（电气工程专业论文）农网调度自动化培训仿真系统开发.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文农网调度自动化培训仿真系统 开发，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 和取碍的研究成果。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： 蛰登鏖日期：兰翌z ：兰： 关于学位论文使用授权的说明 本入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：蛰盛壅 日期：塑2 ，上，出 导师签名： 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 课题的背景与意义 第一章引言 随着电力系统的发展和电网商业化运营的深入开展，现代电力系统的规模越来 越大，自动化程度也越来越高，对电力系统的运行进行调度和控制变得越来越复杂。 中国的电力发展已进入了大电网、大机组、高参数、超高压、自动化和信息化的新 时代，电力已成为经济发展和人民生活必不可缺的生产和生活资料，保证安全可靠 的电力供应是致关重要的。为提高电网安全、稳定、优质和经济运行水平。必然对 电网运行人员的技能提出更高的要求，尤其是电力系统故障后的恢复运行取决于调 度运行人员的技能和运行经验，但是，调度运行人员一般很难从实际事故处理中积 累经验以提高他们的运行技能，而以传统方式培训的调度人员已不能满足实际需 要，因此，电力系统调度员培训仿真系统( d i s p a t c h e rt r a i n i n g s i m u l a t o r ， 简称d t s ) 的开发研制成为必然。调度员培i i 仿真系统能模拟出电力系统的各种运 行状态并提供逼真的动态仿真，起到与实际系统中培训几乎相等的效果，又不影响 电力系统的正常运行，因此，d t s 作为电网调度中心重要的仿真和培训工具，在用 来提高运行人员的专业水平，预防不安全运行方式的出现，杜绝将一般的事故演变 成灾难性的大面积事故等方面起着重要作用，已被普遍认为是最积极的反事故措施 之一，在国内外获得了广泛的应用并取得了令人满意的效果。 随着我省农网改造的完成，大量综合自动化变电站的投运，调度系统也得到了 升级改造，调度工作变得愈加重要，农电系统“调运合一”成为发展趋势，为了保 证农网运行在高安全、高可靠、高经济和高质量的水平上，要求农网调度员有丰富 的知识、经验和能力，能圆满处理系统在正常和事故情况下的各种运行问题。由于 目前的培训手段不能满足这种发展的需要，而且现阶段d t s 系统基本上都是面向输 电系统开发的，主要用于大电网和省电网，对于配电系统却没有很好的开发和设计。 因此，需要开发适应这种发展的调度自动化培训系统。为农网调度人员及相关入员 提供科学适用的培训手段。 通过该培训系统的开发，不仅建立可维护和可操作的调度仿真平台，适应我省 农电系统技能培训的需要，既可对农网调度员进行培训，也可对电力系统其它相关 专业，比如变电运行值班员进行培训，提高他们对电网的整体认识，而且由于是自 主开发，更方便维护和升级，在我省农电系统具有应用推广价值。 华北电力大学工程硕士学位论文 1 2 国内外研究动态 利用先进的电力系统调度员培训仿真系统( d t s ) 来培训调度员，被公认为积 极的反事故措施之一。2 0 0 3 年8 1 4 美加大停电的最终调查报告指出，事故的主要原 因之一就是第一能源公司和中西部独立系统调度中心的调度员从未经历过大的电 网事故，也从未使用过仿真系统来进行培训和反事故演习，调度员面对从未遇过的 运行方式束手无策。因此，8 1 4 美加大停电之后，人们普遍认为需要进一步加强调 度员的培训和反事故演习，让调度员在由d t s 系统模拟出的多样化“电网事故”中 得到磨练，提高电网的驾驭能力，有效防范大停电事故的发生。 由于电力系统的复杂结构和高安全性的要求，调度员培训仿真系统( d t s ) 的 建设显得十分重要。国外对调度员培训仿真系统的研究经过了十几年的发展。调度 员培训仿真系统( d i s p a t c h e rt r a i n i n gs i m u l a t o r ，简称d t s ) 是1 9 7 6 年由 l a t i m e r 首先在明尼苏达电力系统会议上提出的，1 9 7 7 年研制出第一套d t s 系统。 1 9 7 8 年美国e p r i 组织了关于d t s 的大讨论后，d t s 在国外迅速推广，此后先后出 现了美国控制数据公司( c d c ) ，控制系统公司( s c f ) ，能源系统控制公司( e s c a ) 、 日本、法国以及瑞典等国的调度员培训仿真系统。8 0 年代及以前的调度员培训仿真 系统主要是模拟电网的静态运行情况，从上个世纪9 0 年代逐渐出现了一些考虑发 电机、负荷、汽机、锅炉、调速器等模型反映动态运行状况的d t s 系统。同时，随 着软件工程的发展，面向对象等技术引入了d t s 的开发。国内d t s 的研究从上世纪 八十年代末开始，1 9 9 0 年由清华大学和东北电力调度通信局合作研制的我国第一 台d t s 一东北电网调度员培训仿真系统，在沈阳东北网调投入运行。