基于铁磁谐振过电压机理的配电网脆弱性评估方法

摘要

本发明公开了基于铁磁谐振过电压机理的配电网脆弱性评估方法，包含以下步骤：步骤1、基于等效原理，建立配电网移除线路后，其余线路的等效参数模型，依此建立配电网中的第条线路的铁磁谐振重要度模型；建立配电网中第n组电压互感器的铁磁谐振重要度模型；步骤2、根据线路铁磁谐振重要度模型和电压互感器铁磁谐振重要度模型，计算线路的铁磁谐振过电压脆弱度；步骤3、计算配电网整体铁磁谐振过电压结构脆弱度。对铁磁谐振过电压结构脆弱度和线路的铁磁谐振过电压脆弱度量化，能有效辨识出在激发配电网谐振过电压中存在的薄弱环节和潜在的危险点。

权利要求

1.基于铁磁谐振过电压机理的配电网脆弱性评估方法，其特征在于包含以下步骤：步骤1、基于等效原理，建立配电网移除线路i后，其余线路的等效参数模型，依此建立配电网中的线路i的铁磁谐振重要度模型T(i)；

建立配电网中第n组电压互感器的铁磁谐振重要度模型I(n)；

步骤2、根据线路铁磁谐振重要度模型T(i)和电压互感器铁磁谐振重要度模型I(n)，根据公式(1)计算线路i的铁磁谐振过电压脆弱度Vt(i)，公式(1)为：Vt(i)＝Ul2·T(i)·I(i)，其中Ul为线电压有效值；

步骤3、根据公式(2)计算配电网整体铁磁谐振过电压结构脆弱度Vt，公式(2)为：其中N为配电网中的线路数量。

2.根据权利要求1所述的基于铁磁谐振过电压机理的配电网脆弱性评估方法，其特征在于：所述步骤1中，其余线路的等效参数模型包括结构电阻RCONi，结构电感LCONi，结构电容CCONi；线路i的铁磁谐振重要度模型T(i)为：其中ω为配电网角频率，ω＝2πf，f为配电网频率。

3.根据权利要求1所述的基于铁磁谐振过电压机理的配电网脆弱性评估方法，其特征在于：所述步骤1中，第n组电压互感器的铁磁谐振重要度模型I(n)；

当配电网及电压互感器未接入抑制措施时， 其中XLE为该组电压互感器在线电压下的励磁感抗；

当三相电压互感器的中性点上装有消谐电阻Rpt时，当配电网中性点经消弧线圈接地或电阻接地时，

其中Z0为配电网中性点的阻抗， L0为消弧线圈的电感，R0为中性点电阻，ω为配电网角频率，ω＝2πf，f为配电网频率；

当配电网中性点经消弧线圈接地或电阻接地，同时三相电压互感器的中性点上装有消谐电阻Rpt时，

说明书

基于铁磁谐振过电压机理的配电网脆弱性评估方法

技术领域

[0001] 本发明涉及配电网结构脆弱性评估领域，具体涉及基于铁磁谐振过电压机理的配电网脆弱性评估方法。

背景技术

[0002] 在配电网中包括众多电感和电容元件，电感主要包括变压器、互感器、分布式发电机、消弧线圈、电抗器以及线路电感等，电容主要包括线路对地电容、线路的相间电容、补偿用的串、并联电容器等。当发生故障或进行断路器操作时，系统中某些回路结构的改变导致这些储能元件之间发生匹配，引起谐振现象，产生谐振过电压。由于谐振过电压持续时间较长，且可能稳定存在，这不仅会导致电力设备的损坏，还可能导致连锁故障的发生，影响整个配电网系统的安全稳定运行。

[0003] 我国中压配电网大多数为中性点不接地方式，为了监视变电站母线的线电压及各项对地电压，通常需在母线处接装电压互感器，其一次绕组为星形连接且中性点直接接地。当系统发生故障或者进行某些断路器不同期操作时，如果系统中没有采取抑制措施，由于电压互感器励磁电感的非线性饱和特性，容易与系统对地电容形成参数匹配，引发铁磁谐振，造成系统过电压和电压互感器过电流，导致瓷绝缘闪络、避雷器爆炸、电压互感器高压熔丝熔断等，将严重影响系统的安全运行。故建立基于铁磁谐振过电压机理评判电网脆弱度的模型迫在眉睫。

