基于电网正常运行时潮流计算的短路转移阻抗计算方法
阅读说明：本技术 基于电网正常运行时潮流计算的短路转移阻抗计算方法 (Short circuit transfer impedance calculation method based on load flow calculation during normal operation of power grid ) 是由 蒋童 朱思睿 文汀 蒋星 涂婧怡 李欣然 陈泽弘 于 2021-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于电网正常运行时潮流计算的短路转移阻抗计算方法,包括获取待分析电网的参数数据信息；构建短路前正常运行的仿真计算网络；计算短路前正常运行的网络潮流数据并获取短路点的节点数据；改变电网参数获取若干组网络潮流数据；将短路点及与短路点相连的线路进行等效并辨识得到与短路点相连的线路的等效电路的阻抗数值；设定短路点发生三相短路并得到与短路点相连的各线路流向短路点的短路电流衰减曲线；辨识得到与短路点相连的线路流向短路点的短路电流衰减曲线数学表达式系数,得到短路转移阻抗。本发明可靠性高、应用简单且高效。(The invention discloses a short circuit transfer impedance calculation method based on load flow calculation during normal operation of a power grid, which comprises the steps of obtaining parameter data information of the power grid to be analyzed; constructing a simulation calculation network which normally runs before short circuit; calculating network load flow data which normally runs before short circuit and acquiring node data of a short circuit point; changing power grid parameters to obtain a plurality of groups of network load flow data; the short circuit point and the line connected with the short circuit point are equivalent and identified to obtain the impedance value of the equivalent circuit of the line connected with the short circuit point; setting a three-phase short circuit at the short circuit point and obtaining a short circuit current attenuation curve of each line connected with the short circuit point to the short circuit point; and identifying to obtain a mathematical expression coefficient of a short-circuit current attenuation curve of the line connected with the short-circuit point flowing to the short-circuit point, and obtaining the short-circuit transfer impedance. The invention has high reliability, simple application and high efficiency.)
技术领域
