（电力系统及其自动化专业论文）黑启动路径空载合闸过电压分析软件的开发.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文黑启动路径空载合闸过电压分析软 件的开发，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谫 意。 学位论文作者签名：笙塑是 日期：型衫量笪 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： 导师签名： 华北电力人学硕士学位论文 1 1 课题的目的和意义 第一章引言 随着经济和社会的快速发展，我国电力系统越来越多地实现跨区域互联，其规 模迅速扩大。然而，随着系统规模的扩大，各子系统之i 副的相互影响越来越强烈， 局部系统的故障可能由于保护和自动装置的不f 确动作而酿成大面积的停电事故， 甚至整个电力系统瓦解，给国民经济带来巨大的损失。近年来国内外发生的多次大 停电事故充分表明其对经济和社会的严重危害，例如：1 9 9 6 年美国西部电网停电事 故：1 9 9 6 年马来西亚电网发生全国性大面积停电事故：19 9 7 年我国台湾省发生的 中北部大停电事故；2 0 0 3 年发生的美加大停电事故更引起了全球的关注，该事故是 美国历史上规模最大的停电事故，事故造成包括2 2 个核电厂在内的1 0 0 多个发电 厂、几十条高压输电线路停运，系统失去负荷6 1 8 g w ，停电时间长达2 9 小时，直 接经济损失高达3 0 0 亿美元。由此可见，现代电力系统讴时刻受到大停电事故的严 重威胁。这不仅给我国电网的建设和运行敲响了警钟，更对发生大面积停电后电力 系统的快速恢复提出了更高的要求。 从根本上讲，大停电事故是不可避免的，尤其在经济与电力联系甚为紧密的今 天。因此，在系统崩溃带来大面积停电后，如何进行局部孤立系统的黑启动自救， 快速实现整个系统的正确恢复、减少事故带来的经济损失和社会动荡是非常重要 的。所谓黑启动( b l a c k s t a r t ) 是指整个系统因故障停电后，不依赖别的网络帮助，通 过系统中具有自启动能力机组的启动，带动无自启动能力的机组，逐渐扩大系统输 电范围，最终实现整个系统恢复的过程。研究系统发生大停电后的黑启动过程，制 定电力系统的黑启动方案，对帮助运行人员快速恢复系统的运行，减少对社会和经 济造成的巨大损失，具有非常重要的意义。 基于电力系统黑启动问题的现状，本课题组已经研究丌发出一个智能化的黑启 动决策支持系统【，辅助现场运行人员进行黑启动方案的制定和实施。其中，黑启 动路径空载合闸过电压的校验是此决策支持系统的重要组成部分，文献 2 已完成 了电力系统黑启动过程中空载合闸过电压的仿真计算和统计分析，其结果通过e m t p 的校验，证明了其有效性。由于在进行过电压统计计算时需要对某一合闸路径进行 多次仿真计算( 1 2 0 次或更多) 以进行统计分析，计算负担繁重，耗费大量的时间。 无法快速地完成对黑启动预案的检验，大大延长了制定黑启动方案所耗费的时间。 因此，如何快速完成黑启动过电压的校验将对提高黑启动方案的制定效率有着重要 的意义。 华北l 乜力人学硕士学位论文 本文将在文献 2 - f 作的基础上，采用v i s u a lc + + 丌发一个用于黑启动路径空载 合闸过电压分析的通用性软件，帮助操作人员方便、快捷地进行空载合闸过电压仿 真计算和统计分析，辅助系统运行人员快速制定黑启动方案。同时，针对过电压统 计分析计算量巨大的问题，将神经网络用于过电压的分析预测，以快速确定最高过 电压倍数，减小黑启动过电压分析的计算负担和时间消耗，进一步提高过电压分 析软件的性能。 1 2 黑启动问题的国内外研究现状 1 2 1 国内外黑启动研究现状 自从上个世纪8 0 年代，电力系统黑启动问题逐渐引起了人们的重视，国外学 者丌始进行该问题的研究【3 一】，黑启动过程中所需要解决的问题被辨明，并结合具体 的系统研究了各种不同的黑启动方案。 文献 3 结合美国内稚拉斯加电力系统，讨论了使用遥远小水电作为启动电源 来启动大容量火电厂的黑启动方案，将仿真结果和实际的实验进行了比较，得出了 比较一致的结果。文献 4 对希腊h e l l e n i c 电力系统的一次大停电事故进行了恢复仿 真研究。文献 5 介绍了关于黑启动和系统恢复问题的一种新的方法框架。文献 6 利用e m t p 对输电线供电进行仿真，给出了不同长度输电线路使用集中分散参数模 型进行e m t p 仿真的线路首端术端过电压情况，并对加入电涌放电器前后仿真效果 进行比较，论证了电涌放电器对降低空载线路过电压所具有的功效。在众多的国外 研究中，引入专家系统进行黑启动辅助决策是一个非常有希望的研究方向1 7 1 。借助 专家系统的知识推理能力，可以确定数个较优的启动方案，并通过数值仿真来检验 方案的可行性，借助定量指标对各个方案进行排序，为调度人员提供一个科学、直 观的决策依据。 近年来，黑启动问题也逐步引起了国内电力系统的重视，并丌始在这方面展开 积极的研究探讨。