CN104036143B - 一种基于实际故障的电力系统短路电流计算方案形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于实际故障的电力系统短路电流计算方案形成方法，包括以下步骤：（1）针对电网中实际发生的多次故障事件，收集故障相关信息及故障前电网运行方式计算数据；（2）基于故障前电网运行方式计算数据，计算相应故障形式下的短路电流；（3）建立步骤（2）所得短路电流的修正公式，并确定实际故障电流拟合的目标函数，采用优化算法对修正公式中的参数进行寻优，并进行偏保守的简约化得到最终的实用计算方案。本发明较大程度降低系统模型差异对计算结果的影响，且在已有的设备条件下，能有效降低因系统实际短路电流水平超标导致故障无法及时切除进而引发系统失稳的风险。

Description

一种基于实际故障的电力系统短路电流计算方案形成方法

技术领域

本发明属于电力系统仿真与计算分析领域，具体涉及一种基于实际故障的电力系统短路电流计算方案形成方法。

背景技术

短路是指一切不正常的相与相或相与地(对于中性点接地的系统)之间发生通路的情况。引发短路的原因主要包括：绝缘材料老化，设备自身缺陷，恶劣的气象条件，带负荷拉刀闸等人为事故，以及鸟兽跨接在裸露的载流导线上等其他因素。

短路故障会破坏电力系统的正常运行，主要危害包括：(1)故障点附近支路中会出现比正常值高出很多倍的电流，考虑到电流的电动力效应，导体间将产生很大的机械应力，可能使事故进一步扩大；(2)短路持续时间较长时，设备可能因过热而损坏；(3)短路时系统电压大幅降低，会对电能质量要求较高的用户产生较大影响，甚至可能造成负荷低压脱扣；(4)短路持续时间较长时，还可能使系统发生功角或电压失稳。因此，在实际生产运行中，必须依靠控制保护装置和断路器等设备准确、快速地消除或隔离系统中的短路故障。

近十年，作为我国经济和社会发展重要支柱的电力工业实现了跨越式发展，电网规模不断扩大，网架结构不断加强，总装机水平不断提高。与此同时，交流系统短路电流水平也逐年攀升，逐渐逼近部分关键在役设备(如交流断路器、熔断器等)的正常工作范围边界，导致短路电流水平控制的压力较大。此外，随着短路电流水平的整体提高，电网中其他相关设备及控制保护功能也会带来一定的运行风险。为合理有效地评估此类风险，辅助电网规划设计、生产运行、设备制造、科技研发等决策，防止过分乐观或保守的结论，必须准确计算交流系统短路电流水平。

交流系统短路电流一般包含由电源激励的周期性分量(交流分量)和短路瞬间电流不能突变产生的非周期性分量(直流分量)两种，由于系统中电阻的存在，非周期性分量将逐渐衰减至零。对于常规断路器，设计制造时一般已经考虑了一定的直流开断能力，仅用短路电流的周期性分量来表征其额定开断电流，故在计算系统短路电流时，一般只针对周期性分量。

短路电流周期性分量计算的基本方法如下：利用对称分量法实现ABC系统与正负零序系统的参数转换，从而得出系统的各序网络方程，并结合故障点的边界条件方程，联立求解出故障点的短路电流和其他相关信息。由此衍生出一种简便快捷的计算方法——正序等效定则。

目前，基于此定则开发的短路电流计算程序已广泛应用于电力系统规划设计和生产运行中。考虑到系统运行方式(开机方式、网架结构、电压水平等)的多样性，以及仿真计算模型与实际系统的差异，利用短路电流计算程序所得的结果会与实际存在偏差。当系统短路电流水平已接近断路器等设备的正常工作边界时，这种偏差可能影响设备选型、系统运行方式安排决策等，降低电网运行的经济性和稳定性，特别是偏差为负(计算结果小于实际)的情况下，可能导致系统无法及时切除故障，严重时可能导致系统失稳、电网大面积停电。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于实际故障的电力系统短路电流计算方案形成方法，本发明基于电网实际生产运行中出现的多次短路故障，利用故障前运行方式计算数据和故障信息计算得到短路电流，并采用优化算法计算已建立的修正规则中的参数，从而形成最终的实用计算方案。