此后国内多家 研究单位高校和产业部门合作，开发出多种d t s ，其中具有代表性的有清华大学电 机系开发的河南、广东和南方网d t s ，中国电力科学院开发的华北网、西北网的d t s ， 西安交通大学开发的甘肃电网的d t s 。d t s 的应用从东北、华北、西北和华东四大 网调的试点，推广到各个网省调、大中型地调、集控中心和大型变电站，并拓展到 电力培训中心和高等院校电力专业。 经过几十年的发展，d t s 已从理论研究走向实际运用，并逐渐形成一个产业。 d t s 的体系结构从与e m s 接口采用“定制”方式的独立型异构系统到与e m s 采用统 一支持平台的一体化系统，直至目前正在研究的与e k l s 接口采用“即插即用”方式 的跨平台系统( 遵循1 e c 6 1 9 7 0 标准) ，使d t s 的软件功能经历了从单一到综合， 从简单到复杂的发展过程。其仿真方法包括对电网的稳态仿真、准动态仿真、故障 仿真和全动态仿真以及对保护的逻辑仿真和定值仿真，其设备模型包括一次设备、 二次设备、远动设备以及部分动力设备。d t s 的现场运行从被动到主动，从偶尔使 用到日常使用，其作用也由演示性转变为指导性，并成为调度自动化的一个重要产 2 华北电力大学工程硕士学位论文 品和控制中心培训调度员的得力工具。 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，在国内，由于现场基础数据普遍比较差，系统维护水 平不高，有时导致不正确的仿真结果，容易误导运行人员。其次，对于d t s 仿真方 法的选择以及处理d t s 与在线e m s 的关系上，不同d t s 厂家存在分歧；d t s 厂家和 用户对其功能的看法不同，没有共同标准。另外，一体化系统d t s 与基础应用软件 和支持软件之间存在需求矛盾( 如对于网架规模的确定，状态估计尽量选可观测的 范围，d t s 至少选学员培训的范围) ，独立型系统与异构系统的接口非常困难。 因此，从国内外的情况看，d t s 的建设和发展有以下几点： ( 1 ) d t s 的结构应向体化系统和独立型异构系统同时发展。 前者注意采用组件技术，不需与支持平台和基础应用软件捆绑得太紧而受 制，后者遵循i e c6 1 9 7 0 标准，彻底解决与在线系统的连接问题。 ( 2 ) d t s 的硬件配置向多机网络化发展。 早期的第一代产品都采用单计算机配置，由于电力系统、控制系统和教员系 统相应的软件都在一台计算机上，其性能有所限制，不利于集体培训，模拟的电 力系统规模也受到限制。后来，研制出了多计算机系统的仿真培训器，由三机系 统构成。三台机分别作为电力系统仿真子系统、s c a d a e m s 子系统、d t s 控制和 教员功能子系统。其中的s c a d a e m s 子系统除数据采集部分外，其他与调度所 实际在线系统完全相同。而数据采集的r t u 通道和主站前置处理功能由另外的 软件模块仿真，这种结构的特点是大大提高了d t s 的性能和仿真规模。 ( 3 ) 软件系统由固定式转向开放式、分布式系统。 开放的系统是按照开放的接口、服务和支持的规范而实现的系统。开放的系 统具有可移植性、可伸缩性和可互操作性的优点。分布式系统采用标准的接口和 介质，把整个系统按功能解列分布在网络的各个节点上，数据实现冗余分布，提 高了系统的整体性能，降低了对单机的性能要求，同时提高了系统的安全性和可 靠性。并且系统的可扩充性增强，使局部功能升级成为可能。 ( 4 ) 采用面向对象技术。 随着软件技术的不断发展，面向对象技术( o o p ) 被广泛应用于电力系统的各 个领域。面向对象建模具有模块性、可扩充性和重用性的特点。面向对象技术的 广泛应用导致了软件工程的一次深刻变革。由于对象具有数学模型较稳定、接口 简单、规范等特征，其开发出的软件的可复用性、可扩充性和可靠性都有明显的 提高。 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 5 ) d t s 的功能应立足于来源于需求的实用性功能。 如基于可操作w e b 的联合培训等，对于仿真功能，网省调以动态仿真为主， 地调和县配调以静态为主，变电站加强二次设备的模拟，尽快形成系列化的d t s 功能规范。 ( 6 ) d t s 的培训环境向可视化发展。 通过采用图形系统表现更丰富的系统运行状态信息，包括参数大小、相互关 系、分布、超界情况、不安全度、流向等。通过可视化d t s 直观地反映系统潮 流优化、稳定运行等问题，将抽象的概念简明地表现出来，这是可视化仿真独特 的优点。 ( 7 ) d t s 的维护要专职化。 d t s 系统要跟得上s c a d a 和e h s 等应用软件中网络结构的变化，用户要加强基 础数据的完善和基础参数的管理。 ( 8 ) d t s 的应用要向电力市场拓展。 在电力市场的运营环境中，原来的发电厂、供电局等将转变成具有各自的经 济利益的并相互竞争的发电商、供电商等。电力市场的每一个参与者都将面临一 个截然不同的运营环境。他们必然需要一个电力市场的仿真系统，从而可以培训 人员，熟悉规则并制定相应的市场战略等。