PSASP短路电流计算方法差异及其敏感性分析

王小云，董雪涛，徐 志，刘 震，段 玉，段青熙，朱子民

(国网新疆电力有限公司电力科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引言

随着电网网架结构不断加强，部分地区计算的短路电流水平超标问题已日益突出。影响短路电流计算结果的因素很多，若短路电流计算结果过于保守，则经济性降低；若偏冒进，则电力系统的安全稳定运行存在隐患。短路电流计算过程中计算方法、元件模型、计算软件以及电网运行方式不同，会导致短路电流计算结论和短路电流超标判断存在很大差异。

文献〔1-3〕对短路电流计算标准差异做了比对分析；文献〔4-5〕探讨了不同负荷模型以及区域电网等值模型对短路电流计算结果的影响；文献〔6-7〕研究了不同软件、不同运行方式下短路电流计算结果的差异，并对产生原因做出了具体分析。

本文总结了现有短路电流计算标准的具体差异，对不同计算条件进行对比分析。国内计算短路电流常用软件有BPA、PSASP、PSDE-SCCP等，本文基于PSASP计算软件，运用具体算例，对国标算法以及PSASP传统算法计算短路电流结果进行比对分析，提出具体影响短路电流计算结果的敏感性因素。

1 短路电流计算方法及标准

1.1 短路电流计算方法

电力系统中影响短路电流计算结果的因素多种多样，发电机内电动势、变压器变比、线路电容、无功补偿装置、静止负荷、异步电动机负荷、支路电阻、电网运行方式等均影响短路电流计算结果。

常用的短路电流计算方法有简化方法、运算曲线法、暂态解析法、等效电压源法等。

a.简化方法可运用于手工短路计算，一般忽略线路电容、负荷电流，忽略发电机、调相机、变压器、架空线路、电缆线路等阻抗参数的电阻部分，并假设旋转电机负序电抗等于正序电抗，变压器变比采用额定变比，简化方法对计算条件的假设处理大大简化了短路电流计算难度，手工计算简单系统的短路电流时常用此方法。

b.运算曲线法事先对不同类型的机组绘制计算三相短路电流周期分量的有效值It=f(t,xjs)运算曲线，通过查相关曲线获得单台发电机任意时刻t提供的短路电流周期分量有效值。

c.暂态解析法是在建立电力系统发生短路时相关数学模型的基础上，设计计算机程序直接求取短路电流的一种计算方法，虽然过程复杂，但计算精确度显著提高。

表1 等效电压源电压系数c

1.2 短路电流计算标准比对

现将国际标准(IEC60909)〔8〕、国家标准(GB/T 15544.1-2013)〔9〕、相关行业标准(DL/T 559-2018)〔10〕、相关企业标准(Q/GDW 1404-2015)〔11〕中关于短路电流计算方法与计算条件对比分析如下表2。

表2 常用短路电流计算标准中采用计算条件比对

2 PSASP中国标算法与E”=1算法差异对比

PSASP计算短路电流可用基本算法(E”=1)计算、考虑继电保护整定规则条件计算、考虑国家电网安全稳定计算技术规范条件计算、考虑国家短路计算标准条件计算以及自定义条件计算〔12〕。计算方法可基于潮流或基于方案。当短路电流计算结果主要用于电网规划以及运行方式控制时，通常采用PSASP中的基本算法即E”=1算法，但近年来，随着对短路电流计算结果精确度要求的不断提升以及新能源和负荷模型的不断完善，后续国标算法存在大面积推广可能。现将PSASP中E”=1算法与国标算法计算主要差异总结如下：

1)开路电压

E”=1算法：按照发电机内电势为E″=1∠0°p.u.计算全网开路电压，计算值受网架结构、元件参数以及其他计算条件的影响较大，用户不参与取值，结果往往不可预估。

国标算法：采用等效电压源法，故障点处的等效电压源为网络的唯一电压源，其他电源电动势都视为零，并以自身内阻抗代替，在短路点用戴维南等值算法，求取短路点的系统等值阻抗。等效电压源大小由用户指定取值，与电网特性无关，仅与故障点电压等级有关。三相短路电流计算式如式1。

(1)

其中等效电压源电压系数c的选择见表1。

2)变压器变比

E”=1算法中考虑变压器变比，变压器抽头位置不同，故障点系统等值阻抗不同，计算得到的开路电压也会有差异。国标算法中忽略变压器非标准变比。

3)线路充电电容

E”=1算法中考虑交流线对地电容，并且同步发电机电抗只考虑Xd’或Xd″。国标算法中忽略线路充电电容。

4)无功补偿设备

E”=1算法中考虑无功补偿设备，国标算法中忽略无功补偿设备。

5)负荷

E”=1算法中忽略负荷，国标算法中忽略恒阻抗负荷，仅考虑负荷中的感应电动机部分。感应电动机负荷的等值电路如图1所示。

图1 感应电动机负荷等值电路

感应电动机同步电抗等值参数的计算公式如下：

(2)

式中：X1为定子电抗；X2为转子电抗；T’doL为定子开路转子回路时间常数；Kz为等值电路中将机组本身基值的阻抗转换为系统基值阻抗的系数。

根据国标，在采用等效电压源法进行短路电流计算时，感应电动机负荷等值为一个接地阻抗，其数值可按下式计算：

(3)

