電網短路容量測試儀開發

鄧樸 薛毅 張廣梅 陳薇

摘 要：母線短路容量是電力系統運行與控制所需的關鍵參數，在線測量短路容量對電網實現可觀性和可控性至關重要。本文提出了一種通過投切并聯電容器引起的非故障干擾來測量電網母線短路容量的方法，利用該方法可以準確地計算出短路容量。在此基礎上，開發了用于現場測試和研究的樣機。本文分別基于MATLAB/Simulink和RTDS建立了變電站母線的離線和實時仿真模型。各種工況的仿真分析均表明，該短路容量測試儀結果的測量誤差小于5%，在技術上易于使用和推廣。

關鍵詞：電力系統;短路容量;實時仿真

中圖分類號：TM76;TK3 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）28-0121-05

Development of Short Circuit Capacity Tester for Power Grid

DENG Pu1 XUE Yi1 ZHANG Guangmei2 CHEN Wei3

（1.Power Grid Planning and Research Center， Guizhou Power Grid Co.， Ltd，Guiyang Guizhou 550002;2. Liupanshui Power Supply Bureau，Liupanshui Guizhou 553000;3.School of Electrical Engineering， Guizhou University，Guiyang Guizhou 550025）

Abstract： The short-circuit capacity is a key parameter required for power system operation and control. This paper presented a method to measure the short-circuit capacity of power grid bus by switching the non fault interference caused by shunt capacitor， which can accurately calculate the short-circuit capacity. Based on this， a prototype was developed for field testing and research. In this paper， it established models for substation bus measurements based on MATLAB/Simulink and RTDS. The simulation analysis of various situations shows that the measurement error of the results of this developed short-circuit capacity tester is less than 5%， which is easy to use technically.

Keywords： power systems;short-circuit capacity;real-time simulation

長期以來，電力系統短路容量的計算一直面臨著復雜性、及時性和準確性的問題。電網的不斷擴展，使得短路容量計算的數據規模較大，難以管理和維護。這導致短路容量的計算跟不上電網的變化，給電網運行帶來了很多問題。由于短路容量計算的復雜性和及時性，短路容量計算所需的實際電網拓撲和組件參數庫常常不可用，導致配電網保護的正確運行率較低。作為電力系統中最重要的技術因素之一，短路容量的數據要求涵蓋了電網規劃、設計、施工、運行和維護的各個階段[1，2]。在過去的幾十年間，雖然國內外研究出了一些獲取電網短路容量的方法[3，4]，但如何就地、實時地獲取母線短路容量，仍是當前電網測量技術中的緊迫問題。

因此，當前電力系統需要一種能就地測量短路容量而又不會造成故障干擾的方法，且該方法不會對當前電網運行狀態造成影響，以彌補計算的局限性。電力行業至今尚未發明實用化的短路容量測量方法，尚無一種通用的儀器、裝置或設備可以準確地就地測量電網短路容量。本文提出了一種新的非故障就地測量電網母線短路容量的技術，并在此基礎上開發出一臺樣機，用于現場試驗與研究。

1 測量法的基本原理

本文所述的母線短路容量是母線三相短路容量，是由電網正序阻抗網絡在電網母線節點的戴維南等值電抗（也稱為系統短路阻抗）所決定的[5-9]。電網中的待測變電站母線如圖1所示。

單獨考察某一母線時，可以將母線及其所聯系的電力系統用圖2表示。為了實現抽象描述，可以把母線上的若干饋線負荷和若干電容器組歸并為一個負荷和一組電容器，如圖2所示。

測量法的原理：利用母線上已知容量為QC并聯無功補償設備，可以是并聯電容器，也可以是并聯電抗器，通過對其投入或切除產生母線注入擾動，產生一定的壓差[ΔV]，測量擾動前后母線電壓有效值[V1]、[V2]及擾動前后電壓矢量的角度差[θ];測量擾動之前從母線送出的總有功功率值[PL]和總無功功率值[QL]。根據上述數值即可解算出母線短路容量[S]。

具體步驟如下。

①對于圖2所示的一般意義下的電力系統及其變電站，構建電路模型如圖3所示。

圖3中，[Es]為系統內電勢，[Zld]是根據母線上所有負荷計算出的阻抗，其計算公式如下：

[Zld=V21PL+jV21QL]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式（1）中，[PL]和[QL]為母線所帶全部負荷的有功和無功功率，[V1]為電容器切除前的電壓。

