安鵬，張友泉，張浩，李菁竹，劉曉明

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南250001；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，濟(jì)南250021）

負(fù)荷模型對(duì)山東電網(wǎng)短路電流計(jì)算影響研究

安鵬1，張友泉1，張浩2，李菁竹2，劉曉明2

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南250001；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，濟(jì)南250021）

“十三五”期間，特高壓交直流將大規(guī)模入魯，山東電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)越來(lái)越密集，短路電流水平成為影響山東電網(wǎng)規(guī)劃的重要因素，甚至影響宏觀(guān)規(guī)劃決策。介紹了目前國(guó)內(nèi)常用的短路電流計(jì)算程序?qū)ω?fù)荷模型的處理，以及國(guó)內(nèi)各規(guī)劃運(yùn)行單位在短路電流計(jì)算中對(duì)負(fù)荷模型的選擇，推導(dǎo)分析了輸電網(wǎng)故障時(shí)接于配電網(wǎng)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷向輸電網(wǎng)貢獻(xiàn)短路電流的機(jī)理。最后以棗莊電網(wǎng)為例，分析了不同負(fù)荷模型及比例的選擇對(duì)電網(wǎng)短路電流的影響。仿真分析結(jié)果對(duì)合理計(jì)算山東電網(wǎng)短路電流、優(yōu)化電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有指導(dǎo)意義。

短路電流；負(fù)荷模型；感應(yīng)電動(dòng)機(jī)

0 引言

隨著山東省電力需求的快速增長(zhǎng)，“十三五”期間，特高壓交直流將大規(guī)模入魯，省內(nèi)電源也將總體呈持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，山東電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)越來(lái)越密集。山東電網(wǎng)短路電流控制問(wèn)題已成為影響電網(wǎng)規(guī)劃的重要因素，短路電流計(jì)算結(jié)果將直接影響到規(guī)劃決策。若短路電流計(jì)算過(guò)于保守，則需要大量更換開(kāi)關(guān)設(shè)備或者改變網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，電網(wǎng)發(fā)展經(jīng)濟(jì)性較差；若短路電流計(jì)算過(guò)于樂(lè)觀(guān)，則電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行存在隱患。

在短路電流計(jì)算中，負(fù)荷模型的選取是影響計(jì)算結(jié)果的一個(gè)重要因素，已有多位學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究。文獻(xiàn)［1］從標(biāo)準(zhǔn)制定、實(shí)用計(jì)算等多方面分析了國(guó)內(nèi)短路電流計(jì)算對(duì)負(fù)荷的處理現(xiàn)狀，并基于實(shí)際電網(wǎng)算例指出負(fù)荷模型是影響短路電流計(jì)算結(jié)果的重要因素，在短路電流計(jì)算中建議推廣使用考慮配電網(wǎng)絡(luò)的綜合負(fù)荷模型。文獻(xiàn)［2］通過(guò)理論推導(dǎo)提出了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子側(cè)發(fā)生三相短路后反饋短路電流的解析表達(dá)式，并通過(guò)電磁暫態(tài)仿真手段詳細(xì)分析了不同負(fù)荷類(lèi)型條件下感應(yīng)電動(dòng)機(jī)對(duì)輸電網(wǎng)短路電流水平的影響。文獻(xiàn)［3］基于對(duì)某實(shí)際電力系統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)仿真，指出當(dāng)受端系統(tǒng)聯(lián)系緊密時(shí)負(fù)荷動(dòng)態(tài)特性對(duì)三相短路電流周期分量的初始有效值及其在50 ms內(nèi)的衰減數(shù)值影響較大。文獻(xiàn)［4］深入分析了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性及其對(duì)系統(tǒng)短路電流計(jì)算的影響，建立了在現(xiàn)有以恒定阻抗作為系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷的短路電流計(jì)算方法中考慮適應(yīng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電磁暫態(tài)過(guò)程的短路電流修正計(jì)算方法。文獻(xiàn)［5-6］分析了不同短路電流計(jì)算程序或方法對(duì)負(fù)荷的選取，并比較其對(duì)短路電流計(jì)算結(jié)果的影響。

首先介紹不同的短路電流計(jì)算程序?qū)ω?fù)荷模型的選擇設(shè)置以及國(guó)內(nèi)各機(jī)構(gòu)短路電流計(jì)算中對(duì)負(fù)荷的處理現(xiàn)狀，其次對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)影響輸電網(wǎng)短路電流過(guò)程進(jìn)行了分析，最后以棗莊電網(wǎng)為例比較了不同負(fù)荷模型及比例的選擇對(duì)山東電網(wǎng)短路電流計(jì)算結(jié)果的影響。

