考慮風(fēng)偏閃絡(luò)的電力系統(tǒng)故障場(chǎng)景仿真方法研究

陳立征,姚樹(shù)國(guó),施嘯寒

(1.山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250101;2.山東大學(xué) 電網(wǎng)智能化調(diào)度與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東 濟(jì)南 250061)

0 引 言

自然氣象條件很容易對(duì)電網(wǎng)的輸電線路造成影響[1-2],其中,強(qiáng)風(fēng)氣象對(duì)輸電線路的影響更為廣泛:風(fēng)速?gòu)?qiáng)勁時(shí),容易發(fā)生斷線倒塔故障[3-4];風(fēng)速較強(qiáng)時(shí),線路會(huì)出現(xiàn)舞動(dòng)現(xiàn)象[5-6];風(fēng)速相對(duì)較輕時(shí),絕緣子串發(fā)生風(fēng)偏現(xiàn)象[7-9]。另外,上述因強(qiáng)風(fēng)引起的故障以及現(xiàn)象也有可能致使電力網(wǎng)絡(luò)發(fā)生永久性故障,進(jìn)而對(duì)電網(wǎng)中的電力設(shè)備造成損壞[10-11]。在因?yàn)轱L(fēng)引發(fā)的故障中,最易發(fā)生的是風(fēng)偏現(xiàn)象,容易觸發(fā)閃絡(luò)故障。

傳統(tǒng)的風(fēng)偏角計(jì)算模型是基于靜態(tài)受力平衡的剛性直桿模型法[12-13],計(jì)算時(shí),將空氣密度看作標(biāo)準(zhǔn)值,并未考慮動(dòng)態(tài)風(fēng)的影響。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)風(fēng)偏角計(jì)算模型以及風(fēng)偏故障后的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性仿真模擬進(jìn)行了許多相關(guān)研究。文獻(xiàn)[14]中在剛性直桿模型法的基礎(chǔ)上提出了一種懸垂絕緣子串的動(dòng)態(tài)風(fēng)偏角的計(jì)算方法,然后使用ANSYS仿真平臺(tái)對(duì)模型進(jìn)行仿真,證明了方法的可行性,作者在計(jì)算時(shí)并沒(méi)有考慮時(shí)空特性的影響。也有學(xué)者針對(duì)于特定情況下的風(fēng)偏閃絡(luò)現(xiàn)象進(jìn)行了分析;文獻(xiàn)[15]模擬了一種在風(fēng)雨條件下的輸電線路風(fēng)偏閃絡(luò)現(xiàn)象,作者在文中提出了一種提高風(fēng)偏角計(jì)算精度的算法,并根據(jù)風(fēng)偏閃絡(luò)現(xiàn)象的仿真結(jié)果提出了相應(yīng)的預(yù)防措施;文獻(xiàn)[16]中,作者采用蒙特卡羅方法對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行模擬,并基于剛體直桿法和模糊數(shù)學(xué)方法,建立了輸電線路順風(fēng)偏跳閘概率的計(jì)算模型,最后通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了所提方法的有效性和合理性;文獻(xiàn)[17]中作者深入研究了風(fēng)偏的機(jī)理,給出了一種基于風(fēng)偏角的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法;在文獻(xiàn)[18]中,作者模擬了特定臺(tái)風(fēng)情景下的輸電線路風(fēng)偏的影響以及其故障特點(diǎn),但是兩位作者均未考慮時(shí)空特性的影響;在文獻(xiàn)[19]中,作者提出了一種新的風(fēng)偏檢測(cè)計(jì)算方法-基于絕緣子串上下坐標(biāo)法,并且進(jìn)行了大量的模擬仿真實(shí)驗(yàn),也在特定的氣象條件下進(jìn)行了模擬分析,但是作者還是沒(méi)有考慮未考慮時(shí)空特性的影響以及最重要的風(fēng)速變化的情況下線路所受到的影響;在文獻(xiàn)[20]中,作者通過(guò)PSASP仿真平臺(tái)建模對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算以及分析,但是文章沒(méi)有對(duì)故障相關(guān)變化量進(jìn)行詳細(xì)分析;在文獻(xiàn)[21]中,作者主要對(duì)PSASP軟件的結(jié)構(gòu)以及使用方法進(jìn)行了介紹,最后通過(guò)建立電網(wǎng)模型進(jìn)行潮流計(jì)算與暫態(tài)穩(wěn)定性計(jì)算進(jìn)行仿真分析;在文獻(xiàn)[22]中,作者以漢中電網(wǎng)為例,利用PSASP軟件對(duì)電網(wǎng)模型進(jìn)行計(jì)算并分析了其靜態(tài)穩(wěn)定性,三位作者并未對(duì)引起故障的原因仿真模擬。

