将场分析集成到电网络求解的电磁暂态仿真方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种将场分析集成到电网络求解的电磁暂态仿真方法及系统，其特征在于：引入设备特性方程，建立表征设备运行健康状态的模型和相应判断设备健康状态的参考值；建立交直流区域大电网的电磁暂态仿真模型，计算结果；将计算结果与参考值比较，判断设备运行是否正常；建立通讯，通过开发的专用程序，将仿真结果加载到有限元模型中；基于场分析，通过有限元方法计算设备的详细电气特性；专家系统判断设备的运行状态，确定设备正常与否，必要时发出警告提示安排检修；对模型进行校验、修正。本发明专利技术实现了在系统进行电网络分析的同时，对设备的运行状态进行实时或离线的分析，有效指导电网设备状态评价、检修及故障分析。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电力设备电磁暂态仿真领域，具体涉及一种将场分析集成到电网络求 解的电磁暂态仿真方法及系统。
技术介绍
目前电力设备特性分析方法主要有基于场分析的有限元分析方法和基于电网络 的电磁暂态分析方法。 基于场分析的有限元分析方法，能够准确仿真电气设备在加载电流、电压的电、 磁、温度、形变特性，对于各种复杂模型和边界条件、不均匀或非线性材料的情况，都具有较 高的处理能力，能够直接反映设备的物理本质和运行工况。但该方法需要建立复杂的物理 模型，运行时间较长，当考虑的物理过程较复杂时，计算量大，程序调试较慢且不易与实时 的电网的一次设备网络建立联系，只能针对某个孤立具体的设备深入分析。常见的有限元 分析软件主要有ANSYS，C0MS0L，JMAG，FLUX等。 基于电网络分析的电磁暂态方法，目前常见的国内外广泛使用的仿真软件主要 有：国际公认的电磁暂态仿真标准程序EMTP，加拿大曼尼托巴直流研究中心开发的PSCAD/ EMTDC，中国电科院开发的EMTPE和PSASP，美国电力技术公司开发的PSS/E，加拿大RTDS 公司开发的RTDS以及加拿大魁北克TET公司开发的HYPERS頂等。其中，EMTDC、RTDS、 HYPERS頂等均是基于EMTP内核开发，与EMTP有相同的底层运算原理，只是软件的应用侧重 不同。对于全球最普遍使用的EMTP软件，该方法主要是面向基于电网络求解的电磁暂态分 析，研究电力系统稳态潮流及发生故障和过电压时，一次与二次系统的暂态过程。但该方法 由于是基于电路计算，虽能得到通过设备的电压、电流、功率，但无法考虑电力设备内部的 具体电磁特性，难以据此准确判断设备的运行状态。 目前我国电力检修工作多采用状态检修，该方法是以电力设备当前的实际工作状 况为依据，通过状态监测、分析手段，掌控设备的现实运行状态，对故障或隐患的早期征兆、 故障部位、故障严重程度及发展趋势做出判断，从而有效指导设备检修与更换，大大降低了 检修的成本，提高了检修的精确度。但该方法需要对设备的具体运行状态及电磁特性有较 清楚的了解。 为了解决上述问题，本专利提出了将场分析的有限元方法与基于电网络分析的电 磁暂态方法相结合，对电力设备的具体特性进行仿真，在求解电网络的同时对设备的特性 进行分析，有效指导电力设备的状态检修。
技术实现思路
针对上述现有技术上的不足，本专利技术提供一种将场分析集成到电网络求解的电磁 暂态仿真方法。 -种将场分析集成到电网络求解的电磁暂态仿真方法，其特征在于：所述方法包 括以下步骤： 步骤1):预先对电磁暂态仿真的设备模型进行二次开发，引入设备特性方程，建 立表征设备运行健康状态的模型和相应判断设备健康状态的参考值； 步骤2):建立交直流区域大电网的电磁暂态仿真模型，基于电路分析求解系统网 络，得到电压、电流、功率的计算结果； 步骤3):将电压、电流计算结果与设备运行健康状态模型中预设的设备健康运行 参考值比较，判断设备运行是否正常； 步骤4):若计算结果超过参考值范围或需要进行设备深度分析，则建立通讯，通 过开发的专用程序，将上述仿真结果加载到有限元模型中； 步骤5):基于场分析，通过有限元方法计算设备的详细电气特性； 步骤6):专家系统根据场分析计算结果判断设备的运行状态，确定设备正常与 否，必要时发出警告提示安排检修； 步骤7):将场分析结果结合现场设备状态，反馈到步骤1)所述的设备运行健康状 态模型，对模型进行校验、修正。 所述步骤1)到步骤3)为电力系统网络实时仿真，进行硬件在环（HIL)测试；步骤 4)到步骤7)为针对具体电力设备的离线仿真，基于场分析。 实时仿真基于电路导纳矩阵求解，主要使用Hypersim软件进行电网仿真， EMTP-RV软件对其进行局部校验及补充；离线仿真基于有限元方法针对设备进行电磁场、 温度场、应力及形变场分析，使用但不限于ANSYS，C0MS0L，JMAG，FLUX有限元软件。 