基于动态分区的地区电网短路电流抑制策略

时 庆， 朱亮亮

（1.葛洲坝中科储能技术有限公司，湖北 武汉 430040；2.中国葛洲坝集团装备工业有限公司，湖北 武汉 430040）

0 引言

随着用电负荷的大幅增长以及发电机组容量的增加，电网规模明显提升，导致系统母线短路电流水平不断提升，短路电流控制是电源、负荷密集电网面临的共性问题[1-3]。短路电流的不断增加，可能导致断路器的开断能力不足而不能有效切除故障，致使故障扩大，对电网的安全稳定造成威胁。当电网短路电流问题较严重时，可考虑变电站母线分列运行、电磁环网解环等线路投切技术抑制短路电流，避免故障扩大，提升电网安全稳定运行水平[4-5]。

基于动态分区技术的短路电流抑制方法，是从拓扑结构的角度出发，当电网中存在母线短路电流超标时，投切部分线路，从而动态调整现有的电网分区结构，以解决短路电流问题。动态分区技术包括2 种，一是变电站母线分列，二是电磁环网的解合环[6-7]。本文所提的短路电流综合评估和抑制策略，能够快速、准确地针对短路电流超标问题，协调考虑经济性和安全性等目标，确定可选的动态分区调整方案空间并对其进行自动搜索，为调度运行人员提供与运行方式相适应的动态分区方案，减轻调度人员的负担，实现电力系统安全、稳定、经济运行。

1 动态分区方案评价模型

1.1 动态分区方案量化评价指标体系

针对短路电流问题给出的多种动态分区方案集合，需要采取合理的评价模型对各方案的有效性进行评估，以确定最优的分区方案。本文从安全性和可靠性两方面着手，构建了包含多个综合评价指标的层次体系，具体指标分类见表1。

a） 线路负载率rL。线路负载率rL的计算公式如下

式中：λpl，i为线路i的过载安全裕度；nl为线路条数。

表1 动态分区方案综合评价指标体系

b） 变压器负载率rT。变压器负载率rT的计算公式如下

式中：λpt，i为变压器i的过载安全裕度；nt为变压器个数。

c） 节点电压水平xU。节点电压水平xU的计算公式如下

式中：λu，i为母线i的电压安全裕度；nu为母线数量。

d） 短路电流水平xI。短路电流水平xI的计算公式如下

式中：nsc为短路故障数；Ii，sc为第i个短路故障下的短路电流大小；Ii，sc，lim为对应的断路器遮断容量。

e） 旋转备用xre。旋转备用xre的计算公式如下

式中：PSR为旋转备用容量；PSR，lim为旋转备用容量的最低限值。

f） 系统网损Sloss。当仅考虑有功网损时，可表示为

式中：PG为系统发电功率；PL为系统负荷功率。

1.2 动态分区方案综合评价指标

针对上节中给出的安全性和可靠性指标，首先需要确定系统对于安全性和可靠性的重视程度，即两者的权重。其次，需要确定2 个类别下面的二级指标权重，本文中的权重值根据专家经验法获取。根据两级评价指标的权重，逐级向上加权，可得到动态分区方案的综合评价结果。综合评价指标计算方法可表示为

式中：α、β 分别为安全性和可靠性的权重；m、n分别为两类二级指标的个数；wsi、wrj为二级指标权重；xi、yi为二级指标值。

上述指标均为极小型指标，即指标值越小表明系统越稳定。因此，式（7）中所得的综合评价指标越小，则动态分区方案效果越好。

2 动态分区方案评估方法

2.1 动态分区启动判据

短路电流主要通过短路前瞬间短路点节点电压与短路点自阻抗的比值计算，公式如下

式中：ηI为短路电流计算点的安全裕度；为短路电流计算点的网架结构自阻抗值；为短路电流计算点的网架结构阻抗安全阀值。ηI越大，表示短路电流计算点面临的短路电流超标的风险越低。

