500 kV兴黑线仿真计算模型的建立

刘智洋，胡远婷，刘 进，徐冰亮，贾 艳，张立敏

(1.黑龙江省电力科学研究院，哈尔滨 150030;2.吉林省电力有限公司培训中心，长春 130022;3.鹤岗电业局，黑龙江 鹤岗 154101)

中俄背靠背联网输电工程是中俄两国继石油、天然气之后在电力方面的能源合作项目，工程投产后俄远东电网每年将向中国黑龙江省输送36～43亿kW·h电量。目前，黑河换流站通过500 kV兴黑线与黑龙江电网相连。兴黑线自2009年1月投产后到2011年7月共发生10次线路跳闸事故，其中风害1次、雷击故障2次、原因不确定7次。由此可见，该线路的安全运行情况很差，给将来联网输电运行留下了很大的隐患。为此，本文对500 kV兴黑线的具体情况进行分析，探讨模型建立过程中的各种问题，并依照实际变电运行中的参数建立了500 kV兴黑线的仿真计算模型。

1 交流线模型解析

交流线模型按照参数与空间的相关性可分为集中参数模型和分布参数模型。集中参数模型的各参量与空间位置无关，而分布参数模型中至少有一个参量与空间位置相关[1]。在进行稳态分析时，集中参数模型为代数方程，分布参数模型为以空间为自变量的常微分方程;在进行暂态分析时，集中参数模型为以时间为自变量的常微分方程，分布参数模型为以时间和空间为自变量的偏微分方程。在进行具体仿真分析时，常将交流线抽象为如下模型。

1．1 PI模型

PI模型由表示集中参数的电阻、电感和电容组成[2]，如图1所示。将线路对地电容等值成相等的两部分，分别在线路两端接地，其形如希腊字母“π”。

图1 PI模型示意图

三相线路的PI模型除考虑相对地电容外，还需考虑相间电容和互感，其形式较单相模型复杂，如图2所示。

图2 三相PI模型示意图

该模型主要用来进行短线路的等值，如果将若干这样的短线路进行串联，并在串联接口处做换位处理，便可以对真实的长线路进行等值。其主要缺点是占用内存大，计算时间长，当线路较长时分的段数多，计算时间得以累加会使得计算过程变很慢。

1．2 Bergeron 模型

Bergeron模型是根据波过程的原理，应用混合波的图案对波的多次反射、折射进行分析的一种方法。根据分布参数输电线路的微分方程可推导出典型的交流线Bergeron模型。Bergeron模型的核心是把分布参数元件等值为集中参数元件，以便用比较通用的集中参数求解法来计算线路上的各个量[3-4]。

使用Bergeron模型时应注意，线路长度至少大于15 km，否则引入的计算误差会比较大。另外，仿真过程中步长的选取应小于波传播时间。

1．3 J．Marti模型

J.Marti模型是与频率相关的线路模型，用来计算一定频率范围内的线路参数。由于引入了频率因素，该模型的设置过程较前两个模型复杂。

另外，由于J.Marti模型用的都是固定频率的相域-模域变换矩阵[5]，对于均匀的高架线来说，这种采用固定频率的计算一般可以接受，而对于电缆来说则是错误的。电缆的相域-模域变换矩阵是复数矩阵而且和频率密切相关，尤其在低频范围内，因此理论上J.Marti模型不适用于电缆模型。

2 建模前的数据整理

在建立等值计算模型之前需先对兴黑线的基本参数进行整理，提取可用数据。

兴黑线地处黑龙江省的西北部，是北部电网和中部电网之间唯一一条500 kV联络线。该线路一端是500 kV黑河换流站，另一端是500 kV兴福变。黑河换流站通过背靠背换流系统与俄罗斯500 kV电网相连，兴福变通过500 kV兴松线、500 kV永兴线、500 kV群兴线分别与500 kV松北变、500 kV永源变、500 kV群林变相连。另外，黑河换流站和兴福变均有220 kV出线，通过黑河变、锦江变、孙吴变、北安变、海伦变、绥化变等220 kV变电站之间的联络线与500 kV系统构成电磁环网。从线路参数上看，兴黑线为单回三相五线制架空线，线路全长411.4 km，双避雷线。导线型号JL/G1A-400/35，四分裂，分裂间距450 mm，其线径和直流电阻可依据国家标准查得。杆塔形式大部分为“酒杯型”铁塔，具体规格如图3所示，中间相和左右相导线最低弧垂点距地面的平均高度分别为45.0 m和42.5 m。

