蘇有權(quán)

（國(guó)網(wǎng)公司東北分部綠源水力發(fā)電公司太平灣發(fā)電廠）

0 引言

短路電流計(jì)算是保證電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備安全運(yùn)行不可缺少的基本計(jì)算，是電氣設(shè)備選擇、繼電保護(hù)計(jì)算與整定的基礎(chǔ)。對(duì)于電網(wǎng)的潮流計(jì)算和短路計(jì)算，已有較為成功的計(jì)算方法和程序，但軟件設(shè)計(jì)理念并不適用于電廠的情況。太平灣電廠短路電流計(jì)算一直使用手工算法，在系統(tǒng)參數(shù)變化后需及時(shí)進(jìn)行計(jì)算，手工計(jì)算過(guò)程非常煩瑣，工作量大，并且極易發(fā)生誤計(jì)算情況，對(duì)設(shè)備選型和保護(hù)整定不利。因此，研究開(kāi)發(fā)一套適用于本廠的短路電流實(shí)用計(jì)算及保護(hù)定值整定計(jì)算軟件是非常有必要的。

1 太平灣電站系統(tǒng)圖及短路點(diǎn)選取

太平灣電站50Hz系統(tǒng)有兩臺(tái)機(jī)變組，三臺(tái)高壓廠用變，若干臺(tái)低壓廠用變，最高電壓等級(jí)為220kV，最低電壓等級(jí)為0.4kV，選全廠各電壓等級(jí)母線為短路點(diǎn)，系統(tǒng)圖如圖所示。

圖 太平灣電站系統(tǒng)圖及短路點(diǎn)位置圖

2 利用軟件計(jì)算短路電流的實(shí)現(xiàn)

基于Excel VBA的短路電流實(shí)用計(jì)算軟件依托于Excel應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)，關(guān)鍵數(shù)據(jù)處理使用Excel VBA自帶語(yǔ)言編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，達(dá)到原始數(shù)據(jù)錄入表格即可計(jì)算出各預(yù)設(shè)點(diǎn)的短路電流的功能。

2.1 各元件在基準(zhǔn)條件下的標(biāo)幺值

式中，X″d為發(fā)電機(jī)次暫態(tài)電抗，Xk為變壓器短路阻抗，SB為基準(zhǔn)容量，通常取100MVA，SN為發(fā)電機(jī)變壓器額定容量，UN為短路點(diǎn)的平均額定電壓，X1L為線路阻抗。

2.2 不同性質(zhì)電源供電時(shí)短路電流計(jì)算原則

2.2.1供電電源對(duì)短路點(diǎn)為無(wú)窮大電源

按照短路電流實(shí)用計(jì)算原則，該種情況可認(rèn)為當(dāng)短路點(diǎn)短路時(shí)，由供電電源提供的短路電流不衰減，當(dāng)系統(tǒng)中存在無(wú)窮大電源時(shí)，計(jì)算時(shí)需要經(jīng)過(guò)一系列的網(wǎng)絡(luò)變換，計(jì)算出無(wú)窮大電源至短路點(diǎn)的等值阻抗值。各發(fā)電機(jī)均用次暫態(tài)電抗作為其等值電抗，發(fā)電機(jī)次暫態(tài)電勢(shì)近似為1［2］，短路電流中不計(jì)及負(fù)荷電流，不考慮線路及有關(guān)設(shè)備和回路電阻，其等值阻抗均按電抗形式計(jì)算。

