基于PSASP短路計算的外網實用等值方法*

李明念，楊秀

(上海電力學院 電氣工程學院， 上海 200090)

0 引 言

隨著特高壓網架的建設以及電力系統的逐步互聯和市場化，全國同步電網的規模將越來越大[1]。限于仿真軟件計算規模限制，直接對這樣大的電力系統進行仿真計算、穩定性分析將會越來越困難[2-3]。因此在實際工程計算中，對所需研究分析的區域重點關注，對離此區域較遠或者影響較小的區域適當簡化，可以減少計算工程量、仿真軟件規模限制以及精度和速度的矛盾。

目前很多學者就電網等值進行了研究，并已取得了一些很有價值的成果。根據研究目的不同，電網等值可以劃分為靜態等值和動態等值兩種方法[4]。靜態等值基于代數方程簡化，保證等值前后電網潮流的一致性[5]，主要應用于處理大規模電力系統穩態問題。相關研究已相對比較成熟，但當原系統有成千上萬個節點時，簡化計算工作量巨大[6-7]。動態等值是保證內部系統動態主要特性不畸變的前提下對外部系統進行簡化[8]。目前主要的動態等值方法包括同調等值法、模式等值法和估計等值法[9-11]。其中同調等值法由于物理透明度大、概念清晰，已廣泛應用于電力系統中[12-13]。另一方面，隨著系統的互聯和擴大，短路電流水平不斷攀升，短路電流超標問題嚴重影響電網的安全穩定運行。如果在等值過程中既能保留交流系統的強度同時能保證等值前后短路電流水平一致[14]，那么對于短路電流分析將具有重要意義。

目前新疆烏魯木齊電網短路電流超標問題已成為影響該地區電網安全運行最為突出的問題之一。為此擬串入電抗器限制短路電流，但電抗的串入會影響斷路器的開斷性能，因此需建立烏市電磁暫態仿真模型對其加以分析。從滿足后續電磁暫態仿真要求的考慮，提出了一種基于PSASP短路計算的區域電網實用等值方法，借助軟件中故障仿真功能，將短路電流納入等值過程中考慮的指標，保證等值前后系統內部的短路電流水平基本一致。

1 等值的先決條件和模型

當對一個大規模互聯電力系統的某一部分進行分析和研究時，將所關心的部分稱為內部網絡、對其他區域僅需考慮對內部網絡的影響，不必詳細描述，將這一部分稱為外部網絡[15]。大規模電力系統劃分為內部網絡和外部網絡如圖1所示。

圖1 內部網絡和外部網絡

在圖1中，{B}表示邊界節點，{G}表示外部網絡發電機節點、{L}表示外部網絡負荷節點。等值化簡之前，內部網絡與外部網絡通過邊界節點相連接，等值之后外部網絡降階簡化，內部網絡通過邊界節點與外網等值模型連接構成等值后系統。

在等值過程中，為保證等值簡化網絡能夠最大保留原網絡的特性，應滿足以下條件：

(1)保留內部網絡的邊界母線，外部網絡用與邊界母線數量相等的等值發電機或者負荷來等效；

(2)等值前后網絡內部線路潮流分布不變；

(3)等值前后網絡內部母線和邊界母線上的電壓不變；

(4)等值前后網絡內部主網架以及邊界所有母線的短路電流不變。

2 實用等值方法步驟

根據等值先決條件以及考慮不同電壓等級線路對短路電流貢獻量有所不同，對于外網文中將220 kV及以上主網架線路簡化為等值機通過邊界母線與內部網絡相連接，將110 kV及以下線路簡化為負荷模型通過邊界母線與內部網絡相連接。對于內部網絡220 kV及以上線路保持不變，110 kV及以下線路等值為負荷模型。短路電流計算時，發電機可以看作次暫態電抗和戴維南等效電壓源串聯組成的戴維南等效電路[16]。以一個只有4條邊界母線的系統為例，系統等值簡化后的結構如圖2所示。