1 9 9 9 年，上海交通大学与华东电力调度局合作，进行了华东电网 黑启动问题的研究【引，对以天荒坪抽水蓄能电站作为启动电源启动新安江水电机组 的方案进行了计算分析。2 0 0 0 年5 月5r ，华北电力调度局以十三陵水电站作为黑 启动电源进行了局部系统的黑启动试验研究，对黑启动过程中各种系统变量进行了 实测分析f9 1 ，这在国内尚属首次。文献 1 针对河北南网的实际情况研制开发了一个 实际的电力系统黑启动决策支持系统，该系统借助人工智能技术，自动搜索可能的 方案，从而实现了黑启动方案制定过程的高度自动化，大大减少了制定黑启动方案 所耗费的时间、人力，使运行人员能够根据电网结构和设备的运行状态的变化，随 时修正黑启动方案，保证黑启动方案时刻跟随电网的运行状态，对黑启动研究进行 2 华北电力人学硕士学位论文 了有益的探索。 1 2 2 黑启动过电压校验工作 就空载线路合闸过电压校验部分的工作而言，e m t p 作为一种计算手段，己经成 为国外国内普遍采用的检验空载线路合闸过电压的计算程序。文献 10 运用e m t p 程序对华中5 0 0 k v 电网在黑启动过程中可能产生的自励磁、工频、谐振、操作等内 部过电压进行了计算和分析。文献 11 针对湖北省5 0 0 k v 电网的黑启动方案中各 运行方式是否发生自励磁进行了验算，计算了工频电压升高、操作过电压、断线谐 振过电压、合空载变压器过电压，提出了运行建议。 基于e m t p 或者r t d s 等商用计算或仿真软件进行过电压分析，通常的做法是把 所需要校验方案的相关数据按照e m t p 或r t d s 等软件的数据格式组织输入数掘，再 利用这些软件进行计算或仿真，然后人工对过电压计算或仿真结果进行分析校验。 这种做法的数据准备和结果分析任务繁重，限制了黑启动方案制定过程的自动化， 加重了运行人员的工作负担，延长了方案制定所耗费的时间。 文献 2 开发了独立的黑启动路径空载合闸过电压校验程序使得工作人员可以 方便使用该系统的接口进行各种情况下的过电压检验。但是该系统计算时间长，人 机界面不完善，仍需要改进。文献 1 2 1 3 提出运用神经网络近似预测空载路径合 闸过电压，给出了影响合闸过电压主要因素，并通过e m t p 计算出用于神经网络的 训练样本，从而得t , j i j l i 练好的网络来快速预测合闸过电压。但是该方法的通用性有 待提高。为此，本课题提出丌发用于黑启动路径空载合闸过f 包压分析的软件，并运 用人工神经网络预测路径空载合闸过电压的最高倍数，来改进时域仿真法计算过电 压速度慢的缺点。 1 3 本文的主要工作 结合黑启动决策支持系统项目的研究，本文将使用v c + + 开发用于研究黑启动过 程中空充输电线路造成操作过电压的仿真与统计分析的通用性软件。并将运用人工 神经网络对黑启动过程中合闸过电压进行快速校验和分析的功能集成到该软件之 中。 本文主要工作如下： l 在v c + + 环境中设计黑启动路径空载合闸过电压分析软件的系统框架，将过电 压仿真计算、统计分析、神经网络预测和图形界面等功能模块集成为一体。 2 在文献 2 的基础上，对黑启动空载合闸过电压仿真计算和统计分析程序作 了改进，并将合闸过电压仿真计算和统计分析程序模块集成在一起。 3 运用人工神经网络对黑启动空载合闸过电压进行快速预测。对单一合闸工况 气 华北电力人学硕十学位论文 的最大过电压预测和考虑合闸工况随机性的统计过电压预测作了分析与研究，并通 过具体算例进行校验。最后将神经网络模型编程实现，构成神经网络预测模块。 4 为软件开发一个完善的界面，采用下拉菜单、方便的人机对话框和系统结构 图等图形界面实现用户和系统的友好交互，提供可视化操作。并采用a c c e s s 数据 库和o d b c 技术实现数据库与程序模块之f 刚的交互。 4 华北电力人学硕= 卜学位论文 第二章系统的功能分析与总体方案设计 2 1 软件开发的目标 电力系统黑启动是电力系统因故障全停后启动系统自动恢复措施，实现系统恢 复的全过程。此过程要经历机组启动，路径充电，负荷投入等各个阶段，因此黑启 动方案的制定和实施几乎涉及到系统的所有问题。其中，黑启动路径空载合闸过电 压问题就是一个必须关注的问题。 在黑启动初期系统比较薄弱，路径的空载充电所产生的较高幅值的过电压有可 能超过线路的绝缘限值，甚至将威胁电气设备的安全，导致黑启动过程的失败。黑 启动路径空载充电过电压分析软件就是针对这一问题，运用对黑启动路径空载充电 过电压计算、统计分析和神经网络预测的研究成果，研制丌发的电力系统黑启动空 载充电过电压分析校验的计算机仿真软件。其主要目标是辅助黑启动方案制定人员 对空载充电过电压进行分析，以校验所研究黑启动方案的可行性。本软件集过电压 计算、统计分析和神经网络预测功能于一体，不仅可以对任意合闸时刻和三相不同 合闸时间的过电压进行计算和统计分析，还可以对黑启动中常规线路末端统计过电 压直接进行神经网络快速预测，评估过电压可能带来的最严重危害。 