則由無(wú)窮大電源供給短路點(diǎn)的電流為：

式中，SB為基準(zhǔn)容量；UB為短路點(diǎn)的平均額定電壓；Z∑為電源至短路點(diǎn)的等值阻抗。

2.2.2供電電源對(duì)短路點(diǎn)為有限容量電源

當(dāng)供電電源為有限容量電源時(shí)，視電源離短路的電氣距離，分不同情況進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)各電源離短路點(diǎn)電氣距離較遠(yuǎn)時(shí)，可將多個(gè)同類(lèi)型電源合并為一個(gè)等值電源；當(dāng)各電源離短路點(diǎn)電氣距離較近時(shí)，需要將每一個(gè)供電電源單獨(dú)計(jì)算。無(wú)論何種情況，計(jì)算出電源歸算至短路點(diǎn)的等值阻抗后，必需歸算為電源至短路點(diǎn)的計(jì)算電抗，然后再查詢(xún)短路電流運(yùn)算曲線，得出各電源提供短路電流標(biāo)幺值。

式中，S∑為電源總?cè)萘?；UB為短路點(diǎn)的平均額定電壓；Ib為電源提供短路電流基準(zhǔn)值。

2.3 軟件計(jì)算的處理過(guò)程

2.3.1收集計(jì)算參數(shù)

將參與短路計(jì)算的所有設(shè)備參數(shù)編制成一個(gè)有名值參數(shù)匯總表，供各點(diǎn)短路電流計(jì)算時(shí)自動(dòng)取值。

2.3.2計(jì)算各設(shè)備標(biāo)幺值

將基準(zhǔn)容量、各電壓等級(jí)下的平均額定電壓、系統(tǒng)最大等值阻抗、最小等值阻抗等數(shù)據(jù)編制成一個(gè)標(biāo)幺值參數(shù)列表，各設(shè)備標(biāo)幺值由有名值參數(shù)自動(dòng)按相應(yīng)公式自動(dòng)計(jì)算。表1為Excel軟件計(jì)算出的設(shè)備有名值參數(shù)。

表1 各設(shè)備基準(zhǔn)容量下的標(biāo)幺值列表

（續(xù)）

表1中，只有“計(jì)算基準(zhǔn)容量”、“220kV最大最小等值阻抗”、“沖擊系數(shù)”和“基準(zhǔn)電壓”需要手動(dòng)輸入數(shù)值外，其他標(biāo)么值均為Excel自動(dòng)計(jì)算所得。

2.4 Excel軟件計(jì)算時(shí)關(guān)鍵問(wèn)題的處理方法

在Excel軟件自動(dòng)計(jì)算時(shí)，以下問(wèn)題需要根據(jù)不同情況進(jìn)行不同處理。

2.4.1三繞組變壓器低壓側(cè)等值阻抗的計(jì)算

在計(jì)算變壓器等值阻抗時(shí)，三繞組變壓器低壓側(cè)的等值阻抗按下式計(jì)算：

式中，Z高－中、Z高－低、Z中－低分別為三繞組變壓器高－中、高－低、中－低的短路阻抗。在實(shí)際計(jì)算時(shí)，三繞組變壓器低壓側(cè)等值阻抗往往為負(fù)值，如太平灣電站一號(hào)主變低壓側(cè)等值阻抗計(jì)算式為：

當(dāng)計(jì)算結(jié)果為負(fù)值時(shí)，短路計(jì)算中通常按0計(jì)算（實(shí)用計(jì)算允許的），但當(dāng)計(jì)算為正值時(shí)，需要按實(shí)際計(jì)算結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。在程序中用Excel VBA IF語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)：

該語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)當(dāng)三繞組變壓器低壓側(cè)等值阻抗為負(fù)值時(shí)按零計(jì)算，當(dāng)?shù)戎底杩篂檎禃r(shí)按實(shí)際計(jì)算結(jié)果計(jì)算。

