基于PSASP短路计算的外网实用等值方法*

李明念，杨秀

(上海电力学院 电气工程学院， 上海 200090)

0 引 言

随着特高压网架的建设以及电力系统的逐步互联和市场化，全国同步电网的规模将越来越大[1]。限于仿真软件计算规模限制，直接对这样大的电力系统进行仿真计算、稳定性分析将会越来越困难[2-3]。因此在实际工程计算中，对所需研究分析的区域重点关注，对离此区域较远或者影响较小的区域适当简化，可以减少计算工程量、仿真软件规模限制以及精度和速度的矛盾。

目前很多学者就电网等值进行了研究，并已取得了一些很有价值的成果。根据研究目的不同，电网等值可以划分为静态等值和动态等值两种方法[4]。静态等值基于代数方程简化，保证等值前后电网潮流的一致性[5]，主要应用于处理大规模电力系统稳态问题。相关研究已相对比较成熟，但当原系统有成千上万个节点时，简化计算工作量巨大[6-7]。动态等值是保证内部系统动态主要特性不畸变的前提下对外部系统进行简化[8]。目前主要的动态等值方法包括同调等值法、模式等值法和估计等值法[9-11]。其中同调等值法由于物理透明度大、概念清晰，已广泛应用于电力系统中[12-13]。另一方面，随着系统的互联和扩大，短路电流水平不断攀升，短路电流超标问题严重影响电网的安全稳定运行。如果在等值过程中既能保留交流系统的强度同时能保证等值前后短路电流水平一致[14]，那么对于短路电流分析将具有重要意义。

目前新疆乌鲁木齐电网短路电流超标问题已成为影响该地区电网安全运行最为突出的问题之一。为此拟串入电抗器限制短路电流，但电抗的串入会影响断路器的开断性能，因此需建立乌市电磁暂态仿真模型对其加以分析。从满足后续电磁暂态仿真要求的考虑，提出了一种基于PSASP短路计算的区域电网实用等值方法，借助软件中故障仿真功能，将短路电流纳入等值过程中考虑的指标，保证等值前后系统内部的短路电流水平基本一致。

1 等值的先决条件和模型

当对一个大规模互联电力系统的某一部分进行分析和研究时，将所关心的部分称为内部网络、对其他区域仅需考虑对内部网络的影响，不必详细描述，将这一部分称为外部网络[15]。大规模电力系统划分为内部网络和外部网络如图1所示。

图1 内部网络和外部网络

在图1中，{B}表示边界节点，{G}表示外部网络发电机节点、{L}表示外部网络负荷节点。等值化简之前，内部网络与外部网络通过边界节点相连接，等值之后外部网络降阶简化，内部网络通过边界节点与外网等值模型连接构成等值后系统。

在等值过程中，为保证等值简化网络能够最大保留原网络的特性，应满足以下条件：

(1)保留内部网络的边界母线，外部网络用与边界母线数量相等的等值发电机或者负荷来等效；

(2)等值前后网络内部线路潮流分布不变；

(3)等值前后网络内部母线和边界母线上的电压不变；

(4)等值前后网络内部主网架以及边界所有母线的短路电流不变。

2 实用等值方法步骤

根据等值先决条件以及考虑不同电压等级线路对短路电流贡献量有所不同，对于外网文中将220 kV及以上主网架线路简化为等值机通过边界母线与内部网络相连接，将110 kV及以下线路简化为负荷模型通过边界母线与内部网络相连接。对于内部网络220 kV及以上线路保持不变，110 kV及以下线路等值为负荷模型。短路电流计算时，发电机可以看作次暂态电抗和戴维南等效电压源串联组成的戴维南等效电路[16]。以一个只有4条边界母线的系统为例，系统等值简化后的结构如图2所示。

图2 等值网络结构

2.1 负荷模型参数确定

对等值前原系统进行潮流计算，为保证等值前后系统的潮流不变，统计该边界母线所有外送功率，累加后作为该等值负荷总功率值，连接于边界母线。此外，负荷模型可以选择为基于恒阻抗的静态负荷和考虑感应电动机的综合负荷模型。由于负荷模型是影响短路电流计算的重要因素[17]，选择考虑感应电动机的综合负荷模型作为等值负荷，其感应电动机负荷比例为原网络该等值边界邻近典型模型参数。

2.2 等值电抗参数确定

为保证等值前后系统短路电流水平一致，如何构造各边界母线等值机串联电阻值成为了关键。等值电抗值取决于外网通过边界母线对内网短路电流注入量。考虑到三相短路故障引起短路电流超标问题最严重，文中只需求取网络正序等值参数。对等值前原网络某边界母线设置三相短路故障进行短路计算，得到该边界母线的短路电流值。由叠加原理可知，该边界母线短路电流来源于内部网络和外部网络对该母线短路总贡献量。如图3所示为某边界节点三相短路故障示意图。

图3 三相短路示意图

如果能求得内网对边界母线短路电流总贡献量I1，则可知外网对边界母线短路电流贡献值，即:

I2=If-I1

(1)

进而可求得等值电抗参数为:

(2)

式中各参数均为标幺值。

利用牛顿迭代法求解外网短路电流贡献值，进而得到等值电抗。牛顿法求解等值电抗流程图如图4所示。

图4 阻抗值求解流程图

图4为求解仅有一条边界母线情形，但外网等值边界母线不可能只有一条，当存在多个等值边界时利用该方法采用多点等值。在每一条边界母线设置初始值，采用牛顿法同时迭代计算，直至短路电流接近于或等于真值。

