基于PSASP的電力系統短路故障分析

何 芳

(濱州學院 電氣工程學院，山東 濱州 256603)

在電力系統的設計、運行,電氣設備的選擇、校驗，配置各種繼電保護和自動裝置以及電力系統暫態穩定分析中，短路電流的計算結果是不可缺少的參考依據之一[1-2]。而隨著電網規模的不斷擴大，傳統的手算越來越不能滿足工程計算的需要，基于各種計算機技術的仿真軟件應運而生，其中電力系統綜合自動化平臺(PSASP)是比較常用的一個軟件。PSASP是中國電力科學院研發的一套用于電力系統分析的軟件包[3]，它可靠性高、計算功能強大、人機界面友好，真正實現了圖模一體化，且故障設置靈活，輸出結果多樣。基于PSASP的短路電流計算結果可以為發電機、變電站以及整個電力系統的設計和運行提供依據，也是合理配置各種繼電保護和自動裝置并正確整定其參數的依據。在設計和選擇發電廠和電力系統電氣主接線時，為了比較各種不同方案的接線圖， 確定是否需要采取限制短路電流的措施等，都要進行必要的短路電流計算，這是電力系統暫態穩定分析的基礎。

1 基于PSASP的電力系統短路計算方案

利用PSASP計算短路電流時，定義方式有兩種：基于潮流和基于方案。

基于潮流的短路計算。首先要建立電力網的數學模型并賦予電網的運行斷面，然后進行潮流計算并收斂。基于潮流的短路計算的數據來源于收斂的潮流計算的數據及結果。

基于方案的短路計算。基礎數據取自所基于的方案，它是對短路計算結果的一種估算方法，在計算之前先進行一定的設置，主要包括:(1)忽略負荷，把發電機的電動勢設置為1∠00p.u；(2)變壓器變比為平均額定電壓之比，并忽略線路的電阻及導納支路；(3)在(2)條件下，可對“考慮電壓系數C”及“考慮負荷”兩個條件進行選擇。

兩種方案的比較。在基于潮流進行短路計算時，其中的電網結構、正序參數和節點發電、負荷等計算基礎數據均取自潮流計算的計算數據和結果。程序只計算短路電流周期分量起始值“IK”。在進行基于方案的短路計算時，PSASP提供5種計算條件組合，其計算也需選擇一個潮流計算。該潮流計算可以沒有計算結果，即不進行潮流計算。在這里，可以將潮流計算庫看作是短路計算庫。

1.1 基于PSASP計算短路的流程

(1)在圖模一體化平臺上建立模型并按數據組錄入原始數據，形成電網的基礎數據庫。(2)進行潮流計算[4-7]形成電網的穩態運行斷面。(3)進行短路作業定義，并設置短路相關信息(短路點、短路類型、短路方案、短路參數設置等)。(4)執行短路計算。(5)查看和輸出短路計算結果。

1.2 基于PSASP的外網等值

圖1 基于PSASP外電網的等值

1.3 PSASP短路計算條件的設置

(1)自定義條件。選擇該項時，用戶可指定計算考慮的條件，此時計算條件均可選。

(2)PSASP基本計算方法(“E”=1)。選擇該項時，計算條件均無效且不可選，程序按照發電機電抗后電勢為 1∠0° p.u計算全網開路電壓。

(3)考慮繼電保護整定規則條件。選擇該項時，前10個計算條件均無效，但“忽略支路電阻”“忽略變壓器非標準變比”和“不考慮交流線對地電容(B/2)”均默認選中。此時，程序將按照繼電保護整定規程規定的方法進行計算。

(4)考慮國家電網安全穩定計算技術規范條件。選擇該項時，“考慮電壓系數C”和 “考慮負荷”條件有效，且“考慮負荷為恒阻抗”和“只考慮負荷中的感應電動機部分”兩個條件可選，此時，程序將按照國家電網安全穩定計算技術規范規定的計算條件進行計算。

(5)考慮國家短路計算標準條件。選擇該項后，程序將根據國家短路電流計算標準進行計算，此時前 7 個計算條件選擇框均不可編輯，除“忽略支路電阻”項外，其余各相均選中；“不考慮串聯電容器”項有效，默認選中。

2 仿真計算分析

2.1 搭建電網模型

本文所采用的仿真模型為五節點電力系統，如圖2所示，系統有5個節點編號為1～5，有4條線路編號為AC_1～AC_4,一個變壓器支路編號為T2W_1，兩個發電機編號為Gen_1,Gen_2，還有2個負荷編號為Load_1,Load_2。采用的仿真模型的系統的基礎容量為100 MV·A。其中發電機Gen_1為外網輸電線路等值出來的等值發電機，在潮流計算時將其設置為平衡節點。

圖2 五節點電力系統仿真模型

2.2 基于潮流的短路計算

(1)變壓器接線方式不同，短路電流的計算結果。變壓器有4種接線方式：IG(I側接地)、JG(J側接地)、IJ(I側和J側相連)、NO(無連接)。采用不同的接線方式，各母線故障的短路電流標幺值的大小如表1所示(AB為兩相短路、ABG為兩相接地短路、AG為單相接地短路、ABC為三相短路)，其電流的基準值為0.5 kA。

(2)變壓器的接線方式對短路電流的影響。結合表1分析，由公式

(1)

(2)

可知，變壓器的接線方式對三相短路和兩相短路的故障電流沒有影響，因為相間短路不需要以接地線作為流通的回路[9]，相反，變壓器的接線方式對接地短路影響很大。

變壓器IG接線方式等同于YG/△接線方式，短路點和變壓器接地中性點形成了短路的流通回路，故X∑0≠∞。當發生單相接地故障時，由公式

(3)

知故障電流比較大；當發生兩相接地故障時，由公式

(4)

(5)

可知短路電流也很大。此時兩相短路和兩相接地的短路電流不相同。

變壓器JG接線方式相當于△/YG，當在母線1～4發生接地短路故障時，由于短路側變壓器采用△接線，無法形成零序電流的流通回路，故X∑0≠∞;當發生單相接地故障時，由公式(3)可知，故障電流為0;當發生兩相接地故障時，由公式(4)和(5)可知，其短路電流等于兩相短路電流[10]。而母線5發生接地短路時，由于短路側變壓器采用YG接線，可以形成零序電流的流通回路，故X∑0≠∞，因此母線5處發生單相接地短路時，有比較大的短路電流。

表1 變壓器接線方式改變時，短路電流計算的標幺值

變壓器的IJ和NO接線方式，由于變壓器中性點不接地，故無法形成零序電流的流通回路，故X∑0≠∞，因此在母線1～5處發生單相接地短路時，由公式(3)～(5)可知，故障電流為0，發生兩相接地短路時，其短路電流等于兩項短路電流。

2.3 基于方案的短路計算

基于方案的不同算法模型，短路計算結果如表2所示。由于設置中主要考慮電壓系數C和負荷模型兩個因素，故主要討論電壓系數C和負荷模型對短路電流的影響。

表2 不同算法模型，短路電流計算的標幺值

3 結語

本文利用電力系統綜合自動化平臺(PSASP)搭建了一個常用的五節點電力系統模型，進行了各種短路故障的計算，并分析了基于潮流的短路計算時，變壓器的接線方式對不對稱短路電流的影響；以及基于方案的短路計算時，電壓系數和負荷模型對三相對稱短路電流的影響。