1 不同短路電流計(jì)算程序負(fù)荷模型選擇

國(guó)內(nèi)電網(wǎng)規(guī)劃運(yùn)行中常用的短路電流計(jì)算程序?yàn)镻SD-SCCPC［7］、PSASP［8］和PSS／E［9］。

1.1 PSD-SCCPC

PSD-SCCPC為PSD專(zhuān)用短路電流計(jì)算程序，負(fù)荷模型總體分為靜態(tài)負(fù)荷和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷。若同時(shí)選擇計(jì)及靜態(tài)負(fù)荷和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，則計(jì)算程序?qū)㈧o態(tài)負(fù)荷全部處理為恒定阻抗負(fù)荷，同時(shí)計(jì)及感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷；如果選擇計(jì)及靜態(tài)負(fù)荷而不計(jì)及感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，則全部負(fù)荷都被處理為恒定阻抗負(fù)荷；如果既不計(jì)及靜態(tài)負(fù)荷也不計(jì)及感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，則全部負(fù)荷均被忽略。

1.2 PSASP

PSASP程序中負(fù)荷模型也分為恒定阻抗負(fù)荷和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷。在短路電路計(jì)算模塊中，從負(fù)荷模塊中提取負(fù)荷模型及比例。如果要計(jì)算不計(jì)及感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷時(shí)的短路電流，可在負(fù)荷模塊中將感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷比例設(shè)置為零。

1.3 PSS／E

PSS／E程序短路電流計(jì)算中，將潮流中的ZIP負(fù)荷模型統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為恒定阻抗模型進(jìn)行計(jì)算，無(wú)法模擬感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型。

2 短路電流計(jì)算負(fù)荷處理方式

中國(guó)電力科學(xué)研究院對(duì)國(guó)內(nèi)6大區(qū)域電網(wǎng)75家規(guī)劃運(yùn)行單位短路電流計(jì)算方式進(jìn)行調(diào)研［1，10］。結(jié)果為29家單位在短路電流計(jì)算中忽略負(fù)荷的影響，30家單位在短路電流計(jì)算中采用靜態(tài)負(fù)荷模型，16家單位在短路電流計(jì)算中采用考慮馬達(dá)的綜合負(fù)荷模型。分布比例如圖1所示。

圖1 短路電流計(jì)算中負(fù)荷處理情況分布

可見(jiàn)，不同單位對(duì)短路電流計(jì)算中負(fù)荷模型選取差別較大。因負(fù)荷模型是影響短路電流計(jì)算結(jié)果的重要因素，迫切需要結(jié)合本地電網(wǎng)，深入研究負(fù)荷模型選擇對(duì)短路電流的影響。

3 故障時(shí)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷向輸電網(wǎng)提供短路電流途徑

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)向系統(tǒng)提供短路電流的最根本原因?yàn)槎搪泛笏查g感應(yīng)電動(dòng)機(jī)各繞組合成磁鏈不變，即感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的次暫態(tài)電勢(shì)不變。當(dāng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的次暫態(tài)電勢(shì)大于機(jī)端電壓時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)便向系統(tǒng)注入短路電流。因此，只有與短路點(diǎn)電氣距離較近的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)才對(duì)系統(tǒng)短路電流有較大影響。距離短路點(diǎn)電氣距離較遠(yuǎn)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，故障時(shí)向系統(tǒng)注入的短路電流可忽略。

實(shí)際中，工業(yè)用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)一般接在10 kV電網(wǎng)，商業(yè)及民用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)一般接在380 V電網(wǎng)。接于10 kV電網(wǎng)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在輸電網(wǎng)（這里設(shè)定為220 kV電網(wǎng)）發(fā)生短路時(shí)，向220 kV電網(wǎng)提供短路電流的途徑為：

1）10 kV線(xiàn)路→220／110／11 kV變壓器；

2）10 kV線(xiàn)路→110／11 kV變壓器→110 kV線(xiàn)路→220／110／11 kV變壓器；

3）10 kV線(xiàn)路→110／11 kV變壓器→110 kV線(xiàn)路→220／110／38.5 kV變壓器；

4）10 kV線(xiàn)路→110／38.5／11kV變壓器→110kV線(xiàn)路→220／110／11 kV變壓器；

5）10 kV線(xiàn)路→110／38.5／11kV變壓器→110 kV線(xiàn)路→220／110／38.5 kV變壓器；

6）10 kV線(xiàn)路→35／11 kV變壓器→35 kV線(xiàn)路→220／110／38.5 kV變壓器；

7）10 kV線(xiàn)路→35／11 kV變壓器→35 kV線(xiàn)路→110／38.5／11 kV變壓器→110 kV線(xiàn)路→220／110／11 kV變壓器；

