曹 煒，戈睛天，丁志剛，鄭 晟，張西竹

(1.上海電力學院電力與自動化工程學院，上海 200090;2.上海致維電氣有限公司，上海 201206)

短路是電力系統(tǒng)的嚴重故障.負荷是電力系統(tǒng)的組成部分，在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)過程中具有重要作用.目前，常規(guī)短路電流計算［1］以穩(wěn)態(tài)潮流或經(jīng)典假設(shè)為基礎(chǔ)，短路瞬間電流周期分量的計算只需電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、潮流數(shù)據(jù)和發(fā)電機次暫態(tài)電抗即可，計算較便捷.目前，常用的計算方法有兩種:一是基于潮流計算時將負荷等效為靜態(tài)模型，根據(jù)短路前發(fā)電機所在的節(jié)點電壓及發(fā)出的有功功率和無功功率推算出次暫態(tài)電勢，從而根據(jù)磁鏈守恒原則計算出短路瞬間的電流;二是基于經(jīng)典假設(shè)的計算，將所有節(jié)點電壓取1.0，所有變壓器變比取標準變比 1.0，并忽略線路充電電容、母線并聯(lián)支路和負荷，從而使發(fā)電機次暫態(tài)電勢等于1.0.

上述兩種計算方法都不考慮負荷的動態(tài)特性.而事實上，如果短路點附近存在大型電動機，那么在短路瞬間電動機會顯著地供給短路電流［2，3］，這樣使得常規(guī)短路電流計算的結(jié)果比實際電流值小.

為準確計算短路瞬時電流，筆者認為應(yīng)充分考慮負荷的動態(tài)特性，并提出了在電力系統(tǒng)分析軟件PSS/E短路電流計算模塊中考慮負荷動態(tài)特性的方法.

1 PSS/E中考慮動態(tài)負荷的建模方法

PSS/E是目前常用的電力系統(tǒng)分析軟件，在進行常規(guī)短路電流計算時將負荷等效視為靜態(tài)模型.為了考慮負荷的動態(tài)特性，在對負荷建模時需要采用電機的次暫態(tài)模型，即用次暫態(tài)電勢E″和次暫態(tài)電抗x″組成的等值電路表示其動態(tài)特性，這樣就可以在短路電流計算時計及動態(tài)負荷反饋的次暫態(tài)電流.但電力系統(tǒng)計算中負荷所在節(jié)點大多表示為PQ節(jié)點，而PSS/E軟件在編程時認為電機模型所在節(jié)點類型只能是PV節(jié)點或平衡節(jié)點［3，4］，因此為了在 PSS/E 常規(guī)短路電流計算模塊中表示動態(tài)負荷，將動態(tài)負荷所在節(jié)點設(shè)為PV節(jié)點，并將該節(jié)點無功功率上下限設(shè)為同一數(shù)值，使得該節(jié)點名義上為PV節(jié)點，潮流計算時仍為PQ節(jié)點.

下面結(jié)合IEEE9系統(tǒng)，具體介紹上述方法.

2 算例系統(tǒng)

IEEE9系統(tǒng)包含3臺發(fā)電機，共有9個節(jié)點.其中，發(fā)電機Gen1～Gen3分別連在母線GEN1～GEN3上，負荷 Lump1～Lump4分別連在母線BusA，Bus2，BusB和 BusC上，負荷 Lump1～ Lump4均為靜態(tài)負荷，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1 IEEE9系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 考慮動態(tài)負荷的PSS/E建模

在PSS/E軟件中搭建動態(tài)負荷模型的具體步驟如下.

(1)根據(jù)需要分出一定比例的負荷作為動態(tài)負荷(如60%靜態(tài)負荷+40%動態(tài)負荷)，靜態(tài)負荷仍然填在負荷卡(Loads)上，動態(tài)負荷(電動機)不再填到負荷卡上，而是填到電機卡(Machines)上.

