王小云，董雪濤，徐 志，劉 震，段 玉，段青熙，朱子民

(國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

隨著電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不斷加強(qiáng)，部分地區(qū)計(jì)算的短路電流水平超標(biāo)問題已日益突出。影響短路電流計(jì)算結(jié)果的因素很多，若短路電流計(jì)算結(jié)果過于保守，則經(jīng)濟(jì)性降低；若偏冒進(jìn)，則電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行存在隱患。短路電流計(jì)算過程中計(jì)算方法、元件模型、計(jì)算軟件以及電網(wǎng)運(yùn)行方式不同，會(huì)導(dǎo)致短路電流計(jì)算結(jié)論和短路電流超標(biāo)判斷存在很大差異。

文獻(xiàn)〔1-3〕對(duì)短路電流計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差異做了比對(duì)分析；文獻(xiàn)〔4-5〕探討了不同負(fù)荷模型以及區(qū)域電網(wǎng)等值模型對(duì)短路電流計(jì)算結(jié)果的影響；文獻(xiàn)〔6-7〕研究了不同軟件、不同運(yùn)行方式下短路電流計(jì)算結(jié)果的差異，并對(duì)產(chǎn)生原因做出了具體分析。

本文總結(jié)了現(xiàn)有短路電流計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的具體差異，對(duì)不同計(jì)算條件進(jìn)行對(duì)比分析。國(guó)內(nèi)計(jì)算短路電流常用軟件有BPA、PSASP、PSDE-SCCP等，本文基于PSASP計(jì)算軟件，運(yùn)用具體算例，對(duì)國(guó)標(biāo)算法以及PSASP傳統(tǒng)算法計(jì)算短路電流結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，提出具體影響短路電流計(jì)算結(jié)果的敏感性因素。

1 短路電流計(jì)算方法及標(biāo)準(zhǔn)

1.1 短路電流計(jì)算方法

電力系統(tǒng)中影響短路電流計(jì)算結(jié)果的因素多種多樣，發(fā)電機(jī)內(nèi)電動(dòng)勢(shì)、變壓器變比、線路電容、無功補(bǔ)償裝置、靜止負(fù)荷、異步電動(dòng)機(jī)負(fù)荷、支路電阻、電網(wǎng)運(yùn)行方式等均影響短路電流計(jì)算結(jié)果。

常用的短路電流計(jì)算方法有簡(jiǎn)化方法、運(yùn)算曲線法、暫態(tài)解析法、等效電壓源法等。

a.簡(jiǎn)化方法可運(yùn)用于手工短路計(jì)算，一般忽略線路電容、負(fù)荷電流，忽略發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)、變壓器、架空線路、電纜線路等阻抗參數(shù)的電阻部分，并假設(shè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)負(fù)序電抗等于正序電抗，變壓器變比采用額定變比，簡(jiǎn)化方法對(duì)計(jì)算條件的假設(shè)處理大大簡(jiǎn)化了短路電流計(jì)算難度，手工計(jì)算簡(jiǎn)單系統(tǒng)的短路電流時(shí)常用此方法。

b.運(yùn)算曲線法事先對(duì)不同類型的機(jī)組繪制計(jì)算三相短路電流周期分量的有效值It=f(t,xjs)運(yùn)算曲線，通過查相關(guān)曲線獲得單臺(tái)發(fā)電機(jī)任意時(shí)刻t提供的短路電流周期分量有效值。

c.暫態(tài)解析法是在建立電力系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)相關(guān)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)程序直接求取短路電流的一種計(jì)算方法，雖然過程復(fù)雜，但計(jì)算精確度顯著提高。

表1 等效電壓源電壓系數(shù)c

1.2 短路電流計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)

現(xiàn)將國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(IEC60909)〔8〕、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 15544.1-2013)〔9〕、相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(DL/T 559-2018)〔10〕、相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(Q/GDW 1404-2015)〔11〕中關(guān)于短路電流計(jì)算方法與計(jì)算條件對(duì)比分析如下表2。

表2 常用短路電流計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)中采用計(jì)算條件比對(duì)

