负荷模型对山东电网短路电流计算影响研究

安鹏，张友泉，张浩，李菁竹，刘晓明

（1.国网山东省电力公司，济南250001；2.国网山东省电力公司经济技术研究院，济南250021）

负荷模型对山东电网短路电流计算影响研究

安鹏1，张友泉1，张浩2，李菁竹2，刘晓明2

（1.国网山东省电力公司，济南250001；2.国网山东省电力公司经济技术研究院，济南250021）

“十三五”期间，特高压交直流将大规模入鲁，山东电网网架结构越来越密集，短路电流水平成为影响山东电网规划的重要因素，甚至影响宏观规划决策。介绍了目前国内常用的短路电流计算程序对负荷模型的处理，以及国内各规划运行单位在短路电流计算中对负荷模型的选择，推导分析了输电网故障时接于配电网的感应电动机负荷向输电网贡献短路电流的机理。最后以枣庄电网为例，分析了不同负荷模型及比例的选择对电网短路电流的影响。仿真分析结果对合理计算山东电网短路电流、优化电网网架结构具有指导意义。

短路电流；负荷模型；感应电动机

0 引言

随着山东省电力需求的快速增长，“十三五”期间，特高压交直流将大规模入鲁，省内电源也将总体呈持续增长态势，山东电网网架结构越来越密集。山东电网短路电流控制问题已成为影响电网规划的重要因素，短路电流计算结果将直接影响到规划决策。若短路电流计算过于保守，则需要大量更换开关设备或者改变网架结构，电网发展经济性较差；若短路电流计算过于乐观，则电网的安全稳定运行存在隐患。

在短路电流计算中，负荷模型的选取是影响计算结果的一个重要因素，已有多位学者对其进行研究。文献［1］从标准制定、实用计算等多方面分析了国内短路电流计算对负荷的处理现状，并基于实际电网算例指出负荷模型是影响短路电流计算结果的重要因素，在短路电流计算中建议推广使用考虑配电网络的综合负荷模型。文献［2］通过理论推导提出了感应电动机定子侧发生三相短路后反馈短路电流的解析表达式，并通过电磁暂态仿真手段详细分析了不同负荷类型条件下感应电动机对输电网短路电流水平的影响。文献［3］基于对某实际电力系统的机电暂态仿真，指出当受端系统联系紧密时负荷动态特性对三相短路电流周期分量的初始有效值及其在50 ms内的衰减数值影响较大。文献［4］深入分析了感应电动机负荷特性及其对系统短路电流计算的影响，建立了在现有以恒定阻抗作为系统各节点负荷的短路电流计算方法中考虑适应感应电动机电磁暂态过程的短路电流修正计算方法。文献［5-6］分析了不同短路电流计算程序或方法对负荷的选取，并比较其对短路电流计算结果的影响。

首先介绍不同的短路电流计算程序对负荷模型的选择设置以及国内各机构短路电流计算中对负荷的处理现状，其次对感应电动机影响输电网短路电流过程进行了分析，最后以枣庄电网为例比较了不同负荷模型及比例的选择对山东电网短路电流计算结果的影响。

1 不同短路电流计算程序负荷模型选择

国内电网规划运行中常用的短路电流计算程序为PSD-SCCPC［7］、PSASP［8］和PSS／E［9］。

1.1 PSD-SCCPC

PSD-SCCPC为PSD专用短路电流计算程序，负荷模型总体分为静态负荷和感应电动机负荷。若同时选择计及静态负荷和感应电动机负荷，则计算程序将静态负荷全部处理为恒定阻抗负荷，同时计及感应电动机负荷；如果选择计及静态负荷而不计及感应电动机负荷，则全部负荷都被处理为恒定阻抗负荷；如果既不计及静态负荷也不计及感应电动机负荷，则全部负荷均被忽略。

1.2 PSASP

PSASP程序中负荷模型也分为恒定阻抗负荷和感应电动机负荷。在短路电路计算模块中，从负荷模块中提取负荷模型及比例。如果要计算不计及感应电动机负荷时的短路电流，可在负荷模块中将感应电动机负荷比例设置为零。

