本發(fā)明涉及一種電力系統(tǒng)薄弱支路判斷方法，具體涉及一種計及單相斷線諧振過電壓的配電網(wǎng)薄弱支路判斷方法。

背景技術(shù)：

斷線故障是發(fā)生在配電網(wǎng)線路上的一種常見故障，其可能由導線斷線、斷路器的非全相動作、嚴重不同期操作，以及熔斷器的非全相熔斷等原因造成。而在所有斷線故障中，又以單相斷線故障發(fā)生的概率最高。

斷線諧振過電壓主要是由于發(fā)生斷線時的系統(tǒng)沖擊電流流入空載或輕載的配電變壓器，導致變壓器發(fā)生磁飽和，勵磁電感減小，與系統(tǒng)對地電容和相間電容發(fā)生匹配，產(chǎn)生諧振。斷線故障引起的諧振過電壓將導致系統(tǒng)中性點電位發(fā)生位移、配電變壓器相序反傾及繞組電流劇增等情況發(fā)生。諧振過電壓嚴重時將引起變壓器燒毀、避雷器爆炸。在一定條件下，這種過電壓甚至會波及到繞組的另一側(cè)，擴大故障范圍。鑒于斷線諧振過電壓引起的故障危害程度嚴重，有必要對其脆弱性進行評估，找出配電網(wǎng)中潛在的“薄弱支路”，從而為改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及運行方式提供具體方向。

現(xiàn)有的配電網(wǎng)薄弱支路判斷方法多數(shù)基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型，利用移除策略和潮流計算等方法來找出系統(tǒng)中的薄弱點，從風險理論角度出發(fā)評估線路發(fā)生故障后的危害程度，很少考慮線路的對地電容和不對稱故障對線路脆弱性的影響，但這種故障又恰恰是配電網(wǎng)中較為常見的故障形式。因此有必要從配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)和運行狀態(tài)的角度出發(fā)，考慮電容與電感的諧振范圍，研究一種更加合理的考慮單相斷線諧振過電壓的薄弱支路判斷方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種計及單相斷線諧振過電壓的配電網(wǎng)薄弱支路判斷方法，能夠根據(jù)配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、運行參數(shù)及負荷參數(shù)，計算各條線路的單相斷線諧振過電壓結(jié)構(gòu)脆弱度，并根據(jù)該指標確定配電網(wǎng)中的薄弱支路，從而為配電網(wǎng)的運行及改造提供依據(jù)。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：

一種計及單相斷線諧振過電壓的配電網(wǎng)薄弱支路判斷方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟1：獲取目標配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、運行參數(shù)及負荷參數(shù)，模擬線路發(fā)生單相斷線故障場景，確定線路故障點前后參數(shù)分布，按照斷線點后負荷和補償電容配置情況；

步驟2：分別計算線路i的沖擊電壓因子和沖擊電流因子I_{I_imp}(i)；

步驟3：計算線路i的變壓器勵磁沖擊電流因子I_{I_mag}(i)；

步驟4：通過計算線路單相斷線諧振過電壓結(jié)構(gòu)脆弱度V_d(i)，對線路單相斷線諧振過電壓脆弱性進行評估，根據(jù)評估結(jié)果確定薄弱支路。

本發(fā)明的進一步方案是，所述步驟1)中模擬線路發(fā)生斷線故障場景，是假定為線路A相發(fā)生單相斷線故障。

本發(fā)明的進一步方案是，在所述步驟2中，線路i的沖擊電壓因子的計算公式與線路斷線點后是否有負荷或補償電容有關(guān)，分以下四種情況：

1)線路斷線點后沒有負荷及補償電容，此時將沖擊電壓因子記為其計算公式(1)為：

其中分別為運行參數(shù)中的三相電源電壓，ω＝2πf為運行參數(shù)中的系統(tǒng)角頻率，f為運行參數(shù)中的系統(tǒng)頻率；C′_za表示網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中的A相非故障線路所有對地電容與故障線路斷線點前所有對地電容總和，C′_za＝C_m0+C₀′；C_zb、C_zc分別表示網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中的B、C相所有線路的對地電容與故障線路斷線點后相間電容總和，C_zb＝C_zc＝C₀+C_m0+3C″_bc；其中C₀′為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中的故障線路斷線點前對地電容，C₀為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中的故障線路總對地電容；C_m0為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中的非故障線路對地電容；C″_bc為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中的故障線路斷線點后BC相的相間電容；3C″_bc表示網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中的由Δ型轉(zhuǎn)化為Y型后BC相的的相間電容；

