面向BPA規(guī)劃電網(wǎng)短路電流計(jì)算一次設(shè)備零序參數(shù)的取值方法

何必倫，曹 煒，衛(wèi)皇蒞，桂世成，王 超

(上海電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，上海 200090)

目前，某些地方電網(wǎng)的部分500 、220 kV變電站存在單相短路電流大于三相短路電流的情況，有些分區(qū)500 kV主變220 kV側(cè)母線單相短路電流非常接近50 kA，甚至超過斷路器的遮斷電流50 kA。因此，單相與三相的短路電流校核一樣重要[1]。

BPA程序[2-4]中的電力系統(tǒng)模型參數(shù)是否精確對于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，而變壓器、輸電線路作為聯(lián)絡(luò)電網(wǎng)的重要元件，其參數(shù)的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的分析計(jì)算的可靠性與準(zhǔn)確性。對于規(guī)劃網(wǎng)架中單相短路電流接近甚至超過限額的站點(diǎn)，零序參數(shù)的取值將直接影響到單相短路電流計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響規(guī)劃方案的選擇。因此，獲取準(zhǔn)確的電網(wǎng)擴(kuò)建規(guī)劃的一次設(shè)備參數(shù)具有重要意義。

一般來說，變壓器、線路的正序、負(fù)序參數(shù)比較容易獲取，誤差也較小，而變壓器零序參數(shù)涉及主變鐵芯類型、接線型式及其中性點(diǎn)接地方式；交流線路零序阻抗參數(shù)與線路的架設(shè)方式、避雷線設(shè)置以及大地電阻等都有關(guān)系；未建模的較低電壓等級的等值網(wǎng)絡(luò)零序參數(shù)更是與變壓器中性點(diǎn)接地點(diǎn)的布置有關(guān)[5]。上述種種因素影響到電網(wǎng)擴(kuò)建規(guī)劃中單相短路電流計(jì)算值，因此，電網(wǎng)擴(kuò)建規(guī)劃中需抓住主要忽略次要問題，給出對應(yīng)零序卡的取值方法。

本文將理論計(jì)算、數(shù)據(jù)分析分別引入某地方電網(wǎng)分區(qū)500 kV主變零序電抗的計(jì)算和分區(qū)內(nèi)220 kV線路阻抗和變壓器等值電抗參數(shù)測算中，根據(jù)某地方電網(wǎng)的實(shí)際情況，指出基于PSD-BPA平臺(tái)短路電流計(jì)算的電網(wǎng)零序參數(shù)取值方法的總體思路及方法。最終，用該方法得出規(guī)劃電網(wǎng)零序參數(shù)值分別填入PSD-BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序?qū)?yīng)的零序參數(shù)卡片中，并校核規(guī)劃年某地方電網(wǎng)的單相短路電流，提出相關(guān)建議，具有重要的工程實(shí)踐意義，該方法對其他地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃仿真零序參數(shù)取值方法的研究應(yīng)用有借鑒作用。

1 基于PSD-BPA單相短路電流計(jì)算的原理

中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)的單相接地短路電流[6-8]為

(1)

式中Uf為短路發(fā)生前故障點(diǎn)的正常工作電壓；Z+、Z-、Z0分別為故障點(diǎn)的正、負(fù)和零序阻抗，分別代表正、負(fù)和零序網(wǎng)絡(luò)的故障點(diǎn)自阻抗。

Z+、Z-的大小與短路點(diǎn)對電源的電氣距離有關(guān)，比較容易確定，而Z0的大小則受中性點(diǎn)接地點(diǎn)布置等諸多因素的影響，在電網(wǎng)運(yùn)行仿真中可根據(jù)實(shí)際情況確定，而在電網(wǎng)規(guī)劃階段卻不易確定。

圖1 主網(wǎng)系統(tǒng)接線Figure 1 Main network system wiring

圖2 分區(qū)零序示意Figure 2 Partition of zero sequence diagram

2 零序參數(shù)取值方法分析

2.1 整體研究思路

研究思路如圖3所示，研究所用數(shù)據(jù)源由某地方電網(wǎng)已運(yùn)行變壓器的出廠參數(shù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及BPA中的實(shí)測數(shù)據(jù)組成。