1.3 PSS／E

PSS／E程序短路电流计算中，将潮流中的ZIP负荷模型统一转化为恒定阻抗模型进行计算，无法模拟感应电动机模型。

2 短路电流计算负荷处理方式

中国电力科学研究院对国内6大区域电网75家规划运行单位短路电流计算方式进行调研［1，10］。结果为29家单位在短路电流计算中忽略负荷的影响，30家单位在短路电流计算中采用静态负荷模型，16家单位在短路电流计算中采用考虑马达的综合负荷模型。分布比例如图1所示。

图1 短路电流计算中负荷处理情况分布

可见，不同单位对短路电流计算中负荷模型选取差别较大。因负荷模型是影响短路电流计算结果的重要因素，迫切需要结合本地电网，深入研究负荷模型选择对短路电流的影响。

3 故障时感应电动机负荷向输电网提供短路电流途径

感应电动机向系统提供短路电流的最根本原因为短路后瞬间感应电动机各绕组合成磁链不变，即感应电动机的次暂态电势不变。当感应电动机的次暂态电势大于机端电压时，感应电动机便向系统注入短路电流。因此，只有与短路点电气距离较近的感应电动机才对系统短路电流有较大影响。距离短路点电气距离较远的感应电动机，故障时向系统注入的短路电流可忽略。

实际中，工业用感应电动机一般接在10 kV电网，商业及民用感应电动机一般接在380 V电网。接于10 kV电网的感应电动机在输电网（这里设定为220 kV电网）发生短路时，向220 kV电网提供短路电流的途径为：

1）10 kV线路→220／110／11 kV变压器；

2）10 kV线路→110／11 kV变压器→110 kV线路→220／110／11 kV变压器；

3）10 kV线路→110／11 kV变压器→110 kV线路→220／110／38.5 kV变压器；

4）10 kV线路→110／38.5／11kV变压器→110kV线路→220／110／11 kV变压器；

5）10 kV线路→110／38.5／11kV变压器→110 kV线路→220／110／38.5 kV变压器；

6）10 kV线路→35／11 kV变压器→35 kV线路→220／110／38.5 kV变压器；

7）10 kV线路→35／11 kV变压器→35 kV线路→110／38.5／11 kV变压器→110 kV线路→220／110／11 kV变压器；

8）10 kV线路→35／11 kV变压器→35 kV线路→110／38.5／11 kV变压器→110 kV线路→220／110／38.5 kV变压器。

由以上分析可见，输电网短路瞬间，感应电动机向220 kV电网提供短路电流需经过配电网输电线路以及变压器等，输电线路以及变压器阻抗均会衰减感应电动机向输电网注入的短路电流。其中变压器阻抗对短路电流衰减影响相对明显。表1为220～35 kV典型变压器参数。

表1 220～35 kV典型变压器参数

因此，在短路电流计算中，若将感应电动机负荷直接接入220 kV变电站的110 kV侧，无疑会使短路电流计算结果偏大。

4 不同负荷模型对山东电网短路电流计算的影响

以枣庄电网为例，分析不同负荷模型对山东电网短路电流的影响。到2020年，枣庄电网拥有统调电厂3座（十里泉电厂，装机容量1 980 MW；八一电厂，装机容量300 MW；滕州热电，装机容量1 000 MW），特高压交流变电站1座（枣庄特高压站，2×3 000 MVA）、500 kV变电站2座（枣庄站，2×750+1 000 MVA；峄城站，1×1 000 MVA），220 kV变电站17座（济宁微山县负荷，包括乔岗站和微山站，在枣庄电网供电），牵引站2座（东郭牵、周营牵）。

在网架结构上，形成了北部以枣庄站和滕州热电、中部以八一电厂和十里泉电厂、南部以峄城站供电的整体结构。在特高压层面上，枣庄特高压站为西电东送、北电南送的枢纽站；在500 kV层面上，枣庄电网通过枣庄—金乡双回、枣庄—沂蒙单回、峄城—兰陵双回线路与山东主网连接；在220 kV层面上，枣庄电网通过十里泉电厂北送、东送线路与临沂电网保持联系。枣庄500 kV变电站220 kV母线分列运行。2020年枣庄电网220 kV及以上规划地理接线如图2所示。