因此d t s 的应用要向电力市场拓展， 要模拟电力市场环境下电力系统的现象以及能满足电力交易员的培训要求。 由对d t s 的分析可知，国内外的调度培训系统多基于大中型电网，没有针对 我国农网的仿真培训系统。因此，首先应该在学习吸收国外系统优点的基础上， 研制出适合我国农网特点、能发挥最大实用功效的d t s 系统。其次由于大部分 开发商并不直接参与培训，从而造成了开发与培训的脱节，并且用户不能直接对 仿真培训系统进行修改，使得软件升级滞后，不能以成品软件形式推广到基层单 位。农网调度自动化培训系统软件属于自主开发，不仅贴近农网，而且作为开发 单位，由于同时承担农电系统的培训任务，是本调度培训系统的第一用户，因此 可以随时发现问题，解决问题，随时进行修改和升级，使得软件产品非常方便推 广应用到各县级单位。 1 。3 农网调度自动化培训仿真系统的总体设计 应用面向对象的编程技术，系统以前台的图形界面和后台数据库管理为基础， 所有功能的实现都通过图形界面来触发，所有程序都通过数据库来读取和存储数 4 华北电力大学工程硕士学位论文 据，保证了系统数据的共享性和准确性。其总体结构主要分如下等几部分： ( 1 ) 图形界面模块：该模块是一个面向对象的电网绘图工具，是系统与用户 的交互界面，是整个仿真系统得以实现的基础和操作平台。 ( 2 ) 参数管理数据库模块：以数据表的形式来存放电网接线图中的图元信息、 元件参数、定值信息、运行仿真数据及系统的保护配置等各种数据。可方便地完成 设备参数和保护配置信息的录入、修改和删除。 ( 3 ) 潮流计算模块：实时仿真故障前后电网潮流的变化。为整个电网的继电 保护提供真实可靠的、正常运行时的测量值，使调度仿真更加逼真。 ( 4 ) 可视化的短路电流计算模块：此模块允许在图形界面上模拟设置各种可 能的故障类型和故障点，并进行短路电流计算，能够计算电网各处任意运行方式下 的三相短路、两相短路、单相接地短路和两相接地短路时的各支路短路电流值和各 节点电压值。 ( 5 ) 动作仿真模块：本模块主要研究继电保护动作值仿真。 1 4 农网调度自动化培训仿真系统的功能 包括电力系统仿真、继电保护及安全自动装置仿真、r t u 数据采集系统仿真和 控制中心s c a d a 仿真等。 i 、电力系统仿真 把发电机看成是无机电动态变化过程但可静态变化的电源，即计算电力系统 在扰动引起的动态变化过程平息后，达到一种新的平衡状态时所有发电机的出力、 母线电压、线路功率、电流、变压器潮流和系统频率的稳态变化情况。由于地调调 度员不负责系统的稳定和系统调频，用电力系统稳态仿真足以反映这一级调度所观 察到的系统现象。稳态仿真主要有以下3 个电力系统仿真软件。 ( 1 ) 网络拓扑分析 在电网数据库中，对实际电力系统的元件及结构的描述是基于物理节点这一 层次的，通过节点的关联来表征各元件相互之间的连接关系，这种描述不能直接提 供给应用软件进行网络分析计算，尤其是网络结构发生变化后( 如开关跳闸) ，捕 捉实时网络结构变化信息更需要网络拓扑软件对整个网络中的元件及状态所决定 的联通关系进行细致分析，不断刷新数据表，实时模拟实际电网。 ( 2 ) 动态潮流计算 华北电力大学工程硕士学位论文 定时潮流计算，主要用牛顿一拉夫逊法和p q 分解法。 ( 3 ) 频率计算 频率是电网运行的主要参数之一，所以要对频率实时监视。 2 、故障及继电保护仿真 在地区电网调度员培训仿真系统( d t s ) 中，继电保护仿真是一个重要的组成部 分，它模拟系统在事故情况下的继电保护装置动作情况，其对于d t s 是否能逼真地 模拟真实电力系统的实际运行情况有着重要的意义。 3 、r t u 数据采集系统仿真 数据采集包含r t u 采集送至控制中心的发电厂变电站的各种运行参数值和设 备的状态，和控制中心往下经r t u 送至电力系统控制设备的各种调节和控制命令。 r t u 数据采集仿真模型是d t s 的电网仿真模块和控制中心仿真模块的接口。 4 、控制中心s c a d a 功能仿真 控制中心s c a d a 功能仿真是调度仿真的一个重要组成部分，目的是给调度员创 造一个与真实的值班环境一样的培训环境。 1 5 本课题的主要工作 本课题从软件工程角度，将统一软件开发过程引入到调度员培训仿真系统的开 发，对其进行建模，在满足培训仿真的基础上识别并细化各个子系统和子线程，完 善了调度员培训仿真系统的结构，使其更好的适应现代电力系统和计算机技术的发 展。 本课题的主要内容是开发县级电网调度员培训仿真系统。该系统的宗旨在于利 用仿真技术及电力系统计算对县级电网进行数字仿真，利用计算机技术模拟县级电 网调度工作。本课题所设计电网由2 个1 i 0k v 变电站、7 个3 5 k v 变电站、1 个1 0 k v 开关站及相应的电气设备及输电线路组成。供电系统现有1 l o k v 、3 5 k v 和l o k v 三个电压等级，电网中存在着电压等级多、电源点少、电网布局和接线方式比较复 杂，从而使电网的运行存在着它的特殊性和复杂性。随着县级电网自动化程度的不 断提高，对电网供电系统的可靠性提出了更高的要求。 