李廣磊 馬夢朝 陳東利 李宏博

1.山東電力集團(tuán)公司電力科學(xué)研究院 山東 濟(jì)南 250002；

2.國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院 山東 濟(jì)南 250002；

3.長葛市電力工業(yè)公司 河南 長葛 461500

0 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，電磁環(huán)網(wǎng)不斷增多，網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)間的電氣距離變小，導(dǎo)致系統(tǒng)短路電流逐年增大，部分設(shè)備的遮斷容量已不能滿足系統(tǒng)要求。目前，短路電流超標(biāo)已成為電力系統(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行等部門面臨的重要問題［1］。

文獻(xiàn)［1］指出電網(wǎng)分層分區(qū)運(yùn)行是控制220kV系統(tǒng)的短路電流的首先方案，但分層分區(qū)初期會帶來局部電網(wǎng)供電受阻、可靠性及穩(wěn)定性下降等負(fù)面影響［2］。文獻(xiàn)［3］從電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與變電站兩個層面全面分析了各種限制短路電流的措施，指出母線分段運(yùn)行會削弱系統(tǒng)的電氣聯(lián)系,降低電網(wǎng)安全裕度和運(yùn)行靈活性。文獻(xiàn)［4］以靈敏度為指標(biāo)，提出了快速尋找限制超標(biāo)點(diǎn)短路電流的最優(yōu)斷線組合，但沒有考慮靜態(tài)安全穩(wěn)定、暫態(tài)電壓安全等因素。文獻(xiàn)［5］基于網(wǎng)絡(luò)分析法建立分區(qū)電網(wǎng)限流運(yùn)行方式的綜合評價模型,但沒有考慮檢修方式下供電安全、可靠性等因素。

在輸電系統(tǒng)短路容量不斷增加的情況下,提高等級或更換設(shè)備不是解決短路電流超標(biāo)的較佳方案。在不增加或更換設(shè)備的情況下，線路開斷可以增大電網(wǎng)的等值阻抗，是抑制短路電流較為便捷的手段［3］。本文首先推導(dǎo)了開斷線路對短路電流的靈敏度矩陣，根據(jù)靈敏度初步篩選幾種斷線組合，然后在此基礎(chǔ)上建立綜合模糊評價體系，通過最大優(yōu)先度來確定最佳開斷線路組合,從而實(shí)現(xiàn)對較優(yōu)可行方案的全面、定量的分析決策。

1 短路電流靈敏度分析

電力網(wǎng)絡(luò)中開斷線路,可以理解為在原電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)阻抗矩陣基礎(chǔ)上減少連枝,所有站點(diǎn)的自阻抗將會增大。因此，原電網(wǎng)中所有站點(diǎn)的短路電流均產(chǎn)生不同程度的下降［6］，尤其是對于短路電流超標(biāo)的站點(diǎn)效果明顯。下面推導(dǎo)開斷線路對短路電流的阻抗靈敏度。

1.1 開斷線路對單一超標(biāo)站點(diǎn)的靈敏度分析

設(shè)原電力網(wǎng)絡(luò)為m階阻抗矩陣Z，節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j間的線路阻抗矩陣為zij。當(dāng)需要開斷節(jié)點(diǎn)i、節(jié)點(diǎn)j間的線路時,相當(dāng)于在節(jié)點(diǎn)i、節(jié)點(diǎn)j間串聯(lián)鏈支－zij，根據(jù)形成阻抗矩陣的支路追加法［1－2］求得開斷一條線路后原電力網(wǎng)路的新阻抗矩陣Z′為：

式中（1）中ZN、ZLL分別為:

