負荷模型對山東電網短路電流計算影響研究

安鵬，張友泉，張浩，李菁竹，劉曉明

（1.國網山東省電力公司，濟南250001；2.國網山東省電力公司經濟技術研究院，濟南250021）

負荷模型對山東電網短路電流計算影響研究

安鵬1，張友泉1，張浩2，李菁竹2，劉曉明2

（1.國網山東省電力公司，濟南250001；2.國網山東省電力公司經濟技術研究院，濟南250021）

“十三五”期間，特高壓交直流將大規(guī)模入魯，山東電網網架結構越來越密集，短路電流水平成為影響山東電網規(guī)劃的重要因素，甚至影響宏觀規(guī)劃決策。介紹了目前國內常用的短路電流計算程序對負荷模型的處理，以及國內各規(guī)劃運行單位在短路電流計算中對負荷模型的選擇，推導分析了輸電網故障時接于配電網的感應電動機負荷向輸電網貢獻短路電流的機理。最后以棗莊電網為例，分析了不同負荷模型及比例的選擇對電網短路電流的影響。仿真分析結果對合理計算山東電網短路電流、優(yōu)化電網網架結構具有指導意義。

短路電流；負荷模型；感應電動機

0 引言

隨著山東省電力需求的快速增長，“十三五”期間，特高壓交直流將大規(guī)模入魯，省內電源也將總體呈持續(xù)增長態(tài)勢，山東電網網架結構越來越密集。山東電網短路電流控制問題已成為影響電網規(guī)劃的重要因素，短路電流計算結果將直接影響到規(guī)劃決策。若短路電流計算過于保守，則需要大量更換開關設備或者改變網架結構，電網發(fā)展經濟性較差；若短路電流計算過于樂觀，則電網的安全穩(wěn)定運行存在隱患。

在短路電流計算中，負荷模型的選取是影響計算結果的一個重要因素，已有多位學者對其進行研究。文獻［1］從標準制定、實用計算等多方面分析了國內短路電流計算對負荷的處理現(xiàn)狀，并基于實際電網算例指出負荷模型是影響短路電流計算結果的重要因素，在短路電流計算中建議推廣使用考慮配電網絡的綜合負荷模型。文獻［2］通過理論推導提出了感應電動機定子側發(fā)生三相短路后反饋短路電流的解析表達式，并通過電磁暫態(tài)仿真手段詳細分析了不同負荷類型條件下感應電動機對輸電網短路電流水平的影響。文獻［3］基于對某實際電力系統(tǒng)的機電暫態(tài)仿真，指出當受端系統(tǒng)聯(lián)系緊密時負荷動態(tài)特性對三相短路電流周期分量的初始有效值及其在50 ms內的衰減數(shù)值影響較大。文獻［4］深入分析了感應電動機負荷特性及其對系統(tǒng)短路電流計算的影響，建立了在現(xiàn)有以恒定阻抗作為系統(tǒng)各節(jié)點負荷的短路電流計算方法中考慮適應感應電動機電磁暫態(tài)過程的短路電流修正計算方法。文獻［5-6］分析了不同短路電流計算程序或方法對負荷的選取，并比較其對短路電流計算結果的影響。

首先介紹不同的短路電流計算程序對負荷模型的選擇設置以及國內各機構短路電流計算中對負荷的處理現(xiàn)狀，其次對感應電動機影響輸電網短路電流過程進行了分析，最后以棗莊電網為例比較了不同負荷模型及比例的選擇對山東電網短路電流計算結果的影響。

1 不同短路電流計算程序負荷模型選擇

國內電網規(guī)劃運行中常用的短路電流計算程序為PSD-SCCPC［7］、PSASP［8］和PSS／E［9］。

1.1 PSD-SCCPC

PSD-SCCPC為PSD專用短路電流計算程序，負荷模型總體分為靜態(tài)負荷和感應電動機負荷。若同時選擇計及靜態(tài)負荷和感應電動機負荷，則計算程序將靜態(tài)負荷全部處理為恒定阻抗負荷，同時計及感應電動機負荷；如果選擇計及靜態(tài)負荷而不計及感應電動機負荷，則全部負荷都被處理為恒定阻抗負荷；如果既不計及靜態(tài)負荷也不計及感應電動機負荷，則全部負荷均被忽略。

1.2 PSASP

PSASP程序中負荷模型也分為恒定阻抗負荷和感應電動機負荷。在短路電路計算模塊中，從負荷模塊中提取負荷模型及比例。如果要計算不計及感應電動機負荷時的短路電流，可在負荷模塊中將感應電動機負荷比例設置為零。

