一种分层直流系统接入的直流短路比的确定方法和装置与流程

本发明涉及电力系统技术领域，具体涉及一种分层直流系统接入的直流短路比的确定方法和装置。

背景技术

随着特高压交直流技术的广泛应用，多回直流集中馈入受端负荷中心将成为中国电网普遍存在的现象。随着直流输送容量不断增加，直流落点越来越密集，现有直流接入方式将不利于受端系统潮流疏散，并且会在电压支撑等方面带来一系列问题。为了解决这一难题，在规划的特高压直流输电工程中使用直流分层接入技术，将特高压直流的高端换流器和低端换流器分别接入不同电压等级的交流系统，相应的无功设备也会分层接入不同电压等级，高低端换流变及相应无功设备将通过交流特高压主变或交流系统形成环网。特高压直流分层接入方式下，因网络拓扑结构和功能的特殊性，使其在潮流、稳定特性、控制策略、谐波、交直流间的相互影响等方面均与传统端到端直流输电存在较大的差异。目前电网规划设计与科研计算中只能通过等效的方法，利用现有的两端直流模型，定性分析特高压直流分层接入方式与交流系统的相互作用，技术手段粗糙。

短路比通常用于规划前期，衡量交直流系统中交流系统的强弱，交流系统的强弱很大程度上决定了在交流和直流系统相互作用的性质及相关问题。基于短路比的电压稳定分析广泛地应用在学术界和工程界中，它为系统的规划提供了重要的参考依据。传统基于短路比的分析是一种静态方法，对于分层直流接入的交直流系统短路比目前尚未有相关的研究和应用。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种分层直流系统接入的直流短路比的确定方法和装置，通过建立交流系统的等值节点阻抗矩阵，并根据交流系统的等值节点阻抗矩阵计算分层直流系统中换流母线的短路容量；最后根据交流系统的等值节点阻抗矩阵和分层直流系统中换流母线的短路容量确定换流母线的直流短路比；另外，本发明还计算了换流母线的临界短路比，通过比较换流母线的直流短路比和临界短路比，最终确定了分层直流系统接入的交直流系统强度。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种分层直流系统接入的直流短路比的确定方法，包括：

建立交流系统的等值节点阻抗矩阵；

根据交流系统的等值节点阻抗矩阵计算分层直流系统中换流母线的短路容量；

根据交流系统的等值节点阻抗矩阵和分层直流系统中换流母线的短路容量确定换流母线的直流短路比。

所述建立交流系统的等值节点阻抗矩阵包括：

所述交流系统的等值节点阻抗矩阵如下式：

其中，zeq表示交流系统的等值节点阻抗矩阵，t表示转置，p表示交直流系统中换流母线总数，mp表示换流母线p的关联向量，z表示交流系统的节点阻抗矩阵，zeqpp表示zeq的第p行、第p列元素；m1,m2,…,mp分别表示为：

……

其中，k表示交流系统中的节点总数。

所述根据交流系统的等值节点阻抗矩阵计算分层直流系统中换流母线的短路容量包括：

所述分层直流系统中换流母线的短路容量如下式：

其中，saci表示分层直流系统中换流母线i的短路容量，ui表示分层直流系统中换流母线i的电压幅值，zeqii表示zeq的第i行、第i列元素。

所述根据交流系统的等值节点阻抗矩阵和分层直流系统中换流母线的短路容量确定换流母线的直流短路比包括：

所述换流母线的直流短路比如下式：

其中，sscri表示分层直流系统中换流母线i的直流短路比，pdi表示分层直流系统中换流母线i的直流功率，pds为分层直流系统中除换流母线i以外的其它换流母线的直流功率，pdj是交直流系统中除换流母线i以外的其它换流母线的直流功率，zeqjj表示zeq的第j行、第j列元素，zeqsi表示zeq的第s行、第j列元素，zeqss表示zeq的第s行、第s列元素。

本发明还提供一种分层直流系统接入的直流短路比的确定装置，包括：

建立模块，用于建立交流系统的等值节点阻抗矩阵；

计算模块，用于根据交流系统的等值节点阻抗矩阵计算分层直流系统中换流母线的短路容量；

确定模块，用于根据交流系统的等值节点阻抗矩阵和分层直流系统中换流母线的短路容量确定换流母线的直流短路比。

所述建立模块具体用于：

所述交流系统的等值节点阻抗矩阵如下式：

其中，zeq表示交流系统的等值节点阻抗矩阵，t表示转置，p表示交直流系统中换流母线总数，mp表示换流母线p的关联向量，z表示交流系统的节点阻抗矩阵，zeqpp表示zeq的第p行、第p列元素；m1,m2,…,mp分别表示为：