圖3 研究思路Figure 3 Research framework

對于500 kV主變，大部分都采用3個(gè)單相自耦電力變壓器組成的三相變壓器組，根據(jù)其出廠參數(shù)理論計(jì)算零序參數(shù)，并且填入PSD-BPA中相應(yīng)的XO卡中；結(jié)合變壓器、線路零序參數(shù)的影響因素和實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，對線路、220 kV主變零序參數(shù)取值，基于試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到線路、220 kV主變零序/正序參數(shù)比值，通過相應(yīng)的比值分別計(jì)算線路零序參數(shù)、220 kV主變高壓側(cè)母線下級等值零序電抗，然后填入PSD-BPA中相應(yīng)的LO、XR卡中。最終根據(jù)確定的電網(wǎng)規(guī)劃仿真中零序參數(shù)的取值方法，校核規(guī)劃年某地方電網(wǎng)500 kV變電站主變220 kV側(cè)母線單相短路電流，并基于PSD-BPA平臺(tái)短路電流計(jì)算的電網(wǎng)零序參數(shù)取值方法和規(guī)劃電網(wǎng)單相短路電流校核的結(jié)果，給出相關(guān)建議和措施。

2.2 某地方電網(wǎng)500 kV主變壓器零序參數(shù)取值方法的確定

根據(jù)某地電網(wǎng)未來2～3年的500 kV輸變電項(xiàng)目建設(shè)計(jì)劃，500 kV變電站的擴(kuò)建、主變壓器的增容等工程既需要增加新的500 kV變壓器，也需要在500 kV主變壓器中性點(diǎn)處加裝小電抗，來限制規(guī)劃電網(wǎng)500 kV變電站母線單相短路電流的超標(biāo)。

在實(shí)際工作中，面向PSD-BPA短路電流計(jì)算的電網(wǎng)500 kV變壓器零序電抗取值大多數(shù)是照搬已經(jīng)運(yùn)行的同容量變壓器參數(shù)。隨著主變接線運(yùn)行方式以及主變中性點(diǎn)接地電抗值的變動(dòng)，以往的做法不再適用。

PSD-BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序中變壓器零序參數(shù)XO卡的填寫，首先，應(yīng)根據(jù)變壓器的接線方式和鐵心結(jié)構(gòu)，計(jì)算其零序等值電路和零序參數(shù)的標(biāo)幺值，然后，采用本卡填寫變壓器所有等值支路的參數(shù)[3]。

目前，某地電網(wǎng)每個(gè)分區(qū)的500 kV主變壓器都采用3個(gè)單相自耦電力變壓器組成的三相變壓器組，其三相繞組的聯(lián)接形式均為YNa0d11，其中性點(diǎn)接地方式包括直接和經(jīng)小電抗接地2種。對于由3個(gè)單相變壓器組成的三相變壓器組，每相的零序主磁通與正序主磁通一樣，都有獨(dú)立的鐵芯磁路，其零序勵(lì)磁電抗與正序的相等[7]。因此，根據(jù)某地電網(wǎng)500 kV主變壓器的的實(shí)際情況，本文采用理論計(jì)算的方法求解其零序電抗[9-11]。

(2)

根據(jù)新規(guī)劃，單相自耦電力變壓器容量參考《電力工程設(shè)計(jì)手冊》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)，求出新規(guī)劃的自耦變零序電抗標(biāo)幺值。當(dāng)主網(wǎng)規(guī)劃中500 kV自耦變的中性點(diǎn)接地電抗發(fā)生變化時(shí)，也可根據(jù)式(2)計(jì)算其零序電抗標(biāo)幺值。

2.3 某地方電網(wǎng)220 kV主變高壓側(cè)母線下級等值零序電抗取值方法的確定

根據(jù)某地電網(wǎng)近年來220 kV輸變電項(xiàng)目的建設(shè)計(jì)劃，220 kV變電站的擴(kuò)建、主變壓器的增容等工程既需要增加新的220 kV變壓器，也需要根據(jù)電網(wǎng)的需求改變主變中性點(diǎn)接地方式及接地?cái)?shù)量。