图2 2020年枣庄电网220 kV及以上电网规划地理接线

在短路电流计算分析中，将负荷直接接于220 kV主变110 kV侧。计算方式分为忽略负荷影响、考虑静态负荷、考虑50%静态负荷和50%感应电动机负荷、考虑100%感应电动机负荷4种情况。枣庄、峄城两座500 kV变电站500 kV母线短路电流情况如表2所示。

表2 500kV变电站500 kV母线短路电流kA

由表2可知，与忽略负荷影响相比，考虑静态负荷、考虑50%静态负荷和50%感应电动机负荷、考虑100%感应电动机负荷时，枣庄站500 kV母线单相短路电流分别增加1.043 kA、1.953 kA、2.293 kA，枣庄站500 kV母线三相短路电流分别增加0.799 kA、2.595 kA、3.243 kA；峄城站500 kV母线单相短路电流分别增加1.068kA、1.316kA、1.443kA，峄城站500 kV母线三相短路电流分别增加1.079 kA、1.604 kA、1.859 kA。

枣庄电网220 kV母线短路电流如表3所示。与不忽略负荷影响相比，考虑静态负荷、考虑50%静态负荷和50%感应电动机负荷、考虑100%感应电动机负荷时，枣庄电网220 kV母线单相短路电流平均值分别增加1.346 kA、3.373 kA、4.526 kA，三相短路电流平均值分别增加0.990 kA、4.786 kA、7.103 kA。

表3 220kV母线短路电流kA

从以上分析可以看出，考虑负荷影响时，短路电流计算值整体偏大。若在仿真分析中将感应电动机负荷直接接于110 kV母线，则感应电动机负荷对计算结果影响很大。

5 结语

目前国内常用的PSD-SCCPC、PSASP短路电流计算程序均能够提供比较灵活的负荷模型选择。

输电网络故障时，附近接于配电网的感应电动机需经过配网线路及主变向输电网提供短路电流，仿真计算时感应电动机直接接于220 kV变电站的110 kV侧会使计算结果偏大。

与不考虑负荷影响相比，考虑静态负荷模型和感应电动机负荷模型均会使短路电流计算结果偏大，尤其以感应电动机模型对短路电流结果的影响最为明显。随着感应电动机负荷比例的增大，负荷对电网短路电流的影响越来越大。

在短路电流计算中，需要根据各地电网实际情况，合理选择负荷模型及比例。建议选择适当负荷点进行短路试验，通过实测结果与仿真计算的对比分析得出合理的负荷模型及比例。

［1］刘楠，唐晓骏，马世英，等.负荷模型对电力系统短路电流计算的影响［J］.电网技术，2011，35（8）：144-149.

［2］刘楠，张彦涛，秦晓辉.感应电动机负荷对短路电流影响机理研究［J］.电网技术，2012，36（8）：187-192.

［3］曹炜，王伟，刘蓓，等.受端电网负荷动态特性与三相短路电流相关性分析［J］.电力系统自动化，2011，35（5）：61-65.

［4］尹建华.考虑感应电动机负荷电磁暂态特性的系统短路电流计算方法［J］.南方电网技术，2010，4（3）：62-66.

［5］冯煜尧，祝瑞金，庄侃沁，等.华东电网短路电流计算标准研究［J］.华东电力，2012，40（1）：74-78．

［6］姚淑玲，田华.基于BPA和PSASP程序的短路电流计算比对［J］.电力系统自动化，2011，35（14）：112-115．

［7］中国电力科学研究院.PSD-SCCPC电力系统短路电流程序用户手册［Z］.北京，2009.

［8］中国电力科学研究院.电力系统分析综合程序7.0版短路计算用户手册［Z］.北京，2010.

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

［10］中国电力科学研究院.国内电网短路电流调研分析报告［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

安鹏（1981），男，高级工程师，从事电网前期及规划设计管理等工作。