將沖擊電壓因子化為標量，可得公式(2)：

2)線路斷線點后沒有負荷，有補償電容；此時將沖擊電壓因子I_u(i)記為其計算公式(3)為：

其中，C_bu為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中的Y型連接的補償電容；

3)線路斷線點后有負荷，沒有補償電容；此時將沖擊電壓因子I_u(i)記為其計算公式(4)為：

其中，R為負荷參數(shù)中的負荷每相等效電阻；L為負荷參數(shù)中的負荷每相等效電感；Z為負荷參數(shù)中的負荷等效阻抗，

4)線路斷線點后既有負荷，又有補償電容；此時將沖擊電壓因子I_u(i)記為其計算公式(5)為：

本發(fā)明的進一步方案是，在所述步驟2中，線路i的沖擊電流因子I_{I_imp}(i)的計算公式與線路斷線點后是否有負荷或補償電容有關(guān)，分以下四種情況：

1)線路斷線點后沒有負荷及補償電容；此時將沖擊電流因子I_{I_imp}(i)記為其計算公式(6)為：

2)線路斷線點后沒有負荷，有補償電容；此時將沖擊電壓因子I_{I_imp}(i)記為其計算公式(7)為：

3)線路斷線點后有負荷，沒有補償電容；此時將沖擊電壓因子I_{I_imp}(i)記為其計算公式(8)為：

4)線路斷線點后既有負荷，又有補償電容；此時將沖擊電壓因子I_{I_imp}(i)記為其計算公式(9)為：

本發(fā)明的進一步方案是，在所述步驟3中，線路i的變壓器勵磁沖擊電流因子I_{I_mag}(i)的計算公式與線路斷線點后是否有負荷或補償電容有關(guān)，分以下四種情況：

1)線路斷線點后沒有負荷及補償電容，變壓器勵磁沖擊電流因子I_{I_mag}(i)記為其計算公式(10)為：

其中，X_Le為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中的負載變壓器在相電壓下的勵磁感抗；

2)線路斷線點后沒有負荷，有補償電容，變壓器勵磁沖擊電流因子I_{I_mag}(i)記為其計算公式(11)為：

其中，C_zo表示網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中的系統(tǒng)總電容，C_zo＝C₀+C_m0+3(C₁₂+C_m12)；C₁₂為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)故障線路相間電容；C_m12為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)非故障線路相間電容；C₀為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中的故障線路總對地電容；C_m0為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中的非故障線路對地電容；

3)線路斷線點后有負荷，沒有補償電容，變壓器勵磁沖擊電流因子I_{I_mag}(i)記為其計算公式(12)為：

其中，L為負荷參數(shù)中的負荷每相等效電感；Z為負荷參數(shù)中的負荷等效阻抗，

4)線路斷線點后既有負荷，又有補償電容，變壓器勵磁沖擊電流因子I_{I_mag}(i)記為其計算公式(13)為：

本發(fā)明的進一步方案是，在所述步驟4中，線路單相斷線諧振過電壓結(jié)構(gòu)脆弱度V_d(i)的計算公式(14)為：

其中I_x為配電變壓器勵磁特性中的線電壓對應(yīng)的勵磁電流。

各條線路單相斷線諧振過電壓脆弱性評估以線路單相斷線諧振過電壓結(jié)構(gòu)脆弱度V_d(i)作為參考指標；該數(shù)值越大，則表示該線路的單相斷線諧振過電壓脆弱性更大；由此根據(jù)各條線路的單相斷線諧振過電壓脆弱性評估結(jié)果，找出配電網(wǎng)中的薄弱支路。