……

其中，k表示交流系统中的节点总数。

所述计算模块具体用于：

所述分层直流系统中换流母线的短路容量如下式：

其中，saci表示分层直流系统中换流母线i的短路容量，ui表示分层直流系统中换流母线i的电压幅值，zeqii表示zeq的第i行、第i列元素。

所述确定模块具体用于：

所述换流母线的直流短路比如下式：

其中，sscri表示分层直流系统中换流母线i的直流短路比，pdi表示分层直流系统中换流母线i的直流功率，pds为分层直流系统中除换流母线i以外的其它换流母线的直流功率，pdj是交直流系统中除换流母线i以外的其它换流母线的直流功率，zeqjj表示zeq的第j行、第j列元素，zeqsi表示zeq的第s行、第j列元素，zeqss表示zeq的第s行、第s列元素。

本发明还提供一种直流分层接入的交直流系统强度的确定方法，包括：

计算换流母线的临界短路比；

将换流母线的直流短路比和换流母线的临界短路比进行比较，确定交直流系统的强度。

所述计算换流母线的临界短路比包括：

所述换流母线的临界短路比如下式：

其中，csscri表示分层直流系统中换流母线i的临界短路比，a、b、t均为中间变量，且满足t＝2ci[1-cos(2γi+2μi)]，ci为分层直流系统中换流母线i对应的换流变压器参数，γi为分层直流系统中换流母线i对应的直流熄弧角，μi为分层直流系统中换流母线i对应的直流换相角，ki为分层直流系统中换流母线i对应的直流参数。

所述将换流母线的直流短路比和换流母线的临界短路比进行比较，确定交直流系统的强度包括：

(1)sscri≤csscri时，表明交直流系统为弱系统；

(2)csscri＜sscr≤1.5csscri时，表明交直流系统为较强系统；

(3)sscri＞1.5csscri时，表明交直流系统为强系统。

本发明还提供一种直流分层接入的交直流系统强度的确定装置，包括：

计算单元，用于计算换流母线的临界短路比；

确定单元，用于将换流母线的直流短路比和换流母线的临界短路比进行比较，确定交直流系统的强度。

所述计算单元具体用于：

所述换流母线的临界短路比如下式：

其中，csscri表示分层直流系统中换流母线i的临界短路比，a、b、t均为中间变量，且满足t＝2ci[1-cos(2γi+2μi)]，ci为分层直流系统中换流母线i对应的换流变压器参数，γi为分层直流系统中换流母线i对应的直流熄弧角，μi为分层直流系统中换流母线i对应的直流换相角，ki为分层直流系统中换流母线i对应的直流参数。

所述确定单元具体用于：

(1)sscri≤csscri时，表明交直流系统为弱系统；

(2)csscri＜sscr≤1.5csscri时，表明交直流系统为较强系统；

(3)sscri＞1.5csscri时，表明交直流系统为强系统。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的分层直流系统接入的直流短路比的确定方法，先建立交流系统的等值节点阻抗矩阵，并根据交流系统的等值节点阻抗矩阵计算分层直流系统中换流母线的短路容量；最后根据交流系统的等值节点阻抗矩阵和分层直流系统中换流母线的短路容量确定了换流母线的直流短路比，为交流系统的规划提供了重要的参考依据；

本发明提供的分层直流系统接入的直流短路比的确定方法有利于提高分层直流系统的电压支撑能力、引导电网潮流合理分布的重要技术手段，对解决多馈入直流系统电压稳定问题、促进交直流电网协调发展具有重要意义，有广阔的应用前景；

本发明提供的直流分层接入的交直流系统强弱的判断方法，先计算换流母线的临界短路比，通过比较换流母线的直流短路比和临界短路比，最终确定了分层直流系统接入的交直流系统强度；

本发明提供的直流分层接入的交直流系统强弱的判断方法和装置可用于分层直流输电系统的规划、运行，有利于系统规划、运行人员采取有效的控制措施，提高电力系统的安全稳定运行水平。

附图说明

图1是本发明实施例1中分层直流系统接入的直流短路比的确定方法流程图；

图2是本发明实施例3中直流分层接入的交直流系统强弱的判断方法流程图；

图3是本发明实施例5中用两端直流输电系统模型表示的交直流系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本发明实施例1提供一种分层直流系统接入的直流短路比的确定方法，具体流程图如图1所示，具体过程如下：

s101：建立交流系统的等值节点阻抗矩阵；

s102：根据s101建立的交流系统的等值节点阻抗矩阵计算分层直流系统中换流母线的短路容量；

s103：根据s101建立的交流系统的等值节点阻抗矩阵和s102计算的分层直流系统中换流母线的短路容量确定换流母线的直流短路比。

上述的分层直流系统、交流系统以及两端直流系统共同构成了交直流系统，分层直流系统通过不同电压等级的换流母线接入交流系统，两端直流系统直接接入交流系统。

上述s101中，建立交流系统的等值节点阻抗矩阵具体过程如下：

上述的交流系统的等值节点阻抗矩阵如下式：

其中，zeq表示交流系统的等值节点阻抗矩阵，t表示转置，p表示交直流系统中换流母线总数，mp表示换流母线p的关联向量，z表示交流系统的节点阻抗矩阵，zeqpp表示zeq的第p行、第p列元素；m1,m2,…,mp分别表示为：