1 考慮動(dòng)態(tài)過(guò)程以及時(shí)空特性的風(fēng)偏角計(jì)算模型

1.1 輸電線路風(fēng)偏機(jī)理

在架空輸電線路設(shè)計(jì)之初,需要對(duì)考慮輸電線路的跳閘事故,而在一定的時(shí)空條件影響下,輸電線路最易發(fā)生風(fēng)偏跳閘,最直接的原因是絕緣子串的風(fēng)偏角過(guò)大,那么在工程人員設(shè)計(jì)之初就需要對(duì)輸電線路以及懸垂絕緣子串所承受的荷載進(jìn)行荷載計(jì)算。兩者在進(jìn)行荷載計(jì)算時(shí)需要考慮水平以及垂直兩個(gè)方向。本文中將風(fēng)看作全時(shí)域的動(dòng)態(tài)風(fēng),并且考慮轉(zhuǎn)化為垂直線路方向的作用。

1.2 時(shí)空特性對(duì)風(fēng)偏的影響機(jī)理

線路水平方向的荷載除了與風(fēng)速有關(guān)外,還與時(shí)空特性的影響有關(guān),在此我們將周?chē)h(huán)境的溫濕度變化情況以及風(fēng)向的變化情況統(tǒng)稱(chēng)為時(shí)空特性。傳統(tǒng)的風(fēng)偏角計(jì)算模型在對(duì)線路以及絕緣子串水平荷載進(jìn)行計(jì)算的時(shí)將空氣密度看作標(biāo)準(zhǔn)值處理。根據(jù)氣象學(xué)知識(shí)可知,空氣密度的表達(dá)式為

(1)

公式中:T為周?chē)h(huán)境溫度的大小,℃;P為大氣壓強(qiáng)大小,hPa;e為飽和水汽壓的大小,hPa。

水汽壓的大小難以真實(shí)測(cè)得,一般我們所能知道的都是由氣象部門(mén)專(zhuān)門(mén)測(cè)出的空氣的相對(duì)濕度,而空氣相對(duì)濕度的大小等于相同的空氣溫度條件下水汽壓占飽和氣壓的百分比;若想知道水汽壓的大小,可采用下式進(jìn)行計(jì)算:

(2)

公式中:r為周?chē)h(huán)境相對(duì)濕度的大小,以百分比的形式表示。

1.3 風(fēng)偏角計(jì)算模型

本文在進(jìn)行絕緣子串風(fēng)偏角計(jì)算時(shí),采用傳統(tǒng)的剛性直桿模型法,但是針對(duì)風(fēng)速以及荷載計(jì)算時(shí)出現(xiàn)的空氣密度值采用全時(shí)域的風(fēng)速以及實(shí)時(shí)的空氣密度值大小。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 剛性直桿模型法Fig.1 Rigid straight bar model method

圖1中Ft為線路的水平荷載;Fp為絕緣子串的水平荷載;Gt為線路垂直方向的荷載;Gp為絕緣子串的垂直方向的荷載。把作用于懸垂絕緣子串的水平風(fēng)力和垂直受力分解,可得其受力分析如圖2所示。

圖2 分解后受力分析Fig.2 Force analysis after decomposition

分析可得風(fēng)偏角φ可表示為

(3)

(4)

公式中:m為輸電線路固有屬性;v為風(fēng)速,m/s;ρ為空氣密度值,kg/m3。

2 風(fēng)偏閃絡(luò)故障建模

2.1 風(fēng)偏閃絡(luò)原理

風(fēng)偏閃絡(luò)的主要原因是風(fēng)速過(guò)大致使絕緣子串的風(fēng)偏角過(guò)大,如果風(fēng)偏角過(guò)大即超過(guò)設(shè)計(jì)限定值,會(huì)造成絕緣子串與桿塔之間的空氣間隙減小,當(dāng)此間隙小于最小設(shè)定空氣間隙距離時(shí)會(huì)發(fā)生風(fēng)偏閃絡(luò)現(xiàn)象,繼電保護(hù)裝置動(dòng)作。本文將時(shí)空特性中的溫濕度表示為隨時(shí)間變化的函數(shù),將風(fēng)速用一組大小隨機(jī)變化的量體現(xiàn)出來(lái)。實(shí)時(shí)模擬仿真時(shí)間段內(nèi)每一分鐘內(nèi)的風(fēng)速以及空氣密度值,并由此計(jì)算出時(shí)間段內(nèi)所有的風(fēng)偏角大小。將得到的風(fēng)偏角大小于設(shè)計(jì)值相比較,并根據(jù)相應(yīng)的概率模型判斷風(fēng)偏閃絡(luò)現(xiàn)象是否發(fā)生。

