不同等值方法對遼寧電網(wǎng)短路電流計算的影響研究

李常信，張明理，史 喆

（國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟技術研究院，遼寧 沈陽 110015）

專論

不同等值方法對遼寧電網(wǎng)短路電流計算的影響研究

李常信，張明理，史 喆

（國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟技術研究院，遼寧 沈陽 110015）

提出了一種新的電網(wǎng)等值思路，即骨干電網(wǎng)等值法，它通過配網(wǎng)向主網(wǎng)等值和主網(wǎng)向骨干電網(wǎng)等值兩步來簡化處理待等值電網(wǎng)?；赑SD－BPA軟件搭建東北－華北地區(qū)數(shù)據(jù)庫計算短路電流水平，比較采用不同等值方法研究對遼寧電網(wǎng)主網(wǎng)不同電壓層級短路電流的影響。研究了不同等值方法的時間魯棒性和待等值電網(wǎng)的電氣參數(shù)分布對本地區(qū)電網(wǎng)的影響。

短路電流；PSD－BPA；特高壓；骨干電網(wǎng)；網(wǎng)孔等值

特高壓電網(wǎng)［1－5］規(guī)劃進入東北地區(qū)“十三五”規(guī)劃，必然對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)造成非常大的影響。隨著電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的變化尤其是負荷密集地區(qū)電氣聯(lián)系增大，主網(wǎng)的短路電流超標問題已成為威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要因素。

無論是調(diào)度系統(tǒng)用的PSASP軟件，還是發(fā)展策劃系統(tǒng)用的PSD－BPA軟件都因為各種原因需要對非本地區(qū)電網(wǎng)進行等值［6－8］以便簡化計算，而不同的等值方法對短路電流的影響都需要進行深入的研究。

文獻［9］對負荷模型對電力系統(tǒng)短路電流計算的影響進行了深入的研究；文獻［10］對網(wǎng)孔等值法在電力系統(tǒng)短路電流計算中的應用進行了深入的研究；文獻［11－12］分別研究了500kV電網(wǎng)短路電流超標機理和限制500kV電網(wǎng)短路電流的網(wǎng)架調(diào)整優(yōu)化算法。文獻［13］提出了能最大限度降低被等值網(wǎng)信息損失的緩沖網(wǎng)的概念。為了保持電網(wǎng)完整性，不降低電網(wǎng)的供電能力，在實際操作中，500kV線路不會解環(huán)運行，目前降低短路電流水平的措施主要是500kV主變分裂運行、220kV線路解環(huán)、500kV主變中性點加裝小電抗、采用高阻抗變壓器等。文獻［14－15］介紹了故障電流限制技術及其新進展，但是性價比較高的故障電流限制裝置在電網(wǎng)主網(wǎng)架層面上應用還比較少。

本文在參考現(xiàn)有等值方法的基礎上提出骨干電網(wǎng)等值法，雖然表面上計算量較大，但是待等值電網(wǎng)的參數(shù)由于國家電網(wǎng)公司推行“三通一標”理念具有相似性，可大大減少計算量。

1 電網(wǎng)規(guī)劃與短路電流計算需要研究的問題

1.1 電網(wǎng)規(guī)劃

2020年底遼寧規(guī)劃投產(chǎn)3座特高壓變電站，兩回特高壓線路與吉林特高壓相聯(lián)，四回特高壓線路分別與扎魯特特高壓變電站、赤峰特高壓變電站相聯(lián)，兩回與唐山特高壓變電站相聯(lián)。2020年底，遼寧與周邊地區(qū)500kV及以上聯(lián)絡線如圖1所示。