所述步骤1)中，表征设备运行健康状态的模型是指，在原Hypersim软件中基于 EMTP算法的元件模型基础上进行二次开发，对设备模型加入逻辑算法，将反映电气设备电 磁、热等特性的方程通过逻辑算法实现，并添加到原EMTP模型中，由计算出的设备的电压、 电流、功率，通过方程间接反映出设备的运行特性，如变压器铁芯损耗、变压器线圈温升，从 而快速判断设备健康状态，表征设备运行健康状态的模型及相应正常工作参考值的确定通 过离线有限元程序结合现场测量参数校验。 所述表征设备运行健康状态的变压器铁芯损耗、变压器线圈温升模型，其主要特 性按照下述方法计算、表征，并建立正常工作状态下设备特性的参考值： 变压器铁芯损耗使用下述方法计算： 其中：Pironlciss是铁芯损耗，Bm是铁心区域最大磁通密度，f是电流频率，〇为铁心 材料的电导率，d为铁心厚度，Τ为周期，kh为涡流损耗系数，为附加损耗系数，kf为硅钢 片叠片系数，kh，Lkf由离线有限元分析结果结合现场设备监测数据得到，B"采用有限元计 算得到铁心区域最大磁通密度^，然后将其与原、副边电流建立非线性映射关系，通过变压 器原、副边电流作为状态量反映铁心区域最大磁通密度，按照步骤2)计算原、副边电流， 通过原、副边电流作为状态量反映变压器铁芯损耗，然后建立正常工作状态变压器铁芯损 耗参考值作为设备正常与否的判据； 与上述铁心计算方法类似，所述表征设备运行健康状态的模型中，变压器线圈温 升与原、副边电流也建立映射关系，温升按照下述方法计算： 其中：△T是变压器线圈温升，I是原边电流，R是原边电阻，h是变压器线圈的对 流换热系数，A是变压器线圈与油的接触面积，TMl是变压器油温，40代表"标准环境温度"， 据此用原边电流的数值表征变压器线圈温升，建立正常工作状态变压器线圈温升参考值及 其对应的电流值，将其作为设备正常与否的判据； 类似的，所述表征设备运行健康状态的模型中，按照步骤2)中计算出断路器处暂 态过电压，建立正常工作状态断路器处能承受的暂态过电压参考值，将其作为设备正常与 否的判据。所述步骤4)中，专用程序使用MATLAB软件编写，程序将Hypersim软件计算的电 压、电流结果从ScopeView中导出，转换成*·mat或*·txt格式，对于直流状态量，专用程序 通过逻辑过滤掉信号尖峰，再对信号积分取平均值得到结果；对于交流状态量，专用程序对 信号进行滤波，保留信号基波及直流分量两部分作为结果，最后，将结果作为载荷加载到有 限元模型中，通过运行MATLAB专用程序可实现自动加载、调用、完成有限元分析。 所述步骤5)中，有限元分析模型针对系统各电气主设备预先建好，离线运行，为 保证计算速度，主要使用2D有限元模型进行频域、暂态仿真，3D有限元模型仅开展频域分 析。-种将场分析集成到电网络求解的电磁暂态仿真系统，其特征在于：包括进行有 限元分析的有限元分析计算机以及对电网络进行建模仿真的电网仿真机，电网仿真机对电 网络进行仿真计算并将仿真计算结果数据通过通信系统输入到数据处理系统中，数据处理 系统对仿真计算结构数据进行处理后通过通信系统输送到有限元计算机内进行基于场分 析的有限元计算。 所述有限元分析计算机和电网仿本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种将场分析集成到电网络求解的电磁暂态仿真方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤1)：预先对电磁暂态仿真的设备模型进行二次开发，引入设备特性方程，建立表征设备运行健康状态的模型和相应判断设备健康状态的参考值；步骤2)：建立交直流区域大电网的电磁暂态仿真模型，基于电路分析求解系统网络，得到电压、电流、功率的计算结果；步骤3)：将电压、电流计算结果与设备运行健康状态模型中预设的设备健康运行参考值比较，判断设备运行是否正常；步骤4)：若计算结果超过参考值范围或需要进行设备深度分析，则建立通讯，通过开发的专用程序，将上述仿真结果加载到有限元模型中；步骤5)：基于场分析，通过有限元方法计算设备的详细电气特性；步骤6)：专家系统根据场分析计算结果判断设备的运行状态，确定设备正常与否，必要时发出警告提示安排检修；步骤7)：将场分析结果结合现场设备状态，反馈到步骤1)所述的设备运行健康状态模型，对模型进行校验、修正。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邓万婷，张勃，汪涛，王珂，
申请(专利权)人：国家电网公司，国网湖北省电力公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11