PSASP短路電流計算方法差異及其敏感性分析

王小云，董雪濤，徐 志，劉 震，段 玉，段青熙，朱子民

(國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學研究院，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，部分地區(qū)計算的短路電流水平超標問題已日益突出。影響短路電流計算結(jié)果的因素很多，若短路電流計算結(jié)果過于保守，則經(jīng)濟性降低；若偏冒進，則電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行存在隱患。短路電流計算過程中計算方法、元件模型、計算軟件以及電網(wǎng)運行方式不同，會導致短路電流計算結(jié)論和短路電流超標判斷存在很大差異。

文獻〔1-3〕對短路電流計算標準差異做了比對分析；文獻〔4-5〕探討了不同負荷模型以及區(qū)域電網(wǎng)等值模型對短路電流計算結(jié)果的影響；文獻〔6-7〕研究了不同軟件、不同運行方式下短路電流計算結(jié)果的差異，并對產(chǎn)生原因做出了具體分析。

本文總結(jié)了現(xiàn)有短路電流計算標準的具體差異，對不同計算條件進行對比分析。國內(nèi)計算短路電流常用軟件有BPA、PSASP、PSDE-SCCP等，本文基于PSASP計算軟件，運用具體算例，對國標算法以及PSASP傳統(tǒng)算法計算短路電流結(jié)果進行比對分析，提出具體影響短路電流計算結(jié)果的敏感性因素。

1 短路電流計算方法及標準

1.1 短路電流計算方法

電力系統(tǒng)中影響短路電流計算結(jié)果的因素多種多樣，發(fā)電機內(nèi)電動勢、變壓器變比、線路電容、無功補償裝置、靜止負荷、異步電動機負荷、支路電阻、電網(wǎng)運行方式等均影響短路電流計算結(jié)果。

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

a.簡化方法可運用于手工短路計算，一般忽略線路電容、負荷電流，忽略發(fā)電機、調(diào)相機、變壓器、架空線路、電纜線路等阻抗參數(shù)的電阻部分，并假設旋轉(zhuǎn)電機負序電抗等于正序電抗，變壓器變比采用額定變比，簡化方法對計算條件的假設處理大大簡化了短路電流計算難度，手工計算簡單系統(tǒng)的短路電流時常用此方法。

b.運算曲線法事先對不同類型的機組繪制計算三相短路電流周期分量的有效值It=f(t,xjs)運算曲線，通過查相關(guān)曲線獲得單臺發(fā)電機任意時刻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)生短路時相關(guān)數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，設計計算機程序直接求取短路電流的一種計算方法，雖然過程復雜，但計算精確度顯著提高。

表1 等效電壓源電壓系數(shù)c

1.2 短路電流計算標準比對

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

表2 常用短路電流計算標準中采用計算條件比對

2 PSASP中國標算法與E”=1算法差異對比

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

1)開路電壓

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

國標算法：采用等效電壓源法，故障點處的等效電壓源為網(wǎng)絡的唯一電壓源，其他電源電動勢都視為零，并以自身內(nèi)阻抗代替，在短路點用戴維南等值算法，求取短路點的系統(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)，僅與故障點電壓等級有關(guān)。三相短路電流計算式如式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，故障點系統(tǒng)等值阻抗不同，計算得到的開路電壓也會有差異。國標算法中忽略變壓器非標準變比。

3)線路充電電容

E”=1算法中考慮交流線對地電容，并且同步發(fā)電機電抗只考慮Xd’或Xd″。國標算法中忽略線路充電電容。

4)無功補償設備

E”=1算法中考慮無功補償設備，國標算法中忽略無功補償設備。

5)負荷

E”=1算法中忽略負荷，國標算法中忽略恒阻抗負荷，僅考慮負荷中的感應電動機部分。感應電動機負荷的等值電路如圖1所示。

圖1 感應電動機負荷等值電路

感應電動機同步電抗等值參數(shù)的計算公式如下：

(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)子回路時間常數(shù)；Kz為等值電路中將機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)國標，在采用等效電壓源法進行短路電流計算時，感應電動機負荷等值為一個接地阻抗，其數(shù)值可按下式計算：

(3)

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

3 兩種算法計算結(jié)果敏感性分析

3.1 全網(wǎng)分析

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

表3 正偏差較大(前10)

表4 負偏差較大(前15)

表5 偏差較小(±0.03)