斷開1回線路情況下的短路電流超標(biāo)站點(diǎn)的阻抗靈敏系數(shù)ηk［3］為：

對于某一超標(biāo)站點(diǎn)k，短路電流靈敏度系數(shù)η（n）k越大，表明該斷線組合對超標(biāo)站點(diǎn)k的限流效果越好。

1.2 開斷線路對多個超標(biāo)站點(diǎn)的靈敏度分析

如果一個地區(qū)電網(wǎng)存在多個短路電流超標(biāo)站點(diǎn)，且這幾個站點(diǎn)間電氣聯(lián)系比較緊密，不同開斷線路組合對多個站點(diǎn)影響程度不同。因此，開斷線路需要追求多個超標(biāo)站點(diǎn)限流效果最優(yōu)解，不能僅僅局限于某個或某幾個超標(biāo)站點(diǎn)。

同時開斷線路對多個超標(biāo)站點(diǎn)整體效果，可用各自靈敏度系數(shù)疊加值ηsum表示：

原則上靈敏度總和值ηsum越大，則斷線組合最優(yōu)。但實(shí)際運(yùn)行的電網(wǎng)無時無刻不在調(diào)整著運(yùn)行方式，各個站點(diǎn)短路電流超標(biāo)程度不同，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮最大程度降低最大超標(biāo)站點(diǎn)短路電流，同時也能降低其他站點(diǎn)的短線組合。本文引入權(quán)重因子綜合／量化評價整體效果。

2 模糊評價最優(yōu)策略

開斷線路除了考慮降低短路電流，還要兼顧約束條件、供電可靠性、靜態(tài)安全性、暫態(tài)安全性、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性等。

2.1 評價指標(biāo)

1）短路電流限制效果λsc

式（8）中：β為斷路器集合；ΔIsc為開斷線路后短路電流下降幅值，I0為斷路器額定關(guān)斷電流。

2）約束條件

線路過流λline：

式（9）中：ε為輸電線路支路集合；Iline為支路line的電流；Imax為線路持續(xù)允許電流，線路過流最大允許值15%。

變壓器過載λT：

式（10）中：γ為變壓器支路集合；ST為變壓器T的視在功率；Smax為變壓器額定視在功率，變壓器過載一般不能超過額定視在功率Smax的30%。

母線電壓越限［7］：

When to these recollections was added the development of wickham’scharacter...[3]

3）靜態(tài)安全性

靜態(tài)安全分析考慮事故后穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況的安全性，檢驗系統(tǒng)中的元件開斷是否引起支路有功潮流及母線電壓越限。進(jìn)行輸電線路N－1、變電站主變N－1、同塔并架線路N－2安全校核，驗證／分析是否滿足上面的約束條件，評價指標(biāo)分別為λN-1、λN-2。

4）暫態(tài)安全性λδ

考慮最大發(fā)電機(jī)功角差

式（14）中：λi、λj分別為暫態(tài)故障過程中任意兩臺發(fā)電機(jī)之間的功角。

電網(wǎng)處于春季檢修、秋季檢修等狀態(tài)下，供電可靠性包括用戶平均停電時間、系統(tǒng)平均停電時間、供電可用率等，評價指標(biāo)為λreliability。

2.2 模糊量化綜合評價

模糊評價在電廠規(guī)劃、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。模糊評價將因素子集中的各個因素進(jìn)行數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行量化，然后用模糊隸屬度函數(shù)描述各行為指標(biāo)隸屬于評語集中各評語的程度，結(jié)合多層次模糊綜合評價模型進(jìn)行優(yōu)化，從而使評價過程更具客觀性。

本次計算中，指標(biāo)隸屬函數(shù)采用三角形隸屬度函數(shù)予以描述,采用五級指標(biāo)。對各個評價因素進(jìn)行加權(quán)平均，代入模糊綜合評價的優(yōu)先度的計算公式，從而計算出該限制短路電流措施的綜合評價優(yōu)先度［8］。

式（15）中：Sk為綜合考慮所有元素的影響時,被評價事物對評語集第k個評語的隸屬度；p為評價集合的階數(shù)，ek為評價集合對應(yīng)的分?jǐn)?shù)集。

