面向BPA規劃電網短路電流計算一次設備零序參數的取值方法

何必倫，曹 煒，衛皇蒞，桂世成，王 超

(上海電力大學電氣工程學院，上海 200090)

目前，某些地方電網的部分500 、220 kV變電站存在單相短路電流大于三相短路電流的情況，有些分區500 kV主變220 kV側母線單相短路電流非常接近50 kA，甚至超過斷路器的遮斷電流50 kA。因此，單相與三相的短路電流校核一樣重要[1]。

BPA程序[2-4]中的電力系統模型參數是否精確對于電力系統的安全穩定運行至關重要，而變壓器、輸電線路作為聯絡電網的重要元件，其參數的準確性直接關系到電力系統的分析計算的可靠性與準確性。對于規劃網架中單相短路電流接近甚至超過限額的站點，零序參數的取值將直接影響到單相短路電流計算結果的準確性，進而影響規劃方案的選擇。因此，獲取準確的電網擴建規劃的一次設備參數具有重要意義。

一般來說，變壓器、線路的正序、負序參數比較容易獲取，誤差也較小，而變壓器零序參數涉及主變鐵芯類型、接線型式及其中性點接地方式；交流線路零序阻抗參數與線路的架設方式、避雷線設置以及大地電阻等都有關系；未建模的較低電壓等級的等值網絡零序參數更是與變壓器中性點接地點的布置有關[5]。上述種種因素影響到電網擴建規劃中單相短路電流計算值，因此，電網擴建規劃中需抓住主要忽略次要問題，給出對應零序卡的取值方法。

本文將理論計算、數據分析分別引入某地方電網分區500 kV主變零序電抗的計算和分區內220 kV線路阻抗和變壓器等值電抗參數測算中，根據某地方電網的實際情況，指出基于PSD-BPA平臺短路電流計算的電網零序參數取值方法的總體思路及方法。最終，用該方法得出規劃電網零序參數值分別填入PSD-BPA暫態穩定程序對應的零序參數卡片中，并校核規劃年某地方電網的單相短路電流，提出相關建議，具有重要的工程實踐意義，該方法對其他地區電網規劃仿真零序參數取值方法的研究應用有借鑒作用。

1 基于PSD-BPA單相短路電流計算的原理

中性點有效接地系統的單相接地短路電流[6-8]為

(1)

式中Uf為短路發生前故障點的正常工作電壓；Z+、Z-、Z0分別為故障點的正、負和零序阻抗，分別代表正、負和零序網絡的故障點自阻抗。

Z+、Z-的大小與短路點對電源的電氣距離有關，比較容易確定，而Z0的大小則受中性點接地點布置等諸多因素的影響，在電網運行仿真中可根據實際情況確定，而在電網規劃階段卻不易確定。

圖1 主網系統接線Figure 1 Main network system wiring

圖2 分區零序示意Figure 2 Partition of zero sequence diagram

2 零序參數取值方法分析

2.1 整體研究思路

研究思路如圖3所示，研究所用數據源由某地方電網已運行變壓器的出廠參數、試驗數據以及BPA中的實測數據組成。

圖3 研究思路Figure 3 Research framework

對于500 kV主變，大部分都采用3個單相自耦電力變壓器組成的三相變壓器組，根據其出廠參數理論計算零序參數，并且填入PSD-BPA中相應的XO卡中；結合變壓器、線路零序參數的影響因素和實際工作經驗，對線路、220 kV主變零序參數取值，基于試驗參數進行數據分析，得到線路、220 kV主變零序/正序參數比值，通過相應的比值分別計算線路零序參數、220 kV主變高壓側母線下級等值零序電抗，然后填入PSD-BPA中相應的LO、XR卡中。最終根據確定的電網規劃仿真中零序參數的取值方法，校核規劃年某地方電網500 kV變電站主變220 kV側母線單相短路電流，并基于PSD-BPA平臺短路電流計算的電網零序參數取值方法和規劃電網單相短路電流校核的結果，給出相關建議和措施。

2.2 某地方電網500 kV主變壓器零序參數取值方法的確定

根據某地電網未來2～3年的500 kV輸變電項目建設計劃，500 kV變電站的擴建、主變壓器的增容等工程既需要增加新的500 kV變壓器，也需要在500 kV主變壓器中性點處加裝小電抗，來限制規劃電網500 kV變電站母線單相短路電流的超標。

在實際工作中，面向PSD-BPA短路電流計算的電網500 kV變壓器零序電抗取值大多數是照搬已經運行的同容量變壓器參數。隨著主變接線運行方式以及主變中性點接地電抗值的變動，以往的做法不再適用。

PSD-BPA暫態穩定程序中變壓器零序參數XO卡的填寫，首先，應根據變壓器的接線方式和鐵心結構，計算其零序等值電路和零序參數的標幺值，然后，采用本卡填寫變壓器所有等值支路的參數[3]。