圖1 2020年底遼寧電網(wǎng)500kV及以上電網(wǎng)規(guī)劃

1.2 計算需要研究的問題

東北地區(qū)包含黑、吉、遼三省及蒙東地區(qū)，除遼寧以外的地區(qū)電網(wǎng)規(guī)模和遼寧地區(qū)基本相當，所以在系統(tǒng)穩(wěn)定、短路電流計算等方面就不能簡單等值以簡化計算，而對這些地區(qū)電網(wǎng)采用不同的等值方法對遼寧電網(wǎng)計算結(jié)果究竟存在什么樣的影響需要進行深入研究，這些地區(qū)電網(wǎng)電氣參數(shù)的分布對遼寧地區(qū)短路電流的影響也需要深入研究。

現(xiàn)狀電網(wǎng)的主網(wǎng)架參數(shù)可以從系統(tǒng)內(nèi)得到，而電網(wǎng)規(guī)劃、電源規(guī)劃分屬不同的單位，信息不能得到很好的掌握。如果待等值地區(qū)電網(wǎng)的變化能夠?qū)Ρ镜貐^(qū)電網(wǎng)的短路電流計算帶來較大的影響，那么在無法得到準確規(guī)劃信息的情況下對本地區(qū)進行短路電流計算將失去其價值和意義。

2 骨干電網(wǎng)等值法

本文提出了骨干電網(wǎng)等值法，骨干電網(wǎng)定義為能最大程度代表待等值網(wǎng)信息的電網(wǎng)，由于省間220kV聯(lián)絡線基本上都已解環(huán)運行，骨干電網(wǎng)電壓等級定為500kV及以上。骨干電網(wǎng)等值法分兩步，第一步：配網(wǎng)（對于規(guī)模較大電網(wǎng)，220kV電網(wǎng)也可以定義為配網(wǎng)）向主網(wǎng)等值。第二步：主網(wǎng)向骨干電網(wǎng)等值。由于并網(wǎng)于配網(wǎng)的機組容量較小且配網(wǎng)大都是輻射狀網(wǎng)，配網(wǎng)向主網(wǎng)等值相對來說比較容易；主網(wǎng)向骨干電網(wǎng)等值就需要辨識、判斷主網(wǎng)某個部分在整個電網(wǎng)中的價值。對于1座500kV變電站，如果220kV側(cè)無并網(wǎng)機組（或者有并網(wǎng)機組但容量非常小，可以忽略），這座500kV變電站的220kV電網(wǎng)向500kV側(cè)等值；如果220kV側(cè)有大容量機組并網(wǎng)，則保留大容量機組，220kV電網(wǎng)往500kV變電站220kV母線等值；依據(jù)上述原則，等值后的電網(wǎng)還可以進一步等值，即實施一種隨著電壓等級升高逐級收縮戰(zhàn)略。等值前本地電網(wǎng)與待等值電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于主干電網(wǎng)的日益堅強，為降低電磁環(huán)網(wǎng)現(xiàn)象的發(fā)生，2座500kV變電站之間的220kV聯(lián)絡線按解環(huán)處理。實施第一輪等值后即形成待等值電網(wǎng)的初級骨干電網(wǎng)，如圖3所示。再實施一輪等值即可以得到比較精煉的能較大保留待等值網(wǎng)真實信息的骨干電網(wǎng)。

3 等值方法的研究及時效性分析

3.1 在短路電流方面的影響

工程實踐應用中一般用網(wǎng)孔等值法來簡化處理復雜電力網(wǎng)絡以計算短路電流，但使用網(wǎng)孔等值法的假定條件（如：只有發(fā)電機能有對地支路、系統(tǒng)不能進行無功補償、所有發(fā)電機電勢強制為1）存在諸多缺陷，與實際電網(wǎng)非常不符；電力系統(tǒng)仿真計算軟件一般在聯(lián)絡線的待等值側(cè)掛電源以簡化處理，但是這種方式僅僅可以保證聯(lián)絡線上的潮流可以按照聯(lián)絡線潮流控制協(xié)議向本地輸送潮流。這種處理方式不適合實施簡化處理前后本地區(qū)電網(wǎng)短路電流變化較大的情況。本文分4種情況計算短路電流。

圖2 等值前本地電網(wǎng)與待等值電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖3 等值后本地電網(wǎng)與待等值電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