2 2 系统功能设计原则 从开发人员的角度以及通用性、扩展性的角度出发，在设计中把系统分成几个 功能模块，采用面向对象的方法进行设计。这样只要设计好各个模块之间的接口就 可以利用不同的开发工具在某一方面的特长开发各个不同的模块。从而可以缩短开 发周期，增强所开发系统的稳定性。这样做还可以实现系统中的各个模块的重用， 以后遇到类似的工作只要把当中的某一模块稍加修改即可。 软件运行中不需要对数据库进行频繁的访问和操作，因此，数据库同程序的交 互应满足简单，快速的要求。a c c e s s 数据库和o d b c 技术的应用满足了上述要求。 从用户角度出发，在系统的设计中应遵循以下几个原则： ( 1 ) 简单化。系统各个功能的实现应当操作简便，减轻用户的负担，同时，也 减少了用户的出错机会。 ( 2 ) 可视化。应提供良好的人机界面，应给出系统结构图等图形界面，提供可 视化操作。电网数据的可视化管理可以降低用户维护数据的强度，减少数据出错可 能性。 ( 3 ) 易维护。用户遇到的所有操作都可以在用户界面中完成，不需要对程序进 华北电力人学硕十学位论文 行特别的修改。 2 3 软件的系统框架 本文所开发的这个系统具有友好的用户界面。能够进行黑启动任意合闸时刻的 三相同期合闸和三相不同期合闸的过电压计算和统计分析。能够运用人工神经网络 对黑启动常规线路统计过电压进行快速预测，从而弥补计算统计过电压需要耗费大 量时间的缺点。 本软件系统由五大模块组成来实现上面的功能：文件操作模块、图形界面模块、 计算和统计分析模块、神经网络预测模块、结果查询模块。系统运行中采用o d b c 技术完成数据库同程序模块的交互。如图2 1 所示。 2 3 1 文件操作模块 图2 - i 系统总体框图 文件操作模块主要完成网络图形的创建、打开、删除等功能，事实上，文件操 作模块的功能主要是靠对数据库的操作来完成。当要新建一个图形的时候，只要将 某个位置相对固定的空数据库复制到为这个图形新建的目录下来即可。 2 3 2 图形界面模块 图形界面模块主要完成与用户的交互，完成电网数据的可视化管理。主要有两 种形式： ( 1 ) 图形输入和编辑：软件提供用户自行设置构造用于黑启动路径空载充电 过电压研究的充电路径模型。在此过程中涉及到的系统元件有：发电机、母线、变 压器、线路、并联电抗器、避雷器和负荷。 ( 2 ) 数据输入：对应于每一个系统图形元件有用于过电压计算的系统元件参 数输入对话框，用于系统数据的输入。 6 华北电力火学硕士学位论文 2 3 3 计算和统计分析模块 此模块由两部分组成，即黑启动空载合闸过电压仿真计算模块和随机统计分析 模块【2 1 。详细内容见第三章。 ( 1 ) 过电压仿真计算模块：该模块实现在某种合闸工况下对由输入模块构建 的充电路径进行空载充电过电压计算。此软件考虑的合闸工况包括：合闸时i 旬和合 闸方式。其中：合闸时间又包括断路器合闸时刻( 合闸初相角) 和断路器三相触头 合闸时间；合闸方式有一次合闸( 直接充) 和多次合闸( 分段充) 。因此，该模块 完成的仿真计算功能有： 术任意合闸时刻一次合闸过电压仿真计算 术任意合闸时刻多次合闸过电压仿真计算 木 任意合闸时刻三相不同时合闸的一次合闸过电压仿真计算 术 任意合闸时刻三相不同时合闸的多次合闸过电压仿真计算 ( 2 ) 统计计算和分析模块：针对输入模块构建的充电路径进行空载充电过电 压的统计计算和分析。与计算模块相同，该模块也提供了两种合闸方式( 一次合闸、 多次合闸) 的空载充电过电压计算和统计分析，供现场人员选择。 2 3 4 神经网络预测模块 由于计算统计过电压时，需要对某一合闸路径进行多次仿真计算( t 2 0 次或更 多) 以进行统计分析，计算负担繁重，耗费大量的时问。因此，有必要寻求一种统 计过电压的快速计算方法以提高黑启动方案的制定效率。本软件运用人工神经网络 的方法对常规线路空载合闸统计过电压进行快速预测，这为我们在黑启动过程中空 载合闸统计过电压的校验提供了新的思路。详细内容见第四章。 2 3 5 结果查询模块 此模块与计算和统计分析模块相对应， 伴随着结果的输出。结果输出有两种形式： 查询。 7 即在每一步的计算和统计分析过程中都 波形输出和文本输出，方便操作员分析 华：f 匕电力人学硕十学位论文 第三章黑启动空载合闸过电压仿真计算和统计分析程序设计 3 1 电力系统数字仿真简介 系统数字仿真是一门科学技术，即用数字模型代替真实系统，在数字计算机上 进行实验和研究。电力系统是一个非常特殊的系统，其特殊性不仅体现在其内部元 素间互相关联造成系统的复杂性，而且体现在其对经济性、安全性、可靠性的要求 较高。尤其随着电力系统的快速发展，其规模、复杂程度以及质量要求不断提高， 导致目前无论是利用实际电力系统还是通过物理模型动态模拟电力系统进行试验、 研究，在某种程度上都会受到限制，甚至在一些情况下是不可行的。因此，借助于 计算机和数值计算技术，利用电力系统数字仿真【1 4 】来研究和解决电力系统及相关问 题是一个非常有效的途径。 