基于PSCAD的特高壓交流輸電系統(tǒng)仿真模型

蘇　欣，楊　超，張婉婕，黃秉青，王福晶

（1.國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，濟(jì)南　250012；2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南　250003；3.華能淄博白楊河發(fā)電有限公司，山東　淄博　255200）

基于PSCAD的特高壓交流輸電系統(tǒng)仿真模型

蘇欣1，楊超2，張婉婕2，黃秉青2，王福晶3

（1.國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，濟(jì)南250012；2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南250003；3.華能淄博白楊河發(fā)電有限公司，山東淄博255200）

準(zhǔn)確的仿真模型是研究交流特高壓輸電運(yùn)行特性的基礎(chǔ)。利用PSCAD建立了錫盟—山東和榆橫—濰坊兩條特高壓交流輸電工程系統(tǒng)仿真模型。根據(jù)工程設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)推導(dǎo)出外部系統(tǒng)等值參數(shù)、線路參數(shù)和負(fù)荷參數(shù)。采用貝杰龍模型并考慮并聯(lián)電抗安裝位置得到特高壓交流輸電系統(tǒng)仿真模型。仿真算例表明，建立的模型能夠滿足交流特高壓故障測距的需要。

交流特高壓；仿真模型；并聯(lián)電抗；故障定位

0　引言

隨著特高壓輸電被納入國家“十一五”和“十二五”規(guī)劃綱要政策的落實(shí)，我國特高壓建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展階段。山東作為經(jīng)濟(jì)大省，隨著“外電入魯”戰(zhàn)略的實(shí)施，錫盟—山東、榆橫—濰坊1 000 kV特高壓交流輸電工程以及上海廟—山東±800 kV特高壓直流輸電工程在內(nèi)的 “兩交一直”3條通道已經(jīng)開工建設(shè)。研究特高壓輸電線路模型對提高電力系統(tǒng)的安全性和最大限度地實(shí)現(xiàn)特高壓輸電的經(jīng)濟(jì)性，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排具有重要意義［1-4］。

國內(nèi)外針對特高壓輸電系統(tǒng)進(jìn)行了大量的仿真研究和應(yīng)用研究［5-13］。特高壓交流輸電與常規(guī)交流輸電相比，除傳輸容量大外，在電磁暫態(tài)方面表現(xiàn)出明顯的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在系統(tǒng)有較長的直流分量衰減時(shí)間常數(shù)、外部故障切除后產(chǎn)生自由振蕩分量與自激振蕩、存在高頻分量及頻率較低的高頻分量等問題［5］。要深入分析這些問題，有必要建立特高壓交流輸電系統(tǒng)仿真模型。

文獻(xiàn)［6］基于晉東南—南陽—荊門交流特高壓試驗(yàn)示范工程，建立1 000 kV交流輸電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)，為所模擬系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)和選型提供試驗(yàn)條件，并可應(yīng)用于1 000 kV交流輸電系統(tǒng)暫態(tài)特性的研究。文獻(xiàn)［7］針對特高壓的特殊性對其輸電線路及特殊的變壓器組開展了動(dòng)模試驗(yàn)，研究了特高壓帶來的新問題和物理現(xiàn)象。文獻(xiàn)［8］通過大量的電磁暫態(tài)仿真研究，尋找出一些特高壓輸電暫態(tài)過程的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上探討一些對繼電保護(hù)來說需要注意的問題。文獻(xiàn)［9］利用PSASP和PSCAD/ EMTDC軟件建立了特高壓電網(wǎng)的仿真模型，研究了特高壓電網(wǎng)的電磁暫態(tài)現(xiàn)象。文獻(xiàn)［11］以淮南—院南特高壓輸電工程為基礎(chǔ)分析研究了同桿雙回線路的暫態(tài)特性。文獻(xiàn)［13］推導(dǎo)了特高壓長距離輸電線路π形等值電路參數(shù)計(jì)算公式，并建立考慮線路分布參數(shù)特性的精確等值電路。

仿真模型對特高壓交流輸電系統(tǒng)故障定位有重要影響，為準(zhǔn)確分析特高壓輸電線路故障定位系統(tǒng)所采用的模型的準(zhǔn)確性，以及考慮到目前研究特高壓輸電存在的困難與仿真模型缺乏的問題，對外電入魯兩條特高壓交流輸電線路錫盟—山東、榆橫—濰坊進(jìn)行建模仿真研究。根據(jù)輸電工程設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)推導(dǎo)出系統(tǒng)等值參數(shù)、線路參數(shù)和負(fù)荷參數(shù)。采用貝杰龍模型并考慮并聯(lián)電抗安裝位置得到特高壓交流輸電系統(tǒng)仿真模型。

