（电力系统及其自动化专业论文）dts网络拓扑变化快速计算.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文d t s 网络拓扑变化快速计算， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：l 生墅 日期：塑! r ! ! 兰! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、 缩印或其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借 阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用 不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 尘量埤 导师签名 日 期：垫! 生：! ! ：丝 日 期：坦生! ! ：鲨： 华北i b 力人学琐j 毕业论文 1 1 研究的目的和意义 第一章引言 随着电力工业的发展，电网的规模不断扩大、接线越来越复杂，容量和覆盖的 范围越来越大。电力系统的安全、可靠、经济运行在国民经济和人民生活中占有越 来越重要的地位。电网调度员是电力全系统运行、操作的监督与执行者。随着电网 规模的扩大，调度工作日趋繁重，当电网发生故障时，要求调度员迅速做出正确判 断。并给出相应的处理措施，及时恢复系统的正常运行，这就要求调度员具有足够 的理论知识和丰富的实践经验，调度员的错误判断与命令往往会危及全电网的安 全。在事故时可能会造成事故扩大、大面积停电，给国民经济带来重大损失。因此 世界各国对调度员的素质要求都很高，强调对调度员的职业培训。 由于现代电网运行水平的提高，调度员处理大事故的机会很少，很难积累起丰 富的实践经验，对年轻的调度员更是如此。电力系统调度员培训仿真系统( d t s ) 是对电力系统真实的数学模型，调度员可以在上面进行各种操作，增加对电力系统 特性的感性认识，积累电力系统运行的宝贵经验，特别是事故处理的经验。使调度 员学习到通过电网的监控系统( s c a d a ) 了解电力系统运行工况并控制电力系统的 知识。电网调度员培训模拟自7 0 年代米在美国出现以来，以其在培训、电网研究、 事故分析等各方面的卓越功能在全世界电力行业中得到了广泛的应用。自9 0 年代 初开始，这一高新技术先后在我国东北、华北、浙江等地电网的运行生产中得到实 际使用。 d t s 实质是一个复杂的计算机系统，用数字方程模拟电力系统行为，用s c a d a 模拟系统完成d t s 数据收集及监控过程。通过彩显，m m i 系统与学员交换信息与 命令，其过程如图1 1 。 华北电力大学硕士毕业论文 图i 1 d t s 软件结构主要包括： ( 1 ) 潮流计算。 ( 2 ) 网络拓扑。 ( 3 ) 电力系统暂态与中长期过程全仿真程序。 ( 4 ) 保护与自动装置模拟。 ( 5 ) 故障模型等。 随着d t s 的日益普及和计算机技术突飞猛进的发展，d t s 的内涵及使用领域不 断扩大。目前，d t s 不仅用于调度员的培训，以提高调度员的水平，而且要作为电 网运行支持人员和决策人员的研究工具，如运行方式人员通过d t s 制定合理的运行 方式，以便研究电网的特殊运行方式，对规划中的电网进行研究分析：机电保护人 员通过d t s 进行合理的机电保护整定配置、反事故措施的研究，利用远程通信，在 上下级调度配置远程终端进行协调性培训和联合反事故演习等。因此，d t s 需要全 面仿真电力系统的稳态及动态运行状况，特别是事故情况下的电力系统的稳态及动 念运行情况。 网络拓扑分析的任务是处理开关信息的变化，形成新的网络接线，是各种网络 分析软件的基础，其本质就是把用节点描述的物理模型转换成用母线描述的数学模 型，给出有关的应用程序，如状态估计、潮流调度、安全分析等，提供新结线方式 下的信息与数据。对它的主要要求就是可靠、快速。 2 华北电力大学硕士毕业论文 d t s 程序中，动态网络拓扑计算程序主要针对电力网络出现的故障现象进行实 时的网络结构变化，同时在故障后指定的时间内的每个步长中检测是否有元件动 作，然后根据网络中自动化设备的反应和调度员的指令( 如投切负荷、发电机等) ， 对网络中发生的倒闸操作、断路器断开、重合闸等一系列动作进行相应的模拟，并 根据实际情况对导纳矩阵进行相应的修改，然后将所求得的导纳矩阵用于网络状态 计算。由于d t s 中面临的主要是大系统复杂网络的运算，因此它的节点导纳矩阵相 当庞大，要完成上面的工作往往需要处理大量的数据。另一方面d t s 又要求具有实 时性，即是说在动态网络拓扑部分每一个步长内都可能需要完成很大的运算量，同 时还要给后面的网络状态计算留出足够的时间。因此能否在较短的时间内完成动态 网络拓扑运算直接关系到整个程序的运算速度，也直接影响到d t s 程序的性能。为 此，需要在动态网络结构计算的各个环节采取相应的措施，在不影响精确度的前提 下降低计算量，减少计算时间。同时d t s 还要求与实际系统的控制、操作过程的真 实性，因此对倒闸操作、断路器操作等动作的模拟是否能体现实际情况，关系到了 d t s 程序的实用性。