種基于兩點(diǎn)相量測量辨識的現(xiàn)代配電網(wǎng)故障建模方法.ppt

一種基于兩點(diǎn)相量測量辨識的現(xiàn)代配電網(wǎng)故障建模方法,李令冬 （安徽大學(xué)，合肥 230039）,主要內(nèi)容：,1.引言 2.現(xiàn)代配電網(wǎng)故障建模的TPMI方法 3.TPMI在配電網(wǎng)諧波故障分析中的應(yīng)用案例 4.TPMI方法在配電網(wǎng)低頻功率振蕩分析中的應(yīng)用 5.TPMI方法的應(yīng)用展望,解決電力系統(tǒng)故障問題的需求是推動電力系統(tǒng)故障建模技術(shù)發(fā)展的主要原動力。 近年來，由于分布式電源和電力電子裝置大規(guī)模地接入配電網(wǎng)，使現(xiàn)代配電網(wǎng)成為本質(zhì)上隨機(jī)的時變非線性巨系統(tǒng)，基于廣域測量辨識（wide-area measurement identification，WAMI ）方法建立的系統(tǒng)模型適用于多節(jié)點(diǎn)大規(guī)模電力系統(tǒng)分析。應(yīng)用電力系統(tǒng)模型分析局部配電網(wǎng)電力故障，則存在建模復(fù)雜、故障分析準(zhǔn)確性差、難以給出滿意的解決方案的問題。 作者在解決大功率電力電子設(shè)備引發(fā)的配電網(wǎng)諧波故障和高密度不確定性分布式電源引發(fā)的配電網(wǎng)低頻功率振蕩等故障時，提出一種基于兩點(diǎn)相量測量辨識（two-point phasor measurement identification，TPMI）的現(xiàn)代配電網(wǎng)故障建模方法，應(yīng)用TPMI方法建立的故障模型分析局部電力故障建模簡單、故障分析準(zhǔn)確、能夠給出滿意的解決方案。 本報告的重點(diǎn)是作者在現(xiàn)代配電網(wǎng)建模中提出的新概念、新方法，并通過工程案例驗(yàn)證其正確性、可用性。,1.引言,2.1 現(xiàn)代配電網(wǎng)的基本特性 工農(nóng)業(yè)的規(guī)?；?、電力電子裝置的大量應(yīng)用和分布式電源的高密度接入配電網(wǎng)，使配電網(wǎng)的非線性、負(fù)荷節(jié)點(diǎn)功率潮流的不確定性、沖擊性、不對稱性越來越嚴(yán)重，隨之配電系統(tǒng)的故障特性越來越復(fù)雜、發(fā)生頻度越來越高 。 2.2現(xiàn)代配電網(wǎng)的簡化結(jié)構(gòu)三線配電網(wǎng)絡(luò) （1）集中廣義負(fù)荷 在配電網(wǎng)計算時，將分布式電源看作負(fù)功率特性的負(fù)載，多個分布式電源和負(fù)載集中接于一個節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷稱之為集中廣義負(fù)荷。 （2）三線配電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成 無論實(shí)際配電網(wǎng)含有多少電源和負(fù)載，對分析單條線路及所帶廣義負(fù)荷故障，都可以簡化為三線配電網(wǎng)絡(luò)。三線配電網(wǎng)絡(luò)由配電母線和三條線路構(gòu)成。三條線路包括：一條含電壓源供電線路，一條故障線路，一條集中廣義負(fù)荷虛擬線路。 典型的三線配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)2-1所示。