1　外電入魯交流特高壓工程介紹

外電入魯交流特高壓工程目前開展的有錫盟—山東和榆橫—濰坊兩條1 000 kV特高壓輸電線路。錫盟—山東交流特高壓輸電工程全長約2×746 km，線路起于內(nèi)蒙古錫盟站，途經(jīng)承德站、北京東站，止于山東濟(jì)南站，其中承德站為串補(bǔ)站，按線路40%串補(bǔ)度補(bǔ)償，系統(tǒng)預(yù)計(jì)輸送功率3 000～6 000 MW，事故時(shí)極限輸送功率9 000～12 000 MW。榆橫—濰坊特高壓輸電工程線路全長2×1 048.4 km，線路起于陜西榆橫站，途經(jīng)晉中站、石家莊站、濟(jì)南站，止于山東濰坊站，工程預(yù)計(jì)輸送功率4 000～6 000 MW，事故時(shí)極限輸送功率8 000～12 000 MW。

2　模型參數(shù)計(jì)算

利用PSCAD對交流特高壓輸電系統(tǒng)進(jìn)行建模時(shí)，主要需要3類參數(shù)：外部系統(tǒng)等值參數(shù)、輸變電設(shè)備參數(shù)、負(fù)荷等值參數(shù)。

2.1外部系統(tǒng)等值參數(shù)

錫盟—山東輸電工程的電源接入點(diǎn)主要是錫盟站。為便于分析，本次研究將北京東站外部系統(tǒng)和濟(jì)南站外部系統(tǒng)等效為一個(gè)等值電源，僅考慮北京東到濟(jì)南這一段線路的詳細(xì)情況。等值電源的容量按照線路輸送的容量估算，兩端均為3 000 MVA，系統(tǒng)的等值阻抗根據(jù)高壓交流線路出口斷路器開斷電流（極限短路電流）估算：

Xsy=Un/Ioc（1）

已知濟(jì)南站1 000 kV斷路器額定電流為6.3 kA，短路電流水平按63 kA設(shè)計(jì)，由此估算濟(jì)南站系統(tǒng)阻抗為16.7 Ω。對于北京東站采用同樣方法求取。采用此方法估算得到的錫盟—山東工程等值電源參數(shù)如表1所示。

表1　錫盟—山東特高壓交流工程外部等值電源參數(shù)

榆橫—濰坊輸電工程的電源接入點(diǎn)主要是榆橫和晉中。與錫盟—山東線做同樣的考慮，設(shè)定將石家莊以上線路部分和濰坊站外等值為一個(gè)等值電源，僅考慮石家莊至濰坊這一段線路的詳細(xì)情況。榆橫—濰坊特高壓交流工程等值電源參數(shù)如表2所示。

表2　榆橫—濰坊特高壓交流工程外部等值電源參數(shù)

2.2輸電線路參數(shù)

輸電線路的基本電氣參數(shù)是電阻R、電抗X、電納B和電導(dǎo)G。其中，電導(dǎo)代表絕緣子的泄漏電阻和電暈損失，與電阻功率損耗相比小得多，可忽略不計(jì)。輸電線路各相參數(shù)計(jì)算方法介紹如下［1，11，13］。

單位長度分裂導(dǎo)線電感：

式中：Deq為導(dǎo)線互幾何均距，dca為三相輸電線線間距離；Ds為導(dǎo)線的幾何平均半徑，Ds=re-μr/4，r為導(dǎo)線半徑，μr為相對磁導(dǎo)率；N為分裂導(dǎo)線的子導(dǎo)線數(shù)；A為分裂導(dǎo)線半徑。

單位長度電抗：

單位長度分裂導(dǎo)線等效電容：

單位長度分裂導(dǎo)線電納：

單位長度分裂導(dǎo)線交流電阻：

式中：S為子導(dǎo)線截面面積；ρ為導(dǎo)線電阻率。

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，錫盟—山東輸電線路采用8×JL/ G1A-630/45鋼芯鋁絞線，分裂間距為400 mm；地線推薦一根采用JLB20A-185鋁包鋼絞線，另一根采用OPGW-185。榆橫—濰坊輸電路導(dǎo)線均采用8×JL1/ G1A-630/45，普通地線采用JLB20A-185。

根據(jù)輸電線路設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算可得到山東區(qū)域內(nèi)的輸電線路的基本參數(shù)如表3所示。

表3　特高壓交流輸電線路參數(shù)

2.3系統(tǒng)負(fù)荷參數(shù)

特高壓輸電工程所掛接負(fù)荷較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)參數(shù)難以獲得，為簡化計(jì)算分析，對各站點(diǎn)接入負(fù)荷按50%負(fù)荷率和0.8功率因數(shù)進(jìn)行估算，兩項(xiàng)輸電工程負(fù)荷參數(shù)情況如表4和表5所示。

表5　榆橫—濰坊站點(diǎn)負(fù)荷參數(shù)