寻找到更好的处理这些问题的方法，对d t s 程序的开发，d t s 技术的进一步完善有着重要的意义。 1 2 国内外研究现状综述 1 2 1 d t s 发展情况 调度员培训仿真的概念早在1 9 7 2 1 9 7 3 年w i s s c o s i n 电力公司能量管理系统 ( e m s ) 的设计中就形成了。1 9 7 7 年，美国发生多超大面积停电事故，造成了重大 的经济损失，引起了人们对反事故措施研究及调度员培训的高度重视。，1 9 7 8 年春， 美国电力科学研究院组织了第一次电力系统调度员培训模拟研讨会，随后d t s 技术 得到了飞速的发展。 国外d t s 技术发展的几个阶段： ( 1 ) 7 0 年代中以c d c 1 7 位硬件平台的c d c 系统。电力系统模拟基于潮流 解法。 ( 2 ) 8 0 年代以小型几位硬件平台的系统。电力系统模拟以长过程仿真为基础。 同时8 0 年代也是d t s 在世界范围内逐步得到采用的大发展年代。 ( 3 ) 9 0 年代初，计算机系统大多以分布式工作站组成开放系统。在软件上美 国等都正在致力于把电力系统暂态过程的考虑放到d t s 系统中去。 我国调度员培训仿真工作起步较晚。目前，国内d t s 用户主要为网省调和大中 型地调，其中有少量进口系统。国产d t s 根据与s c a d a e m s 的关系，可分为统 一平台的一体化系统和不同平台的异构系统，异构系统中有与国外e m s 系统接口 的，有与国内不同e m s 厂家接口的。国内d t s 的最早产品是东北网调d t s 、华北 3 华北电力大学硕+ 毕业论文 网调d t s 和华东网调d t s ，前二者可以认为是第一代的，分别由清华大学和中国电 科院开发，华东网调d t s 由于加入了全网继电保护的逻辑判断和电力系统全动态过 程仿真，可认为是是第二代的，由南京电自院开发。这三套系统都是在引进系统上 另外开发的独立型d t s ，包括静态仿真和动态仿真，为国内d t s 的研究和建设取得 了宝贵的经验。目前，早期的东北和华北的d t s 己经退役，华东d t s 升级后还在 运行，成为华东电网联合反事故演习不可缺少的工具。从这几套系统的运行情况看， 异构系统数据维护和教案生成比较困难，需要开发单位协助用户的专责维护人员才 能正常使用d t s 。在d t s 的发展过程中也存在一些问题。国内外d t s 在动态仿真、 培训评估和实用性等方面的实现比较困难。 文献【1 1 中，阐述了d t s 系统的基本构成和功能，d t s 的支持系统包括系统软件、 数据库、画面、网络等，是保证实现d t s 功能的基础，d t s 的灵活性和方便性依赖 于支持系统，d t s 功能的可扩展性也部分依赖于支持系统。通过文献所提出的观 点，d t s 所应该实现的功能应包括d t s 功能包括电网仿真功能、s c a d a e m s 仿 真功能和教员控制功能。其中电网仿真功能包含电网稳态仿真和电网全仿真，电网 全仿真包含了暂态过程和中长期过程。而要实现动态全过程仿真，所需要应用的技 术包括： a 快速的拓扑分析； b 稀疏技术的运用； c 统一的暂态、中长期动念全过程仿真计算技术。 电力系统是非常复杂的大系统，在电力系统中又有各种复杂的物理现象。电力 系统中电磁暂态极快，此同步谐振次之，机电过程的暂态和动态稳定时间可持续几 秒，而长过程则处理机电暂态以后的长时阳j 动态过程。以目前我国电力发展的实际 情况，要求建立d t s 全过程仿真，即对电力系统中暂态、中期及长过程有机的统一 起来进行真实的数学模拟。关于这方面的问题，文献f 2 】也提出，d t s 的发展趋势应 该向着：模块化、可视化、自适应化的方向发展，同时还提到了在分析电力系统动 态过程时，动态过程暂态和中长期动态模型之间的转换的问题。 总体看来d t s 硬件技术的发展与计算机技术的发展是密切相关的，硬件配置出 单机系统向多机系统发展，由最初的动态潮流计算，发展到包括中、长期动态甚至 机电暂态过程的仿真研究。本文的快速网络拓扑计算就是应用于d t s 动态过程仿真 计算的。 1 2 2 导纳矩阵的快速变换问题综述 电网事故后的动态过程计算及中长期模拟一直是d t s 的热门研究课题，具有重 要的实用价值，它是模拟在电网发生异常和故障的情况下整个电网的运行情况，为 调度员提供故障信息，并根据调度员的事故处理对电网结构再次进行修改，并模拟 4 华北电力人学硕士毕业论文 其运行情况，从而顺利完成整个反事故演习的功能。但是由于要实现动态过程仿真， 存在着模型复杂、需要考虑电网零序及负序网络、收敛性要求较高等问题，要在保 证精度的前提下快速的完成计算是非常困难的。而d t s 能否实时、准确的显示出动 态过程中每一步长内电网的运行情况，直接关系到整个d t s 系统的性能。在修改电 网导纳矩阵部分，采用各种优化手段，减少运算花费的时间，并简化之后的微分计 算，对提高整个动态过程运算具有相当重要的意义。因此，对如何快速修正电网导 纳矩阵，并减少动态过程计算的运算量，国内外都有较多的研究。 在文献 3 1 中关于导纳矩阵的优化，电网结构的简化提出了很多的方法。