电网母线的断路器开断能力校验方法与流程

1.本发明涉及电网技术领域，具体涉及一种电网母线的断路器开断能力校验方法。


背景技术：

2.我国将转型升级为以新能源为主体的新型电力系统，电网的短路电流控制将面临更大的挑战，一方面是包括风电场、光伏电站、柔性交直流设备等大量新型电力电子设备接入电网后，会以电流源的形式向电网提供短路电流；另一方面，由于我国清洁电源资源和负荷发展呈现不均衡的情况，需要建设更高电压等级的网架满足区域间电力交换的需求，而随着电压等级的不段提升，电网的电抗/电阻比值也持续增加，短路电流直流分量问题也将日益凸显。本发明应对上述新形势，提出一种考虑新能源电站、柔性直流并网和短路电流直流分量的断路器开断能力校验方法。
3.现有技术的缺陷和不足：目前各类型风电、光伏还是柔性直流输电，大部分都是通过全功率变换器并网，其向电网提供的短路电流特性与传统旋转发电机有较大差异。目前已有针对新能源厂站或柔性直流输电本体提供的短路电流的计算方法，一般需要进行详细的电磁暂态建模。对于直流分量的计算，《三相交流系统短路电流计算》(gb/t 15544.1-2013)中给出了采用等效频率法计算短路电流非周期分量idc的公式。
4.目前针对新能源厂站或柔性直流输电提供的短路电流的计算方法，一般都需要进行详细的电磁暂态建模，且只考虑本体注入的短路电流，未能与《三相交流系统短路电流计算》(gb/t 15544.1-2013)中推荐的等效电压源计算方法有机结合，不利于快速判断电力系统中的变电站的助增作用，在规划、运行和工程使用中十分繁琐。另一方面，一般电网规划运行中仅考虑短路电流交流分量的计算，国标中也仅给出了短路电流非周期分量的计算方法，但也未能和交流即周期分量统筹考虑，指导判断断路器的综合开断能力是否满足要求。


技术实现要素：

5.本发明为解决上述技术问题，提供了一种电网母线的断路器开断能力校验方法，综合考虑新型电力系统下多种因素对短路电流的影响，将新能源电站、柔性直流输电提供的短路电流叠加到传统网络的交流短路电流之上，使得所得到的短路电流更加真实准确，以故障母线的短路电流直流分量衰减时间常数来对断路器的开断能力进行衰减，使得所得到的断路器的开断能力更加真实准确，从而能够更加准确地判断出断路器的开断能力是否满足要求。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.一种电网母线的断路器开断能力校验方法，包括以下步骤：计算不含新能源电站、柔性直流的电网的故障母线的基础短路电流；计算所述故障母线的短路电流直流分量衰减时间常数，并根据所述故障母线的短路电流直流分量衰减时间常数和所述故障母线的断路器的最短开断时间计算考虑直流分量后的断路器交流短路开断能力；计算所述电网中新能源电站所提供的短路电流；计算所述电网中柔性直流所提供的短路电流；根据所述考虑直
流分量后的断路器交流短路开断能力、所述基础短路电流、所述电网中新能源电站所提供的短路电流、所述电网中柔性直流所提供的短路电流判断所述断路器的开断能力是否满足要求。
8.根据以下公式计算考虑直流分量后的断路器交流短路开断能力：
[0009][0010]
其中，s
fr
为所述考虑直流分量后的断路器交流短路开断能力，s
fn
为所述断路器的额定开断能力，t
min
为所述断路器的最短开断时间，t
dcf.r
为所述故障母线的短路电流直流分量衰减时间常数，t
dcf.n
为所述断路器的额定直流分量衰减时间常数。
[0011]
计算所述电网中新能源电站所提供的短路电流，具体包括：判断每个所述新能源电站是否经升压接入主电网；若某一新能源电站是经升压接入主电网，则以预设的注入电流作为该新能源电站所提供的短路电流；若某一新能源电站不是经升压接入主电网，则计算该新能源电站在所述断路器动作时刻的最大短路电流，并计算该新能源电站与短路点之间的阻抗和短路点系统阻抗，以及根据该新能源电站在所述断路器动作时刻的最大短路电流、该新能源电站与短路点之间的阻抗和短路点系统阻抗计算该新能源电站所提供的短路电流；将所述电网中所有新能源电站所提供的短路电流进行累加。
