一种高比例新能源电源接入电网的故障电流计算方法与流程

1.本发明属于含新能源电力系统故障电流计算技术领域，涉及故障电流计算方法，尤其是一种高比例新能源电源接入电网的故障电流计算方法。


背景技术：

2.随着新能源发电的迅速发展，我国新能源电源占高比例的新型电力系统已经出现。截至目前，甘肃、青海两省新能源装机占比已超过50％，同时新能源发电量占比超过40％。
3.然而，新能源电源的发电模式及并网方式多样，其馈入电网的故障电流特性也与同步发电机有较大差异，使得传统的短路电流分析理论和方法不适用于高比例新能源电源接入的电网故障分析，给继电保护原理研究和整定计算带来了新的挑战。
4.短路电流计算是继电保护整定计算的基础。
5.目前，主流整定计算软件对新能源电源的处理方式主要分为以下两种：
6.(1)将新能源电源视为负荷或恒流源，未考虑新能源电源故障后压控电流源性质的出力特性；
7.(2)考虑新能源电源的压控电流源出力特性，计算故障电流时全网新能源电源都参与迭代，耗时较长且容易不收敛。
8.综上所述，高比例新能源电源的接入改变了电网故障特性，使得传统故障电流计算方法不能有效反映实际电力系统故障电气量。现有考虑新能源电源的故障电流计算采用迭代法，结合故障边界条件，通过所有新能源电源都参与迭代的方法来求解网络的短路电流。上述方法虽然考虑了新能源电源出力的压控电流源特性且具有较高的计算精度，但对于大规模电网尤其是高比例新能源接入的大规模电网，其计算耗时过长且收敛性随着新能源电源的增加而变差。
9.因此，本发明提出一种高比例新能源电源接入电网的故障电流计算方法。
10.经检索，未发现与本发明相同或相近似的现有技术的文献。