由于 电网导纳矩阵是零元素很多的稀疏矩阵，分解后得到的三角矩阵般也是稀疏矩 阵。为了节约内存既避免在计算机内对零元素的运算，在计算机内存中只储存三角 矩阵中的非零元素。因此，三角矩阵中菲零元素的个数对内存的需要量及程序的计 算速度都有直接的影响。文献i j 中提出在形成导纳矩阵之前根据节点连接支路的个 数对网络节点的编号进行优化，以减少非零元素的个数。文献1 3 】中还提到，在电力 系统计算中，通常需要对电力网络节点方程反复求解。消去联络节点以后，就可以 减少电力网络节点方程的阶数，从而减少了求解网络节点方程的运算量，提高计算 速度。这一系列的方法都是经典的导纳矩阵优化方法，本文即是在这些方法的基础 上进行的进一步探讨。 文献【4 】提出了一种大电力系统的短路研究的并行处理技术。短路电流计算中如 能求出节点阻抗矩阵中与故障点相关的一列元素，则故障时的网络节点电压、短路 电流等量即可容易地求得。文中提到利用分割理论将大系统分割成适当的子系统， 形成各子系统的节点导纳矩阵，最后得到阻抗矩阵中与故障点相关的列元素。在此 过程中，某些计算步骤可用分布式计算机群或互联运行的微计算机并行运算，也可 采用单台计算机对被分解的子系统顺序求鳃，因而避免了“维数灾难”，用以提 高运算速度。根据电网结构巨大的实际情况，在很多大型的d t s 程序中都使用了像 分块算法这类简化电网结构的方法。但是结合本文的主要任务，考虑到并行处理方 法是局部的优化，在网络发生变化时，对网络拓扑的搜索运算造成麻烦，而且对修 改导纳矩阵时的优化计算效果有影响，因此本文中并未采用这种方法。 而文献f 5 】贝0 通过与电力系统并行算法的比较，提出了基于稀疏向量技术的大树 枝因子表路径法( 简称大树枝法) ，由于大树枝法先进行整体节点优化，然后画出 因子表树，对结构复杂的网络有较大优势，同时实现方法比较简单。 文献【6 l 中提出了在分块算法中线路短路时，将线路上的短路点故障电流等值转 移到该线路端点，并综合应用修正节电电流源和短路点列阻抗元素的方法，对网络 故障时的一些具体问题有一定的应用价值。 文献j 中提出了一种能有效跟踪随机开关状态变化的因子表快速局部修正法。 其主要方法是将开关状态变化后的系数阵节点分成5 类：无变化节点、被增加节点、 s 华j b 电力大学硕士毕业论文 被删除节点、直接变化节点与间接变化节点，然后根据电网物理节点的类型进行因 子表的修正。这种方法对各种形式的由单个或多个开关状态变化所引起的系数阵的 结构性或非结构性变化，一次性形成囊括所有需修正节点的路径树及节点取用顺序 表，确实可以满足动态仿真对因子修币的需要，但是当电网结构比较巨大，元件个 数很多时，这种处理方法很难满足d t s 动态计算的速度要求。 而针对网络中发生的各种故障的处理方法，国内外也有较多的研究。 文献l i 。】提出了一种电力系统故障仿真程序的计算方法。该方法采用电力系统元 件的离散化模型和节点分析方法形成系统的网络方程，应用零口器和非口器的处理 方法修改网络方程，在每个离散时间步解方程获得系统的母线电压值和出线电流 值。 文献l 介绍了一种以d 、q 、0 坐标系来描述电力系统的三相对称部分，以在 d 、q 、0 三轴瞬态伴随网络的故障节点分别注入等值电流源来摸拟各种对称和不对 称故障的数值计算方法，同时还分别推导和给出了在单相接地、相间短路、两相接 地短路和三相短路等各种故障条件下，等值电流源的计算公式。 文献b 2 1 中认为机一网暂态仿真中，通常采用的( s tb0 坐标系统建模较为复杂， 在模拟不对称故障和开关操作时尤为困难。利用受控源理论和综合友模的方法建立 可双向计算的y ，d 类型变压器模型，解决了变压器两侧的变量变换不可逆的问题， 使网络可在a b c 坐标系下求解。文中讨论了电力系统其他元件在a b c 坐标系下的模 型。与a b 0 坐标系统相比，a b e 坐标系统使模型得到简化，适用于任何对称瓤不对 称系统的仿真研究。 虽然在故障计算中，可供选用的网络模型有很多种，但是结合动态仿真程序的 适用范围和要求，本文中采用了正负零序的网络模型进行计算。 电力系统动态仿真的常规数学模型是一非线性动力系统，它由描述系统元件动 态的高维非线性微分方程和描述电力网络功率与拓扑关系的大规模非线性代数方 程共同组成，可由如下方程表示： ，主= f c x ，矿) l j ，y ：g ( x ，矿) 其中，x 为系统状态变囊矢量，v 是电压矢量，y 为网络代数方程系数矩阵。 由于方程( 1 - 1 ) 非常复杂，且因系统含有非线性环节使其具有很强的非线性， 因而其解析解，即便得到，也很难满足工程计算的要求，因此一般利用数值方法对 其进行求解。微分方程的解法有单步法和多步法，显式法和隐式法等多种数值解法。 要完成动态过程的实时仿真，就需要在每个步长内，完成对导纳矩阵的修改和微分 方程的计算，提高导纳矩阵修正的运算速度是势在必行的。 6 华北电力大学硕士毕业论文 文献【1 5 】中阐述了中国电力科学研究院丌发的电力系统全过程动态仿真软件的 故障模拟程序，软件的故障模型采用故障支路导纳矩阵模拟各种对称和不对称故 障，可对一条支路发生任意重故障进行处理，并且在程序中使用了十字链表的存储 方式，实用性能较高。 