3　交流特高壓工程PSCAD模型

圖1　北京東—濟(jì)南線路仿真系統(tǒng)模型

圖2　北京東—濟(jì)南區(qū)段PSCAD模型1

3.1錫盟—山東特高壓交流工程

對錫盟—山東特高壓交流工程，本研究僅考慮北京東站至濟(jì)南站輸電線路，圖1給出了這一段輸電線路仿真模型。

對于1 000 kV特高壓交流線路，采用貝杰龍分布參數(shù)模型搭建線路模型?？紤]到輸電線路的無功損耗較大，在兩側(cè)變電站每回高壓出線上均安裝一組固定高抗，其中北京東每組按720 Mvar設(shè)計(jì)，濟(jì)南站每組按720 Mvar設(shè)計(jì)，模型中用三相感性負(fù)載模擬并聯(lián)電抗。

根據(jù)并聯(lián)電抗安裝位置，利用PSCAD建立北京東站至濟(jì)南站段輸電線路仿真模型，分別如圖2和圖3所示。圖2為并聯(lián)電抗安裝在線路測量點(diǎn)外的模型，圖3為并聯(lián)電抗器在測量點(diǎn)內(nèi)的模型。

圖3　北京東—濟(jì)南區(qū)段PSCAD模型2

3.2榆橫—濰坊特高壓交流工程

對榆橫—濰坊特高壓輸電工程山東區(qū)域內(nèi)線路進(jìn)行建模，即考慮石家莊站—濰坊站段線路，線路途經(jīng)濟(jì)南特高壓站，圖4為石家莊—濰坊輸電線路仿真模型。

按并聯(lián)電抗安裝位置建立兩種模型，如圖5和圖6所示，分別對應(yīng)并聯(lián)電抗器接到故障位置測量點(diǎn)外和并聯(lián)電抗器在故障位置測量點(diǎn)內(nèi)。

圖4　榆橫—濰坊工程仿真模型結(jié)構(gòu)

圖5　石家莊—濰坊區(qū)段PSCAD模型1

4　仿真模型驗(yàn)證

利用輸電線路自動(dòng)故障診斷和故障定位系統(tǒng)［14］對建立的仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。每個(gè)模型在區(qū)間線路總長度40%處設(shè)置故障點(diǎn)。對于北京東—濟(jì)南輸電線路，故障點(diǎn)位于150 km處；對于石家莊—濰坊輸電線路，故障點(diǎn)位于90 km；故障類型取AG、ABG、ABC、AB四種，故障電阻設(shè)置為0 Ω、10 Ω。

根據(jù)設(shè)置的故障點(diǎn)，得出北京東—濟(jì)南區(qū)段PSCAD模型1下的仿真結(jié)果如表6所示，模型2下的仿真結(jié)果如表7所示。濟(jì)南—濰坊區(qū)段PSCAD模型1下的仿真結(jié)果如表8所示，模型2下的仿真結(jié)果如表9所示。

仿真結(jié)果表明，模型的測量精度達(dá)到要求，誤差基本控制在0.3%以內(nèi)；并聯(lián)電抗器在測量點(diǎn)外的測量精度高于故障在測量點(diǎn)內(nèi)，并聯(lián)電抗器對模型精度有一定的影響性；故障電阻為0 Ω的模型精度比10 Ω的高，模型充分考慮了并聯(lián)電抗、故障電阻的影響，避免了因并聯(lián)電抗、故障電阻造成的模型精度誤差。

圖6　石家莊—濰坊區(qū)段PSCAD模型2

表6　北京東—濟(jì)南PSCAD模型1仿真結(jié)果

表7　北京東—濟(jì)南PSCAD模型2仿真結(jié)果

表8　石家莊—濰坊PSCAD模型1仿真結(jié)果

表9　石家莊—濰坊PSCAD模型2仿真結(jié)果

5　結(jié)語

為更好地研究特高壓輸電線路，對1 000 kV特高壓輸電線路進(jìn)行建模。通過對錫盟—山東、榆橫—濰坊兩條特高壓輸電線路外部等值參數(shù)、輸電線路參數(shù)和負(fù)荷參數(shù)的推導(dǎo)，建立了精確的模型，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，對開展特高壓輸電線路的故障定位提供了模型依據(jù)。

［1］劉振亞.特高壓電網(wǎng)［M］.北京：中國經(jīng)濟(jì)出版社，2005.

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Modeling and Simulation of UHV AC Transmission System Based on PSCAD

SU Xin1，YANG Chao2，ZHANG Wanjie2，HUANG Bingqing2，WANG Fujing3
（1.State Grid Jinan power supply company，Jinan 250012，China；2.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China 3.Huaneng Zibo Baiyanghe Power Generation Co.，Ltd.，Zibo 255200，China）

Accurate simulation model is the basis of the study of the operating characteristics of UHV AC transmission system. Two models of UHV AC transmission projects，including Ximeng-Shandong and Yuheng-Weifang are proposed using PSCAD. The equivalent parameters，line parameters and load parameters of external system are deduced according to design parameters of equipment.The simulation model is established based on the Bergeron model and the configure position of shunt reactors. Simulated results show that the proposed model can meet the need of fault location for UHV AC system.

UHV AC system；simulation model；shunt reactor；fault location

TM711

A

1007-9904（2016）08-0015-05

2016-03-15

蘇欣（1989），男，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)方面的研究工作。