2.2 風(fēng)偏閃絡(luò)概率

模擬線路的風(fēng)偏閃絡(luò)故障,發(fā)生概率分別為P,可以近似認(rèn)為線路風(fēng)偏閃絡(luò)與線路故障率之間是線性關(guān)系,即

(5)

公式中:φi為風(fēng)偏角在第i分鐘的大小。

動(dòng)幅值與故障率關(guān)系如圖3所示:

圖3 動(dòng)幅值與故障率關(guān)系Fig.3 Relationship between dynamic amplitude and fault probability

圖4 仿真流程圖Fig.4 Simulation flow chart

將上述過(guò)程在仿真平臺(tái)Matlab中通過(guò)編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn),并通過(guò)圖像顯示出結(jié)果。

2.3 仿真流程圖

3 實(shí)例分析

現(xiàn)已知某220 kV輸電線路的一部分,位于開(kāi)闊地區(qū),輸電線路為四分裂導(dǎo)線,導(dǎo)線的型號(hào)及數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 輸電線路數(shù)據(jù)Tab.1 Electric transmission line data

設(shè)計(jì)數(shù)據(jù):兩桿塔之間的檔距為L(zhǎng)p=120 m,導(dǎo)線距地面高度為30 m,近二十年的以每十分鐘為間隔的最大風(fēng)速為16.5 m/s,常年基本無(wú)覆冰情況(在本文中不考慮),由近二十年的氣象數(shù)據(jù)分析,此處的年平均氣溫為15 ℃,年平均最高氣溫為41.5℃,輸電線路桿塔選用酒杯型桿塔。絕緣子串的型號(hào)相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 絕緣子串?dāng)?shù)據(jù)Tab.2 Insulator string data

空氣間隙數(shù)據(jù)中m=10.5m,n=6m,η=98.5°。

通過(guò)計(jì)算可知,允許最大風(fēng)偏角為φ=46.5°。已知此段輸電線路所處環(huán)境于某年某月某日遭遇大風(fēng)和降雨影響,現(xiàn)通過(guò)信息檢測(cè)系統(tǒng)知從上午8 h到10 h的氣象數(shù)據(jù)變化關(guān)系,現(xiàn)對(duì)這個(gè)220 kV線路在PSASP平臺(tái)上進(jìn)行仿真并且對(duì)故障前后的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

3.1 基于Matlab仿真平臺(tái)下的風(fēng)偏閃絡(luò)模擬

在Matlab仿真平臺(tái)上將上述改進(jìn)的考慮時(shí)空特性影響的風(fēng)偏角計(jì)算模型通過(guò)編程語(yǔ)言體現(xiàn)出來(lái)。將時(shí)空特性中的溫濕度表示為隨時(shí)間變化的函數(shù),將風(fēng)速的大小用一組隨機(jī)變量的大小體現(xiàn)出來(lái)。以兩個(gè)小時(shí)的時(shí)間長(zhǎng)度為例,每分鐘取得一個(gè)變化的量,運(yùn)行程序,可得兩個(gè)小時(shí)內(nèi)的風(fēng)速變化以及考慮時(shí)空特性下的風(fēng)偏角大小變化如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 實(shí)時(shí)風(fēng)速變化Fig.5 Actual time wind speed change

圖6 實(shí)時(shí)風(fēng)向角大小Fig.6 Actual time wind direction angle size

圖7 實(shí)時(shí)風(fēng)偏角大小Fig.7 Actual time windage angle size

在Matlab仿真平臺(tái)上再建立另一個(gè)程序,基于上述得到的風(fēng)偏角大小,與實(shí)際在安裝時(shí)所允許的風(fēng)偏角大小進(jìn)行比較,以此準(zhǔn)確判斷風(fēng)偏閃絡(luò)現(xiàn)象的發(fā)生時(shí)間。風(fēng)偏角大小大于限定值的時(shí)候,此時(shí)電力系統(tǒng)發(fā)生風(fēng)偏閃絡(luò)故障,相應(yīng)的繼電保護(hù)裝置會(huì)發(fā)出動(dòng)作,一般會(huì)發(fā)生跳閘現(xiàn)象。運(yùn)行這個(gè)程序,可得結(jié)果如表3所示。