圖2 等值網絡結構

2.1 負荷模型參數確定

對等值前原系統進行潮流計算，為保證等值前后系統的潮流不變，統計該邊界母線所有外送功率，累加后作為該等值負荷總功率值，連接于邊界母線。此外，負荷模型可以選擇為基于恒阻抗的靜態負荷和考慮感應電動機的綜合負荷模型。由于負荷模型是影響短路電流計算的重要因素[17]，選擇考慮感應電動機的綜合負荷模型作為等值負荷，其感應電動機負荷比例為原網絡該等值邊界鄰近典型模型參數。

2.2 等值電抗參數確定

為保證等值前后系統短路電流水平一致，如何構造各邊界母線等值機串聯電阻值成為了關鍵。等值電抗值取決于外網通過邊界母線對內網短路電流注入量。考慮到三相短路故障引起短路電流超標問題最嚴重，文中只需求取網絡正序等值參數。對等值前原網絡某邊界母線設置三相短路故障進行短路計算，得到該邊界母線的短路電流值。由疊加原理可知，該邊界母線短路電流來源于內部網絡和外部網絡對該母線短路總貢獻量。如圖3所示為某邊界節點三相短路故障示意圖。

圖3 三相短路示意圖

如果能求得內網對邊界母線短路電流總貢獻量I1，則可知外網對邊界母線短路電流貢獻值，即:

I2=If-I1

(1)

進而可求得等值電抗參數為:

(2)

式中各參數均為標幺值。

利用牛頓迭代法求解外網短路電流貢獻值，進而得到等值電抗。牛頓法求解等值電抗流程圖如圖4所示。

圖4 阻抗值求解流程圖

圖4為求解僅有一條邊界母線情形，但外網等值邊界母線不可能只有一條，當存在多個等值邊界時利用該方法采用多點等值。在每一條邊界母線設置初始值，采用牛頓法同時迭代計算，直至短路電流接近于或等于真值。

2.3 等值發電機參數確定

(3)

由于只考慮三相對稱短路，負序電抗值與正序電抗值相同，即:

(4)

忽略發電機轉子慣量對暫態短路電流的影響，即轉子慣量時間常數Tj取無窮大：

Tj=∞

(5)

3 等值方法的評價指標

3.1 靜態潮流對比

對大電網等值過程中，內部網架搭建正確與否以及等值負荷的功率值大小需要通過靜態潮流比對來確定，可對比等值前后保留線路有功功率和母線電壓，觀察其誤差是否在可接受范圍之內。如果誤差較大，則需要檢查內部網架搭建是否完整以及不斷調整等值負荷的功率值直至誤差在允許范圍之內。對等值前后系統進行靜態潮流比對是校核短路電流一致性的前提和基礎[18]。

根據實際工程經驗，評價指標為等值前后絕對值誤差在1%以內。

(6)

式中x前表示等值前網絡保留線路有功功率和母線電壓；x后表示等值后網絡保留線路有功功率和母線電壓。

3.2 短路電流校核

短路電流校核即對比等值前后系統在某一故障情形下保留線路母線短路電流水平。如果兩者相近，則表明等值簡化系統與原系統具有相同或近似故障響應特性，等值效果良好。

根據實際工程經驗，評價指標取為等值前后絕對值誤差在5%以內。

(7)

式中x前表示等值前網絡保留線路母線短路電流水平；x后表示等值后網絡保留線路母線短路電流水平。

4 實際電網等值過程

4.1 等值范圍確定

以西北電網2017年夏季大運行數據為對象進行等值。烏魯木齊市220 kV及以上主網架如圖5所示，其中紅色標識線路為E′后續重點仿真分析線路, 虛線圓圈內為擬保留網絡。根據保留外網廠站規模的不同，國際上將外部網絡建模大致分為3種[19-21]：