本文根据县级电网调度员培训仿真系统的要求，主要完成了如下工作： ( 1 ) 在对县级电网进行充分调研的基础上，收集现场资料，设计出d t s 所用 的电网模型。 6 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 收集、整理系统参数，建立参数库。 ( 3 ) 结合县级电网的运行实际，建立了本文所需电网的数学模型，对电网潮 流计算。 ( 4 ) 建立系统潮流计算、短路电流计算模型。 ( 5 ) 配备系统继电保护和自动装置。 ( 6 ) 模拟继电保护和自动装置功能及电网潮流变化； ( 7 ) 理论知识题库的开发 7 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章农电网络的设计与选择 2 1 农电网的发展与研究现状 电力工业是国民经济的重要部门之一。随着现代工业和农业的不断发展及人民 生活水平的日益提高，社会对电力的需求量越来越大。为了满足日益增大的电力需 求，必须不断扩大电力系统的规模，电力系统面临着日益繁重的规划任务。由于电 力工业的发展水平不仅对国民经济的其它部门会产生巨大的影响，而且一次能源消 耗和投资的数量也相当巨大，所以，合理地进行电力系统规划不仅可以获得巨大的 社会效益，也可以获得巨大的经济效益。相反，电力系统规划的失误会给国家建设 带来不可弥补的损失。因此，对电力系统规划问题进行研究，以期最大限度地提高 规划质量，具有重大的现实意义。 电力系统规划通常包括电源规划和电网规划两部分内容。而电网规划又可进一 步分为输电网规划即主网规划和配电网规划两类。在电力系统电源、电网及用户三 个有机组成部分中，电网负担着将电源与用户联结起来的任务，此外为了得到最大 的供电可靠性和经济性，它还担负着与邻近地区电力系统联系起来的任务。电网规 划在整个电力系统规划中起着非常重要的作用，直接关系到电源发出的电能否及时 送出，以及电力系统供电的安全性及经济性能否实现。由于电网设备投资需求大， 因此，寻求最佳的电网投资决策以保证整个电力系统的长期最优发展，是电网规划 所要达到的目标。 电网规划是电力系统规划的重要组成部分，其任务是根据规划期间的负荷增长 以及电源规划方案确定相应的最佳电网结构，以满足经济、可靠的输送到负荷中心 的前提下，使电网的建设和运行费用最小。这里的可靠性要求包括： ( 1 ) 正常运行要求：在电力系统设备完好的情况下，保证各项运行指标，如 线路输送功率、发电机出力、系统电压水平、稳定储备等在给定的允许范围之内。 ( 2 ) 安全运行要求：在某些设备故障或负荷波动的情况下，满足给定的供电 可靠性要求。 电网的费用包括输变电设备的投资和运行费用，在运行费用比较时，原则上应 计及资金的时间价值。 电网规划研究是一个相当复杂的问题，它需要确定的决策是大量的，而这些决 策在时间及空间上是相互影响的。目前，限于各方面条件，尚无法将其统一在一个 8 华北电力大学工程硕士学位论文 模型中考虑，只能将其分解成相对简单的子问题，再通过子问题间的迭代进行协调。 电网规划研究可以按照时间长短分类，也可按照问题不同划分。 按照时间划分，电网规划研究可分为： ( 1 ) 远景规划研究； ( 2 ) 短期规划研究； ( 3 ) 长期规划研究。 远景研究通过对未来各种发展情况的简单分析，给出根据环境参数进行技术选 择的一般原则，并作出最后的初步选择。比如，选择电压等级，输电方式等。远景 研究一般相对于一个较长水平年，如2 0 3 0 年；短期研究用于制定网络扩展决策， 确定详细的网络方案，它一般针对一个较短的水平年，如5 年；长期研究介于两者 之问，它用于估计实际电网的长期发展或演变，比如1 0 2 0 年。在三个部分中， 它起着十分重要的作用，一方面，远景规划所作出的技术选择可通过长期网络实际 状态进行修正。另一方面，它又可以指导短期研究，确保短期决策同长期电网发展 相一致，反过来，长期研究中所引入的一些假设可通过更精确分析或短期研究得到 验证。 按照问题划分，电网规划研究可以分为： ( 1 ) 负荷预测； ( 2 ) 网架规划： ( 3 ) 无功规划； ( 4 ) 稳定性分析： ( 5 ) 短路电流分析。 负荷预测用于预测未来电网负荷的时问分布和空间分布，即作出电网各负荷点 未来年份负荷曲线。它是电网规划决策所必需的基础工作； 网架规划及短路电流分析用于制定未来线路及变电站决策，以确定网络最优网 架结构，满足有功负荷传输的要求。线路及变电站扩展大部分决策是由于有功需要 引起的，偶尔是由于旧变电站短路电流限制造成的； 无功规划及稳定性分析用于确定除线路、变压器以外的补充设备( 如电容器、 电抗器、静止补偿系统及电机组调节器等) 。这部分设备的决策是由于无功和稳定 性需求造成的。同线路、变压器相比，这些设备的建设费用较少，建设时间也较短。 一个良好的电网优化方案是构成良好电网结构的基础，而良好的电网结构能便 9 华北电力大学工程硕士学位论文 利地实现电量的供需平衡，优化电源结构，保证区域电网之间的互相支援，提高系 统的安全稳定性，并且在此前提下获得最良好的经济效益和社会效益。同时，做好 电网优化设计工作是电网工程建设的关键环节，它对电力工程建设的工期、质量、 投资费用和建成投产后的运行安全可靠性和生产的综合经济效益，起着决定性的作 用。 