CN102646155B - 一种适用于短路电流计算的负荷建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统领域，具体涉及一种适用于短路电流计算的负荷建模方法。本发明依据不同负荷模型对短路电流计算的影响机理，基于省级电网接入中压电动机的实际比例，提出了适用于短路电流计算的建模方法。采用本发明进行电力系统三相短路电流计算分析时，能提高仿真的准确程度，为电网规划、运行提供强有力的决策支持。

Description

一种适用于短路电流计算的负荷建模方法

技术领域

本发明涉及电力系统一种建模方法，具体涉及一种适用于短路电流计算的负荷建模方法。

背景技术

随着电网互联程度的不断提高和网架结构的不断加强，短路电流超标问题日益突出。倘若短路电流计算结果过于保守，则需要大量投资更换更高遮断水平的断路器，电网运行经济性较差；计算结果过于乐观，则系统的安全稳定运行存在隐患。调研结果表明：国内电网公司运行、规划部门对短路电流计算条件的选择存在一定差异。前期研究表明：不同的边界条件对系统短路电流计算结果的影响是不同的，其中负荷的影响较大。因此，亟需深入研究负荷模型对短路电流计算结果的影响。

电力系统负荷模型一般可以分为静态模型和动态模型。静态模型主要有ZIP模型、多项式模型和幂指数模型。动态负荷模型主要有机理式负荷模型和非机理式负荷模型。由于电动机负荷在总的负荷中占有较大比例，所以机理式负荷模型常用电动机负荷模型来表示。非机理式负荷模型是将负荷看作是一个输入量为电压和频率，输出量为有功和无功功率的“黑箱”，采用系统辨识的方法来确定其输入输出特性。一般有传递函数模型，差分方程模型，神经网络模型等。

目前，电力系统稳定计算常采用静态负荷模型和动态负荷模型相结合的形式，即采用ZIP模型和电动机模型相结合来描述系统总的负荷模型。2005年，申请人提出了考虑配电网络的综合负荷模型(SynthesisLoadModel，简称SLM)的技术方案，该技术方案可以方便地模拟负荷元件和供电系统，包括配电网络、无功补偿，以及接入低压电网的发电机。同时应该指出，SLM负荷模型依赖于较为详细的综合统计。当负荷地区不具备统计条件时，使用该负荷模型将较为困难。对于短路电流计算而言，常用于电网的规划设计与运行校核阶段。要求负荷模型建模周期短，可实用性强。因此，常用的适用于暂态稳定计算的负荷模型表现出一定的不足，亟需研究提出适用于短路计算的负荷建模方法。

本申请人通过进一步研究发现，静态负荷模型不提供短路电流，对于远端短路点的短路电流有分流作用。其中恒阻抗负荷分流效果最为不明显，恒功率负荷分流效果最为明显；感应电动机反馈的短路电流大小与电动机容量成正比；考虑磁路饱和特性使得电动机反馈电流增大；从理论上讲，并非所有的电动机均反馈短路电流，需要依据其内电势与端电压的大小判定；

本申请人进一步通过动模实验及仿真计算表明：负荷反馈短路电流大小与电动机所占比例直接相关。电动机负荷比例越大，反馈短路电流水平越高。对于接入低压或中压的小容量电动机，其反馈到220kV电网的周期分量初值较小，且衰减较快，因而可以忽略其影响；对于接入中压的大容量电动机，考虑到其交流时间常数较大，衰减较慢，故可以计算220kV及以上电压等级母线短路电流时考虑其影响，并计及衰减特性。

申请人研究发现有采用机电暂态三阶模型中因为参入了过多的参数和考量因素，导致计算过程复杂，而且计算结果也并不具有更突出的参考价值，所以负荷模型建模周期短，可实用性强的要求一直未能得到满足。

发明内容

本发明的目的在于针对短路电流计算过程中负荷建模较难使用的现状，提出一种负荷建模方法。该方法较暂态稳定计算负荷建模更易推广实用。

本发明提供了一种适用于短路电流计算的负荷建模方法，该方法包括如下步骤：1)调研一定区域内接入6kV、10.5kV电动机的比例；2)根据步骤1)的结果，以该区域内220kV区域电网为基准，调整电动机的比例；3)根据步骤2)的结果，调整负荷模型内电动机的实际比例，采用机电暂态三阶模型来建立负荷模型；4)根据步骤3)的结果，计算短路电流水平，其特征在于忽略静态负荷模型的影响。