文献【1 3 】提出使用十字链表存储导纳矩阵。提出了一种可以动态形成十字链表的 方法，将网络的拓扑结构与数值信息存于十字链表中，使其独立于计算就保证数据 的可重用性和灵活性。这种方法适用于与拓扑相关密切的电力系统计算。文献【1 4 中也提到了使用十字链表存储电网导纳矩阵的观点。在电网潮流计算中采用十字链 表实现动态存储，并且给出了十字链表的应用于电网计算的具体结构。但是由于十 字链表在搜索运算方面速度比较慢，因此所提出的十字链表的使用还只停留在电网 的稳态运算方面的应用。由于十字链表良好的特性，在本文的导纳矩阵修正部分也 采用了十字链表的方法来进行导纳矩阵的存储和修正，并且取得了良好的效果。 随着计算机及其相关技术的迅猛发展和普及应用，计算机己越来越广泛的用 于电力系统的计算、监控和管理中。国内外在电力系统分析方法方面已有较多的研 究。 1 3 本论文研究的范围及主要工作 从前面的的讨论中不难看出，目前的电力系统分析方法虽然得到了广泛的关 注，但传统的故障后导纳矩阵的处理方法不能很好的满足d t s 动态计算的快速性的 要求。本文针对这种情况，应用c + + 语言，编写了电力系统动态过程仿真程序的导 纳矩阵修改部分，并且在传统的优化方法的基础上，针对d t s 程序的特点，结合数 据结构方法，对网络发生变化后导纳矩阵的修改进行了进一步的优化。现将本论文 的工作总结如下： i 对电力网络中的各种故障情况进行仿真，其中包括对称故障、不对称故障及 复杂故障，并且以统一分析、细化各类动态变化模型的方式，简化了故障处理的程 序。 2 结合d t s 技术、电网分析优化及最优化方法的知识，在程序中运用各种优 化手段，在满足准确性的基础上，要求在速度上达到较高的标准，在传统的简化计 算的方法基础上，将广度优先搜索法、根据开关状态修改导纳矩阵等方法应用到程 序中，并且通过与d t s 系统的其他模块进行联合运算，证明了这些方法的应用使得 整个动态过程计算的运算速度基本能够达到d t s 的要求。 3 与其他模块合作完成倒闸操作模拟工作。由于线路上隔离刀闸的数量很多， 电网运行当中特别是发生故障后，进行倒闸操作的动作也相当频繁，而且每次的操 作往往都要引起网络结构的变化。因此，对倒闸操作的处理往往会影响到整个程序 7 华北电力大学硕士毕业论文 的运算速度，因此，在进行倒闸操作模拟中既要考虑真实性，也要保证运算速度不 受影响，在程序中采用了利用拓扑运算检查动作开关对电网结构造成的影响，然后 根据电网结构变化，对导纳矩阵进行修改的方法。 4 故障发生后每一步长内都需要检测系统中是否有保护元件动作，保护元件动 作后，进入保护动作的运算。由于故障后一段时间内电网的各种元件动作频繁，如 果每个步长都按照矩阵收缩的运算方法对网络导纳矩阵作相应的修改，运算量很 大，因此提出了一种结合十字链表法和矩阵收缩运算的方法，对导纳矩阵进行修正， 能够起到降低运算量的作用。 5 在电网发生不对称故障时，需要考虑电网的负序和零序网络，文中简化了负 序网络和零序网络的计算，分别根据负序和零序网络的特点，对负序网络使用正序 网络的导纳矩阵进行修改；对零序网络，根据变压器支路的组别，使用广度优先搜 索法，快速形成零序导纳矩阵，最终求取负序和零序等值阻抗，加入到正序网络的 运算中。通过实际运算证明负序和零序等值阻抗的计算，在程序速度要求的范围内， 保证了整体程序的快速性。 8 华北电力大学硕士毕业论文 2 1 引言 第二章动态仿真的网络拓扑 网络拓扑是d t s 中一个不可缺少的部分。众所周知，实际电网中场站接线中每 个元件二端是物理节点( n o d e ) ，两个元件如有一个公共n o d e ，则物理上二个元件 相连。而有一些元件如断路器、隔离开关并无电阻、电抗。在这些元件闭合时二端 n o d e 电压相同，这二个n o d e 同属于一个电气节点( b u s ) 。电力系统分析结算是面向 b u s 的。一个b u s 有时含有很多n o d e 。在电网操作中，如开合母联断路器时，n o d e 与b u s 对应关系会发生变化。网络拓扑的任务就是通过对所有元件连接情况的检查， 把面向n o d e 的网络模型缩减为特殊的b u s 模型。形成n o d e 与b u s 间的对照表。在 执行过程中还可确定所有元件带电状态，记录下元件连接状态的变化。还能给出孤 立系统的信息。d t s 程序中的拓扑部分主要包括了：初始拓扑部分，用以形成 n o d e - b u s 之间的对照表。拓扑变化部分，在改变个别断路器、隔离开关状态时，快 速判断局部b u s 的变化。 本文的任务是在电网中元件状态发生变化时，通过网络拓扑的快速检验，确定 电网结构的变化。当d t s 在进行动态仿真计算时，都是根据逻辑节点的变化来完成 导纳矩阵的修改的，而各种故障信息、丌关变化信息都是以物理节点的形式传送的， 因此在计算中首先就要根据电网的_ 丌关状态分析判断出电网的结构( 即拓扑) ，形 成计算用的节点支路模型，丽当丌关状态发生变化时，要能够快速形成新的节点 支路模型。 