一種局部電網(wǎng)短路電流的快速計算方法

張國棟，何明鋒

（金華電力設計院有限公司，浙江 金華 321000）

0 引言

在電力系統(tǒng)和電氣設備的設計和運行中，短路電流計算是解決相關技術問題不可缺少的基本計算，是接線方案比較、電氣設備選擇、繼電保護計算與整定的基礎。實用的短路電流計算，是在基本假設基礎上對網(wǎng)絡利用多次的并、串及星—角等值變換進行化簡，求得各電源點對短路點的轉(zhuǎn)移阻抗，然后查運算曲線，求得短路電流[1]。手工進行網(wǎng)絡化簡，存在速度慢、精確度低且容易出錯的缺點。對大電網(wǎng)的潮流計算和短路計算，已有較為成功的計算方法和程序，能對電力網(wǎng)絡進行較為精確和復雜的分析計算，但因其程序較大，所需的硬件資源較多，計算前的準備工作復雜，計算結(jié)果也并不完全適合中小型供/配電網(wǎng)的設計工作和運行。實際工作中，作為單體的發(fā)電廠和供電公司，在設計驗算、設備改造等工作需進行短路電流計算時，往往采用手工計算。本文從實際工作需要出發(fā)，基于實用短路電流計算，利用PSCAD進行網(wǎng)絡變換，簡化了計算過程。

1 計算原理和方法

1.1 傳統(tǒng)計算步驟及存在問題

短路電流周期分量的計算步驟如下：

（1）繪制相應的電力系統(tǒng)、發(fā)電廠、變電站接線圖。

（2）確定與短路電流有關的運行方式。

（3）計算各元件的正、負及零序阻抗（電抗），系統(tǒng)電抗一般由上級調(diào)度部門給出。

（4）繪制相應的短路電流計算阻抗圖。

（5）根據(jù)需要取不同的短路點進行短路電流計算。

（6）列出短路電流計算結(jié)果表。

上述步驟中第5條最為復雜，需要對阻抗圖進行網(wǎng)絡變換，以求取各電源對短路點的轉(zhuǎn)移電抗，進而求得計算電抗，查運算曲線，得到短路電流計算結(jié)果。尤其是需要進行多個短路點的短路電流計算時，手工網(wǎng)絡化簡將花費大量時間且容易出錯。

1.2 PSCAD中網(wǎng)絡化簡的實現(xiàn)過程

根據(jù)電力系統(tǒng)相關知識可知，當節(jié)點D注入單位電流，而其它節(jié)點注入電流均為零時，節(jié)點D的電壓值等于其自阻抗值。因此，在短路計算阻抗圖中，若將各有限電源點經(jīng)″接地，將外部系統(tǒng)經(jīng)系統(tǒng)阻抗接地后，在某短路點注入單位電流，則該處的電壓即為該短路點的綜合電抗X∑。因此計算短路電流的流程可用圖1表示。

圖1 短路電流計算流程

以上計算過程中，如果采用仿真軟件進行網(wǎng)絡化簡將會十分簡單，尤其需要進行多個短路點的短路電流計算時，優(yōu)勢十分明顯。PSCAD是一款優(yōu)秀的電力系統(tǒng)仿真軟件，能夠很容易地實現(xiàn)上述計算過程。具體過程如下：

（1）新建工程文件，繪制各序網(wǎng)的阻抗圖。

（2）在各個電源支路添加電流測量元件。

（3）確定短路點，在短路點添加單位電流源元件和電壓測量元件。

（4）添加數(shù)據(jù)輸出和顯示元件，以顯示各個測量數(shù)據(jù)。

（5）進行仿真計算，得到測量結(jié)果。

（6）更換短路點，重復步驟（5），直至計算完所有短路點。

以上過程中需注意的問題是：要將各電源點接地；為方便數(shù)據(jù)讀取，應在短路點添加直流電流源元件；由于采用了直流電流源元件，因此繪制阻抗圖時應采用電阻元件代替電抗元件。

2 算例分析

2.1 阻抗圖處理

以《電力工程電氣設計手冊（電氣一次部分）》（以下簡稱手冊）中的算例為題，給出采用PSCAD的計算結(jié)果。圖2為原始的系統(tǒng)正序阻抗圖，圖3為PSCAD計算用系統(tǒng)正序阻抗圖。

圖2 原始系統(tǒng)正序阻抗圖（Sj=1 000 MVA）

圖3 PSCAD計算用正序阻抗圖

圖3中，將各個電源點接地，在各電源支路中添加電流測量元件，其中CS1和CS2為系統(tǒng)側(cè)電流測量元件；C1—C6為各發(fā)電機側(cè)電流測量元件。圖中將單位電流源添加在500 kV母線處，則電壓測量元件X1的測量值即為500 kV母線短路時該短路點的正序綜合阻抗；CS1，CS2及C1—C6的測量值即為各電源的電流分布系數(shù)。

負序阻抗圖、零序阻抗圖的處理方法與正序阻抗圖相同。

2.2 計算結(jié)果對比

選取500 kV母線d1、220 kV母線d2、聯(lián)絡變35 kV母線d3、發(fā)電機機端d4共4個短路點，依次進行網(wǎng)絡化簡，并與手冊中結(jié)果進行對比，計算結(jié)果見表1，對比結(jié)果見表2。

表1 PSCAD計算得各短路點阻抗及分布系數(shù)

表2 結(jié)果對比

表1列出了利用PSCAD計算出的各短路點綜合阻抗以及相應的各電源分布系數(shù)。利用正序綜合阻抗X1∑除以各電源分布系數(shù)，即為該電源和短路點之間的轉(zhuǎn)移阻抗。若需要將其中某幾個電源合并，只需將相應的分布系數(shù)相加后再與X1∑相除即可。表2中列出了利用該方法計算出的各電源點轉(zhuǎn)移阻抗以及手冊中的計算結(jié)果。用PSCAD計算時，結(jié)果保留4位有效數(shù)字，而手冊中結(jié)果有效數(shù)字位數(shù)則不太一致。考慮手工計算的舍入誤差，可認為二者計算結(jié)果一致。

2.3 用PSCAD化簡網(wǎng)絡阻抗圖的優(yōu)點

利用PSCAD化簡網(wǎng)絡阻抗圖具有如下優(yōu)點：

（1）可同時進行正、負、零序阻抗圖的化簡，計算快速。

（2）進行不同點的短路計算時，只需改變單位電流源元件和電壓測量元件的位置，其它不需改變。

（3）PSCAD中的阻抗圖可直接復制為圖元文件，從而方便計算書的編制。

3 結(jié)論

本文研究了以手工方式計算短路電流時，利用PSCAD化簡網(wǎng)絡阻抗圖的原理和實現(xiàn)方法。通過和已有算例的結(jié)果對比，證明了該方法的有效性，尤其在需要對多點進行短路計算時，具有快速、靈活的優(yōu)點，能顯著提高工作效率。

[1]張玉坤.短路電流計算程序設計[J].小水電，2003，4：11-13.

[2]韓禎祥.電力系統(tǒng)分析[M].杭州：浙江大學出版社，2002.

[3]傅芝蘭.電力系統(tǒng)電氣設備選擇與實用計算[M].北京：中國電力出版社，2004.