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

3.2 負荷總量影響

采用E”=1算法時，忽略負荷，故不同負荷量對E”=1算法無影響。當采用考慮國家短路計算標準條件時，忽略非旋轉(zhuǎn)負荷，僅考慮負荷中的感應電動機部分，結(jié)合式(3)可知在模型不變的情況下，增加負荷有功無功，即負荷的視在功率越大，感應電動機等值阻抗越小，則短路電流增大。由仿真計算結(jié)果可驗證變電站負荷總量越大，國標與E”=1算法差值越大。負荷總量敏感性分析數(shù)據(jù)見表6。

表6 負荷總量敏感性分析(選取差值較大母線) /kA

3.3 負荷模型影響

負荷模型中恒阻抗/馬達的百分比以及定子電抗數(shù)對短路電流均存在較大影響?，F(xiàn)將負荷模型分別改為(恒阻抗/馬達)4/6、6/4、7/3、9/1、100/0模型后重新進行短路電流計算，三相短路計算結(jié)果見下表7：

表7 負荷模型恒阻抗占比敏感性分析(選取差值較大母線) /kA

表8 負荷定子電抗敏感性分析值(40%恒阻抗) /kA

采用國標計算時考慮負荷中的感應電動機部分，在故障瞬間，感應電動機內(nèi)部的感應電動勢不能突變，因此會對系統(tǒng)產(chǎn)生注入電流。在負荷視在功率不變的情況下，負荷模型中恒阻抗比例越小，短路電流越大。當100%恒阻抗時，視為兩種計算方法均忽略負荷，國標計算與E”=1計算仍存在較小差值，主要由支路電阻、對地電容、變壓器變比等其余計算條件不同導致，差值較小也進一步說明負荷是影響兩種計算方法不同計算結(jié)果的重要因素之一。

由仿真計算結(jié)果結(jié)合圖1及式2可知，當定子電抗X1減小時，感應電動機等值阻抗減小，短路電流增大。

3.4 新能源開機與出力影響

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)全開機滿出力、全開機0.01出力、光伏全關(guān)機、雙饋全關(guān)機、直驅(qū)全關(guān)機條件，分別計算短路電流，計算結(jié)果見表9。

表9 新能源廠站出力對計算結(jié)果影響 /kA

由計算結(jié)果可知，在PSASP中，無論采用國標算法還是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系統(tǒng)的響應特性決定，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。兩種計算方法，雙饋與直驅(qū)風機均向系統(tǒng)注入短路電流，開機越多，注入短路電流越大。

3.5 新能源光伏、風機模型影響

在PSASP計算程序中，光伏模型有9型與14型，雙饋風機模型有10型和12型，直驅(qū)風機模型有11型和13型。仿真計算可知，不同光伏模型與不同雙饋風機模型對短路電流計算無影響。當直驅(qū)型風機由11型改為13型時，直驅(qū)風機匯集母線315母線短路電流國標算法下降0.34 kA，E=1”算法下降0.29 kA；909母線短路電流國標算法下降0.311 kA，E=1”算法下降0.27 kA?？梢?，不同直驅(qū)風機模型對短路電流結(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/變流器模型的差異，11型直驅(qū)發(fā)電機模型從系統(tǒng)讀取電壓，再根據(jù)電氣控制部分提供的控制變量進一步計算注入并網(wǎng)點的電流，而13型直驅(qū)風電機組被當作電流源處理，變流器等效為慣性環(huán)節(jié)。具體仿真計算結(jié)果見表10。

表10 新能源廠站出力對計算結(jié)果影響 /kA

4 結(jié)語

基于PSASP仿真平臺計算短路電流時，E=1”算法忽略負荷，不同負荷對短路電流計算結(jié)果無影響。國標算法中僅忽略非旋轉(zhuǎn)負荷，在旋轉(zhuǎn)負荷較多區(qū)域，國標計算短路電流結(jié)果通常大于E=1”計算結(jié)果。采用國標法計算，當負荷模型相同時，負荷總量越大，短路電流越大；當負荷總量相同，負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。

在新能源場站聚集區(qū)域，國標計算短路電流結(jié)果可能小于E=1”計算結(jié)果。無論基于哪種算法，光伏電站均不提供短路電流，且計算短路電流結(jié)果與新能源開機大小無關(guān)，僅與開機方式有關(guān)，開機越多，短路電流越大。雙饋風機不同模型對短路電流無影響，直驅(qū)風機不同模型對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)。