[0004] 现有的电力系统脆弱性评估方法大多基于复杂网络模型，采用移除策略和潮流计算来找出系统中的薄弱点，在这些脆弱性评估方法中大多不考虑线路的对地电容和线路电感的匹配情况。而目前配电网中发生的大多数破坏性故障为对地电容和线路电感谐振引起的铁磁谐振过电压故障，因此研究系统配电网铁磁谐振过电压方面的脆弱性，从配电网自身拓扑结构参数和运行状态的角度来评估系统铁磁谐振过电压脆弱性，找出系统潜在危险点就显得尤为迫切和重要。

发明内容

[0005] 为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于铁磁谐振过电压机理的配电网脆弱性评估方法，从配电网铁磁谐振过电压产生的机理出发，分别定义了铁磁谐振过电压结构脆弱度和线路的自身铁磁谐振过电压脆弱度的量值，这些脆弱度的大小和变化能有效辨识出在激发配电网谐振过电压中存在的薄弱环节和潜在的危险点。

[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

[0007] 基于铁磁谐振过电压机理的配电网脆弱性评估方法，包含以下步骤：

[0008] 步骤1、基于等效原理，建立配电网移除线路i后，其余线路的等效参数模型，依此建立配电网中的第i条线路的铁磁谐振重要度模型T(i)；

[0009] 建立配电网中第n组电压互感器的铁磁谐振重要度模型I(n)；

[0010] 步骤2、根据线路铁磁谐振重要度模型T(i)和电压互感器铁磁谐振重要度模型I(n)，根据公式(1)计算线路i的铁磁谐振过电压脆弱度Vt(i)，公式(1)为： Vt(i)＝Ul2·T(i)·I(i)，其中Ul为线电压有效值；

[0011] 步骤3、根据公式(2)计算配电网整体铁磁谐振过电压结构脆弱度Vt，公式(2)为：其中N为配电网中的线路数量。

[0012] 本发明的进一步方案是，所述步骤1中，其余线路的等效参数模型包括结构电阻RCONi，结构电感LCONi，结构电容CCONi；线路i的铁磁谐振重要度模型T(i) 为：

[0013] 其中ω为配电网角频率，ω＝2πf，f为配电网频率。

[0014] 本发明的进一步方案是，所述步骤1中，第n组电压互感器的铁磁谐振重要度模型I(n)；

[0015] 当配电网及电压互感器未接入抑制措施时， 其中XLe为该组电压互感器在线电压下的励磁感抗；

[0016] 当三相电压互感器的中性点上装有消谐电阻Rpt时，

[0017] 当配电网中性点经消弧线圈接地或电阻接地时，其中Z0为配电网中性点的阻抗，
L0为消弧线圈的电感，R0为中性点电阻，ω为配电网角频率，ω＝2πf，f为配电网频率；

[0018] 当配电网中性点经消弧线圈接地或电阻接地，同时三相电压互感器的中性点上装有消谐电阻Rpt时，

[0019] 本发明与现有技术相比的优点在于：

[0020] 从配电网铁磁谐振过电压产生的机理出发，分别定义了铁磁谐振过电压结构脆弱度和线路的自身铁磁谐振过电压脆弱度的量值，对这些脆弱度的大小和变化进行量化，能有效辨识出在激发配电网谐振过电压中存在的薄弱环节和潜在的危险点。

