本發(fā)明專利屬于配電設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種考慮高頻傳輸特性的高精度配電線路真型等效模型及其參數(shù)計(jì)算方法。

技術(shù)背景

隨著智能電網(wǎng)的迅速發(fā)展，配電自動(dòng)化系統(tǒng)的覆蓋范圍與應(yīng)用規(guī)模日益擴(kuò)大，為提升配電系統(tǒng)供電可靠性提供了有效技術(shù)手段。配電自動(dòng)化系統(tǒng)通過(guò)快速隔離故障區(qū)域使健全區(qū)域恢復(fù)供電，這對(duì)提高供電可靠性具有非常重要的意義。其技術(shù)關(guān)鍵依賴于分布式ftu、dtu及故障指示器等智能配電終端對(duì)配電線路運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)所獲取電壓電流信號(hào)，在發(fā)生故障時(shí)，結(jié)合主站實(shí)現(xiàn)集中或就地方式隔離故障區(qū)段以實(shí)現(xiàn)健全配電線路快速自愈。這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)有賴于對(duì)配網(wǎng)線路穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)故障特征信息的深入研究，通過(guò)獲取配電線路在各種運(yùn)行狀態(tài)下的典型電壓及電流信號(hào)，提取暫穩(wěn)態(tài)特征，并結(jié)合算法進(jìn)行有效辨識(shí)。

目前眾多高校、科研及企業(yè)針對(duì)配網(wǎng)真型模擬技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了探索和研究，并取得了一定的成果。其中最具代表性的如國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司金華供電公司(專利申請(qǐng)?zhí)?01610606842.0)提出了一種模擬針對(duì)開(kāi)關(guān)故障形式的配網(wǎng)真型模擬平臺(tái)；華北電力大學(xué)(專利申請(qǐng)?zhí)?01020593458.x)提出了一種10kv配電網(wǎng)線路故障模擬試驗(yàn)平臺(tái)的總體架構(gòu)；廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院(專利申請(qǐng)?zhí)?01510018639.7)提出了一種電力系統(tǒng)1:1電壓等級(jí)配網(wǎng)單相接地故障模擬試驗(yàn)平臺(tái)；這三家單位的成果中，其應(yīng)用場(chǎng)景各有側(cè)重，適用范圍差異較大。但都未提及專門針對(duì)精確計(jì)及導(dǎo)線自阻抗、互阻抗、對(duì)地電容及相間耦合電容等線路參數(shù)的等值方法，更未考慮采用集中參數(shù)的π型結(jié)構(gòu)的分段數(shù)設(shè)置，對(duì)于電流電壓的高頻相頻特性和幅頻特性與被等效實(shí)際線路存在的顯著差異，無(wú)法從實(shí)質(zhì)上反映真實(shí)配電線路在各類運(yùn)行工況下的電流電壓信號(hào)特征。因此，研究搭建可在寬頻帶范圍內(nèi)模擬電網(wǎng)真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)的等效試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)于在實(shí)景環(huán)境下開(kāi)展基于配電線路暫穩(wěn)態(tài)特征信息的故障辨識(shí)、選線及定位研究，產(chǎn)品性能測(cè)試與功能實(shí)證以及技術(shù)培訓(xùn)，支撐配電自動(dòng)化系統(tǒng)的進(jìn)一步深化應(yīng)用，其需求十分迫切。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決以上問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種高精度中壓配電線路真型等效模型及其參數(shù)計(jì)算方法。該等效模型基于電力系統(tǒng)分析理論建立，具有體積小、重量輕，高頻帶范圍內(nèi)等效精度高，模塊化設(shè)計(jì)便于級(jí)聯(lián)和擴(kuò)展等特點(diǎn)，適用于對(duì)配電線路的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行真型等效，為開(kāi)展針對(duì)性的研究、測(cè)試與技術(shù)培訓(xùn)提供物理載體。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種高精度中壓配電線路真型等效模型，包括用于模擬a相導(dǎo)線自阻抗與互阻抗的a相阻抗；用于模擬b相導(dǎo)線自阻抗與互阻抗的b相阻抗；用于模擬c相導(dǎo)線自阻抗與互阻抗的c相阻抗；以及用于模擬大地回路和相間參數(shù)的g阻抗；