②將電容器用穩定工況下電流源表示，電流大小等于此時的電容器電流，電容器元件用電流源[IC]表示，圖3電路模型轉化為如圖4所示的電路模型。[IC]由式（2）計算得到。

[IC=V21QC]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，[QC]為電容器的補償容量。

③待無功補償電容器被切除后，其電路模型如圖5所示。此時，電路中的激勵源僅由系統內電勢[Es]作用。電容電流單獨作用時，其電路模型如圖6所示，此時短接[Es]只剩下電流源[IC]作用于電路。需要說明的是，此工況僅有嚴格的計算意義，并不對應實際場景，因為不存在電容器單獨作用下可以運行的電網，但這不影響本文在電路建模及計算方法層次上的正確性。

④在實施測量后，可以測得電容切除前的電壓幅值[V1]、電容切除后的電壓幅值[V2]、電容切除前后電壓的相位差[θ]。根據圖4、圖5和圖6，可得到圖7所示的矢量圖，該矢量三角形反映的是電容投切前后不同電路拓撲下的矢量關系?；诖耍疚恼业搅死碚撋系娜毕菟鸬恼`差，提出了理論上精確的測量原理。

⑤圖7中，[V1]是電容器切除前的母線電壓;[V2]是電容器切除后的母線電壓;[ΔV]是電容器的等效電流源單獨作用時產生的壓降。求出[ΔV]是本測量算法的關鍵。根據圖7所示的相量圖，可得到如下公式：

[ΔV=V21+V22-2V1V2cosθ]? ? ? ? ? ? ?（3）

⑥根據圖5，可得到如下公式：

[ΔVZLD+ΔVZs=IC]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式（4）中，僅[Zs]是未知變量，在已知阻感比條件下可以解出[Zs];該母線短路容量[S]的標幺值為[1Zs]，進一步求出短路容量[S]。

3 現場試驗

3.1 試驗平臺介紹

實時仿真儀RTDS（Real Time Digital Simulation System，RTDS）是數字仿真技術、計算機技術和并行處理技術發展的產物，其不僅具有數字仿真的特點，而且更重要的是并行處理技術的采用和專門硬件的設計保證了RTDS運行的實時性和具有閉環測試的能力，可以在50μs的步長上完成較大規模電力系統的實時仿真運行。RTDS分為硬件板卡和軟件平臺，硬件板卡主要包括GPC/PB5、GTAI/AO、GTDI/DO等。其中，PB5板卡主要完成電力系統節點計算;GTAI/AO板卡即模擬量輸入/輸出板卡;GTDI/DO板卡即數字量輸入/輸出板卡，負責將RTDS仿真器產生的信號通過小信號的形式輸出或將外部信號輸入RTDS仿真器中。軟件平臺名為RSCAD（Real-time Simulator CAD），是一個人機交互的圖形化用戶界面，也是RTDS仿真器的應用軟件。RSCAD中包含了電力系統、控制元件模型庫及編譯器，用戶可以根據自身仿真需要在DRAFT界面搭建一次/二次電力系統模型、電力電子小步長模型等，編譯成功后，可在RUNTIME界面搭建實時仿真監測模型，實時模擬電網各項運行或故障狀態。

3.2 試驗方案

在實時仿真和樣機試驗時，使用國家標準推薦算例《三相交流系統短路電流計算：第5部分：算例》（GB∕T 15544.5—2017），算例拓撲如圖8所示。該系統為50Hz三相交流測試拓撲結構，其中有母線8條（編號為①～⑧）和其他電氣設備。在三相短路時，母線①～⑧為短路點，在線路對地短路時，母線②～⑤為短路點。在網絡的110kV系統中有三個接地點，即變壓器T4、發電廠設備S1（G1+T1）及饋線Q2。

基于MATLB/Simulink離線仿真平臺建立和RTDS實時仿真平臺分別搭建上述標準算例模型。在進行RTDS試驗時，待測母線的三相電壓信號將通過RTDS的GTAO板卡和GTAI板卡輸出，并通過功率放大器接入試驗樣機。試驗接線原理圖如圖9所示。

試驗步驟如下。

①基于MATLAB/Simulink離線仿真平臺搭建標準算例模型，在10kV母線處分別設置五種工況對短路容量測試儀進行仿真試驗，并記錄下五組離線仿真的測量值。

②基于RTDS實時仿真平臺搭建該標準算例模型，并按圖9所示完成試驗接線。運行RTDS模擬電網模型，待模型編譯成功后，通過RUNTIME界面可實時監控模擬電網運行狀態，確保電網模型的正確性。