随着国民经济的发展，电力负荷不断增长，配电网络发展迅速，对配电网的供 电可靠性和电能质量的要求也越来越高，这使得现代电网规划遇到的问题日趋复 杂。因此，解决电网规划改造设计问题，做好电网优化是非常有意义。 2 2 农电网的规划设计 调度员培训仿真系统( d t s ) 是一个具有电网模拟的仿真系统，因此，电网构 架设计是整个系统开发的前提。在电网设计之前，我们现场考察了x x 县的基本情 况。 目前，x x 县拥有3 5 千伏变电站9 座，主变2 5 台，3 5 k v 线路1 3 条：6 i o k v 线路6 6 条；低压线路4 5 5 4 公里；年供电量可达到1 6 亿千瓦时；县城供电可靠率 达9 9 5 6 6 ，农村供电可靠性达9 9 2 6 8 ，电压合格率达9 8 1 4 $ 。 l 、县级电网的主要特点 县级电网属于配电网，配电网络有许多不同于输电网的特点，主要体现在下面 几个方面： ( 1 ) 配电网具有闭环结构、开环运行的特性，稳态运行时网络结构多呈现辐射 状，只有在发生故障或倒换负荷时才有可能出现短时环网运行情况； ( 2 ) 电网的线路总长度比输电线路长且分支线多、线径小，导致配电网的r x 值较高，多数情况大于i 。且线路的充电电容可以忽略； ( 3 ) 网络的p q 节点多，p v 节点较少等等。 电网设计的主要要求： ( 1 ) 系统主干网络结构应与电源方案协调一致，并且有一定的适应发展能力。 ( 2 ) 主干网络应有一定的抗干扰能力，防止发生灾难性的大面积停电：在主干 网络上不得有t 型接线及用户变电所。 ( 3 ) 有利于“分层分区”调度控制的实施以及受端系统的加强。 l o 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 4 ) 在主干网络发生三相短路而又重合闸不成功时，应能保持系统稳定运行和 正常供电。 ( 5 ) 送端系统与受端系统问有多回联络线时，交流一回线或直流单极故障，应 能保持系统稳定运行并不损失负荷。 ( 6 ) 网络的输送容量必须满足各种正常事故后运行方式的送电要求，其输送容 量至少应考虑投运后5 1 0 年的发展。 ( 7 ) 同一电压等级网络内任一元件事故时，其他元件不应超过事故过负荷的规 定值。 ( 8 ) 向无电源或电源很小的终端地区供电，若同一电压等级线路有两回以上时， 任一回线事故停运后，应分别能保证地区负荷的8 0 或7 0 以上。除此之外，尚需 满足其他有关技术规定的要求。 2 、电网的设计 通过参考x x 县实际电网并结合县级电网及负荷的特点，本文设计的区域电网 基本情况如下：东西跨度约4 0 公里，南北跨度约3 0 公里。共有2 座1 l o k y 变电站， 7 座3 5 k v 变电站及1 座l o k v 开关站，命名为保培县级电网，该电网处于等值南网 中。两座1 l o k v 变电站分别接入外网，形成双电源供电。为了电网稳定运行在l o k v 等级线路上装设了无功补偿装置。电网整体设计见图2 1 。 图2 - 1电网设计图 l i 华北电力大学工程硕士学位论文 其中，外网系统相当于南网联接的北网系统，等值容量l i x 3 0 0 0 m w ，主系统相 当于南网，等值容量9 x l o o o m w 。 外网系统与主系统见图2 2 和图2 3 。 引彪 “ 牺拍 打# 1 0 图2 - 2等值外网系统 哥徂9 1 1 。“ 璜辋 ：， 笛挖。：。：2。 ：i ：2 。 。2。， 复撂 。 忙 2 1 2 2 1 3 2 1 r协s 2 1 6扣 2 1 8 t 盯 档栩 图2 - 3等值主系统 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 为适应县级调度人员的实际培训需求，设计了以培训为目的的能够体现现场实 际的县级电网。该电网中的变电站接线设计了各种现场实际的接线方式包括单母、 单母线分段、内桥、外桥等。根据电网发展规划要求，每个变电站配备了双电源。 电网负荷设计为i o o m w 以内。电网模拟图如图2 - 4 所示。 图2 - 4保培县级电网接线模拟图 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章农电网络数学模型的建立与潮流计算 研究电力系统时，常需要借助一定的工具。这些研究工具大致分两类：电力系 统的数学模型和电力系统的物理模型。建立了电力系统中各元件的数学模型，就可 根据它们的联结方式或拓扑关系，建立电力网络乃至电力系统的数学模型。 稳态分析时运用的电网元件模型很简单，变压器的数学模型有两种，即r 型和 t 型等值电路模型，以及等值变压器或n 型等值电路模型，它们分别用于手算和计 算机计算。其中参数则都由制造厂提供的技术数据确定。采用前者时，多电压级网 络中所有参数、变量都需要进行电压级归算：采用后者时，可不归算。电力线路的 数学模型中，分析架空线路的各种参数，根据导线标号，在杆塔上的布置和线路长 度，计算线路的阻抗、导纳并建立等值电力模型。 稳态分析时运用的负荷模型也很简单，只是以给定的有功功率和无功功率表示。 只有在对精度要求较高的场合才需计及它们的静态特性。建立电力网络的数学模型 时，可采用有名制或标么制。