面向BPA规划电网短路电流计算一次设备零序参数的取值方法

何必伦，曹 炜，卫皇莅，桂世成，王 超

(上海电力大学电气工程学院，上海 200090)

目前，某些地方电网的部分500 、220 kV变电站存在单相短路电流大于三相短路电流的情况，有些分区500 kV主变220 kV侧母线单相短路电流非常接近50 kA，甚至超过断路器的遮断电流50 kA。因此，单相与三相的短路电流校核一样重要[1]。

BPA程序[2-4]中的电力系统模型参数是否精确对于电力系统的安全稳定运行至关重要，而变压器、输电线路作为联络电网的重要元件，其参数的准确性直接关系到电力系统的分析计算的可靠性与准确性。对于规划网架中单相短路电流接近甚至超过限额的站点，零序参数的取值将直接影响到单相短路电流计算结果的准确性，进而影响规划方案的选择。因此，获取准确的电网扩建规划的一次设备参数具有重要意义。

一般来说，变压器、线路的正序、负序参数比较容易获取，误差也较小，而变压器零序参数涉及主变铁芯类型、接线型式及其中性点接地方式；交流线路零序阻抗参数与线路的架设方式、避雷线设置以及大地电阻等都有关系；未建模的较低电压等级的等值网络零序参数更是与变压器中性点接地点的布置有关[5]。上述种种因素影响到电网扩建规划中单相短路电流计算值，因此，电网扩建规划中需抓住主要忽略次要问题，给出对应零序卡的取值方法。

本文将理论计算、数据分析分别引入某地方电网分区500 kV主变零序电抗的计算和分区内220 kV线路阻抗和变压器等值电抗参数测算中，根据某地方电网的实际情况，指出基于PSD-BPA平台短路电流计算的电网零序参数取值方法的总体思路及方法。最终，用该方法得出规划电网零序参数值分别填入PSD-BPA暂态稳定程序对应的零序参数卡片中，并校核规划年某地方电网的单相短路电流，提出相关建议，具有重要的工程实践意义，该方法对其他地区电网规划仿真零序参数取值方法的研究应用有借鉴作用。

1 基于PSD-BPA单相短路电流计算的原理

中性点有效接地系统的单相接地短路电流[6-8]为

(1)

式中Uf为短路发生前故障点的正常工作电压；Z+、Z-、Z0分别为故障点的正、负和零序阻抗，分别代表正、负和零序网络的故障点自阻抗。

Z+、Z-的大小与短路点对电源的电气距离有关，比较容易确定，而Z0的大小则受中性点接地点布置等诸多因素的影响，在电网运行仿真中可根据实际情况确定，而在电网规划阶段却不易确定。

图1 主网系统接线Figure 1 Main network system wiring

图2 分区零序示意Figure 2 Partition of zero sequence diagram

2 零序参数取值方法分析

2.1 整体研究思路

研究思路如图3所示，研究所用数据源由某地方电网已运行变压器的出厂参数、试验数据以及BPA中的实测数据组成。

图3 研究思路Figure 3 Research framework

对于500 kV主变，大部分都采用3个单相自耦电力变压器组成的三相变压器组，根据其出厂参数理论计算零序参数，并且填入PSD-BPA中相应的XO卡中；结合变压器、线路零序参数的影响因素和实际工作经验，对线路、220 kV主变零序参数取值，基于试验参数进行数据分析，得到线路、220 kV主变零序/正序参数比值，通过相应的比值分别计算线路零序参数、220 kV主变高压侧母线下级等值零序电抗，然后填入PSD-BPA中相应的LO、XR卡中。最终根据确定的电网规划仿真中零序参数的取值方法，校核规划年某地方电网500 kV变电站主变220 kV侧母线单相短路电流，并基于PSD-BPA平台短路电流计算的电网零序参数取值方法和规划电网单相短路电流校核的结果，给出相关建议和措施。

2.2 某地方电网500 kV主变压器零序参数取值方法的确定

根据某地电网未来2～3年的500 kV输变电项目建设计划，500 kV变电站的扩建、主变压器的增容等工程既需要增加新的500 kV变压器，也需要在500 kV主变压器中性点处加装小电抗，来限制规划电网500 kV变电站母线单相短路电流的超标。

在实际工作中，面向PSD-BPA短路电流计算的电网500 kV变压器零序电抗取值大多数是照搬已经运行的同容量变压器参数。随着主变接线运行方式以及主变中性点接地电抗值的变动，以往的做法不再适用。

PSD-BPA暂态稳定程序中变压器零序参数XO卡的填写，首先，应根据变压器的接线方式和铁心结构，计算其零序等值电路和零序参数的标幺值，然后，采用本卡填写变压器所有等值支路的参数[3]。