③打開并運行功率放大器，此時RTDS模型的電壓信號已由RTDS硬件板卡GTAO模擬量輸出板卡輸入到功率放大器中。根據比例系數，檢驗并核對輸出電壓與RTDS的一致性。

④啟動短路容量測試儀樣機，待測量程序啟動后，在RTDS上RUNTIME界面進行并聯電容器的投切操作，即刻樣機將根據本文所述的測量算法計算出短路容量和短路電流。基于RTDS的樣機調試試驗如圖10所示。

⑤在與步驟（1）相同的五種工況下，在RTDS實時仿真平臺上用短路容量測試儀對10kV母線處進行試驗，記錄下實時仿真的五組測量值，并與待測母線短路容量理論值及離線仿真結果進行比較，計算測量誤差并分析。工作中的樣機如圖11所示。

4 試驗結果對比分析

4.1 典型工況下的交叉驗證仿真

為了確保仿真可信，本試驗采用了兩種完全不同的仿真器和仿真工具包開展交叉驗證仿真，即同時使用RTDS和MATLAB/Simulink兩種仿真器進行仿真，當兩種仿真器在各種仿真場景下都得到相同的仿真結果時，即認為仿真有效，否則持續查找問題，排除建模過程中可能出現的一切錯誤和不當，直至交叉驗證通過。本試驗設置了五種典型工況，下面以工況1為例進行說明。

工況1是指標準算例中，同步發電機G1和G2并網運行，10kV母線空載運行。此時，電網各節點短路容量應該具有最大值。

工況1下的試驗1：在RTDS模型的10kV空載母線處投入一組50MVar的并聯電容器，觀察母線處在投入并聯電容器前后的電壓波形，如圖11（a）所示，讀出電壓在投入前后系統穩定運行時的電壓差值[ΔU]為0.792kV;在MATLAB/Simulink模型的10kV空載母線處投入一個50MVar的并聯電容器，觀察母線處在投入并聯電容器前后的電壓波形，如圖12（b）所示。

從圖12可知，在相同的投電容擾動下，兩種仿真暫態波形變化規律相同;觀察投電容前后電壓穩態數值差：RTDS模型下為0.792kV，MATLAB/Simulink模型下為0.797kV。該工況下交叉驗證一致。

工況1下的試驗2：在RTDS模型的10kV空載母線處放置三相短路電流故障，觀察母線處的三線短路電流波形，如圖13（a）所示，讀出此時的短路電流有效值[Ik]為25.48kA;在MATLAB/Simulink模型的10kV空載母線處放置三相短路電流故障，觀察母線處的三線短路電流波形，如圖13（b）所示，讀出此時的短路電流有效值[Ik]為25.51kA。

從圖13可知，在參數設置相同的三相短路故障下，兩種仿真暫態波形變化規律相同;觀察二者三相短路電流有效值：RTDS模型下為25.48kA，MATLAB/Simulink模型下為25.51kA。該工況下交叉驗證一致。

4.2 仿真試驗結果分析

五種典型工況交叉一致后，即可在RTDS對短路容量測試儀進行樣機調試試驗，將試驗結果與MATLAB/Simulink離線仿真結果進行對比分析。仿真結果如表1所示。

從表1可以看出，MATLAB/Simulink離線仿真的測試結果與RTDS實時仿真的測試結果在五種工況下基本一致，而兩個平臺所得測量結果的最大誤差為2.27%和1.81%，這兩個最大誤差的仿真工況為負荷參數設置為（150+j100）MVA，短路容量參數設置為200MVA。該工況下負荷參數與短路容量參數設置大小相近，屬電網運行的極端情況。該工況下依然能保證測量精度，充分說明了本文提出的測量原理及其所開發樣機測量的精確性。

本文提出的短路容量測量方法在原理上解決了以往就地測量方法的精確性問題，具備實用價值。

5 結語

本文提出的電網母線短路容量的非故障測量方法具有較高的精確性。該方法不需要完整的電網參數，具有安全性、方便性和及時性，有效彌補了短路容量計算的局限性?；诒疚脑?，可延伸結算相鄰變電站短路容量，從而形成區域電網短路容量監測系統，還可層層發掘下游價值，滿足電力行業多方面需求，可將其應用至電壓穩定性在線監測、繼電保護整定值在線檢驗等多個領域。

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