本发明的计算电网短路电流的负荷建模优选方法中，动态负荷模型等值在220kV站的110kV母线侧。

本发明提供的再一优选的计算电网短路电流的负荷建模方法中，忽略接入380V的低压感应电动机的影响。

本发明提供的第三优选计算电网短路电流的负荷建模方法中，模型中只计入6、10kV电压等级的中压电动机的台数、容量、以及投入使用的比例。

本发明提供的第四优选计算电网短路电流的负荷建模方法中，电网中压电动机实际投入容量占负荷总量的比例由电网实际情况决定。

本发明提供的第五优选计算电网短路电流的负荷建模方法中，计算模型参数延续使用II型马达参数。

本发明建模方法是根据不同负荷模型对短路电流计算的影响机理，基于动模实验及数字仿真分析，着重研究了感应电动机负荷反馈短路电流对220kV以上电网的影响，从而提出了仅考虑接入6、10kV感应电动机的负荷建模方法。

首先，我们需要明确不同种类负荷模型对短路电流计算的影响机理。

基于两点假设前提，理论推导了感应电动机定子绕组端点三相短路的解析表达式。根据理论推导，深入掌握了电动机反馈短路电流特性。

两点假设前提分别为：感应电动机正常运行时的转子滑差接近0，近似认为欠激的同步发电机；近似认为感应电动机的定子与转子漏抗相同。解析表达式如下所示，其中式中和分别为短路前电动机的端电压及次暂态电势，X″_D为电动机次暂态电抗，T_D为交流时间常数。

$i=[\frac{V_{0^{-}}}{X_D^{\′\′}}-\frac{{E_{0^{+}}}^{\′\′}}{X_D^{\′\′}}\cos t]e^{-\frac{t}{T_D}}$

依据理论推导，指出感应电动机反馈的短路电流大小与电动机容量成正比；考虑磁路饱和特性使得电动机反馈电流增大；从理论上讲，并非所有的电动机均反馈短路电流，需要依据其内电势与端电压的大小判定。故以往认为电动机负荷均提供短路电流的处理方式，得到的计算结果较为保守。

因此静态负荷模型不提供短路电流，对于远端短路点的短路电流有分流作用。其中恒阻抗负荷分流效果最为不明显，恒功率负荷分流效果最为明显；感应电动机反馈的短路电流大小与电动机容量成正比；考虑磁路饱和特性使得电动机反馈电流增大；从理论上讲，并非所有的电动机均反馈短路电流，需要依据其内电势与端电压的大小判定。

其次，本申请人通过动模实验与仿真计算分析等手段，研究感应电动机反馈短路电流对220kV以上电网的影响。

本申请人通过大量动模实验及仿真计算表明：负荷反馈短路电流大小与电动机所占比例直接相关。电动机负荷比例越大，反馈短路电流水平越高。对于接入低压或中压的小容量电动机，其反馈到220kV电网的周期分量初值较小，且衰减较快，因而忽略其影响；对于接入中压的大容量电动机，考虑到其交流时间常数较大，衰减较慢，故建议计算220kV及以上电压等级母线短路电流时考虑其影响，并计及衰减特性。

基于前述研究，考虑到接入6、10kV的中压感应电动机提供的短路电流较大，衰减较慢，接入380V的低压感应电动机提供的短路电流较小，衰减较快，故只考虑接入6、10kV电压等级的感应电动机的影响；推荐省级电网短路电流计算选取考虑感应电动机的动态负荷模型，忽略静态负荷模型的影响；动态负荷模型等值在220kV站的110kV母线侧；模型参数延续使用II型马达参数，各地区电网中压电动机实际投入容量占负荷总量的比例由电网实际情况决定。