在需要进行电压级归算的场合，采用有名制时，先求 出各元件参数的有名制，然后逐级将它们归算到基本级。采用标么制时，本质上也 都是先求出各元件参数的有名值，然后或将它们归算至基本级，或将基本级的基本 值归算至元件所在级，最后将有名值折算为标么值。 在输送电力中，变压器、电力线路和负荷是电网的重要组成部分。因此，其特 性和数学模型是构建电力网络数学模型的基本元素。 3 1变压器的参数和数学模型 3 1 1双绕组变压器的参数和数学模型 由于变压器的短路损耗p k 近似等于额定电流流过变压器时高低压绕组中的 总铜耗，所以推导可得出变压器电阻 屹u j rt 2 而丽 式中r r _ 变压器高低压绕组的总电阻( q ) ； a 最变压器的短路损耗( k w ) ； s n 一变压器的额定容量( m 、r a ) ； 1 4 ( 3 1 ) 华北电力大学工程硕士学位论文 u r 变压器的额定电压( 1 ( v ) 。 而在电力系统计算中，由于大容量变压器的阻抗中以电抗为主，即变压器的 电抗和阻抗数值接近相等，因此可近似认为，变压器的短路电压百分值u k 与变 压器的电抗有如下关系： u k 。尘丝1 0 0 ( 3 - 2 ) ，r 一 从而 坼m 畿等= 等 式中x r 变压器高低压绕组的总电抗( q ) ： u k 变压器的短路电压百分值： s n 变压器的额定容量( m v a ) ： u n 变压器的额定电压( k v ) 。 因变压器的铁耗岛近似与变压器的空载损耗相等， 应。因此电导g t 有： 回2 而a p 巧。 式中g 广变压器的电导( s ) ； 岛变压器的空载损耗( k w ) ； u n 一变压器的额定电压( k v ) 。 而电纳有： 岛= 篙，器 式中b 广变压器的电纳( s ) ； i o 变压器的空载电流百分值； s n 变压器的额定容量( m v a ) ； u n 一变压器的额定电压( k v ) 。 ( 3 3 ) 电导也可与空载损耗相对 ( 3 4 ) ( 3 5 ) 华北电力大学工程硕士学位论文 3 1 2 三绕组变压器的参数和数学模型 计算三绕组变压器各绕组阻抗的方法虽与计算双绕组变压器时没有本质区别。 但由于三绕组变压器各绕组的容量比有不同组合，而各绕组在铁芯上的排列又有不 同方式，计算时需注意。 三绕组变压器按三个绕组容量比的不同有三种不同类型。第1 种为1 0 0 1 0 0 1 0 0 ， 即三个绕组的容量都等于变压器额定容量；第种为1 0 0 1 0 0 5 0 ，即第三绕组的容 量仅为变压器额定容量的5 0 ；第种为1 0 0 5 0 1 0 0 ，即第二绕组的容量仅为变压 器额定容量的5 0 。 目前已在系统中使用的三绕组变压器，从制造厂收集到的往往是它的三个绕组 两两作短路实验时测得的短路损耗。如该变压器属第1 种类型，可由提供的短路损 耗a p t ( 1 2 ) 、a 最( 2 。) 、a b ( 3 _ 1 ) 直接按下式求取各绕组的短路损耗 必l = 廿k o - 2 ) + 蛾( 卜i ) 一k p k ( 2 - 3 ) ) 峨：= 丢( 峨( - _ 2 ) + 蛾( ：一。) 一叱) ) 必3 = 丢( 蛾( 2 - 3 ) + 必( 3 - i ) - 必( - - 2 ) ) 然后按与双绕组变压器相似的公式计算各绕组电阻 r r l ：a p k j u 。；r 1 0 0 0 s 斋 r t 2 ：些2 亟 1 0 0 0 s ；v r r 3 ；a p t 3 u 寿。 1 0 0 0 s 未 ( 3 6 ) ( 3 7 ) 如该变压器属第1 i 、第1 种类型，则制造厂提供的短路损耗数据是一对绕组中 容量较小的一方达到它本身的额定电流，即j 。2 时的值。这时，应酋先将各绕组 间的短路损耗数据归算为额定电流下的值，再运用上列公式求取各绕组的短路损耗 和电阻。例如，对1 0 0 5 0 1 0 0 类型的变压器，制造厂提供的短路损耗砭( 1 2 ) 、砭( 2 - 3 ) 都是第二绕组中流过它本身的额定电流，即二分之一变压器额定电流时测得的数 据。因此，应首先将它们归算到对应于变压器的额定电流 峨( 1 - 2 ) = 叫( 1 - 2 ) 丽i n ) 2 = 4 叫( i - 2 ) ( 3 - 8 ) 峨：- 3 ) = 叫( z “扫2 _ 4 叫c ：句) 1 6 ( 3 9 ) 华北电力大学工程硕士学位论文 三绕组变压器按其三个绕组排列方式的不同有两种不同结构升压结构和 降压结构。升压结构变压器的中压绕组最靠近铁芯，低压绕组居中，高压绕组在最 外层。降压结构变压器的低压绕组最靠近铁芯，中压绕组居中，高压绕组仍在最外 层。 绕组排列方式不同，绕组间漏抗不同，从而短路电压也就不同。如设高压、中 压、低压绕组分别为一、二、三次绕组，则因升压结构变压器的高、中压绕组相隔 最远，二者间漏抗最大，从而短路电压以( i - 2 ) 最大，而以( 2 - 3 ) 、以( 3 - 1 ) 就较小。 降压结构变压器高、低压绕组相隔最远，阮( 3 - 1 ) 最大，而砚( i - 2 ) 、以( 2 - 3 ，则较 小。 排列方式虽有不同，但求取两种结构变压器电抗的方法并无不同，即由各绕组 两两之间的短路电压饥0 - 2 ) 、u m - 3 1 、以( 3 - 1 ) 求出各绕组的短路电压 以。