基于PSD－SCCP與PSASP的短路電流計算研究

張 曼，施 超，許文超，孫文濤（.中國能源建設(shè)集團江蘇省電力設(shè)計院有限公司，江蘇南京0；.國網(wǎng)江蘇省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，江蘇南京0008）

基于PSD－SCCP與PSASP的短路電流計算研究

張 曼1，施 超1，許文超1，孫文濤2
（1.中國能源建設(shè)集團江蘇省電力設(shè)計院有限公司，江蘇南京211102；2.國網(wǎng)江蘇省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，江蘇南京210008）

PSD－SCCP與PSASP是目前國內(nèi)常用的2種短路電流計算軟件，采用不同的計算條件及計算方法，計算結(jié)果將大不相同，已影響電網(wǎng)的決策。結(jié)合現(xiàn)行常用的3種短路電流計算標準，分析了不同標準對短路電流計算影響因素的處理差異，結(jié)合等效電路研究了線路和變壓器電阻、線路電容、無功補償、靜態(tài)負荷對短路電流計算結(jié)果的影響。以“十三·五”期間某年江蘇電網(wǎng)規(guī)劃數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于PSD－SCCP與PSASP 2種軟件采用了6種不同的短路電流計算方法進行計算，并對計算結(jié)果進行比較與分析，提出了推薦意見，以期為電網(wǎng)規(guī)劃和工程前期設(shè)計中短路電流計算提供合理的參考和思路。

PSD－SCCP；PSASP；短路電流；計算方法

0 引言

隨著電力需求的日益增長，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)逐漸加強，“十二·五”以來交直流特高壓工程的建設(shè)使得全國范圍內(nèi)電網(wǎng)的互聯(lián)越來越緊密，電網(wǎng)短路電流水平超標問題日益嚴重，成為影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行最突出的問題之一［1－4］。對于江蘇電網(wǎng)而言，1000 kV淮南?南京?上海特高壓交流輸變電工程、±800 kV晉北?南京特高壓直流工程、±800 kV錫盟?泰州特高壓直流工程等已進入加速建設(shè)階段，特高壓交直流系統(tǒng)的接入加強了江蘇電網(wǎng)與外界電網(wǎng)的電氣聯(lián)系，省內(nèi)500 kV及220 kV變電站的短路電流水平也發(fā)生著變化［5－7］。

在電力系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計階段，必需進行短路電流計算。而目前短路電流計算尚無統(tǒng)一的標準，各規(guī)劃設(shè)計部門采用的計算數(shù)據(jù)、計算軟件、計算方法、計算模型及方式等不盡相同，計算結(jié)果及短路電流超標判斷存在著差異，從而影響電網(wǎng)的決策。計算結(jié)果偏大，可能會造成投資浪費，而計算結(jié)果偏小，則會給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行留下隱患。文獻［8］介紹了國內(nèi)外常用的短路電流計算標準以及方法，文獻［9］介紹了不同的元件模型對短路電流計算結(jié)果的影響，文獻［10，11］研究了負荷模型對短路電流計算結(jié)果的影響。

目前國內(nèi)電力行業(yè)計算三相短路電流最常用的軟件是PSD－SCCP及PSASP，2種軟件均提供了多種計算方法，計算結(jié)果也有差異。如文獻［12］、［13］分別基于四川、河南電網(wǎng)研究了PSD－SCCP軟件與PSASP軟件計算短路電流的方法，文獻［14］比較了PSD－SCCP與PSASP 2種軟件短路電流計算結(jié)果的差異，文獻［15］比較研究了PSASP軟件與IEC 60906標準的短路計算差異。

而現(xiàn)有文獻對短路電流影響因素的理論分析不夠充分，且相關(guān)標準引用和計算工具的運用具有一定的時間局限性。文中比較了現(xiàn)行常用的幾種短路電流計算標準之間的差異，分析了不同因素對短路電流計算結(jié)果的影響，基于PSD－SCCP與PSASP 2種軟件采用了6種不同的計算方法進行計算，并對結(jié)果進行分析比較。

1 短路電流計算標準

目前我國常見的短路電流計算標準有如下3種，各標準在計算時假設(shè)條件有所差異。

1.1國家標準

GB／T 15544.1—2013［16］與目前國際上采用的標準（IEC 60909－0：2001）是一致的，即標準，標準中對短路電流計算的假設(shè)條件如下：（1）短路類型不隨短路持續(xù)時間而變化；（2）電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不隨短路持續(xù)時間而變化；（3）變壓器的阻抗取自分接開關(guān)處于主分接頭位置時的阻抗，因為引入了變壓器的阻抗修正系數(shù)KT；（4）不計電弧的電阻；（5）除零序系統(tǒng)外，忽略線路電容、并聯(lián)導(dǎo)納、非旋轉(zhuǎn)型負載。