附图说明

[0021] 图1为本发明脆弱性评估方法流程图。

[0022] 图2为采用本发明进行脆弱性评估的试验线路图。

[0023] 图3为基于ATP-EMTP的IEEE34节点仿真模型。

[0024] 图4为线路铁磁谐振过电压结构脆弱度分布图。

[0025] 图5为基于ATP-EMTP仿真模型的配网发生故障导致铁磁谐振时电压互感器一次侧三相电流波形图。

[0026] 图6为对基于ATP-EMTP仿真模型增加消谐电阻后的配网发生故障导致铁磁谐振时电压互感器一次侧三相电流波形图。

[0027] 图7为对基于ATP-EMTP仿真模型增加消弧线圈后的配网发生故障导致铁磁谐振时电压互感器一次侧三相电流波形图。

[0028] 图8为对基于ATP-EMTP仿真模型增加消谐电阻和消谐电阻后的配网发生故障导致铁磁谐振时电压互感器一次侧三相电流波形图。

[0029] 图9为线路20未加抑制措施时发生故障导致铁磁谐振时母线三相电压波形仿真结果图；

[0030] 图10为线路12未加抑制措施时发生故障导致铁磁谐振时母线三相电压波形仿真结果图；

[0031] 图11为线路3未加抑制措施时发生故障导致铁磁谐振时母线三相电压波形仿真结果图。

具体实施方式

[0032] 如图1所示的基于铁磁谐振过电压机理的配电网脆弱性评估方法，包含以下步骤：

[0033] 步骤1、基于等效原理，建立配电网移除线路i后，其余线路的等效参数模型。

[0034] 包括根据公式(3)计算线路i的结构电容CCONi，即为不受线路i断线影响的所有支路的对地电容总和：

[0035] 公式(3)为：CCONi＝C1+C2+…+Ci-1，

[0036] 其中C1、C2、…、Ci-1为线路i前后两节点合并后剩余所有线路等效对地电容。结构电容CCONi越大，则发生不对称故障时，零序电容电流越大，越容易发生铁磁谐振，且谐振的频率越低。

[0037] 以及根据公式(4)计算线路i的结构电阻RCONi，即为不受线路i断线影响的所有支路的总线路等效电阻：

[0038] 公式(4)为：RCONi＝R1+R2+…+Ri-1，

[0039] 其中R1、R2、…、Ri-1为线路i前后两节点合并后剩余所有线路等效电阻。线路i的结构电阻越大，则零序电容电流越小。

[0040] 还包括根据公式(5)计算线路i的结构电感LCONi，即为不受线路i断线影响的所有支路的总的线路等效电感：

[0041] 公式(5)计：LCONi＝L1+L2+…+Li-1，

[0042] 其中L1、L2、…、Li-1为线路i前后两节点合并后剩余所有线路等效电感。线路 i的结构电感越大，则零序电容电流越小。

[0043] 综合考虑结构电阻RCONi，结构电感LCONi，结构电容CCONi，依此建立配电网中的线路i的铁磁谐振重要度模型T(i)；

[0044] 其中ω为配电网角频率，ω＝2πf，f为配电网频率。

[0045] 建立配电网中第n组电压互感器的铁磁谐振重要度模型I(n)；

[0046] 当配电网及电压互感器未接入抑制措施时， 其中XLe为该组电压互感器在线电压下的励磁感抗；

[0047] 当三相电压互感器的中性点上装有消谐电阻Rpt时，

[0048] 当配电网中性点经消弧线圈接地或电阻接地时，由于消弧线圈和中性点电阻与电压互感器并联，零序冲击电流将会被消弧线圈和中性点电阻分流，则其中Z0为配电网中性点的阻抗，
L0为消弧线圈的电感，R0为中性点电阻，ω为配电网角频率，ω＝2πf，f为配电网频率；

[0049] 当配电网中性点经消弧线圈接地或电阻接地，同时三相电压互感器的中性点上装有消谐电阻Rpt时，

[0050] 综合考虑线路的铁磁谐振重要度T(i)、电压互感器的铁磁谐振重要度I(n)，以及各配网电压等级的差异，根据公式(1)计算得到线路i的铁磁谐振过电压结构脆弱度Vt(i)为：Vt(i)＝Ul2·T(i)·I(i)，其中Ul为线电压有效值。

[0051] 步骤3、根据公式(2)计算配电网整体铁磁谐振过电压结构脆弱度Vt，公式(2)为：其中N为配电网中的线路数量。

[0052] Vt越大，代表此系统整体的脆弱性越高，发生谐振的概率越高。此时，可通过改善系统的拓扑结构、电压互感器上加装消谐装置、系统中性点由不接地方式改为经消弧线圈或大电阻接地等方式来降低系统铁磁谐振过电压结构脆弱度。