1.3 PSS／E

PSS／E程序短路電流計算中，將潮流中的ZIP負荷模型統(tǒng)一轉化為恒定阻抗模型進行計算，無法模擬感應電動機模型。

2 短路電流計算負荷處理方式

中國電力科學研究院對國內6大區(qū)域電網75家規(guī)劃運行單位短路電流計算方式進行調研［1，10］。結果為29家單位在短路電流計算中忽略負荷的影響，30家單位在短路電流計算中采用靜態(tài)負荷模型，16家單位在短路電流計算中采用考慮馬達的綜合負荷模型。分布比例如圖1所示。

圖1 短路電流計算中負荷處理情況分布

可見，不同單位對短路電流計算中負荷模型選取差別較大。因負荷模型是影響短路電流計算結果的重要因素，迫切需要結合本地電網，深入研究負荷模型選擇對短路電流的影響。

3 故障時感應電動機負荷向輸電網提供短路電流途徑

感應電動機向系統(tǒng)提供短路電流的最根本原因為短路后瞬間感應電動機各繞組合成磁鏈不變，即感應電動機的次暫態(tài)電勢不變。當感應電動機的次暫態(tài)電勢大于機端電壓時，感應電動機便向系統(tǒng)注入短路電流。因此，只有與短路點電氣距離較近的感應電動機才對系統(tǒng)短路電流有較大影響。距離短路點電氣距離較遠的感應電動機，故障時向系統(tǒng)注入的短路電流可忽略。

實際中，工業(yè)用感應電動機一般接在10 kV電網，商業(yè)及民用感應電動機一般接在380 V電網。接于10 kV電網的感應電動機在輸電網（這里設定為220 kV電網）發(fā)生短路時，向220 kV電網提供短路電流的途徑為：

1）10 kV線路→220／110／11 kV變壓器；

2）10 kV線路→110／11 kV變壓器→110 kV線路→220／110／11 kV變壓器；

3）10 kV線路→110／11 kV變壓器→110 kV線路→220／110／38.5 kV變壓器；

4）10 kV線路→110／38.5／11kV變壓器→110kV線路→220／110／11 kV變壓器；

5）10 kV線路→110／38.5／11kV變壓器→110 kV線路→220／110／38.5 kV變壓器；

6）10 kV線路→35／11 kV變壓器→35 kV線路→220／110／38.5 kV變壓器；

7）10 kV線路→35／11 kV變壓器→35 kV線路→110／38.5／11 kV變壓器→110 kV線路→220／110／11 kV變壓器；

8）10 kV線路→35／11 kV變壓器→35 kV線路→110／38.5／11 kV變壓器→110 kV線路→220／110／38.5 kV變壓器。

由以上分析可見，輸電網短路瞬間，感應電動機向220 kV電網提供短路電流需經過配電網輸電線路以及變壓器等，輸電線路以及變壓器阻抗均會衰減感應電動機向輸電網注入的短路電流。其中變壓器阻抗對短路電流衰減影響相對明顯。表1為220～35 kV典型變壓器參數(shù)。

表1 220～35 kV典型變壓器參數(shù)

因此，在短路電流計算中，若將感應電動機負荷直接接入220 kV變電站的110 kV側，無疑會使短路電流計算結果偏大。

4 不同負荷模型對山東電網短路電流計算的影響

以棗莊電網為例，分析不同負荷模型對山東電網短路電流的影響。到2020年，棗莊電網擁有統(tǒng)調電廠3座（十里泉電廠，裝機容量1 980 MW；八一電廠，裝機容量300 MW；滕州熱電，裝機容量1 000 MW），特高壓交流變電站1座（棗莊特高壓站，2×3 000 MVA）、500 kV變電站2座（棗莊站，2×750+1 000 MVA；嶧城站，1×1 000 MVA），220 kV變電站17座（濟寧微山縣負荷，包括喬崗站和微山站，在棗莊電網供電），牽引站2座（東郭牽、周營牽）。

在網架結構上，形成了北部以棗莊站和滕州熱電、中部以八一電廠和十里泉電廠、南部以嶧城站供電的整體結構。在特高壓層面上，棗莊特高壓站為西電東送、北電南送的樞紐站；在500 kV層面上，棗莊電網通過棗莊—金鄉(xiāng)雙回、棗莊—沂蒙單回、嶧城—蘭陵雙回線路與山東主網連接；在220 kV層面上，棗莊電網通過十里泉電廠北送、東送線路與臨沂電網保持聯(lián)系。棗莊500 kV變電站220 kV母線分列運行。2020年棗莊電網220 kV及以上規(guī)劃地理接線如圖2所示。

圖2 2020年棗莊電網220 kV及以上電網規(guī)劃地理接線

在短路電流計算分析中，將負荷直接接于220 kV主變110 kV側。計算方式分為忽略負荷影響、考慮靜態(tài)負荷、考慮50%靜態(tài)負荷和50%感應電動機負荷、考慮100%感應電動機負荷4種情況。棗莊、嶧城兩座500 kV變電站500 kV母線短路電流情況如表2所示。