1.2行業(yè)標準

行業(yè)標準DL／T 559—2007［17］中對短路電流計算的假設(shè)條件如下：（1）忽略發(fā)電機、調(diào)相機、變壓器、架空線路、電纜線路等阻抗的電阻部分，并假定旋轉(zhuǎn)電機的負序電抗等于正序電抗；（2）發(fā)電機及調(diào)相機的正序電抗可采用t＝0時刻的瞬態(tài)值Xd的飽和值；（3）發(fā)電機電動勢標幺值假定為1；（4）不考慮短路電流的衰減；（5）各級電壓采用標稱電壓或者平均電壓，不考慮變壓器電壓分接頭實際位置的變動；（6）不計線路電容和負荷電流的影響；（7）不計故障點的相間電阻和接地電阻；（8）不計短路暫態(tài)電流中的非周期分量。

1.3企業(yè)標準

企業(yè)標準Q／GDW 404—2010中對短路電流計算的假設(shè)條件如下：（1）變壓器在分接頭位置明確且通常固定的情況下，可取實際位置，否則取額定位置；（2）考慮交流線路電阻、電抗、電容，以及高壓輸電線路的并聯(lián)電抗器；（3）感應(yīng)電動機可用堵轉(zhuǎn)電抗模擬。

上述3種標準對線路電阻、線路電容、無功補償、負荷等因素的處理存在一定的差異，不同的假設(shè)條件引起的短路故障點的等效電壓源和等值阻抗不同，因此計算結(jié)果也不同，如表1所示。

表1 3種標準對短路電流影響因素的處理差異Table 1 Differences on short?circuit current affecting factors between three standards

2 短路電流計算方法及影響因素

PSD－SCCP與PSASP 2種軟件均提供了2種計算方法：基于潮流計算和基于網(wǎng)絡(luò)計算。以圖1所示的簡單電力系統(tǒng)為例分析。

圖1 簡單電力系統(tǒng)Fig.1 A simple power system

2.1基于潮流計算

基于潮流計算是一種精確計算方法，各母線電壓取故障前的實際運行電壓，并且考慮線路電阻、變壓器電阻、線路電容、并聯(lián)無功補償以及負荷，變壓器變比取非標準變比。采用基于潮流計算方式時，圖1所示系統(tǒng)的等效電路如圖2所示。

圖2 基于潮流計算短路電流等效電路Fig.2 Equivalent circuit of short?circuit current calculation based on power flow

圖中：xd″為發(fā)電機等效電抗；k為變壓器變比；ZT0為升壓變壓器等效阻抗；Z1為線路阻抗；ZT1，ZT2，ZT3為降壓變壓器三側(cè)等效阻抗；ZL為靜態(tài)負荷；xc1為線路電容電抗；x2為無功補償?shù)刃щ娍?；Uf0為節(jié)點實際運行的電壓值。

2.2基于網(wǎng)絡(luò)計算

電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)多種多樣，在不同的潮流方式下，各母線的運行電壓和系統(tǒng)阻抗不一定相同，因此短路電流也有所差別。前述3種標準均推薦基于網(wǎng)絡(luò)計算短路電流，以電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，在電源安排及負荷水平相同時，短路電流計算結(jié)果與潮流分布方式無關(guān)，主要受初始條件影響。

在基于網(wǎng)絡(luò)計算條件下，通過電壓系數(shù)c控制節(jié)點的初始電壓，并忽略電阻、線路電容、無功補償、負荷，變壓器變比取標準變比，圖1所示系統(tǒng)的等效電路如圖3所示。圖中，xT0為升壓變壓器等效電抗值；x1為線路電抗；xT1，xT2，xT3為降壓變壓器三側(cè)等效電抗值；cUN為節(jié)點等效電壓源。

圖3 基于網(wǎng)絡(luò)忽略所有因素計算短路電流等效電路Fig.3 Equivalent circuit of short?circuit current calculation based on power grid ignoring all factors

