关于电能质量系统的电磁分析

关于电能质量系统的电磁分析

殷峰包玉树蒋琛唐一铭喻建

（江苏方天电力技术有限公司江苏南京211102）

摘要：本文介绍了一种基于电磁暂态混合仿真的电能质量分析（以下简称电能质量分析系统），对能够详细分析的元件或区域采用电磁暂态模型，而与其相连的交流大系统采用机电暂态模型，电磁暂态混合仿真技术能满足大电网背景下电能质量仿真分析的要求。

关键词：电能质量；系统；电磁分析

电能质量仿真评估是基于评估对象建模仿真获得数据，评估各项指标是否满足电能质量相关标准要求。电能质量仿真评估通常是基于电能质量仿真软件开展，目前工程上常用的电能质量仿真软件包括电力系统综合分析程序（PSASP），ETAP和各种时域仿真程序，如PSCAD/EMTDC、EM⁃TP、MATLAB等。由于PSASP仅具有谐波分析功能，且在建模精确度、算法收敛性等方面存在一定的局限性；ETAP软件虽然使用方便，在实际电能质量评估工程中得到广泛应用，但其无法在基于电网全网数据下实现对大电网电能质量的准确仿真；EMTP、PSCAD/EMTDC等时域仿真软件受节点限制，其仿真规模都较小，仅能对局部小电网系统进行分析，因此应用这些时域仿真软件进行电能质量分析时，必须将局部小电网系统与大电网系统割裂开，且必须对大电网系统进行等值。等值方法的选择可能造成仿真结果存在较大误差，有一定的局限性[1-7]。可见，已有的电能质量仿真软件无法满足大电网背景下电能质量仿真评估的要求，且不具备暂态电能质量仿真计算功能，亟须开发功能更完善的电能质量分析系统，为电网的安全稳定运行提供强有力的技术支持。

1基于机电—电磁混合仿真的暂态

基于混合仿真的暂态电能质量评估流程见图1。电能质量分析主要步骤如下：

图1暂态电能质量评估流程

步骤1、利用己有电网数据或手工输入建立仿真大电网的基础数据。

步骤2、对大电网进行机电—电磁网络分割，设定网络边界联络线。需详细分析的区域采用电磁暂态模型，与其相连的交流大系统采用机电暂态模型。

步骤3、在机电暂态仿真程序中设置仿真时问、步长、允许误差等参数，提交机电暂态仿真任务。

步骤4、建立重点关注区域电网的电磁暂态模型，包含短路、大容量电机等暂态电能质量干扰源模型和敏感负荷模型，根据网络分割—指定混合仿真接口，设置仿真步长、仿真算法等电磁暂态仿真参数，提交电磁暂态仿真任务。

步骤5、通过数据交换接口进行机电—电磁混合仿真计算。

步骤6、输出混合仿真结果，计算暂态电能质量特征量(如电压暂降的幅值、持续时问、相位跳变)和评估指标(如暂降能量指标)。

步骤7、分析仿真结果，得出评估结论，提出电能质量治理建议。

2电能质量分析系统功能

2.1暂态电能质量仿真功能

为了提高暂态电能质量仿真的准确性，对机电暂态和电磁暂态仿真功能和界面进行优化设计，形成了暂态电能质量仿真模块。该模块能进行电压波动和闪变计算、电压暂降仿真、电压暂升仿真、不对称谐波潮流计算、三相电压不平衡计算，用于计算波动负荷在公共连接点产生的电压波动和闪变，以及仿真由短路故障、异步电动机启动等引起的电压暂降和暂升等暂态电能质量问题。其分析方法如下：首先建立网络数据并进行网络分割，需详细分析的元件或重点关注区域附近网络采用电磁暂态模型，而与其相连的交流大系统采用机电暂态模型；然后启动机电暂态—电磁暂态混合仿真，计算由干扰源引起的暂态电能质量特征量，如电压暂降/电压暂升的幅值、持续时间、相位跳变、不对称谐波潮流计算、三相电压不平衡计算，由特征量计算得到相应的分析指标，如电压暂降/暂升的严重性指标、能量指标。