表2 500kV變電站500 kV母線短路電流kA

由表2可知，與忽略負荷影響相比，考慮靜態(tài)負荷、考慮50%靜態(tài)負荷和50%感應電動機負荷、考慮100%感應電動機負荷時，棗莊站500 kV母線單相短路電流分別增加1.043 kA、1.953 kA、2.293 kA，棗莊站500 kV母線三相短路電流分別增加0.799 kA、2.595 kA、3.243 kA；嶧城站500 kV母線單相短路電流分別增加1.068kA、1.316kA、1.443kA，嶧城站500 kV母線三相短路電流分別增加1.079 kA、1.604 kA、1.859 kA。

棗莊電網220 kV母線短路電流如表3所示。與不忽略負荷影響相比，考慮靜態(tài)負荷、考慮50%靜態(tài)負荷和50%感應電動機負荷、考慮100%感應電動機負荷時，棗莊電網220 kV母線單相短路電流平均值分別增加1.346 kA、3.373 kA、4.526 kA，三相短路電流平均值分別增加0.990 kA、4.786 kA、7.103 kA。

表3 220kV母線短路電流kA

從以上分析可以看出，考慮負荷影響時，短路電流計算值整體偏大。若在仿真分析中將感應電動機負荷直接接于110 kV母線，則感應電動機負荷對計算結果影響很大。

5 結語

目前國內常用的PSD-SCCPC、PSASP短路電流計算程序均能夠提供比較靈活的負荷模型選擇。

輸電網絡故障時，附近接于配電網的感應電動機需經過配網線路及主變向輸電網提供短路電流，仿真計算時感應電動機直接接于220 kV變電站的110 kV側會使計算結果偏大。

與不考慮負荷影響相比，考慮靜態(tài)負荷模型和感應電動機負荷模型均會使短路電流計算結果偏大，尤其以感應電動機模型對短路電流結果的影響最為明顯。隨著感應電動機負荷比例的增大，負荷對電網短路電流的影響越來越大。

在短路電流計算中，需要根據(jù)各地電網實際情況，合理選擇負荷模型及比例。建議選擇適當負荷點進行短路試驗，通過實測結果與仿真計算的對比分析得出合理的負荷模型及比例。

［1］劉楠，唐曉駿，馬世英，等.負荷模型對電力系統(tǒng)短路電流計算的影響［J］.電網技術，2011，35（8）：144-149.

［2］劉楠，張彥濤，秦曉輝.感應電動機負荷對短路電流影響機理研究［J］.電網技術，2012，36（8）：187-192.

［3］曹煒，王偉，劉蓓，等.受端電網負荷動態(tài)特性與三相短路電流相關性分析［J］.電力系統(tǒng)自動化，2011，35（5）：61-65.

［4］尹建華.考慮感應電動機負荷電磁暫態(tài)特性的系統(tǒng)短路電流計算方法［J］.南方電網技術，2010，4（3）：62-66.

［5］馮煜堯，祝瑞金，莊侃沁，等.華東電網短路電流計算標準研究［J］.華東電力，2012，40（1）：74-78．

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［7］中國電力科學研究院.PSD-SCCPC電力系統(tǒng)短路電流程序用戶手冊［Z］.北京，2009.

［8］中國電力科學研究院.電力系統(tǒng)分析綜合程序7.0版短路計算用戶手冊［Z］.北京，2010.

［9］Siemens Power Technologies International.PSS／E Program Application Guide［Z］.Germany，2009.

［10］中國電力科學研究院.國內電網短路電流調研分析報告［R］.北京，2010.

Influences of the Load Model to the Short Circuit Current in Shandong Power Grid

AN Peng1，ZHANG Youquan1，ZHANG Hao2，LI Jingzhu2，LIU Xiaoming2
（1.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China；2.Economic&Technology Research Institute，State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250021，China）

“The thirteen five-years”is a period in which“external power into Shandong”will develop in large-scale. Shandong power gird structure will be more and more intensive in future.Short circuit current will be an important factor that affects Shandong power grid planning，even the planning decision.In this paper，the calculation program of short circuit current is introduced，as well as the selection of load model in the calculation of short circuit current in the planning and operation companies.Otherwise，the way to contribute to the short circuit current of the induction motor load to the transmission network is derived and analyzed when fault happens.Finally，the influence of different load models and proportion on the short circuit current in Zaozhuang power network is analyzed.The analysis result is of practical significance for the reasonable calculation of the short circuit current and structure optimization of the network in Shandong power network.

short circuit current；load model；induction motor

TM715

A

1007－9904（2016）11－0015－04

2016-05-03

安鵬（1981），男，高級工程師，從事電網前期及規(guī)劃設計管理等工作。