本发明的技术方案是：

本发明基于实际故障的电力系统短路电流计算方案形成方法，包括以下步骤：

(1)针对电网中实际发生的多次故障事件，收集故障相关信息及故障前电网运行方式计算数据；

(2)基于故障前电网运行方式计算数据，计算相应故障形式下的短路电流；

(3)建立步骤(2)所得短路电流的修正公式，并确定实际故障电流拟合的目标函数，采用优化算法对修正公式中的参数进行寻优，并进行偏保守的简约化得到最终的实用计算方案。

上述故障相关信息包括故障类型、故障位置、故障电流大小。

上述步骤(1)中收集故障前电网运行方式计算数据时，应根据电网监测系统记录的事故前电网运行方式信息，校核和调整电网网架结构、开机方式、负荷水平等与实际保持一致。

上述电网监测系统包括有能量管理系统、广域测量系统。

上述步骤(2)中计算故障情况下的短路电流时，直接采用电力系统短路电流计算扫描程序，并将计算条件设置为“不基于潮流”。

上述步骤(3)中对步骤(2)所得短路电流的修正方法为线性修正，具体公式如下：

I_e＝I_c×K+ΔI

式中：I_c为短路电流扫描程序计算结果，K为电流修正系数，ΔI为电流偏差修正量，I_e为修正后的短路电流。

上述步骤(3)中实际故障电流拟合需遵循如下两个原则：(a)所有故障的短路电流计算结果均不低于实测值；(b)短路电流计算结果相对于实测值的误差尽量小。

上述步骤(3)中根据实际故障电流拟合需遵循的两个原则，确定参数优化的目标函数如下：

式中：I_ci、I_ei、I_si分别为第i个实际故障中的短路电流计算值、修正值和目标值，实际计算中目标值I_si即为实测值；K和ΔI为待优化的参数；y_i为具有一定权重的标准差精度指标，K₁和K₂为权重系数，为保证修正后的计算值不低于实测值，应满足0<K₁＜＜K₂。

为保证最终的短路电流计算结果具有一定的偏保守裕度，取实际计算中目标值I_si大于实测值。

上述步骤(3)中优化得到参数K和ΔI后，根据需要，按照一定规则对其进行偏保守的简约处理，并评价处理后的修正公式精度，从而形成最终的实用计算方案。

本发明得出的短路电流实用计算方案可较大程度降低系统模型差异对计算结果的影响，能够较为准确地评估不同运行方式下整个系统的实际短路电流水平，对电网规划设计和生产运行具有积极的指导意义。特别地，在当前已有的设备条件下，能够有效降低因系统实际短路电流水平超标导致故障无法及时切除进而引发系统失稳的风险。本发明是一种方便实用的基于实际故障的电力系统短路电流计算方案形成方法。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于实际故障的电力系统短路电流计算方案形成方法，具体包括以下步骤：

(1)针对电网中实际发生的多次短路故障事件，收集故障相关信息及故障前电网运行方式计算数据；上述故障相关信息包括故障类型、故障位置、故障电流大小等。

(2)基于故障前电网运行方式计算数据，计算相应故障形式下的短路电流；

(3)建立步骤(2)所得短路电流的修正公式，并确定实际故障电流拟合的目标函数，采用优化算法对修正公式中的参数进行寻优，并进行偏保守的简约化得到最终的实用计算方法。

上述步骤(1)中收集故障前电网运行方式计算数据时，根据电网监测系统记录的故障前电网运行方式信息，校核和调整电网开机方式、网架结构、负荷水平等与实际保持一致。上述电网监测系统可以是如能量管理系统、广域测量系统等。