[0012]
若某一新能源电站是经升压接入主电网，则该新能源电站所提供的短路电流为：
[0013][0014]
其中，i
rei
表示第i个新能源电站所提供的短路电流，ui为第i个新能源电站的母线电压值，i
ni
为第i个新能源电站的额定电流。
[0015]
若某一新能源电站不是经升压接入主电网，则该新能源电站所提供的短路电流为：
[0016]irei
＝i
rei,max
×
x
sysi
/(x
sysi
+x
fi
)
[0017]
其中，i
rei,max
为第i个新能源电站在所述断路器动作时刻的最大短路电流，x
fi
为第i个新能源电站与短路点之间的阻抗，x
sysi
为第i个新能源电站对应的短路点系统阻抗。
[0018]
计算所述电网中柔性直流所提供的短路电流，具体包括：计算每个所述柔性直流在所述断路器动作时刻的最大短路电流；判断每个所述柔性直流在故障期间是否发出无功；若某一柔性直流在故障期间发出无功，则计算该柔性直流与短路点之间的阻抗和短路点系统阻抗，并根据该柔性直流在所述断路器动作时刻的最大短路电流、该柔性直流与短路点之间的阻抗和短路点系统阻抗计算该柔性直流所提供的短路电流；将所述电网中所有柔性直流所提供的短路电流进行累加。
[0019]
若某一柔性直流在故障期间发出无功，则该柔性直流所提供的短路电流为：
[0020]ivscj
＝i
vscj,max
×
x
sysj
/(x
sysj
+x
fj
)
[0021]
其中，i
vscj
表示第j个柔性直流所提供的短路电流，x
fj
为第j个柔性直流与短路点之间的阻抗，x
sysj
为第j个柔性直流对应的短路点系统阻抗。
[0022]
根据所述考虑直流分量后的断路器交流短路开断能力、所述基础短路电流、所述电网中新能源电站所提供的短路电流、所述电网中柔性直流所提供的短路电流判断所述断路器的开断能力是否满足要求，具体包括：判断是否有s
rf
＞i
f0
+∑i
rei
+∑i
vscj
，其中，i
f0
为所述基础短路电流，∑i
rei
为所述电网中所有新能源电站所提供的短路电流的累加值，∑i
vscj
为所述电网中所有柔性直流所提供的短路电流的累加值；如果是，则所述断路器的开断能力满足要求，否则所述断路器的开断能力不满足要求。
[0023]
本发明的有益效果：
[0024]
本发明通过计算故障母线的短路电流直流分量衰减时间常数，并基于此计算考虑直流分量后的断路器交流短路开断能力，并且计算电网中新能源电站所提供的短路电流和柔性直流所提供的短路电流，并基于此及基础短路电流、考虑直流分量后的断路器交流短路开断能力来判断故障母线的断路器的开断能力是否满足要求，由此，综合考虑新型电力系统下多种因素对短路电流的影响，将新能源电站、柔性直流输电提供的短路电流叠加到传统网络的交流短路电流之上，使得所得到的短路电流更加真实准确，以故障母线的短路电流直流分量衰减时间常数来对断路器的开断能力进行衰减，使得所得到的断路器的开断能力更加真实准确，从而能够更加准确地判断出断路器的开断能力是否满足要求。
附图说明
[0025]
图1为本发明实施例的电网母线的断路器开断能力校验方法的流程图；
[0026]
图2为本发明一个具体实施例的电网母线的断路器开断能力校验方法的流程图；
[0027]
图3为本发明一个具体实施例的电网结构示意图。
具体实施方式
[0028]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029]
如图1所示，本发明实施例的电网母线的断路器开断能力校验方法包括以下步骤：
[0030]
s1，计算不含新能源电站、柔性直流的电网的故障母线的基础短路电流。
[0031]
在本发明的实施例中，新能源电站可以为风电电站或光伏电站等。在电网的某一母线发生故障时，首先可计算在不包含新能源电站和柔性直流换电站的情况下，故障母线f的基础的短路电流i
