一种机电-电磁暂态混合仿真的暂态电能质量分析系统

摘要

本发明公开了一种机电-电磁暂态混合仿真的暂态电能质量分析系统，所述系统由数据库模块、暂态电能质量功能模块、计算结果模块、图模一体化平台模块四个部分组成，图模一体化平台模块与数据库模块、暂态电能质量功能模块、计算结果模块、分别连接并进行双向数据传递。本发明可用于暂态电能质量仿真评估分析。该系统功能完善，提供了丰富的电能质量模型库，可实现对电压暂降、骤升等各种暂态电能质量问题的仿真计算。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统中关于机电-电磁混合仿真技术领域，具体是一种机电-电磁暂态混合仿真的暂态电能质量分析系统。

背景技术

随着时代进步和科技的飞速发展，现代电网与负荷构成呈现了新的变化趋势，电能质量逐渐成为电力企业和用户共同关心的问题。一方面，随着诸如电气化铁路、电弧炉、电解设备、高压直流输电等非线性和冲击性负荷的不断增长，电网电能质量日趋下降，因电能质量引起的纠纷和电网安全问题时有发生；另一方面，现代电力用户对电能质量提出了更高的要求。20世纪80年代以来，随着现代科技的发展和工业规模的扩大，尤其是以信息技术为先导的知识经济时代的到来，基于微处理器、计算机的各种用电设备(如机器人、自动化生产线、精密数控机床、高精度测量仪器、计算机信息管理系统、可编程逻辑控制器、变频调速设备等)在电力系统中大量投入使用，这些设备对电源的波动以及各种干扰都十分敏感，任何电能质量问题都可能造成产品质量的下降或引起管理秩序的紊乱，造成重大的经济损失和不良的社会影响。据国际会议报告介绍，目前在美国，由于电能质量下降每年所引起的损失高达133亿美元，劣质电能质量带来的巨大经济损失使得人们对其关心程度不断加强。

电能质量仿真评估是基于对评估对象的建模仿真获得的数据，对其各项指标是否满足电能质量相关标准要求进行评估。电能质量仿真评估通常基于电能 质量仿真软件开展。目前，工程上常用的电能质量仿真软件包括电力系统综合分析程序(PSASP)，ETAP和各种时域仿真程序如PSCAD/EMTDC、EMTP、MATLAB等。电力系统综合分析程序(PSASP)仅具有谐波分析功能，且在建模精确度、算法收敛性等方面存在一定的局限性。ETAP软件使用方便，在实际电能质量评估工程中得到广泛应用，但由于不具备电网全网数据无法实现对大电网电能质量的准确仿真。PSCAD/EMTDC、EMTP等时域仿真软件受节点限制，其仿真规模都较小，仅能对局部小电网系统进行分析，因此进行电能质量分析时，必须将局部小电网系统与大电网系统割裂开来，且必须对大电网系统进行等值，等值方法的选择可能造成仿真结果存在较大误差。

已有的电能质量仿真软件无法满足大电网背景下电能质量仿真评估的要求，且不具备暂态电能质量仿真计算功能，因此亟须开发功能更完善的电能质量分析系统，为电网的安全稳定运行提供了强有力的技术支持。

稳态电能质量现象的电压、电流变化相对较慢、持续时间较长，而暂态电能质量现象持续时间短，发生时间具有很大随机性，暂态电能质量仿真需要计算持续时间在毫秒级以内的电压、电流瞬时值变化情况。电力系统仿真分析对不同的动态过程采用不同的仿真方法，主要有电磁暂态仿真和机电暂态仿真。因此对于变化相对缓慢稳态电能质量问题，采用机电暂态仿真即可满足分析要求；而对于暂态电能质量问题，其持续时间短，发生时间具有很大随机性，仿真中需要分析和计算持续时间在毫秒级以内的电压、电流瞬时值变化情况，机电暂态仿真已无法满足此要求，因此采用机电-电磁混合暂态仿真进行仿真分析。

目前常用的电磁暂态仿真程序主要有EMTP、PSCAD/EMTDC、MATLAB等。这些电磁暂态仿真软件虽然能够对各种暂态电能质量进行仿真分析，但是受模型 与算法的限制，其仿真规模都较小，仅能对局部小电网系统进行分析，因此在进行电能质量分析时，必须将局部小电网系统与大电网系统割裂开来，且必须对大电网系统进行等值，等值方法的选择可能造成仿真结果存在较大误差，有一定的局限性。

从上述分析可以看出，单独采用机电暂态或电磁暂态仿真难以满足大电网背景下电能质量仿真分析的要求，因此须采用机电-电磁暂态混合仿真进行电能质量分析。本发明提出一种能够详细分析的元件或区域采用电磁暂态模型，而与其相连的交流大系统采用机电暂态模型，以实现基于机电-电磁暂态混合仿真的电能质量分析系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种机电-电磁暂态混合仿真的暂态电能质量分析系

