考虑风偏闪络的电力系统故障场景仿真方法研究

陈立征,姚树国,施啸寒

(1.山东建筑大学信息与电气工程学院,山东 济南 250101;2.山东大学 电网智能化调度与控制教育部重点实验室 山东 济南 250061)

0 引 言

自然气象条件很容易对电网的输电线路造成影响[1-2],其中,强风气象对输电线路的影响更为广泛:风速强劲时,容易发生断线倒塔故障[3-4];风速较强时,线路会出现舞动现象[5-6];风速相对较轻时,绝缘子串发生风偏现象[7-9]。另外,上述因强风引起的故障以及现象也有可能致使电力网络发生永久性故障,进而对电网中的电力设备造成损坏[10-11]。在因为风引发的故障中,最易发生的是风偏现象,容易触发闪络故障。

传统的风偏角计算模型是基于静态受力平衡的刚性直杆模型法[12-13],计算时,将空气密度看作标准值,并未考虑动态风的影响。近年来,国内外学者针对风偏角计算模型以及风偏故障后的电力系统稳定性仿真模拟进行了许多相关研究。文献[14]中在刚性直杆模型法的基础上提出了一种悬垂绝缘子串的动态风偏角的计算方法,然后使用ANSYS仿真平台对模型进行仿真,证明了方法的可行性,作者在计算时并没有考虑时空特性的影响。也有学者针对于特定情况下的风偏闪络现象进行了分析;文献[15]模拟了一种在风雨条件下的输电线路风偏闪络现象,作者在文中提出了一种提高风偏角计算精度的算法,并根据风偏闪络现象的仿真结果提出了相应的预防措施;文献[16]中,作者采用蒙特卡罗方法对台风风场进行模拟,并基于刚体直杆法和模糊数学方法,建立了输电线路顺风偏跳闸概率的计算模型,最后通过实例验证了所提方法的有效性和合理性;文献[17]中作者深入研究了风偏的机理,给出了一种基于风偏角的经验计算法;在文献[18]中,作者模拟了特定台风情景下的输电线路风偏的影响以及其故障特点,但是两位作者均未考虑时空特性的影响;在文献[19]中,作者提出了一种新的风偏检测计算方法-基于绝缘子串上下坐标法,并且进行了大量的模拟仿真实验,也在特定的气象条件下进行了模拟分析,但是作者还是没有考虑未考虑时空特性的影响以及最重要的风速变化的情况下线路所受到的影响;在文献[20]中,作者通过PSASP仿真平台建模对电力系统暂态稳定性进行了相关计算以及分析,但是文章没有对故障相关变化量进行详细分析;在文献[21]中,作者主要对PSASP软件的结构以及使用方法进行了介绍,最后通过建立电网模型进行潮流计算与暂态稳定性计算进行仿真分析;在文献[22]中,作者以汉中电网为例,利用PSASP软件对电网模型进行计算并分析了其静态稳定性,三位作者并未对引起故障的原因仿真模拟。

1 考虑动态过程以及时空特性的风偏角计算模型

1.1 输电线路风偏机理

在架空输电线路设计之初,需要对考虑输电线路的跳闸事故,而在一定的时空条件影响下,输电线路最易发生风偏跳闸,最直接的原因是绝缘子串的风偏角过大,那么在工程人员设计之初就需要对输电线路以及悬垂绝缘子串所承受的荷载进行荷载计算。两者在进行荷载计算时需要考虑水平以及垂直两个方向。本文中将风看作全时域的动态风,并且考虑转化为垂直线路方向的作用。

1.2 时空特性对风偏的影响机理

线路水平方向的荷载除了与风速有关外,还与时空特性的影响有关,在此我们将周围环境的温湿度变化情况以及风向的变化情况统称为时空特性。传统的风偏角计算模型在对线路以及绝缘子串水平荷载进行计算的时将空气密度看作标准值处理。根据气象学知识可知,空气密度的表达式为

(1)

公式中:T为周围环境温度的大小,℃;P为大气压强大小,hPa;e为饱和水汽压的大小,hPa。

水汽压的大小难以真实测得,一般我们所能知道的都是由气象部门专门测出的空气的相对湿度,而空气相对湿度的大小等于相同的空气温度条件下水汽压占饱和气压的百分比;若想知道水汽压的大小,可采用下式进行计算:

(2)

公式中:r为周围环境相对湿度的大小,以百分比的形式表示。

1.3 风偏角计算模型

本文在进行绝缘子串风偏角计算时,采用传统的刚性直杆模型法,但是针对风速以及荷载计算时出现的空气密度值采用全时域的风速以及实时的空气密度值大小。计算模型如图1所示。

图1 刚性直杆模型法Fig.1 Rigid straight bar model method

图1中Ft为线路的水平荷载;Fp为绝缘子串的水平荷载;Gt为线路垂直方向的荷载;Gp为绝缘子串的垂直方向的荷载。把作用于悬垂绝缘子串的水平风力和垂直受力分解,可得其受力分析如图2所示。

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

分析可得风偏角φ可表示为

(3)

(4)

公式中:m为输电线路固有属性;v为风速,m/s;ρ为空气密度值,kg/m3。

2 风偏闪络故障建模

2.1 风偏闪络原理

风偏闪络的主要原因是风速过大致使绝缘子串的风偏角过大,如果风偏角过大即超过设计限定值,会造成绝缘子串与杆塔之间的空气间隙减小,当此间隙小于最小设定空气间隙距离时会发生风偏闪络现象,继电保护装置动作。本文将时空特性中的温湿度表示为随时间变化的函数,将风速用一组大小随机变化的量体现出来。实时模拟仿真时间段内每一分钟内的风速以及空气密度值,并由此计算出时间段内所有的风偏角大小。将得到的风偏角大小于设计值相比较,并根据相应的概率模型判断风偏闪络现象是否发生。