f0
。
[0032]
s2，计算故障母线的短路电流直流分量衰减时间常数，并根据故障母线的短路电流直流分量衰减时间常数和故障母线的断路器的最短开断时间计算考虑直流分量后的断路器交流短路开断能力。
[0033]
在本发明的一个实施例中，可根据以下公式计算考虑直流分量后的断路器交流短路开断能力：
[0034]
[0035]
其中，s
fr
为考虑直流分量后的断路器交流短路开断能力，s
fn
为断路器的额定开断能力，t
min
为断路器的最短开断时间，t
dcf.r
为故障母线的短路电流直流分量衰减时间常数，t
dcf.n
为断路器的额定直流分量衰减时间常数。
[0036]
s3，计算电网中新能源电站所提供的短路电流。
[0037]
具体地，首先可判断每个新能源电站是否经升压接入主电网，例如是否是通过220kv(330kv)光伏发电汇集系统升压至500kv(750kv)电压等级接入电网。
[0038]
若某一新能源电站是经升压接入主电网，则以预设的注入电流作为该新能源电站所提供的短路电流。在本发明的一个实施例中，预设的注入电流，即经升压接入主电网的新能源电站所提供的短路电流为：
[0039][0040]
其中，i
rei
表示第i个新能源电站所提供的短路电流，ui为第i个新能源电站的母线电压值，i
ni
为第i个新能源电站的额定电流。
[0041]
若某一新能源电站不是经升压接入主电网，则计算该新能源电站在断路器动作时刻的最大短路电流，并计算该新能源电站与短路点之间的阻抗和短路点系统阻抗，以及根据该新能源电站在断路器动作时刻的最大短路电流、该新能源电站与短路点之间的阻抗和短路点系统阻抗计算该新能源电站所提供的短路电流。在本发明的一个实施例中，新能源电站在断路器动作时刻的最大短路电流一般为新能源电站额定满功率正常运行的最大工作电流乘上 1.1～1.2倍的过负荷系数。不是经升压接入主电网的新能源电站所提供的短路电流为：
[0042]irei
＝i
rei,max
×
x
sysi
/(x
sysi
+x
fi
)
[0043]
其中，i
rei,max
为第i个新能源电站在断路器动作时刻的最大短路电流， x
fi
为第i个新能源电站与短路点之间的阻抗，x
sysi
为第i个新能源电站对应的短路点系统阻抗。
[0044]
最后将电网中所有新能源电站所提供的短路电流进行累加，即得到电网中新能源电站所提供的短路电流∑i
rei
。
[0045]
s4，计算电网中柔性直流所提供的短路电流。
[0046]
具体地，可计算每个柔性直流在断路器动作时刻的最大短路电流，在本发明的一个实施例中，柔性直流在断路器动作时刻的最大短路电流一般为柔性直流额定满功率正常运行的最大工作电流乘上1.1～1.2倍的过负荷系数。
[0047]
然后，判断每个柔性直流在故障期间是否发出无功。若某一柔性直流在故障期间未发出无功，则无需考虑该柔性直流对系统短路电流的增量。若某一柔性直流在故障期间发出无功，则计算该柔性直流与短路点之间的阻抗和短路点系统阻抗，并根据该柔性直流在断路器动作时刻的最大短路电流、该柔性直流与短路点之间的阻抗和短路点系统阻抗计算该柔性直流所提供的短路电流。在故障期间发出无功的柔性直流所提供的短路电流为：
[0048]ivscj
＝i
vscj,max
×
x
sysj
/(x
sysj
+x
fj
)
[0049]
其中，i
vscj
表示第j个柔性直流所提供的短路电流，x
fj
为第j个柔性直流与短路点之间的阻抗，x
sysj
为第j个柔性直流对应的短路点系统阻抗。
[0050]
最后将电网中所有柔性直流所提供的短路电流进行累加，即得到电网中柔性直流
所提供的短路电流∑i
vscj
。
[0051]
s5，根据考虑直流分量后的断路器交流短路开断能力、基础短路电流、电网中新能源电站所提供的短路电流、电网中柔性直流所提供的短路电流判断断路器的开断能力是否满足要求。
[0052]