在實(shí)際電網(wǎng)中，成千上萬的負(fù)荷元件連接在10 kV及以下電壓等級的配網(wǎng)中，但是要詳細(xì)描述110 kV及以下的配網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)勢必造成計(jì)算速度慢、計(jì)算效率低等諸多問題。因此在實(shí)際計(jì)算中，各網(wǎng)、省公司的規(guī)劃、運(yùn)行以及設(shè)計(jì)部門一般采用一定的等值方法，在較高的電壓等級上對下級進(jìn)行零序等值。在主網(wǎng)規(guī)劃短路電流計(jì)算仿真中，使用BPA在220 kV主變高壓側(cè)母線對下級網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行零序等值，其零序等值電抗填寫在BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序中的XR卡中。

通過對BPA穩(wěn)定文件中各個(gè)單位220 kV主變零序參數(shù)數(shù)據(jù)整理統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)220 kV變電站零序通路都只考慮到110 kV側(cè)位置為止。在短路計(jì)算中，華北等地區(qū)電網(wǎng)相關(guān)部門將負(fù)荷掛在220 kV變電站110 kV電壓等級上，并對220 kV變電站中性點(diǎn)接地的主變壓器各支路的零序參數(shù)詳細(xì)填寫，如圖4中A變電站所示，其中，k1、k2為故障發(fā)生時(shí)復(fù)合序網(wǎng)中零序網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)；華東等地區(qū)電網(wǎng)相關(guān)部門將負(fù)荷掛在220 kV變電站220 kV電壓等級上，對220 kV站主變各支路零序參數(shù)并未填寫，但會(huì)將220 kV母線零序通路進(jìn)行等值計(jì)算后掛在220 kV母線，如圖4中B變電站所示。

圖4 500 kV站帶1片220 kV電網(wǎng)的零序網(wǎng)絡(luò)Figure 4 A zero sequence network of 500 kV station with one 220 kV power grid

上述2種方式都是經(jīng)過BPA數(shù)據(jù)調(diào)研得到的結(jié)果。當(dāng)220 kV變壓器高壓側(cè)對下級零序等值時(shí)，通常采用變壓器高壓側(cè)母線加零序電壓、中低壓側(cè)開路測得零序電抗。一般情況下零序參數(shù)不方便獲取，對于新規(guī)劃的220 kV主變，可通過出廠參數(shù)或《電力工程設(shè)計(jì)手冊》得出正序參數(shù)，用正序電抗典型參數(shù)來替代其零序電抗。

2.4 新規(guī)劃的220 kV線路LO卡零序參數(shù)取值方法的確定

根據(jù)理論計(jì)算線路阻抗的特點(diǎn)以及大量阻抗參數(shù)實(shí)測結(jié)果分析，擴(kuò)建規(guī)劃的線路零序阻抗參數(shù)可參考區(qū)域內(nèi)同一導(dǎo)線型號的同一導(dǎo)體地線、單回和同桿雙回架設(shè)方式，計(jì)算取得零序/正序電抗比值XL0/XL以及零序、正序電阻差RL0-RL[13]。

數(shù)據(jù)分析技術(shù)在商業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用很多，在電力系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用也逐步開展起來[14-18]。構(gòu)建某地電網(wǎng)220 kV線路實(shí)測零序/正序電抗比值預(yù)測方法。雖然其整體分布形態(tài)未知，但是根據(jù)中心極限定理，只要從總體中抽取的樣本容量n足夠大(n>30)，則由這些樣本組成的樣本均值的抽樣分布都近似于正態(tài)分布，即可由此推斷一定置信水平下的總體均值μ的區(qū)間。

總體均值的區(qū)間推斷理論，可供選擇的抽樣分布有Z、T分布，分析此處的已知條件： 樣本容量n>30，進(jìn)而可以計(jì)算出樣本均值以及樣本標(biāo)準(zhǔn)差S，但是總體分布形態(tài)位置、總體標(biāo)準(zhǔn)差σZ未知。由此，可以選擇Z分布來推斷總體均值μZ的區(qū)間，并且采用樣本標(biāo)準(zhǔn)差S來代替總體標(biāo)準(zhǔn)差σZ參與計(jì)算。