,2 現(xiàn)代配電網(wǎng)故障建模的TPMI方法,（3）三線配電網(wǎng)絡(luò)的參數(shù) :系統(tǒng)電源電壓， :供電母線電壓， ：系統(tǒng)阻抗； :A點(diǎn)測量阻抗， ：供電線路電流， ：供電線路集中廣義負(fù)荷阻抗； :B點(diǎn)測量阻抗， :故障線路電流， ：故障線路集中廣義負(fù)荷阻抗； ：C點(diǎn)測量阻抗， ：虛擬線路電流。 ：虛擬線路集中廣義負(fù)荷阻抗。 圖2-1 三線配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),2.3 三線配電網(wǎng)絡(luò)的測量點(diǎn) （1）兩點(diǎn) 當(dāng)供電母線帶多條廣義負(fù)荷線路且有一條確定故障線路時，則需 要兩個A、B兩個同步相量測量點(diǎn)。 （2）兩點(diǎn)重合 故障線路為供電母線總進(jìn)線時，則兩點(diǎn)合一，只需要一個測量點(diǎn)A。 （3）兩兩組合 當(dāng)有多條故障線路時，則兩兩組合測量，然后綜合分析。 2.4 測量數(shù)據(jù) 故障工況下，兩點(diǎn)三相電壓電流同步錄波數(shù)據(jù)。 2.5 現(xiàn)代配電網(wǎng)故障測量辨識 （1）基本計算,（2）阻抗測量辨識理論要點(diǎn),3.1故障描述 某汽車?yán)滠垙S生產(chǎn)時，80MVA、110kV/10kV供電變壓器發(fā)出刺耳高頻嘯叫聲，220V控制電源所帶部分電源模塊發(fā)生隨機(jī)損壞。初步分析是控制電源中的高次諧波電壓超標(biāo)造成的，諧波源為酸軋機(jī)的10kV高壓變頻器。 3.2故障建模的TPMI設(shè)計 （1）建模目的 根據(jù)測試數(shù)據(jù)，計算諧波電流源的負(fù)荷阻抗、系統(tǒng)諧波阻抗，建立諧波傳輸模型，給出解決方案。 （2）建模方法：TPMI （3）測量點(diǎn) 10kV供電母線總進(jìn)線公共連接點(diǎn)A 和酸軋機(jī)10kV饋線供電關(guān)口B。 （4）測量工況 供配電系統(tǒng)為正常運(yùn)行方式；正常生產(chǎn)。,3 TPMI在配電網(wǎng)諧波故障分析中的應(yīng)用案例,（5） 測量內(nèi)容 A、B兩點(diǎn)三相電壓和三相電流同步錄波，數(shù)據(jù)采集速度：每通道128k/s，采樣精度：16位，錄波長度：1小時。 （6）辨識內(nèi)容 故障模型結(jié)構(gòu)與參數(shù)：A、B兩點(diǎn)電壓和電流波形與頻譜圖；A、B兩點(diǎn)基波和主導(dǎo)諧波的電壓、電流、阻抗及功率參數(shù)；主導(dǎo)諧波電壓電流傳輸特性參數(shù)。 （7）辨識驗(yàn)證及模型參數(shù)的內(nèi)插、外推 及修改 辨識驗(yàn)證：辨識結(jié)果與已知參數(shù)相符，仿真結(jié)果與辨識結(jié)果相符。 模型參數(shù)的內(nèi)插、外推及修改：應(yīng)用仿真曲線實(shí)現(xiàn)。 （8）故障分析結(jié)論 根據(jù)特征諧波傳輸特性的辨識結(jié)果分析故障的根源。 （9）解決方案： 通過重構(gòu)配電網(wǎng)，改變B點(diǎn)的阻抗特性，從而改變諧波傳輸特性，減小諧波對配電網(wǎng)的干擾。,3.3 測量辨識結(jié)果 （1）供配電系統(tǒng)及測量點(diǎn) 如圖3-1所示： 圖3-1 供配電系統(tǒng)及測量點(diǎn) （2）A、B兩點(diǎn)電壓電流波形與頻譜圖,圖3-2 A（上圖）、B（下圖）電壓電流波形與頻譜,（3）模型參數(shù)計算結(jié)果 A點(diǎn)模型參數(shù)計算結(jié)果,B點(diǎn)模型參數(shù)計算結(jié)果,（4）諧波電流系數(shù)仿真曲線 （5）測量辨識驗(yàn)證 A點(diǎn)系統(tǒng)基波阻抗；測量辨識值2.50，實(shí)際值2.44，誤差+2.5% ； 流入系統(tǒng)的65、66、67、68次諧波電流放大倍數(shù)：測量辨識值分別為3.00、3.16、3.18、3.10，仿真值分別為2.60、2.73、2.86、3.00, 誤差分別為+15.4%、+15.8%、+11.2%、+3.3%。