500 kV興黑線仿真計(jì)算模型的建立

劉智洋，胡遠(yuǎn)婷，劉 進(jìn)，徐冰亮，賈 艷，張立敏

(1.黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030;2.吉林省電力有限公司培訓(xùn)中心，長(zhǎng)春 130022;3.鶴崗電業(yè)局，黑龍江 鶴崗 154101)

中俄背靠背聯(lián)網(wǎng)輸電工程是中俄兩國(guó)繼石油、天然氣之后在電力方面的能源合作項(xiàng)目，工程投產(chǎn)后俄遠(yuǎn)東電網(wǎng)每年將向中國(guó)黑龍江省輸送36～43億kW·h電量。目前，黑河換流站通過(guò)500 kV興黑線與黑龍江電網(wǎng)相連。興黑線自2009年1月投產(chǎn)后到2011年7月共發(fā)生10次線路跳閘事故，其中風(fēng)害1次、雷擊故障2次、原因不確定7次。由此可見(jiàn)，該線路的安全運(yùn)行情況很差，給將來(lái)聯(lián)網(wǎng)輸電運(yùn)行留下了很大的隱患。為此，本文對(duì)500 kV興黑線的具體情況進(jìn)行分析，探討模型建立過(guò)程中的各種問(wèn)題，并依照實(shí)際變電運(yùn)行中的參數(shù)建立了500 kV興黑線的仿真計(jì)算模型。

1 交流線模型解析

交流線模型按照參數(shù)與空間的相關(guān)性可分為集中參數(shù)模型和分布參數(shù)模型。集中參數(shù)模型的各參量與空間位置無(wú)關(guān)，而分布參數(shù)模型中至少有一個(gè)參量與空間位置相關(guān)[1]。在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析時(shí)，集中參數(shù)模型為代數(shù)方程，分布參數(shù)模型為以空間為自變量的常微分方程;在進(jìn)行暫態(tài)分析時(shí)，集中參數(shù)模型為以時(shí)間為自變量的常微分方程，分布參數(shù)模型為以時(shí)間和空間為自變量的偏微分方程。在進(jìn)行具體仿真分析時(shí)，常將交流線抽象為如下模型。

1．1 PI模型

PI模型由表示集中參數(shù)的電阻、電感和電容組成[2]，如圖1所示。將線路對(duì)地電容等值成相等的兩部分，分別在線路兩端接地，其形如希臘字母“π”。

圖1 PI模型示意圖

三相線路的PI模型除考慮相對(duì)地電容外，還需考慮相間電容和互感，其形式較單相模型復(fù)雜，如圖2所示。

圖2 三相PI模型示意圖

該模型主要用來(lái)進(jìn)行短線路的等值，如果將若干這樣的短線路進(jìn)行串聯(lián)，并在串聯(lián)接口處做換位處理，便可以對(duì)真實(shí)的長(zhǎng)線路進(jìn)行等值。其主要缺點(diǎn)是占用內(nèi)存大，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，當(dāng)線路較長(zhǎng)時(shí)分的段數(shù)多，計(jì)算時(shí)間得以累加會(huì)使得計(jì)算過(guò)程變很慢。

1．2 Bergeron 模型

Bergeron模型是根據(jù)波過(guò)程的原理，應(yīng)用混合波的圖案對(duì)波的多次反射、折射進(jìn)行分析的一種方法。根據(jù)分布參數(shù)輸電線路的微分方程可推導(dǎo)出典型的交流線Bergeron模型。Bergeron模型的核心是把分布參數(shù)元件等值為集中參數(shù)元件，以便用比較通用的集中參數(shù)求解法來(lái)計(jì)算線路上的各個(gè)量[3-4]。

使用Bergeron模型時(shí)應(yīng)注意，線路長(zhǎng)度至少大于15 km，否則引入的計(jì)算誤差會(huì)比較大。另外，仿真過(guò)程中步長(zhǎng)的選取應(yīng)小于波傳播時(shí)間。

