庾力維, 李名科, 黃學(xué)勁, 蔡昭群, 陳中平

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000；2.廣州依萊科電力科技有限公司，廣東 廣州 510630)

隨著城市配電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不斷完善和地區(qū)分布式電源(distributed generation，DG)滲透率[1-2]逐步提高，越來(lái)越多變電站10 kV母線短路電流超過(guò)《南方電網(wǎng)公司110千伏及以下配電網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)指導(dǎo)原則》規(guī)定的20 kA，而目前10 kV斷路器基本按開(kāi)斷電流20 kA選型，其短路電流超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題日益突出[3-4]，快速高效地實(shí)現(xiàn)大規(guī)模配電網(wǎng)設(shè)備短路水平的計(jì)算對(duì)于配電網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)與穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

電力系統(tǒng)分析工具已廣泛應(yīng)用，文獻(xiàn)[5-7]提出電力系統(tǒng)短路電流程序(power system department-short circuit current program，PSD-SCCP)和電力系統(tǒng)分析綜合程序(power system analysis software package，PSASP)可對(duì)電力系統(tǒng)中任意指定區(qū)域或電壓等級(jí)范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行短路掃描。程序主要針對(duì)高壓配電網(wǎng)及輸電網(wǎng)開(kāi)發(fā)，僅計(jì)算至變電站內(nèi)10 kV母線而忽略10 kV配電網(wǎng)層面，若補(bǔ)充分析10 kV側(cè)電網(wǎng)短路電流水平，則工作量大幅增加。由于電網(wǎng)數(shù)據(jù)參數(shù)的差異化影響，數(shù)據(jù)卡片信息需逐一整理，無(wú)法形成模塊化管理，配電網(wǎng)整體數(shù)據(jù)量龐大必然導(dǎo)致對(duì)仿真軟件和計(jì)算機(jī)配置要求的提高及人力成本的成倍消耗，頻繁的新建及改造項(xiàng)目導(dǎo)致卡片數(shù)據(jù)不便于日常更新維護(hù)，計(jì)算效率低且耗時(shí)長(zhǎng)，數(shù)據(jù)質(zhì)量也無(wú)法有效控制。另外，供電部門(mén)日常運(yùn)行管理會(huì)針對(duì)新建及改造的單一項(xiàng)目所涉及的斷路器進(jìn)行短路電流校驗(yàn)，往往忽略了網(wǎng)架改造中對(duì)現(xiàn)有斷路器短路電流水平的整體考慮。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)整及運(yùn)行方式的改變等影響因素都可能造成電網(wǎng)設(shè)備短路水平的動(dòng)態(tài)變化，該常規(guī)模式難以對(duì)整個(gè)地區(qū)的斷路器設(shè)備進(jìn)行大規(guī)模快速計(jì)算及有效管理。

針對(duì)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)分析工具及日常運(yùn)行算法在大區(qū)域復(fù)雜電網(wǎng)中適用性不強(qiáng)的問(wèn)題，本文提出一種基于地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)拓?fù)鋽?shù)據(jù)[8-10]的配電網(wǎng)短路電流算法。該算法利用配電網(wǎng)GIS的設(shè)備拓?fù)鋽?shù)據(jù)及常規(guī)電網(wǎng)數(shù)據(jù)，將電網(wǎng)10 kV斷路器簡(jiǎn)化成各個(gè)節(jié)點(diǎn)模型與支路模型[11-14]，運(yùn)用Excel的計(jì)算模塊進(jìn)行計(jì)算。GIS已基本實(shí)現(xiàn)工程資料數(shù)據(jù)電子化移交，系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新維護(hù)已作為常態(tài)化工作，數(shù)據(jù)模塊可預(yù)先設(shè)定采集格式及對(duì)象內(nèi)容。區(qū)別于傳統(tǒng)短路電流分析工具，該算法計(jì)算效率及所需時(shí)間不受配電網(wǎng)整體數(shù)據(jù)量的限制，電網(wǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量已在配電網(wǎng)GIS電子化移交過(guò)程中得到有效控制，系統(tǒng)側(cè)電抗及電源點(diǎn)至短路故障點(diǎn)等效阻抗可實(shí)現(xiàn)模塊化管理。