,（6）測量辨識的內(nèi)插、外推與修改 根據(jù)圖3-3仿真曲線，可以內(nèi)插、外推與修改諧波電流系數(shù)。 （7）故障分析結(jié)論 從B點(diǎn)往系統(tǒng)看其66次等特征諧波阻抗是從A點(diǎn)往系統(tǒng)看的3倍，酸軋機(jī)產(chǎn)生的特征諧波電流放大3倍流入系統(tǒng)，致使特征諧波電壓含有率高達(dá)10%左右，遠(yuǎn)大于配用電網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備的電磁兼容值（小于0.5%），這是該配電網(wǎng)發(fā)生變壓器高頻嘯叫和控制設(shè)備損壞故障的根本原因。 3.4 解決方案 從B點(diǎn)往系統(tǒng)看其特征諧波阻抗大是配電電纜電容與系統(tǒng)電源的感性阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振的結(jié)果，從仿真曲線可看出，諧振次數(shù)為70。于是我們得到如下解決思路：重構(gòu)阻抗網(wǎng)絡(luò)，使諧振次數(shù)左移至非特征諧波次數(shù)，并使特征諧波的諧波電流系數(shù)小于1。 圖3-4是在該10kV供電母線上每相并聯(lián)4.92f電容后的仿真曲線。,圖3-4 配電網(wǎng)重構(gòu)后的KI,hh 曲線,3.5 國內(nèi)推廣應(yīng)用情況 我們與上海寶鋼安大電能質(zhì)量有限公司合作，應(yīng)用TPMI方法低成本、有效地解決了寶鋼、梅鋼、寧波不銹鋼、馬鋼、韶鋼等軋機(jī)配電網(wǎng)的高次諧波故障問題。 圖3-5和圖3-6為某熱軋廠治理前后總進(jìn)線供電點(diǎn)電壓電流波形與頻譜。很容易看出，治理效果非常顯著。 圖3-5 某軋鋼廠治理前35kV總進(jìn)線供電點(diǎn)電壓電流波形與頻譜,圖3-6 某軋鋼廠治理后35kV總進(jìn)線供電點(diǎn)電壓電流波形與頻譜,4.1故障描述 某港口橋吊為變頻橋吊，當(dāng)貨船多、橋吊投入數(shù)量大且工作頻度高時，10kV母線總進(jìn)線橋吊群供電點(diǎn)發(fā)生嚴(yán)重的低頻功率振蕩故障，減少投入運(yùn)行的橋吊數(shù)量，振蕩故障消除。 4.2故障建模的TPMI設(shè)計要點(diǎn) （1）測量點(diǎn) 因?yàn)?0kV母線只給橋吊供電，10kV總進(jìn)線也是故障線路，因此只需要在一個公共連接點(diǎn)測量即可。 （2) 建模重點(diǎn) 橋吊吊起重物時用電，放下物時發(fā)電，配電網(wǎng)是一個含高密度不確定性分布式電源的非線性配電系統(tǒng)，建模重點(diǎn)是分析低頻功率振蕩的原因、計算特征參數(shù)、優(yōu)化控制方案。,4.TPMI方法在配電網(wǎng)低頻功率振蕩分析中的應(yīng)用,4.3 測量結(jié)果 （1）低頻功率振蕩全過程曲線,（2）低頻電壓振蕩全過程曲線,（3）低頻功率增幅振蕩曲線,（4）低頻衰減功率振蕩,（5）發(fā)生低頻振蕩時典型電壓電流波形與頻譜,（6）發(fā)生低頻振蕩時主導(dǎo)間諧波電壓電流報表（A相）,（7）數(shù)學(xué)模型及驗(yàn)證,4.3 故障模型參數(shù)計算與故障分析 （1）故障模型參數(shù) 4.2(1)(2)(3)(4) 所描述的典型低頻振蕩過程，其特征參數(shù)計算如下： 振蕩頻率：約 ； 振蕩全過程時間：7S ，其中增幅振蕩過程2.5S,等幅振蕩過程1.5S，衰減振蕩過程3.0S，； 有功功率振蕩幅值（峰峰值）22.5MW,無功功率振蕩幅值（峰峰值）22.5Mvar； 額定基波相電壓5774V,相電壓振蕩幅值（峰峰值）850V。 