应当理解的是，新能源电站所提供的短路电流和柔性直流所提供的短路电流均与基础短路电流相叠加，构成总的短路电流。因此，可通过将考虑直流分量后的断路器交流短路开断能力与总的短路电流进行比较以判断断路器的开断能力是否满足要求。
[0053]
具体地，可判断是否有s
rf
＞i
f0
+∑i
rei
+∑i
vscj
，其中，i
f0
为基础短路电流，∑i
rei
为电网中所有新能源电站所提供的短路电流的累加值，∑i
vscj
为电网中所有柔性直流所提供的短路电流的累加值；如果是，则断路器的开断能力满足要求，否则断路器的开断能力不满足要求。
[0054]
在本发明的一个实施例中，电网母线的断路器开断能力校验方法的具体流程如图2所示。
[0055]
根据本发明实施例的电网母线的断路器开断能力校验方法，通过计算故障母线的短路电流直流分量衰减时间常数，并基于此计算考虑直流分量后的断路器交流短路开断能力，并且计算电网中新能源电站所提供的短路电流和柔性直流所提供的短路电流，并基于此及基础短路电流、考虑直流分量后的断路器交流短路开断能力来判断故障母线的断路器的开断能力是否满足要求，由此，综合考虑新型电力系统下多种因素对短路电流的影响，将新能源电站、柔性直流输电提供的短路电流叠加到传统网络的交流短路电流之上，使得所得到的短路电流更加真实准确，以故障母线的短路电流直流分量衰减时间常数来对断路器的开断能力进行衰减，使得所得到的断路器的开断能力更加真实准确，从而能够更加准确地判断出断路器的开断能力是否满足要求。
[0056]
本发明的一个具体实施例中，以图3所示的某地区的局部电网(电压等级为750kv/330kv)为例，不含新能源电站、柔性直流的基础三相短路电流 i
f0
＝55.0ka，故障母线为750kv变电站s1的330kv母线。计算该故障母线的短路电流直流分量衰减时间常数t
dcf.r
＝151.7ms。断路器最短开断时间 t
min
＝40ms、断路器额定直流分量衰减时间常数t
dcf.n
＝45ms，故障母线f的断路器的额定开断能力s
fn
为63ka，计算得到考虑直流分量后的断路器交流短路开断能力s
fr
＝49.4ka。
[0057]
该地区共有1座新能源电站通过110kv电压等级接入变电站s1-5，经计算新能源电站所提供的短路电流∑i
rei
＝i
rei
＝0.2ka。该地区共有1座柔性直流换流站接入变电站s1的330kv侧，考虑在故障期间发出无功，经计算柔性直流所提供的短路电流∑i
vscj
＝i
vscj
＝3.2ka。最终比较s
rf
＝49.4ka与i
f0
+∑ i
rei
+∑i
vscj
＝58.4ka，后者较大，则故障母线的断路器开断能力不满足要求。
[0058]
在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0059]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员
可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0060]
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0061]
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器 (cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0062]
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0063]
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
[0064]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。