(2)PSS/E軟件在編程時對電機卡采用發(fā)電機慣例設(shè)置正方向，即如果電機卡中的有功功率(Pgen)和無功功率(Qgen)為正值，則默認為發(fā)電機.因而對于電動機，其電機卡中的有功功率和無功功率均設(shè)為負值.

(3)電力系統(tǒng)中負荷所在的節(jié)點大多為PQ節(jié)點，但由于PSS/E軟件在潮流計算時對連在PQ節(jié)點上的電機(發(fā)電機、電動機)不予考慮，即該軟件在編程時認為電機卡中的模型所在節(jié)點類型只能是PV節(jié)點或平衡節(jié)點.因此，為在PQ節(jié)點上接入電動機，對其可進行如下處理:將電動機所在節(jié)點設(shè)為PV節(jié)點，并將無功功率上下限設(shè)為同一值，即Qmax=Qmin，這樣在潮流計算時由于Qgen=Qmax=Qmin，該節(jié)點可自動轉(zhuǎn)換為PQ節(jié)點.

按照上述步驟對負荷Lump1按60%靜態(tài)負荷+40%動態(tài)負荷的組合重新建模，其余負荷仍為靜態(tài)負荷.考慮到該電動機負荷直接連在230 kV高壓側(cè)，因此對動態(tài)負荷建模時電動機的次暫態(tài)電抗 x″取0.393 5.x″中包括降壓變壓器和輸配電線路的估計電抗.短路瞬間電動機的等值電路如圖2所示.

圖2 短路瞬間電動機等值電路

在計算短路瞬間電動機的反饋電流時，與發(fā)電機類似，根據(jù)短路前電動機所在的節(jié)點電壓及吸收的有功功率和無功功率推算出次暫態(tài)電勢，從而根據(jù)磁鏈守恒原則計算出短路瞬間的反饋電流.因此，只需給定電動機的次暫態(tài)電抗和容量就能計算出短路電流初值.

4 動態(tài)負荷與靜態(tài)負荷的潮流對比

為了保證考慮動態(tài)負荷后的系統(tǒng)與原系統(tǒng)一致，對加入電動機后的IEEE9系統(tǒng)與原系統(tǒng)的節(jié)點電壓進行了對比，結(jié)果見表1.

從表1可以看出，考慮動態(tài)負荷后系統(tǒng)的節(jié)點電壓與原系統(tǒng)完全一致，這說明加入電動機后的系統(tǒng)真實反映了原系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)情況，為進一步進行短路電流計算或其他仿真研究提供了必要的前提和基礎(chǔ).

表1 節(jié)點電壓對比

5 動態(tài)負荷與靜態(tài)負荷短路電流的計算對比

對上述考慮動態(tài)負荷的IEEE9系統(tǒng)分別基于潮流和基于經(jīng)典假設(shè)進行三相短路電流計算，并與相同條件下靜態(tài)負荷的計算結(jié)果進行對比，如表2和表3所示.表2和表3中，相差率 =100%.

表2 基于潮流的短路電流計算結(jié)果

表3 基于經(jīng)典假設(shè)的短路電流計算結(jié)果

從表2和表3可以看出，不論是基于潮流還是基于經(jīng)典假設(shè)的計算，各母線短路電流計算結(jié)果的相差率都大于零，即考慮動態(tài)負荷后各節(jié)點的短路電流計算結(jié)果都大于全部為靜態(tài)負荷的計算結(jié)果.

為了考察短路點到動態(tài)負荷的電氣距離與計算結(jié)果之間的關(guān)系，測出各母線短路時動態(tài)負荷所在節(jié)點BusA的殘壓及電動機的反饋電流，并按殘壓從低到高順序排列，如表4所示.

表4 各母線短路時節(jié)點BusA殘壓情況與動態(tài)負荷反饋電流

從表4可以看出，當殘壓較低(小于0.6)時，殘壓與電動機反饋電流的關(guān)系很明顯，即殘壓越低，短路點與動態(tài)負荷的電氣距離越近，電動機的反饋電流越大.而在電動機機端(母線BusA)發(fā)生短路時，電動機的反饋電流最大，可達到總電流的10%以上.因此，在計算短路電流時，如果在短路點附近存在大型電動機，電動機的反饋電流不容忽略.