上述步骤(2)中根据故障前电网运行方式计算数据计算对应故障形式下的短路电流时，直接采用电力系统短路电流计算扫描程序。考虑到系统潮流的差异性(针对同一方式的不同仿真计算数据之间，以及仿真计算数据与实际系统之间)，计算时不基于潮流。

上述步骤(3)中建立的短路电流修正公式如下：考虑到不基于潮流情况下系统正负零序网络的等效阻抗与电压水平无关，故短路电流与电压成正比，因此本专利考虑线性修正，具体公式如下：

I_e＝I_c×K+ΔI

式中：I_c为短路电流扫描程序计算结果，K为电流修正系数，ΔI为电流偏差修正量，I_e为修正后的短路电流。

上述步骤(3)中确定实际故障电流拟合的目标函数时，为保证修正公式的准确性和略偏保守性，需遵循如下两个原则：(a)所有故障的短路电流计算结果均不低于实测值；(b)短路电流计算结果相对于实测值的误差尽量小。

上述步骤(3)中根据前述两个原则确定的目标函数如下：

式中：I_ci、I_ei、I_si分别为第i个实际故障中的短路电流计算值、修正值和目标值，实际计算中目标值I_si即为实测值，如需保证最终的短路电流计算结果具有一定的偏保守裕度，可取I_si稍大于实测值；K和ΔI为待优化的参数；y_i为具有一定权重的标准差精度指标，K₁和K₂为权重系数，为保证修正后的计算值不低于实测值，应满足0<K₁＜＜K₂。

上述步骤(3)中考虑到参数优化结果一般有多位小数，为方便记忆和实用化，根据需要，按照一定规则对其进行偏保守的简约化处理，并评价处理后的修正公式精度，从而形成最终的短路电流实用计算方案。

下面以某实际区域电网为例，详细介绍本发明提出的一种基于实际故障的电力系统短路电流计算方案形成方法：

(1)针对该区域电网中实际发生的多次典型短路故障，收集能量管理系统、广域测量系统等监测得到的故障前后电网运行方式信息，并基于典型方式计算数据，调整得到用于短路电流计算的故障前方式计算数据。考虑到利用短路电流计算扫描程序计算故障电流时不基于潮流，调整故障前方式计算数据时可只针对系统开机方式、网架结构、负荷水平。

(2)基于上述已调整好的方式计算数据，利用短路电流计算扫描程序直接计算得到对应故障下的短路电流。本实施例中采用中国电科院开发的电力系统计算分析软件BPA中的短路电流计算扫描程序PSD-SCCPC。

(3)根据已建立好的线性修正公式，确定待优化的参数为K和ΔI。对于优化计算过程中目标函数，本实施例中取目标值I_si为保护专用电流互感器测得的故障电流值，权重系数K₁＝1、K₂＝10⁶。对于优化算法，本实施例采用改进的差分进化算法。参数优化结果如下：K＝0.9877，ΔI＝5.2421。

(4)为方便记忆和实用化，本实施例根据取整原则对优化结果进行简约化处理，结果如下：K＝1，ΔI＝5。综合对比目标值(实测值)、优化所得参数K和ΔI简约化处理前后的短路电流计算结果如表1所示：

表1实际故障的短路电流计算结果与实测值的对比(单位：kA)

注：偏差＝短路电流计算值-短路电流实测值，标准差为偏差的平方的平均值的算术平方根。

由表中结果可知，参数简约化处理后的短路电流计算结果均高于实测值，且标准差精度略高于简约化处理前，简约化处理精度满足要求，最终的计算方案可用于短路电流实用计算。

需要指出的是，对于新出现的短路故障，一方面可以用来校核基于原有短路故障得出的计算方案的准确性，另一方面还可辅助修正方案中的计算参数。

本发明得出的短路电流实用计算方案可较大程度降低系统模型差异对计算结果的影响，能够较为准确地评估不同运行方式下整个系统的实际短路电流水平，对电网规划设计和生产运行具有积极的指导意义。特别地，在当前已有的设备条件下，能够有效降低因系统实际短路电流水平超标导致故障无法及时切除进而引发系统失稳的风险。