(1)直接等值模式，將研究區域以外網絡直接等值為一個規模較小的等值網絡，該等值方法等值范圍確定容易，等值過程較簡單，但等值精度不高；

(2)緩沖網絡等值模式，保留少量外網廠站的詳細模型作為緩沖網，而將其他部分等值簡化，該方法在簡化外網基礎上可減少其對內部研究網絡帶來的誤差影響，等值效果較好；

(3)未等值模式，保留詳細外網結構和參數進行建模，建模精度高但是難度巨大，仿真速度很慢。

圖5 烏魯木齊電網示意圖

由圖5可知，后續重點研究廠站化工園、矸石電廠、華泰熱電廠以及烏石化電廠與擬定外部系統電氣連接緊密，為盡量減小等值簡化對后續電磁暫態仿真帶來的誤差，選擇緩沖網絡等值模型方式修正等值邊界，將原定內部網絡與長寧變電站、三宮變電站、八戶梁變電站等連接線路納入緩沖網絡，根據不同電壓等級選擇18個邊界等值點，如表1所示。

表1 等值邊界母線

4.2 等值參數確定

4.2.1 負荷模型確定

根據上述確定的邊界母線，將擬保留和緩沖網絡(以下統稱內部網絡)與外部網絡通過三相斷線故障的形式從PSASP軟件中隔離。在PSASP中對原系統進行潮流計算，統計110 kV邊界母線向外部網絡輸送功率，累加作為該邊界母線等值負荷值。負荷模型根據原系統該邊界母線鄰近負荷模型參數設定。

4.2.2 等值機參數確定

220 kV及750 kV邊界母線所連外網等值為發電機模型。對原網絡利用PSASP在每個邊界母線逐一設置三相對稱短路故障，得到邊界母線短路電流值。按照上述牛頓迭代法，僅需要8次就基本逼近真值，求出等值電抗。發電機選擇為E′恒定的經典二階模型，電壓值為等值前網絡邊界母線電壓。等值機模型參數如表2所示。

4.3 等值結果校核

根據前文的理論分析，等值前后網絡的潮流和短路電流特性應該基本一致。為驗證等值結果是否符合要求，文中對等值前后潮流分布和故障短路電流進行比對，判斷其是否滿足上文所述評價指標。

表2 等值機參數

4.3.1 潮流對比分析

選擇后續重點仿真線路為監測對象，將PSASP計算的等值前網絡潮流結果與等值模型在ATP-EMTP中仿真測量得到的潮流結果進行比對，結果如表3、表4所示。

由表3、表4結果可知，利用文中方法建立的等值模型，有功功率和節點電壓誤差均低于1%，滿足評價指標要求。潮流比對結果表明，該等值是合理的。

表3 潮流比對結果

表4 節點電壓比對結果

4.3.2 短路電流對比分析

為校核等值結果，在PSASP原網絡中對后續重點仿真線路廠站逐一進行三相短路計算，得到典型廠站的短路電流值。在等值系統的ATP-EMTP平臺上，同樣對相同廠站進行三相短路計算。網絡等值前PSASP計算的短路電流和等值后ATP-EMTP計算結果的對比結果如表5所示。

表5 短路電流比對結果

從表5可以看出，等值前后重點研究線路節點短路電流水平基本一致，最大誤差為-2.75%，滿足評價指標要求。短路電流比對結果表明，該等值是合理的。

5 結束語

基于西北電網2017年夏季大運行方式下PSASP數據包基礎參數，研究了適用于電磁暫態仿真的實用快速等值方法。根據后續研究的目的性，在等值過程中遵循潮流分布和短路電流一致性原則，提出了基于PSASP短路電流計算的等值方法。對等值前后潮流分布和短路電流水平比對，表明了所提出方法的正確性和有效性。該等值方法簡化電網并能保留原電網的主要特性，搭建的電磁暫態仿真模型可以代替原網絡進行后一步研究。