一种基于电压稳定裕度的大型电动机启动压降计算方法与系统与流程

本发明涉及电力系统自动化领域，特别是涉及一种基于电压稳定裕度的大型电动机启动压降计算方法与系统。

背景技术：

1、大型电动机作为工业领域内的关键动力设备，广泛应用在石油化工、钢铁冶金、交通运输等场景。电动机启动过程是指电机从开始转动直至到达额定转速的过程，该过程中电机的启动电流通常可以达到额定电流的5-8倍，如此巨大的冲击电流会在电网阻抗上产生显著的电压降落，严重时可能导致电机启动失败、保护误动等问题。

2、目前，行业内针对大型电动机启动过程的电网电压计算与特性分析，已形成多种研究方法，但这些方法在电网拓扑适配、运行过程仿真、工程应用效率等方面均存在明显短板，无法兼顾计算精度与工程实用性，难以适配复杂工业电网的电机启动分析需求，各类主流方法的关键技术缺陷具体如下：

3、简化公式法：基于短路容量的近似公式计算，将整个电网简化为单一短路容量参数，完全忽略电网内部拓扑结构对电压分布的影响，适用于结构简单的辐射状配电网，但对于环网、多级供电或存在无功补偿的复杂网络，误差显著增大。

4、等效电路法：将电机启动瞬间等效为在机端接入暂态阻抗，通过建立包含电网等效阻抗的简单串联电路求解电压分布，但忽略了电网中其他动态负荷、并联设备与启动电机的相互耦合影响，无法真实反映电机启动全过程的电压波动、电流变化动态特性，计算结果片面、精度有限，难以支撑精细化的启动特性分析。

5、时域仿真法：利用电磁暂态仿真软件建立详细模型，通过求解微分方程模拟启动全过程，精度较高，但建模复杂、耗时长，单次仿真需数分钟至数十分钟，工程适用性较差。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的之一是提供一种基于电压稳定裕度的大型电动机启动压降计算方法，能够适配复杂电网的拓扑结构，结合实际电网数据，快速计算多种运行方式下母线的压降，准确性高。

2、本发明另一目的是提供一种基于电压稳定裕度的大型电动机启动压降计算方法的系统。

3、技术方案：为实现上述目的，本发明所述的一种基于电压稳定裕度的大型电动机启动压降计算方法，包括以下步骤：

4、s1、将电网拓扑抽象为静态图，图中节点表示电网设备，边表示节点间电气连接支路；

5、s2、根据电网设备的运行状态重构静态图，获得电网在当前运行工况下的拓扑图；

6、s3、在拓扑图上搜索从各电源节点至待启动电动机节点的边序列构成的供电路径集合；

7、s4、根据供电路径集合，计算至电动机节点的单电源等效阻抗和多电源并联等效阻抗；

8、s5、根据各电源等效路径阻抗和多电源并联的等效阻抗，计算母线电压降落及电动机机端电压，获得当前电网运行工况下最优路径的电机启动压降百分比；

9、s6、根据压降百分比进行大型电动机启动判定。

10、优选地，s1中所述节点包括：母线节点、电源节点、电动机节点、负荷节点、开关设备节点、变压器节点、无功补偿节点；

11、s2中所述重构包括：删除静态图中断开开关的连接边、合并闭合开关两端的节点、合并并联支路。

12、优选地，s3中所述在拓扑图上搜索从各电源节点至待启动电动机节点的边序列构成的供电路径集合，包括：

13、设置所有电源节点与电动机节点之间的初始化累积电气加权路径距离；

14、建立优先队列，将所有电源节点加入优先队列，记排序索引为；

15、记路径拓展步数索引为，从优先队列中弹出当前优先级最高的电源节点，遍历当前电源节点所有邻接边，得到下游节点，并计算当前电源节点至各下游节点的累积电气加权路径距离；将，进行下一个电源节点的下游节点拓展，直至优先队列为空，得到关于所有电源节点的第一步拓展路径和下游节点的累积电气加权路径距离；

16、计算电动机节点在各下游节点处启动时引起的电压跌落，保留计算出的电压跌落不大于所在下游节点处允许的最大暂态电压跌落的拓展路径和下游节点，并将保留的下游节点加入优先队列，优先级依据累积电气加权路径距离值确定；