统。该系统功能完善，提供了丰富的电能质量模型库，可实现对电压暂降、骤升等各种暂态电能质量问题的仿真计算。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下。

一种机电-电磁暂态混合仿真的暂态电能质量分析系统，所述系统由数据库模块、暂态电能质量功能模块、计算结果模块、图模一体化平台模块四个部分组成。图模一体化平台模块与数据库模块、暂态电能质量功能模块、计算结果模块、分别连接并进行双向数据传递。

所述数据库模块包括电网基础数据库、电能质量模型库和电能质量计算数据库，电网基础数据库和电能质量模型库提供数据和模型给电能质量计算数据库。

所述暂态电能质量功能模块内设有不对称谐波潮流计算、三相电压不平衡 计算、电压波动和闪变计算、电压暂降仿真和电压暂升仿真。

所述计算结果模块由电能质量计算结果库、报表发布、单线图显示、曲线浏览组成，其中电能质量计算结果库把计算结果以报表发布、单线图显示、曲线浏览三种形式表现出来。

所述系统的应用或功能：

1)所述暂态电能质量功能模块，该模块能进行电压波动和闪变计算、电压暂降仿真、电压暂升仿真、不对称谐波潮流计算、三相电压不平衡计算，用于计算波动负荷在公共连接点产生的电压波动和闪变，波动负荷在公共连接点产生的电压波动可通过系统参数和负荷参数进行计算，电压暂降仿真、电压暂升仿真中所考虑波动负荷的类型包括：已知三相有功功率和无功功率变化量的负荷、高压电网负荷、平衡三相负荷和相间单相负荷；采用单位闪变曲线法计算波动负荷在公共连接点产生的闪变，根据电压变动d和频度r利用单位闪变曲线查出对应于P_st＝1的电压变动值d_Lim，则其短时闪变值P_st为d/d_Lim。

所述暂态电能质量功能模块，它进行暂态电能质量仿真，用于仿真由短路故障、异步电动机启动等引起的电压暂降和暂升等暂态电能质量问题。采用机电-电磁暂态混合仿真进行暂态电能质量仿真计算。分析方法如下：首先建立网络数据并进行网络分割，需详细分析的元件或重点关注区域附近网络采用电磁暂态模型，而与其相连的交流大系统采用机电暂态模型；然后启动机电暂态-电磁暂态混合仿真，计算由干扰源引起的暂态电能质量特征量，如电压暂降/电压暂升的幅值、持续时间、相位跳变，不对称谐波潮流计算、三相电压不平衡计算，由特征量计算得到相应的分析指标，如电压暂降/暂升的严重性指标、能量指标，为了提高暂态电能质量仿真的方便性，系统开发过程中对机电暂态和电磁暂态仿真功能和界面进行优化设计，形成了暂态电能质量仿真模块。

2)所述计算结果模块能够实现电能质量计算结果输出；用于对电能质量计算结果库的数据进行统计分析，以不同的形式展示给用户。输出形式包括报表发布、单线图显示、曲线浏览；所述报表发布根据用户对仿真结果输出范围、输出内容和输出形式的需求自动生成结果报表，报表中对于计算结果越限的母线或支路，在该母线或支路前增加越限标示以方便用户查看；所述曲线浏览具有计算结果曲线显示、编辑以及比较等多种功能，通过该模块用户可灵活便捷地处理各类计算曲线，还可将曲线导出为图片格式或直接输出到Word文档中；为了直观地评估暂态电能质量问题对敏感设备造成的影响，计算结果以数据点的形式描述在ITIC曲线上。

3)所述图模一体化平台的主要功能如下：一.用户可以通过平台方便地建立电网数据，绘制电网图形，如单线图、地理位置接线图，进行各种电能质量计算；二.真正实现了图模一体化，用户可边绘图边建立数据，也可根据已有数据进行图形自动快速绘制，图形、数据自动对应，所见即所得；三.具备安全的数据架构，进行了层次化的数据保护，保证了电网数据和图形的安全性和一致性；四.采用实时数据库为图形界面显示和分析计算提供快速数据访问途径，从而保证了该系统图形显示和分析计算的高效性；五.具备网络拓扑和网络校验功能，可对各计算模块的计算数据进行数据校验和网络拓扑分析。

