电网短路容量测试仪开发

邓朴 薛毅 张广梅 陈薇

摘 要：母线短路容量是电力系统运行与控制所需的关键参数，在线测量短路容量对电网实现可观性和可控性至关重要。本文提出了一种通过投切并联电容器引起的非故障干扰来测量电网母线短路容量的方法，利用该方法可以准确地计算出短路容量。在此基础上，开发了用于现场测试和研究的样机。本文分别基于MATLAB/Simulink和RTDS建立了变电站母线的离线和实时仿真模型。各种工况的仿真分析均表明，该短路容量测试仪结果的测量误差小于5%，在技术上易于使用和推广。

关键词：电力系统;短路容量;实时仿真

中图分类号：TM76;TK3 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）28-0121-05

Development of Short Circuit Capacity Tester for Power Grid

DENG Pu1 XUE Yi1 ZHANG Guangmei2 CHEN Wei3

（1.Power Grid Planning and Research Center， Guizhou Power Grid Co.， Ltd，Guiyang Guizhou 550002;2. Liupanshui Power Supply Bureau，Liupanshui Guizhou 553000;3.School of Electrical Engineering， Guizhou University，Guiyang Guizhou 550025）

Abstract： The short-circuit capacity is a key parameter required for power system operation and control. This paper presented a method to measure the short-circuit capacity of power grid bus by switching the non fault interference caused by shunt capacitor， which can accurately calculate the short-circuit capacity. Based on this， a prototype was developed for field testing and research. In this paper， it established models for substation bus measurements based on MATLAB/Simulink and RTDS. The simulation analysis of various situations shows that the measurement error of the results of this developed short-circuit capacity tester is less than 5%， which is easy to use technically.

Keywords： power systems;short-circuit capacity;real-time simulation

長期以来，电力系统短路容量的计算一直面临着复杂性、及时性和准确性的问题。电网的不断扩展，使得短路容量计算的数据规模较大，难以管理和维护。这导致短路容量的计算跟不上电网的变化，给电网运行带来了很多问题。由于短路容量计算的复杂性和及时性，短路容量计算所需的实际电网拓扑和组件参数库常常不可用，导致配电网保护的正确运行率较低。作为电力系统中最重要的技术因素之一，短路容量的数据要求涵盖了电网规划、设计、施工、运行和维护的各个阶段[1，2]。在过去的几十年间，虽然国内外研究出了一些获取电网短路容量的方法[3，4]，但如何就地、实时地获取母线短路容量，仍是当前电网测量技术中的紧迫问题。

因此，当前电力系统需要一种能就地测量短路容量而又不会造成故障干扰的方法，且该方法不会对当前电网运行状态造成影响，以弥补计算的局限性。电力行业至今尚未发明实用化的短路容量测量方法，尚无一种通用的仪器、装置或设备可以准确地就地测量电网短路容量。本文提出了一种新的非故障就地测量电网母线短路容量的技术，并在此基础上开发出一台样机，用于现场试验与研究。

1 测量法的基本原理

本文所述的母线短路容量是母线三相短路容量，是由电网正序阻抗网络在电网母线节点的戴维南等值电抗（也称为系统短路阻抗）所决定的[5-9]。电网中的待测变电站母线如图1所示。

单独考察某一母线时，可以将母线及其所联系的电力系统用图2表示。为了实现抽象描述，可以把母线上的若干馈线负荷和若干电容器组归并为一个负荷和一组电容器，如图2所示。

测量法的原理：利用母线上已知容量为QC并联无功补偿设备，可以是并联电容器，也可以是并联电抗器，通过对其投入或切除产生母线注入扰动，产生一定的压差[ΔV]，测量扰动前后母线电压有效值[V1]、[V2]及扰动前后电压矢量的角度差[θ];测量扰动之前从母线送出的总有功功率值[PL]和总无功功率值[QL]。根据上述数值即可解算出母线短路容量[S]。

具体步骤如下。

①对于图2所示的一般意义下的电力系统及其变电站，构建电路模型如图3所示。

图3中，[Es]为系统内电势，[Zld]是根据母线上所有负荷计算出的阻抗，其计算公式如下：

[Zld=V21PL+jV21QL]                                    （1）

式（1）中，[PL]和[QL]为母线所带全部负荷的有功和无功功率，[V1]为电容器切除前的电压。

②将电容器用稳定工况下电流源表示，电流大小等于此时的电容器电流，电容器元件用电流源[IC]表示，图3电路模型转化为如图4所示的电路模型。[IC]由式（2）计算得到。

