李明念，楊秀

(上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院， 上海 200090)

0 引 言

隨著特高壓網(wǎng)架的建設(shè)以及電力系統(tǒng)的逐步互聯(lián)和市場化，全國同步電網(wǎng)的規(guī)模將越來越大[1]。限于仿真軟件計算規(guī)模限制，直接對這樣大的電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真計算、穩(wěn)定性分析將會越來越困難[2-3]。因此在實際工程計算中，對所需研究分析的區(qū)域重點關(guān)注，對離此區(qū)域較遠(yuǎn)或者影響較小的區(qū)域適當(dāng)簡化，可以減少計算工程量、仿真軟件規(guī)模限制以及精度和速度的矛盾。

目前很多學(xué)者就電網(wǎng)等值進(jìn)行了研究，并已取得了一些很有價值的成果。根據(jù)研究目的不同，電網(wǎng)等值可以劃分為靜態(tài)等值和動態(tài)等值兩種方法[4]。靜態(tài)等值基于代數(shù)方程簡化，保證等值前后電網(wǎng)潮流的一致性[5]，主要應(yīng)用于處理大規(guī)模電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)問題。相關(guān)研究已相對比較成熟，但當(dāng)原系統(tǒng)有成千上萬個節(jié)點時，簡化計算工作量巨大[6-7]。動態(tài)等值是保證內(nèi)部系統(tǒng)動態(tài)主要特性不畸變的前提下對外部系統(tǒng)進(jìn)行簡化[8]。目前主要的動態(tài)等值方法包括同調(diào)等值法、模式等值法和估計等值法[9-11]。其中同調(diào)等值法由于物理透明度大、概念清晰，已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中[12-13]。另一方面，隨著系統(tǒng)的互聯(lián)和擴(kuò)大，短路電流水平不斷攀升，短路電流超標(biāo)問題嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。如果在等值過程中既能保留交流系統(tǒng)的強(qiáng)度同時能保證等值前后短路電流水平一致[14]，那么對于短路電流分析將具有重要意義。

目前新疆烏魯木齊電網(wǎng)短路電流超標(biāo)問題已成為影響該地區(qū)電網(wǎng)安全運行最為突出的問題之一。為此擬串入電抗器限制短路電流，但電抗的串入會影響斷路器的開斷性能，因此需建立烏市電磁暫態(tài)仿真模型對其加以分析。從滿足后續(xù)電磁暫態(tài)仿真要求的考慮，提出了一種基于PSASP短路計算的區(qū)域電網(wǎng)實用等值方法，借助軟件中故障仿真功能，將短路電流納入等值過程中考慮的指標(biāo)，保證等值前后系統(tǒng)內(nèi)部的短路電流水平基本一致。

1 等值的先決條件和模型

當(dāng)對一個大規(guī)模互聯(lián)電力系統(tǒng)的某一部分進(jìn)行分析和研究時，將所關(guān)心的部分稱為內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、對其他區(qū)域僅需考慮對內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的影響，不必詳細(xì)描述，將這一部分稱為外部網(wǎng)絡(luò)[15]。大規(guī)模電力系統(tǒng)劃分為內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)

在圖1中，{B}表示邊界節(jié)點，{G}表示外部網(wǎng)絡(luò)發(fā)電機(jī)節(jié)點、{L}表示外部網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷節(jié)點。等值化簡之前，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)通過邊界節(jié)點相連接，等值之后外部網(wǎng)絡(luò)降階簡化，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通過邊界節(jié)點與外網(wǎng)等值模型連接構(gòu)成等值后系統(tǒng)。

在等值過程中，為保證等值簡化網(wǎng)絡(luò)能夠最大保留原網(wǎng)絡(luò)的特性，應(yīng)滿足以下條件：

(1)保留內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的邊界母線，外部網(wǎng)絡(luò)用與邊界母線數(shù)量相等的等值發(fā)電機(jī)或者負(fù)荷來等效；

(2)等值前后網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部線路潮流分布不變；

(3)等值前后網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部母線和邊界母線上的電壓不變；

(4)等值前后網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部主網(wǎng)架以及邊界所有母線的短路電流不變。

2 實用等值方法步驟

根據(jù)等值先決條件以及考慮不同電壓等級線路對短路電流貢獻(xiàn)量有所不同，對于外網(wǎng)文中將220 kV及以上主網(wǎng)架線路簡化為等值機(jī)通過邊界母線與內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)相連接，將110 kV及以下線路簡化為負(fù)荷模型通過邊界母線與內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)相連接。對于內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)220 kV及以上線路保持不變，110 kV及以下線路等值為負(fù)荷模型。短路電流計算時，發(fā)電機(jī)可以看作次暫態(tài)電抗和戴維南等效電壓源串聯(lián)組成的戴維南等效電路[16]。以一個只有4條邊界母線的系統(tǒng)為例，系統(tǒng)等值簡化后的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 等值網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.1 負(fù)荷模型參數(shù)確定