2.3 算法流程

算法流程如圖1：

圖1 算法流程

3 實(shí)例驗證

3.1 濰坊電網(wǎng)簡介

根據(jù)《山東省“十二五”電網(wǎng)規(guī)劃》，未來特高壓濰坊站投運(yùn)，屆時濰坊電網(wǎng)與山東主網(wǎng)聯(lián)系緊密結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，但電磁環(huán)網(wǎng)增多，造成系統(tǒng)短路電流迅速加大，造成變電站已投運(yùn)的設(shè)備遮斷容量不能適應(yīng)系統(tǒng)發(fā)展需要。因此，超前計算分析各站母線的單相和三相短路電流及短路容量，檢驗各開關(guān)等引流元件現(xiàn)有的短路容量能否承受實(shí)際短路故障，并提出限制系統(tǒng)短路電流的綜合對策是非常必要的。

目前，濰坊電網(wǎng)內(nèi)220kV及以上統(tǒng)調(diào)電廠三座和三座500kV變電站。三座統(tǒng)調(diào)電廠均接入220kV系統(tǒng)，500 kV／220 kV電磁環(huán)網(wǎng)的形成使該地區(qū)綜合阻抗更小，從而使分區(qū)電網(wǎng)短路電流超標(biāo)問題更突出，濰坊電廠、濰坊站220kV母線三相短路電流分別為53.02kA、51.09kA，均超過設(shè)備最小額定遮斷電流50kA。

在電力系統(tǒng)四種短路類型中，三相短路發(fā)生的概率最小,但它對電力系統(tǒng)的影響最嚴(yán)重；并且在電力網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中,選擇電氣設(shè)備、整定繼電保護(hù)時,通常均以三相短路時的短路容量作為依據(jù)［5］。因此，本文重點(diǎn)分析三相短路電流的限制措施。

3.2 開斷線路組合

根據(jù)前面的分析，首先找出影響短路電流較大的線路，然后計算不同開斷線路組合方案下的短路電流值及阻抗靈敏度，如表1所示。選取阻抗靈敏度較大的斷線方案6、9、10、11進(jìn)行模糊綜合評價。

表1 開斷線路方案

3.3 模糊綜合評價

根據(jù)前面的分析，計算因素集和各子因素集的權(quán)重系數(shù)集如下：

因素集權(quán)重系數(shù)W＝［0.384，0.203，0.172，0.149，0.092］。

子因素集權(quán)重系數(shù)分別為:

確認(rèn)各行為指標(biāo)隸屬度函數(shù)的參數(shù)，如表2所示：

表2 隸屬度函數(shù)

根據(jù)前面的討論，分別四種方案指標(biāo)計算結(jié)果，如表3所示。

表3 四種方案指標(biāo)計算結(jié)果

從表3可以看出，與方案6相比，方案9、10不僅局部打開了電磁環(huán)網(wǎng)，還能更好的降低短路電流，但是靜態(tài)安全性較差，檢修方式下的供電可靠性差。按照優(yōu)先級原則，方案11優(yōu)先值最大，既打開了電磁環(huán)網(wǎng)，又開斷了影響短路電流較大的線路因素，符合電力安全生產(chǎn)需要。

4 結(jié)語

在不添加或更換設(shè)備的情況下，通過開斷線路來降低短路電流是經(jīng)濟(jì)、快捷的措施，但這會對系統(tǒng)穩(wěn)定、供電可靠性等帶來影響。本文利用阻抗靈敏度初步篩選限制短路電流較好的開斷線路方案，模糊量化考慮約束條件、靜態(tài)安全性、暫態(tài)穩(wěn)定、檢修方式下的供電可靠性等因素，最后求解方案優(yōu)先度來確定最佳開斷線路方案。本文提出的控制策略既能快速找出有效降低短路電流的開斷線路方案，又能較好地滿足系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，這可以為電網(wǎng)運(yùn)行方式優(yōu)化、打開電磁環(huán)網(wǎng)、電網(wǎng)規(guī)劃提供理論依據(jù)和借鑒。

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