电力系统数字仿真是用电力系统数学模型在数字计算机上进行试验和研究的 过程。此过程一般包括三个步骤：建立数学模型、建立数值仿真模型和仿真试验和 分析。目前电力系统数字仿真发展十分迅速，应用也同益广泛。通常的电力系统分 析仿真软件有：用于电力系统潮流和机电暂态分析的b p a ，p s a s p ，用于电磁暂态分 析e m t p 以及实时仿真器r t d s 等。 3 2 合闸过电压时域仿真模型的建立 黑启动路径空载合闸过电压是暂态性质的过电压，利用电力系统数字仿真技术 对电力系统暂态问题的研究应首先建立系统元件的时域仿真模型。时域仿真模型是 将原始数学模型进行差分化得到的以仿真时间步长为变量的函数模型。差分化是将 系统微分方程转换为以仿真时f 刚步长为变量的代数方程的过程。其规则如下所示： 1 ) 带有微分算子的向量厂以2 l i ( r ) 一，( f 一r ) 带入； t 2 ) 不带微分算子的向量厂以二 厂( r ) + 巾一a t ) 带入： 2 3 ) 常系数矩阵或常数向量保持不变。 本文的仿真模型主要是建立在口、0 坐标系统中。采用该坐标系统的优点 在于：对于三相对称的元件，零序分量与a 、p 分量是彼此解耦的。这样，对于y ， d 连接变压器，虽然两侧a 、b 、c 三相的变量变换不可逆，但是两侧的a 、p 分量变 换仍是可逆的。利用这一特点，可以使y ，d 变压器两侧变量变换不可逆的问题得 以解决。实际系统中，大多数网络元件的a 、卢、o 分量微分方程是彼此解耦的， 华北电力火学硕士学1 1 i ) = 论文 形成模型网络方程后，导纳矩阵的稀疏度更高，采用一定的编程技巧可以提高仿真 计算的速度。采用隐式梯形法差分化后，系统电气元件数学模型如下所示： ( 1 ) 发电机的数学模型 论文所采用的发电机的数学模型是简单模型，即用一个理想三相电源和稳态下 发电机的漏抗串联而成的支路来模拟。 ( 2 ) 电阻一电感和电容元件的暂态等值电路及数学模型。图3 一l 显示了电阻一电 感和电容元件等值电阻电路引。 “f ) = g j z ，。) 一甜i ( f ) + t ( f 一f 1 配 ) 銎“) j ，( f 一，) ：2lg,一尺) j ( f 一f ) t = 二；_ l 号l 叫 l o 也。= u ( t - a t ) - u ( t - a t ) + g , ( - _ - 固“卜出i ( 产百 。 一： 垒! (。一1t_ro ) = 一 “ 2 上+ ，尺 图3 1 ( a ) 电阻一电感元件的暂态解等值电阻电路及数学模型 “( ) i ( f ) 一一( ，一a t ) = g 0 u ( t ) + ( t z 3 t ) 3 ，( f a t ) = 一g c u ( t a t ) 一i ( t a t ) + f t ( ，一a t ) g = 2 c a t( 3 - 2 ) 图3 一l ( b ) 电容元件的暂态解等值电阻电路及数学模型 ( 3 ) 分布参数输电线的路数学模型 输电线的贝杰龙模型【15 】【1 6 1 是从分自i 参数输电线路的微分方程推导而来的。其核 心是把分布参数元件等值为集中参数元件，以便用比较通用的集中参数的数值求解 法来计算线路上的波过程。其线路原型及单相等值电路如下图所示： 盘 l j _ l l ： 图3 - 2 贝杰龙输电线路原型及等值电路 9 华北电力人学硕士学位论文 所谓小损耗贝杰龙数学模型是考虑电磁波在实际输电线路上传输时的能量损 耗，将线路总电阻尺分散在三处：线路两端各r 4 ，线路中间r 21 1 4 】【1 引。这样处理过 的模型可以达到数值计算需求的精度。对于实际的三相输电线路，利用文献【1 4 】中 相模变换方法进行三相解耦，解耦得到的三相线路模型式( 3 - 3 ) ( 3 4 ) 所示： f 二 f 未 d l k m i 磊 f 磊 兹 _ z ， o o 、| z ， 0 o 0 1 | z3 0 o 、| zj 0 0 0 、| z ， 0 0 、| zc 比 ( f ) “g ) “善( f ) “三t ) “竺t ) “三( r ) + + 式中： 盼咖警 一 ) - h 弘训+ j 1 - h _ - 1 似啪瑚麓) ，l ( t 飞) ：半【一知b ( t1 ) - h 3 i l ( t ，) 】+ 毕 ；啪一) - h b i 己( t _ ) 三za三zr 引o t 小半卜扣小。o ( t 川+ 半【扫卜 。弧】 ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) 耻_ ) = 半卜 ”吨“川+ 半 枣( f _ r 卜 。诎_ ) ，竺k ( t - - v a ) = 半【专融叫也似叫】+ 半 - 1 托_ m b ( t 1 ) ( f _ = 半 一”孔f j ) + 半 誊( f _ _ l f ，兹” 其中： 小咿揣小揣。z j = z a + r 1 4 枫十r 4 1 0 z r z 一 一 一 0，、 口枷枷。枷 r r r 一 一 一 0，”、g。