第一種，不使用等值即東北－華北地區(qū)全網(wǎng)計算短路電流。

第二種，使用骨干電網(wǎng)等值法，對蒙東地區(qū)電網(wǎng)、黑龍江省電網(wǎng)、吉林省電網(wǎng)使用骨干電網(wǎng)等值法進行等值。

第三種，使用網(wǎng)孔等值法對蒙東地區(qū)電網(wǎng)、黑龍江省電網(wǎng)、吉林省電網(wǎng)在其與遼寧電網(wǎng)的500kV聯(lián)絡線處進行等值。

第四種，在遼寧電網(wǎng)與蒙東地區(qū)電網(wǎng)、黑龍江省電網(wǎng)、吉林省電網(wǎng)的聯(lián)絡線對端掛能提供大致按照省間聯(lián)絡線潮流控制的電源。

使用PSD－BPA搭建2020年底東北－華北地區(qū)數(shù)據(jù)庫，使用上述4種方法計算短路電流。重點觀測的500kV母線是與外網(wǎng)關系比較緊密的500kV變電站的母線，重點觀測的220kV母線是與外網(wǎng)關系比較緊密的500kV變電站內(nèi)220kV母線相鄰的220kV變電站的220kV母線。使用4種方式計算短路電流500kV層、220kV層短路電流分別見表1、表2所示（以三相短路電流為例）。

表1 4種情況500kV母線短路計算結(jié)果kA

表2 4種情況220kV母線短路計算結(jié)果kA

由表1可以看出，采用不同等值方式對500kV側(cè)短路電流計算存在較大的影響，影響的大小與受關注母線與省間聯(lián)絡斷面的電氣距離有很大關系，某些差值甚至能達到2 kA。由表2可以看出，無論采用什么等值方式，220kV母線短路電流變化非常小。

3.2 時間魯棒性

由于電網(wǎng)規(guī)劃的滾動、多變性質(zhì)，需要研究待等值電網(wǎng)同一種等值方式結(jié)果的時間魯棒性，假定待等值電網(wǎng)與本地電網(wǎng)的聯(lián)絡線不變，改變待等值電網(wǎng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)以研究等值方式結(jié)果的時間魯棒性。假定待等值系統(tǒng)每年增加或者相當于增加2個500kV變電站系統(tǒng)，本地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)假定不變，計算1個周期（按5年計算）內(nèi)待等值電網(wǎng)對本地區(qū)電網(wǎng)重點關注的500kV母線、220kV母線短路電流的影響；同樣，假定本地區(qū)電網(wǎng)每年增加或者相當于增加2個500kV變電站系統(tǒng)，計算一個周期（按5年計算）內(nèi)待等值電網(wǎng)對本地區(qū)電網(wǎng)重點關注的500kV母線、220kV母線短路電流的影響；新增500kV變電站系統(tǒng)的位置以遠離待等值電網(wǎng)與本地區(qū)電網(wǎng)之間的聯(lián)絡斷面為宜。第四種在聯(lián)絡線掛等值機的方式不用考慮時間魯棒性。

定義等值方法的時間魯棒性：一個周期內(nèi)第i年（i為1～5），采用同一種等值方法，待等值電網(wǎng)新增兩個500kV變電站系統(tǒng)后本地區(qū)第j個受關注母線的短路電流與待等值電網(wǎng)新增500kV變電站系統(tǒng)前本地區(qū)第j個受關注母線的短路電流的比值；在一個周期內(nèi)，對某個受關注母線的影響取均值；其值越接近1，說明其時間魯棒性越好。

采用3種等值方法500kV層、220kV層的時間魯棒性如圖4、圖5所示，可見，采用不同的等值方法對500kV層、220kV層的影響差別較大，骨干電網(wǎng)等值法在500kV層表現(xiàn)出優(yōu)越性，在220kV層，采用不同的等值方法影響差別不大。