2 2 网络拓扑分析 电力网络拓扑分析的功能是根据电网的开关状态分析判断出电网的结构( 即拓 扑) ，也就是根据开关状态把各种设备( 如发电机、负荷馈线、并联电抗器、变压 器、输电线等) 连接的电网表示成能用于电力系统分析计算的结点一一支路模型， 并且识别相互孤立的子系统，它是电力系统仿真和分析计算的基础。 本文的电力网络拓分析步骤是： ( 1 ) 全网拓扑分析。首先是稳态部分完成所有厂站的接线分析和系统网络分析， 得出各个子系统内的逻辑节点一支路的系统模型，并且完成物理节点一逻辑节点关 系对应数组( o t n b u s s u m l ) 的建立。 ( 2 ) 局部网络拓扑修正。当开关变位时，不需要从新进行大范围的拓扑分析， 9 华北电力人学硕七毕业论文 利用开关两端的物理节点号，根据o t n b u s s u m 】进行搜索，快速判断电网支路的投 切，然后根据结果，对导纳矩阵进行相应的修改。 2 2 1 全网拓扑分析 全网的拓扑分析需要在d t s 的稳态部分完成，电力网络拓扑分析方法由两部 分组成第1 步是厂站的接线分析，根据厂站内开关的状态，通过搜索，将由闭合开 关相连的所有母线段集合成一个结点：第2 步是系统网络分析采用同样的搜索方法， 根据支路( 线路或变压器) 的连接情况，将整个系统的结点出投运支路连接成若干 子系统。得出各个子系统内的逻辑节点一支路的系统模型后，建立一个物理节点一 一逻辑节点关系的对应数组，即o t n b u s s u m 】，这个数组是数据库信息与导纳矩阵 修改运算两者联系的桥梁，可用于故障信息、开关变化信息的处理，在这个数组中 需要包含所有的物理节点，然后根据对厂站的接线分析和系统网络分析，对不含发 电机的子系统、孤立的发电机、孤立的负荷进行处理，在o t n b u s s u m 数组中虽然 不存在他们所对应的逻辑节点号，但在物理节点位中仍加以保留，以保证在某些开 关状态发生变化，这些子系统并入网络的时候能够快速的完成网络拓扑变化。 2 2 2 局部网络拓扑修正 在d t s 的动念计算中，各种故障信息、自动保护装罱和丌关装置的动作信息都 是基于物理节点给出的，需要通过网络拓扑的处理，形成对应电网逻辑节点的信息， 才能用于导纳矩阵的修改。 ( 1 ) 故障信息的处理 故障信息的拓扑分析，主要是完成故障信息从物理节点一一逻辑节点的转化， 其中也包括对线路故障信息的转化。 对应节点故障，主要应用在全网拓扑中形成的o t n b u s 数组，搜索所对应的 逻辑节点号，对应线路故障，由于输入的故障信息是线路名称，因此需要根据全网 线路信息数组中线路名称位进行搜索，然后以导纳矩阵中的线路顺序号代替故障信 息中的线路名称。 ( 2 ) 自动保护装置和开关装置动作信息的处理 在故障发生后，自动保护装置的动作和调度员进行事故处理时所作的各种倒闸 操作，对电网的结构都会造成影响，需要进行网络拓扑的修正，而且，由于这些开 关装景的动作较频繁，从新进行大范围的拓扑分析是不经济的，需要通过的局部网 络拓扑修正，快速的判断电网的变化，并进行导纳矩阵的修改。 对应每个开关元件，都含有两个物理节点，跟据动作开关的两端物理节点号， 搜索相关的物理节点号，存入数组p h y n o d e 中，个数设为n o d e s u m 个，跟据这 些物理节点，查找与其相连的发电机、线路、变压器等元件，存入数组e q u 数组 1 0 华北电力大学硕士毕业论文 中，元件个数为e q u个。由此，当这个开关状态发生变化时，通过进一步的搜sum 索，可以计算出对电网结构造成什么样的影响。 如果开关元件是进行打开操作，则需要检验当该元件两个物理节点合并之前， 是否能通过其他开关相连，如果存在这样的通路，则该开关的操作对电网不产生影 响，否则在电网中减少一个节点，对o t n 数组进行修改准备。 如果开关元件是进行和闸操作，则对相关物理节点进行搜索，检验当该元件两 个物理节点打开时，是否能通过其他开关相连，如果存在这样的通路，则该开关的 打开操作对电网不产生影响，否则在电网中增加一个节点，对o t n 数组进行修改。 根据结构变化的实际情况，检查增加或减少一个节点对电网的结构发生什么样 的变化，根据e q u 数组，验证相关支路发生的变化，并且进行分类，由于d t s 动 态计算的特性，把增减节点的变化分为普通节点的变化和发电机节点的变化，并对 线路信息数组、发电机信息数组、负荷数组进行修改，为导纳矩阵的修改做准备。 其中，如果是对孤立的发电机、负荷或母线进行合并或切除的操作时，需要在导纳 矩阵修改部分单独进行处理，因此在网络拓扑部分要进行特殊分类。该部分程序流 程图如下： 华北电力人学硕士毕业论文 2 3 结论 匡声囱 图2 1 d t s 动态计算程序中，拓扑计算主要包括，初始拓扑和拓扑变化两部分，本文在电 1 2 华北电力大学硕士毕业论文 网中元件状态发生变化时，通过局部网络拓扑的快速检验，确定电网结构的变化， 并根据故障信息、动作元件信息对电网结构的变化进行分类，并修改相关数据信息， 为下一步的计算做好充分的准备。很好的实现了与数据库部分的联合运算和信息从 物理节点到逻辑节点的转换。 1 3 华北电力火学硕+ 毕业论文 3 1 引言 第三章动态仿真运算中电网结构的快速修正 在调度员培训仿真系统( d t s ) 中，动态网络拓扑计算程序主要针对电力网络 出现的故障现象进行实时的网络结构变化，同时在指定的时间内对网络在故障后的 一系列动作进行相应的模拟，并将所求得的导纳矩阵用于网络状态计算。 