所述a相阻抗采用多模塊分段級(jí)聯(lián)組合的方式模擬，a相線路阻抗采用第一中間電阻和第一電感串聯(lián)、第一前端下拉電容和第一后端下拉電容并聯(lián)的π型結(jié)構(gòu)，用于等效a相導(dǎo)線分布阻抗參數(shù)；

所述b相阻抗采用多模塊分段級(jí)聯(lián)組合的方式模擬，b相線路阻抗采用第二中間電阻和第二電感串聯(lián)，第二前端下拉電容和第二后端下拉電容并聯(lián)的π型結(jié)構(gòu)，用于等效b相導(dǎo)線分布阻抗參數(shù)；

所述c相阻抗采用多模塊分段級(jí)聯(lián)組合的方式模擬，c相線路阻抗采用第三中間電阻和第三電感串聯(lián)，第三前端下拉電容和第三后端下拉電容并聯(lián)的π型結(jié)構(gòu)，用于等效c相導(dǎo)線分布阻抗參數(shù)；

所述g阻抗采用多模塊分段級(jí)聯(lián)組合的方式模擬，包括順序連接的入線端g、第四線路阻抗以及出線端g’；其中入線端g用于與前一個(gè)模型的出線端g’相連或接地；出線端g’用于接后一個(gè)模型的進(jìn)線端g或懸空，靠近電源測(cè)第一個(gè)入線端g接地；第四線路阻抗采用第四中間電阻和第四電感串聯(lián)，第四前端上拉電容和第四后端上拉電容并聯(lián)的倒π型結(jié)構(gòu)，用于等效模擬大地回路和相間分布阻抗參數(shù)；

所述a相阻抗、b相阻抗、c相阻抗和g阻抗通過(guò)a相線路阻抗的第一前端下拉電容、b相線路阻抗的第二前端下拉電容和c相線路阻抗的第三前端下拉電容的下端與第四線路阻抗的第四前端上拉電容的上端相連；以及通過(guò)a相線路阻抗的第一后端下拉電容、b相線路阻抗的第二后端下拉電容和c相線路阻抗的第三后端下拉電容的下端與第四線路阻抗的第四后端上拉電容的上端相連；構(gòu)成一個(gè)完整的a、b、c三相配電線路等效模型。

作為優(yōu)選，一種高精度中壓配電線路真型等效模型所采用的第一中間電阻、第二中間電阻、第三中間電阻和第四中間電阻采用無(wú)感電阻。

作為優(yōu)選，一種高精度中壓配電線路真型等效模型所采用的第一電感、第二電感、第三電感和第四電感采用空心低阻電感。

作為優(yōu)選，一種高精度中壓配電線路真型等效模型所采用的第一前端下拉電容、第二前端下拉電容、第三前端下拉電容，第一后端下拉電容、第二后端下拉電容、第三后端下拉電容，第四前端上拉電容以及第四后端上拉電容等所有電容皆采用無(wú)局放電容器。

一種高精度中壓配電線路真型等效模型參數(shù)計(jì)算方法包括以下步驟：

第一步，確定被等效模擬的配電線路電壓等級(jí)、線路型號(hào)和架設(shè)安裝方式；

第二步，根據(jù)第一步確定的信息，采用數(shù)值仿真軟件或一般線路計(jì)算方法獲得等效模擬的配電線路的單位長(zhǎng)度分布參數(shù)：正序電阻rp，零序電阻r0；正序電感l(wèi)p，零序電感l(wèi)0，正序電容cp，零序電容c0；