目前，某地電網每個分區的500 kV主變壓器都采用3個單相自耦電力變壓器組成的三相變壓器組，其三相繞組的聯接形式均為YNa0d11，其中性點接地方式包括直接和經小電抗接地2種。對于由3個單相變壓器組成的三相變壓器組，每相的零序主磁通與正序主磁通一樣，都有獨立的鐵芯磁路，其零序勵磁電抗與正序的相等[7]。因此，根據某地電網500 kV主變壓器的的實際情況，本文采用理論計算的方法求解其零序電抗[9-11]。

(2)

根據新規劃，單相自耦電力變壓器容量參考《電力工程設計手冊》中規定的標準技術參數，求出新規劃的自耦變零序電抗標幺值。當主網規劃中500 kV自耦變的中性點接地電抗發生變化時，也可根據式(2)計算其零序電抗標幺值。

2.3 某地方電網220 kV主變高壓側母線下級等值零序電抗取值方法的確定

根據某地電網近年來220 kV輸變電項目的建設計劃，220 kV變電站的擴建、主變壓器的增容等工程既需要增加新的220 kV變壓器，也需要根據電網的需求改變主變中性點接地方式及接地數量。

在實際電網中，成千上萬的負荷元件連接在10 kV及以下電壓等級的配網中，但是要詳細描述110 kV及以下的配網網絡勢必造成計算速度慢、計算效率低等諸多問題。因此在實際計算中，各網、省公司的規劃、運行以及設計部門一般采用一定的等值方法，在較高的電壓等級上對下級進行零序等值。在主網規劃短路電流計算仿真中，使用BPA在220 kV主變高壓側母線對下級網絡進行零序等值，其零序等值電抗填寫在BPA暫態穩定程序中的XR卡中。

通過對BPA穩定文件中各個單位220 kV主變零序參數數據整理統計，發現220 kV變電站零序通路都只考慮到110 kV側位置為止。在短路計算中，華北等地區電網相關部門將負荷掛在220 kV變電站110 kV電壓等級上，并對220 kV變電站中性點接地的主變壓器各支路的零序參數詳細填寫，如圖4中A變電站所示，其中，k1、k2為故障發生時復合序網中零序網絡接入點；華東等地區電網相關部門將負荷掛在220 kV變電站220 kV電壓等級上，對220 kV站主變各支路零序參數并未填寫，但會將220 kV母線零序通路進行等值計算后掛在220 kV母線，如圖4中B變電站所示。

圖4 500 kV站帶1片220 kV電網的零序網絡Figure 4 A zero sequence network of 500 kV station with one 220 kV power grid

上述2種方式都是經過BPA數據調研得到的結果。當220 kV變壓器高壓側對下級零序等值時，通常采用變壓器高壓側母線加零序電壓、中低壓側開路測得零序電抗。一般情況下零序參數不方便獲取，對于新規劃的220 kV主變，可通過出廠參數或《電力工程設計手冊》得出正序參數，用正序電抗典型參數來替代其零序電抗。

2.4 新規劃的220 kV線路LO卡零序參數取值方法的確定

根據理論計算線路阻抗的特點以及大量阻抗參數實測結果分析，擴建規劃的線路零序阻抗參數可參考區域內同一導線型號的同一導體地線、單回和同桿雙回架設方式，計算取得零序/正序電抗比值XL0/XL以及零序、正序電阻差RL0-RL[13]。

數據分析技術在商業領域的應用很多，在電力系統領域的應用也逐步開展起來[14-18]。構建某地電網220 kV線路實測零序/正序電抗比值預測方法。雖然其整體分布形態未知，但是根據中心極限定理，只要從總體中抽取的樣本容量n足夠大(n>30)，則由這些樣本組成的樣本均值的抽樣分布都近似于正態分布，即可由此推斷一定置信水平下的總體均值μ的區間。

總體均值的區間推斷理論，可供選擇的抽樣分布有Z、T分布，分析此處的已知條件： 樣本容量n>30，進而可以計算出樣本均值以及樣本標準差S，但是總體分布形態位置、總體標準差σZ未知。由此，可以選擇Z分布來推斷總體均值μZ的區間，并且采用樣本標準差S來代替總體標準差σZ參與計算。

在一定置信水平1-α下，基于Z分布的總體均值區間推斷公式為

(3)

對于新規劃的220 kV輸電線路，可通過出廠參數或《電力工程設計手冊》計算其正序參數，并根據總體均值μZ的置信區間區間求出其零序電抗，最后填寫到BPA仿真軟件暫態穩定程序LO卡中。

3 零序參數取值方法誤差分析

3.1 XO卡取值方法替換前后誤差分析

對于已經投入運行的500 kV主變，用出廠參數計算出的變壓器零序電抗替換PSD-BPA暫態穩定程序中已投入運行的變壓器實測的零序參數XO卡值，并計算某地電網分區500 kV變電站220 kV側母線單相短路電流，然后，與XO卡替換前分區500 kV變電站220 kV側母線單相短路電流比較，其單相短路電流誤差如表1所示，可以看到單相短路電流最大的誤差不超過0.746%，小于常規短路電流計算的允許誤差。因此，在電網的規劃階段，500 kV主變零序參數采用理論計算值代替實測值是可行的。

表1 各分區500 kV變電站220 kV側母線單相短路電流誤差(XO卡)Table 1 Single phase short circuit current error of 220 kV side bus in a 500 kV substation of each partition (XO card) %