当短路电流计算点的阻抗小于根据电网短路器遮断容量设置的阻抗临界值时，认为系统存在短路电流水平超标的风险，应当采取措施，降低短路电流超标点的短路电流水平。

根据上文中定义的安全裕度公式，ηI＜0 时，系统进入紧急状态，此时启动动态分区。

2.2 可选方案空间

导致电网短路电流水平增大的主要原因是受端系统各站点距离电源电气距离缩短，区内网络联系日益紧密。从动态分区技术的角度解决短路电流问题，可选方案空间的选择需遵循以下原则：适用于电网规划阶段的短路电流限制措施，如增加或升级一次设备等不归入可选方案空间；可选方案包括控制电网中可拉停的线路，实现电磁环网解环，电网分层分区；方案实行后，应不降低电网供电的可靠性。

2.3 评估方法流程

利用动态分区技术解决短路电流问题的主要流程如下。第一步：每个计算周期根据电网运行状态、模型和参数等信息在线计算地区电网中母线短路电流，如果存在母线短路电流超标，则启动动态分区辅助决策计算。第二步：将需要考察的短路电流超标母线加入考察集中。第三步：根据考察集确定动态分区可选方案空间，方案解开的线路条数为i=1。第四步：分别针对可选方案空间中各方案，若其实施后均会引发新的短路电流越限，进入第五步；否则将该方案加至待校核方案集中，若待校核方案集为空，则进入第五步；否则进入第六步。第五步：如i＜n，令i=i+1，重新确定可选方案空间，进入第四步；否则结束计算。第六步：针对待校核方案集中各个方案，如考察集中所有母线均满足ηI≥0，将方案加入可行方案集中，进入第八步；否则进入第七步。第七步：采取其他措施进行协调，以消除短路电流超标问题，将所得方案加入可行方案集中。第八步：利用量化评价指标体系对可行方案集中的各方案进行综合评价，选取最优方案。

3 算例分析

随着750 kV 网架的延伸和电源的投运，新疆电网规模和装机容量得到明显提升，电气联系趋于紧密，母线短路电流不断上升，部分厂站短路电流已接近甚至超过额定开断电流，影响到电网的安全、稳定运行。本算例以新疆电网乌昌地区为例，利用所提的动态分区理论解决乌昌电网的短路电流问题，并通过综合评估方法评价动态分区方案的安全性。

3.1 乌昌城网短路电流来源分析

利用基于转移阻抗的短路电流分析方法，选取乌昌地区短路电流控制难度较大的750 kV 站点，分析向其提供短路电流的主要电源点。乌昌地区短路电流问题严重站点主要为750 kV 凤凰变和乌北变，表2 为750 kV 凤凰变和乌北变220 kV 母线三相短路时的短路电流来源。

从站点短路电流来源的绝对量大小来看，红二电、神华米东电、鲁康电、铝业电对750 kV 乌北变220 kV 母线短路电流影响较大，玛电三期、玛电、嘉润电对750 kV 凤凰变220 kV 母线短路电流影响较大。

表3 新疆电网乌昌地区220 kV 短路电流超标母线

3.2 乌昌城网分层分区方案

乌昌城网750/220 kV 环网合环运行方式下，部分220 kV 母线短路电流超标（见表3）。为有效解决乌昌城网短路电流问题，本算例主要考虑母线分列和环网解环两种措施。根据新疆电网运行方式，乌昌城网母线分列和环网解环重点考虑以下几种备选方案。

a） 750/220 kV 凤乌、凤亚电磁环网。

方式一：玛电3 台机发电全部送凤凰。玛电三期母线分列运行，玛乐三回线充电备用，玛电3 台机组通过马三联络线、玛石东线、玛石西线送凤凰。

方式二：玛电3 台机发电部分送凤凰，部分送城网。玛电三期母线分列运行，玛三联络线充电备用，玛电3 台机组发电通过玛石东线、玛石西线送凤凰，通过玛乐三回线送城网。

方式三：玛电3 台机发电全部送城网。玛电三期母线分列运行，玛三联络线、玛石东线、玛石西线充电备用，玛电3 台机组发电通过玛乐三回线送城网。

b） 750/220 kV 乌亚电磁环网。

方式一：乌北220 kV 母线分列运行。

方式二：乌北220 kV 母线分列运行，220 kV米泉变分列运行（220 kV 米宁线、米宫线、米石双线、1 号主变在一段母线上，220 kV 苇米线、乌米线、2 号主变在另一段母线上）。