技术实现要素：

11.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种高比例新能源电源接入电网的故障电流计算方法，能够提升高比例新能源电源接入电网的故障电流计算速度和收敛性，使整定计算系统更适用于高比例新能源接入电网。
12.本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：
13.一种高比例新能源电源接入电网的故障电流计算方法，包括以下步骤：
14.步骤1、系统初始化，形成电网当前指定运行方式下节点阻抗矩阵，并设置电气距离阈值；
15.步骤2、判断系统故障类型，计算新能源节点和故障点电气距离；
16.步骤3、对比电气距离阈值ref，输出保留新能源节点集s0；
17.步骤4、判断保留新能源节点集中节点数是否大于所设定的最大新能源节点数初始值，输出为最终新能源节点集；
18.步骤5、仅考虑最终新能源节点集s中的新能源节点进行故障电流迭代计算。
19.而且，所述步骤1的具体方法为：
20.初始化系统，形成电网当前指定运行方式下节点阻抗矩阵，设定最大新能源节点数初始值m为全网新能源节点数的一半，根据以往全局迭代计算经验中并网点电压大于0.9pu的最小电气距离，设置电气距离阈值ref。
21.而且，所述步骤2的具体方法为：
22.判断系统故障类型，若为线路故障则按式(7)计算新能源节点和故障点电气距离，若为节点故障则按式(11)计算：
23.新能源并网节点与故障点之间的电气距离，即
24.edis＝min(|x
13
|,|x
23
|)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
25.节点故障时新能源并网节点和故障节点之间的电气距离可由下式计算：
[0026][0027]
而且，所述步骤4的具体方法为：
[0028]
判断保留新能源节点集s0中节点数是否大于所设定的最大新能源节点数初始值m，若大于则将电气距离阈值ref减0.1，重复步骤3，若小于则将保留新能源节点集s0输出为最终新能源节点集s。
[0029]
本发明的优点和有益效果：
[0030]
本发明提出一种高比例新能源电源接入电网的故障电流计算方法，基于高比例新能源接入电网的网络矩阵计算新能源电源节点与故障节点的电气距离系数，并据此将新能源电源进行分类。在迭代计算过程中仅考虑受影响较大的新能源节点。通过应用本发明的计算方法，可以在保证计算准确性的基础上，明显提升高比例新能源电源接入电网的故障电流计算速度和收敛性。
附图说明
[0031]
图1是本发明的处理流程图；
[0032]
图2是本发明的三节点等效系统示意图；
[0033]
图3是本发明的两节点等效系统示意图。
具体实施方式
[0034]
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
[0035]
一种高比例新能源电源接入电网的故障电流计算方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0036]
步骤1、系统初始化，形成电网当前指定运行方式下节点阻抗矩阵，并设置电气距离阈值；
[0037]
所述步骤1的具体方法为：
[0038]
初始化系统，形成电网当前指定运行方式下节点阻抗矩阵，设定最大新能源节点
数初始值m为全网新能源节点数的一半，根据以往全局迭代计算经验中并网点电压大于0.9pu的最小电气距离，设置电气距离阈值ref。
[0039]
步骤2、判断系统故障类型，计算新能源节点和故障点电气距离；
[0040]
所述步骤2的具体方法为：
[0041]
判断系统故障类型，若为线路故障则按式(7)计算新能源节点和故障点电气距离，若为节点故障则按式(11)计算：
[0042]
新能源并网节点与故障点之间的电气距离，即
[0043]
edis＝min(|x
13
|,|x
23
|)
ꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0044]
节点故障时新能源并网节点和故障节点之间的电气距离可由下式计算：
[0045][0046]
步骤3、对比电气距离阈值ref，输出保留新能源节点集s0；
[0047]
步骤4、判断保留新能源节点集中节点数是否大于所设定的最大新能源节点数初始值，输出为最终新能源节点集；
[0048]
所述步骤4的具体方法为：
[0049]
判断保留新能源节点集s0中节点数是否大于所设定的最大新能源节点数初始值m，若大于则将电气距离阈值ref减0.1，重复步骤3，若小于则将保留新能源节点集s0输出为最终新能源节点集s。
[0050]
步骤5、仅考虑最终新能源节点集s中的新能源节点进行故障电流迭代计算。
[0051]
本发明的计算方法作为独立功能模块嵌入以浏览器/服务器(b/s)为物理架构的整定计算系统，并采用微服务形式部署，减少与系统原有功能的交叉与耦合。系统基于云端服务器部署设计，应用服务整体搭建在云平台的saas层，并遵循云平台对各业务应用的界面展示要求。系统所用基础资源为云平台提供的虚拟化资源，包括虚拟计算资源、虚拟存储资源、虚拟网络资源。系统所有业务应用服务均按照云安全策略进行部署及数据交互，满足数据安全、应用安全和网络安全的要求。
[0052]
下面通过具体算例，对本发明作进一步说明：
[0053]
某省级电网模型中，共489个节点，包含172个新能源并网节点，现通过本发明的算法，分别设置最大新能源节点数为50、80和110，记录其计算时间和结果，并与全网迭代结果进行对比。
[0054]
结果如表1所示，其中节点1、2、3为常规节点，其余节点为新能源并网节点。
[0055]
节点误差为节点电压计算结果与全网迭代计算结果中该节点电压的幅值误差百分比。
[0056]
表1
[0057]
[0058]
通过表1误差百分比数据可知，应用本发明的计算方法，可以在保证计算准确性的基础上，明显提升高比例新能源电源接入电网的故障电流计算速度和收敛性。
[0059]
本发明的工作原理是：
[0060]
与物理世界不同地点之间的几何距离相对应，在电力系统中不同节点之间也存在抽象的“电气距离”。电网节点之间电气距离越短，其电气联系越紧密。当电网某处发生故障时，与其电气距离短的节点会受到比较大的影响，而电气距离较长的节点则受影响较小，即不同节点之间的电气距离具备划分不同网络区域的能力。在暂态分析、电压稳定等研究领域经常使用电气距离特征实现快速有效的相关评估和计算。因此，若能准确定义并计算电网各节点之间的电气距离，就可以在故障电流计算中评价新能源并网节点受故障影响的幅度。与故障点电气距离越远，新能源电源受故障影响越小，并网点电压降低幅度也越小。当新能源并网点电压高于0.9pu时，新能源发电电源保持正常运行，不提供短路电流。因此含新能源接入的电网故障电流迭代计算过程可剔除该部分节点以提高计算速度和收敛性。
[0061]
电网故障计算以网络矩阵为基础，一般使用节点导纳矩阵或节点阻抗矩阵，二者互为逆矩阵。电网故障可按故障点位置分为两类：线路故障和节点故障，其中线路故障顾名思义为发生在线路上的故障，而节点故障则包括所有站内设备故障，因其十分接近电网节点(即母线)故被称为节点故障。线路故障发生后，根据电力网络多点等值原理，故障点两端母线节点和所考察新能源并网节点可以等值为一个三节点环网系统，如图2所示。根据节点阻抗矩阵的物理意义，三节点系统的等效节点阻抗矩阵可直接从原网络节点阻抗矩阵直接获取，并可对其求逆得到三节点系统的节点导纳矩阵，如式(1)所示。式(1)右侧矩阵中元素从节点阻抗矩阵对应节点中直接取出。
[0062][0063]
由伴随矩阵求逆法可得图2中新能源并网节点对故障线路两端节点之间的互导纳：
[0064][0065][0066]
其中，
[0067]
d＝|z|＝z
11z22z33
+z
12z23z31
+z
21z22z13-z
31z22z13-z
21z12z33-z
11z23z32
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0068]
图1中新能源并网节点对故障线路两端之间的等值电抗为：
[0069]
[0070][0071]
式(5)和(6)所计算节点间等值电抗即可表征线路故障时三节点等效系统新能源电网并网节点与故障线路两端节点间的电气距离，取其小值表征新能源并网节点与故障点之间的电气距离，即
[0072]
edis＝min(|x
13
|,|x
23
|)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0073]
对于节点故障，可将故障节点和待考察新能源并网节点等效为两节点等效系统，如图3所示。两节点等效系统的电气距离计算比三节点等效系统简单得多，如下所示：
[0074][0075]
其中，
[0076]
d＝|z|＝z
11z22-z
12z21
ꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0077]
节点故障时新能源并网节点和故障节点之间的电气距离可由下式计算：
[0078][0079]
需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