1．3 J．Marti模型

J.Marti模型是與頻率相關(guān)的線路模型，用來(lái)計(jì)算一定頻率范圍內(nèi)的線路參數(shù)。由于引入了頻率因素，該模型的設(shè)置過(guò)程較前兩個(gè)模型復(fù)雜。

另外，由于J.Marti模型用的都是固定頻率的相域-模域變換矩陣[5]，對(duì)于均勻的高架線來(lái)說(shuō)，這種采用固定頻率的計(jì)算一般可以接受，而對(duì)于電纜來(lái)說(shuō)則是錯(cuò)誤的。電纜的相域-模域變換矩陣是復(fù)數(shù)矩陣而且和頻率密切相關(guān)，尤其在低頻范圍內(nèi)，因此理論上J.Marti模型不適用于電纜模型。

2 建模前的數(shù)據(jù)整理

在建立等值計(jì)算模型之前需先對(duì)興黑線的基本參數(shù)進(jìn)行整理，提取可用數(shù)據(jù)。

興黑線地處黑龍江省的西北部，是北部電網(wǎng)和中部電網(wǎng)之間唯一一條500 kV聯(lián)絡(luò)線。該線路一端是500 kV黑河換流站，另一端是500 kV興福變。黑河換流站通過(guò)背靠背換流系統(tǒng)與俄羅斯500 kV電網(wǎng)相連，興福變通過(guò)500 kV興松線、500 kV永興線、500 kV群興線分別與500 kV松北變、500 kV永源變、500 kV群林變相連。另外，黑河換流站和興福變均有220 kV出線，通過(guò)黑河變、錦江變、孫吳變、北安變、海倫變、綏化變等220 kV變電站之間的聯(lián)絡(luò)線與500 kV系統(tǒng)構(gòu)成電磁環(huán)網(wǎng)。從線路參數(shù)上看，興黑線為單回三相五線制架空線，線路全長(zhǎng)411.4 km，雙避雷線。導(dǎo)線型號(hào)JL/G1A-400/35，四分裂，分裂間距450 mm，其線徑和直流電阻可依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)查得。桿塔形式大部分為“酒杯型”鐵塔，具體規(guī)格如圖3所示，中間相和左右相導(dǎo)線最低弧垂點(diǎn)距地面的平均高度分別為45.0 m和42.5 m。

圖3 興黑線桿塔結(jié)構(gòu)

全線共經(jīng)過(guò)5次換相，具體情況如表1所示。

表1 興黑線換相情況

線路兩端各有一組三相電抗器，容量均為210 Mvar，星形連接，中性點(diǎn)通過(guò)一個(gè)272 Ω的小電抗接地。正常運(yùn)行時(shí)，黑河換流站側(cè)和興福變側(cè)母線電壓水平分別為542.11 kV和528.26 kV。

采用當(dāng)前國(guó)內(nèi)外廣泛使用的電磁暫態(tài)仿真程序ATP-EMTP和ATPDraw進(jìn)行仿真模型的建立[6]以及仿真分析。

3 興黑線仿真計(jì)算模型的建立

仿真計(jì)算模型的建立過(guò)程通常分為兩步:首先將不需研究的區(qū)域進(jìn)行簡(jiǎn)化;之后選取合適的模型對(duì)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行等值，形成以關(guān)鍵區(qū)域?yàn)橹鞯牡戎岛?jiǎn)化模型。

3.1 區(qū)域簡(jiǎn)化模型

對(duì)非重要區(qū)域進(jìn)行簡(jiǎn)化所依據(jù)的理論是戴維南定理，即把所研究區(qū)域以外的電網(wǎng)等值成一個(gè)電壓源和一個(gè)電抗的串聯(lián)電路?？紤]與興福變相連的幾個(gè)500 kV變電站均是重要的樞紐級(jí)變電站，所以將這些聯(lián)絡(luò)線予以保留，即從這幾個(gè)500 kV變電站的母線開(kāi)始進(jìn)行戴維南等值。另外由于存在220 kV電磁環(huán)網(wǎng)線路，220 kV系統(tǒng)也需進(jìn)行等值簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化后的模型如圖4所示。