對等值前原系統(tǒng)進(jìn)行潮流計算，為保證等值前后系統(tǒng)的潮流不變，統(tǒng)計該邊界母線所有外送功率，累加后作為該等值負(fù)荷總功率值，連接于邊界母線。此外，負(fù)荷模型可以選擇為基于恒阻抗的靜態(tài)負(fù)荷和考慮感應(yīng)電動機(jī)的綜合負(fù)荷模型。由于負(fù)荷模型是影響短路電流計算的重要因素[17]，選擇考慮感應(yīng)電動機(jī)的綜合負(fù)荷模型作為等值負(fù)荷，其感應(yīng)電動機(jī)負(fù)荷比例為原網(wǎng)絡(luò)該等值邊界鄰近典型模型參數(shù)。

2.2 等值電抗參數(shù)確定

為保證等值前后系統(tǒng)短路電流水平一致，如何構(gòu)造各邊界母線等值機(jī)串聯(lián)電阻值成為了關(guān)鍵。等值電抗值取決于外網(wǎng)通過邊界母線對內(nèi)網(wǎng)短路電流注入量。考慮到三相短路故障引起短路電流超標(biāo)問題最嚴(yán)重，文中只需求取網(wǎng)絡(luò)正序等值參數(shù)。對等值前原網(wǎng)絡(luò)某邊界母線設(shè)置三相短路故障進(jìn)行短路計算，得到該邊界母線的短路電流值。由疊加原理可知，該邊界母線短路電流來源于內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)對該母線短路總貢獻(xiàn)量。如圖3所示為某邊界節(jié)點三相短路故障示意圖。

圖3 三相短路示意圖

如果能求得內(nèi)網(wǎng)對邊界母線短路電流總貢獻(xiàn)量I1，則可知外網(wǎng)對邊界母線短路電流貢獻(xiàn)值，即:

I2=If-I1

(1)

進(jìn)而可求得等值電抗參數(shù)為:

(2)

式中各參數(shù)均為標(biāo)幺值。

利用牛頓迭代法求解外網(wǎng)短路電流貢獻(xiàn)值，進(jìn)而得到等值電抗。牛頓法求解等值電抗流程圖如圖4所示。

圖4 阻抗值求解流程圖

圖4為求解僅有一條邊界母線情形，但外網(wǎng)等值邊界母線不可能只有一條，當(dāng)存在多個等值邊界時利用該方法采用多點等值。在每一條邊界母線設(shè)置初始值，采用牛頓法同時迭代計算，直至短路電流接近于或等于真值。

2.3 等值發(fā)電機(jī)參數(shù)確定

(3)

由于只考慮三相對稱短路，負(fù)序電抗值與正序電抗值相同，即:

(4)

忽略發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量對暫態(tài)短路電流的影響，即轉(zhuǎn)子慣量時間常數(shù)Tj取無窮大：

Tj=∞

(5)

3 等值方法的評價指標(biāo)

3.1 靜態(tài)潮流對比

對大電網(wǎng)等值過程中，內(nèi)部網(wǎng)架搭建正確與否以及等值負(fù)荷的功率值大小需要通過靜態(tài)潮流比對來確定，可對比等值前后保留線路有功功率和母線電壓，觀察其誤差是否在可接受范圍之內(nèi)。如果誤差較大，則需要檢查內(nèi)部網(wǎng)架搭建是否完整以及不斷調(diào)整等值負(fù)荷的功率值直至誤差在允許范圍之內(nèi)。對等值前后系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)潮流比對是校核短路電流一致性的前提和基礎(chǔ)[18]。

根據(jù)實際工程經(jīng)驗，評價指標(biāo)為等值前后絕對值誤差在1%以內(nèi)。

(6)

式中x前表示等值前網(wǎng)絡(luò)保留線路有功功率和母線電壓；x后表示等值后網(wǎng)絡(luò)保留線路有功功率和母線電壓。

3.2 短路電流校核

短路電流校核即對比等值前后系統(tǒng)在某一故障情形下保留線路母線短路電流水平。如果兩者相近，則表明等值簡化系統(tǒng)與原系統(tǒng)具有相同或近似故障響應(yīng)特性，等值效果良好。

根據(jù)實際工程經(jīng)驗，評價指標(biāo)取為等值前后絕對值誤差在5%以內(nèi)。

(7)

式中x前表示等值前網(wǎng)絡(luò)保留線路母線短路電流水平；x后表示等值后網(wǎng)絡(luò)保留線路母線短路電流水平。

4 實際電網(wǎng)等值過程

4.1 等值范圍確定

以西北電網(wǎng)2017年夏季大運行數(shù)據(jù)為對象進(jìn)行等值。烏魯木齊市220 kV及以上主網(wǎng)架如圖5所示，其中紅色標(biāo)識線路為E′后續(xù)重點仿真分析線路, 虛線圓圈內(nèi)為擬保留網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)保留外網(wǎng)廠站規(guī)模的不同，國際上將外部網(wǎng)絡(luò)建模大致分為3種[19-21]：

(1)直接等值模式，將研究區(qū)域以外網(wǎng)絡(luò)直接等值為一個規(guī)模較小的等值網(wǎng)絡(luò)，該等值方法等值范圍確定容易，等值過程較簡單，但等值精度不高；