短路點的等效阻抗為：

若考慮線路和變壓器電阻，等效阻抗幅值將增大，短路電流減小。

若考慮線路電容，短路點的等效阻抗為：

故Z01＞Z0，因此，考慮線路電容，等值阻抗幅值增大，短路電流減小。

若考慮并聯(lián)無功補償，短路點的等效阻抗為：

對于感性無功補償，x2＞0，故Z02＜Z0，等值阻抗幅值減小，短路電流增大。

對于容性無功補償，x2＜0，并且在實際電力系統(tǒng)中，變壓器的電抗一般小于電容器的電抗，故xT1＋xT3＋x2＜0，結(jié)合式（3）知，Z02＞Z0，等值阻抗幅值增大，短路電流減小。

若考慮靜態(tài)負荷，短路點的等效阻抗為：

由于ZL＞0，故Z03＜Z0，等值阻抗幅值減小，短路電流增大。

3 計算結(jié)果分析與比較

計算采用2種軟件，PSD－SCCP V2.1.17.b版及PSASP7.0版，基于網(wǎng)絡(luò)計算短路電流，不考慮負荷影響，電壓系數(shù)取1.1。以“十三·五”期間某年江蘇規(guī)劃電網(wǎng)為計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，選取蘇南某片區(qū)為研究對象。該片區(qū)220 kV電網(wǎng)以1座500 kV變電站及相關(guān)220 kV接入的電廠為主要電源點，形成220 kV多重環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

3.1 PSD－SCCP軟件短路電流計算結(jié)果與分析

在PSD－SCCP軟件中采用6種計算方法。

方法一：經(jīng)典假設(shè)計算條件，即考慮電阻，變壓器變比采用標準變比，忽略其他影響短路電流的因素，作為基本方案；方法二：在基本方案的基礎(chǔ)上，忽略線路和變壓器的電阻；方法三：在基本方案的基礎(chǔ)上，考慮線路充電功率，即考慮線路電容；方法四：在基本方案的基礎(chǔ)上，考慮并聯(lián)容性無功補償，即考慮并聯(lián)電容器；方法五：在基本方案的基礎(chǔ)上，考慮并聯(lián)感性無功補償，即考慮并聯(lián)電抗器；方法六：采用IEC 60909算法。

相關(guān)站點500 kV和220 kV母線短路電流計算結(jié)果如表2所示。計算結(jié)果表明：忽略電阻，短路電流增大；考慮線路電容，短路電流減小；考慮并聯(lián)電容器，短路電流減小；考慮并聯(lián)電抗器，短路電流增大；采用IEC 60906算法，短路電流最大。

表2 PSD－SCCP軟件短路電流計算結(jié)果Table 2 Short?circuit current results calculated by PSD－SCCP kA

與基本方案進行差值分析可知，電阻對短路電流的影響較小，差值分布在0～0.12 kA；線路電容對短路電流的影響差值分布在0～1.25 kA，其中出線回路數(shù)較多的母線短路電流計算結(jié)果受是否考慮線路電容影響較大，如母線ME－H、ZGQ、JT的出線相對較多，考慮線路電容后，短路電流降低0.4 kA以上，而母線XG僅有1回出線，短路電流降低0.13 kA；采用IEC 60909算法計算得到的短路電流結(jié)果最大，差值分布在0～2.34 kA；并聯(lián)電容器及并聯(lián)電抗器對短路電流的影響大小取決于節(jié)點投切電容器、電抗器的數(shù)量。一般情況下，若電網(wǎng)電源開機等其他條件保持不變，在高峰負荷時，電壓水平較低，需投入大量并聯(lián)電容器，節(jié)點短路電流將相應(yīng)減小，在電網(wǎng)低谷負荷時，電壓水平較高，需要投入大量并聯(lián)電抗器，節(jié)點短路電流將有所增大。

3.2 PSASP軟件短路電流計算結(jié)果與分析

在PSASP軟件中采用3.1節(jié)中方法一至方法五5種計算方法。計算結(jié)果如表3所示。電阻、線路電容、并聯(lián)電容器及并聯(lián)電抗器對短路電流的影響與PSD－SCCP軟件計算結(jié)果一致。與基本方案進行差值分析可知，電阻對短路電流的影響差值分布在0～0.12 kA；線路電容對短路電流的影響差值分布在0～1.65 kA，比PSD－SCCP計算稍大，同樣對于出線回路數(shù)較多的母線，短路電流計算結(jié)果受是否考慮線路電容影響較大。

表3 PSASP軟件短路電流計算結(jié)果Table 3 Short?circuit current results calculated by PSASP kA

3.3 2種軟件計算結(jié)果比較與分析

為了比較2種軟件計算算法的差異，控制片區(qū)內(nèi)500 kV變電站500 kV母線的短路電流相同，計算考慮線路及變壓器電阻，結(jié)果如表4所示。