本發(fā)明以配電網(wǎng)自身的物理特性為基礎(chǔ)，從單相斷線諧振過電壓的產(chǎn)生機理出發(fā)，綜合考慮網(wǎng)絡(luò)參數(shù)及斷線點后的負荷及補償電容配置情況，評估各條線路的單相斷線諧振過電壓脆弱性，從而找出配電網(wǎng)中存在的薄弱支路，為配電網(wǎng)的運行、改造及規(guī)劃提供參考意見。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的流程圖。

圖2是模擬線路發(fā)生A相斷線故障的電路圖；

圖3是IEEE34節(jié)點系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖；

圖4是IEEE34節(jié)點系統(tǒng)各支路單相斷線諧振過電壓結(jié)構(gòu)脆弱度降序排列圖；

圖5是IEEE34節(jié)點系統(tǒng)中線路3發(fā)生單相斷線故障時的電網(wǎng)中性點電壓波形；

圖6是IEEE34節(jié)點系統(tǒng)中線路8發(fā)生單相斷線故障時的電網(wǎng)中性點電壓波形；

圖7是IEEE34節(jié)點系統(tǒng)中線路9發(fā)生單相斷線故障時的電網(wǎng)中性點電壓波形。

具體實施方式

如圖1所示的一種計及單相斷線諧振過電壓的配電網(wǎng)薄弱支路判斷方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟1：獲取目標配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、運行參數(shù)及負荷參數(shù)，模擬線路發(fā)生單相斷線故障場景，確定線路故障點前后參數(shù)分布，按照斷線點后負荷和補償電容配置情況；網(wǎng)絡(luò)參數(shù)包括各條線路對地電容、相間電容及各臺變壓器的勵磁電抗，所述運行參數(shù)包括系統(tǒng)三相電壓和系統(tǒng)頻率，所述負荷參數(shù)包括負荷單相等效電阻、單相等效電感及單相等效阻抗；

步驟2：分別計算線路i的沖擊電壓因子和沖擊電流因子I_{I_imp}(i)；

所述沖擊電壓因子用于表征斷線后系統(tǒng)中性點電壓的暫態(tài)變化對單相斷線諧振過電壓脆弱性的影響；線路i的沖擊電壓因子的計算公式與線路斷線點后是否有負荷或補償電容有關(guān)，分以下四種情況：

1)線路斷線點后沒有負荷及補償電容，此時將沖擊電壓因子記為其計算公式(1)為：

其中分別為運行參數(shù)中的三相電源電壓，ω＝2πf為運行參數(shù)中的系統(tǒng)角頻率，f為運行參數(shù)中的系統(tǒng)頻率；C′_za表示網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中的A相非故障線路所有對地電容與故障線路斷線點前所有對地電容總和，C′_za＝C_m0+C₀′；C_zb、C_zc分別表示網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中的B、C相所有線路的對地電容與故障線路斷線點后相間電容總和，C_zb＝C_zc＝C₀+C_m0+3C″_bc；其中C₀′為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中的故障線路斷線點前對地電容，C₀為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中的故障線路總對地電容；C_m0為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中的非故障線路對地電容；C″_bc為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中的故障線路斷線點后BC相的相間電容；3C″_bc表示網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中的由Δ型轉(zhuǎn)化為Y型后BC相的的相間電容；

