基于PSASP的電力系統(tǒng)短路故障分析

何 芳

(濱州學(xué)院 電氣工程學(xué)院，山東 濱州 256603)

在電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行,電氣設(shè)備的選擇、校驗(yàn)，配置各種繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置以及電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析中，短路電流的計(jì)算結(jié)果是不可缺少的參考依據(jù)之一[1-2]。而隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的手算越來(lái)越不能滿足工程計(jì)算的需要，基于各種計(jì)算機(jī)技術(shù)的仿真軟件應(yīng)運(yùn)而生，其中電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化平臺(tái)(PSASP)是比較常用的一個(gè)軟件。PSASP是中國(guó)電力科學(xué)院研發(fā)的一套用于電力系統(tǒng)分析的軟件包[3]，它可靠性高、計(jì)算功能強(qiáng)大、人機(jī)界面友好，真正實(shí)現(xiàn)了圖模一體化，且故障設(shè)置靈活，輸出結(jié)果多樣?；赑SASP的短路電流計(jì)算結(jié)果可以為發(fā)電機(jī)、變電站以及整個(gè)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供依據(jù)，也是合理配置各種繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置并正確整定其參數(shù)的依據(jù)。在設(shè)計(jì)和選擇發(fā)電廠和電力系統(tǒng)電氣主接線時(shí)，為了比較各種不同方案的接線圖， 確定是否需要采取限制短路電流的措施等，都要進(jìn)行必要的短路電流計(jì)算，這是電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析的基礎(chǔ)。

1 基于PSASP的電力系統(tǒng)短路計(jì)算方案

利用PSASP計(jì)算短路電流時(shí)，定義方式有兩種：基于潮流和基于方案。

基于潮流的短路計(jì)算。首先要建立電力網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型并賦予電網(wǎng)的運(yùn)行斷面，然后進(jìn)行潮流計(jì)算并收斂?；诔绷鞯亩搪酚?jì)算的數(shù)據(jù)來(lái)源于收斂的潮流計(jì)算的數(shù)據(jù)及結(jié)果。

基于方案的短路計(jì)算?；A(chǔ)數(shù)據(jù)取自所基于的方案，它是對(duì)短路計(jì)算結(jié)果的一種估算方法，在計(jì)算之前先進(jìn)行一定的設(shè)置，主要包括:(1)忽略負(fù)荷，把發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)設(shè)置為1∠00p.u；(2)變壓器變比為平均額定電壓之比，并忽略線路的電阻及導(dǎo)納支路；(3)在(2)條件下，可對(duì)“考慮電壓系數(shù)C”及“考慮負(fù)荷”兩個(gè)條件進(jìn)行選擇。

兩種方案的比較。在基于潮流進(jìn)行短路計(jì)算時(shí)，其中的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、正序參數(shù)和節(jié)點(diǎn)發(fā)電、負(fù)荷等計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均取自潮流計(jì)算的計(jì)算數(shù)據(jù)和結(jié)果。程序只計(jì)算短路電流周期分量起始值“IK”。在進(jìn)行基于方案的短路計(jì)算時(shí)，PSASP提供5種計(jì)算條件組合，其計(jì)算也需選擇一個(gè)潮流計(jì)算。該潮流計(jì)算可以沒(méi)有計(jì)算結(jié)果，即不進(jìn)行潮流計(jì)算。在這里，可以將潮流計(jì)算庫(kù)看作是短路計(jì)算庫(kù)。

1.1 基于PSASP計(jì)算短路的流程

(1)在圖模一體化平臺(tái)上建立模型并按數(shù)據(jù)組錄入原始數(shù)據(jù)，形成電網(wǎng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。(2)進(jìn)行潮流計(jì)算[4-7]形成電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行斷面。(3)進(jìn)行短路作業(yè)定義，并設(shè)置短路相關(guān)信息(短路點(diǎn)、短路類型、短路方案、短路參數(shù)設(shè)置等)。(4)執(zhí)行短路計(jì)算。(5)查看和輸出短路計(jì)算結(jié)果。

1.2 基于PSASP的外網(wǎng)等值

圖1 基于PSASP外電網(wǎng)的等值

1.3 PSASP短路計(jì)算條件的設(shè)置

(1)自定義條件。選擇該項(xiàng)時(shí)，用戶可指定計(jì)算考慮的條件，此時(shí)計(jì)算條件均可選。

(2)PSASP基本計(jì)算方法(“E”=1)。選擇該項(xiàng)時(shí)，計(jì)算條件均無(wú)效且不可選，程序按照發(fā)電機(jī)電抗后電勢(shì)為 1∠0° p.u計(jì)算全網(wǎng)開(kāi)路電壓。

(3)考慮繼電保護(hù)整定規(guī)則條件。選擇該項(xiàng)時(shí)，前10個(gè)計(jì)算條件均無(wú)效，但“忽略支路電阻”“忽略變壓器非標(biāo)準(zhǔn)變比”和“不考慮交流線對(duì)地電容(B/2)”均默認(rèn)選中。此時(shí)，程序?qū)凑绽^電保護(hù)整定規(guī)程規(guī)定的方法進(jìn)行計(jì)算。