2.4.2根據(jù)計(jì)算電抗自動(dòng)查詢(xún)短路曲線功能

短路曲線的查詢(xún)是短路電流計(jì)算中的難點(diǎn)所在，在同一計(jì)算電抗下，因視覺(jué)誤差及其他誤差的存在，使得查詢(xún)到的短路電流數(shù)值因人而異，同樣使得最終計(jì)算出的短路電流有所不同。在本程序設(shè)計(jì)中，為使短路曲線的查詢(xún)盡量準(zhǔn)確，首先對(duì)短路電流運(yùn)算曲線進(jìn)行了數(shù)字化處理，并將計(jì)算電抗精度細(xì)化為0.01，即計(jì)算電抗在0.18至3.50（保留兩為位小數(shù)）之間時(shí)，軟件都可自動(dòng)查詢(xún)計(jì)算電抗所對(duì)應(yīng)的短路電流表么值，當(dāng)電源至短路點(diǎn)的計(jì)算電抗大于3.5時(shí)，可認(rèn)為電源為一無(wú)窮大電網(wǎng)，由其供給短路點(diǎn)的電流不衰減。計(jì)算電抗從0.18至0.5時(shí)對(duì)應(yīng)的數(shù)字化短路電流曲線如表2所示（0s），其他不列出。

表2 t＝0s時(shí)水輪發(fā)電機(jī)數(shù)字化運(yùn)算曲線（Xjs＝0.18～0.50）

利用Excel VBA語(yǔ)言，用自定義的“Autochoose”函數(shù)實(shí)現(xiàn)短路曲線的自動(dòng)查詢(xún)，VBA語(yǔ)言如下：

該語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了軟件根據(jù)計(jì)算電抗自動(dòng)查詢(xún)短路電流功能，為短路電流精確計(jì)算提供可靠數(shù)據(jù)。

利用編輯好的設(shè)備有名值參數(shù)表，設(shè)備標(biāo)幺值參數(shù)表，將各短路點(diǎn)短路電流計(jì)算式的星－角變化，阻抗合并等基礎(chǔ)計(jì)算過(guò)程都錄入到Excel軟件中，實(shí)現(xiàn)了軟件根據(jù)錄入的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)各點(diǎn)短路電流進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算。軟件計(jì)算出的2020年主要短路點(diǎn)短路電流及短路功率如表3所示。

表3 各短路點(diǎn)短路電流數(shù)值表

3 手工計(jì)算結(jié)果與Excel軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)比

將手工計(jì)算的2020年太平灣電站主要短路點(diǎn)短路電流數(shù)值和用Excel軟件計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，列表如表4所示。

表4 手工計(jì)算結(jié)果與Excel軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

從對(duì)比表中可以看出，手工計(jì)算值與Excel軟件計(jì)算值存在一定偏差，當(dāng)短路點(diǎn)離發(fā)電機(jī)越近時(shí)，誤差也最大，究其原因，一是手工運(yùn)算中小數(shù)位的取舍造成的誤差；二是手工運(yùn)算查電流運(yùn)算曲線時(shí)產(chǎn)生誤差，這是產(chǎn)生誤差的主要原因。由此可見(jiàn)，通過(guò)Excel軟件可以更精確地計(jì)算出各點(diǎn)的短路電流，不僅提高了工作效率，更保證了計(jì)算數(shù)值的精度和準(zhǔn)確性，為設(shè)備選型和保護(hù)定值整定提供了可靠依據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于Excel軟件的太平灣電廠短路電流計(jì)算軟件完全可以替代以往手工算法，計(jì)算時(shí)只要將設(shè)備參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)正確輸入，Excel軟件即可自動(dòng)計(jì)算出選取短路點(diǎn)的短路電流、短路功率、沖擊電流等常用數(shù)據(jù)，并且可以自動(dòng)計(jì)算有關(guān)保護(hù)的整定值，以往需要十多天完成的工作，運(yùn)用該軟件后只需幾秒時(shí)間就可以全部完成，不僅提高了工作效率，更提高了計(jì)算精度和準(zhǔn)確性，為設(shè)備選型和保護(hù)整定提供了有力保障。只要系統(tǒng)接線方式不變化，該軟件就可以長(zhǎng)期使用，系統(tǒng)接線方式變化后，對(duì)軟件做相應(yīng)調(diào)整即可，軟件的編制方法和關(guān)鍵問(wèn)題的處理方法值得其他電廠計(jì)算短路電流時(shí)參考借鑒。