[IC=V21QC]                                       （2）

式中，[QC]为电容器的补偿容量。

③待无功补偿电容器被切除后，其电路模型如图5所示。此时，电路中的激励源仅由系统内电势[Es]作用。电容电流单独作用时，其电路模型如图6所示，此时短接[Es]只剩下电流源[IC]作用于电路。需要说明的是，此工况仅有严格的计算意义，并不对应实际场景，因为不存在电容器单独作用下可以运行的电网，但这不影响本文在电路建模及计算方法层次上的正确性。

④在实施测量后，可以测得电容切除前的电压幅值[V1]、电容切除后的电压幅值[V2]、电容切除前后电压的相位差[θ]。根据图4、图5和图6，可得到图7所示的矢量图，该矢量三角形反映的是电容投切前后不同电路拓扑下的矢量关系。基于此，本文找到了理论上的缺陷所引起的误差，提出了理论上精确的测量原理。

⑤图7中，[V1]是电容器切除前的母线电压;[V2]是电容器切除后的母线电压;[ΔV]是电容器的等效电流源单独作用时产生的压降。求出[ΔV]是本测量算法的关键。根据图7所示的相量图，可得到如下公式：

[ΔV=V21+V22-2V1V2cosθ]             （3）

⑥根据图5，可得到如下公式：

[ΔVZLD+ΔVZs=IC]                           （4）

式（4）中，仅[Zs]是未知变量，在已知阻感比条件下可以解出[Zs];该母线短路容量[S]的标幺值为[1Zs]，进一步求出短路容量[S]。

3 现场试验

3.1 试验平台介绍

实时仿真仪RTDS（Real Time Digital Simulation System，RTDS）是数字仿真技术、计算机技术和并行处理技术发展的产物，其不仅具有数字仿真的特点，而且更重要的是并行处理技术的采用和专门硬件的设计保证了RTDS运行的实时性和具有闭环测试的能力，可以在50μs的步长上完成较大规模电力系统的实时仿真运行。RTDS分为硬件板卡和软件平台，硬件板卡主要包括GPC/PB5、GTAI/AO、GTDI/DO等。其中，PB5板卡主要完成电力系统节点计算;GTAI/AO板卡即模拟量输入/输出板卡;GTDI/DO板卡即数字量输入/输出板卡，负责将RTDS仿真器产生的信号通过小信号的形式输出或将外部信号输入RTDS仿真器中。软件平台名为RSCAD（Real-time Simulator CAD），是一个人机交互的图形化用户界面，也是RTDS仿真器的应用软件。RSCAD中包含了电力系统、控制元件模型库及编译器，用户可以根据自身仿真需要在DRAFT界面搭建一次/二次电力系统模型、电力电子小步长模型等，编译成功后，可在RUNTIME界面搭建實时仿真监测模型，实时模拟电网各项运行或故障状态。

3.2 试验方案

在实时仿真和样机试验时，使用国家标准推荐算例《三相交流系统短路电流计算：第5部分：算例》（GB∕T 15544.5—2017），算例拓扑如图8所示。该系统为50Hz三相交流测试拓扑结构，其中有母线8条（编号为①～⑧）和其他电气设备。在三相短路时，母线①～⑧为短路点，在线路对地短路时，母线②～⑤为短路点。在网络的110kV系统中有三个接地点，即变压器T4、发电厂设备S1（G1+T1）及馈线Q2。

基于MATLB/Simulink离线仿真平台建立和RTDS实时仿真平台分别搭建上述标准算例模型。在进行RTDS试验时，待测母线的三相电压信号将通过RTDS的GTAO板卡和GTAI板卡输出，并通过功率放大器接入试验样机。试验接线原理图如图9所示。

试验步骤如下。

①基于MATLAB/Simulink离线仿真平台搭建标准算例模型，在10kV母线处分别设置五种工况对短路容量测试仪进行仿真试验，并记录下五组离线仿真的测量值。

②基于RTDS实时仿真平台搭建该标准算例模型，并按图9所示完成试验接线。运行RTDS模拟电网模型，待模型编译成功后，通过RUNTIME界面可实时监控模拟电网运行状态，确保电网模型的正确性。

③打开并运行功率放大器，此时RTDS模型的电压信号已由RTDS硬件板卡GTAO模拟量输出板卡输入到功率放大器中。根据比例系数，检验并核对输出电压与RTDS的一致性。

④启动短路容量测试仪样机，待测量程序启动后，在RTDS上RUNTIME界面进行并联电容器的投切操作，即刻样机将根据本文所述的测量算法计算出短路容量和短路电流。基于RTDS的样机调试试验如图10所示。

⑤在与步骤（1）相同的五种工况下，在RTDS实时仿真平台上用短路容量测试仪对10kV母线处进行试验，记录下实时仿真的五组测量值，并与待测母线短路容量理论值及离线仿真结果进行比较，计算测量误差并分析。工作中的样机如图11所示。

