短路电流辅助决策在线计算.doc

短路电流辅助决策在线计算段慧 鲍颜红 彭慧敏 许立雄 徐泰山 李新东（国网电力科学研究院，南京市 210003）摘要：针对在线短路电流分析只能实现计算及预警，对短路电流超标的情况尚不能给出控制措施建议的问题，提出了短路电流辅助决策在线计算的思想，基于实时电力系统运行方式，对短路电流超标的母线或线路自动给出减小短路电流的多种辅助决策措施。根据各设备投停状态形成基于设备投停的措施空间，结合变结构电力系统故障计算方法，可给出停运发电机、停运线路及投运串联电抗三种辅助决策措施；基于实时厂站拓扑结构，分析主接线方式，可给出母线分裂运行或线路出串运行两种辅助决策措施。某省级电网短路电流辅助决策在线计算的应用实例，证明了该方法具有较高的工程实用价值。关键词：短路电流；辅助决策；在线计算；设备投停；厂站拓扑中图分类号：TM713 0 引言随着电网规模不断扩大，联系紧密程度增强，系统的短路电流水平越来越高，许多区域电网特别是发达地区电网已经逼近甚至超过断路器的最大遮断容量，需采取有效措施加以解决。以往电网运行人员安排运行方式时，按照最大短路电流计算原则校核各点的短路电流，发现短路电流超标时，提出限制短路电流的方案。然而由于新设备投产、电压水平变化等原因，接近极限的母线和线路短路电流实际运行中可能会超过断路器遮断容量，因此，在调度中心基于实时数据进行短路电流在线评估与辅助决策，对保障电网安全稳定运行，避免重大事故的发生，是十分必要的1-3。目前，电力系统在线监视和控制系统中，只实现了短路电流的实时监视，发现短路电流超标时，只能够进行预警，尚未实现辅助决策的功能4。常用的减小短路电流的措施按照实现方法可分为两大类：基于设备投停的控制措施及基于厂站拓扑结构的控制措施。基于设备投停的控制措施有停运发电机，停运线路，投运串联高抗；基于厂站拓扑的控制措施有母线分裂运行，线路出串运行5-7。将短路电流实时监视功能及常用的减小短路电流措施相结合，本文提出了基于实时数据进行短路电流辅助决策在线计算框架，详细介绍了应用于在线调度决策的限制短路电流计算方法。基于电网实时运行状态，评估系统的短路电流水平，当发现有短路电流超标时，结合设备投停或者实时厂站拓扑结构的信息，寻找可以减小短路电流的措施，向调度人员提供参考。1 计算框架短路电流辅助决策在线计算，基于EMS状态估计获得的实时运行方式，对运行人员所关心的母线或线路进行短路电流评估，并与断路器的额定遮断容量比较，当发现短路电流超标时，向运行人员给出预警信息，并启动辅助决策计算。它可以保证运行方式不断变化的情况下，及时发现系统中潜在的短路电流超标问题，并迅速向电网调度人员提供辅助决策建议。短路电流辅助决策按照实现方法，可分为两大类：基于设备投停的辅助决策和基于实时厂站拓扑结构的辅助决策。基于设备投停的辅助决策，主要包括停运发电机，停运线路和投运串联高抗。基于当前运行方式，整合当前运行的发电机信息、线路信息，以及尚未投运的串联高抗设备信息，在设备投停不影响系统安全稳定性的前提下，形成辅助决策候选措施空间，计算措施空间中各设备的投、停对短路电流的灵敏度，从而筛选得到最有效的控制措施，给出设备投、停建议。基于实时厂站拓扑结构的辅助决策，主要包括200kV厂站母线分裂运行及500kV厂站线路出串运行两类措施。短路电流辅助决策在线计算框架如图1所示。图1 短路电流辅助决策在线计算框架2 实现方法2.1基于设备投停的短路电流辅助决策基于设备投停的短路电流辅助决策通过改变设备的投停状态，从而增大短路阻抗，减小短路电流。按照辅助决策候选措施空间中各控制措施对短路电流的灵敏度，给出相应的停运发电机、停运线路、投运串联高抗的建议。改变发电机、线路、串联高抗的投停状态相当于改变电网中链支的数目，并不增加电网的节点数，因此，不需要对现有的因子表进行修改，可以根据变结构电力系统故障计算方法，通过直接修改节点阻抗矩阵来求取新的短路阻抗8。不考虑以上设备的投停对全网电压的影响，控制措施实施后，短路点处的新的短路电流为 （1）其中， 控制措施实施前短路点的稳态电压；控制措施实施后短路点的等效短路阻抗；控制措施实施后的短路电流2.1.1 停运发电机发电机提供短路电流的大小取决于发电机的机端电压及其对短路点的转移阻抗，因此，停运发电机，尤其是停运短路点附近的发电机，可以降低短路电流水平。