本文首先研究含DG的配電網(wǎng)及配電網(wǎng)閉環(huán)運(yùn)行的故障短路電流特性、配電網(wǎng)GIS拓?fù)浼半娋W(wǎng)常規(guī)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；其次，分析模塊應(yīng)用算法中GIS拓?fù)鋽?shù)據(jù)及電網(wǎng)常規(guī)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集對(duì)象及指定字段數(shù)據(jù)；然后，利用Excel工作表的公式、函數(shù)和數(shù)組計(jì)算功能[15]，創(chuàng)建自定義模塊進(jìn)行計(jì)算應(yīng)用；最后，通過(guò)實(shí)際算例和理想模型仿真分析，對(duì)算法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 故障短路電流特性分析

1.1 含DG的配電網(wǎng)故障短路電流特性

DG接入使傳統(tǒng)配電網(wǎng)由輻射狀網(wǎng)絡(luò)成為多電源供電網(wǎng)絡(luò)，按DG并網(wǎng)接口方式不同，可分為變流器類DG和電機(jī)類DG。含變流器類DG的配電網(wǎng)發(fā)生短路時(shí)，DG向短路點(diǎn)提供的短路電流始終可以控制在設(shè)定的允許過(guò)電流范圍(一般為1.2～1.5倍額定電流)之內(nèi)[16-17]；含電機(jī)類DG的配電網(wǎng)發(fā)生短路時(shí)，DG提供的起始短路電流約為額定電流的5～7倍，此后經(jīng)過(guò)約3～10個(gè)周期逐漸衰減到零[18]。

含DG的配電網(wǎng)故障短路特性分析如圖1所示，其中，LM為變電站10 kV母線，QF為10 kV饋線出線斷路器(閉合狀態(tài))，K1為模擬故障點(diǎn)，F(xiàn)01—F15為10 kV饋線編號(hào)，IS為系統(tǒng)側(cè)短路電流，IⅠ為其他饋線DG提供短路電流，IⅡ、IⅢ為本饋線DG提供短路電流，XS為系統(tǒng)側(cè)等效阻抗，XⅠ、XⅡ、XⅢ為區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等效阻抗。當(dāng)短路故障發(fā)生在K1點(diǎn)時(shí)，流經(jīng)K1點(diǎn)的故障短路電流可分3部分：由系統(tǒng)側(cè)提供的故障電流IS，所在同一10 kV饋線上的DG所提供的故障電流IⅡ、IⅢ，變電站相同母線的其他10 kV饋線上的DG提供的故障電流IⅠ。變電站不同母線上的DG對(duì)短路點(diǎn)注入的短路電流很小，計(jì)算中可以忽略其影響。故障點(diǎn)短路水平主要受系統(tǒng)側(cè)影響，DG接入的影響取決于其滲透率選取、選址定容、并網(wǎng)方式等的選擇。

圖1 含DG的配電網(wǎng)故障短路特性分析

進(jìn)行短路電流計(jì)算時(shí)，算法基于GIS平臺(tái)應(yīng)用功能架構(gòu)中的空間拓?fù)浞治瞿K(包括空間分析、最短路徑分析、電源點(diǎn)追溯、線路走廊分析等)，分析多電源至故障短路點(diǎn)電路的電參數(shù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變換求得電源至短路點(diǎn)的等值總阻抗。文獻(xiàn)[16]指出DG容量在400 kW以下推薦接入380 V以下低電壓等級(jí)，其DG對(duì)故障點(diǎn)影響需考慮升壓變壓器(以下簡(jiǎn)稱“升壓變”)阻抗。常用短路電流計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)和方法可參考文獻(xiàn)[19-22]。