8）10 kV線(xiàn)路→35／11 kV變壓器→35 kV線(xiàn)路→110／38.5／11 kV變壓器→110 kV線(xiàn)路→220／110／38.5 kV變壓器。

由以上分析可見(jiàn)，輸電網(wǎng)短路瞬間，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)向220 kV電網(wǎng)提供短路電流需經(jīng)過(guò)配電網(wǎng)輸電線(xiàn)路以及變壓器等，輸電線(xiàn)路以及變壓器阻抗均會(huì)衰減感應(yīng)電動(dòng)機(jī)向輸電網(wǎng)注入的短路電流。其中變壓器阻抗對(duì)短路電流衰減影響相對(duì)明顯。表1為220～35 kV典型變壓器參數(shù)。

表1 220～35 kV典型變壓器參數(shù)

因此，在短路電流計(jì)算中，若將感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷直接接入220 kV變電站的110 kV側(cè)，無(wú)疑會(huì)使短路電流計(jì)算結(jié)果偏大。

4 不同負(fù)荷模型對(duì)山東電網(wǎng)短路電流計(jì)算的影響

以棗莊電網(wǎng)為例，分析不同負(fù)荷模型對(duì)山東電網(wǎng)短路電流的影響。到2020年，棗莊電網(wǎng)擁有統(tǒng)調(diào)電廠(chǎng)3座（十里泉電廠(chǎng)，裝機(jī)容量1 980 MW；八一電廠(chǎng)，裝機(jī)容量300 MW；滕州熱電，裝機(jī)容量1 000 MW），特高壓交流變電站1座（棗莊特高壓站，2×3 000 MVA）、500 kV變電站2座（棗莊站，2×750+1 000 MVA；嶧城站，1×1 000 MVA），220 kV變電站17座（濟(jì)寧微山縣負(fù)荷，包括喬崗站和微山站，在棗莊電網(wǎng)供電），牽引站2座（東郭牽、周營(yíng)牽）。

在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上，形成了北部以棗莊站和滕州熱電、中部以八一電廠(chǎng)和十里泉電廠(chǎng)、南部以嶧城站供電的整體結(jié)構(gòu)。在特高壓層面上，棗莊特高壓站為西電東送、北電南送的樞紐站；在500 kV層面上，棗莊電網(wǎng)通過(guò)棗莊—金鄉(xiāng)雙回、棗莊—沂蒙單回、嶧城—蘭陵雙回線(xiàn)路與山東主網(wǎng)連接；在220 kV層面上，棗莊電網(wǎng)通過(guò)十里泉電廠(chǎng)北送、東送線(xiàn)路與臨沂電網(wǎng)保持聯(lián)系。棗莊500 kV變電站220 kV母線(xiàn)分列運(yùn)行。2020年棗莊電網(wǎng)220 kV及以上規(guī)劃地理接線(xiàn)如圖2所示。

圖2 2020年棗莊電網(wǎng)220 kV及以上電網(wǎng)規(guī)劃地理接線(xiàn)

在短路電流計(jì)算分析中，將負(fù)荷直接接于220 kV主變110 kV側(cè)。計(jì)算方式分為忽略負(fù)荷影響、考慮靜態(tài)負(fù)荷、考慮50%靜態(tài)負(fù)荷和50%感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷、考慮100%感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷4種情況。棗莊、嶧城兩座500 kV變電站500 kV母線(xiàn)短路電流情況如表2所示。

表2 500kV變電站500 kV母線(xiàn)短路電流kA

由表2可知，與忽略負(fù)荷影響相比，考慮靜態(tài)負(fù)荷、考慮50%靜態(tài)負(fù)荷和50%感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷、考慮100%感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷時(shí)，棗莊站500 kV母線(xiàn)單相短路電流分別增加1.043 kA、1.953 kA、2.293 kA，棗莊站500 kV母線(xiàn)三相短路電流分別增加0.799 kA、2.595 kA、3.243 kA；嶧城站500 kV母線(xiàn)單相短路電流分別增加1.068kA、1.316kA、1.443kA，嶧城站500 kV母線(xiàn)三相短路電流分別增加1.079 kA、1.604 kA、1.859 kA。