2.2 风偏闪络概率

模拟线路的风偏闪络故障,发生概率分别为P,可以近似认为线路风偏闪络与线路故障率之间是线性关系,即

(5)

公式中:φi为风偏角在第i分钟的大小。

动幅值与故障率关系如图3所示:

图3 动幅值与故障率关系Fig.3 Relationship between dynamic amplitude and fault probability

图4 仿真流程图Fig.4 Simulation flow chart

将上述过程在仿真平台Matlab中通过编程语言实现,并通过图像显示出结果。

2.3 仿真流程图

3 实例分析

现已知某220 kV输电线路的一部分,位于开阔地区,输电线路为四分裂导线,导线的型号及数据如表1所示。

表1 输电线路数据Tab.1 Electric transmission line data

设计数据:两杆塔之间的档距为Lp=120 m,导线距地面高度为30 m,近二十年的以每十分钟为间隔的最大风速为16.5 m/s,常年基本无覆冰情况(在本文中不考虑),由近二十年的气象数据分析,此处的年平均气温为15 ℃,年平均最高气温为41.5℃,输电线路杆塔选用酒杯型杆塔。绝缘子串的型号相关数据如表2所示。

表2 绝缘子串数据Tab.2 Insulator string data

空气间隙数据中m=10.5m,n=6m,η=98.5°。

通过计算可知,允许最大风偏角为φ=46.5°。已知此段输电线路所处环境于某年某月某日遭遇大风和降雨影响,现通过信息检测系统知从上午8 h到10 h的气象数据变化关系,现对这个220 kV线路在PSASP平台上进行仿真并且对故障前后的电力系统稳定性进行分析。

3.1 基于Matlab仿真平台下的风偏闪络模拟

在Matlab仿真平台上将上述改进的考虑时空特性影响的风偏角计算模型通过编程语言体现出来。将时空特性中的温湿度表示为随时间变化的函数,将风速的大小用一组随机变量的大小体现出来。以两个小时的时间长度为例,每分钟取得一个变化的量,运行程序,可得两个小时内的风速变化以及考虑时空特性下的风偏角大小变化如图5、图6、图7所示。

图5 实时风速变化Fig.5 Actual time wind speed change

图6 实时风向角大小Fig.6 Actual time wind direction angle size

图7 实时风偏角大小Fig.7 Actual time windage angle size

在Matlab仿真平台上再建立另一个程序,基于上述得到的风偏角大小,与实际在安装时所允许的风偏角大小进行比较,以此准确判断风偏闪络现象的发生时间。风偏角大小大于限定值的时候,此时电力系统发生风偏闪络故障,相应的继电保护装置会发出动作,一般会发生跳闸现象。运行这个程序,可得结果如表3所示。

表3 风偏故障程序运行结果Tab.3 Operation results of windage yaw fault program

3.2 基于PSASP仿真平台下的闪络故障仿真

在PSASP平台下搭建相应工程,选取其中一区域对风偏闪络故障进行仿真模拟。工程案例图如图8所示。

图8 案例单线图Fig.8 Case single-line diagram

案例图为某36节点的220 kV网络,基准容量为100 MVA,共十个发电机,图8中既有电力系统静态稳定调节器,也有一定数量的无功补偿设备。

将Matlab中的风偏故障仿真结果在PSASP中搭建的工程图体现出来。在BUS16节点处设置故障信息,规定8.500时为仿真的0时刻,并将第7 s设置为线路1故障时刻,对主要节点变化情况进行分析。输出结果如图9所示。

图9 故障线路母线电压变化情况Fig.9 Change of bus voltage of fault line

3.3 闪络故障仿真结果分析

观察图9的仿真结果,在第1 s与第7 s时,故障母线电压开始变化,这两个时刻分别因风偏角变大导致了线路2及线路1发生单相接地故障,在这两个时刻相当于系统接入较大的负荷。全网的最低电压出现在故障母线处,标幺值为0.478;但是故障后系统的继电保护装置立刻动作,并且电力系统稳定调节器开始工作,系统会逐渐过渡到新的稳定状态。观察图10中发电机功角的变化可知,在故障发生时缓慢出现变化并在继电保护装置动作后逐渐恢复稳定性,主要是由于发电机定转子有较大的物理惯性,而且系统本身具有一定的稳定调节能力。

图10 发电机功角变化情况Fig.10 Generator power angle change

通过此算例,验证了本研究提出的仿真方法的可行性。通过Matlab仿真能够得到相应的风偏情况并生成相应的故障集,并在PSASP仿真中进行扰动设置,得到最终电力系统的稳定仿真结果。

4 结 论

针对极端气象频发导致的风偏闪络现象在电网中出现频率增加的现状,在Matlab平台中建立了考虑时空特性的风偏角计算模型,并提出了风偏影响下电网输电线路故障集生成方法,以及基于PSASP平台的风偏闪络故障仿真方案,并通过算例验证了仿真方法的可行性。本研究成果能够为极端气象尤其是风偏闪络对电网的危害提供研究方法,在后续研究中通过考虑各类自动控制措施介入的仿真实现,评价控制方案的效果。