[0053] 以如图2所示的IEEE34节点为例，基于ATP-EMTP仿真平台建立如图3 所示的仿真模型，验证基于铁磁谐振过电压机理的配电网脆弱性评估方法的可行性。

[0054] 首先对线路参数进行统计分析，如表1、表2所示：

[0055] 表1

[0056]

[0057]

[0058] 表2

[0059]

[0060] 接着按照步骤1中的计算公式，分别得到线路i的结构电容CCONi、结构电感 LCONi和结构电阻RCONi，在此基础上得到线路i的铁磁谐振重要度T(i)，计算结果如表3所示：

[0061] 表3

[0062] 线路 1 2 3 4 5 6 7T(i) 2.07954E-06 2.07954E-06 2.07954E-06 2.07954E-06 2.07954E-06 2.07954E-06 2.07954E-06 线路 8 9 10 11 12 13 14
T(i) 2.07954E-06 2.07954E-06 2.01964E-04 2.01964E-04 2.01964E-04 2.01964E-04 2.01964E-04 线路 15 16 17 18 19 20 21
T(i) 2.01964E-04 2.01964E-04 2.01964E-04 2.01964E-04 2.14451E-04 2.14451E-04 2.14451E-04 线路 22 23 24 25 26 27 28
T(i) 2.14451E-04 2.14451E-04 2.14451E-04 2.14451E-04 2.14451E-04 2.14451E-04 2.49743E-04 线路 29 30 31 32 33 整体  
T(i) 2.49743E-04 2.49743E-04 2.49743E-04 2.49743E-04 2.49743E-04 2.49743E-04   [0063] 然后分别针对未接入抑制措施、三相电压互感器的中性点上装有消谐电阻、配电网中性点经消弧线圈接地或电阻接地、配电网中性点经消弧线圈接地或电阻接地，同时三相电压互感器的中性点上装有消谐电阻四种情况，计算电压互感器的铁磁谐振重要度I(n)。

[0064] 接着按照公式(1)得到线路i的铁磁谐振过电压结构脆弱度Vt(i)，计算结果如图4的前33个线路编号所示。

[0065] 最后按照公式(2)得到整体配电网的铁磁谐振过电压结构脆弱度Vt，计算结果如图4的第34个线路编号所示。

[0066] 图4为通过计算得到的包含前i个节点的配网铁磁谐振过电压结构脆弱度大小，可以看出当加入一些常见抑制措施后，配网相应的脆弱度都降低了，通过图 5～图8也可以看出加入抑制措施后相应的谐振能量都衰减到正常状态。还可从图 4中看出三相电压互感器的中性点上装有消谐电阻后的铁磁谐振过电压结构脆弱度比未接抑制措施时的铁磁谐振过电压结构脆弱度要明显小很多，但两者的变化趋势相同，都是断线的线路越远离母线(即线路编号越大)，铁磁谐振过电压的结构脆弱度越大。进一步分析，两者的变化趋势均与线路的铁磁谐振重要度 T(i)相同，说明在未接抑制措施和接入消谐电阻时，线路的铁磁谐振重要度对整体的结构脆弱度影响较大，对系统的脆弱性影响较大。而在系统接入消弧线圈后，此时系统的铁磁谐振结构脆弱度主要由电压互感器的铁磁谐振重要度决定。相比之下，线路的铁磁谐振重要度对系统铁磁谐振结构脆弱度的影响就微不足道。因此，在系统接入消弧线圈后，每条线路的铁磁谐振过电压结构脆弱度基本相同、接近于零。

[0067] 从图4中可以看出对于未加抑制措施时，不同线路发生故障导致铁磁谐振过电压的脆弱度大小不同，为验证其合理性选取典型三条线路进行仿真验证说明，分别为线路20、线路12和线路3，从图4中可以看出其脆弱度依次变小，图9、图10和图11分别为线路20、线路12和线路3未加抑制措施时发生故障导致铁磁谐振时母线三相电压波形，从波形图可以看出，线路3和线路12在发生故障导致铁磁谐振过电压时的母线三相电压幅值比线路20的电压幅值低，线路3故障时电压幅值比线路12发生故障时的幅值低。三条线路故障时导致的铁磁谐振过电压幅值变化与其脆弱度大小变化一致，脆弱性评估方法合理性得到验证。