表3 風(fēng)偏故障程序運(yùn)行結(jié)果Tab.3 Operation results of windage yaw fault program

3.2 基于PSASP仿真平臺(tái)下的閃絡(luò)故障仿真

在PSASP平臺(tái)下搭建相應(yīng)工程,選取其中一區(qū)域?qū)︼L(fēng)偏閃絡(luò)故障進(jìn)行仿真模擬。工程案例圖如圖8所示。

圖8 案例單線圖Fig.8 Case single-line diagram

案例圖為某36節(jié)點(diǎn)的220 kV網(wǎng)絡(luò),基準(zhǔn)容量為100 MVA,共十個(gè)發(fā)電機(jī),圖8中既有電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定調(diào)節(jié)器,也有一定數(shù)量的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。

將Matlab中的風(fēng)偏故障仿真結(jié)果在PSASP中搭建的工程圖體現(xiàn)出來(lái)。在BUS16節(jié)點(diǎn)處設(shè)置故障信息,規(guī)定8.500時(shí)為仿真的0時(shí)刻,并將第7 s設(shè)置為線路1故障時(shí)刻,對(duì)主要節(jié)點(diǎn)變化情況進(jìn)行分析。輸出結(jié)果如圖9所示。

圖9 故障線路母線電壓變化情況Fig.9 Change of bus voltage of fault line

3.3 閃絡(luò)故障仿真結(jié)果分析

觀察圖9的仿真結(jié)果,在第1 s與第7 s時(shí),故障母線電壓開(kāi)始變化,這兩個(gè)時(shí)刻分別因風(fēng)偏角變大導(dǎo)致了線路2及線路1發(fā)生單相接地故障,在這兩個(gè)時(shí)刻相當(dāng)于系統(tǒng)接入較大的負(fù)荷。全網(wǎng)的最低電壓出現(xiàn)在故障母線處,標(biāo)幺值為0.478;但是故障后系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置立刻動(dòng)作,并且電力系統(tǒng)穩(wěn)定調(diào)節(jié)器開(kāi)始工作,系統(tǒng)會(huì)逐漸過(guò)渡到新的穩(wěn)定狀態(tài)。觀察圖10中發(fā)電機(jī)功角的變化可知,在故障發(fā)生時(shí)緩慢出現(xiàn)變化并在繼電保護(hù)裝置動(dòng)作后逐漸恢復(fù)穩(wěn)定性,主要是由于發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子有較大的物理慣性,而且系統(tǒng)本身具有一定的穩(wěn)定調(diào)節(jié)能力。

圖10 發(fā)電機(jī)功角變化情況Fig.10 Generator power angle change

通過(guò)此算例,驗(yàn)證了本研究提出的仿真方法的可行性。通過(guò)Matlab仿真能夠得到相應(yīng)的風(fēng)偏情況并生成相應(yīng)的故障集,并在PSASP仿真中進(jìn)行擾動(dòng)設(shè)置,得到最終電力系統(tǒng)的穩(wěn)定仿真結(jié)果。

4 結(jié) 論

針對(duì)極端氣象頻發(fā)導(dǎo)致的風(fēng)偏閃絡(luò)現(xiàn)象在電網(wǎng)中出現(xiàn)頻率增加的現(xiàn)狀,在Matlab平臺(tái)中建立了考慮時(shí)空特性的風(fēng)偏角計(jì)算模型,并提出了風(fēng)偏影響下電網(wǎng)輸電線路故障集生成方法,以及基于PSASP平臺(tái)的風(fēng)偏閃絡(luò)故障仿真方案,并通過(guò)算例驗(yàn)證了仿真方法的可行性。本研究成果能夠?yàn)闃O端氣象尤其是風(fēng)偏閃絡(luò)對(duì)電網(wǎng)的危害提供研究方法,在后續(xù)研究中通過(guò)考慮各類(lèi)自動(dòng)控制措施介入的仿真實(shí)現(xiàn),評(píng)價(jià)控制方案的效果。