2 PSASP中國(guó)標(biāo)算法與E”=1算法差異對(duì)比

PSASP計(jì)算短路電流可用基本算法(E”=1)計(jì)算、考慮繼電保護(hù)整定規(guī)則條件計(jì)算、考慮國(guó)家電網(wǎng)安全穩(wěn)定計(jì)算技術(shù)規(guī)范條件計(jì)算、考慮國(guó)家短路計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)條件計(jì)算以及自定義條件計(jì)算〔12〕。計(jì)算方法可基于潮流或基于方案。當(dāng)短路電流計(jì)算結(jié)果主要用于電網(wǎng)規(guī)劃以及運(yùn)行方式控制時(shí)，通常采用PSASP中的基本算法即E”=1算法，但近年來，隨著對(duì)短路電流計(jì)算結(jié)果精確度要求的不斷提升以及新能源和負(fù)荷模型的不斷完善，后續(xù)國(guó)標(biāo)算法存在大面積推廣可能?，F(xiàn)將PSASP中E”=1算法與國(guó)標(biāo)算法計(jì)算主要差異總結(jié)如下：

1)開路電壓

E”=1算法：按照發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)為E″=1∠0°p.u.計(jì)算全網(wǎng)開路電壓，計(jì)算值受網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、元件參數(shù)以及其他計(jì)算條件的影響較大，用戶不參與取值，結(jié)果往往不可預(yù)估。

國(guó)標(biāo)算法：采用等效電壓源法，故障點(diǎn)處的等效電壓源為網(wǎng)絡(luò)的唯一電壓源，其他電源電動(dòng)勢(shì)都視為零，并以自身內(nèi)阻抗代替，在短路點(diǎn)用戴維南等值算法，求取短路點(diǎn)的系統(tǒng)等值阻抗。等效電壓源大小由用戶指定取值，與電網(wǎng)特性無關(guān)，僅與故障點(diǎn)電壓等級(jí)有關(guān)。三相短路電流計(jì)算式如式1。

(1)

其中等效電壓源電壓系數(shù)c的選擇見表1。

2)變壓器變比

E”=1算法中考慮變壓器變比，變壓器抽頭位置不同，故障點(diǎn)系統(tǒng)等值阻抗不同，計(jì)算得到的開路電壓也會(huì)有差異。國(guó)標(biāo)算法中忽略變壓器非標(biāo)準(zhǔn)變比。

3)線路充電電容

E”=1算法中考慮交流線對(duì)地電容，并且同步發(fā)電機(jī)電抗只考慮Xd’或Xd″。國(guó)標(biāo)算法中忽略線路充電電容。

4)無功補(bǔ)償設(shè)備

E”=1算法中考慮無功補(bǔ)償設(shè)備，國(guó)標(biāo)算法中忽略無功補(bǔ)償設(shè)備。

5)負(fù)荷

E”=1算法中忽略負(fù)荷，國(guó)標(biāo)算法中忽略恒阻抗負(fù)荷，僅考慮負(fù)荷中的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)部分。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的等值電路如圖1所示。

圖1 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷等值電路

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)同步電抗等值參數(shù)的計(jì)算公式如下：

(2)

式中：X1為定子電抗；X2為轉(zhuǎn)子電抗；T’doL為定子開路轉(zhuǎn)子回路時(shí)間常數(shù)；Kz為等值電路中將機(jī)組本身基值的阻抗轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)基值阻抗的系數(shù)。

根據(jù)國(guó)標(biāo)，在采用等效電壓源法進(jìn)行短路電流計(jì)算時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷等值為一個(gè)接地阻抗，其數(shù)值可按下式計(jì)算：

(3)

式中:UrM為電動(dòng)機(jī)額定電壓；SrM為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)額定視在功率；ILR/IrM為轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)電流與電動(dòng)機(jī)額定電流之比。