表4 2種軟件計算結(jié)果比較Table 4 Comparison of short?circuit current results calculated by two software kA

由表4可知，PSASP軟件的短路電流計算結(jié)果比PSD－SCCP軟件計算結(jié)果大，但最大相差僅0.45 kA，可見在保持片區(qū)外部等值電路及片區(qū)內(nèi)電網(wǎng)網(wǎng)架及參數(shù)都相同時，2種軟件計算所得片區(qū)內(nèi)母線的短路電流結(jié)果基本相同，可認為2種軟件的計算算法是一致的。

4 結(jié)論

結(jié)合等效電路從理論上分析了線路及變壓器電阻、線路電容、無功補償、靜態(tài)負荷幾種因素對短路電流計算結(jié)果的影響，并基于PSD－SCCP與PSASP 2種軟件進行計算，主要結(jié)論如下：

（1）考慮線路及變壓器電阻，短路電流減?。豢紤]線路電容，短路電流減??；考慮并聯(lián)電容器，短路電流減??；考慮并聯(lián)電抗器，短路電流增大；考慮靜態(tài)負荷，短路電流增大。

（2）對同一個研究片區(qū)，控制片區(qū)外部等值電路及內(nèi)部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和參數(shù)相同時，兩種軟件短路電流計算結(jié)果基本一致，PSASP軟件計算結(jié)果稍大于PSD－SCCP軟件的計算結(jié)果。

（3）采用PSD－SCCP軟件中IEC 60906算法計算短路電流結(jié)果比其他方法偏大2 kA左右，在電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計的保守計算中，可嘗試采用此算法；根據(jù)現(xiàn)有的短路電流計算標準，結(jié)合江蘇電網(wǎng)實際特點，建議采用基于網(wǎng)絡(luò)計算，并且考慮線路及變壓器電阻，忽略線路電容和無功補償裝置，變壓器變比取標準變比。

（4）電網(wǎng)規(guī)模的擴大、互聯(lián)程度的提高、特高壓交直流輸電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)、新能源的大規(guī)模發(fā)展以及諸如統(tǒng)一潮流控制器、可控串抗、調(diào)相機等新裝置新設(shè)備的增多，為未來電網(wǎng)短路電流的計算和分析帶來了新的挑戰(zhàn)，建議相關(guān)部門根據(jù)國內(nèi)電網(wǎng)的特點盡快制定統(tǒng)一的短路電流計算標準。

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Research on Calculation of Short?circuit Current Based on PSD－SCCP and PSASP

ZHANG Man1，SHI Chao1，XU Wenchao1，SUN Wentao2
（1.China Energy Engineering Group Co.Ltd Jiangsu Electric Power Design Institute Co.，Nanjing 211102，China；2.State Grid Jiangsu Electric Power Company Economic Research Institute，Nanjing 210008，China）

PSD－CCP and PSASP are two commonly used software for short?circuit current calculation at present in domestic，however，the calculation results differs under different calculation conditions，affecting power grid planning and decision?making.With consideration of three standards for short?circuit current calculation，differences between them are analyzed，then some factors such as line and transformer resistances，line capacitors，reactive power compensation and static load affecting short?circuit current calculation results are analyzed theoretically combined with the equivalent circuit.Finally，six different short?circuit current calculation methods are adopted based on PSD－SCCP and PSASP using Jiangsu power grid planning architecture in some year during 2016－2020 as an example，and recommendations are put forward through comparing the calculation results，in order to provide reasonable reference and ideas for short?circuit current calculation in power grid planning and the early stage of project design.

PSD－SCCP；PSASP；short?circuit current；calculation method

TM713

：A

：2096－3203（2017）02－0088－06

張 曼

張 曼（1991—），女，河南周口人，工程師，從事電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計、電力系統(tǒng)仿真分析、柔性交流輸電技術(shù)研究工作；

施 超（1985—），男，江蘇鎮(zhèn)江人，工程師，從事電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計、電力系統(tǒng)仿真分析、常規(guī)電源及新能源接入系統(tǒng)研究工作；

許文超（1979—），女，江蘇鹽城人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計、輸變電工程設(shè)計、電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真研究工作；

孫文濤（1986—），男，湖北武漢人，博士，從事電網(wǎng)規(guī)劃及新能源接入系統(tǒng)研究工作。

（編輯 劉曉燕）

2016－10－11；

2016－12－27