本发明属于电力系统分析领域，具体涉及一种基于电网正常运行时潮流计算的短路转移阻抗计算方法。
背景技术
随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为了人们生产和生活中必不可少的二次能源，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。因此，电力系统的稳定可靠运行，就成为了电力系统最重要的任务之一。
随着我国电网的发展，电网已经实现了高度互联。电网的高度互联，不仅提高了电网运行的经济效益，也使得电网供电更加的安全和可靠。但是，电网的高度互联，也使得短路电流问题愈发凸显，短路电流超标问题成为了新的制约电网发展的瓶颈。
在供电系统电气设计和运行中,短路电流计算是解决一系列技术问题所不可缺少的基本计算；短路电流计算结果准确与否，直接关系到电网供电的安全性、可靠性、经济性、运行的灵活性以及继电保护方式的选择、保护的整定、校验等技术问题。而与短路电流计算密切关联的一个重要电气量是转移阻抗。在复杂电力系统中，只保留发电机电动势节点(包含无限大功率母线)和短路点，经过网络化简消去其他中间节点(或称联络节点)，最后得到一个网络。在此网络中，可以略去各电源间的连线，并认定连线中的电流是电源间的交换电流，与短路电流无关。这样就形成了一个以短路点为中心的辐射形网络，每一条辐射支路只含一个电源，经转移阻抗与短路点相连。
转移阻抗的准确求解，可以方便的计算短路电流，也可以分析短路电流影响因素。但是，目前的一般转移阻抗计算方法，在复杂网络中求解时，不仅费时费力，速度较慢，而且可靠性不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可靠性高、应用简单且高效的基于电网正常运行时潮流计算的短路转移阻抗计算方法。
本发明提供的这种基于电网正常运行时潮流计算的短路转移阻抗计算方法，包括如下步骤：
S1.获取待分析电网的参数数据信息；
S2.确定待分析电网中各电源机组的实际出力情况，构建短路前正常运行的仿真计算网络；
S3.根据步骤S2构建的仿真计算网络，计算短路前正常运行的网络潮流数据，并获取短路点的节点数据；
S4.改变仿真计算网络中的电网参数，获取若干组网络潮流数据；
S5.将短路点及与短路点相连的线路进行等效，并结合步骤S3和步骤S4 得到的潮流数据，辨识得到各个与短路点相连的线路的等效电路的阻抗数值；
S6.设定短路点发生三相短路，并仿真得到与短路点相连的各线路流向短路点的短路电流衰减曲线；
S7.根据步骤S5得到的各个与短路点相连的线路的等效电路的阻抗数值，辨识得到各个与短路点相连的线路流向短路点的短路电流衰减曲线数学表达式系数，从而得到与短路点相连的各线路的短路转移阻抗。
步骤S2所述的确定待分析电网中各电源机组的实际出力情况，构建短路前正常运行的仿真计算网络，具体为确定待分析电网中各电源机组的实际出力情况，构建三机六节点系统作为短路前正常运行的仿真计算网络；其中三机六节点系统包括1#同步发电机电源，2#同步发电机电源，3#同步发电机电源，1#母线，2#母线，3#母线，4#母线，5#母线，6#母线，1#变压器，2#变压器，3#变压器，2#-3#线路阻抗，1#-2#线路阻抗和1#-3#线路阻抗；2#同步发电机电源、 4#母线、2#变压器、2#母线、2#-3#线路阻抗、3#母线、3#变压器、5#母线和3#同步发电机电源依次串联；2#母线串接1#-2#线路阻抗后连接1#母线；3#母线串接1#-3#线路阻抗后连接1#母线；1#母线、1#变压器、6#母线和1#同步发电机电源串联；其中1#母线连接1#负荷并供电；2#母线连接2#负荷并供电；3#母线连接3#负荷并供电；电网主负荷中心为1#母线，短路点设置在1#母线；1#同步发电机电源设定为平衡机；2#同步发电机电源设定为PQ节点；3#同步发电机电源设定为PV节点；1#同步发电机电源、2#同步发电机电源和3#同步发电机电源均采用5阶模型；1#负荷占系统总负荷的70％，2#负荷占系统总负荷的10％， 3#负荷占系统总负荷的20％，1#负荷、2#负荷和3#负荷均采用3阶感应电动机并联恒阻抗模型，且系统总负荷中50％采用恒阻抗模型，50％采用3阶感应电动机模型。