將沖擊電壓因子化為標量，可得公式(2)：

2)線路斷線點后沒有負荷，有補償電容；此時將沖擊電壓因子I_u(i)記為其計算公式(3)為：

其中，C_bu為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中的Y型連接的補償電容；

3)線路斷線點后有負荷，沒有補償電容；此時將沖擊電壓因子I_u(i)記為其計算公式(4)為：

其中，R為負荷參數(shù)中的負荷每相等效電阻；L為負荷參數(shù)中的負荷每相等效電感；Z為負荷參數(shù)中的負荷等效阻抗，

4)線路斷線點后既有負荷，又有補償電容；此時將沖擊電壓因子I_u(i)記為其計算公式(5)為：

所述沖擊電流因子I_{I_imp}(i)表征斷線后斷線線路上電容電流的暫態(tài)變化對單相斷線諧振過電壓脆弱性的影響，線路i的沖擊電流因子I_{I_imp}(i)的計算公式與線路斷線點后是否有負荷或補償電容有關(guān)，分以下四種情況：

1)線路斷線點后沒有負荷及補償電容；此時將沖擊電流因子I_{I_imp}(i)記為其計算公式(6)為：

2)線路斷線點后沒有負荷，有補償電容；此時將沖擊電壓因子I_{I_imp}(i)記為其計算公式(7)為：

3)線路斷線點后有負荷，沒有補償電容；此時將沖擊電壓因子I_{I_imp}(i)記為其計算公式(8)為：

4)線路斷線點后既有負荷，又有補償電容；此時將沖擊電壓因子I_{I_imp}(i)記為其計算公式(9)為：

步驟3：計算線路i的變壓器勵磁沖擊電流因子I_{I_mag}(i)；線路i的變壓器勵磁沖擊電流因子I_{I_mag}(i)的計算公式與線路斷線點后是否有負荷或補償電容有關(guān)，分以下四種情況：

1)線路斷線點后沒有負荷及補償電容，變壓器勵磁沖擊電流因子I_{I_mag}(i)記為其計算公式(10)為：

其中，X_Le為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中的負載變壓器在相電壓下的勵磁感抗；

2)線路斷線點后沒有負荷，有補償電容，變壓器勵磁沖擊電流因子I_{I_mag}(i)記為其計算公式(11)為：

其中，C_zo表示網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中的系統(tǒng)總電容，C_zo＝C₀+C_m0+3(C₁₂+C_m12)；C₁₂為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)故障線路相間電容；C_m12為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)非故障線路相間電容；C₀為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中的故障線路總對地電容；C_m0為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中的非故障線路對地電容；

3)線路斷線點后有負荷，沒有補償電容，變壓器勵磁沖擊電流因子I_{I_mag}(i)記為其計算公式(12)為：

其中，L為負荷參數(shù)中的負荷每相等效電感；Z為負荷參數(shù)中的負荷等效阻抗，

4)線路斷線點后既有負荷，又有補償電容，變壓器勵磁沖擊電流因子I_{I_mag}(i)記為其計算公式(13)為：

步驟4：通過計算線路單相斷線諧振過電壓結(jié)構(gòu)脆弱度V_d(i)，表征線路i末端發(fā)生單相斷線時，引發(fā)單相斷線諧振過電壓的可能性，對線路單相斷線諧振過電壓脆弱性進行評估，根據(jù)評估結(jié)果確定薄弱支路，其計算公式(14)為：

其中I_x為配電變壓器勵磁特性中的線電壓對應(yīng)的勵磁電流。

各條線路單相斷線諧振過電壓脆弱性評估以線路單相斷線諧振過電壓結(jié)構(gòu)脆弱度V_d(i)作為參考指標；該數(shù)值越大，則表示該線路的單相斷線諧振過電壓脆弱性更大；由此根據(jù)各條線路的單相斷線諧振過電壓脆弱性評估結(jié)果，找出配電網(wǎng)中的薄弱支路。

以對圖2所示的配電網(wǎng)IEEE34節(jié)點系統(tǒng)各條支路的A相斷線諧振過電壓脆弱性進行評估，并確定薄弱支路為例。其中IEEE34節(jié)點系統(tǒng)為10kV系統(tǒng)，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示，線路參數(shù)如表1所示，線路排列方式對應(yīng)的各相線路電阻、線路電導和電納如表2所示。

表1

表2

表2中300和301線路結(jié)構(gòu)的A、B、C相電阻、電導、對地電納及相間電納參數(shù)有微小差異，后續(xù)計算時采用三相參數(shù)均值。