1.2 配電網(wǎng)閉環(huán)運(yùn)行的故障短路電流特性

考慮繼電保護(hù)及安全穩(wěn)定運(yùn)行，正常運(yùn)行方式下10 kV環(huán)網(wǎng)饋線一般仍以開(kāi)環(huán)運(yùn)行為主。為解決短時(shí)停電問(wèn)題，滿足發(fā)達(dá)地區(qū)高科技產(chǎn)業(yè)、金融中心等重要用戶對(duì)電力供應(yīng)的嚴(yán)苛需求，《南方電網(wǎng)公司110千伏及以下配電網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)指導(dǎo)原則》提出基于20 kV電壓等級(jí)的“花瓣”型接線，饋線閉環(huán)運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)不停電轉(zhuǎn)供，供電可靠性高，滿足“N-1-1”要求。

根據(jù)閉環(huán)運(yùn)行饋線供電電源的不同，閉環(huán)饋線配置方式類型可分為3種，如圖2所示，其中TS為變電站主變壓器(以下簡(jiǎn)稱“主變”)，主變低壓側(cè)母線LM均為分列運(yùn)行，即母線分段斷路器常開(kāi)。

圖2 閉環(huán)運(yùn)行方式分類

類型1，閉環(huán)運(yùn)行的2條饋線由相同變電站同一主變母線段供電。文獻(xiàn)[23-24]介紹了香港、臺(tái)灣電力公司在這方面的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)；文獻(xiàn)[25]介紹了廣州中新知識(shí)城借鑒新加坡電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，正在進(jìn)行20 kV配電網(wǎng)閉環(huán)運(yùn)行的試點(diǎn)建設(shè)。

類型2，閉環(huán)運(yùn)行的2條饋線由相同變電站不同主變母線段供電，但其10 kV母線斷路器常閉。文獻(xiàn)[26]研究了新加坡梅花狀典型供電模型，與類型1相比，該類型還需考慮互聯(lián)變壓器額定容量及阻抗參數(shù)。

類型3，閉環(huán)運(yùn)行的2條饋線由不同變電站的不同主變母線供電。該方式不利于系統(tǒng)穩(wěn)定，尚未有地區(qū)采用。

區(qū)別于輻射型與開(kāi)環(huán)運(yùn)行方式，閉環(huán)運(yùn)行的配電網(wǎng)是多電源供電，其饋線發(fā)生短路時(shí)短路阻抗減小、短路電流增大。文獻(xiàn)[27]表明，閉環(huán)運(yùn)行饋線上發(fā)生短路時(shí)，類型2與類型3的短路容量比類型1大很多，且受系統(tǒng)條件影響較大，而類型1的短路容量只比開(kāi)環(huán)模式略大。同時(shí)，類型1在不考慮DG接入情況下，變電站母線端短路阻抗與開(kāi)環(huán)運(yùn)行狀態(tài)下一致，相同變電站同母線的饋線閉環(huán)運(yùn)行，理論上饋線短路電流值與開(kāi)環(huán)運(yùn)行是大小一致的。限制類型3方式運(yùn)行的關(guān)鍵因素為其供電方式所導(dǎo)致的電磁環(huán)網(wǎng)和短路電流劇增問(wèn)題。

2 配電網(wǎng)GIS拓?fù)浼俺Ｒ?guī)數(shù)據(jù)處理

2.1 公用信息模型介紹

公用信息模型(common information model，CIM)定義了能量管理系統(tǒng)(energy management system，EMS)的應(yīng)用程序接口標(biāo)準(zhǔn)，即電力對(duì)象模型及其關(guān)系，采用CIM可以順利實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的信息交換。CIM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 CIM 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 GIS拓?fù)鋽?shù)據(jù)模塊定義