棗莊電網(wǎng)220 kV母線(xiàn)短路電流如表3所示。與不忽略負(fù)荷影響相比，考慮靜態(tài)負(fù)荷、考慮50%靜態(tài)負(fù)荷和50%感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷、考慮100%感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷時(shí)，棗莊電網(wǎng)220 kV母線(xiàn)單相短路電流平均值分別增加1.346 kA、3.373 kA、4.526 kA，三相短路電流平均值分別增加0.990 kA、4.786 kA、7.103 kA。

表3 220kV母線(xiàn)短路電流kA

從以上分析可以看出，考慮負(fù)荷影響時(shí)，短路電流計(jì)算值整體偏大。若在仿真分析中將感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷直接接于110 kV母線(xiàn)，則感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很大。

5 結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)常用的PSD-SCCPC、PSASP短路電流計(jì)算程序均能夠提供比較靈活的負(fù)荷模型選擇。

輸電網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，附近接于配電網(wǎng)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)需經(jīng)過(guò)配網(wǎng)線(xiàn)路及主變向輸電網(wǎng)提供短路電流，仿真計(jì)算時(shí)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接接于220 kV變電站的110 kV側(cè)會(huì)使計(jì)算結(jié)果偏大。

與不考慮負(fù)荷影響相比，考慮靜態(tài)負(fù)荷模型和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷模型均會(huì)使短路電流計(jì)算結(jié)果偏大，尤其以感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型對(duì)短路電流結(jié)果的影響最為明顯。隨著感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷比例的增大，負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)短路電流的影響越來(lái)越大。

在短路電流計(jì)算中，需要根據(jù)各地電網(wǎng)實(shí)際情況，合理選擇負(fù)荷模型及比例。建議選擇適當(dāng)負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行短路試驗(yàn)，通過(guò)實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真計(jì)算的對(duì)比分析得出合理的負(fù)荷模型及比例。

［1］劉楠，唐曉駿，馬世英，等.負(fù)荷模型對(duì)電力系統(tǒng)短路電流計(jì)算的影響［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（8）：144-149.

［2］劉楠，張彥濤，秦曉輝.感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷對(duì)短路電流影響機(jī)理研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（8）：187-192.

［3］曹煒，王偉，劉蓓，等.受端電網(wǎng)負(fù)荷動(dòng)態(tài)特性與三相短路電流相關(guān)性分析［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35（5）：61-65.

［4］尹建華.考慮感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷電磁暫態(tài)特性的系統(tǒng)短路電流計(jì)算方法［J］.南方電網(wǎng)技術(shù)，2010，4（3）：62-66.

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［8］中國(guó)電力科學(xué)研究院.電力系統(tǒng)分析綜合程序7.0版短路計(jì)算用戶(hù)手冊(cè)［Z］.北京，2010.

［9］Siemens Power Technologies International.PSS／E Program Application Guide［Z］.Germany，2009.

［10］中國(guó)電力科學(xué)研究院.國(guó)內(nèi)電網(wǎng)短路電流調(diào)研分析報(bào)告［R］.北京，2010.

Influences of the Load Model to the Short Circuit Current in Shandong Power Grid

AN Peng1，ZHANG Youquan1，ZHANG Hao2，LI Jingzhu2，LIU Xiaoming2
（1.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China；2.Economic&Technology Research Institute，State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250021，China）

“The thirteen five-years”is a period in which“external power into Shandong”will develop in large-scale. Shandong power gird structure will be more and more intensive in future.Short circuit current will be an important factor that affects Shandong power grid planning，even the planning decision.In this paper，the calculation program of short circuit current is introduced，as well as the selection of load model in the calculation of short circuit current in the planning and operation companies.Otherwise，the way to contribute to the short circuit current of the induction motor load to the transmission network is derived and analyzed when fault happens.Finally，the influence of different load models and proportion on the short circuit current in Zaozhuang power network is analyzed.The analysis result is of practical significance for the reasonable calculation of the short circuit current and structure optimization of the network in Shandong power network.

short circuit current；load model；induction motor

TM715

A

1007－9904（2016）11－0015－04

2016-05-03

安鵬（1981），男，高級(jí)工程師，從事電網(wǎng)前期及規(guī)劃設(shè)計(jì)管理等工作。