由于d t s 中面临的主要是大系统复杂网络的运算，因此它的节点导纳矩阵相当 庞大。另一方面d t s 又要求具有实时性，因此要求动态网络拓扑运算的速度要尽量 快。为此，需要在动态网络结构计算的各个环节采取相应的措施，在不影响精确度 的前提下降低计算量，减少计算时间。动态网络拓扑的运算中为了提高速度，通常 在矩阵存储方式上采用排零存储、不对称故障时利用负序和零序等值阻抗代替负序 和零序网络、使用节点收缩技术消去非发电机节点等方法。在这些传统方法的基础 上，本文对程序进行了进一步的优化，在处理网络结构变化的运算程序中，对调用 次数较多的子函数的处理方法，在这一类型的子函数中。减少局部变量的使用，尽 量避免使用大型的数组型局部变量，可以大大减少计算机在运算过程中临时数据的 存储量，能够显著提高程序的运算速度。同时，针对d t s 的两种故障输入方式，即 教案输入方式和即时输入方式，使用了不同的故障信息处理方式。当使用教案输入 方式时，在出现多次故障的系统，为了简化保护动作、故障切除运算中的搜索、判 断过程，程序中采用故障信息存储的方法，通过对输入的故障信息进行分析，尽量 完整的将各个故障的信息进行存储，作为一个记录，可以在保护动作、切出敌障时 进行调用，简化了运算过程。使用即时输入方式时，直接进行网络拓扑，处理故障 信息，对同时发生的复杂故障进行排列，从而简化运算。 使用即时输入方式，把故障信息、元件动作信息整合到同一个数组中，以简化 处理过程，在每个步长内询问该数组是否有新的信息。对应各种故障，程序采用了 统一分析，分情况处理的方式，把各种故障情况细化出来，根据故障的具体情况进 行处理，以化简运算步骤。根据系统不同的动态阶段，建立不同的模型，很好的实 现了系统不同阶段的转化。这样可以进一步简化故障处理阶段的运算过程，提高d t s 程序的运行速度。并且，把各种模型模块化，提高了整个程序的灵活性。 如图，在程序中，主要包含了如下几大部分： 1 4 华北电力大学硕+ 毕业论文 故障信息处理 ( 包括：a 故 障处理 b 元件动作处 理) 3 2 网络模型及其存储 3 2 1 动态仿真的导纳矩阵形成 幽3 3 2 1 1 导纳矩阵的存储结构 作为出输电线路、电力变压器、串( 并) 联电容器等静止元件构成的电力网络， 在d t s 电网计算中可以用r 、l 、c 所组成的等值电路来模拟电网，构造节点导纳 矩阵。为了减少计算量，并简化后续的相关运算，在形成导纳矩阵前，首先将由隔 离刀闸，断路器等开关元件形成的物理节点通过拓扑运算，化简为逻辑节点、网络 中消去无阻抗支路，保留的各支路进行等值化简，最终把原始的电力网络等值成由 输电线路、电力变压器、发电机等器件构成的网络节点和支路。之后对网络结构进 行优化，根据节点所连支路的数量，按由少至多的顺序整理节点的排列顺序，这样 可以减少非对角线元素个数。合并并联支路，但其中变压器之路除外。为了便于后 面的计算，还需要把发电机节点号进行熏新排列，将发电机节点集中排在导纳矩阵 的后部。 对于大型电力网络来说，导纳矩阵是十分巨大的。一个n 节点的电力网络，其 导纳矩阵有n x n 个元素，需要2 个n x n 阶的矩阵来分别存储导纳矩阵的实部和虚 部。为了减少存储量，在大型电网的计算中，都利用了导纳矩阵稀疏性的特点，采用 排零存储法存储导纳矩阵。本文将导纳矩阵分别存储在5 个数组： 一，z ： 艺： 图3 2 i 巧 y n n g i i n ：为导纳矩阵对角线元素实部数组，其中n 为电力网络节点数。 1 5 华北电力大学硕+ 毕业论文 b i i n 1 ：为导纳矩阵对角线元素虚部数组。 y d z n ：导纳矩阵各行非对角线首元素在非对角线元素中所在位置。 y d s n 1 ：导纳矩阵各行非对角线元素个数。 y l 3 ：导纳矩阵非对角线元素数组，其中l 为支路总条数。分别存储非对角线 元素的实部、虚部、及各对角线元素所对应的列号。 相应的在程序中加入子函数，分别针对排零存储的导纳矩阵的元素读取，回代 及新增非零元素的存储，以应用在后继的运算。在这些子函数中，应减少局部变量 的设置，特别是尽量不要设置新的阶数较高的数组。因为在程序中将多次调用这些 子函数，如果在其中加入过多的新变量，特别是阶数较高的数组，无形中增加了存 储量，将会大大影响计算速度。经过实验，其计算时间往往是没有局部数组变量的 数倍。 3 2 。1 2 稀疏矩阵的修改 当电力系统的结构发生变化时，需要对导纳矩阵进行修改，如果从新调用函数， 形成导纳矩阵显然是不经济的，因此在程序中，建立了针对导纳矩阵稀疏存储的三 个函数，用于对导纳矩阵中元素的数值、位数、个数等进行修改。 ( 1 ) f i n d y ( i n ti ，i n tj ) 其中i 为行号、j 为列号。该函数用于在导纳矩阵中查 询非对角线元素珞的数值。 ( 2 ) i n p u t y ( i n ti ，i n tj ，f l o a ty g ，f l o a t ) 其中i 为行号、j 为列号，y g 为非对 角线元素的实部，为非对角线元素的虚部。