最后应当说明的是，本发明不局限于所举实施例，其可以应用到不同实际电网，并且未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (9)

1.一种基于实际故障的电力系统短路电流计算方案形成方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)针对电网中实际发生的多次故障事件，收集故障相关信息及故障前电网运行方式计算数据；

(2)基于故障前电网运行方式计算数据，计算相应故障形式下的短路电流；

(3)建立步骤(2)所得短路电流的修正公式，并确定实际故障电流拟合的目标函数，采用优化算法对修正公式中的参数进行寻优，并进行偏保守的简约化得到最终的实用计算方案；

上述步骤(3)中根据实际故障电流拟合需遵循的两个原则，确定参数优化的目标函数如下：

$\begin{array}{cc}\min & Y=\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{y}_i\end{array}$

s.t.[I_e1,I_e2,…I_en]^T＝[I_c1,I_c2,…I_cn]^T×K+ΔI

$y_i=\left\{\begin{array}{cc}{(I_{ei}-I_{si})}^2\&times;K_1& (I_{ei}\&GreaterEqual;I_{si})\\ {(I_{ei}-I_{si})}^2\&times;K_2& (I_{ei}<I_{si})\end{array}\right.$

式中：I_ci、I_ei、I_si分别为第i个实际故障中的短路电流计算值、修正值和目标值，实际计算中目标值I_si即为实测值；K和ΔI为待优化的参数；y_i为具有一定权重的标准差精度指标，K₁和K₂为权重系数，为保证修正后的计算值不低于实测值，应满足0＜K₁＜＜K₂。

2.根据权利要求1所述的基于实际故障的电力系统短路电流计算方案形成方法，其特征在于上述故障相关信息包括故障类型、故障位置、故障电流大小。

3.根据权利要求1所述的基于实际故障的电力系统短路电流计算方案形成方法，其特征在于上述步骤(1)中收集故障前电网运行方式计算数据时，应根据电网监测系统记录的事故前电网运行方式信息，校核和调整电网网架结构、开机方式、负荷水平等与实际保持一致。

4.根据权利要求3所述的基于实际故障的电力系统短路电流计算方案形成方法，其特征在于上述电网监测系统包括有能量管理系统、广域测量系统。

5.根据权利要求1所述的基于实际故障的电力系统短路电流计算方案形成方法，其特征在于上述步骤(2)中计算故障情况下的短路电流时，直接采用电力系统短路电流计算扫描程序，并将计算条件设置为“不基于潮流”。

6.根据权利要求1所述的基于实际故障的电力系统短路电流计算方案形成方法，其特征在于上述步骤(3)中对步骤(2)所得短路电流的修正方法为线性修正，具体公式如下：

I_e＝I_c×K+ΔI

式中：I_c为短路电流扫描程序计算结果，K为电流修正系数，ΔI为电流偏差修正量，I_e为修正后的短路电流。

7.根据权利要求1至6任一项所述的基于实际故障的电力系统短路电流计算方案形成方法，其特征在于上述步骤(3)中实际故障电流拟合需遵循如下两个原则：(a)所有故障的短路电流计算结果均不低于实测值；(b)短路电流计算结果相对于实测值的误差尽量小。

8.根据权利要求7所述的基于实际故障的电力系统短路电流计算方案形成方法，其特征在于为保证最终的短路电流计算结果具有一定的偏保守裕度，取实际计算中目标值I_si大于实测值。

9.根据权利要求8所述的基于实际故障的电力系统短路电流计算方案形成方法，其特征在于上述步骤(3)中优化得到参数K和ΔI后，根据需要，按照一定规则对其进行偏保守的简约处理，并评价处理后的修正公式精度，从而形成最终的实用计算方案。