本发明的有益效果：

1.本发明主要包括图模一体化平台、基础潮流计算、稳态电能质量仿真、暂态电能质量仿真、电能质量仿真结果输出等模块。该平台的主要功能和特点如下：1)用户可以通过平台方便地建立电网数据，绘制电网图形(单线图、地理位置接线图等)，进行各种电能质量计算。人机界面友好，操作方便；2)真正实现了图模一体化。用户可边绘图边建立数据，也可根据已有数据进行图 形自动快速绘制。图形、数据自动对应，所见即所得；3)具备安全的数据架构，进行了层次化的数据保护，保证了电网数据和图形的安全性和一致性；4)采用实时数据库为图形界面显示和分析计算提供快速数据访问途径，从而保证了该系统图形显示和分析计算的高效性；5)具备网络拓扑和网络校验功能，可对各计算模块的计算数据进行数据校验和网络拓扑分析。

2.电压波动和暂降/暂升、闪变计算：

该模块用于计算波动负荷在公共连接点产生的电压波动和闪变。

波动负荷在公共连接点产生的电压波动可通过系统参数和负荷参数进行计算。仿真评估系统中所考虑波动负荷的类型包括：已知三相有功功率和无功功率变化量的负荷、高压电网负荷、平衡三相负荷和相间单相负荷。

采用单位闪变曲线法计算波动负荷在公共连接点产生的闪变。根据电压变动d和频度r利用单位闪变曲线查出对应于P_st＝1的电压变动值d_Lim，则其短时闪变值P_st为d/d_Lim。

3.暂态电能质量仿真：

该模块用于仿真由短路故障、异步电动机启动等引起的电压暂降和暂升等暂态电能质量问题。

采用机电-电磁暂态混合仿真进行暂态电能质量仿真计算。分析方法如下：首先建立网络数据并进行网络分割，需详细分析的元件或重点关注区域附近网络采用电磁暂态模型，而与其相连的交流大系统采用机电暂态模型；然后启动机电暂态-电磁暂态混合仿真，计算由干扰源引起的暂态电能质量特征量(如电压暂降/暂升的幅值、持续时间、相位跳变)，由特征量计算得到相应的分析指标(如电压暂降/暂升的严重性指标、能量指标)。

为了提高暂态电能质量仿真的方便性，系统开发过程中对机电暂态和电磁 暂态仿真功能和界面进行优化设计，形成了暂态电能质量仿真模块。

4.电能质量仿真评估结果输出：

仿真结果输出模块用于对电能质量计算结果库的数据进行统计分析，以不同的形式展示给用户。输出形式包括报表发布、单线图显示、曲线浏览。

报表发布系统根据用户对仿真结果输出范围、输出内容和输出形式的需求自动生成结果报表，报表中对于计算结果越限的母线或支路，在该母线或支路前增加越限标示以方便用户查看。

曲线浏览模块具有计算结果曲线显示、编辑以及比较等多种功能，通过该模块用户可灵活便捷地处理各类计算曲线，还可将曲线导出为图片格式或直接输出到Word文档中。为了直观地评估暂态电能质量问题对敏感设备造成的影响，仿真结果以数据点的形式描述在ITIC曲线上。

附图说明

图1是本发明机电-电磁暂态混合仿真的暂态电能质量分析系统结构示意图。

图中，数据库模块1、暂态电能质量功能模块2、计算结果模块3、图模一体化平台模块4。

图2是某地区电网结构示意图。

图3三相短路试验S6站220kV母线电压波形。

图4两相短路试验S6站220kV母线电压波形。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

本发明机电-电磁暂态混合仿真的暂态电能质量分析系统结构如图1所示：一种机电-电磁暂态混合仿真的暂态电能质量分析系统，所述系统由数据库模块1、暂态电能质量功能模块2、计算结果模块3、图模一体化平台模块4四个部分组成。图模一体化平台模块4与数据库模块1、暂态电能质量功能模块2、计算结果模块3、分别连接并进行双向数据传递。

所述数据库模块1包括电网基础数据库、电能质量模型库和电能质量计算数据库，电网基础数据库和电能质量模型库提供数据和模型给电能质量计算数据库。

所述暂态电能质量功能模块2内设有不对称谐波潮流计算、三相电压不平衡计算、电压波动和闪变计算、电压暂降仿真和电压暂升仿真。

所述计算结果模块3由电能质量计算结果库、报表发布、单线图显示、曲线浏览组成，其中电能质量计算结果库把计算结果以报表发布、单线图显示、曲线浏览三种形式表现出来。

所述系统的应用或功能：

1)所述暂态电能质量功能模块2，该模块能进行电压波动和闪变计算、电压暂降仿真、电压暂升仿真、不对称谐波潮流计算、三相电压不平衡计算，用于计算波动负荷在公共连接点产生的电压波动和闪变，波动负荷在公共连接点产生的电压波动可通过系统参数和负荷参数进行计算，电压暂降仿真、电压暂升仿真中所考虑波动负荷的类型包括：已知三相有功功率和无功功率变化量的负荷、高压电网负荷、平衡三相负荷和相间单相负荷；采用单位闪变曲线法计算波动负荷在公共连接点产生的闪变，根据电压变动d和频度r利用单位闪变曲线查出对应于P_st＝1的电压变动值d_Lim，则其短时闪变值P_st为d/d_Lim。