该函数用于修改导纳矩阵原有的数值， 当一个已有的非对角线元素发生变化时，可使用该函数将新的元素数值回代到导纳 矩阵中，当该元素的新数值为零时，使用该函数可将浚元素从导纳矩阵中清除。 ( 3 ) r e n e w y ( i n t i ，i n tj ，f l o a t 珞，f l o a t ) 其中i 为行号、j 为列号，k 为非对 角线元素的实部，为非对角线元素的虚部。该函数可将新增的非零元素插入到导 纳矩阵中，特别是对原导纳矩阵的全零行，该函数也可处理。 使用以上所建立的三个函数。可满足故障时导纳矩阵结构各种形式的修改，避 免了在电网结构发生变化时再从新形成导纳矩阵，可大大简化程序的运算过程。同 时，在导纳矩阵的收缩计算中，也可把这三个函数结合运用，对提高运算速度有显 著的效果 3 。3 信息的读入 首先是从前面的稳态部分引入电网导纳矩阵，以及节点信息和支路信息，由于 d t s 系统中提供的故障信息中，故障的位置，如节点号、线路号都是原始的物理节 点号和线路名称，因此对应节点信息，需要引入拓扑运算中形成的物理节点与逻辑 节点间的对应关系和节点修难是形成的节点变换关系，对应线路信息。应保留有线 1 6 华北电力_ 入学硕十毕业论文 路的名称，而且所引入的线路信息应该是没有对并联支路进行过等值的。 从数据库读入故障信息，根据d t s 系统的实际情况，程序中建立的故障信息模 型的结构如下： 故障信息节点号( 节线路编号线路的什 l类型故障位置点故障)( 线路故么位置发接地电阻接地电抗 障) 生故障 图3 3 其中故障信息类型还包含了元件的动作，如开关、断路器的闭合等。 读入故障后，对故障信息进行初步的分析处理。首先根据故障信息类型进行分 类， 如果没有故障，可直接跳出该步长的导纳矩阵修正运算，如果是故障信息，则 分类型：三相短路故障、单相短路故障、两相接地短路故障、两相短路故障、断线 故障。如果发现在同一步长内读取到两个以上的故障，则进入复杂故障处理程序。 存入故障信息数组，并进行下一步的分析，根据故障位置的来决定下一步读取的位 置，如果是节点故障，则读取第三位和第六、七位：如果是线路故障，则跳过第三 位进行读取。如果是元件动作，则根据元件的开合状态，判断对网络结构的影响， 分情况进行处理。程序流程图如下； 1 7 华北电力人学硕十毕业论文 3 4 故障情况下的导纳矩阵变换 图3 - 4 读入故障信息，在已有的导纳矩阵基础上进行故障处理，只对与故障相关的对 角线、非对角线元素进行相应修改，从而得到发生故障后的导纳矩阵。首先要求操 1 8 至 固 竭立 匈 室 宴 囱囱囱自阃 华北电力大学硕士毕业论文 作人员给出必要的故障信息，然后针对不同故障类型建立列表，对故障信息进行分 析，将相关该故障的类型、发生位置、是否存在接地阻抗等信息存入专门的数组中。 无论是节点故障还是线路故障，数组中都需要存储故障所在节点号、线路号及故障 点在线路中以百分比形式确定的位置，节点故障时线路号、线路位置百分比都为零， 线路故障时则需要在故障节点位罱放入新增的节点号。之所以要设置故障信息数 组，是因为当整个系统在不同时刻、不同地点发生了多个故障，而对应每个故障都 有相应的保护元件动作，并且各个保护元件的动作时刻也不尽相同，如果没有可以 直接调用的故障信息，那么在运算过程中首先要确定保护元件动作对网络结构的影 响，再根据网络结构的变化判断保护元件动作与故障的对应关系，然后爿能进行保 护动作的运算，这样必然会造成运算速度的降低。另外，要判断在同一时刻发生的 多个保护元件动作所对应的故障，其判断过程也是相当复杂的。根据d t s 以教案方 式设置故障的特点，设置这样个数组，为在故障发生后指定的时间内网络的各种 变化进行实时处理提供基本信息的记录。通过这个数组，可以明确各种保护动作与 故障的对应关系，使原来以整个网络为基准的拓扑变化改为只在故障点附近的拓扑 变化，节省了许多判断及运算。在数组中故障根据时间来排列顺序，在同一时刻发 生的多个故障则按照先对称故障、后不对称故障的顺序进行排列。数组记录的网络 变化，包括保护的动作，故障的切除，重合闸动作及新的故障等。 在故障处理时，对称故障只需计算f 序网络，单相接地短路、两相接地短路需 要另外考虑负序和零序网络、两相短路则不需要考虑零序网络。由于在网络中，发 电机只发正序电动势，即只有f 序网络为有源网络，负序和零序网络都为无源网络， 因此为了能够达到快速的要求，尽量简化对负序和零序网络的计算，在形成负序和 零序的导纳矩阵后，利用矩阵收缩技术将其分别等值成负序和零序等值阻抗后接入 故障点。 ( 1 ) 教案方式下导纳矩阵修改程序的流程图： 1 9 华北i 乜力人学硕士毕业论文 图3 5 2 0 蛋圜囱囱崮囱囱囱园 华北电力火学硕士毕业论文 ( 2 ) 采用即时方式 使用即时方式时，在进入动态运算部分后，需要在每个步长询问系统是否有故 障发生或者元件动作，因此把影晌系统结构的各种情况整合到一个信息数组中，经 过对该数组的检查，如果有新的信息，则对该信息进行整理，如果是故障信息，则 对故障位置进行有物理节点到逻辑节点的转化，然后根据所给出的故障类型等信息 分情况处理导纳矩阵，之后完成导纳矩阵的收缩运算。