以斷路器為例，利用GIS數(shù)據(jù)接口功能，導(dǎo)出其臺(tái)賬數(shù)據(jù)，包括設(shè)備型號(hào)、開(kāi)斷電流、所屬變電站、DG接入等，并通過(guò)拓?fù)潢P(guān)系反溯斷路器至所屬站10 kV母線的饋線數(shù)據(jù)、斷路器至各DG的饋線數(shù)據(jù)以備饋線阻抗的計(jì)算，系統(tǒng)側(cè)電抗及電源點(diǎn)至短路故障點(diǎn)等效阻抗可實(shí)現(xiàn)模塊化管理，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)單電源及多電源網(wǎng)絡(luò)的阻抗等效處理。采集東莞電網(wǎng)某時(shí)刻數(shù)據(jù)作為定義范例，見(jiàn)表1，表中略去10 kV饋線所含DG容量、接入類型、并網(wǎng)方式及通過(guò)拓?fù)潢P(guān)系反溯至所屬站10 kV母線的饋線數(shù)據(jù)。

2.3 常規(guī)電網(wǎng)數(shù)據(jù)

2.3.1 變電站10 kV母線短路電流數(shù)據(jù)模塊

電網(wǎng)年度運(yùn)行方式是電力部門(mén)指導(dǎo)次年內(nèi)電力系統(tǒng)生產(chǎn)和運(yùn)行的技術(shù)方案[28]，年度運(yùn)行方式的編制對(duì)多方面技術(shù)專題進(jìn)行分析計(jì)算，可掃描變電站各電壓等級(jí)母線的短路電流水平，是計(jì)算系統(tǒng)側(cè)電抗參數(shù)的基礎(chǔ)。表2摘自東莞電網(wǎng)年度運(yùn)行方式報(bào)告中變電站10 kV母線短路電流數(shù)據(jù)。

表1 設(shè)備臺(tái)帳數(shù)據(jù)輸入模塊

表2 10 kV母線短路電流數(shù)據(jù)模塊

2.3.2 設(shè)置10 kV饋線阻抗參數(shù)

10 kV饋線阻抗參數(shù)值與制造工藝水平和標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)，相關(guān)數(shù)值可參見(jiàn)IEC 60909，或從手冊(cè)資料[29]和產(chǎn)品樣本中獲得。阻抗參數(shù)設(shè)置模塊見(jiàn)表3。

2.3.3 其他電網(wǎng)參數(shù)

配電網(wǎng)系統(tǒng)和運(yùn)行常規(guī)參數(shù)采集除了變電站10 kV母線短路水平、單位10 kV饋線阻抗參數(shù)外，

表3 阻抗參數(shù)設(shè)置模塊

對(duì)于DG接入需根據(jù)其容量、類型來(lái)選擇接入電壓等級(jí)和并網(wǎng)方式。對(duì)于電機(jī)類DG，需求取DG至短路點(diǎn)轉(zhuǎn)移阻抗Xca，通過(guò)發(fā)電機(jī)運(yùn)算曲線查表得到電流標(biāo)幺值數(shù)據(jù)(表4)，該數(shù)據(jù)可拓展整理為通用參數(shù)庫(kù)，形成計(jì)算源模塊。

3 算法構(gòu)建與仿真

3.1 算法構(gòu)建流程

本文基于配電網(wǎng)GIS拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)回溯其饋線型號(hào)及長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)，并結(jié)合常規(guī)電網(wǎng)數(shù)據(jù)構(gòu)建算法。計(jì)算流程如圖4所示。

表4 汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)算曲線數(shù)字表

圖4 計(jì)算流程

3.2 算法仿真

利用計(jì)算模塊對(duì)東莞電網(wǎng)現(xiàn)有29 132臺(tái)斷路器所在位置短路電流進(jìn)行規(guī)?；?jì)算，以校驗(yàn)斷路器短路電流水平是否超限，仿真結(jié)果見(jiàn)表5。

