，根据用户配置设备类型及参数，从底层设备元件库中选择对应设备的电路元件，完成设备实例化过程。

[0055] [1]进入云广送端交流源模块子接线图：

[0056] ●交流源：类型交流源R//L；线电压有效值525kV；频率50Hz：相角0deg；上升时间0.05s；电阻R＝2160Ω；电感L＝151mH。

[0057] [2]进入云广送端换流站模块子接线图：

[0058] ●换流变：类型 Y/Y(or Y/D)；原方 额定电压 525kV；副 方额定电 压169.85/√3kV(or 169.85kV)；短路阻抗比18％

[0059] ●换流器：类型送端换流器；晶闸管门槛电压V-igni＝0V；晶闸管保持电流I-hold＝0A；晶闸管去游离时间T-deion＝0s；阀导通电阻Ron＝0.01Ω；阀阻尼电阻R＝4800Ω；阻尼电容C＝0.02uF；系统频率50Hz；

[0060] ●极线平波电抗器：类型干式空心平抗；平抗数目2台；单台平抗电感值75mH；

[0061] ●中性线平波电抗器：类型干式空心平抗；平抗数目2台；单台平抗电感值75mH；

[0062] ●直流滤波器：类型TT12/24/45；电容C1＝1.2uF；电感L1＝8.65mH；电容C2＝4.17uF；电感L2＝12.2mH；电容C3＝2.21uF；电感L3＝4.85mH；

[0063] ●中性母线电容：电容C＝15uF；

[0064] [3]进入直流线路模块子接线图：类型为基于频率相关的杰玛特JMarti模型；导线：内径0cm；外径3.36cm；电阻0.04633Ω；水平位置±11m；杆塔高度33.5m；档距高度17.5m；分裂间距45cm；参考角0；分裂导线束6；地线：内径0cm；外径1.75cm；电阻
0.7098Ω；水平位置±13.5m；杆塔高度50m；档距高度39m；分裂间距0cm；参考角0；分裂导线束1；

[0065] [4]进入云广受端换流站模块子接线图：

[0066] ●换流变：类型 Y/Y(or Y/D)；原方 额定电压 525kV；副 方额定电 压169.85/√3kV(or 169.85kV)；短路阻抗比18.5％

[0067] ●换流器：类型送端换流器；晶闸管门槛电压V-igni＝0V；晶闸管保持电流I-hold＝0A；晶闸管去游离时间T-deion＝0s；阀导通电阻Ron＝0.01Ω；阀阻尼电阻R＝4800Ω；阻尼电容C＝0.02uF；系统频率50Hz；

[0068] ●极线平波电抗器：类型干式空心平抗；平抗数目2台；单台平抗电感值75mH；

[0069] ●中性线平波电抗器：类型干式空心平抗；平抗数目2台；单台平抗电感值75mH；

[0070] ●直流滤波器：类型TT12/24/45；电容C1＝1.2uF；电感L1＝8.65mH；电容C2＝4.17uF；电感L2＝12.2mH；电容C3＝2.21uF；电感L3＝4.85mH；

[0071] [5]进入云广受端交流源模块子接线图：

[0072] ●交流源：类型交流源R//L；线电压有效值525kV；频率50Hz：相角0deg；上升时间0.05s；电阻R＝2160Ω；电感L＝151mH。

[0073] 2.4)完成具体设备实例化过程，根据直流工程模块预置的子接线图模板对应的电路图和设备电路元件，自动生成直流工程五大模块对应的子接线图对应网络拓扑等效电路图。

[0074] 第3步骤：配置避雷器方案及参数，生成避雷器方案配置信息文件，避雷器方案配置逻辑如图4所示：

[0075] 3.1)参考国家电力行业标准DL/T 605-1996《高压直流换流站绝缘配合导则》和国家电网公司企业标准Q/GDW 144-2006《±800kV特高压直流换流站过电压保护和绝缘配合导则》软件给出的避雷器所有类型和配置位置，提供用户避雷器配置接口。

[0076] 3.2)基于步骤2生成的直流工程主接线图，通过用户配置避雷器参数信息，包括避雷器类型、位置、荷电率、并联柱数、台数及关联的阀片文件。如用户启动下述避雷器并配置参数，A型避雷器，荷电率0.78，并联柱数4，并联台数4，SIEMEMS厂家A型阀片文件；DB/DL型避雷器：荷电率0.724，并联柱数2，并联台数1，SIEMEMS厂家D型阀片文件；A2型避雷器：荷电率0.95，并联柱数1，并联台数1，SIEMEMS厂家A2型阀片文件；V1型：荷电率
0.98，并联柱数8，并联台数1，SIEMEMS厂家V型阀片文件；V2/V3型避雷器：荷电率0.98，并联柱数4，并联台数1，SIEMEMS厂家V型阀片文件；EM/EL/E2H/E2型避雷器，荷电率/；并联柱数4，并联台数1，SIEMEMS厂家E型阀片文件；

[0077] 3.3)结合步骤1生成直流工程基本信息文件，根据上述两导则给出的各点避雷器给定的计算公式，自动计算避雷器的持续运行电压CCOV和持续运行电压峰值PCOV。如A型避雷器：MCOV＝318kV，PCOV＝449kV；DB/DL型避雷器：CCOV＝PCOV＝816kV；E1H型：CCOV＝PCOV＝141kV；A2型：CCOV＝881kV，PCOV＝947kV；V1/V2/V3型避雷器：CCOV＝
245kV，PCOV＝287kV；EM/EL/E2H/E2型：CCOV＝PCOV＝49.8kV；

[0078] 3.4)根据用户配置的荷电率和自动计算的持续运行电压峰值PCOV，自动计算避雷器的参考电压Uref＝PCOV/荷电率。A型避雷器：参考电压Uref为576kV，并联柱数4，并联台数4；DB/DL避雷器：参考电压Uref为1127kV，；A2型避雷器：参考电压Uref为1141kV；V1型避雷器：参考电压Uref为346kV，；V2/V3型避雷器：参考电压Uref为346kV。

[0079] 3.5)底层预置了公共阀片文件库，其包含了各厂家各种类型的阀片文件。根据上述计算获得的避雷器参考电压值Uref和用户配置的阀片文件，自动计算生成避雷器文件。

[0080] 3.6)结合避雷器配置文件和避雷器文件，生成避雷器方案配置信息文件。

[0081] 第4步骤：以直流工程主接线原理图为自动建模模板、结合设备信息文件和避雷器方案配置信息文件，完成具有避雷器配置方案的直流工程网络拓扑自动建模。进而根据直流工程网络拓扑建模结果和子接线图对应的网络拓扑等效电路图生成直流工程网络拓扑等效电路图。

[0082] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。