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，越來越多變電站10 kV母線短路電流超過《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斷路器基本按開斷電流20 kA選型，其短路電流超標(biāo)風(fēng)險問題日益突出[3-4]，快速高效地實現(xiàn)大規(guī)模配電網(wǎng)設(shè)備短路水平的計算對于配電網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)與穩(wěn)定運行具有重要的應(yīng)用價值。

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)可對電力系統(tǒng)中任意指定區(qū)域或電壓等級范圍內(nèi)的所有節(jié)點進(jìn)行短路掃描。程序主要針對高壓配電網(wǎng)及輸電網(wǎng)開發(fā)，僅計算至變電站內(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)致對仿真軟件和計算機(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目導(dǎo)致卡片數(shù)據(jù)不便于日常更新維護(hù)，計算效率低且耗時長，數(shù)據(jù)質(zhì)量也無法有效控制。另外，供電部門日常運行管理會針對新建及改造的單一項目所涉及的斷路器進(jìn)行短路電流校驗，往往忽略了網(wǎng)架改造中對現(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)備短路水平的動態(tài)變化，該常規(guī)模式難以對整個地區(qū)的斷路器設(shè)備進(jìn)行大規(guī)模快速計算及有效管理。

針對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)分析工具及日常運行算法在大區(qū)域復(fù)雜電網(wǎng)中適用性不強(qiáng)的問題，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斷路器簡化成各個節(jié)點模型與支路模型[11-14]，運用Excel的計算模塊進(jìn)行計算。GIS已基本實現(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)定采集格式及對象內(nèi)容。區(qū)別于傳統(tǒng)短路電流分析工具，該算法計算效率及所需時間不受配電網(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電子化移交過程中得到有效控制，系統(tǒng)側(cè)電抗及電源點至短路故障點等效阻抗可實現(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)組計算功能[15]，創(chuàng)建自定義模塊進(jìn)行計算應(yīng)用；最后，通過實際算例和理想模型仿真分析，對算法的有效性進(jìn)行驗證。

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，DG向短路點提供的短路電流始終可以控制在設(shè)定的允許過電流范圍(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，DG提供的起始短路電流約為額定電流的5～7倍，此后經(jīng)過約3～10個周期逐漸衰減到零[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，F(xiàn)01—F15為10 kV饋線編號，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點時，流經(jīng)K1點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對短路點注入的短路電流很小，計算中可以忽略其影響。故障點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)行短路電流計算時，算法基于GIS平臺應(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、電源點追溯、線路走廊分析等)，分析多電源至故障短路點電路的電參數(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)變換求得電源至短路點的等值總阻抗。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，其DG對故障點影響需考慮升壓變壓器(以下簡稱“升壓變”)阻抗。常用短路電流計算標(biāo)準(zhǔn)和方法可參考文獻(xiàn)[19-22]。

1.2 配電網(wǎng)閉環(huán)運行的故障短路電流特性

考慮繼電保護(hù)及安全穩(wěn)定運行，正常運行方式下10 kV環(huán)網(wǎng)饋線一般仍以開環(huán)運行為主。為解決短時停電問題，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電壓等級的“花瓣”型接線，饋線閉環(huán)運行，可實現(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(以下簡稱“主變”)，主變低壓側(cè)母線LM均為分列運行，即母線分段斷路器常開。

圖2 閉環(huán)運行方式分類

類型1，閉環(huán)運行的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、臺灣電力公司在這方面的運行經(jīng)驗；文獻(xiàn)[25]介紹了廣州中新知識城借鑒新加坡電網(wǎng)運行經(jīng)驗，正在進(jìn)行20 kV配電網(wǎng)閉環(huán)運行的試點建設(shè)。

類型2，閉環(huán)運行的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)別于輻射型與開環(huán)運行方式，閉環(huán)運行的配電網(wǎng)是多電源供電，其饋線發(fā)生短路時短路阻抗減小、短路電流增大。文獻(xiàn)[27]表明，閉環(huán)運行饋線上發(fā)生短路時，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的短路容量只比開環(huán)模式略大。同時，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環(huán)運行狀態(tài)下一致，相同變電站同母線的饋線閉環(huán)運行，理論上饋線短路電流值與開環(huán)運行是大小一致的。限制類型3方式運行的關(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)，即電力對象模型及其關(guān)系，采用CIM可以順利實現(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)出其臺賬數(shù)據(jù)，包括設(shè)備型號、開斷電流、所屬變電站、DG接入等，并通過拓?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)以備饋線阻抗的計算，系統(tǒng)側(cè)電抗及電源點至短路故障點等效阻抗可實現(xiàn)模塊化管理，實現(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)某時刻數(shù)據(jù)作為定義范例，見表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)年度運行方式是電力部門指導(dǎo)次年內(nèi)電力系統(tǒng)生產(chǎn)和運行的技術(shù)方案[28]，年度運行方式的編制對多方面技術(shù)專題進(jìn)行分析計算，可掃描變電站各電壓等級母線的短路電流水平，是計算系統(tǒng)側(cè)電抗參數(shù)的基礎(chǔ)。表2摘自東莞電網(wǎng)年度運行方式報告中變電站10 kV母線短路電流數(shù)據(jù)。