(4)考慮國(guó)家電網(wǎng)安全穩(wěn)定計(jì)算技術(shù)規(guī)范條件。選擇該項(xiàng)時(shí)，“考慮電壓系數(shù)C”和 “考慮負(fù)荷”條件有效，且“考慮負(fù)荷為恒阻抗”和“只考慮負(fù)荷中的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)部分”兩個(gè)條件可選，此時(shí)，程序?qū)凑諊?guó)家電網(wǎng)安全穩(wěn)定計(jì)算技術(shù)規(guī)范規(guī)定的計(jì)算條件進(jìn)行計(jì)算。

(5)考慮國(guó)家短路計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)條件。選擇該項(xiàng)后，程序?qū)⒏鶕?jù)國(guó)家短路電流計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)前 7 個(gè)計(jì)算條件選擇框均不可編輯，除“忽略支路電阻”項(xiàng)外，其余各相均選中；“不考慮串聯(lián)電容器”項(xiàng)有效，默認(rèn)選中。

2 仿真計(jì)算分析

2.1 搭建電網(wǎng)模型

本文所采用的仿真模型為五節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)，如圖2所示，系統(tǒng)有5個(gè)節(jié)點(diǎn)編號(hào)為1～5，有4條線路編號(hào)為AC_1～AC_4,一個(gè)變壓器支路編號(hào)為T(mén)2W_1，兩個(gè)發(fā)電機(jī)編號(hào)為Gen_1,Gen_2，還有2個(gè)負(fù)荷編號(hào)為L(zhǎng)oad_1,Load_2。采用的仿真模型的系統(tǒng)的基礎(chǔ)容量為100 MV·A。其中發(fā)電機(jī)Gen_1為外網(wǎng)輸電線路等值出來(lái)的等值發(fā)電機(jī)，在潮流計(jì)算時(shí)將其設(shè)置為平衡節(jié)點(diǎn)。

圖2 五節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)仿真模型

2.2 基于潮流的短路計(jì)算

(1)變壓器接線方式不同，短路電流的計(jì)算結(jié)果。變壓器有4種接線方式：IG(I側(cè)接地)、JG(J側(cè)接地)、IJ(I側(cè)和J側(cè)相連)、NO(無(wú)連接)。采用不同的接線方式，各母線故障的短路電流標(biāo)幺值的大小如表1所示(AB為兩相短路、ABG為兩相接地短路、AG為單相接地短路、ABC為三相短路)，其電流的基準(zhǔn)值為0.5 kA。

(2)變壓器的接線方式對(duì)短路電流的影響。結(jié)合表1分析，由公式

(1)

(2)

可知，變壓器的接線方式對(duì)三相短路和兩相短路的故障電流沒(méi)有影響，因?yàn)橄嚅g短路不需要以接地線作為流通的回路[9]，相反，變壓器的接線方式對(duì)接地短路影響很大。

變壓器IG接線方式等同于YG/△接線方式，短路點(diǎn)和變壓器接地中性點(diǎn)形成了短路的流通回路，故X∑0≠∞。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由公式

(3)

知故障電流比較大；當(dāng)發(fā)生兩相接地故障時(shí)，由公式

(4)

(5)

可知短路電流也很大。此時(shí)兩相短路和兩相接地的短路電流不相同。

變壓器JG接線方式相當(dāng)于△/YG，當(dāng)在母線1～4發(fā)生接地短路故障時(shí)，由于短路側(cè)變壓器采用△接線，無(wú)法形成零序電流的流通回路，故X∑0≠∞;當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由公式(3)可知，故障電流為0;當(dāng)發(fā)生兩相接地故障時(shí)，由公式(4)和(5)可知，其短路電流等于兩相短路電流[10]。而母線5發(fā)生接地短路時(shí)，由于短路側(cè)變壓器采用YG接線，可以形成零序電流的流通回路，故X∑0≠∞，因此母線5處發(fā)生單相接地短路時(shí)，有比較大的短路電流。

表1 變壓器接線方式改變時(shí)，短路電流計(jì)算的標(biāo)幺值

變壓器的IJ和NO接線方式，由于變壓器中性點(diǎn)不接地，故無(wú)法形成零序電流的流通回路，故X∑0≠∞，因此在母線1～5處發(fā)生單相接地短路時(shí)，由公式(3)～(5)可知，故障電流為0，發(fā)生兩相接地短路時(shí)，其短路電流等于兩項(xiàng)短路電流。

2.3 基于方案的短路計(jì)算

基于方案的不同算法模型，短路計(jì)算結(jié)果如表2所示。由于設(shè)置中主要考慮電壓系數(shù)C和負(fù)荷模型兩個(gè)因素，故主要討論電壓系數(shù)C和負(fù)荷模型對(duì)短路電流的影響。

表2 不同算法模型，短路電流計(jì)算的標(biāo)幺值

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化平臺(tái)(PSASP)搭建了一個(gè)常用的五節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)模型，進(jìn)行了各種短路故障的計(jì)算，并分析了基于潮流的短路計(jì)算時(shí)，變壓器的接線方式對(duì)不對(duì)稱短路電流的影響；以及基于方案的短路計(jì)算時(shí)，電壓系數(shù)和負(fù)荷模型對(duì)三相對(duì)稱短路電流的影響。