Δυναμικό μοντέλο γραμμής μεταφοράς σταθερών παραμέτρων με τη μέθοδο πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου (FDTD)

Abstract

A simulation model of multiphase power transmission lines is formulated in this Doctoral Thesis. The proposed transmission line model uses the Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method, which is adapted to the transverse electromagnetic mode (TEM) power transmission lines and uses constant per unit length parameters. The transient and steady state performance of the model is examined in overhead transmission lines and systems of underground and overhead power cables. The proposed model leads to accurate results in transient and steady state cases, avoiding problems and limitations of other models with constant or frequency dependent parameters. The constant parameter FDTD model allows the calculation of voltage and current distribution along multiphase transmission lines with high spatial discretization, with acceptable computation burden, avoiding error accumulations of frequency dependent models or numerical limitations of other constant parameter models. The proposed model maintains the inherent advantages of FDTD method, thus allowing the handling of distributed non-linearities. Moreover, compared to other dynamic transmission line models, enhanced approaches for the calculation of per unit length parameters can be easily incorporated in the constant parameter FDTD model. The proposed model can also handle cases of non-homogeneous propagation, whereas a methodology for calculating voltages and currents along multiphase cable systems with sheath cross bondings is also proposed. Considering the frequency used for the calculation of the constant per unit length parameters of the proposed model, the validity of an empirical rule is examined and a new generalized rule is proposed for the calculation of the dominant transient frequency in dynamic transients in overhead transmission lines.

Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή αναπτύσσεται ένα μοντέλο προσομοίωσης δυναμικών φαινομένων σε πολυφασικές γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ισχύος. Το προτεινόμενο μοντέλο επιλύεται με τη μέθοδο πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου (FDTD), εφαρμόζοντας μια υπολογιστική μεθοδολογία προσαρμοσμένη στη μονοδιάστατη διάδοση των εγκάρσιων ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, ενσωματώνοντας σταθερές ανά μονάδα μήκους παραμέτρους της γραμμής μεταφοράς. Εξετάζεται η συμπεριφορά του μοντέλου σε προσομοιώσεις μεταβατικών φαινομένων και μόνιμης κατάστασης σε εναέριες γραμμές μεταφοράς, καθώς και σε συστήματα καλωδίων ισχύος εγκατεστημένα υπόγεια ή πάνω από την επιφάνεια του εδάφους. Το προτεινόμενο μοντέλο δίνει ικανοποιητικά αποτελέσματα σε μεταβατικές και μόνιμες καταστάσεις, αποφεύγοντας αστοχίες και περιορισμούς άλλων μοντέλων με σταθερές ή εξαρτώμενες από τη συχνότητα παραμέτρους. Το προτεινόμενο μοντέλο έχει τη δυνατότητα υπολογισμού της κατανομής των τάσεων και ρευμάτων κατά μήκος πολυφασικών γραμμών μεταφοράς με υψηλή διακριτοποίηση κατά μήκος, σε αποδεκτούς υπολογιστικά χρόνους. Επιπλέον, αποφεύγεται η συσσώρευση σφάλματος που εμφανίζουν μοντέλα με εξαρτώμενες από τη συχνότητα παραμέτρους ή υπολογιστικοί περιορισμοί άλλων μοντέλων σταθερών παραμέτρων. Το προτεινόμενο μοντέλο διατηρεί το εγγενές πλεονέκτημα της μεθόδου FDTD και μπορεί να αντιμετωπίσει περιπτώσεις διανεμημένων μη-γραμμικοτήτων ή να ενσωματώσει εύκολα προηγμένες προσεγγίσεις για τον υπολογισμό των ανά μονάδα μήκους παραμέτρων, σε αντίθεση με άλλα υφιστάμενα δυναμικά μοντέλα γραμμών μεταφοράς. Διαμορφώνονται κατάλληλες υπολογιστικές επαναληπτικές εξισώσεις για την αντιμετώπιση περιπτώσεων μη-ομοιογενούς διάδοσης, ενώ προτείνεται και μια μεθοδολογία για την επίλυση τάσεων και ρευμάτων σε συστήματα καλωδίων με αντιμετατιθέμενους μανδύες. Όσον αφορά τη συχνότητα υπολογισμού των σταθερών παραμέτρων του προτεινόμενου μοντέλου, εξακριβώνεται η επάρκεια ενός εμπειρικού τύπου και προτείνεται ένας νέος γενικευμένος κανόνας για τον υπολογισμό της κυρίαρχης μεταβατικής συχνότητας σε δυναμικά φαινόμενα σε εναέριες γραμμές μεταφοράς.