第三步，根據(jù)被等效模擬的配電線路長(zhǎng)度len，計(jì)算被等效模擬的配電線路的總參數(shù)：

rpz＝len×rp；lpz＝len×lp；cpz＝len×cp

r0z＝len×r0；l0z＝len×l0；c0z＝len×c0

其中，rpz為被等效模擬的配電線路正序總電阻，lpz為被等效模擬的配電線路正序總電感，cpz為被等效模擬的配電線路正序總電容，r0z為被等效模擬的配電線路零序總電阻，l0z為被等效模擬的配電線路零序總電感，c0z為被等效模擬的配電線路零序總電容。

第四步，根據(jù)所要求頻率范圍內(nèi)的幅頻與相頻響應(yīng)精度，結(jié)合數(shù)值仿真計(jì)算，采用人工步進(jìn)式分段校核的方式確定被等效模擬的配電線路的π型級(jí)聯(lián)數(shù)，并對(duì)應(yīng)將該線路分成n段，每段參數(shù)：

其中，rp1為被等效模擬的配電線路分成n段后的每段正序電阻，lp1為被等效模擬的配電線路分成n段后的每段正序電感，cp1為被等效模擬的配電線路分成n段后的每段正序電容，r01為被等效模擬的配電線路分成n段后的每段零序電阻，l01為被等效模擬的配電線路分成n段后的每段零序電感，c01為被等效模擬的配電線路分成n段后的每段零序電容。

第五步，根據(jù)cp1和c01計(jì)算g阻抗附加等效電容c’：

第六步，計(jì)算各元件參數(shù)：

第一前端下拉電容(11)、第二前端下拉電容(21)、第三前端下拉電容(31)：cp1/2

第一后端下拉電容(14)、第二后端下拉電容(24)、第三后端下拉電容(34)：cp1/2

第一中間電阻(12)、第二中間電阻(22)、第三中間電阻(32)：rp1

第一電感(13)、第二電感(23)、第三電感(33)：lp1

第四前端上拉電容(41)以及第四后端上拉電容(44)：c＇/2

第四中間電阻(42)：(r01-rp1)/3

第四電感(43)：(l01-lp1)/3。

作為優(yōu)選，一種高精度中壓配電線路真型等效模型參數(shù)計(jì)算方法中g(shù)阻抗附加等效電容c’的公式由以下方法獲得：

設(shè)正序電容為cp1，零序電壓為c01，附加等效電容為c’，系統(tǒng)中性點(diǎn)位移電壓為u′，三相電壓分別為ua、ub、uc，則根據(jù)基爾霍夫電壓定律可列如下方程：

解方程可得：

本發(fā)明取得的有益效果是：

1、該等效模型基于電力系統(tǒng)分析理論，根據(jù)配網(wǎng)線路的工程實(shí)際，考慮高頻傳輸特性,全面考慮導(dǎo)線自身、導(dǎo)線之間、導(dǎo)線與大地以及地回路的影響等因素構(gòu)建，因此模型理論基礎(chǔ)可靠、綜合因素全面，貼近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際；

2、創(chuàng)造性提出倒π結(jié)構(gòu)形式的四電容g阻抗模型結(jié)構(gòu)來(lái)模擬導(dǎo)線之間、導(dǎo)線與大地之間以及地回路的電磁耦合作用；

3、創(chuàng)造性地根據(jù)基爾霍夫電壓定律推導(dǎo)出g阻抗附加等效電容c’計(jì)算公式，以準(zhǔn)確模擬線路正序阻抗與零序阻抗。

4、創(chuàng)造性提出了多個(gè)集中參數(shù)等效元件組分段級(jí)聯(lián)的方式，以在寬頻帶范圍內(nèi)滿足被等效線路幅頻與相頻響應(yīng)精度。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一種高精度中壓配電線路真型等效模型結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一種高精度中壓配電線路真型等效模型參數(shù)計(jì)算流程圖；