步骤S3所述的根据步骤S2构建的仿真计算网络，计算短路前正常运行的网络潮流数据，并获取短路点的节点数据，具体包括如下步骤：
对步骤S2构建的仿真计算网络进行潮流计算；
获取的潮流数据包括：
数据1:1#母线电压幅值数据；
数据2：线路2-1中，以1#母线侧为受端的受端有功功率数据和受端无功功率数据；
数据3：线路3-1中，以1#母线侧为受端的受端有功功率数据和受端无功功率数据；
数据4：线路6-1中，以1#母线侧为受端的受端有功功率数据和受端无功功率数据。
步骤S4所述的改变仿真计算网络中的电网参数，获取若干组网络潮流数据，具体包括如下步骤：
调整1#母线所连接负荷的有功功率和无功功率，使得负荷的有功功率和无功功率按照设定的要求提高，然后每调整一次就计算一次网络潮流数据，直至得到若干组新的潮流数据；
调整1#母线所连接负荷的有功功率和无功功率，使得负荷的有功功率和无功功率按照设定的要求降低，然后每调整一次就计算一次网络潮流数据，直至得到若干组新的潮流数据。
步骤S5所述的将短路点及与短路点相连的线路进行等效，并结合步骤S3 和步骤S4得到的潮流数据，辨识得到各个与短路点相连的线路的等效电路的阻抗数值，具体包括如下步骤：
A.确定与短路点1#母线连接的线路为线路2-1、线路3-1和线路6-1；
B.针对线路2-1，将线路2-1等效为一个电压源和一个阻抗串联，E2-1为等效电压源的电压，Z2-1为等效阻抗的阻抗，U2-1为短路点1#母线的电压；
C.对等效电路，采用数学表达式表示为然后将表达式展开为其中Ex2-1、Ey2-1、R2-1和X2-1为待求参数，U2-1为短路点1#母线的电压，P2-1为线路2-1中以1#母线侧为受端的受端有功功率，Q2-1为线路2-1中以1#母线侧为受端的受端无功率；
D.非线性方程组的一般形式为其中x1,x2,...,xn为需要求解的n个未知变量；
E.构建函数则求解非线性方程组的过程等价于求解 min F1的最优化问题；
F.将步骤C中的展开的表达式的实部和虚部分离，得到：
G.结合步骤S3和S4获取的网络潮流数据和步骤F得到的方程，得到一组非线性方程组，其中Ex2-1、Ey2-1、R2-1和X2-1为待求参数；
H.采用粒子群算法对步骤G中的非线性方程组进行辨识，从而得到线路 2-1的待求参数Ex2-1、Ey2-1、R2-1和X2-1；
I.针对线路3-1和线路6-1，各自重复步骤B～步骤H，得到线路3-1的待求参数Ex3-1、Ey3-1、R3-1和X3-1，以及线路6-1的待求参数Ex6-1、Ey6-1、R6-1和X6-1。
J.最终得到线路2-1等效为一个电压源和一个阻抗串联后的等效电路的等效阻抗X2-1，线路3-1等效为一个电压源和一个阻抗串联后的等效电路的等效阻抗X3-1，以及线路6-1等效为一个电压源和一个阻抗串联后的等效电路的等效阻抗X6-1。
步骤S6所述的设定短路点发生三相短路，并仿真得到与短路点相连的各线路流向短路点的短路电流衰减曲线，具体包括如下步骤：
采用步骤S2构建的三机六节点系统，设置1#母线发生三相短路故障，故障从设定时间开始，持续TT秒；
进行暂态稳定仿真，然后获取如下暂态稳定数据：
曲线1：线路2-1流向短路点1#母线的短路电流衰减曲线；
曲线2：线路3-1流向短路点1#母线的短路电流衰减曲线；
曲线3：线路6-1流向短路点1#母线的短路电流衰减曲线。
步骤S7所述的根据步骤S5得到的各个与短路点相连的线路的等效电路的阻抗数值，辨识得到各个与短路点相连的线路流向短路点的短路电流衰减曲线数学表达式系数，从而得到与短路点相连的各线路的短路转移阻抗，具体包括如下步骤：
a.针对线路2-1，短路电流衰减曲线的数学表达式为：
式中Eq2-1、E″q2-1、Xd2-1和X″d2-1为待求参数；T″d2-1为次暂态电流衰减时间常数；
b.根据获取的等效阻抗X2-1，设定Xd2-1和X″d2-1的初值区间，并规定： Xd2-1＞X″d2-1，X″d2-1的初值区间下限小于Xd2-1的初值区间下限，X″d2-1的初值区间上限小于Xd2-1的初值区间上限；
c.根据获取的线路2-1流向短路点1#母线的短路电流衰减曲线，采样得到曲线上的若干个数据对(t2-1,Ik2-1(t2-1))；
d.将步骤a中的短路电流衰减曲线的数学表达式改写为：
从而构建函数