从网络拓扑的角度分析，停运发电机相当于电网中断开一条对地链支，即增加一条对地阻抗为的链支，如图2所示。图2 停运发电机等值电路模型停运发电机后短路点的短路阻抗变为 （2）其中，停运发电机前短路点的初始短路阻抗；停运发电机前，发电机节点的自阻抗；停运发电机前，短路点与发电机节点的互阻抗； 发电机的次暂态电抗。2.1.2 停运线路停运线路可以有效地增大短路点的等值阻抗，从而减小短路电流。当被停运线路对网架可靠性和潮流影响较小时，该方法可以有效地减小短路电流如图3所示，假设被停运线路位于节点和之间，线路阻抗为， 在节点和之间增加并联一条阻抗为的链支，使节点和间的阻抗变为无穷大，这就相当于使线路断开。图3 停运线路等值电路模型 此时短路点的阻抗变为 （3）其中，停运线路前短路点的初始短路阻抗；、停运线路前，被停线路两端节点的自阻抗和互阻抗；、停运线路前，短路点与被停线路两端节点和节点的互阻抗；被停线路的线路阻抗。2.1.3投运串联电抗器在电网中合适的地点加装串联电抗器可以有效地增大系统的短路阻抗，降低短路电流水平，具有非常显著的经济效益。国外已有超高压输电网中应用串联电抗器限制短路电流的工程实例，我国华东电网在2008年5月在黄渡泗泾线路上安装了500kV高压串联电抗器，以限制上海电网的短路电流水平9。应用串联电抗器相当于原有网络拓扑不变，而在节点、之间追加一条阻抗为的连支，使节点、之间的等值阻抗参数变化为，该值等于 （5）其中，节点、之间原线路阻抗；串联电抗器阻抗。由上式可求得在节点、之间追加的连支阻抗为 （6）短路点处新的短路阻抗为： （7）2.2基于实时厂站拓扑结构的短路电流辅助决策 电力系统的网络拓扑分析集中在两个层次，即厂站层和网络层10。厂站决定系统的等值节点数，网络层则是指网络中的输电线路、变压器、等值负荷等元件与这些等值节点的连接关系。基于实时厂站拓扑结构的短路电流辅助决策，首先在厂站层构建拓扑结构分析模型，即厂站内的开断设备(断路器、刀闸)之间的连接关系、开断设备与非开断设备（输电线路、变压器、负荷等）之间的连接关系，判断是否可以进行母线分裂运行或线路出串运行，如果可以，则改变厂站层的连接关系，并对应修改网络层的连接关系，最终形成新的运行方式，重新计算短路电流。基于实时厂站拓扑结构的短路电流辅助决策，将SCADA监视到的设备运行状态与图论相结合，可以迅速获得包含断路器、刀闸在内的厂站主接线，准确地判断短路母线所在厂站中，是否具备母线分裂运行或线路出串运行的条件，从而改变厂站主接线方式，校核厂站拓扑改变后的短路电流水平11。2.2.1 220kV母线分裂运行控制措施厂站220kV侧采用母线分段接线时，可采取母线分裂运行的措施来限制短路电流。母线分裂运行后，厂站层的等值节点数有所变化，网络层的连接方式也有所改变，即全网的总节点数有所增加，且线路、变压器、负荷的连接方式发生改变，这时，需要重新分析网络层的连接关系，计算短路电流。2.2.2 500kV线路出串运行控制措施 厂站500kV侧通常采用一台半断路器的接线方式，线路出串运行是减小500kV电网短路电流水平的有效措施。线路出串运行的原理图如图4所示。正常运行时，断路器QF1、QF2、QF3都处于闭合状态，当需要线路1和线路2出串运行时，打开QF1、QF3开关，此时线路1和线路2合并为一条线路，线路电流不再流经该厂站内部，此时，若500kV母或500kV母发生短路时，线路1和线路2不再提供短路电流，这样相当于增加了系统的短路阻抗，减小了短路电流。图4 线路出串运行原理示意图线路出串运行后，厂站层的等值节点数没有变化，只是网络层的连接方式有所改变，即全网的总节点数不变，只有被出串的两条线路连接方式有所改变。3 算例以某省电网一日的实时运行方式为例。厂站一220kV母线发生三相短路时，短路电流为40.59kA，该点的短路阻抗为0.61+j3.02。设厂站一220kV断路器的额定开断电流为36kA，此时，短路电流辅助决策在线计算功能向调度员发出预警，并且触发辅助决策应用。图5为厂站一地理接线简图。基于设备投停的辅助决策措施空间，应保证投停设备不影响系统安全稳定性。本例中，如停运厂站一至电厂三的线路，会造电厂三孤网，影响系统的安全，因此措施空间中就不能包含停运该线路。