技术特征：
1.一种高比例新能源电源接入电网的故障电流计算方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、系统初始化，形成电网当前指定运行方式下节点阻抗矩阵，并设置电气距离阈值；步骤2、判断系统故障类型，计算新能源节点和故障点电气距离；步骤3、对比电气距离阈值，输出保留新能源节点集；步骤4、判断保留新能源节点集中节点数是否大于所设定的最大新能源节点数初始值，输出为最终新能源节点集；步骤5、仅考虑最终新能源节点集中的新能源节点进行故障电流迭代计算。2.根据权利要求1所述的一种高比例新能源电源接入电网的故障电流计算方法，其特征在于：所述步骤1的具体方法为：初始化系统，形成电网当前指定运行方式下节点阻抗矩阵，设定最大新能源节点数初始值m为全网新能源节点数的一半，根据以往全局迭代计算经验中并网点电压大于0.9pu的最小电气距离，设置电气距离阈值ref。3.根据权利要求1所述的一种高比例新能源电源接入电网的故障电流计算方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：判断系统故障类型，若为线路故障则按式(7)计算新能源节点和故障点电气距离，若为节点故障则按式(11)计算：新能源并网节点与故障点之间的电气距离，即edis＝min(|x
13
|,|x
23
|)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)节点故障时新能源并网节点和故障节点之间的电气距离可由下式计算：4.根据权利要求1所述的一种高比例新能源电源接入电网的故障电流计算方法，其特征在于：所述步骤4的具体方法为：判断保留新能源节点集s0中节点数是否大于所设定的最大新能源节点数初始值m，若大于则将电气距离阈值ref减0.1，重复步骤3，若小于则将保留新能源节点集s0输出为最终新能源节点集s。

技术总结
本发明涉及一种高比例新能源电源接入电网的故障电流计算方法，包括以下步骤：步骤1、系统初始化，形成电网当前指定运行方式下节点阻抗矩阵，并设置电气距离阈值；步骤2、判断系统故障类型，计算新能源节点和故障点电气距离；步骤3、对比电气距离阈值，输出保留新能源节点集；步骤4、判断保留新能源节点集中节点数是否大于所设定的最大新能源节点数初始值，输出为最终新能源节点集；步骤5、仅考虑最终新能源节点集中的新能源节点进行故障电流迭代计算。本发明能够提升高比例新能源电源接入电网的故障电流计算速度和收敛性，使整定计算系统更适用于高比例新能源接入电网。更适用于高比例新能源接入电网。更适用于高比例新能源接入电网。


技术研发人员：袁中琛 张永伍 王洋 杨畅 姚程 黄潇潇 赵玉新 韩磊 李书琦 王新花
受保护的技术使用者：国网天津市电力公司 国家电网有限公司
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/10/15