如果是元件动作，首先通过 拓扑运算，检查是否影响到网络的结构，造成影响的，再根据具体情况，做出处理。 即时方式的程序流程图如下： 2 l 华北电力人学硕十毕业论文 青 图3 6 3 4 1 电网故障处理 d t s 动念计算程序中，由于电力系统事故的多样性，要保证程序的真实性，屯 网事故需要进行详细的模拟与分析。同时为了简化程序的运算过程，本程序将各 2 2 奎 毫囱茧毫囱固 华北电力人：学硕十毕业论文 种故障详细分类，分别建立模型，具体程序流程如下 宦扇 宙宦醇圃 t j 悭剑 3 4 1 1 三相对称短路故障 图3 7 圃圃 华北电力火学硕十毕业论文 发生三相对称故障时。首先将故障类型存入信息数组。如果是网络节点发生三 相短路直接接地故障，相当于在节点处接入一个无穷大的导纳，而对导纳矩阵其它 元素没有影响。将故障节点号存入信息数组，乙哼0 ，为故障点虚拟接地阻抗。 y t t = 誓。+ 1 z f = y n + y r ( 3 1 ) 而落实到程序中，因为0 ，由于存储精度的问题，会造成数值的丢失，因 此可用乘法计算代替。 y t i = y n x y f ( 3 2 ) 当短路故障发生在线路上，可先在网络的故障处中新增一个节点，相应的对角 线，非对角线元素进行修改，即故障所在线路所对应的两个节点相关的元素进行变 化，并将新增节点放在导纳矩阵的最后，仍可看作是在节点处发生三相短路故障。 在信息存储时需要将新增的节点号、故障线路号、故障点所在位置全部存入数组 r l 阶导纳矩阵，设故障线路对应的节点为i 、j 。故障点为新增节点n + t 。则有： r yi i 2 y i e y o j 】，廿= 一y f j y f = y o + y 口 1y 。+ = 一川 iy 。+ = 一y ，。， l y 。h + ；y 。+ + y ，。+ ，+ y ， ( 3 3 ) 当故障经接地阻抗接地，则不需要再用虚拟接地阻抗处理，而以接地阻抗z ， 代替z ，进行处理。接地阻抗也需要存入信息数组。 3 。4 。1 。2 不对称故障 不对称故障时，首先要构造零序和负序导纳矩阵，其中，出于在d t s 的网络 模型中，线路的负序阻抗等于正序阻抗，发电机的负序电抗等于次暂态电抗，所 以系统的负序网与正序网完全一样，其导纳矩阵也和正序网一样，因此可以直接 调用正序导纳矩阵，而零序网络需要另行计算其导纳矩阵，同时应注意网络中电 力变压器的接线方式。运用矩阵收缩计算零序和负序等值阻抗，其计算量仍然很 大，面向大型网络时，其计算速度可能达不到要求，因此在局域网运行d t s 程序 的情况下，可以考虑三序网导纳矩阵并行计算，已达到快速的目的。不对称故障 的信息存储与对称故障相同，需要存入故障类型、故障节点号、线路故障还需要 2 4 华北电力大学硕十毕业论文 存入线路号、故障点在线路中的位置。经阻抗接地的不对称故障需要存入接地阻 抗信息。 z e 2 为负序等值阻抗，y 2 为负序等值导纳 z e o 为零序等值阻抗，您。为零序等值导纳 z a 为正序网络故障节点上的附加阻抗。 单相接地短路： z 。= z z o + z 2 两相短路接地： z 。= 磊0 z o + z ： 两相短路： z 。= z ： 当短路故障经过乃时则为： 单相接地短路： z = z o + z 2 + 3 z ， 两相短路接地： z a = 偿+ z “乏2 + z 必。蝎：吗蝎 两相短路： z a = z 2 + 2 z 。 ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 7 ) ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) 节点故障时，等值阻抗接入故障节点，即只对故障节点对角线元素有影响。当 故障发生在支路上时，需新增一个节点n + l 。 其中： y = 0 】，i , n + l 2 一y f i y + i = 一y j + l y 月+ l ， “= y m + 1 + j ，j ， “+ 坛 ( 3 1 0 ) 3 4 1 4 断线故障 电力系统中发生断线故障的几率较低，但是为全面起见，程序中对断线故障也 作了相应的仿真，建立了三相断线和非全相断线故障的模型。 三相断线即相当于在电网中去掉一条线路，根据故障信息对导纳矩阵作切除线 路处理，去掉该线路所对应的非对角线元素，并且在相应的对角线元素上减去该线 路的导纳值。 假设某线路l 被切除，线路两端的节点号分别为i 、j ，阻抗为z 则： 2 5 ，、l 华北电力人学硕十毕业论文 f y c2 。 jy = r ，一y 。 iy ，= ，一) ，。 ly q = i ，+ y t ( 3 1 1 ) 当该线路有并联之路存在：y 。0 当该线路没有并联之路则：y ，= 0 非全相断线则包括单相断线和两相断线，一般成各种不对称短路为横向不对称 故障或横向故障，而把非全相断线叫做纵向不对称或纵向故障。在发生非全相断线 的情况下，单相断线的各序网电压和电流的关系与两相接地短路相似，为三序网并 联：两相断线的各序网电压和电流的关系于单相接地短路相似，是三序网的串联。 3 4 1 3 负序等值阻抗的计算 由于发生不对称故障时，需要计及电网的