4 试验结果对比分析

4.1 典型工况下的交叉验证仿真

为了确保仿真可信，本试验采用了两种完全不同的仿真器和仿真工具包开展交叉验证仿真，即同时使用RTDS和MATLAB/Simulink两种仿真器进行仿真，当两种仿真器在各种仿真场景下都得到相同的仿真结果时，即认为仿真有效，否则持续查找问题，排除建模过程中可能出现的一切错误和不当，直至交叉验证通过。本试验设置了五种典型工况，下面以工况1为例进行说明。

工况1是指标准算例中，同步发电机G1和G2并网运行，10kV母线空载运行。此时，电网各节点短路容量应该具有最大值。

工况1下的试验1：在RTDS模型的10kV空载母线处投入一组50MVar的并联电容器，观察母线处在投入并联电容器前后的电压波形，如图11（a）所示，读出电压在投入前后系统稳定运行时的电压差值[ΔU]为0.792kV;在MATLAB/Simulink模型的10kV空载母线处投入一个50MVar的并联电容器，观察母线处在投入并联电容器前后的电压波形，如图12（b）所示。

从图12可知，在相同的投电容扰动下，两种仿真暂态波形变化规律相同;观察投电容前后电压稳态数值差：RTDS模型下为0.792kV，MATLAB/Simulink模型下为0.797kV。该工况下交叉验证一致。

工况1下的试验2：在RTDS模型的10kV空載母线处放置三相短路电流故障，观察母线处的三线短路电流波形，如图13（a）所示，读出此时的短路电流有效值[Ik]为25.48kA;在MATLAB/Simulink模型的10kV空载母线处放置三相短路电流故障，观察母线处的三线短路电流波形，如图13（b）所示，读出此时的短路电流有效值[Ik]为25.51kA。

从图13可知，在参数设置相同的三相短路故障下，两种仿真暂态波形变化规律相同;观察二者三相短路电流有效值：RTDS模型下为25.48kA，MATLAB/Simulink模型下为25.51kA。该工况下交叉验证一致。

4.2 仿真试验结果分析

五种典型工况交叉一致后，即可在RTDS对短路容量测试仪进行样机调试试验，将试验结果与MATLAB/Simulink离线仿真结果进行对比分析。仿真结果如表1所示。

从表1可以看出，MATLAB/Simulink离线仿真的测试结果与RTDS实时仿真的测试结果在五种工况下基本一致，而两个平台所得测量结果的最大误差为2.27%和1.81%，这两个最大误差的仿真工况为负荷参数设置为（150+j100）MVA，短路容量参数设置为200MVA。该工况下负荷参数与短路容量参数设置大小相近，属电网运行的极端情况。该工况下依然能保证测量精度，充分说明了本文提出的测量原理及其所开发样机测量的精确性。

本文提出的短路容量测量方法在原理上解决了以往就地测量方法的精确性问题，具备实用价值。

5 结语

本文提出的电网母线短路容量的非故障测量方法具有较高的精确性。该方法不需要完整的电网参数，具有安全性、方便性和及时性，有效弥补了短路容量计算的局限性。基于本文原理，可延伸结算相邻变电站短路容量，从而形成区域电网短路容量监测系统，还可层层发掘下游价值，满足电力行业多方面需求，可将其应用至电压稳定性在线监测、继电保护整定值在线检验等多个领域。

参考文献：

[1]徐箭，王甜.交直流混联电力系统的短路容量及电压稳定在线监测方法研究[J].武汉大学学报（工学版），2017（1）：64-68，96.

[2]黄磊.基于短路容量的电压稳定在线监测与控制方法研究[D].武汉：武汉大学，2014.

[3]武云生，胡波，朱敏.利用负荷干扰计算铜川、耀县变电所母线短路容量的试验研究[J].西北电力技术，1996（2）：1-10.

[4]赵刚，施围，林海雪.配电网短路阻抗测量方法的研究[J].电工技术杂志，2003（3）：29-30，34.

[5]潘洪进.中频炉连接点短路容量的测量[J].电气工程应用，2013（2）：24-26.

[6]樊俊哲，唐彬，赵亮.母线短路容量测试方法、装置及系统：CN105548781A[P].2016-05-04.

[7]武云生，胡波，朱敏.利用负荷干扰计算铜川、耀县变电所母线短路容量的试验研究[J].西北电力技术，1996（2）：1-10.

[8]TANG Y， TEN C-W， WANG C， et al. Extraction of energy information from analog meters using image processing [J] IEEE Transactions on Smart Grid， 2015， 4（6）：2032-2040.

[9]TEN C-W， TANG Y. Electric Power： Distribution Emergency Operation [M]. Boca Raton， FL， USA： CRC Press Taylor & Francis Group， 2018.