一种局部电网短路电流的快速计算方法

张国栋，何明锋

（金华电力设计院有限公司，浙江 金华 321000）

0 引言

在电力系统和电气设备的设计和运行中，短路电流计算是解决相关技术问题不可缺少的基本计算，是接线方案比较、电气设备选择、继电保护计算与整定的基础。实用的短路电流计算，是在基本假设基础上对网络利用多次的并、串及星—角等值变换进行化简，求得各电源点对短路点的转移阻抗，然后查运算曲线，求得短路电流[1]。手工进行网络化简，存在速度慢、精确度低且容易出错的缺点。对大电网的潮流计算和短路计算，已有较为成功的计算方法和程序，能对电力网络进行较为精确和复杂的分析计算，但因其程序较大，所需的硬件资源较多，计算前的准备工作复杂，计算结果也并不完全适合中小型供/配电网的设计工作和运行。实际工作中，作为单体的发电厂和供电公司，在设计验算、设备改造等工作需进行短路电流计算时，往往采用手工计算。本文从实际工作需要出发，基于实用短路电流计算，利用PSCAD进行网络变换，简化了计算过程。

1 计算原理和方法

1.1 传统计算步骤及存在问题

短路电流周期分量的计算步骤如下：

（1）绘制相应的电力系统、发电厂、变电站接线图。

（2）确定与短路电流有关的运行方式。

（3）计算各元件的正、负及零序阻抗（电抗），系统电抗一般由上级调度部门给出。

（4）绘制相应的短路电流计算阻抗图。

（5）根据需要取不同的短路点进行短路电流计算。

（6）列出短路电流计算结果表。

上述步骤中第5条最为复杂，需要对阻抗图进行网络变换，以求取各电源对短路点的转移电抗，进而求得计算电抗，查运算曲线，得到短路电流计算结果。尤其是需要进行多个短路点的短路电流计算时，手工网络化简将花费大量时间且容易出错。

1.2 PSCAD中网络化简的实现过程

根据电力系统相关知识可知，当节点D注入单位电流，而其它节点注入电流均为零时，节点D的电压值等于其自阻抗值。因此，在短路计算阻抗图中，若将各有限电源点经″接地，将外部系统经系统阻抗接地后，在某短路点注入单位电流，则该处的电压即为该短路点的综合电抗X∑。因此计算短路电流的流程可用图1表示。

图1 短路电流计算流程

以上计算过程中，如果采用仿真软件进行网络化简将会十分简单，尤其需要进行多个短路点的短路电流计算时，优势十分明显。PSCAD是一款优秀的电力系统仿真软件，能够很容易地实现上述计算过程。具体过程如下：

（1）新建工程文件，绘制各序网的阻抗图。

（2）在各个电源支路添加电流测量元件。

（3）确定短路点，在短路点添加单位电流源元件和电压测量元件。

（4）添加数据输出和显示元件，以显示各个测量数据。

（5）进行仿真计算，得到测量结果。

（6）更换短路点，重复步骤（5），直至计算完所有短路点。

以上过程中需注意的问题是：要将各电源点接地；为方便数据读取，应在短路点添加直流电流源元件；由于采用了直流电流源元件，因此绘制阻抗图时应采用电阻元件代替电抗元件。

2 算例分析

2.1 阻抗图处理

以《电力工程电气设计手册（电气一次部分）》（以下简称手册）中的算例为题，给出采用PSCAD的计算结果。图2为原始的系统正序阻抗图，图3为PSCAD计算用系统正序阻抗图。

图2 原始系统正序阻抗图（Sj=1 000 MVA）

图3 PSCAD计算用正序阻抗图

图3中，将各个电源点接地，在各电源支路中添加电流测量元件，其中CS1和CS2为系统侧电流测量元件；C1—C6为各发电机侧电流测量元件。图中将单位电流源添加在500 kV母线处，则电压测量元件X1的测量值即为500 kV母线短路时该短路点的正序综合阻抗；CS1，CS2及C1—C6的测量值即为各电源的电流分布系数。

负序阻抗图、零序阻抗图的处理方法与正序阻抗图相同。

2.2 计算结果对比

选取500 kV母线d1、220 kV母线d2、联络变35 kV母线d3、发电机机端d4共4个短路点，依次进行网络化简，并与手册中结果进行对比，计算结果见表1，对比结果见表2。

表1 PSCAD计算得各短路点阻抗及分布系数

表2 结果对比

表1列出了利用PSCAD计算出的各短路点综合阻抗以及相应的各电源分布系数。利用正序综合阻抗X1∑除以各电源分布系数，即为该电源和短路点之间的转移阻抗。若需要将其中某几个电源合并，只需将相应的分布系数相加后再与X1∑相除即可。表2中列出了利用该方法计算出的各电源点转移阻抗以及手册中的计算结果。用PSCAD计算时，结果保留4位有效数字，而手册中结果有效数字位数则不太一致。考虑手工计算的舍入误差，可认为二者计算结果一致。

2.3 用PSCAD化简网络阻抗图的优点

利用PSCAD化简网络阻抗图具有如下优点：

（1）可同时进行正、负、零序阻抗图的化简，计算快速。

（2）进行不同点的短路计算时，只需改变单位电流源元件和电压测量元件的位置，其它不需改变。

（3）PSCAD中的阻抗图可直接复制为图元文件，从而方便计算书的编制。

3 结论

本文研究了以手工方式计算短路电流时，利用PSCAD化简网络阻抗图的原理和实现方法。通过和已有算例的结果对比，证明了该方法的有效性，尤其在需要对多点进行短路计算时，具有快速、灵活的优点，能显著提高工作效率。

[1]张玉坤.短路电流计算程序设计[J].小水电，2003，4：11-13.

[2]韩祯祥.电力系统分析[M].杭州：浙江大学出版社，2002.

[3]傅芝兰.电力系统电气设备选择与实用计算[M].北京：中国电力出版社，2004.