基于PSASP的电力系统短路故障分析

何 芳

(滨州学院 电气工程学院，山东 滨州 256603)

在电力系统的设计、运行,电气设备的选择、校验，配置各种继电保护和自动装置以及电力系统暂态稳定分析中，短路电流的计算结果是不可缺少的参考依据之一[1-2]。而随着电网规模的不断扩大，传统的手算越来越不能满足工程计算的需要，基于各种计算机技术的仿真软件应运而生，其中电力系统综合自动化平台(PSASP)是比较常用的一个软件。PSASP是中国电力科学院研发的一套用于电力系统分析的软件包[3]，它可靠性高、计算功能强大、人机界面友好，真正实现了图模一体化，且故障设置灵活，输出结果多样。基于PSASP的短路电流计算结果可以为发电机、变电站以及整个电力系统的设计和运行提供依据，也是合理配置各种继电保护和自动装置并正确整定其参数的依据。在设计和选择发电厂和电力系统电气主接线时，为了比较各种不同方案的接线图， 确定是否需要采取限制短路电流的措施等，都要进行必要的短路电流计算，这是电力系统暂态稳定分析的基础。

1 基于PSASP的电力系统短路计算方案

利用PSASP计算短路电流时，定义方式有两种：基于潮流和基于方案。

基于潮流的短路计算。首先要建立电力网的数学模型并赋予电网的运行断面，然后进行潮流计算并收敛。基于潮流的短路计算的数据来源于收敛的潮流计算的数据及结果。

基于方案的短路计算。基础数据取自所基于的方案，它是对短路计算结果的一种估算方法，在计算之前先进行一定的设置，主要包括:(1)忽略负荷，把发电机的电动势设置为1∠00p.u；(2)变压器变比为平均额定电压之比，并忽略线路的电阻及导纳支路；(3)在(2)条件下，可对“考虑电压系数C”及“考虑负荷”两个条件进行选择。

两种方案的比较。在基于潮流进行短路计算时，其中的电网结构、正序参数和节点发电、负荷等计算基础数据均取自潮流计算的计算数据和结果。程序只计算短路电流周期分量起始值“IK”。在进行基于方案的短路计算时，PSASP提供5种计算条件组合，其计算也需选择一个潮流计算。该潮流计算可以没有计算结果，即不进行潮流计算。在这里，可以将潮流计算库看作是短路计算库。

1.1 基于PSASP计算短路的流程

(1)在图模一体化平台上建立模型并按数据组录入原始数据，形成电网的基础数据库。(2)进行潮流计算[4-7]形成电网的稳态运行断面。(3)进行短路作业定义，并设置短路相关信息(短路点、短路类型、短路方案、短路参数设置等)。(4)执行短路计算。(5)查看和输出短路计算结果。

1.2 基于PSASP的外网等值

图1 基于PSASP外电网的等值

1.3 PSASP短路计算条件的设置

(1)自定义条件。选择该项时，用户可指定计算考虑的条件，此时计算条件均可选。

(2)PSASP基本计算方法(“E”=1)。选择该项时，计算条件均无效且不可选，程序按照发电机电抗后电势为 1∠0° p.u计算全网开路电压。

(3)考虑继电保护整定规则条件。选择该项时，前10个计算条件均无效，但“忽略支路电阻”“忽略变压器非标准变比”和“不考虑交流线对地电容(B/2)”均默认选中。此时，程序将按照继电保护整定规程规定的方法进行计算。

(4)考虑国家电网安全稳定计算技术规范条件。选择该项时，“考虑电压系数C”和 “考虑负荷”条件有效，且“考虑负荷为恒阻抗”和“只考虑负荷中的感应电动机部分”两个条件可选，此时，程序将按照国家电网安全稳定计算技术规范规定的计算条件进行计算。

(5)考虑国家短路计算标准条件。选择该项后，程序将根据国家短路电流计算标准进行计算，此时前 7 个计算条件选择框均不可编辑，除“忽略支路电阻”项外，其余各相均选中；“不考虑串联电容器”项有效，默认选中。

2 仿真计算分析

2.1 搭建电网模型

本文所采用的仿真模型为五节点电力系统，如图2所示，系统有5个节点编号为1～5，有4条线路编号为AC_1～AC_4,一个变压器支路编号为T2W_1，两个发电机编号为Gen_1,Gen_2，还有2个负荷编号为Load_1,Load_2。采用的仿真模型的系统的基础容量为100 MV·A。其中发电机Gen_1为外网输电线路等值出来的等值发电机，在潮流计算时将其设置为平衡节点。

图2 五节点电力系统仿真模型

2.2 基于潮流的短路计算

(1)变压器接线方式不同，短路电流的计算结果。变压器有4种接线方式：IG(I侧接地)、JG(J侧接地)、IJ(I侧和J侧相连)、NO(无连接)。采用不同的接线方式，各母线故障的短路电流标幺值的大小如表1所示(AB为两相短路、ABG为两相接地短路、AG为单相接地短路、ABC为三相短路)，其电流的基准值为0.5 kA。

(2)变压器的接线方式对短路电流的影响。结合表1分析，由公式

(1)

(2)

可知，变压器的接线方式对三相短路和两相短路的故障电流没有影响，因为相间短路不需要以接地线作为流通的回路[9]，相反，变压器的接线方式对接地短路影响很大。

变压器IG接线方式等同于YG/△接线方式，短路点和变压器接地中性点形成了短路的流通回路，故X∑0≠∞。当发生单相接地故障时，由公式

(3)

知故障电流比较大；当发生两相接地故障时，由公式

(4)

(5)

可知短路电流也很大。此时两相短路和两相接地的短路电流不相同。

变压器JG接线方式相当于△/YG，当在母线1～4发生接地短路故障时，由于短路侧变压器采用△接线，无法形成零序电流的流通回路，故X∑0≠∞;当发生单相接地故障时，由公式(3)可知，故障电流为0;当发生两相接地故障时，由公式(4)和(5)可知，其短路电流等于两相短路电流[10]。而母线5发生接地短路时，由于短路侧变压器采用YG接线，可以形成零序电流的流通回路，故X∑0≠∞，因此母线5处发生单相接地短路时，有比较大的短路电流。

表1 变压器接线方式改变时，短路电流计算的标幺值

变压器的IJ和NO接线方式，由于变压器中性点不接地，故无法形成零序电流的流通回路，故X∑0≠∞，因此在母线1～5处发生单相接地短路时，由公式(3)～(5)可知，故障电流为0，发生两相接地短路时，其短路电流等于两项短路电流。

2.3 基于方案的短路计算

基于方案的不同算法模型，短路计算结果如表2所示。由于设置中主要考虑电压系数C和负荷模型两个因素，故主要讨论电压系数C和负荷模型对短路电流的影响。

表2 不同算法模型，短路电流计算的标幺值

3 结语

本文利用电力系统综合自动化平台(PSASP)搭建了一个常用的五节点电力系统模型，进行了各种短路故障的计算，并分析了基于潮流的短路计算时，变压器的接线方式对不对称短路电流的影响；以及基于方案的短路计算时，电压系数和负荷模型对三相对称短路电流的影响。