2.2计算结果模块功能

计算结果模块可对电能质量计算结果进行数据统计分析，能够实现不同形式的电能质量计算结果输出，如报表发布、曲线浏览等。报表发布根据用户对仿真结果输出范围、输出内容和输出形式的需求自动生成结果报表，报表中对于计算结果越限的母线或支路，在该母线或支路前增加越限标识以方便用户查看；曲线浏览具有计算结果曲线显示、编辑以及比较等多种功能，通过该模块用户可灵活便捷地处理各类计算曲线，还可将曲线导出为图片格式或直接输出到Word文档中。为了直观地评估暂态电能质量问题对敏感设备造成的影响，计算结果以数据点的形式描述在ITIC曲线上。

2.3图模一体化平台的主要功能如下：

（1）用户可以通过平台方便地建立电网数据，绘制电网图形，如单线图、地理位置接线图，进行各种电能质量计算；

（2）真正实现了图模一体化，用户可边绘图边建立数据，也可根据已有数据进行图形自动快速绘制，图形、数据自动对应；

（3）具备安全的数据架构，进行了层次化的数据保护，保证了电网数据和图形的安全性和一致性；

（4）采用实时数据库为图形界面显示和分析计算提供快速数据访问途径，从而保证了该系统图形显示和分析计算的高效性；

（5）具备网络拓扑和网络校验功能，可对各计算模块的计算数据进行数据校验和网络拓扑分析。

3应用实例

3.1网架结构

某地区电网以220kV网络为主干网架，通过2回500kV线路与主网相连，其结构如图2所示。图中S7为某高压开关设备制造厂的220kV用户站，拟通过单回线路接入S6变电站。

图2某地区电网结构示意图

3.2电能质量仿真评估

S7用户站主要用于开展110kV及以下电压等级高压开关产品的动稳定、热稳定试验，开关试验以电网为试验电源，采用直接短路试验回路或合成短路试验回路来模拟三相短路或两相短路，该试验会引起接入点及邻近变电站母线发生电压暂降，影响电力系统的安全稳定运行。为此，基于所开发的电能质量分析系统对S7用户站接入系统引起的电压暂降问题进行了仿真分析。仿真中S7用户站、S6变电站及其110kV供电区（如图2中虚线框所示）采用电磁暂态模型，电网其他区域采用机电暂态模型，在S7用户站的短路试验变压器低压侧设置短路故障模块来模拟开关试验过程，热稳定试验电流有效值设置为63kA，试验电压分别设置为3.5kV、6kV、7.5kV、9kV、12kV，以验证不同试验容量对系统电压的影响。2013年和2015年（规划）S6变电站220kV母线短路容量分别为14182MVA和12564MVA。

为提高电能质量仿真精度，本文提出基于机电—电磁混合仿真的暂态电能质量分析评估方法，根据电能质量分析的需要把整个电网分割成机电暂态网络和电磁暂态网络，敏感负荷或暂态电能质量干扰源接入点及附近区域采用电磁暂态模型，外部交流大电网采用机电暂态模型，通过数据交换接口进行混合仿真计算;再结合大容量异步电机起动案例对电动机起动引起的电压暂降进行仿真研究，分析电机容量和接入点短路容量对电压暂降的影响，为电压暂降的分析与治理提供了指导和参考。

4结语

单独采用机电暂态或电磁暂态仿真难以满足大电网背景下电能质量仿真分析，本文采用机电—电磁暂态混合仿真技术解决了这一难题。电能质量分析系统实例应用表明，该系统能满足机电—电磁暂态混合仿真的电能质量分析要求。

参考文献：

[1]郑伟杰，周孝信.基于动态磁阻的磁控式并联电抗器等效电抗暂态模型[J].中国电机工程学报，2011，31（4）:1-6.

[2]王骅，张晓东，郑伟杰.开关试验对电力系统的影响及其仿真[J].电网技术，2011，35（12）:83-88.

[3]周程燕，田芳，周孝信，等.电力系统电磁暂态-机网暂态混合仿真接口原理[J].电网技术，2006，30（1）:23-27.

[4]柳勇军，梁旭，闵勇，等.电力系统数字混合仿真技术综述[J].电网技术，2006，30（13）:38-43.