在一定置信水平1-α下，基于Z分布的總體均值區(qū)間推斷公式為

(3)

對于新規(guī)劃的220 kV輸電線路，可通過出廠參數(shù)或《電力工程設(shè)計(jì)手冊》計(jì)算其正序參數(shù)，并根據(jù)總體均值μZ的置信區(qū)間區(qū)間求出其零序電抗，最后填寫到BPA仿真軟件暫態(tài)穩(wěn)定程序LO卡中。

3 零序參數(shù)取值方法誤差分析

3.1 XO卡取值方法替換前后誤差分析

對于已經(jīng)投入運(yùn)行的500 kV主變，用出廠參數(shù)計(jì)算出的變壓器零序電抗替換PSD-BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序中已投入運(yùn)行的變壓器實(shí)測的零序參數(shù)XO卡值，并計(jì)算某地電網(wǎng)分區(qū)500 kV變電站220 kV側(cè)母線單相短路電流，然后，與XO卡替換前分區(qū)500 kV變電站220 kV側(cè)母線單相短路電流比較，其單相短路電流誤差如表1所示，可以看到單相短路電流最大的誤差不超過0.746%，小于常規(guī)短路電流計(jì)算的允許誤差。因此，在電網(wǎng)的規(guī)劃階段，500 kV主變零序參數(shù)采用理論計(jì)算值代替實(shí)測值是可行的。

表1 各分區(qū)500 kV變電站220 kV側(cè)母線單相短路電流誤差(XO卡)Table 1 Single phase short circuit current error of 220 kV side bus in a 500 kV substation of each partition (XO card) %

3.2 LO卡取值方法替換前后誤差分析

以某地電網(wǎng)多個(gè)分區(qū)為典型場景，使用PSD-SCCP分析14個(gè)典型場景的BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序中500 kV主變220 kV側(cè)線路零序參數(shù)，某種220 kV線路零序與正序電抗的比值如圖5所示，除少部分誤差數(shù)據(jù)，可以看到大部分的比值都落在2～3之間，這與理論計(jì)算相符。

圖5 某種220 kV線路零序/正序電抗比值Figure 5 Zero/positive sequence reactance ratio of a 220 kV transmission line

考慮線路參數(shù)數(shù)據(jù)地域等其他因素，在給定顯著水平0.05下、置信度95%的估計(jì)區(qū)間計(jì)算衍生變量作為預(yù)測結(jié)果，以某地電網(wǎng)220 kV線路廠測參數(shù)和零序試驗(yàn)參數(shù)為基礎(chǔ)，預(yù)測同桿雙回、單回線路零序/正序電抗比值，使用SPSS軟件分析的結(jié)果如表2所示。

表2 基于Z分布的220 kV同桿線路實(shí)測零序/正序電抗比值Table 2 Measured zero/positive sequence reactance ratio in 220 kV circuit transmission lines on the same tower based on Z-distribution

從表2可以看出，無論是同桿雙回還是單回線路，其零序/正序電抗比值的上、下限不會(huì)超出平均值的±10%。因此，以某地電網(wǎng)為例，將各個(gè)分區(qū)的LO卡值變動(dòng)10%，計(jì)算500 kV變電站220 kV側(cè)母線單相短路電流，計(jì)算結(jié)果如表3所示，可以看出單相短路電流誤差最大不超過0.81%，小于常規(guī)短路電流計(jì)算的允許誤差。因此同桿雙回線路和單回線路零序電抗與正序電抗的比值一般就取平均值。對于新規(guī)劃的220 kV輸電線路，可通過出廠參數(shù)或《電力工程設(shè)計(jì)手冊》計(jì)算出正序參數(shù)，并根據(jù)上述比值求出其零序電抗，最后填寫到BPA仿真軟件暫態(tài)穩(wěn)定程序LO卡中。