所述暂态电能质量功能模块2，它进行暂态电能质量仿真，用于仿真由短 路故障、异步电动机启动等引起的电压暂降和暂升等暂态电能质量问题。采用机电-电磁暂态混合仿真进行暂态电能质量仿真计算。分析方法如下：首先建立网络数据并进行网络分割，需详细分析的元件或重点关注区域附近网络采用电磁暂态模型，而与其相连的交流大系统采用机电暂态模型；然后启动机电暂态-电磁暂态混合仿真，计算由干扰源引起的暂态电能质量特征量，如电压暂降/电压暂升的幅值、持续时间、相位跳变，不对称谐波潮流计算、三相电压不平衡计算，由特征量计算得到相应的分析指标，如电压暂降/暂升的严重性指标、能量指标，为了提高暂态电能质量仿真的方便性，系统开发过程中对机电暂态和电磁暂态仿真功能和界面进行优化设计，形成了暂态电能质量仿真模块。

2)所述计算结果模块3能够实现电能质量计算结果输出；用于对电能质量计算结果库的数据进行统计分析，以不同的形式展示给用户。输出形式包括报表发布、单线图显示、曲线浏览；所述报表发布根据用户对仿真结果输出范围、输出内容和输出形式的需求自动生成结果报表，报表中对于计算结果越限的母线或支路，在该母线或支路前增加越限标示以方便用户查看；所述曲线浏览具有计算结果曲线显示、编辑以及比较等多种功能，通过该模块用户可灵活便捷地处理各类计算曲线，还可将曲线导出为图片格式或直接输出到Word文档中；为了直观地评估暂态电能质量问题对敏感设备造成的影响，计算结果以数据点的形式描述在ITIC曲线上。

3)所述图模一体化平台4的主要功能如下：一.用户可以通过平台方便地建立电网数据，绘制电网图形，如单线图、地理位置接线图，进行各种电能质量计算；二.真正实现了图模一体化，用户可边绘图边建立数据，也可根据已有数据进行图形自动快速绘制，图形、数据自动对应，所见即所得；三.具备 安全的数据架构，进行了层次化的数据保护，保证了电网数据和图形的安全性和一致性；四.采用实时数据库为图形界面显示和分析计算提供快速数据访问途径，从而保证了该系统图形显示和分析计算的高效性；五.具备网络拓扑和网络校验功能，可对各计算模块的计算数据进行数据校验和网络拓扑分析。

实施例1

某地区电网以220kV网络为主干网架，通过2回500kV线路与主网相连，其结构如图2所示。图中S7为某高压开关设备制造厂的220kV开关试验变电站，拟通过单回线路接入S6变电站。

S7试验变电站主要用于开展110 kV及以下电压等级高压开关产品的动稳定、热稳定试验。开关试验采用直接短路试验回路或合成短路试验回路，以电网为试验电源，人为制造三相短路或两相短路，短路试验会引起接入点及邻近变电站母线发生电压暂降，影响电力系统的安全稳定运行。

基于所开发的电能质量仿真评估系统对S7试验变电站接入系统引起的电压暂降问题进行分析。仿真中对重点研究区域：S7试验变电站和S6变电站及其110kV供电区采用电磁暂态模型(如图3中虚线框所示)，对电网其他区域采用机电暂态模型。在S7变电站短路试验变压器低压侧设置短路故障模块来模拟开关试验过程。仿真中热稳定试验电流有效值设置为63kA，试验电压分别设置为3.5kV、6kV、7.5kV、9kV、12kV，以考核不同试验容量对系统电压的影响。

三相短路试验和两相短路试验时S6变电站220kV母线三相电压波形分别如图3和图4所示。从图中可以看出220kV母线电压发生暂降，暂降持续时间为0.08s。不同试验电压下S6变电站220kV母线电压暂降幅值如表1所示，其中2013年和2015年S6变电站220kV母线短路容量分别为14182MVA和 12564MVA。

表1 三相短路试验220kV母线电压暂降幅值(pu)

从表1的仿真结果可以看出，短路试验对系统电压暂降幅值的影响程度与短路试验容量以及系统接入点短路容量有关。相同试验电流情况下，试验电压越高，系统电压暂降幅值越低。2013年试验电压为12kV时三相短路试验将造成S6变电站220kV母线电压发生暂降，幅值为0.881pu。由于2015年S6站220kV母线短路容量降低，母线电压暂降幅值均略低于2013年的暂降幅值，这表明随着系统接入点短路容量的减小，短路试验对系统电压暂降的影响增大。