= 丢( 以( 。) + 以，1 ) 一以：- 3 ) ) 以：= 三( 以( 。) + 以( ：。) 一以( 呦 u k 3 = 丢( ：3 ) + h ，一。，哟 再按与双绕组变压器相似的计算公式求各绕组的电抗 址酱 轮酱 * 酱 ( 3 - l o ) ( 3 一1 1 ) 应该指出，求电抗和求电阻时不同，无论按新旧标准，制造厂提供的短路电压 总是归算到各绕组中通过变压器额定电流时的数值。因此，计算电抗时，对第1 i 、 m 类变压器，其短路电压不需要再归算。 求取三绕组变压器导纳的方法和求取双绕组变压器导纳的方法相同。 3 2电力线路的参数和数学模型 电力线路按结构可分架空线路和电缆线路两大类别。 架空线路的导线和避雷线都架设在空中，要承受自重、风力、冰雪荷载等机械 力的作用和空气中有害气体的侵蚀，同时还受温度变化的影响，运行条件相当恶劣。 1 7 华北电力大学工程硕士学位论文 因此，它们的材料应有相当高的机械强度和抗化学腐蚀能力，而且，导线还应有良 好的导电性能。 导线主要由铝、钢、铜等材科制成，在特殊条件下也使用铝合金。避雷线则一 般用钢线。导线和避雷线的材料标号以不同的拉丁字母表示，如铝表示为l 、钢表 示为g 、铜表示为t 、铝合金表示为h l 。 一般r 、x 、g 、b 分别为线路正序电阻、电抗、电导、电纳。在计算时通常不 考虑电导。架空线路参数的计算公式为： r ：量，：卫，( 3 - 1 2 ) 玎n s 石；_ ，：( o 1 4 4 5 i g 堡+ o o l s _ _ _ z ) t ( 3 1 3 ) r q h 嘲h 羞川- 6 ) ， ( 3 。 式中 ，而，6 i 分别为线路每公里电阻( o l a n ) ，电抗( o k m ) ，电纳( s l k m ) ； 卜一线路长度，k m ； p 导线的电阻率，q m m 2 瓜m ，铝线取3 1 5 ，铜线取1 8 8 ； s 导线的截面积，m m 2 ； n 分裂导线根数，单导线时n = l ； d 。三相导线几何均矩，c m ，上 埘= v d 矗见。d 。； 一一分裂导线的等值半径c m ，单导线时，唧为导线的实际半径，即 - - r ，当n i 时，= n r ( d 1 2 d 1 3 kd i n ) ，d 1 2 ，d m k ，d l 。为分裂间距。线路的长度及 电线类型不同，电力线路的数学模型就得有不同的参数特性。 3 2 1 一般线路的等值电路 所谓一般线路，指中等及中等以下长度线路。对架空线路，这长度大约为3 0 0 k m ； 对电缆线路，大约为1 0 0 k m 。线路长度不超过这些数值时，可不考虑它们的分布参 数特性，而只用将线路参数简单的集中起来的电路来表示。 一般线路中，又有短线路和中等长度线路之分。 所谓短线路，是指长度不超过1 0 0 k m 的架空线路。线路电压不高时，这种线路 电纳b 的影响一般不大，可略去。从而，这种线路的等值电路最简单，只有一串联 1 8 华北电力大学工程硕士学位论文 的总阻抗z = r + j x 。显然，如电缆线路不长，电纳的影响不大时，也可采用这种等值 电路。 所谓中等长度线路，是指长度在1 0 0 3 0 0 k m 之间的架空线路和不超过l o o k o 的电缆线路。这种线路的电纳b 一般不能略去。这种线路的等值电路有两种n 型等值电路和t 型等值电路，其中，常用的是型等值电路。在型等值电路中， 除串联的线路总阻抗z = r + j x 外，还将线路的总导纳y = j b 分为两半，分别并联在 线路的始末端。在t 型等值电路中，线路的总导纳集中在中间，而线路的总阻抗则 分为两半，分别串联在它的两侧。因此，这两种电路都是近似的等值电路，而且。 相互间并不等值，即它们不能相互变换。 3 ，2 。2 长线路的等值电路 长线路指长度超过3 0 0 k m 的架空线路和超过l o o k m 的电缆线路。对这种线路就 得把分布参数特性考虑进去。把长线路的总电阻、电抗、电纳分别乘以适当的修正 系数，就可得出其简化n 型等值电路。 3 3 标么值的折算和电压级的归算 建立了电力系统中各元件的数学模型，就可根据它们的联结方式或拓扑关系，建立 电力网络乃至电力系统的数学模型。但在此之前，还需要解决两个问题标么值的折 算和电压级的归算问题。 3 3 1有名值的电压级归算 无论采用有名制或标么制，对多电压级网络，都须将参数或变量归算至同一 电压级一基本级。通常取网络中最高电压级为基本级。有名值归算时按下式计算： 震= r ( 毛七2 k 3 a ) 2 【( 3 - 1 5 ) x = x 7 ( 毛k 2 如 厂j g = g ，丽矗) 2 肚f 嚷扫2 u = u ( 毛| i 2 k 3 a ) k ，( 赤) 式中 k l 、七2 、岛a 变压器的变比7 1 9 ( 3 - 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 - 1 8 ) 华北电力大学工程硕士学位论文 f 、x 、g 、( ，、，分别为归算前电阻、电抗、电导、电纳相应 的电压、电流的值； r 、x 、g 、曰、u 、，分别为归算后的值。 