袱卢础d础 华北电力大学硕士学位论文 r 。= r 口= z y 。，r 。= f v 。 r l ，l 1 ，c 1 为线路的正序电阻，电感和电容：尺o ，l o ，c o 为零序电阻，电感和电容。 ( 4 ) 并联电抗器的数学模型【1 4 l 并联电抗器一般装设于超高压输电线路的一侧或两侧， 器的低压侧，用以调节系统的无功和限制线路空载过电压。 线形式一般如图3 - 3 所示。 差誊 。 q 。q q 。 仨；蚤 + f 乏墨三茎；1 - 5 ) 吒= a 2 x a , g 圹v q 。2 。 f k ( f 一f ) 1f 6 o u 。( f 一f ) + t ( t 一f ) 1 i ，卢( f a t ) i = iq 一“，( 卜a t ) + i 一( f - r ) l ( 3 - 6 ) l ，。0 一a t ) iig 。“。( t a t ) + l o ( t a t ) i 或者装设于三绕组变压 其数学表达式如下。接 l 辨峰 = = ：- 图3 3 并联电抗器 可见，并联电抗器的暂态解等值电路与电感元件相似。 ( 5 ) 开关元件的数学模型【1 4 l 目前用于高压系统中的断路器一般合闸速度较快，合闸过程可以不考虑触头间 的预击穿，因此可以把断路器视为理想时控元件。根据使用者的要求，在计算开始 前，丌关闭合或打开，可由使用者选择，然后给出一定的时间，命令丌关打丌或闭 合。断路器的合闸时间由两部分组成：平均合闸时i 刨和三相合闸时间。平均合闸时 间指断路器三相动作平均时间，体现为发电机的合闸初相角；三相合闸时间是由断 路器的机械性能引起的三相合闸的不同时，体现为每一相的具体合闸时间。因此对 断路器的计算机仿真主要从这两方面入手。 ( 6 ) 避雷器的数学模型 论文中所采用的避雷器模型为氧化锌避雷器( m o v ) ，它是种非线性电阻元件， 对于非线性元件，我们采用分段线性化法来处理，可通过一个附加的理想开关来实 现。即将非线形元件由一种工作状态变换到另一种工作状态，从拓扑上讲，网络结 构没有改变，但这个支路的阻抗值发生了变化【17 1 。其等值电路如图3 - 4 。 华北电力人学硕十：学位论文 幽3 - 4 氧化锌避雷器的等值电路 6 4 3 l m a 1 0 k a i ( a ) 幽3 5 氧化锌电阻片的伏安特性 图3 5 中实线代表氧化锌电阻片的伏安特性，虚线表示对此伏安特性进行分段 线性化，即用三段折线( 三个斜率或三个电阻值) 来近似模拟。 3 3 黑启动路径空载合闸过电压仿真计算程序开发 黑启动路径空载合闸过电压仿真计算程序是在w i n d o w s2 0 0 0 环境下，采用面 向对象程序设计语言一c + + 实现，利用电力系统数字仿真方法开发的独立的合闸过 电压计算程序【2 1 。其流程图如图3 - 6 所示： 输入正零序参数 山 形成。以。坐标下节t i 导纳矩阵 图3 - 6 过电压计算程序流程图 1 2 华北l 电力人学硕士学位论文 3 4 黑启动路径空载合闸过电压计算统计分析 3 4 1 蒙特卡洛法简介 蒙特卡洛( m o n t ec a r l o ) 法：又称统计模拟法或统计试验法，是通过某种随机抽 样的试验来获得某随机事件的概率。当试验次数足够多时，试验结果将近似于问题 解【1 8 】。在黑启动空充输电线路时引起的线路过电压倍数取决于系统的结构、设备参 数、断路器性能以及操作过程等因素。其中，系统结构和设备参数在黑启动过程中 基本保持不变，而断路器的合闸性能则具有明显的统计性，操作过程又具有随机性。 因此，黑启动过程中的操作过电压服从一定的统计规律，可以用统计模拟法一蒙特 卡洛法进行统计分析。 采用蒙特卡洛法进行统计计算的基本过程如下： 1 ) 建立适当的概率模型 2 ) 不同分布的随机变量用数学方法进行随机抽样 3 ) 根据抽样在数字计算机上进行大量的模拟计算或模拟试验，对结果进行统 计分析，给出问题的统计估计值。 3 4 2 概率模型的建立 在本文所研究的黑启动路径空载充电过电压问题中，空充输电线路过程中的随 机性体现在两个方面，一是断路器本身性能的分散性，具体体现在断路器三相触头 合闸的不同期；二是操作过程的随机性，具体体现在合闸初相角。因而，合闸过程 存在四个随机变量，即合闸初相角a 和三相合闸时间t 。，t b ，t 。由断路器的性能和 现场运行经验可以对其建立适当的概率模型。 目前一般用于高压系统中的断路器合闸速度较快，可以不考虑触头间的预击 穿，因此合闸初相角可以看作是在工频周期内服从均匀分布。在黑启动路径空载充 电过程中，线路电压幅值在工频周期内呈对称性，因此，在统计计算时合闸初相角 只取半个工频周期即可。