圖3是本發(fā)明g阻抗中附加等效電容c’計(jì)算原理圖；

圖4是本發(fā)明幅頻特性對(duì)比圖；

圖5是本發(fā)明相頻特性對(duì)比圖；

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

如圖1所示，本發(fā)明一種高精度中壓配電線路真型等效模型結(jié)構(gòu)示意圖，包括用于模擬a相導(dǎo)線自阻抗與互阻抗的a相阻抗；用于模擬b相導(dǎo)線自阻抗與互阻抗的b相阻抗；用于模擬c相導(dǎo)線自阻抗與互阻抗的c相阻抗；以及用于模擬大地回路和相間參數(shù)的g阻抗；

如圖1所示，所述a相阻抗包括順序連接的入線端a、a相線路阻抗(1)以及出線端a’。其中入線端a用于與電源的a相或前一個(gè)模型的出線端a’相連；出線端a’用于接負(fù)載a相或者后一個(gè)模型的進(jìn)線端a；a相線路阻抗(1)采用第一中間電阻(12)和第一電感(13)串聯(lián)、第一前端下拉電容(11)和第一后端下拉電容(14)并聯(lián)的π型結(jié)構(gòu)；入線端a、a相線路阻抗(1)以及出線端a’串聯(lián)構(gòu)成等效a相輸電導(dǎo)線模型。

如圖1所示，所述b相阻抗包括順序連接的入線端b、b相線路阻抗(2)以及出線端b’。其中入線端b用于與電源的b相或前一個(gè)模型的出線端b’相連；出線端b’用于接負(fù)載b相或者后一個(gè)模型的進(jìn)線端b；b相線路阻抗(2)采用第二中間電阻(22)和第二電感(23)串聯(lián)、第二前端下拉電容(21)和第二后端下拉電容(24)并聯(lián)的π型結(jié)構(gòu)；入線端b、b相線路阻抗(2)以及出線端b’串聯(lián)構(gòu)成等效b相輸電導(dǎo)線模型。

如圖1所示，所述c相阻抗包括順序連接的入線端c、c相線路阻抗(3)以及出線端c’。其中入線端c用于與電源的c相或前一個(gè)模型的出線端c’相連；出線端c’用于接負(fù)載c相或者后一個(gè)模型的進(jìn)線端c；c相線路阻抗(3)采用第三中間電阻(32)和第三電感(33)串聯(lián)、第三前端下拉電容(31)和第三后端下拉電容(34)并聯(lián)的π型結(jié)構(gòu)；入線端c、c相線路阻抗(3)以及出線端c’串聯(lián)構(gòu)成等效c相輸電導(dǎo)線模型。

如圖1所示，所述g阻抗包括順序連接的入線端g、第四線路阻抗(4)以及出線端g’。其中入線端g用于與前一個(gè)模型的出線端c’相連或接地；出線端g’用于接后一個(gè)模型的進(jìn)線端g或懸空，靠近電源測(cè)第一個(gè)入線端g接地；第四線路阻抗(4)采用第四中間電阻(42)和第四電感(43)串聯(lián)，第四前端上拉電容(41)和第四后端上拉電容(44)并聯(lián)的倒π型結(jié)構(gòu)；入線端g、第四線路阻抗(4)以及出線端g’串聯(lián)構(gòu)成等效模擬大地回路和相間分布阻抗模型。

如圖1所示，所述a相阻抗、b相阻抗、c相阻抗和g阻抗通過(guò)a相線路阻抗(1)的第一前端下拉電容(11)、b相線路阻抗(2)的第二前端下拉電容(21)和c相線路阻抗(3)的第三前端下拉電容(31)的下端與第四線路阻抗(4)的第四前端上拉電容(41)的上端相連；以及通過(guò)a相線路阻抗(1)的第一后端下拉電容(14)、b相線路阻抗(2)的第二后端下拉電容(24)和c相線路阻抗(3)的第三后端下拉電容(34)的下端與第四線路阻抗(4)的第四后端上拉電容(44)的上端相連；構(gòu)成一個(gè)完整模擬真實(shí)a、b、c三相配電線路的等效模型。