图3 兴黑线杆塔结构

全线共经过5次换相，具体情况如表1所示。

表1 兴黑线换相情况

线路两端各有一组三相电抗器，容量均为210 Mvar，星形连接，中性点通过一个272 Ω的小电抗接地。正常运行时，黑河换流站侧和兴福变侧母线电压水平分别为542.11 kV和528.26 kV。

采用当前国内外广泛使用的电磁暂态仿真程序ATP-EMTP和ATPDraw进行仿真模型的建立[6]以及仿真分析。

3 兴黑线仿真计算模型的建立

仿真计算模型的建立过程通常分为两步:首先将不需研究的区域进行简化;之后选取合适的模型对关键区域进行等值，形成以关键区域为主的等值简化模型。

3.1 区域简化模型

对非重要区域进行简化所依据的理论是戴维南定理，即把所研究区域以外的电网等值成一个电压源和一个电抗的串联电路。考虑与兴福变相连的几个500 kV变电站均是重要的枢纽级变电站，所以将这些联络线予以保留，即从这几个500 kV变电站的母线开始进行戴维南等值。另外由于存在220 kV电磁环网线路，220 kV系统也需进行等值简化。简化后的模型如图4所示。

图4 兴黑线计算简化模型

3.2 兴黑线等值模型方案

方案1:将全线分为6段分别进行PI模型等值，线路每个换相点作为下一段的起点。

方案2:将全线分为6段分别进行Bergeron模型等值，线路每个换相点作为下一段的起点。

考虑每一等值段过长会使仿真结果产生一定误差，所以增加两个方案。

方案3:将全线分为20段分别进行PI模型等值，对方案1中每个超过20 km的段再进行细分，使每段都不超过20 km。

方案4:将全线分为20段分别进行Bergeron模型等值，对方案2中每个超过20 km的段再进行细分，使每段都不超过20 km。

为了在这4个方案中选定一个可行方案，进行了小扰动仿真实验。4个方案中线路端点三相电压的时域过程如图5所示。

图5 不同方案的小扰动仿真过程

4个方案的时域曲线均略有不同，其中方案1较其它方案差异略大些，可以得知PI模型在线路分段过长时会对结果造成较大误差，而Bergeron模型则没有这个问题。另外，通过多次计算统计可知，计算时间与分段数目近似呈指数关系。综合考虑计算精度和计算速度进行方案比较，最终选定方案2作为500 kV兴黑线仿真计算的适用模型。

3.3 模型建立

依据上述讨论的区域简化模型和确定的线路等值模型方案，进行兴黑线模型的建立。为使线路末端与首端保持相同的相序，便于仿真时进行曲线的比较，在兴黑线末端增加了一个换相元件。在ATPDraw中进行了建模。

4 结语

在总结经典交流线模型的基础上，结合兴黑线的具体参数，讨论兴黑线的简化模型，进行了线路方案的比选，并在电磁暂态仿真程序ATP-EMTP的图形预处理程序ATPDraw中，完成了仿真计算模型的建立。以后可在此模型基础上开展各种稳态和电磁暂态的分析。

[1]陈铮，苏进喜，吴欣荣，等.基于分布参数模型的高压输电线路故障测距算法[J].电网技术，2000(11):15-18.

[2]何仰赞，温增银.电力系统分析[M].武汉:华中科技大学出版社，2002.

[3]余洪，文明浩.基于贝瑞隆模型的ATP仿真误差分析[J].继电器，2007，35(4):14-16.

[4]郑玉平，吴通华，丁焱，等.基于贝瑞隆模型的线路差动保护实用判据[J].电力系统自动化，2004，28(23):54-59.

[5]陶海英.基于JMarti模型的500 kV空载线路分闸过电压研究[J].江西电力职业技术学院学报，2012(2):14-16.

[6]李明贵，鲁铁成.高压架空输电线路雷击过电压的仿真计算与分析研究之一:输电线路雷电过电压仿真计算模型的建立[J].广西电力，2005(4):7-8.