3 兩種算法計(jì)算結(jié)果敏感性分析

3.1 全網(wǎng)分析

現(xiàn)基于PSASP仿真平臺(tái)，在基于方案的基礎(chǔ)上，分別用E”=1算法和國(guó)標(biāo)算法，對(duì)A電網(wǎng)220 kV及以上電壓等級(jí)共計(jì)1 022條母線進(jìn)行短路電流掃描計(jì)算。根據(jù)表1，本文采用國(guó)標(biāo)計(jì)算方法時(shí)電壓系數(shù)取1.10,計(jì)算結(jié)果見表3-表5。

表3 正偏差較大(前10)

表4 負(fù)偏差較大(前15)

表5 偏差較小(±0.03)

上述表3-表5截取部分計(jì)算結(jié)果，由仿真計(jì)算結(jié)果可知一般情況下采用國(guó)標(biāo)計(jì)算方法計(jì)算出的短路電流結(jié)果大于采用E”=1算法計(jì)算結(jié)果，結(jié)合實(shí)際電網(wǎng)特性可知，負(fù)荷越大，差異越顯著，其主要原因在于不同計(jì)算方法對(duì)負(fù)荷的處理方式不同。在小負(fù)荷、無新能源廠站接入地區(qū)，兩種計(jì)算方法差異較??；在新能源廠站聚集地區(qū)出現(xiàn)國(guó)標(biāo)算法計(jì)算結(jié)果小于E”=1算法結(jié)果。

3.2 負(fù)荷總量影響

采用E”=1算法時(shí)，忽略負(fù)荷，故不同負(fù)荷量對(duì)E”=1算法無影響。當(dāng)采用考慮國(guó)家短路計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)條件時(shí)，忽略非旋轉(zhuǎn)負(fù)荷，僅考慮負(fù)荷中的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)部分，結(jié)合式(3)可知在模型不變的情況下，增加負(fù)荷有功無功，即負(fù)荷的視在功率越大，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)等值阻抗越小，則短路電流增大。由仿真計(jì)算結(jié)果可驗(yàn)證變電站負(fù)荷總量越大，國(guó)標(biāo)與E”=1算法差值越大。負(fù)荷總量敏感性分析數(shù)據(jù)見表6。

表6 負(fù)荷總量敏感性分析(選取差值較大母線) /kA

3.3 負(fù)荷模型影響

負(fù)荷模型中恒阻抗/馬達(dá)的百分比以及定子電抗數(shù)對(duì)短路電流均存在較大影響。現(xiàn)將負(fù)荷模型分別改為(恒阻抗/馬達(dá))4/6、6/4、7/3、9/1、100/0模型后重新進(jìn)行短路電流計(jì)算，三相短路計(jì)算結(jié)果見下表7：

表7 負(fù)荷模型恒阻抗占比敏感性分析(選取差值較大母線) /kA

表8 負(fù)荷定子電抗敏感性分析值(40%恒阻抗) /kA

采用國(guó)標(biāo)計(jì)算時(shí)考慮負(fù)荷中的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)部分，在故障瞬間，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不能突變，因此會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生注入電流。在負(fù)荷視在功率不變的情況下，負(fù)荷模型中恒阻抗比例越小，短路電流越大。當(dāng)100%恒阻抗時(shí)，視為兩種計(jì)算方法均忽略負(fù)荷，國(guó)標(biāo)計(jì)算與E”=1計(jì)算仍存在較小差值，主要由支路電阻、對(duì)地電容、變壓器變比等其余計(jì)算條件不同導(dǎo)致，差值較小也進(jìn)一步說明負(fù)荷是影響兩種計(jì)算方法不同計(jì)算結(jié)果的重要因素之一。

由仿真計(jì)算結(jié)果結(jié)合圖1及式2可知，當(dāng)定子電抗X1減小時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)等值阻抗減小，短路電流增大。

3.4 新能源開機(jī)與出力影響

B片區(qū)為A電網(wǎng)新能源廠站聚集區(qū)域，現(xiàn)設(shè)置相關(guān)新能源廠站(PSASP中模型采用9型光伏/10型雙饋/11型直驅(qū)模型)全開機(jī)滿出力、全開機(jī)0.01出力、光伏全關(guān)機(jī)、雙饋全關(guān)機(jī)、直驅(qū)全關(guān)機(jī)條件，分別計(jì)算短路電流，計(jì)算結(jié)果見表9。