參數(shù)驗(yàn)證：已知10kV母線運(yùn)行短路容180MVA,由振蕩模型參數(shù)計算 運(yùn)行短路容量為 22.55774/850=153MVA （2）故障分析 由（5）和（6）可看出，橋吊逆變器群產(chǎn)生1.25次間諧波電流注入電網(wǎng)，使系統(tǒng)阻尼減小為負(fù)值時，系統(tǒng)發(fā)生12.5Hz的增幅低頻振蕩，減小注入系統(tǒng)的1.25次間諧波電流可以使系統(tǒng)阻尼由負(fù)變化正，使低頻振蕩衰減。,4.4 解決方案 設(shè)計一套超級電容儲能式功率協(xié)調(diào)控制器，在注入電網(wǎng)的1.25 次間諧波電流達(dá)到限值時，控制器 發(fā)出大小相等、相位相反的1.25 次間諧波電流減小，增大系統(tǒng)阻尼，抑制低頻振蕩 。 控制效果見下圖：,由上圖可看出：當(dāng)集中廣義負(fù)荷發(fā)生的間諧波電流大于限值40A時，協(xié)調(diào)控制器輸出的方向相反的間諧波電流有地降低了10kV總進(jìn)線的間諧波電流，使系統(tǒng)阻尼由負(fù)變正，系統(tǒng)由增幅振蕩狀態(tài)變?yōu)樗p振蕩狀態(tài)，隨之廣義負(fù)荷發(fā)生的間諧波電流也減小到安全值以下（40A）。,5.1 TPMI方法評價 應(yīng)用TPMI方法建立配電網(wǎng)故障模型，使故障仿真簡單、故障定位準(zhǔn)確、定量分析精度高、能給出滿意的解決方案； 高精度相位測量是應(yīng)用TPMI的關(guān)鍵，也是難點(diǎn)。 5.2 TPMI應(yīng)用成果 20多年來，安徽大學(xué)電能質(zhì)量工程研究中心和上海寶鋼安大電能質(zhì)量有限公司應(yīng)用TPMI方法成功地解決了高壓變頻軋機(jī)、等離子煉鋼設(shè)備、電弧爐煉鋼設(shè)備、港口橋吊等大型用電設(shè)備及分布式電源接入電網(wǎng)引發(fā)的配電網(wǎng)故障問題，經(jīng)濟(jì)效益顯著。 5.3 TPMI方法關(guān)鍵技術(shù) 相量測量分析技術(shù)、三線配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、兩點(diǎn)測量辨識模型是TPMI的關(guān)鍵技術(shù)。 上述關(guān)鍵技術(shù)是從大量的配電網(wǎng)故障測量分析、故障解決方案、及國家科技項(xiàng)目總結(jié)出來的，還需要進(jìn)一步提高和完善其技術(shù)體系，對三線配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、兩點(diǎn)測量辨識模型中使用的方法還需要嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明并且明確其應(yīng)用范圍。,5 TPMI方法的應(yīng)用展望,5.4 應(yīng)用展望 TPMI將給現(xiàn)代配電網(wǎng)和重大電力裝備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷提供新的簡單有效的方法及相關(guān)儀器支撐，有廣闊的市場前景。 通過TPMI方法的進(jìn)一步推廣應(yīng)用、相關(guān)技術(shù)理論研究及相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)，有希望形成