目前，某地电网每个分区的500 kV主变压器都采用3个单相自耦电力变压器组成的三相变压器组，其三相绕组的联接形式均为YNa0d11，其中性点接地方式包括直接和经小电抗接地2种。对于由3个单相变压器组成的三相变压器组，每相的零序主磁通与正序主磁通一样，都有独立的铁芯磁路，其零序励磁电抗与正序的相等[7]。因此，根据某地电网500 kV主变压器的的实际情况，本文采用理论计算的方法求解其零序电抗[9-11]。

(2)

根据新规划，单相自耦电力变压器容量参考《电力工程设计手册》中规定的标准技术参数，求出新规划的自耦变零序电抗标幺值。当主网规划中500 kV自耦变的中性点接地电抗发生变化时，也可根据式(2)计算其零序电抗标幺值。

2.3 某地方电网220 kV主变高压侧母线下级等值零序电抗取值方法的确定

根据某地电网近年来220 kV输变电项目的建设计划，220 kV变电站的扩建、主变压器的增容等工程既需要增加新的220 kV变压器，也需要根据电网的需求改变主变中性点接地方式及接地数量。

在实际电网中，成千上万的负荷元件连接在10 kV及以下电压等级的配网中，但是要详细描述110 kV及以下的配网网络势必造成计算速度慢、计算效率低等诸多问题。因此在实际计算中，各网、省公司的规划、运行以及设计部门一般采用一定的等值方法，在较高的电压等级上对下级进行零序等值。在主网规划短路电流计算仿真中，使用BPA在220 kV主变高压侧母线对下级网络进行零序等值，其零序等值电抗填写在BPA暂态稳定程序中的XR卡中。

通过对BPA稳定文件中各个单位220 kV主变零序参数数据整理统计，发现220 kV变电站零序通路都只考虑到110 kV侧位置为止。在短路计算中，华北等地区电网相关部门将负荷挂在220 kV变电站110 kV电压等级上，并对220 kV变电站中性点接地的主变压器各支路的零序参数详细填写，如图4中A变电站所示，其中，k1、k2为故障发生时复合序网中零序网络接入点；华东等地区电网相关部门将负荷挂在220 kV变电站220 kV电压等级上，对220 kV站主变各支路零序参数并未填写，但会将220 kV母线零序通路进行等值计算后挂在220 kV母线，如图4中B变电站所示。

图4 500 kV站带1片220 kV电网的零序网络Figure 4 A zero sequence network of 500 kV station with one 220 kV power grid

上述2种方式都是经过BPA数据调研得到的结果。当220 kV变压器高压侧对下级零序等值时，通常采用变压器高压侧母线加零序电压、中低压侧开路测得零序电抗。一般情况下零序参数不方便获取，对于新规划的220 kV主变，可通过出厂参数或《电力工程设计手册》得出正序参数，用正序电抗典型参数来替代其零序电抗。

2.4 新规划的220 kV线路LO卡零序参数取值方法的确定

根据理论计算线路阻抗的特点以及大量阻抗参数实测结果分析，扩建规划的线路零序阻抗参数可参考区域内同一导线型号的同一导体地线、单回和同杆双回架设方式，计算取得零序/正序电抗比值XL0/XL以及零序、正序电阻差RL0-RL[13]。

数据分析技术在商业领域的应用很多，在电力系统领域的应用也逐步开展起来[14-18]。构建某地电网220 kV线路实测零序/正序电抗比值预测方法。虽然其整体分布形态未知，但是根据中心极限定理，只要从总体中抽取的样本容量n足够大(n>30)，则由这些样本组成的样本均值的抽样分布都近似于正态分布，即可由此推断一定置信水平下的总体均值μ的区间。

总体均值的区间推断理论，可供选择的抽样分布有Z、T分布，分析此处的已知条件： 样本容量n>30，进而可以计算出样本均值以及样本标准差S，但是总体分布形态位置、总体标准差σZ未知。由此，可以选择Z分布来推断总体均值μZ的区间，并且采用样本标准差S来代替总体标准差σZ参与计算。

在一定置信水平1-α下，基于Z分布的总体均值区间推断公式为

(3)

对于新规划的220 kV输电线路，可通过出厂参数或《电力工程设计手册》计算其正序参数，并根据总体均值μZ的置信区间区间求出其零序电抗，最后填写到BPA仿真软件暂态稳定程序LO卡中。

3 零序参数取值方法误差分析

3.1 XO卡取值方法替换前后误差分析

对于已经投入运行的500 kV主变，用出厂参数计算出的变压器零序电抗替换PSD-BPA暂态稳定程序中已投入运行的变压器实测的零序参数XO卡值，并计算某地电网分区500 kV变电站220 kV侧母线单相短路电流，然后，与XO卡替换前分区500 kV变电站220 kV侧母线单相短路电流比较，其单相短路电流误差如表1所示，可以看到单相短路电流最大的误差不超过0.746%，小于常规短路电流计算的允许误差。因此，在电网的规划阶段，500 kV主变零序参数采用理论计算值代替实测值是可行的。

表1 各分区500 kV变电站220 kV侧母线单相短路电流误差(XO卡)Table 1 Single phase short circuit current error of 220 kV side bus in a 500 kV substation of each partition (XO card) %