表9 新能源廠站出力對(duì)計(jì)算結(jié)果影響 /kA

由計(jì)算結(jié)果可知，在PSASP中，無論采用國(guó)標(biāo)算法還是E”=1算法，短路電流大小與新能源出力大小無關(guān)。光伏發(fā)電單元故障暫態(tài)行為特性主要由逆變器控制保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)特性決定，PSASP中僅提供了單極式并網(wǎng)光伏電站模型，光伏陣列與電壓源型逆變器經(jīng)直流穩(wěn)壓電容相連，暫態(tài)過程中，光伏電站均不提供短路電流。兩種計(jì)算方法，雙饋與直驅(qū)風(fēng)機(jī)均向系統(tǒng)注入短路電流，開機(jī)越多，注入短路電流越大。

3.5 新能源光伏、風(fēng)機(jī)模型影響

在PSASP計(jì)算程序中，光伏模型有9型與14型，雙饋風(fēng)機(jī)模型有10型和12型，直驅(qū)風(fēng)機(jī)模型有11型和13型。仿真計(jì)算可知，不同光伏模型與不同雙饋風(fēng)機(jī)模型對(duì)短路電流計(jì)算無影響。當(dāng)直驅(qū)型風(fēng)機(jī)由11型改為13型時(shí)，直驅(qū)風(fēng)機(jī)匯集母線315母線短路電流國(guó)標(biāo)算法下降0.34 kA，E=1”算法下降0.29 kA；909母線短路電流國(guó)標(biāo)算法下降0.311 kA，E=1”算法下降0.27 kA。可見，不同直驅(qū)風(fēng)機(jī)模型對(duì)短路電流結(jié)果有微小影響，11型直驅(qū)注入短路電流略大于13型直驅(qū)，主要原因在于兩種模型中發(fā)電機(jī)/變流器模型的差異，11型直驅(qū)發(fā)電機(jī)模型從系統(tǒng)讀取電壓，再根據(jù)電氣控制部分提供的控制變量進(jìn)一步計(jì)算注入并網(wǎng)點(diǎn)的電流，而13型直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組被當(dāng)作電流源處理，變流器等效為慣性環(huán)節(jié)。具體仿真計(jì)算結(jié)果見表10。

表10 新能源廠站出力對(duì)計(jì)算結(jié)果影響 /kA

4 結(jié)語(yǔ)

基于PSASP仿真平臺(tái)計(jì)算短路電流時(shí)，E=1”算法忽略負(fù)荷，不同負(fù)荷對(duì)短路電流計(jì)算結(jié)果無影響。國(guó)標(biāo)算法中僅忽略非旋轉(zhuǎn)負(fù)荷，在旋轉(zhuǎn)負(fù)荷較多區(qū)域，國(guó)標(biāo)計(jì)算短路電流結(jié)果通常大于E=1”計(jì)算結(jié)果。采用國(guó)標(biāo)法計(jì)算，當(dāng)負(fù)荷模型相同時(shí)，負(fù)荷總量越大，短路電流越大；當(dāng)負(fù)荷總量相同，負(fù)荷模型中恒阻抗占比越大，短路電流越小，定子電抗越小，短路電流越大。

在新能源場(chǎng)站聚集區(qū)域，國(guó)標(biāo)計(jì)算短路電流結(jié)果可能小于E=1”計(jì)算結(jié)果。無論基于哪種算法，光伏電站均不提供短路電流，且計(jì)算短路電流結(jié)果與新能源開機(jī)大小無關(guān)，僅與開機(jī)方式有關(guān)，開機(jī)越多，短路電流越大。雙饋風(fēng)機(jī)不同模型對(duì)短路電流無影響，直驅(qū)風(fēng)機(jī)不同模型對(duì)短路電流有微小影響，11型直驅(qū)注入短路電流略大于13型直驅(qū)。