……

其中，k表示交流系统中的节点总数。

上述s102中，根据交流系统的等值节点阻抗矩阵计算分层直流系统中换流母线的短路容量具体过程如下：

上述的分层直流系统中换流母线的短路容量如下式：

其中，saci表示分层直流系统中换流母线i的短路容量，ui表示分层直流系统中换流母线i的电压幅值，zeqii表示zeq的第i行、第i列元素。

上述s103中，根据交流系统的等值节点阻抗矩阵和分层直流系统中换流母线的短路容量确定换流母线的直流短路比具体过程如下：

上述的换流母线的直流短路比如下式：

其中，sscri表示分层直流系统中换流母线i的直流短路比，pdi表示分层直流系统中换流母线i的直流功率，pds为分层直流系统中除换流母线i以外的其它换流母线的直流功率，pdj是交直流系统中除换流母线i以外的其它换流母线的直流功率，zeqjj表示zeq的第j行、第j列元素，zeqsi表示zeq的第s行、第j列元素，zeqss表示zeq的第s行、第s列元素。

实施例2

本发明实施例2提供一种分层直流系统接入的直流短路比的确定装置，主要包括建立模块、计算模块和确定模块，下面对上述三个模块的功能做简单介绍：

建立模块，主要用于建立交流系统的等值节点阻抗矩阵；

计算模块，主要用于根据交流系统的等值节点阻抗矩阵计算分层直流系统中换流母线的短路容量；

确定模块，主要用于根据交流系统的等值节点阻抗矩阵和分层直流系统中换流母线的短路容量确定换流母线的直流短路比。

上述的建立模块建立交流系统的等值节点阻抗矩阵具体过程如下：

上述交流系统的等值节点阻抗矩阵如下式：

其中，zeq表示交流系统的等值节点阻抗矩阵，t表示转置，p表示交直流系统中换流母线总数，mp表示换流母线p的关联向量，z表示交流系统的节点阻抗矩阵，zeqpp表示zeq的第p行、第p列元素；其中m1,m2,…,mp分别表示为：

……

其中，k表示交流系统中的节点总数。

上述的计算模块用于根据交流系统的等值节点阻抗矩阵计算分层直流系统中换流母线的短路容量具体过程如下：

分层直流系统中换流母线的短路容量如下式：

其中，saci表示分层直流系统中换流母线i的短路容量，ui表示分层直流系统中换流母线i的电压幅值，zeqii表示zeq的第i行、第i列元素。

上述的确定模块确定换流母线的直流短路比具体过程如下：

上述换流母线的直流短路比如下式：

其中，sscri表示分层直流系统中换流母线i的直流短路比，pdi表示分层直流系统中换流母线i的直流功率，pds为分层直流系统中除换流母线i以外的其它换流母线的直流功率，pdj是交直流系统中除换流母线i以外的其它换流母线的直流功率，zeqjj表示zeq的第j行、第j列元素，zeqsi表示zeq的第s行、第j列元素，zeqss表示zeq的第s行、第s列元素。

实施例3

本发明实施例3提供一种直流分层接入的交直流系统强度的确定方法，具体流程图如图2所示，该确定方法具体过程如下：

s101：计算换流母线的临界短路比；

s102：将本发明实施例1中确定的换流母线的直流短路比和s101中计算得到的换流母线的临界短路比进行比较，确定交直流系统的强度。

上述s101中，计算换流母线的临界短路比具体过程如下：

换流母线的临界短路比如下式：

其中，csscri表示分层直流系统中换流母线i的临界短路比，a、b、t均为中间变量，且满足t＝2ci[1-cos(2γi+2μi)]，ci为分层直流系统中换流母线i对应的换流变压器参数，γi为分层直流系统中换流母线i对应的直流熄弧角，μi为分层直流系统中换流母线i对应的直流换相角，ki为分层直流系统中换流母线i对应的直流参数。