因此，本发明提供的技术方案是适用于省级电网使用的短路电流计算负荷模型。

术语模型结构：动态负荷模型等值在220kV站的110kV母线侧，忽略静态负荷和接入380V的低压感应电动机的影响；

术语模型参数：延续使用II型马达参数，各地区接入6、10kV的电动机实际投入容量占负荷总量的比例由实际情况决定。

附图说明

图1：不同容量电动机交流时间常数示意图；

图2：动模试验录播图；

图3：依据本发明提出的适用于短路电流计算的负荷模型示意图；

具体实施方式

参见附图1，从不同容量电动机交流时间常数示意图中可以发现，接入380V电动机交流时间常数远小于接入6、10kV电动机，故可以只考虑接入6、10kV电压等级的感应电动机的影响而不会对短路电流的计算产生显著影响；

参见附图2，从动模试验录播图中可以观察到电动机反馈短路电流随时间的衰减，接入6、10kV的中压感应电动机提供的短路电流较大，衰减较慢，接入380V的低压感应电动机提供的短路电流较小，衰减较快，从而可以证实本申请的技术方案只考虑接入6、10kV电压等级的感应电动机的影响的合理性；

下面参见附图3本发明提出的短路电流计算的负荷模型结构示意图来具体分析本发明模型的适用；

以省级电网为单位，详细调研接入6、10kV电压等级的中压电动机的台数、容量、以及投入使用的比例；以省内各220kV区域电网为单位，基于实际调研情况，选择该区域内电动机有功功率占负荷总量的比例；默认选取区域内最大比例；基于负荷比例，选取II型参数，建立负荷模型；选择如下的计算条件，计算省内电网三相短路电流水平。

计算条件说明：

●基于国调下发的2010年方式计算数据；

●采取基于方案的计算；

●正序考虑并联补偿；

●计及线路充电功率；

●负荷均等值在220kV站的110kV母线侧；

考虑如下四种负荷处理方法：

实施例处理一：负荷模型选取本发明提出的负荷模型，II型参数，比例基于实测；

对比例处理二：负荷模型选取感应电动机的动态负荷模型，II型参数，比例35％；

对比例处理三：负荷模型选取暂态计算负荷模型，50％恒阻抗负荷，50％II型参数电动机；

对比例处理四：负荷模型统一选取恒阻抗负荷模型；

计算结果如下表所示：

表1推荐负荷模型与现有技术中的负荷模型的比较

由上表可见：使用本发明提出的技术方案，计算的500及220kV短路电流水平大于恒阻抗负荷模型的计算结果，小于使用暂稳计算负荷模型的计算结果。由于采用基于方案的计算方法，且除负荷外其他计算条件相同，因而结果的差异主要来自短路点等值阻抗的不同。按照处理三方法计算的系统等值阻抗最小，故短路电流水平最高。

各种处理方法短路点等值阻抗比较如下表所示。

表2本发明负荷模型与现有技术中的负荷模型的比较

和现有技术比，本发明提供的建模方法得到的模型计算出来的短路电流结果精确，短路电流计算结果不会偏于保守，不需要大量投资更换更高遮断水平的断路器，电网运行经济性较好；而且计算结果也不会过于乐观，保证了系统的安全稳定运行。而且本发明因为舍弃了可以忽略影响的参数和考量因素，计算更轻松，所以负荷模型建模周期短，同时也满足了实用性强的要求。

以上所述的具体实施方式只是对本发明的具体举例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在形式或细节上对其作各种各样的变化或替换，都不影响本发明的实质与精神，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种适用于短路电流计算的负荷建模方法，该方法包括如下步骤：1)调研省内接入6kV、10kV电动机的比例；2)根据步骤1)的结果，以省内220kV区域电网为基准，调整电动机的比例；3)根据步骤2)的结果，调整负荷模型内电动机的实际比例，采用机电暂态三阶模型来建立负荷模型；4)根据步骤3)的结果，计算短路电流水平；

忽略静态负荷模型的影响；

动态负荷模型等值在220kV站的110kV母线侧；

忽略接入380V的低压感应电动机的影响；

模型中只计入6、10kV电压等级的中压电动机的台数、容量、以及投入使用的比例；计算模型参数延续使用II型马达参数。

2.根据权利要求1所述的负荷建模方法，其进一步包括，电网中压电动机实际投入容量占负荷总量的比例由电网实际情况决定。