如圖2所示，本發(fā)明所建立的中壓配電線路真型等效模型中各個(gè)元件參數(shù)的計(jì)算方法如下：

第一步，確定被等效模擬的配電線路電壓等級(jí)、線路型號(hào)和架設(shè)安裝方式；

第二步，根據(jù)第一步確定的信息，采用數(shù)值仿真軟件或一般線路計(jì)算方法獲得等效模擬的配電線路的單位長(zhǎng)度分布參數(shù)：正序電阻rp，零序電阻r0；正序電感l(wèi)p，零序電感l(wèi)0，正序電容cp，零序電容c0；

第三步，根據(jù)被等效模擬的配電線路長(zhǎng)度len，計(jì)算被等效模擬的配電線路的總參數(shù)：

rpz＝len×rp；lpz＝len×lp；cpz＝len×cp

r0z＝len×r0；l0z＝len×l0；c0z＝len×c0

其中，rpz為被等效模擬的配電線路正序總電阻，lpz為被等效模擬的配電線路正序總電感，cpz為被等效模擬的配電線路正序總電容，r0z為被等效模擬的配電線路零序總電阻，l0z為被等效模擬的配電線路零序總電感，c0z為被等效模擬的配電線路零序總電容。

第四步，根據(jù)所要求頻率范圍內(nèi)的幅頻與相頻響應(yīng)精度，結(jié)合數(shù)值仿真計(jì)算，采用人工步進(jìn)式分段校核的方式確定被等效模擬的配電線路的π型級(jí)聯(lián)數(shù)，并對(duì)應(yīng)將該線路分成n段，每段參數(shù)：

其中，rp1為被等效模擬的配電線路分成n段后的每段正序電阻，lp1為被等效模擬的配電線路分成n段后的每段正序電感，cp1為被等效模擬的配電線路分成n段后的每段正序電容，r01為被等效模擬的配電線路分成n段后的每段零序電阻，l01為被等效模擬的配電線路分成n段后的每段零序電感，c01為被等效模擬的配電線路分成n段后的每段零序電容。

第五步，根據(jù)cp1和c01計(jì)算g阻抗附加等效電容c’：

第六步，計(jì)算各元件參數(shù)：

第一前端下拉電容(11)、第二前端下拉電容(21)、第三前端下拉電容(31)：cp1/2

第一后端下拉電容(14)、第二后端下拉電容(24)、第三后端下拉電容(34)：cp1/2

第一中間電阻(12)、第二中間電阻(22)、第三中間電阻(32)：rp1

第一電感(13)、第二電感(23)、第三電感(33)：lp1

第四前端上拉電容(41)以及第四后端上拉電容(44)：c＇/2

第四中間電阻(42)：(r01-rp1)/3

第四電感(43)：(l01-lp1)/3。

其中，g阻抗附加等效電容c’的參數(shù)計(jì)算由以下方法獲得：

設(shè)正序電容為cp1，零序電壓為c01，附加等效電容為c’，系統(tǒng)中性點(diǎn)位移電壓為u′，三相電壓分別為ua、ub、uc，則根據(jù)基爾霍夫電壓定律可列如下方程：

解方程可得：

如圖4、圖5所示，是以某4.5km配電線路為對(duì)象，分別對(duì)分布式參數(shù)模型、單節(jié)三電容π模型、單節(jié)四電容π模型、15節(jié)三電容π模型以及本發(fā)明所推薦的15節(jié)四電容π模型對(duì)該線路進(jìn)行模擬，將各種模型模擬結(jié)果與真實(shí)系統(tǒng)(分布式參數(shù))的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可見(jiàn)本發(fā)明模型及方法在高頻范圍內(nèi)的相頻特性與幅頻特性上與真實(shí)系統(tǒng)有較高的相似度，若未考慮g阻抗附加等效電容c’及多組級(jí)聯(lián)的影響，相頻與幅頻特性與真實(shí)系統(tǒng)具有較大誤差。