上述s102中，将换流母线的直流短路比和换流母线的临界短路比进行比较，确定交直流系统的强度具体分为以下三种情况：

(1)sscri≤csscri时，表明交直流系统为弱系统；

(2)csscri＜sscr≤1.5csscri时，表明交直流系统为较强系统；

(3)sscri＞1.5csscri时，表明交直流系统为强系统。

实施例4

本发明实施例4提供一种直流分层接入的交直流系统强度的确定装置，该确定装置主要包括计算单元和确定单元，下面分别对两个单元的功能进行介绍：

其中的计算单元，主要用于计算换流母线的临界短路比；

其中的确定单元，主要用于将本发明实施例2中确定的换流母线的直流短路比和换流母线的临界短路比进行比较，确定交直流系统的强度。

上述的计算单元计算换流母线的临界短路比具体过程如下：

换流母线的临界短路比如下式：

其中，csscri表示分层直流系统中换流母线i的临界短路比，a、b、t均为中间变量，且满足t＝2ci[1-cos(2γi+2μi)]，ci为分层直流系统中换流母线i对应的换流变压器参数，γi为分层直流系统中换流母线i对应的直流熄弧角，μi为分层直流系统中换流母线i对应的直流换相角，ki为分层直流系统中换流母线i对应的直流参数。

上述的确定单元将换流母线的直流短路比和换流母线的临界短路比进行比较，确定交直流系统的强度具体分为以下三种情况：

(1)sscri≤csscri时，表明交直流系统为弱系统；

(2)csscri＜sscr≤1.5csscri时，表明交直流系统为较强系统；

(3)sscri＞1.5csscri时，表明交直流系统为强系统。

实施例5

本发明实施例5提供一种直流分层接入的交直流系统强度的确定方法，该确定方法具体过程如下：

s201：计算换流母线的临界短路比；

s202：将本发明实施例1中确定的换流母线的直流短路比和换流母线的临界短路比进行比较，确定交直流系统的强度。

上述s201中，计算换流母线的临界短路比具体过程如下：

由于换流母线的直流短路比用公式表示为：

其中，sscri表示分层直流系统中换流母线i的直流短路比，saci表示分层直流系统中换流母线i的短路容量，ui表示分层直流系统中换流母线i的电压幅值，pdi表示分层直流系统中换流母线i的直流功率，pds为分层直流系统中除换流母线i以外的其它换流母线的直流功率，pdj是交直流系统中除换流母线i以外的其它换流母线的直流功率，zeqjj表示zeq的第j行、第j列元素，zeqsi表示zeq的第s行、第j列元素，zeqss表示zeq的第s行、第s列元素。

上式可以化简如下：

可将包含分层直流系统的交直流系统用两端直流系统模型表示，如图3所示，其中，设paci为流入换流母线i的功率，qaci为换流站无功补偿容量，ei为等值电源电势。

当取ui、pdi分别为电压、功率的基准值，则有两端直流输电系统模型满足如下方程：

pdi＝ciui²[cos2γi-cos2(γi+μi)]

qdi＝ciui²[sin2γi-sin2(γi+μi)+2μi]

idi＝kiui[cosγi-cos(γi+μi)]

udi＝pdi/idi

qci＝bciui²

pdi-paci＝0

qdi+qaci-qci＝0

在满足条件下，通过上述方程，可得：

ax²+tbx-a＝0

其中，t＝2ci[1-cos(2γi+2μi)]，ci为分层直流系统中换流母线i对应的换流变压器参数，γi为分层直流系统中换流母线i对应的直流熄弧角，μi为分层直流系统中换流母线i对应的直流换相角，ki为分层直流系统中换流母线i对应的直流参数，代入γi＝18°，ci＝1.53，μi＝22.5°，ki＝5.245，可将换流母线的临界短路比csscri如下式：

上述s202中，将本发明实施例1中确定的换流母线的直流短路比和换流母线的临界短路比进行比较之前，需要计算分层直流系统中换流母线i的直流短路比，具体过程如下：

先确定交流系统的等值节点阻抗矩阵：

确定扎鲁特～青州特高压直流500kv换流母线编号为1，1000kv换流母线编号为2，上海庙～山东特高压分层直流500kv换流母线编号为3，1000kv换流母线编号为4，银东直流换流母线编号为5，则对应的等值节点阻抗矩阵为：

然后计算扎鲁特～青州特高压分层直流换流母线的短路容量：

最后，计算分层直流接入的交直流系统短路比：

得到上述的分层直流接入的交直流系统短路比以后，上述确定单元将换流母线的直流短路比和换流母线的临界短路比进行比较，可知：sscr1、sscr2均大于换流母线的临界短路比csscri，且位于(2，3]范围之间，因此表明扎鲁特～青州1000kv特高压分层直流均为较弱的交直流系统。

为了描述的方便，以上装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。