基于PSCAD的特高压交流输电系统仿真模型

苏　欣，杨　超，张婉婕，黄秉青，王福晶

（1.国网山东省电力公司济南供电公司，济南　250012；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南　250003；3.华能淄博白杨河发电有限公司，山东　淄博　255200）

基于PSCAD的特高压交流输电系统仿真模型

苏欣1，杨超2，张婉婕2，黄秉青2，王福晶3

（1.国网山东省电力公司济南供电公司，济南250012；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250003；3.华能淄博白杨河发电有限公司，山东淄博255200）

准确的仿真模型是研究交流特高压输电运行特性的基础。利用PSCAD建立了锡盟—山东和榆横—潍坊两条特高压交流输电工程系统仿真模型。根据工程设备设计参数推导出外部系统等值参数、线路参数和负荷参数。采用贝杰龙模型并考虑并联电抗安装位置得到特高压交流输电系统仿真模型。仿真算例表明，建立的模型能够满足交流特高压故障测距的需要。

交流特高压；仿真模型；并联电抗；故障定位

0　引言

随着特高压输电被纳入国家“十一五”和“十二五”规划纲要政策的落实，我国特高压建设进入快速发展阶段。山东作为经济大省，随着“外电入鲁”战略的实施，锡盟—山东、榆横—潍坊1 000 kV特高压交流输电工程以及上海庙—山东±800 kV特高压直流输电工程在内的 “两交一直”3条通道已经开工建设。研究特高压输电线路模型对提高电力系统的安全性和最大限度地实现特高压输电的经济性，从而实现节能减排具有重要意义［1-4］。

国内外针对特高压输电系统进行了大量的仿真研究和应用研究［5-13］。特高压交流输电与常规交流输电相比，除传输容量大外，在电磁暂态方面表现出明显的特点，主要体现在系统有较长的直流分量衰减时间常数、外部故障切除后产生自由振荡分量与自激振荡、存在高频分量及频率较低的高频分量等问题［5］。要深入分析这些问题，有必要建立特高压交流输电系统仿真模型。

文献［6］基于晋东南—南阳—荆门交流特高压试验示范工程，建立1 000 kV交流输电系统的动态模拟系统，为所模拟系统继电保护装置的设计和选型提供试验条件，并可应用于1 000 kV交流输电系统暂态特性的研究。文献［7］针对特高压的特殊性对其输电线路及特殊的变压器组开展了动模试验，研究了特高压带来的新问题和物理现象。文献［8］通过大量的电磁暂态仿真研究，寻找出一些特高压输电暂态过程的特点，在此基础上探讨一些对继电保护来说需要注意的问题。文献［9］利用PSASP和PSCAD/ EMTDC软件建立了特高压电网的仿真模型，研究了特高压电网的电磁暂态现象。文献［11］以淮南—院南特高压输电工程为基础分析研究了同杆双回线路的暂态特性。文献［13］推导了特高压长距离输电线路π形等值电路参数计算公式，并建立考虑线路分布参数特性的精确等值电路。

仿真模型对特高压交流输电系统故障定位有重要影响，为准确分析特高压输电线路故障定位系统所采用的模型的准确性，以及考虑到目前研究特高压输电存在的困难与仿真模型缺乏的问题，对外电入鲁两条特高压交流输电线路锡盟—山东、榆横—潍坊进行建模仿真研究。根据输电工程设备设计参数推导出系统等值参数、线路参数和负荷参数。采用贝杰龙模型并考虑并联电抗安装位置得到特高压交流输电系统仿真模型。

1　外电入鲁交流特高压工程介绍

外电入鲁交流特高压工程目前开展的有锡盟—山东和榆横—潍坊两条1 000 kV特高压输电线路。锡盟—山东交流特高压输电工程全长约2×746 km，线路起于内蒙古锡盟站，途经承德站、北京东站，止于山东济南站，其中承德站为串补站，按线路40%串补度补偿，系统预计输送功率3 000～6 000 MW，事故时极限输送功率9 000～12 000 MW。榆横—潍坊特高压输电工程线路全长2×1 048.4 km，线路起于陕西榆横站，途经晋中站、石家庄站、济南站，止于山东潍坊站，工程预计输送功率4 000～6 000 MW，事故时极限输送功率8 000～12 000 MW。

2　模型参数计算

利用PSCAD对交流特高压输电系统进行建模时，主要需要3类参数：外部系统等值参数、输变电设备参数、负荷等值参数。

2.1外部系统等值参数

锡盟—山东输电工程的电源接入点主要是锡盟站。为便于分析，本次研究将北京东站外部系统和济南站外部系统等效为一个等值电源，仅考虑北京东到济南这一段线路的详细情况。等值电源的容量按照线路输送的容量估算，两端均为3 000 MVA，系统的等值阻抗根据高压交流线路出口断路器开断电流（极限短路电流）估算：

Xsy=Un/Ioc（1）

已知济南站1 000 kV断路器额定电流为6.3 kA，短路电流水平按63 kA设计，由此估算济南站系统阻抗为16.7 Ω。对于北京东站采用同样方法求取。采用此方法估算得到的锡盟—山东工程等值电源参数如表1所示。

表1　锡盟—山东特高压交流工程外部等值电源参数

榆横—潍坊输电工程的电源接入点主要是榆横和晋中。与锡盟—山东线做同样的考虑，设定将石家庄以上线路部分和潍坊站外等值为一个等值电源，仅考虑石家庄至潍坊这一段线路的详细情况。榆横—潍坊特高压交流工程等值电源参数如表2所示。