图5 厂站一地理接线简图停运发电机、停运线路的措施对减小厂站一220kV短路电流的作用见表1及表2，这里只列出对短路电流减小作用比较明显的措施。由表1可见，停运电厂三发电机减小短路电流2.2kA，停运电厂一发电机减小短路电流1.73kA。结合图5分析，由于厂站一与电厂三的电气联系比与电厂一更为紧密，它对短路电流的贡献更大，因此，停运电厂三发电机的效果要更好一些。由表2可见，停运厂站一至厂站四的线路能增加短路点处的等值阻抗，从而使短路电流减小1.98kA左右。表1 停运发电机建议停运发电机名停运后的短路电流（kA）发电机额定容量（MVA）发电机实际出力（MW）电厂三发电机38.39300281电厂一发电机38.86300284表2 停运线路建议停运线路电压等级（kV）停运后的短路电流（kA）停运后的短路阻抗（）厂站一至厂站四23038.610.63+j3.17厂站一至厂站十二23038.90.63+j3.15根据SCADA系统实时采集到的设备信息，可获得厂站一220kV的主接线方式，表3及表4列出了短路电流辅助决策在线计算得出的母线分裂运行建议。如图6所示，该厂站采用双母线双分段接线方式，有两台母线分段断路器，即断路器220002631及断路器220001792；一台母联断路器，即断路器220001791，三台断路器连接四段母线供电。在厂站层，厂站一220kV逻辑母线对应四条物理母线；在网络层，该站所有220kV的线路出线及变压器绕组都与这四条物理母线相连。另外，由于线路六及线路七通过刀闸连于两段物理母线（母线230001066及母线230000786）上，因此，母线分段断路器220002631不能打开，而断路器220001791及断路器220001792可以打开，这一分析结果同表3所示结果一致。 图6 厂站一220kV主接线示意图由表4可见，除单独打开断路器220001792后有一条逻辑母线的短路电流39.75kA仍大于断路器额定遮断电流外，其它断路器打开方式均可将短路电流限制在断路器的额定开断电流以内。表3母线分裂运行建议可以打开的断路器可打开的断路器220001791220001792表4母线分裂运行建议新的逻辑母线的短路电流水平打开的断路器形成的新逻辑母线分裂运行后的短路电流(kA)分裂运行后的短路阻抗()220001791230000789及23000079033.770.67+3.62230001066及23000078628.320.99+4.332200017922300007903.995.75+j31.70230000789、230001066及23000078639.750.63+j3.07220001791及220001792230001066及23000078628.080.99+j 4.3423000078932.520.70+j3.782300007903.885.76+j31.704 小结本文介绍了短路电流在线辅助决策的计算框架与实现方法，通过实时监测电力系统当前运行方式下的短路电流水平，当发现短路电流超标时，自动给出短路电流辅助决策建议。一方面由设备投停状态形成短路电流措施空间，在线计算停运发电机、停运线路、投运串联高抗对短路电流的减小作用，另一方面实时分析厂站拓扑结构，根据断路器、刀闸的连接方式获得厂站主接线，计算母线分裂运行或线路出串运行的实施方法及控制效果。算例证明了本方法的正确性及实用性，当发现短路电流超标时，既可提供最有效的设备投停类控制措施，也可提供母线分裂运行或线路出串运行的措施，向运行调度人员即时提供参考，因此，本方法具有较高的工程实用价值。限制短路电流与提高系统的安全稳定性是两个相互影响相互制约的问题，需要保证给出辅助决策措施的同时又不影响系统安全稳定性，如何协调两者之间的不同要求，迅速准确地求出满足系统安全稳定要求的辅助决策措施，还有待进一步深入的探讨和研究。参考文献：1 孙奇珍，蔡泽祥，李爱民，李力，吴科成. 500kV电网短路电流超标机理及限制措施适应性. 电力系统及其自动化，2009，33（21）：9296.SUN Qizhen,CAI Zexiang,LI Aimin,LI Li,WU kecheng. 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