2.3 等值发电机参数确定

(3)

由于只考虑三相对称短路，负序电抗值与正序电抗值相同，即:

(4)

忽略发电机转子惯量对暂态短路电流的影响，即转子惯量时间常数Tj取无穷大：

Tj=∞

(5)

3 等值方法的评价指标

3.1 静态潮流对比

对大电网等值过程中，内部网架搭建正确与否以及等值负荷的功率值大小需要通过静态潮流比对来确定，可对比等值前后保留线路有功功率和母线电压，观察其误差是否在可接受范围之内。如果误差较大，则需要检查内部网架搭建是否完整以及不断调整等值负荷的功率值直至误差在允许范围之内。对等值前后系统进行静态潮流比对是校核短路电流一致性的前提和基础[18]。

根据实际工程经验，评价指标为等值前后绝对值误差在1%以内。

(6)

式中x前表示等值前网络保留线路有功功率和母线电压；x后表示等值后网络保留线路有功功率和母线电压。

3.2 短路电流校核

短路电流校核即对比等值前后系统在某一故障情形下保留线路母线短路电流水平。如果两者相近，则表明等值简化系统与原系统具有相同或近似故障响应特性，等值效果良好。

根据实际工程经验，评价指标取为等值前后绝对值误差在5%以内。

(7)

式中x前表示等值前网络保留线路母线短路电流水平；x后表示等值后网络保留线路母线短路电流水平。

4 实际电网等值过程

4.1 等值范围确定

以西北电网2017年夏季大运行数据为对象进行等值。乌鲁木齐市220 kV及以上主网架如图5所示，其中红色标识线路为E′后续重点仿真分析线路, 虚线圆圈内为拟保留网络。根据保留外网厂站规模的不同，国际上将外部网络建模大致分为3种[19-21]：

(1)直接等值模式，将研究区域以外网络直接等值为一个规模较小的等值网络，该等值方法等值范围确定容易，等值过程较简单，但等值精度不高；

(2)缓冲网络等值模式，保留少量外网厂站的详细模型作为缓冲网，而将其他部分等值简化，该方法在简化外网基础上可减少其对内部研究网络带来的误差影响，等值效果较好；

(3)未等值模式，保留详细外网结构和参数进行建模，建模精度高但是难度巨大，仿真速度很慢。

图5 乌鲁木齐电网示意图

由图5可知，后续重点研究厂站化工园、矸石电厂、华泰热电厂以及乌石化电厂与拟定外部系统电气连接紧密，为尽量减小等值简化对后续电磁暂态仿真带来的误差，选择缓冲网络等值模型方式修正等值边界，将原定内部网络与长宁变电站、三宫变电站、八户梁变电站等连接线路纳入缓冲网络，根据不同电压等级选择18个边界等值点，如表1所示。

表1 等值边界母线

4.2 等值参数确定

4.2.1 负荷模型确定

根据上述确定的边界母线，将拟保留和缓冲网络(以下统称内部网络)与外部网络通过三相断线故障的形式从PSASP软件中隔离。在PSASP中对原系统进行潮流计算，统计110 kV边界母线向外部网络输送功率，累加作为该边界母线等值负荷值。负荷模型根据原系统该边界母线邻近负荷模型参数设定。

4.2.2 等值机参数确定

220 kV及750 kV边界母线所连外网等值为发电机模型。对原网络利用PSASP在每个边界母线逐一设置三相对称短路故障，得到边界母线短路电流值。按照上述牛顿迭代法，仅需要8次就基本逼近真值，求出等值电抗。发电机选择为E′恒定的经典二阶模型，电压值为等值前网络边界母线电压。等值机模型参数如表2所示。

4.3 等值结果校核

根据前文的理论分析，等值前后网络的潮流和短路电流特性应该基本一致。为验证等值结果是否符合要求，文中对等值前后潮流分布和故障短路电流进行比对，判断其是否满足上文所述评价指标。

表2 等值机参数

4.3.1 潮流对比分析

选择后续重点仿真线路为监测对象，将PSASP计算的等值前网络潮流结果与等值模型在ATP-EMTP中仿真测量得到的潮流结果进行比对，结果如表3、表4所示。

由表3、表4结果可知，利用文中方法建立的等值模型，有功功率和节点电压误差均低于1%，满足评价指标要求。潮流比对结果表明，该等值是合理的。

表3 潮流比对结果

表4 节点电压比对结果

4.3.2 短路电流对比分析

为校核等值结果，在PSASP原网络中对后续重点仿真线路厂站逐一进行三相短路计算，得到典型厂站的短路电流值。在等值系统的ATP-EMTP平台上，同样对相同厂站进行三相短路计算。网络等值前PSASP计算的短路电流和等值后ATP-EMTP计算结果的对比结果如表5所示。

表5 短路电流比对结果

从表5可以看出，等值前后重点研究线路节点短路电流水平基本一致，最大误差为-2.75%，满足评价指标要求。短路电流比对结果表明，该等值是合理的。

5 结束语

基于西北电网2017年夏季大运行方式下PSASP数据包基础参数，研究了适用于电磁暂态仿真的实用快速等值方法。根据后续研究的目的性，在等值过程中遵循潮流分布和短路电流一致性原则，提出了基于PSASP短路电流计算的等值方法。对等值前后潮流分布和短路电流水平比对，表明了所提出方法的正确性和有效性。该等值方法简化电网并能保留原电网的主要特性，搭建的电磁暂态仿真模型可以代替原网络进行后一步研究。