方式三：乌北220 kV 母线分列运行，220 kV米泉变分列运行，220 kV 红八线断开，220 kV 红二电分列运行（220 kV 二宫、二祁在一段母线上，220 kV 二八线、二化线在另一段母线上）。

综合上述方式组合，共有9 种可选动态分区方案。具体方案如表4 所示。

表4 乌昌城网9 种动态分区方案

上述各方案实施后，米泉、化工园母线短路电流超标问题均可得到解决，且未引发新的母线短路电流超标问题。部分方案未能解决乌北、凤凰220 kV 母线短路电流问题，结果如表5 所示。

由表5 可知：凤凰变220 kV 母线短路电流主要受凤乌、凤亚环网解环方式影响，玛电3 台机发电部分送凤凰、部分送城网时，凤凰母线短路电流值较大，玛电3 台机发电全部送城网时，凤凰母线短路电流值较小；乌北变220 kV 母线短路电流主要受乌亚环网解环方式影响，乌亚环网完全解环时，对乌北短路电流抑制效果最好。

根据表5 中所示的短路电流计算结果，仅方案2、3、8、9 可解决乌昌城网全部220 kV 母线短路电流的超标问题，因此将该4 种方案加入到动态分区可选方案空间中。下面将从电网供电可靠性、安全性等方面评估上述4 种方案的优劣。

表5 各动态分区方案实施后短路电流水平

3.2.1 线路负载率rL

本算例选择乌昌地区线路负载率较高的5 条线路作为考察对象，分别为乌北—龙岗双回线、乌北—泰恒、泰恒—鲁康、瑶池—鲁康，以分区方案2 为例，方案实施后各线路负载率见表6。

表6 线路负载率指标

计算得该方案下线路负载率指标值为0.789。

3.2.2 变压器负载率rT

本算例选择乌昌地区负载率较高的5 台主变作为考察对象，分别为龙岗、昌吉、三宫、瑶池、长宁，以分区方案2 为例，方案实施后各主变负载率见表7。

表7 主变负载率指标

计算得该方案下变压器负载率指标值为0.744。

3.2.3 节点电压水平xU

本算例选择乌昌地区220 kV 线路5 个重要节点作为考察对象，分别为龙岗、米泉、石河子东、石河子西、祁家沟，以分区方案2 为例，方案实施后各节点电压见表8。

表8 节点电压水平指标

计算得该方案下节点电压水平指标值为0.556。

3.2.4 短路电流水平xI

本算例选择乌昌地区4 个短路电流问题较为严重的母线作为考察对象，分别为乌北、凤凰、米泉、化工园，以分区方案2 为例，方案实施后各母线短路电流水平见表9。

表9 母线短路电流水平指标

计算得该方案下短路电流水平指标为0.848。

考虑到当前状态下应以解决电网短路电流问题为首要目标，安全性、可靠性指标对应的权重集W= [1，0]，安全性指标的权重集为[0.2，0.2，0.3，0.3]，各指标均为极小型指标，即指标的值越小，系统性能越好，根据权重集计算得各方案的综合性能指标值见表10。

表10 各动态分区方案综合评价结果

综合评价指标值越小，则该分区方案的性能越好。由表10 可知，分区方案9 最优，即玛电3 台机发电全部送城网，同时将乌北、米泉及红二电220 kV 母线分列，断开红八线。该方案既能解决乌昌地区的短路电流超标问题，又能保障电网的安全稳定运行。

4 结束语

本文提出利用改变电网拓扑结构的动态分区技术来解决电网中母线短路电流超标问题，并通过综合评估方法评价各分区方案的优劣。以新疆电网为例，利用动态分区技术解决乌昌城网部分母线短路电流超标问题，结果表明，选择乌昌地区玛电3 台机发电全部送城网，同时将乌北、米泉及红二电220 kV 母线分列，断开红八线方案时，既能有效解决短路电流超标问题，又能保障地区电网的安全稳定运行。