電網(wǎng)500 kV以下電壓等級(jí)變電站通常不采用自耦變壓器，東莞220 kV及110 kV變電站分別采用三繞組、雙繞組變壓器，經(jīng)小電阻或消弧線圈接地方式，限制了單相短路電流。為減少諧波對(duì)用電設(shè)備的影響，10 kV側(cè)采用三角形接線，一旦發(fā)生故障，零序電流只能在繞組內(nèi)部形成環(huán)流，不能流入外電路，因此非故障相電流很小。對(duì)于10 kV側(cè)短路電流，一般只需按三相短路故障情況進(jìn)行分析。

4 算例分析比較

4.1 傳統(tǒng)閉環(huán)設(shè)計(jì)、開(kāi)環(huán)運(yùn)行的供電模式算例

以東莞古坑變電站官倉(cāng)線配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行分析，圖5為饋線簡(jiǎn)化圖，其中為①—⑩支路線段信息編號(hào)。

表5 仿真結(jié)果

正常運(yùn)行時(shí)，除了環(huán)網(wǎng)常開(kāi)點(diǎn)、支路停運(yùn)，斷路器、負(fù)荷開(kāi)關(guān)、隔離開(kāi)關(guān)均為閉合狀態(tài)。

圖5 饋線簡(jiǎn)化圖

Fig.5 Feeder simplified diagram

實(shí)際饋線各斷路器回饋至變電站10 kV母線的對(duì)應(yīng)支路線段信息見(jiàn)表6。

表6 斷路器支路信息

本文算法與PSD-SCCP算法結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表7，PSD-SCCP按不考慮靜態(tài)負(fù)荷、電動(dòng)機(jī)負(fù)荷和饋線充電負(fù)荷功率模式計(jì)算。

表7 本文算法與PSD-SCCP算法結(jié)果比較

算例分析中，官倉(cāng)1T1斷路器短路電流存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，主要原因是上級(jí)500 kV東莞站短路水平高且古坑站距其僅2.9 km，其次是古坑站采用非高阻抗變壓器，樟洋電廠接入110 kV母線。10 kV饋線后端其余斷路器增加了10 kV饋線阻抗，削弱了從系統(tǒng)側(cè)提供的短路電流。對(duì)于該超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)斷路器的控制建議如下：

a)10 kV饋線層面，斷路器本身現(xiàn)狀運(yùn)行良好，并未到設(shè)備運(yùn)行年限，暫不建議更換。

b)變電站層面，以變電站主變低壓側(cè)10 kV母線超標(biāo)程度為主要參考：低壓側(cè)10 kV母線短路電流高于25 kA的主變宜盡快安排項(xiàng)目改造；短路電流在22～25 kA，宜綜合各變電站設(shè)備實(shí)際運(yùn)行條件逐步進(jìn)行改造；短路電流低于22 kA，變電站主變暫不改造。

PSD-SCCP算法與本文算法的計(jì)算結(jié)果誤差在1%以內(nèi)，驗(yàn)證了本文所提出算法的有效性，同時(shí)也驗(yàn)證了短路電流水平與上級(jí)電源至本節(jié)點(diǎn)的饋線長(zhǎng)度呈反相關(guān)關(guān)系。

4.2 DG接入與閉環(huán)運(yùn)行的供電模式算例

東莞地區(qū)現(xiàn)有配電網(wǎng)供電模式包括輻射型、環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)開(kāi)環(huán)運(yùn)行方式，算例基于所建立的簡(jiǎn)化模型組合不同模式作分析比較。供電模式簡(jiǎn)化模型如圖6所示，其中，F(xiàn)K為10 kV饋線分段斷路器，LK為10 kV饋線聯(lián)絡(luò)斷路器，DG1—DG3為10 kV饋線接入DG，F(xiàn)1—F4為模擬故障點(diǎn)。