表1 設(shè)備臺帳數(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IEC 60909，或從手冊資料[29]和產(chǎn)品樣本中獲得。阻抗參數(shù)設(shè)置模塊見表3。

2.3.3 其他電網(wǎng)參數(shù)

配電網(wǎng)系統(tǒng)和運行常規(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

對于DG接入需根據(jù)其容量、類型來選擇接入電壓等級和并網(wǎng)方式。對于電機(jī)類DG，需求取DG至短路點轉(zhuǎn)移阻抗Xca，通過發(fā)電機(jī)運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，形成計算源模塊。

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)回溯其饋線型號及長度等數(shù)據(jù)，并結(jié)合常規(guī)電網(wǎng)數(shù)據(jù)構(gòu)建算法。計算流程如圖4所示。

表4 汽輪發(fā)電機(jī)運算曲線數(shù)字表

圖4 計算流程

3.2 算法仿真

利用計算模塊對東莞電網(wǎng)現(xiàn)有29 132臺斷路器所在位置短路電流進(jìn)行規(guī)?；嬎悖孕ｒ灁嗦菲鞫搪冯娏魉绞欠癯?，仿真結(jié)果見表5。

電網(wǎng)500 kV以下電壓等級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、開環(huán)運行的供電模式算例

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

表5 仿真結(jié)果

正常運行時，除了環(huán)網(wǎng)常開點、支路停運，斷路器、負(fù)荷開關(guān)、隔離開關(guān)均為閉合狀態(tài)。

圖5 饋線簡化圖

Fig.5 Feeder simplified diagram

實際饋線各斷路器回饋至變電站10 kV母線的對應(yīng)支路線段信息見表6。

表6 斷路器支路信息

本文算法與PSD-SCCP算法結(jié)果對比見表7，PSD-SCCP按不考慮靜態(tài)負(fù)荷、電動機(jī)負(fù)荷和饋線充電負(fù)荷功率模式計算。

表7 本文算法與PSD-SCCP算法結(jié)果比較

算例分析中，官倉1T1斷路器短路電流存在超標(biāo)風(fēng)險，主要原因是上級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。對于該超標(biāo)風(fēng)險斷路器的控制建議如下：

a)10 kV饋線層面，斷路器本身現(xiàn)狀運行良好，并未到設(shè)備運行年限，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目改造；短路電流在22～25 kA，宜綜合各變電站設(shè)備實際運行條件逐步進(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算結(jié)果誤差在1%以內(nèi)，驗證了本文所提出算法的有效性，同時也驗證了短路電流水平與上級電源至本節(jié)點的饋線長度呈反相關(guān)關(guān)系。

4.2 DG接入與閉環(huán)運行的供電模式算例

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)計開環(huán)運行方式，算例基于所建立的簡化模型組合不同模式作分析比較。供電模式簡化模型如圖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。

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，開環(huán)運行，即聯(lián)絡(luò)斷路器AB3開斷狀態(tài)，饋線A無DG接入；

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

模式3，開環(huán)運行，饋線A含DG接入；

模式4，閉環(huán)運行，饋線A含DG接入。

相同算法不同模式下的短路電流計算結(jié)果對比見表8，不同算法的短路電流計算結(jié)果對比見表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)運行對變電站10 kV母線端基本無影響；②受對側(cè)電源影響，閉環(huán)運行聯(lián)絡(luò)點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、布點及接入容量等級有關(guān)；④DG接入對原網(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種算法計算結(jié)果誤差在0.26 kA以內(nèi)；模式1即開環(huán)運行且無DG接入情況下誤差極??；其他模式采用閉環(huán)運行或DG接入使得原網(wǎng)架復(fù)雜化而增加了設(shè)備或電源點，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

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)短路電流計算程序處理數(shù)據(jù)工作量龐大與需時冗長的不足，并正常運行時，斷路器均為閉合狀態(tài)。

圖6 供電模式簡化模型

表9 不同算法的短路電流計算結(jié)果比較

根據(jù)配電網(wǎng)發(fā)展趨勢增加了閉環(huán)運行及DG接入的計算。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)備簡化成各節(jié)點模型與支路模型，基于短路電流計算原理，采用Excel模塊進(jìn)行計算。算法中系統(tǒng)側(cè)電抗及電源點至短路故障點等效阻抗可實現(xiàn)模塊化管理，計算效率及所需時間不受配電網(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電子化移交過程中得到有效控制。通過對東莞地區(qū)實際算例和理想模型的仿真以及算法比較，證明該算法能實現(xiàn)配電網(wǎng)大規(guī)模數(shù)據(jù)處理，實用簡便，無次數(shù)限制，可快速計算斷路器設(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)，實現(xiàn)對10 kV配電網(wǎng)短路電流的有效管理，具有一定的實用價值。