不同等值方法對500kV短路電流的影響比對220kV短路電流的影響大得多，500kV及以上電網(wǎng)結(jié)構(gòu)對500kV側(cè)短路電流影響較大，220kV短路電流受周邊變壓器阻抗、大容量機組影響較大，但即使在同一電壓等級影響程度也不盡相同，這取決于關注母線的周邊電網(wǎng)環(huán)境。

圖4 3種等值方法計算短路電流的時間魯棒性分析（500kV層）

圖5 3種等值方法計算短路電流的時間魯棒性分析（220kV層）

3.3 電氣參數(shù)分布的影響

為了研究待等值電網(wǎng)電氣參數(shù)分布情況對本地區(qū)電網(wǎng)短路電流計算的影響，考慮待等值電網(wǎng)距本地電網(wǎng)遠端和近端分別增加2個500kV變電站系統(tǒng)來研究對本地區(qū)短路電流的影響。按照本地區(qū)某母線短路電流在待等值電網(wǎng)新增500kV系統(tǒng)前后的比值來研究待等值電網(wǎng)電氣參數(shù)的分布對本地區(qū)電網(wǎng)短路電流的影響。結(jié)果如圖6所示，由圖6可知，待等值電網(wǎng)的電氣參數(shù)分布對本地區(qū)500kV層短路電流的計算存在較大影響，對220kV層短路電流計算影響較小。結(jié)合受關注母線在本地區(qū)電網(wǎng)所處的位置，可以得出一個簡單結(jié)論：本地區(qū)500kV層短路電流變化的幅度與待等值電網(wǎng)電氣參數(shù)變化的地區(qū)和本地區(qū)受關注母線的電氣距離大體成負相關關系。

圖6 待等值電網(wǎng)電氣參數(shù)分布對短路電流的影響分析（500kV、220kV層）

4 結(jié)論

等值前后對本地區(qū)短路電流的影響，既取決于等值方法的選擇，也取決于待等值電網(wǎng)與本地區(qū)電網(wǎng)的規(guī)模比較情況，同時待等值電網(wǎng)的電氣參數(shù)分布也對重點關注母線的短路電流結(jié)果存在較大影響。

不同等值方式的時間魯棒性不同，采用時間魯棒性較強的等值方式對保證短路電流計算結(jié)果的準確性起到非常重要的作用。

對于省級電網(wǎng)規(guī)劃工作，計算500kV短路電流盡量全網(wǎng)計算，不能全網(wǎng)計算的，也盡量獲得待等值電網(wǎng)的500kV及以上網(wǎng)絡，計算220kV短路電流可以對非本地區(qū)電網(wǎng)進行簡化處理，對計算結(jié)果影響非常小。

隨著計算機技術、通信技術、電力系統(tǒng)仿真技術的發(fā)展，基于一體化平臺的全網(wǎng)參數(shù)共享、網(wǎng)絡共享、平臺共享、結(jié)果共享將是未來的發(fā)展趨勢。

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Study on the Influence of Short?circuit Current Calculation for Liaoning Power Grid by Using Different Grid Equivalent Methods

LI Chang?xin，ZHANG Ming?li，SHI Zhe
（Economic Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110015，China）

This paper puts forwards a new idea of network equivalence that is the backbone power grid equivalence.It simplifies the power grid by two steps.Realizing equivalence from the power distribution network to the main electric power network；Realizing equiv?alence from the main electric power network to the backbone power grid.This paper sets up the northeast of China and the north of Chi?na database based on power system simulation software of PSD?BPA to calculate the short?circuit current.This paper also has an influ?ence research on the short?circuit current of the different voltage classes of Liaoning main electric power network by using the different grid equivalent methods.This paper also has a research on the time robustness of the different grid equivalent methods.Electrical pa?rameters influence of the distribution for the equivalent power grid to Liaoning power grid is also studied.

Short circuit；PSD?BPA；Extra?high voltage；Backbone power grid；Mesh equivalence

TM31

A

1004－7913（2016）07－0001－04

李常信（1982—），男，碩士，工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃工作。

2016－05－05）