e.构建函数：式中nn为在线路2-1流向短路点1# 母线的短路电流衰减曲线上采样得到的数据对的个数；
f.求解步骤a中的短路电流衰减曲线的数学表达式的过程，转换为求解 min的最优化过程；采用粒子群算法，通过曲线拟合得到待求参数Eq2-1、 E″q2-1、Xd2-1和X″d2-1；
g.求解得到线路2-1流向短路点1#母线的短路电流衰减曲线的次暂态电抗系数，从而得到最终的线路2-1所对应的短路转移阻抗；
h.针对线路3-1和线路6-1，各自重复步骤a～步骤g，得到最终的线路3-1 所对应的短路转移阻抗以及线路6-1所对应的短路转移阻抗。
本发明提供的这种基于电网正常运行时潮流计算的短路转移阻抗计算方法，提供了利用辨识算法求解短路转移阻抗的方法，可以计算出与短路点相连各线路各自的转移阻抗，利用PSASP仿真算例检验了方法的可行性，为电网安全稳定分析以及电网设备的整定提供了重要计算数据，而且本发明方法可靠性高、应用简单且高效。
附图说明
图1为本发明方法的方法流程示意图。
图2为本发明方法中的三机六节点系统结构示意图。
图3为本发明方法中的线路的等效电路示意图。
具体实施方式
如图1所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明提供的这种基于电网正常运行时潮流计算的短路转移阻抗计算方法，包括如下步骤：
S1.获取待分析电网的参数数据信息；
S2.确定待分析电网中各电源机组的实际出力情况，构建短路前正常运行的仿真计算网络(可以采用PSASP进行仿真，后续的计算也可采用PSASP进行计算)；具体为确定待分析电网中各电源机组的实际出力情况，构建三机六节点系统作为短路前正常运行的仿真计算网络(如图2所示)；其中三机六节点系统包括1#同步发电机电源，2#同步发电机电源，3#同步发电机电源，1#母线，2#母线，3#母线，4#母线，5#母线，6#母线，1#变压器，2#变压器，3#变压器，2#-3# 线路阻抗，1#-2#线路阻抗和1#-3#线路阻抗；2#同步发电机电源、4#母线、2# 变压器、2#母线、2#-3#线路阻抗、3#母线、3#变压器、5#母线和3#同步发电机电源依次串联；2#母线串接1#-2#线路阻抗后连接1#母线；3#母线串接1#-3#线路阻抗后连接1#母线；1#母线、1#变压器、6#母线和1#同步发电机电源串联；其中1#母线连接1#负荷并供电；2#母线连接2#负荷并供电；3#母线连接3#负荷并供电；电网主负荷中心为1#母线，短路点设置在1#母线；1#同步发电机电源设定为平衡机；2#同步发电机电源设定为PQ节点；3#同步发电机电源设定为 PV节点；1#同步发电机电源、2#同步发电机电源和3#同步发电机电源均采用5 阶模型；1#负荷占系统总负荷的70％，2#负荷占系统总负荷的10％，3#负荷占系统总负荷的20％，1#负荷、2#负荷和3#负荷均采用3阶感应电动机并联恒阻抗模型，且系统总负荷中50％采用恒阻抗模型，50％采用3阶感应电动机模型；
S3.根据步骤S2构建的仿真计算网络，计算短路前正常运行的网络潮流数据，并获取短路点的节点数据；具体包括如下步骤：
对步骤S2构建的仿真计算网络进行潮流计算；
获取的潮流数据包括：
数据1:1#母线电压幅值数据；
数据2：线路2-1中，以1#母线侧为受端的受端有功功率数据和受端无功功率数据；
数据3：线路3-1中，以1#母线侧为受端的受端有功功率数据和受端无功功率数据；
数据4：线路6-1中，以1#母线侧为受端的受端有功功率数据和受端无功功率数据；
S4.改变仿真计算网络中的电网参数，获取若干组网络潮流数据；具体包括如下步骤：
调整1#母线所连接负荷的有功功率和无功功率，使得负荷的有功功率和无功功率按照设定的要求提高，然后每调整一次就计算一次网络潮流数据，直至得到若干组新的潮流数据；
调整1#母线所连接负荷的有功功率和无功功率，使得负荷的有功功率和无功功率按照设定的要求降低，然后每调整一次就计算一次网络潮流数据，直至得到若干组新的潮流数据；
具体实施时，首先使得负荷的有功功率和无功功率提高0.1％，然后重复进行潮流计算，获取新的潮流数据，直至负荷的有功功率和无功功率提高了1％为止，获得了10组新的潮流数据；
然后使负荷的有功功率和无功功率减少0.1％，然后重复进行潮流计算，获取新的潮流数据，直至负荷的有功功率和无功功率减少了1％为止，获得了10 组新的潮流数据；