(2)緩沖網(wǎng)絡(luò)等值模式，保留少量外網(wǎng)廠站的詳細(xì)模型作為緩沖網(wǎng)，而將其他部分等值簡化，該方法在簡化外網(wǎng)基礎(chǔ)上可減少其對內(nèi)部研究網(wǎng)絡(luò)帶來的誤差影響，等值效果較好；

(3)未等值模式，保留詳細(xì)外網(wǎng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行建模，建模精度高但是難度巨大，仿真速度很慢。

圖5 烏魯木齊電網(wǎng)示意圖

由圖5可知，后續(xù)重點研究廠站化工園、矸石電廠、華泰熱電廠以及烏石化電廠與擬定外部系統(tǒng)電氣連接緊密，為盡量減小等值簡化對后續(xù)電磁暫態(tài)仿真帶來的誤差，選擇緩沖網(wǎng)絡(luò)等值模型方式修正等值邊界，將原定內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與長寧變電站、三宮變電站、八戶梁變電站等連接線路納入緩沖網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)不同電壓等級選擇18個邊界等值點，如表1所示。

表1 等值邊界母線

4.2 等值參數(shù)確定

4.2.1 負(fù)荷模型確定

根據(jù)上述確定的邊界母線，將擬保留和緩沖網(wǎng)絡(luò)(以下統(tǒng)稱內(nèi)部網(wǎng)絡(luò))與外部網(wǎng)絡(luò)通過三相斷線故障的形式從PSASP軟件中隔離。在PSASP中對原系統(tǒng)進(jìn)行潮流計算，統(tǒng)計110 kV邊界母線向外部網(wǎng)絡(luò)輸送功率，累加作為該邊界母線等值負(fù)荷值。負(fù)荷模型根據(jù)原系統(tǒng)該邊界母線鄰近負(fù)荷模型參數(shù)設(shè)定。

4.2.2 等值機(jī)參數(shù)確定

220 kV及750 kV邊界母線所連外網(wǎng)等值為發(fā)電機(jī)模型。對原網(wǎng)絡(luò)利用PSASP在每個邊界母線逐一設(shè)置三相對稱短路故障，得到邊界母線短路電流值。按照上述牛頓迭代法，僅需要8次就基本逼近真值，求出等值電抗。發(fā)電機(jī)選擇為E′恒定的經(jīng)典二階模型，電壓值為等值前網(wǎng)絡(luò)邊界母線電壓。等值機(jī)模型參數(shù)如表2所示。

4.3 等值結(jié)果校核

根據(jù)前文的理論分析，等值前后網(wǎng)絡(luò)的潮流和短路電流特性應(yīng)該基本一致。為驗證等值結(jié)果是否符合要求，文中對等值前后潮流分布和故障短路電流進(jìn)行比對，判斷其是否滿足上文所述評價指標(biāo)。

表2 等值機(jī)參數(shù)

4.3.1 潮流對比分析

選擇后續(xù)重點仿真線路為監(jiān)測對象，將PSASP計算的等值前網(wǎng)絡(luò)潮流結(jié)果與等值模型在ATP-EMTP中仿真測量得到的潮流結(jié)果進(jìn)行比對，結(jié)果如表3、表4所示。

由表3、表4結(jié)果可知，利用文中方法建立的等值模型，有功功率和節(jié)點電壓誤差均低于1%，滿足評價指標(biāo)要求。潮流比對結(jié)果表明，該等值是合理的。

表3 潮流比對結(jié)果

表4 節(jié)點電壓比對結(jié)果

4.3.2 短路電流對比分析

為校核等值結(jié)果，在PSASP原網(wǎng)絡(luò)中對后續(xù)重點仿真線路廠站逐一進(jìn)行三相短路計算，得到典型廠站的短路電流值。在等值系統(tǒng)的ATP-EMTP平臺上，同樣對相同廠站進(jìn)行三相短路計算。網(wǎng)絡(luò)等值前PSASP計算的短路電流和等值后ATP-EMTP計算結(jié)果的對比結(jié)果如表5所示。

表5 短路電流比對結(jié)果

從表5可以看出，等值前后重點研究線路節(jié)點短路電流水平基本一致，最大誤差為-2.75%，滿足評價指標(biāo)要求。短路電流比對結(jié)果表明，該等值是合理的。

5 結(jié)束語

基于西北電網(wǎng)2017年夏季大運行方式下PSASP數(shù)據(jù)包基礎(chǔ)參數(shù)，研究了適用于電磁暫態(tài)仿真的實用快速等值方法。根據(jù)后續(xù)研究的目的性，在等值過程中遵循潮流分布和短路電流一致性原則，提出了基于PSASP短路電流計算的等值方法。對等值前后潮流分布和短路電流水平比對，表明了所提出方法的正確性和有效性。該等值方法簡化電網(wǎng)并能保留原電網(wǎng)的主要特性，搭建的電磁暫態(tài)仿真模型可以代替原網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行后一步研究。