表2　榆横—潍坊特高压交流工程外部等值电源参数

2.2输电线路参数

输电线路的基本电气参数是电阻R、电抗X、电纳B和电导G。其中，电导代表绝缘子的泄漏电阻和电晕损失，与电阻功率损耗相比小得多，可忽略不计。输电线路各相参数计算方法介绍如下［1，11，13］。

单位长度分裂导线电感：

式中：Deq为导线互几何均距，dca为三相输电线线间距离；Ds为导线的几何平均半径，Ds=re-μr/4，r为导线半径，μr为相对磁导率；N为分裂导线的子导线数；A为分裂导线半径。

单位长度电抗：

单位长度分裂导线等效电容：

单位长度分裂导线电纳：

单位长度分裂导线交流电阻：

式中：S为子导线截面面积；ρ为导线电阻率。

根据设计资料，锡盟—山东输电线路采用8×JL/ G1A-630/45钢芯铝绞线，分裂间距为400 mm；地线推荐一根采用JLB20A-185铝包钢绞线，另一根采用OPGW-185。榆横—潍坊输电路导线均采用8×JL1/ G1A-630/45，普通地线采用JLB20A-185。

根据输电线路设计参数，计算可得到山东区域内的输电线路的基本参数如表3所示。

表3　特高压交流输电线路参数

2.3系统负荷参数

特高压输电工程所挂接负荷较为复杂，设计时参数难以获得，为简化计算分析，对各站点接入负荷按50%负荷率和0.8功率因数进行估算，两项输电工程负荷参数情况如表4和表5所示。

表5　榆横—潍坊站点负荷参数

3　交流特高压工程PSCAD模型

图1　北京东—济南线路仿真系统模型

图2　北京东—济南区段PSCAD模型1

3.1锡盟—山东特高压交流工程

对锡盟—山东特高压交流工程，本研究仅考虑北京东站至济南站输电线路，图1给出了这一段输电线路仿真模型。

对于1 000 kV特高压交流线路，采用贝杰龙分布参数模型搭建线路模型。考虑到输电线路的无功损耗较大，在两侧变电站每回高压出线上均安装一组固定高抗，其中北京东每组按720 Mvar设计，济南站每组按720 Mvar设计，模型中用三相感性负载模拟并联电抗。

根据并联电抗安装位置，利用PSCAD建立北京东站至济南站段输电线路仿真模型，分别如图2和图3所示。图2为并联电抗安装在线路测量点外的模型，图3为并联电抗器在测量点内的模型。

图3　北京东—济南区段PSCAD模型2

3.2榆横—潍坊特高压交流工程

对榆横—潍坊特高压输电工程山东区域内线路进行建模，即考虑石家庄站—潍坊站段线路，线路途经济南特高压站，图4为石家庄—潍坊输电线路仿真模型。

按并联电抗安装位置建立两种模型，如图5和图6所示，分别对应并联电抗器接到故障位置测量点外和并联电抗器在故障位置测量点内。

图4　榆横—潍坊工程仿真模型结构

图5　石家庄—潍坊区段PSCAD模型1

4　仿真模型验证

利用输电线路自动故障诊断和故障定位系统［14］对建立的仿真模型进行验证。每个模型在区间线路总长度40%处设置故障点。对于北京东—济南输电线路，故障点位于150 km处；对于石家庄—潍坊输电线路，故障点位于90 km；故障类型取AG、ABG、ABC、AB四种，故障电阻设置为0 Ω、10 Ω。

根据设置的故障点，得出北京东—济南区段PSCAD模型1下的仿真结果如表6所示，模型2下的仿真结果如表7所示。济南—潍坊区段PSCAD模型1下的仿真结果如表8所示，模型2下的仿真结果如表9所示。

仿真结果表明，模型的测量精度达到要求，误差基本控制在0.3%以内；并联电抗器在测量点外的测量精度高于故障在测量点内，并联电抗器对模型精度有一定的影响性；故障电阻为0 Ω的模型精度比10 Ω的高，模型充分考虑了并联电抗、故障电阻的影响，避免了因并联电抗、故障电阻造成的模型精度误差。

图6　石家庄—潍坊区段PSCAD模型2

表6　北京东—济南PSCAD模型1仿真结果

表7　北京东—济南PSCAD模型2仿真结果

表8　石家庄—潍坊PSCAD模型1仿真结果

表9　石家庄—潍坊PSCAD模型2仿真结果

5　结语

为更好地研究特高压输电线路，对1 000 kV特高压输电线路进行建模。通过对锡盟—山东、榆横—潍坊两条特高压输电线路外部等值参数、输电线路参数和负荷参数的推导，建立了精确的模型，并进行了仿真验证，对开展特高压输电线路的故障定位提供了模型依据。

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Modeling and Simulation of UHV AC Transmission System Based on PSCAD

SU Xin1，YANG Chao2，ZHANG Wanjie2，HUANG Bingqing2，WANG Fujing3
（1.State Grid Jinan power supply company，Jinan 250012，China；2.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China 3.Huaneng Zibo Baiyanghe Power Generation Co.，Ltd.，Zibo 255200，China）

Accurate simulation model is the basis of the study of the operating characteristics of UHV AC transmission system. Two models of UHV AC transmission projects，including Ximeng-Shandong and Yuheng-Weifang are proposed using PSCAD. The equivalent parameters，line parameters and load parameters of external system are deduced according to design parameters of equipment.The simulation model is established based on the Bergeron model and the configure position of shunt reactors. Simulated results show that the proposed model can meet the need of fault location for UHV AC system.

UHV AC system；simulation model；shunt reactor；fault location

TM711

A

1007-9904（2016）08-0015-05

2016-03-15

苏欣（1989），男，工程师，从事电力系统继电保护技术方面的研究工作。