式中:UrM为电动机额定电压；SrM为感应电动机额定视在功率；ILR/IrM为转子堵转电流与电动机额定电流之比。

3 两种算法计算结果敏感性分析

3.1 全网分析

现基于PSASP仿真平台，在基于方案的基础上，分别用E”=1算法和国标算法，对A电网220 kV及以上电压等级共计1 022条母线进行短路电流扫描计算。根据表1，本文采用国标计算方法时电压系数取1.10,计算结果见表3-表5。

表3 正偏差较大(前10)

表4 负偏差较大(前15)

表5 偏差较小(±0.03)

上述表3-表5截取部分计算结果，由仿真计算结果可知一般情况下采用国标计算方法计算出的短路电流结果大于采用E”=1算法计算结果，结合实际电网特性可知，负荷越大，差异越显著，其主要原因在于不同计算方法对负荷的处理方式不同。在小负荷、无新能源厂站接入地区，两种计算方法差异较小；在新能源厂站聚集地区出现国标算法计算结果小于E”=1算法结果。

3.2 负荷总量影响

采用E”=1算法时，忽略负荷，故不同负荷量对E”=1算法无影响。当采用考虑国家短路计算标准条件时，忽略非旋转负荷，仅考虑负荷中的感应电动机部分，结合式(3)可知在模型不变的情况下，增加负荷有功无功，即负荷的视在功率越大，感应电动机等值阻抗越小，则短路电流增大。由仿真计算结果可验证变电站负荷总量越大，国标与E”=1算法差值越大。负荷总量敏感性分析数据见表6。

表6 负荷总量敏感性分析(选取差值较大母线) /kA

3.3 负荷模型影响

负荷模型中恒阻抗/马达的百分比以及定子电抗数对短路电流均存在较大影响。现将负荷模型分别改为(恒阻抗/马达)4/6、6/4、7/3、9/1、100/0模型后重新进行短路电流计算，三相短路计算结果见下表7：

表7 负荷模型恒阻抗占比敏感性分析(选取差值较大母线) /kA

表8 负荷定子电抗敏感性分析值(40%恒阻抗) /kA

采用国标计算时考虑负荷中的感应电动机部分，在故障瞬间，感应电动机内部的感应电动势不能突变，因此会对系统产生注入电流。在负荷视在功率不变的情况下，负荷模型中恒阻抗比例越小，短路电流越大。当100%恒阻抗时，视为两种计算方法均忽略负荷，国标计算与E”=1计算仍存在较小差值，主要由支路电阻、对地电容、变压器变比等其余计算条件不同导致，差值较小也进一步说明负荷是影响两种计算方法不同计算结果的重要因素之一。

由仿真计算结果结合图1及式2可知，当定子电抗X1减小时，感应电动机等值阻抗减小，短路电流增大。

3.4 新能源开机与出力影响

B片区为A电网新能源厂站聚集区域，现设置相关新能源厂站(PSASP中模型采用9型光伏/10型双馈/11型直驱模型)全开机满出力、全开机0.01出力、光伏全关机、双馈全关机、直驱全关机条件，分别计算短路电流，计算结果见表9。

表9 新能源厂站出力对计算结果影响 /kA

由计算结果可知，在PSASP中，无论采用国标算法还是E”=1算法，短路电流大小与新能源出力大小无关。光伏发电单元故障暂态行为特性主要由逆变器控制保护系统的响应特性决定，PSASP中仅提供了单极式并网光伏电站模型，光伏阵列与电压源型逆变器经直流稳压电容相连，暂态过程中，光伏电站均不提供短路电流。两种计算方法，双馈与直驱风机均向系统注入短路电流，开机越多，注入短路电流越大。

3.5 新能源光伏、风机模型影响

在PSASP计算程序中，光伏模型有9型与14型，双馈风机模型有10型和12型，直驱风机模型有11型和13型。仿真计算可知，不同光伏模型与不同双馈风机模型对短路电流计算无影响。当直驱型风机由11型改为13型时，直驱风机汇集母线315母线短路电流国标算法下降0.34 kA，E=1”算法下降0.29 kA；909母线短路电流国标算法下降0.311 kA，E=1”算法下降0.27 kA。可见，不同直驱风机模型对短路电流结果有微小影响，11型直驱注入短路电流略大于13型直驱，主要原因在于两种模型中发电机/变流器模型的差异，11型直驱发电机模型从系统读取电压，再根据电气控制部分提供的控制变量进一步计算注入并网点的电流，而13型直驱风电机组被当作电流源处理，变流器等效为惯性环节。具体仿真计算结果见表10。

表10 新能源厂站出力对计算结果影响 /kA

4 结语

基于PSASP仿真平台计算短路电流时，E=1”算法忽略负荷，不同负荷对短路电流计算结果无影响。国标算法中仅忽略非旋转负荷，在旋转负荷较多区域，国标计算短路电流结果通常大于E=1”计算结果。采用国标法计算，当负荷模型相同时，负荷总量越大，短路电流越大；当负荷总量相同，负荷模型中恒阻抗占比越大，短路电流越小，定子电抗越小，短路电流越大。

在新能源场站聚集区域，国标计算短路电流结果可能小于E=1”计算结果。无论基于哪种算法，光伏电站均不提供短路电流，且计算短路电流结果与新能源开机大小无关，仅与开机方式有关，开机越多，短路电流越大。双馈风机不同模型对短路电流无影响，直驱风机不同模型对短路电流有微小影响，11型直驱注入短路电流略大于13型直驱。