IEEE34節(jié)點系統(tǒng)的線路末端(即節(jié)點34)上接有一臺空載配電變壓器，該負載變壓器的參數(shù)與勵磁特性見表3和表4。

表3負載變壓器參數(shù)

表4負載變壓器勵磁特性

根據(jù)表4負載變壓器的勵磁特性可知，負載變壓器在相電壓下的勵磁感抗X_Le＝38461Ω，線電壓對應(yīng)的勵磁電流為Ix＝0.8512A。

下面以線路1為例，具體說明該線路單相斷線諧振過電壓結(jié)構(gòu)脆弱度的計算過程。

步驟1：獲取目標配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、運行參數(shù)及負荷參數(shù)，模擬線路發(fā)生單相斷線故障場景，確定線路故障點前后參數(shù)分布，按照斷線點后負荷和補償電容配置情況。

假設(shè)線路1末端發(fā)生單相斷線故障，由電路原理可算得故障線路總對地電容C₀＝＝794.5059nF，非故障線路對地電容C_m0＝0；故障線路斷線點前對地電容C₀′＝6.619386nF，故障線路斷線點后對地電容C₀″＝787.8865nF，故障線路斷線點后的相間電容C″₁₂＝160.0106nF。

步驟2：按照斷線點后負荷和補償電容配置情況，計算各條線路的沖擊電壓因子

由于斷線點后沒有負荷和補償電容，因此線路1的沖擊電壓因子按照公式(2)計算：

其中，C_zb＝C_zc＝C₀+C_m0+3C″_bc＝1274.538nF，C′_za＝C_m0+C₀′＝6.619386nF，

對于10kV系統(tǒng)，單相電源相電壓由此求得：

由于斷線點后沒有負荷和補償電容，因此線路1的沖擊電流因子I_{I_imp}(i)按照公式(6)計算：

步驟3：由于斷線點后沒有負荷和補償電容，因此線路1的變壓器勵磁沖擊電流因子I_{I_mag}(i)按照公式(10)計算：

步驟4：利用公式(14)計算線路1的單相斷線諧振過電壓結(jié)構(gòu)脆弱度V_d(1)，

同理可計算線路2～33的單相斷線諧振過電壓結(jié)構(gòu)脆弱度，得到各支路變壓器勵磁沖擊電流因子和單相斷線諧振過電壓結(jié)構(gòu)脆弱度，如表5所示。

表5

將表5中的各支路單相斷線諧振過電壓結(jié)構(gòu)脆弱度按降序排列，如圖4所示。根據(jù)圖4可知：

(1)線路1～3、5～8的單相斷線諧振過電壓結(jié)構(gòu)脆弱度均大于15，引發(fā)單相斷線諧振的概率很高。其中，線路3、5的單相斷線諧振過電壓結(jié)構(gòu)脆弱度遠高于其他線路。

(2)線路4、9～11、13、17、20、21、23、25～28、31與故障線路并聯(lián)，當這些線路發(fā)生斷線時，負載變壓器的勵磁電流不會受到影響，因而這些線路的單相斷線諧振過電壓結(jié)構(gòu)脆弱度為0。

因此，IEEE34節(jié)點系統(tǒng)的薄弱支路為5、3，且其單相斷線諧振過電壓結(jié)構(gòu)脆弱度依次增大。

利用ATP-EMTP軟件搭建IEEE34節(jié)點仿真模型，逐一假設(shè)線路3、8、9末端在0.1s時發(fā)生單相斷線時，模擬斷線諧振時的電網(wǎng)中性點電壓波形，分別如圖5、圖6、圖7所示。根據(jù)脆弱度計算方法，線路3、8、9的單相斷線諧振過電壓脆弱度依次降低，與圖5、圖6、圖7的電網(wǎng)中性點電壓幅值變化趨勢一致，驗證了一種計及單相斷線諧振過電壓的配電網(wǎng)薄弱支路判斷方法的正確性。