3.2 LO卡取值方法替换前后误差分析

以某地电网多个分区为典型场景，使用PSD-SCCP分析14个典型场景的BPA暂态稳定程序中500 kV主变220 kV侧线路零序参数，某种220 kV线路零序与正序电抗的比值如图5所示，除少部分误差数据，可以看到大部分的比值都落在2～3之间，这与理论计算相符。

图5 某种220 kV线路零序/正序电抗比值Figure 5 Zero/positive sequence reactance ratio of a 220 kV transmission line

考虑线路参数数据地域等其他因素，在给定显著水平0.05下、置信度95%的估计区间计算衍生变量作为预测结果，以某地电网220 kV线路厂测参数和零序试验参数为基础，预测同杆双回、单回线路零序/正序电抗比值，使用SPSS软件分析的结果如表2所示。

表2 基于Z分布的220 kV同杆线路实测零序/正序电抗比值Table 2 Measured zero/positive sequence reactance ratio in 220 kV circuit transmission lines on the same tower based on Z-distribution

从表2可以看出，无论是同杆双回还是单回线路，其零序/正序电抗比值的上、下限不会超出平均值的±10%。因此，以某地电网为例，将各个分区的LO卡值变动10%，计算500 kV变电站220 kV侧母线单相短路电流，计算结果如表3所示，可以看出单相短路电流误差最大不超过0.81%，小于常规短路电流计算的允许误差。因此同杆双回线路和单回线路零序电抗与正序电抗的比值一般就取平均值。对于新规划的220 kV输电线路，可通过出厂参数或《电力工程设计手册》计算出正序参数，并根据上述比值求出其零序电抗，最后填写到BPA仿真软件暂态稳定程序LO卡中。

表3 LO卡变动10%时各分区500 kV变电站220 kV侧母线单相短路电流误差Table 3 Single phase short circuit current error of 220 kV side bus in a 500 kV substation with 10% variation of LO card %

3.3 XR卡取值方法替换前后误差分析

当220 kV变压器高压侧对下级零序等值时，通常采用变压器高压侧母线加零序电压、中低压侧开路测得零序电抗。假设所统计的220 kV联结组标号为Yn/Yn/D、Yn/D变压器高压绕组中性点均接地，分析上海电网220 kV主流变压器零序/正序电抗比值的离散程度，双绕组变压器零序/正序电抗比值如图6所示，其比值主要分布在0.80～1.05之间；三绕组变压器零序/正序电抗比值如图7所示，其比值主要分布在0.95～1.05之间。

图6 双绕组变压器零序/正序电抗比值Figure 6 Zero/positive sequence reactance ratio of double winding transformer

图7 三绕组变压器高低压测零序/正序电抗比值Figure 7 Zero/positive sequence reactance ratio of high-low voltage sides in a three winding transformer

为了分析上述不同比值所对应零序电抗对500 kV站220 kV侧母线单相短路电流的影响。将全部挂在220 kV变电站的高压侧母线的单台双绕组变压器零序阻抗变动20%，三绕组变压器高低压侧零序电抗之和变动10%，基于PSD-BPA平台分析500 kV站220 kV侧母线单相短路电流误差，如表4所示，500 kV站220 kV侧母线单相短路电流变化率最大值为1.780 2%。考虑到实际规划新加的220 kV中性点接地主变的数量占比小，220 kV双绕组、三绕组中性点接地主变采用正序电抗代替其零序电抗，故此处零序电抗的变动值和数量均小于上述情况，其误差见表4，最大值为0.362 5%，满足评估规划电网单相短路电流水平的可信度。因此，对于电网新规划、未知的单台220 kV中性点接地主变，可以用正序电抗典型参数代替其零序电抗。

表4 500 kV站220 kV侧母线单相短路电流误差Table 4 Single phase short-circuit current error of 220 kV side bus in a 500 kV substation

4 结语

1)某地电网500 kV系统主变全部采用3个单相自耦变组成的三相变压器组。由于主变的扩建或其中性点接地电抗的变动，故新规划500 kV主变在BPA暂态稳定程序XO卡中的填写值取主变零序参数理论计算值。

2)对于220 kV部分扩建规划的线路零序阻抗参数，可参考区域内同一导线型号的同一导体地线、单回和同杆双回架设方式，计算取得零序/正序电抗比值XL0/XL、零序、正序电阻差RL0-RL。通过数据分析，预测出220 kV单回和同杆双回线路零序/正序电抗比值，LO卡取其正序电抗标幺值与零序/正序比值样本均值的乘积。

3)针对电网新规划、未知的单台220 kV中性点接地主变，其高压侧对下级零序等值通常采用变压器高压侧母线加零序电压、中低压侧开路，将所测零序电抗填入XR卡中，可以用正序电抗典型参数代替其零序电抗。

通过对短路电流误差的分析，证明以上3种取值方法有足够的精度，是完全能够满足工程要求的。