式中的变比应取从基本级到待归算级。 3 3 2 标么值的电压级归算 多电压级网络中，标么值的电压级归算有两条不同途径： 一是将网络各元件阻抗、导纳以及网络中各点电压、电流的有名值都归算到同 一电压级一基本级，然后除以与基本级相对应的阻抗、导纳、电压、电流基准值， 即 z = z z 8 一z 瓷 ，：= 专= y 等 以2 瓦u ，= 丢= ，等 ( 3 1 9 ) 式中z 、k 、u 、l 阻抗、导纳、电压、电流的标么值； z 、l ，、u 、，归算到基本级的阻抗、导纳、电压、电流的有名值； 乙、匕、u 。、厶、& 与基本级相对应的阻抗、导纳、电压、电流、功 率的基准值。 一是将未经归算的各元件阻抗、导纳以及网络中各点电压、电流的有名值除以 由基本级归算到这些量所在电压级的阻抗、导纳、电压、电流基准值，即 z = 若- z 啬 z = 号卅等 玑= 筹 l = 等 式中z 、e 、玑、l 阻抗、导纳、电压、电流的标么值； ( 3 2 0 ) 华北电力大学工程硕士学位论文 z 、y ，、u 、，未经归算的阻抗、导纳、电压、电流的有名值； 磊、瑶、u ；、b 、畦由基本级归算到z 、y ，、u 、i 所在电压级的 阻抗、导纳、电压、电流、功率的基准值。 3 4 电力网络的数学模型 电力网络的数学模型是现代电力系统分析的基础。例如，正常情况下的电力潮 流和优化潮流分析、故障情况下短路电流计算以及电力系统静态安全分析和动态稳 定性的评估，都离不开电力网络的数学模型。这里所谓电力网络，是指由输电线路、 电力变压器、并( 串) 联电容器等静止元件所构成的总体。从电气角度来看，无论 电力网络如何复杂，原则上都可以首先做出它的等值电路，然后用交流电路理论进 行分析计算。本文所研究的系统等值电路如图3 1 所示。系统各元件参数见附录。 3 5 电力网络的潮流计算 图3 - 1 系统等值电路 电力网络通常是由相应的节点导纳矩阵或节点阻抗矩阵来描述的。给定电力系 统的网络结构、参数和决定电力系统运行状态的边界条件，确定电力系统稳态运行 2 l 华北电力大学工程硕士学位论文 状态的方法之一是潮流计算。从数学上说，潮流计算是要求解一组由潮流方程描述 的非线性代数方程组。电力系统潮流计算是电力系统分析中最基本的最重要的计 算，是电力系统运行、规划以及安全性、可靠性分析和优化的基础，也是各种电磁 暂态和机电暂态分析的基础和出发点。潮流计算的基本方法由早期的手算，随着计 算机工具的发展逐步走向完善。同时，在电力系统分析的某些领域，人们对潮流计 算提出了一些特殊的要求。例如在实时控制等在线应用中，要求潮流计算方法计算 快速、收敛可靠。为实现这一目标，有时甚至可以放宽对计算精度的要求。为适应 各种实际应用中提出的要求，人们发展了各种快速有效的计算方法。例如通过对潮 流模型的简化发展出直流潮流算法；对潮流算法的改进提出的快速分解潮流算法以 及基于线性化假设的各种灵敏度分析方法。这些方法在电力系统运行和规划中得到 了广泛的应用。 电力系统由发电机、变压器、输电线路及负荷等构成。在进行电气计算时，系 统中静止元件如变压器、输电线、并联电容器、电抗器等可以用r 、l 、c 所组成 的等值电路来模拟。因此，由这些静止元件所连成的电力网在潮流计算中可以看作 是线性网络，并用相应的导纳矩阵或阻抗矩阵来描述。在潮流计算中发电机和负荷 都作为非线性元件来处理，不能包括在线性网络部分。联络节点作为注入零功率的 节点引出网络之外。电力系统潮流计算中，表征各节点运行状态的参数是该点的电 压向量及复功率，也就是说，每个节点都有4 个表征节点运行状态的量：v 、口、p 、 q ，因此，在n 个节点的电力系统中共有4 n 个运行参数。 3 5 1 节点的分类 在一般电力系统潮流计算时，对每个节点往往给出两个运行参数作为已知条件，而 另外两个则作为待求量。根据原始数据给出的方式，电力系统中的节点一般分为以下3 种类型： ( 1 ) p q 节点。 这类节点给出的参数是该点的有功功率及无功功率( p ，q ) ，待求量为该点的电压向 量( v ，0 ) 。通常将变电所母线作为p q 节点。当某些发电厂的出力p 、q 给定时，也作 为p q 节点。在潮流计算中，系统中大部分节点都属于这类节点。对于负荷节点，该节 点的p 、q 是由负荷需求决定的，一般是不可控的，该类节点的特点是p 、q 给定，则该 节点u 、0 待求。这类节点应看作是p q 节点。联络节点也可以看作p q 节点，其p 、q 值都为零。 ( 2 ) p v 节点。 这类节点给出的运行参数为该点的有功功率p 及电压幅值y ，待求量是该点的无功 2 2 华北电力大学工程硕士学位论文 功率q 及电压向量的角度p 。这种节点在运行中往往要有一定可调节的无功电源，用以 维持给定的电压值。因此，这种节点是系统中可以调节电压的母线。通常选择有一定无 功功率贮备的发电厂母线作为p v 节点。当变电所有无功补偿设备时，也可以作为p ￥节 点处理。 ( 3 ) 平衡节点。 在潮流计算中，这类节点一般在系统中只设一个。对这个节点，我们给定该点的电 压幅值，并在计算中取该点电压向量的方向作为参考轴，相当于给定该点电压向量的角 度为零度。因此，对这个节点给定的运行参数是v 和口。故也可以称为v 8 节点。对平 衡节点来