17、将，对优先队列q中存储的节点进行下一步路径拓展，直至拓展至电动机节点，得到以各电源节点为起点的供电路径集合：

18、，，

19、其中，表示以电源节点为起点拓展至电动机节点vm的第s条路径的边序列，表示以电源节点为起点拓展至电动机节点vm的所有路径边序列的子集合；s为基于电源节点拓展出的路径索引，表示大于等于1的整数，为电源节点的索引。

20、优选地，电源节点至节点的累积电气加权路径距离计算方法为：

21、，

22、其中，为电源节点为边代表的支路的阻抗模值；为权重系数，满足；

23、为电动机vm启动电流在边上引起的电压降敏感度：

24、，

25、式中，为电动机启动电流，为基准电流；

26、为电源节点的电压稳定裕度：

27、，

28、式中，为电源节点的运行电压，为电源节点允许的最低稳态电压；

29、为电源节点电压稳定裕度惩罚函数：

30、，

31、式中，为电压稳定裕度警戒阈值，为惩罚系数。

32、优选地，电动机在节点处启动时引起的电压计算方法为：

33、，

34、其中，为从电源节点至当前拓展节点的路径集合，为变比归算系数。

35、优选地，s4中所述至电动机节点的单电源等效阻抗表示为：

36、，

37、其中，为路径阻抗：

38、，

39、为支路的阻抗变比归算系数，对于线路支路，对于变压器支路，为归算基准电压，为支路额定电压；

40、所述至电动机节点的多电源并联等效阻抗表示为：

41、。

42、优选地，s5中所述电动机机端电压表示为：

43、，

44、启动压降表示为：

45、，

46、压降百分比表示为：

47、，

48、其中，为启动前母线电压，为电动机额定电压。

49、优选地，s6所述根据压降百分比进行大型电动机启动判定，包括：若计算得到的压降百分比满足电网预设电机启动允许最大压降限值条件，则启动待启动的大型电动机，若不满足则从供电路径集合选取最优路径组合，基于最优路径组合对应的电源启动待启动的大型电动机；

50、其中，从供电路径集合选取最优路径组合，包括：以最小化等效并联阻抗为目标，同时满足各节点电压跌落约束，为节点允许的最大暂态电压跌落，为电动机在节点处启动时引起的电压跌落。

51、优选地，若执行s6后，待启动的大型电动机无法正常启动，则判断当前电动机启动的可行性：

52、若满足启动安全条件，则输出电动机机端电压、启动压降δu、压降百分比；

53、若不满足启动安全条件，在电网中投入无功补偿装置以优化电网运行方式，包括：建立优化函数：

54、

55、

56、其中，为第组无功补偿装置的投入状态0或1，0为退出、1为投入，f为无功补偿装置投入总成本目标函数；为在当前全部无功补偿装置投入状态下的电动机机端电压；umin为电机启动允许的最低机端电压阈值；

57、通过枚举法或整数规划方法求解优化函数，得到无功补偿装置最优投入数量。

58、本发明所述一种基于电压稳定裕度的大型电动机启动压降计算系统，包括以下模块：

59、静态图构建模块：用于将电网拓扑抽象为静态图，图中节点表示电网设备，边表示节点间电气连接支路；

60、拓扑图生成模块：用于根据电网设备的运行状态重构静态图，获得电网在当前运行工况下的拓扑图；

61、供电路径集合搜索模块：用于在拓扑图上搜索从各电源节点至待启动电动机节点的边序列构成的供电路径集合；

62、电动机端口等效阻抗计算模块：用于根据供电路径集合，计算至电动机节点的单电源等效阻抗和多电源并联等效阻抗；

63、电机启动压降数据计算模块：用于根据各电源等效路径阻抗和多电源并联的等效阻抗，计算母线电压降落及电动机机端电压，获得当前电网运行工况下最优路径的电机启动压降百分比；

64、电动机启动判定模块：用于根据压降百分比进行大型电动机启动判定。

65、有益效果：本发明具有如下优点：本发明将电网设备及运行状态抽象为拓扑图，通过路径搜索和合并，以对电机端等效阻抗的物理一致计算，能够适配复杂电网的拓扑结构，结合实际电网数据，快速计算多种运行方式下母线的压降，准确性高。