其概率密度函数为： 厂 ) = 1 万0 d 1 2 0 y n 计算每种合闸i 况下a ，b ，c 三相i u 压绝对值的最大 值，构成每相i u 压最火值样本 分别计算样本均值、方差，求取每两相问的相关系数 兰相r uj i = f 妻火值柙若 丫y n 取三相r u 压中的最大值构成线路最火过i u 压统计分析样本 求取样本均值、方差 取a 相最人 值样本作为 线路最人过 1u j 卡统汁分 析样本 由极值分布函数计算2 统计过l u 压倍数 停机 图3 - 7 过电压统计分析程序流程图 3 6 黑启动路径空载充电过电压计算程序检验 ( 1 ) e m t p 简介 e m t p ( e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n t sp r o g r a m ) 电磁暂态分析软件，具有分析功能多、元 1 5 华北电力大学硕士学位论文 件模型全和运算结果精确等优点；对于电网的稳态和暂态都可做仿真分析，它的典 型应用是预测电力系统在某个扰动( 如刀：关投功或故障) 之后感兴趣的变量随时问 变化的规律，将e m t p 的稳态分析和暂态分析棚结合，可以作为 u 力系统谐波分析 的有力工具。 a t p 2 1 1 ( t h ea l t e r n a t i v et r a n s i e n t sp r o g r a m ) 是e m t p 的免费独立版本，是目 前世界上电磁暂态分析程序最广泛使用的一个版本，它可以模拟复杂网络和任意 结构的控制系统，数学模型广泛，除用于暂态计算，还有许多其它重要的特性。a t p 还配备有比t a c s 更灵活、功能更强的通用拙述语言m o d e l s 及图形输入程序 a t p d r a w 。 作为一个成熟的电力系统暂态分析软- t 二，e m t p a t p 在困际上得到了公认。本 文将采用e m t p a t p 对所丌发的黑启动路径空载充电过电压计算稻! 序进行校验。 ( 2 ) 利用a t p d r a w 搭建系统模型 我们以一个简单的算例系统为例，如图3 8 。州，发l 【l 机为无穷大电源。变 压器变比k = 1 0 5 0 0 ，r r = 0 2 7 5 f 2 ，l t = 15 l m h 。断路器为王t t i $ 一f i i i , j 控了l ：火。线路参数： r l = 0 0 2 4 0 4 f 2 k m ，r o = 0 1 7 4 0 4 f 2 k m ，l i = 0 7 9 5 8 m h k m ，l o = 2 3 8 7m h k m ，c i 2 0 0 1 4 1 6uf k m ，c n = 0 0 0 8 9 8l af k i n ，线路长度l = 3 0 0 k m 。 园十鸯卜二一 图3 - 85 0 0 k v 黑启动空充线路等值电路 下面我们利用a t p d r a w 搭建该简单电力系统的系统模型，如图3 - 9 所示。图中 发电机为无穷大电源，r l c 为发电机内阻和变压器等效阻抗的和，p s 为理想变 压器，开关为理想时控开关，l i n e ( z t ) 为分散参数- - , g 传输线c l a r k e 模型， 线路末端接有三相电压测量仪表，用来测量线路术端电压。 图3 - 9 算例系统的a t p d r a w 图形系统 ( 3 ) 不同合闸初相角的同期合闸过电压计算校验 在o 1 8 0 度范围内，任意选取合闸初相角分别使用a t p 计算软件和本章所丌发 的过电压仿真程序进行过电压仿真计算，进而校验过电压仿真程序的准确性。 三相同期合闸时线路三相电压对称，因此只需对其中某一相的电压进行校验即 1 6 华北电力大学硕十：学位论文 可，。将线路末端a 相电压a t p 计算结果和过电压仿真程序a 相电压计算结果起输 出到e x c e l 表格。利用e x c e l 绘图工具对二者的进行绘图比较，比较结果分别如图 3 一l o 、3 1 1 所示： 图3 一1 11 1 5 度同期合0 州线路术端a 相电压比较( 虚线一e m t p ) 由以上比较结果可以看出，利用本文程序进行黑启动路径不同合闸初相角空载 同期合闸的过电压仿真计算结果与a t p 的计算结果基本一致，从而汪明了本文用于 计算黑启动过程中空充输电线路( 断路器三相同期合闸) 的模型和计算程序是科学 可行的，对于不同合闸初相角的同期合闸统计分析结果是合理的。 ( 4 ) 三相非同期合闸过电压计算校验 同上面不同合闸初相角的同期合闸过电压的校验，本文对任意一种非同期合闸 工况进行a t p 仿真计算，通过三相波形对比束验证非同期合闸模型的f 确性。校验 结果如图3 一1 2 所示： ( a 相) 些! ! 皇垄盔堂堡主堂堡笙塞 一 _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ 一一 ( c 相) 图3 1 2三相非同期合闸线路末端三相电压比较( 虚线一一e m t p 仿真计算结果) 注：上图三相合闸时间为t a = o ，t b = 0 0 0 1 5 s ，t c = 0 0 0 2 s ，合闸初相角为口= 9 0 0 由以上校验结果可以看出：利用本文程序进行黑启动路径三相非同期空载合闸 的过电压仿真计算结果与a t p 的计算结果基本一致，从而证明了本文用于黑启动路 径空载三相非同期合闸过电压仿真计算的模型是科学可行的，用其进行过电压的计 算和统计分析的结果是合理的。 