最终，结合获取的正常工作时的潮流数据，一共得到21组潮流数据；
S5.将短路点及与短路点相连的线路进行等效，并结合步骤S3和步骤S4 得到的潮流数据，辨识得到各个与短路点相连的线路的等效电路的阻抗数值；具体包括如下步骤：
A.确定与短路点1#母线连接的线路为线路2-1、线路3-1和线路6-1；
B.针对线路2-1，将线路2-1等效为一个电压源和一个阻抗串联(如图3 所示)，E2-1为等效电压源的电压，Z2-1为等效阻抗的阻抗，U2-1为短路点1#母线的电压；
C.对等效电路，采用数学表达式表示为然后将表达式展开为其中Ex2-1、Ey2-1、R2-1和X2-1为待求参数，U2-1为短路点1#母线的电压，P2-1为线路2-1中以1#母线侧为受端的受端有功功率，Q2-1为线路2-1中以1#母线侧为受端的受端无功率；
D.非线性方程组的一般形式为其中x1,x2,...,xn为需要求解的n个未知变量；
E.构建函数则求解非线性方程组的过程等价于求解 min F1的最优化问题；
F.将步骤C中的展开的表达式的实部和虚部分离，得到：
G.结合步骤S3和S4获取的网络潮流数据和步骤F得到的方程，得到一组非线性方程组，其中Ex2-1、Ey2-1、R2-1和X2-1为待求参数；
H.采用粒子群算法对步骤G中的非线性方程组进行辨识，从而得到线路 2-1的待求参数Ex2-1、Ey2-1、R2-1和X2-1；
I.针对线路3-1和线路6-1，各自重复步骤B～步骤H，得到线路3-1的待求参数Ex3-1、Ey3-1、R3-1和X3-1，以及线路6-1的待求参数Ex6-1、Ey6-1、R6-1和X6-1。
J.最终得到线路2-1等效为一个电压源和一个阻抗串联后的等效电路的等效阻抗X2-1，线路3-1等效为一个电压源和一个阻抗串联后的等效电路的等效阻抗X3-1，以及线路6-1等效为一个电压源和一个阻抗串联后的等效电路的等效阻抗X6-1；
S6.设定短路点发生三相短路，并仿真得到与短路点相连的各线路流向短路点的短路电流衰减曲线；具体包括如下步骤：
采用步骤S2构建的三机六节点系统，设置1#母线发生三相短路故障，故障从设定时间开始，持续TT秒；
进行暂态稳定仿真，然后获取如下暂态稳定数据：
曲线1：线路2-1流向短路点1#母线的短路电流衰减曲线；
曲线2：线路3-1流向短路点1#母线的短路电流衰减曲线；
曲线3：线路6-1流向短路点1#母线的短路电流衰减曲线；
S7.根据步骤S5得到的各个与短路点相连的线路的等效电路的阻抗数值，辨识得到各个与短路点相连的线路流向短路点的短路电流衰减曲线数学表达式系数，从而得到与短路点相连的各线路的短路转移阻抗；具体包括如下步骤：
a.针对线路2-1，短路电流衰减曲线的数学表达式为：
式中Eq2-1、E″q2-1、Xd2-1和X″d2-1为待求参数；T″d2-1为次暂态电流衰减时间常数；
b.根据获取的等效阻抗X2-1，设定Xd2-1和X″d2-1的初值区间，并规定： Xd2-1＞X″d2-1，X″d2-1的初值区间下限小于Xd2-1的初值区间下限，X″d2-1的初值区间上限小于Xd2-1的初值区间上限；
具体实施时，可以设定：Xd的初始区间为[0.7*X21,1.3*X21]，X″d的初始区间为[0.6*X21,1.2*X21]；
c.根据获取的线路2-1流向短路点1#母线的短路电流衰减曲线，采样得到曲线上的若干个数据对(t2-1,Ik2-1(t2-1))；
d.将步骤a中的短路电流衰减曲线的数学表达式改写为：
从而构建函数
e.构建函数：式中nn为在线路2-1流向短路点1# 母线的短路电流衰减曲线上采样得到的数据对的个数；
f.求解步骤a中的短路电流衰减曲线的数学表达式的过程，转换为求解 min的最优化过程；采用粒子群算法，通过曲线拟合得到待求参数Eq2-1、 E″q2-1、Xd2-1和X″d2-1；
g.求解得到线路2-1流向短路点1#母线的短路电流衰减曲线的次暂态电抗系数，从而得到最终的线路2-1所对应的短路转移阻抗；
h.针对线路3-1和线路6-1，各自重复步骤a～步骤g，得到最终的线路3-1 所对应的短路转移阻抗以及线路6-1所对应的短路转移阻抗。
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