圖6中，AB3為單環(huán)網(wǎng)饋線組的聯(lián)絡(luò)斷路器，以電機(jī)類DG考慮，模擬饋線組單回饋線50%負(fù)載率情況，最大利用時(shí)間Tmax值取5 000 h，DG滲透率取25%，饋線A以3座同參數(shù)DG鄰近斷路器分布，考慮升壓變阻抗。

模式1，開(kāi)環(huán)運(yùn)行，即聯(lián)絡(luò)斷路器AB3開(kāi)斷狀態(tài)，饋線A無(wú)DG接入；

模式2，閉環(huán)運(yùn)行，聯(lián)絡(luò)斷路器AB3關(guān)合狀態(tài)，饋線A無(wú)DG接入；

模式3，開(kāi)環(huán)運(yùn)行，饋線A含DG接入；

模式4，閉環(huán)運(yùn)行，饋線A含DG接入。

相同算法不同模式下的短路電流計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表8，不同算法的短路電流計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表9。算例采用理想模型分析，以外網(wǎng)等值至10 kV母線Y31短路電流為20 kA進(jìn)行模擬。

由表8可以看出：①是否閉環(huán)運(yùn)行對(duì)變電站10 kV母線端基本無(wú)影響；②受對(duì)側(cè)電源影響，閉環(huán)運(yùn)行聯(lián)絡(luò)點(diǎn)短路電流水平增量最大，受到饋線阻抗限制，以出線方向遞減；③DG接入的影響與其并網(wǎng)方式、布點(diǎn)及接入容量等級(jí)有關(guān)；④DG接入對(duì)原網(wǎng)絡(luò)短路水平影響不大，主要受升壓變及線路阻抗限制。

由表9可以看出：2種算法計(jì)算結(jié)果誤差在0.26 kA以內(nèi)；模式1即開(kāi)環(huán)運(yùn)行且無(wú)DG接入情況下誤差極??；其他模式采用閉環(huán)運(yùn)行或DG接入使得原網(wǎng)架復(fù)雜化而增加了設(shè)備或電源點(diǎn)，多參數(shù)的小偏差導(dǎo)致了2種算法結(jié)果的差異。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種基于配電網(wǎng)GIS拓?fù)鋽?shù)據(jù)的10 kV斷路器短路電流算法，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)短路電流計(jì)算程序處理數(shù)據(jù)工作量龐大與需時(shí)冗長(zhǎng)的不足，并正常運(yùn)行時(shí)，斷路器均為閉合狀態(tài)。

圖6 供電模式簡(jiǎn)化模型

表9 不同算法的短路電流計(jì)算結(jié)果比較

根據(jù)配電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)增加了閉環(huán)運(yùn)行及DG接入的計(jì)算。算法依據(jù)GIS拓?fù)潢P(guān)系及常規(guī)電網(wǎng)數(shù)據(jù)，將電網(wǎng)10 kV斷路器設(shè)備簡(jiǎn)化成各節(jié)點(diǎn)模型與支路模型，基于短路電流計(jì)算原理，采用Excel模塊進(jìn)行計(jì)算。算法中系統(tǒng)側(cè)電抗及電源點(diǎn)至短路故障點(diǎn)等效阻抗可實(shí)現(xiàn)模塊化管理，計(jì)算效率及所需時(shí)間不受配電網(wǎng)整體數(shù)據(jù)量的限制，電網(wǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量已在配電網(wǎng)GIS電子化移交過(guò)程中得到有效控制。通過(guò)對(duì)東莞地區(qū)實(shí)際算例和理想模型的仿真以及算法比較，證明該算法能實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)大規(guī)模數(shù)據(jù)處理，實(shí)用簡(jiǎn)便，無(wú)次數(shù)限制，可快速計(jì)算斷路器設(shè)備短路電流水平。

基于GIS拓?fù)鋽?shù)據(jù)的配電網(wǎng)短路電流算法可為電氣設(shè)備選型與繼電保護(hù)裝置的整定提供技術(shù)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)10 kV配電網(wǎng)短路電流的有效管理，具有一定的實(shí)用價(jià)值。