圖4 興黑線計(jì)算簡(jiǎn)化模型

3.2 興黑線等值模型方案

方案1:將全線分為6段分別進(jìn)行PI模型等值，線路每個(gè)換相點(diǎn)作為下一段的起點(diǎn)。

方案2:將全線分為6段分別進(jìn)行Bergeron模型等值，線路每個(gè)換相點(diǎn)作為下一段的起點(diǎn)。

考慮每一等值段過(guò)長(zhǎng)會(huì)使仿真結(jié)果產(chǎn)生一定誤差，所以增加兩個(gè)方案。

方案3:將全線分為20段分別進(jìn)行PI模型等值，對(duì)方案1中每個(gè)超過(guò)20 km的段再進(jìn)行細(xì)分，使每段都不超過(guò)20 km。

方案4:將全線分為20段分別進(jìn)行Bergeron模型等值，對(duì)方案2中每個(gè)超過(guò)20 km的段再進(jìn)行細(xì)分，使每段都不超過(guò)20 km。

為了在這4個(gè)方案中選定一個(gè)可行方案，進(jìn)行了小擾動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)。4個(gè)方案中線路端點(diǎn)三相電壓的時(shí)域過(guò)程如圖5所示。

圖5 不同方案的小擾動(dòng)仿真過(guò)程

4個(gè)方案的時(shí)域曲線均略有不同，其中方案1較其它方案差異略大些，可以得知PI模型在線路分段過(guò)長(zhǎng)時(shí)會(huì)對(duì)結(jié)果造成較大誤差，而B(niǎo)ergeron模型則沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題。另外，通過(guò)多次計(jì)算統(tǒng)計(jì)可知，計(jì)算時(shí)間與分段數(shù)目近似呈指數(shù)關(guān)系。綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算速度進(jìn)行方案比較，最終選定方案2作為500 kV興黑線仿真計(jì)算的適用模型。

3.3 模型建立

依據(jù)上述討論的區(qū)域簡(jiǎn)化模型和確定的線路等值模型方案，進(jìn)行興黑線模型的建立。為使線路末端與首端保持相同的相序，便于仿真時(shí)進(jìn)行曲線的比較，在興黑線末端增加了一個(gè)換相元件。在ATPDraw中進(jìn)行了建模。

4 結(jié)語(yǔ)

在總結(jié)經(jīng)典交流線模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合興黑線的具體參數(shù)，討論興黑線的簡(jiǎn)化模型，進(jìn)行了線路方案的比選，并在電磁暫態(tài)仿真程序ATP-EMTP的圖形預(yù)處理程序ATPDraw中，完成了仿真計(jì)算模型的建立。以后可在此模型基礎(chǔ)上開(kāi)展各種穩(wěn)態(tài)和電磁暫態(tài)的分析。

[1]陳錚，蘇進(jìn)喜，吳欣榮，等.基于分布參數(shù)模型的高壓輸電線路故障測(cè)距算法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2000(11):15-18.

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[3]余洪，文明浩.基于貝瑞隆模型的ATP仿真誤差分析[J].繼電器，2007，35(4):14-16.

[4]鄭玉平，吳通華，丁焱，等.基于貝瑞隆模型的線路差動(dòng)保護(hù)實(shí)用判據(jù)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2004，28(23):54-59.

[5]陶海英.基于JMarti模型的500 kV空載線路分閘過(guò)電壓研究[J].江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012(2):14-16.

[6]李明貴，魯鐵成.高壓架空輸電線路雷擊過(guò)電壓的仿真計(jì)算與分析研究之一:輸電線路雷電過(guò)電壓仿真計(jì)算模型的建立[J].廣西電力，2005(4):7-8.