表3 LO卡變動(dòng)10%時(shí)各分區(qū)500 kV變電站220 kV側(cè)母線單相短路電流誤差Table 3 Single phase short circuit current error of 220 kV side bus in a 500 kV substation with 10% variation of LO card %

3.3 XR卡取值方法替換前后誤差分析

當(dāng)220 kV變壓器高壓側(cè)對下級零序等值時(shí)，通常采用變壓器高壓側(cè)母線加零序電壓、中低壓側(cè)開路測得零序電抗。假設(shè)所統(tǒng)計(jì)的220 kV聯(lián)結(jié)組標(biāo)號為Yn/Yn/D、Yn/D變壓器高壓繞組中性點(diǎn)均接地，分析上海電網(wǎng)220 kV主流變壓器零序/正序電抗比值的離散程度，雙繞組變壓器零序/正序電抗比值如圖6所示，其比值主要分布在0.80～1.05之間；三繞組變壓器零序/正序電抗比值如圖7所示，其比值主要分布在0.95～1.05之間。

圖6 雙繞組變壓器零序/正序電抗比值Figure 6 Zero/positive sequence reactance ratio of double winding transformer

圖7 三繞組變壓器高低壓測零序/正序電抗比值Figure 7 Zero/positive sequence reactance ratio of high-low voltage sides in a three winding transformer

為了分析上述不同比值所對應(yīng)零序電抗對500 kV站220 kV側(cè)母線單相短路電流的影響。將全部掛在220 kV變電站的高壓側(cè)母線的單臺(tái)雙繞組變壓器零序阻抗變動(dòng)20%，三繞組變壓器高低壓側(cè)零序電抗之和變動(dòng)10%，基于PSD-BPA平臺(tái)分析500 kV站220 kV側(cè)母線單相短路電流誤差，如表4所示，500 kV站220 kV側(cè)母線單相短路電流變化率最大值為1.780 2%?？紤]到實(shí)際規(guī)劃新加的220 kV中性點(diǎn)接地主變的數(shù)量占比小，220 kV雙繞組、三繞組中性點(diǎn)接地主變采用正序電抗代替其零序電抗，故此處零序電抗的變動(dòng)值和數(shù)量均小于上述情況，其誤差見表4，最大值為0.362 5%，滿足評估規(guī)劃電網(wǎng)單相短路電流水平的可信度。因此，對于電網(wǎng)新規(guī)劃、未知的單臺(tái)220 kV中性點(diǎn)接地主變，可以用正序電抗典型參數(shù)代替其零序電抗。

表4 500 kV站220 kV側(cè)母線單相短路電流誤差Table 4 Single phase short-circuit current error of 220 kV side bus in a 500 kV substation

4 結(jié)語

1)某地電網(wǎng)500 kV系統(tǒng)主變?nèi)坎捎?個(gè)單相自耦變組成的三相變壓器組。由于主變的擴(kuò)建或其中性點(diǎn)接地電抗的變動(dòng)，故新規(guī)劃500 kV主變在BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序XO卡中的填寫值取主變零序參數(shù)理論計(jì)算值。

2)對于220 kV部分?jǐn)U建規(guī)劃的線路零序阻抗參數(shù)，可參考區(qū)域內(nèi)同一導(dǎo)線型號的同一導(dǎo)體地線、單回和同桿雙回架設(shè)方式，計(jì)算取得零序/正序電抗比值XL0/XL、零序、正序電阻差RL0-RL。通過數(shù)據(jù)分析，預(yù)測出220 kV單回和同桿雙回線路零序/正序電抗比值，LO卡取其正序電抗標(biāo)幺值與零序/正序比值樣本均值的乘積。

3)針對電網(wǎng)新規(guī)劃、未知的單臺(tái)220 kV中性點(diǎn)接地主變，其高壓側(cè)對下級零序等值通常采用變壓器高壓側(cè)母線加零序電壓、中低壓側(cè)開路，將所測零序電抗填入XR卡中，可以用正序電抗典型參數(shù)代替其零序電抗。

通過對短路電流誤差的分析，證明以上3種取值方法有足夠的精度，是完全能夠滿足工程要求的。