华北电力人学硕十学位论文 第四章运用人工神经阿络预测黑启动空载合闸过电压的研究 在制定黑启动方案的过程中，要根据启动电源、黑启动路径的选择和系统状态 的变化，校验大量的黑启动方案【6 9 1 。因此，大量空充线路过电压的仿真计算和统计 分析是必不可少的。目前，国内外通常采用e m t p 计算空载线路合闸过电压。可是 通常情况下，不可能得到e m t p 商用动态仿真软件的数据接口源代码，所以国内外的 做法大多是把所需要校验方案的相关数据按照e m t p 软件的数据格式进行输入，然 后再进行校验，这种作法使e m t p 无法对大量的黑启动方案进行自动化校验既延长 了黑启动方案的制定时间又加重了运行人员的工作负担。同时，e m t p 只具有确定 合闸工况下的过电压仿真功能，不能进行考虑断路器合闸工况变化时的过电压的统 计计算。文献f 2 1 开发了用于黑启动过程中过电压校验计算与统计分析的时域仿真程 序，为过电压的统计计算带来了极大的便利。但是该程序在计算统计过电压时，需 要对某一合闸路径进行多次仿真计算( 1 2 0 次或更多) 以进行统计分析，计算负担 繁重，耗费大量的时间。文献 1 2 1 3 1 提出运用人工神经网络的方法对空载合闸过电 压进行快速预测的思想，这为我们在黑启动过程中空载合闸过电压的校验提供了新 的方法。但文献f 1 2 【1 3 未考虑线路型号、参数、断路器合闸初相角以及三相合闸操 作不同期等随机性因素对过电压的影n i 匈，所训练的神经网络只能用于同一型号线路 的预测，不具有通用性，大大限制了它的推广应用。本章对黑启动过程中空充输电 线路引起的合闸过电压问题进行了研究，将电源漏抗和不同型号线路参数纳入黑启 动空载合闸过电压预测神经网络的输入特征，对运用人工神经网络快速预测空载合 闸过电压的思想做了进一步研究。 4 1 用于黑启动合闸过电压预测的神经网络模型 4 1 1 黑启动合闸过电压产生的机理分析 电力系统黑启动方案制定时，首先要确定自启动机组和被启动机组，然后确定 从自启动机组到被启动机组之l 训的供电路径。在选择供电路径时必须进行路径的空 载充电过电压校验，过电压小于规定的限值，才能作为可用的供电路经组成黑启动 方案。 由于黑启动过程中作为自启动机组的发电厂通常为水力发电厂或抽水蓄能电 厂，而作为被启动机组的发电厂通常为火力发电厂，地理位置上的距离使由输电线 路组成的充电路径较长、电压等级较高，从而过电压情况比较严重。此间过电压由 1 9 华北电力大学硕士学位论文 两部分组成：工频过电压和操作过电压。其中，工频过电压为稳态性质过电压，一 般幅值较小，相比之下操作过电压占了主导地位。因而，在校验黑启动空充输电线 路过电压时主要考虑操作过电压。操作过电压是指当断路器进行操作或发生系统故 障时，电力系统从一种稳定工作状态通过振荡转移到另一种稳定工作状念的过渡过 程中所产生的暂态性质的过电压。其等值电路如图4 1 所示，计算公式如下： 这里只考虑计划性三相同期合闸，暂态过程只有正序分量。运算传播系数7 = 兰 y 一 其中p ：兰， ，为f 序波速，忽略电阻损耗，线路长为，z 为波阻，根据无损传 d f 输线方程，运算传播系数可写成： 昏意# _ 4 ：如丝，4 ：c hp z ，岛：z s t lp z ，c i 。l 5 7 ，2 巫 由于是空载线路，因此 p - f 、r ，1 l - - z - 丝 屹( p ) 氆( p ) 42 捆商( 4 - 1 ) u x p ) 为离末端x 处的电压，u 2 6 0 ) 为线路术端运算电压，e 仞) 为电源电动势，x s = c o l ， 为电源漏抗。 利用分解定理，求出u x 例的原函数： “，( r ) = u 2c o s s ( 口) 一砉警c o s 等c o s ( 删r ) ( 4 - 2 ) 其中，u e 为末端稳态电压幅值，即： u ，： 墨 ( 4 3 ) c o s a 一生s i n a 式中e 为电源幅值，而为电源漏抗，九：竺， f 为自振角频率，0 为电源相 位角。k ，& 和万f 为系数，由甜f ，a ，x s ，z 和0 表示。 华北电力火学硕十! 学位论文 由上式可见，( 4 2 ) 是右边第二项为过渡过程电压的工频稳态分量( 强制分 量) ，后一项是暂态分量( 自由振荡分量) ，合闸后线路各点的电压由零值过渡到有电 容效应决定的工频稳态电压，从而出现振荡过电压。由于实际中长线路的分布参数 特性和线路损耗的存在，操作过电压将e b 工频稳态分量和无限个迅速衰减的谐波分 量叠加而成。因此，操作过电压是在工频过f 1 压的基础上振荡产生的，巩越高， 操作过电压的幅值越高1 1 5 1 1 2 引。 4 1 2 用于过电压预测的神经网络模型简介 人工神经网络是人工智能技术的重要分支之一，它已被广泛用于模式识别与分 类、复杂函数的拟合、系统优化与控制等问题。