3.2 LO卡取值方法替換前后誤差分析

以某地電網多個分區為典型場景，使用PSD-SCCP分析14個典型場景的BPA暫態穩定程序中500 kV主變220 kV側線路零序參數，某種220 kV線路零序與正序電抗的比值如圖5所示，除少部分誤差數據，可以看到大部分的比值都落在2～3之間，這與理論計算相符。

圖5 某種220 kV線路零序/正序電抗比值Figure 5 Zero/positive sequence reactance ratio of a 220 kV transmission line

考慮線路參數數據地域等其他因素，在給定顯著水平0.05下、置信度95%的估計區間計算衍生變量作為預測結果，以某地電網220 kV線路廠測參數和零序試驗參數為基礎，預測同桿雙回、單回線路零序/正序電抗比值，使用SPSS軟件分析的結果如表2所示。

表2 基于Z分布的220 kV同桿線路實測零序/正序電抗比值Table 2 Measured zero/positive sequence reactance ratio in 220 kV circuit transmission lines on the same tower based on Z-distribution

從表2可以看出，無論是同桿雙回還是單回線路，其零序/正序電抗比值的上、下限不會超出平均值的±10%。因此，以某地電網為例，將各個分區的LO卡值變動10%，計算500 kV變電站220 kV側母線單相短路電流，計算結果如表3所示，可以看出單相短路電流誤差最大不超過0.81%，小于常規短路電流計算的允許誤差。因此同桿雙回線路和單回線路零序電抗與正序電抗的比值一般就取平均值。對于新規劃的220 kV輸電線路，可通過出廠參數或《電力工程設計手冊》計算出正序參數，并根據上述比值求出其零序電抗，最后填寫到BPA仿真軟件暫態穩定程序LO卡中。

表3 LO卡變動10%時各分區500 kV變電站220 kV側母線單相短路電流誤差Table 3 Single phase short circuit current error of 220 kV side bus in a 500 kV substation with 10% variation of LO card %

3.3 XR卡取值方法替換前后誤差分析

當220 kV變壓器高壓側對下級零序等值時，通常采用變壓器高壓側母線加零序電壓、中低壓側開路測得零序電抗。假設所統計的220 kV聯結組標號為Yn/Yn/D、Yn/D變壓器高壓繞組中性點均接地，分析上海電網220 kV主流變壓器零序/正序電抗比值的離散程度，雙繞組變壓器零序/正序電抗比值如圖6所示，其比值主要分布在0.80～1.05之間；三繞組變壓器零序/正序電抗比值如圖7所示，其比值主要分布在0.95～1.05之間。

圖6 雙繞組變壓器零序/正序電抗比值Figure 6 Zero/positive sequence reactance ratio of double winding transformer

圖7 三繞組變壓器高低壓測零序/正序電抗比值Figure 7 Zero/positive sequence reactance ratio of high-low voltage sides in a three winding transformer

為了分析上述不同比值所對應零序電抗對500 kV站220 kV側母線單相短路電流的影響。將全部掛在220 kV變電站的高壓側母線的單臺雙繞組變壓器零序阻抗變動20%，三繞組變壓器高低壓側零序電抗之和變動10%，基于PSD-BPA平臺分析500 kV站220 kV側母線單相短路電流誤差，如表4所示，500 kV站220 kV側母線單相短路電流變化率最大值為1.780 2%?？紤]到實際規劃新加的220 kV中性點接地主變的數量占比小，220 kV雙繞組、三繞組中性點接地主變采用正序電抗代替其零序電抗，故此處零序電抗的變動值和數量均小于上述情況，其誤差見表4，最大值為0.362 5%，滿足評估規劃電網單相短路電流水平的可信度。因此，對于電網新規劃、未知的單臺220 kV中性點接地主變，可以用正序電抗典型參數代替其零序電抗。

表4 500 kV站220 kV側母線單相短路電流誤差Table 4 Single phase short-circuit current error of 220 kV side bus in a 500 kV substation

4 結語

1)某地電網500 kV系統主變全部采用3個單相自耦變組成的三相變壓器組。由于主變的擴建或其中性點接地電抗的變動，故新規劃500 kV主變在BPA暫態穩定程序XO卡中的填寫值取主變零序參數理論計算值。

2)對于220 kV部分擴建規劃的線路零序阻抗參數，可參考區域內同一導線型號的同一導體地線、單回和同桿雙回架設方式，計算取得零序/正序電抗比值XL0/XL、零序、正序電阻差RL0-RL。通過數據分析，預測出220 kV單回和同桿雙回線路零序/正序電抗比值，LO卡取其正序電抗標幺值與零序/正序比值樣本均值的乘積。

3)針對電網新規劃、未知的單臺220 kV中性點接地主變，其高壓側對下級零序等值通常采用變壓器高壓側母線加零序電壓、中低壓側開路，將所測零序電抗填入XR卡中，可以用正序電抗典型參數代替其零序電抗。

通過對短路電流誤差的分析，證明以上3種取值方法有足夠的精度，是完全能夠滿足工程要求的。