當殘壓相對較高(大于0.6)時，基于經(jīng)典假設(shè)所得的殘壓與電動機反饋電流的關(guān)系仍然很明顯，即短路點與動態(tài)負荷的電氣距離越近，電動機的反饋電流越大.但基于潮流所得的結(jié)果這種關(guān)系不是很明顯.這是因為當殘壓較低時，決定電動機反饋電流的主要因素是電動機次暫態(tài)電勢E·″與殘壓U·的幅值，所以電動機反饋電流與殘壓大小的關(guān)系很明顯.而殘壓較高時，電動機次暫態(tài)電勢E·″與殘壓U·的幅值非常接近，影響反饋電流大小的主要因素是次暫態(tài)電勢E·″與殘壓U·的相角關(guān)系，因此電動機反饋電流與殘壓大小的關(guān)系不是很明顯.

這樣就不難解釋，當殘壓較低(小于0.6)時，基于經(jīng)典假設(shè)的電動機反饋電流計算結(jié)果要大于基于潮流的計算結(jié)果.這是因為經(jīng)典假設(shè)的設(shè)置使電動機的次暫態(tài)電勢E″取為1.0，而基于潮流是根據(jù)潮流情況得到次暫態(tài)電勢E″，對于電動機E″＜1.0(本算例中電動機 E″=0.885 7).因此，基于經(jīng)典假設(shè)計算所得的電動機反饋電流要大于基于潮流的結(jié)果.而當殘壓較高(大于0.6)時，由于電動機次暫態(tài)電勢E·″與殘壓U·的相角關(guān)系起主導(dǎo)作用，因此上述規(guī)律不明顯.

此外，對于節(jié)點BusA殘壓較高(大于0.6)的短路母線，從表2和表3可以看出，無論是基于潮流還是基于經(jīng)典假設(shè)，短路電流計算結(jié)果的相差率都相對較小(小于3%)，此時電動機對短路點的反饋電流可忽略不計.

6 結(jié)論

(1)基于PSS/E進行動態(tài)負荷的建模，通過潮流對比和短路電流初值計算的對比，得出文中所述在PSS/E中考慮動態(tài)負荷的短路電流計算方法是可行的.

(2)考慮動態(tài)負荷后的短路電流計算結(jié)果大于靜態(tài)負荷的計算結(jié)果.當短路殘壓較低，即短路點與動態(tài)負荷的電氣距離較近時，電動機的反饋電流較大;當殘壓較高，即短路點與動態(tài)負荷的電氣距離較遠時，是否考慮動態(tài)負荷對短路電流計算結(jié)果影響不大，電動機的反饋電流可以忽略.

(3)通過上述建模和分析，為應(yīng)用PSS/E進行考慮動態(tài)負荷的其他仿真計算，如短路電流衰減計算、機電暫態(tài)仿真等提供了必要基礎(chǔ).

［1］曹煒，王偉，劉蓓，等.受端電網(wǎng)負荷動特性與三相短路電流相關(guān)性分析［J］.電力系統(tǒng)自動化，2011，35(5):61-65.

［2］劉萬順，黃少峰，徐玉琴.電力系統(tǒng)故障分析［M］.北京:中國電力出版社，2010:87-90.

［3］何仰贊，溫增銀.電力系統(tǒng)分析:上［M］.第3版.武漢:華中科技大學出版社，2002:146-148.

［4］SIEMENS.PSS/E-31.0 Users Manual［M］.Siemens Power Transmission ＆ Distribution，Inc.Power Technologies International，2007:3-5.

［5］SIEMENS.PSS/E-31.0 Program Operation Manual［M］.Siemens Power Transmission＆ Distribution，Inc.Power Technologies International，2007:5-8.