误差反向传播( e r r o r b a c k p r o p a g a t i o n ) 神经网络( 简称b p 网络) 是最成熟的神经网络模型之一，它可 以用来构造输入和输出之问的非线性映射关系，在模式识别领域具有广泛的应用， 可以对复杂状态或过程进行分类和识别，在线计算量小，运算速度快。近年来，各 国研究人员对b p 神经网络在电力系统中的应用开展了广泛的研究，已有很多文献 见诸报道，如电力系统负荷预测f 2 引，动态安全评估f 2 4j 等。文献 1 2 】和 1 3 】提出了利 用b p 神经网络来确定合闸过电压幅值的思想，这为我们对黑启动方案合闸过电压 的计算和校验提供了一条可行的途径。 b p 神经网络的结构是分层式的结构，不同神经元分别安排在不同的层次上，包 括输入层、输出层和若干隐含层。输入层神经元负责接收外界的输入信号，然后传 输给隐含层神经元进行计算和转换，最后由输出层神经元接受来自最后隐含层神经 元的信号，综合形成网络的输出。b p 算法的主要思想是将神经网络的输出误差从 输出层向输入层( 反向) 逐层传播，通过优化算法来调整各层之间的连接权值，使 输出误差值达到最小。算法分为两个阶段：第一阶段( 正向过程) 输入信息从输入 层经隐层逐层计算各单元的输出值；第二阶段( 反向传播过程) 由输出误差逐层向 前算出隐层各单元的误差，并用此误差修正前层权值| 2 川。b p 神经网络的训练实际 上是一种非线性拟合的方法，训练完成后，对于不在训练样本集中的新样本也能预 测它的输出。本文采用b p 网络进行黑启动合闸过电压的快速预测。 4 2 基于神经网络的黑启动合闸过电压快速预测 4 2 1 单一合闸工况的最大过电压预测 l 基于b p 网络的过电压预测模型。 利用b p 神经网络进行过电压预测包括三方面的工作： 2 1 华：化电力人学硕十! 学位论文 1 ) 输入特征的选择。 2 ) 神经网络的设计与训练。 3 ) 新样本的测试与神经网络性能的评估。 用b p 网络进行过电压预测，输入特征的选择是最重要的任务之一，它直接关 系到预测结果的好坏。如果所选特征对所求解的问题没有足够的代表能力，无论褶j 经网络如何训练都不会取得好的结果。在文献 1 2 和 1 3 1 中，合闸线路长度z ，线路 上并联电抗器补偿q 和电源电阻咫被选作神经网络的输入特征。没有考虑线路型 号和参数的影响。 从式( 4 - 2 ) 和( 4 - 3 ) 可知，电源漏抗囊和线路参数对合闸空载线路末端过电 压的大小有很大的影n 向，当线路长度一定时，系统电源容量越小，电源漏抗瓿越大， 线路电容电流流过的电压升高也越显著，稳态电压巩和过电压幅值以急剧上升。 因此，本文把合闸线路长度z ，线路上并联电抗器补偿q ，电源电阻风，电源漏抗托 和输电线路的参数( 每公里的f 序电抗工。、f 序电纳6 。和电阻厂1 ) 作为过电压预测神 经网络的输入特征。如下表所示： 表4 1 输入特征及描述 序号物理符号物理含义 1，合闸线路长度 2 q 线路并联电抗器补偿 3 足 电源电阻 4 工f 电源漏抗 5 r ， 线路每公里电阻 6 x l 线路每公里正序电抗 7 6 ， 线路每公里l e 序电纳 本文所采用的b p 神经网络模型为三层结构，即输入层、隐含层和输出层。输 入层有7 个神经元，对应所选的7 个输入特征，输出层有1 个神经元，其输出代表 最大过电压峰值，隐含层神经网络的个数可以根据训练样本集的情况进行调整。隐 含层神经元的节点函数采用s i g m o i d 函数，输出层采用纯线性变换函数。神经网络输 出的误差函数定义如下： e = i 1 ；n ( u ，一u 玎 ( 4 4 ) 式中为训练样本数，u 和u d 为第i 个样本过电压值的神经网络的实际输出 和期望输出。 2 2 华北电力人：学硕十学位论文 2 训练和测试样本集的建造 在制定黑启动方案的过程中，要对启动电源和不同的黑启动路径进行选择比 较，所以在每一次的黑启动空充线路过电压仿真计算中线路长度z ，线路上并联电抗 器补偿p ，线路参数，电源电阻几和电源漏抗。k 都有可能不同。 在建造训练和测试样本集时，首先让每个特征耿值在一定范圈内变化，将全部 特征的所有取值进行组合形成训练和测试的总样本空间，然后对总样本空间中的每 一个个体用e m t p 程序进行仿真计算，得出其对应的过电压峰值，作为该个体的期 望输出。从而，就得到了一个具有7 个输入特征和一个输出特征( 过电压幅值) 的 完整的样本集。按需要将总样本集随机划分为两个样本集，分别作为训练样本集和 测试样本集。训练样本集用来训练由神经网络构成的过电压预估器，通过训练使其 获取蕴涵在训练数据内部的过电压知识，建立输入特征和输出结果之问的关系映 射。测试样本用来测试和评估过电压预估器的性能。训练好的神经网络可对任意的 新样本快速预测其相应的过电压数值，而不需要进行仿真计算。 4 2 2 考虑合闸工况随机性的统计过电压预测 在实际黑启动空充线路过程中，断路器的性能具有明显的统计性，操作过程又 具有随机性。具体体现在两个方面，一是断路器本身性能的分敞性