一种变电站三绕组变压器阻抗值的优化方法
【专利摘要】本发明涉及变电站三绕组变压器阻抗值的优化方法，包括1）设定变电站各电压等级侧短路电流的约束限值及变压器三侧阻抗百分数Uk12%、Uk13%、Uk23%的上下限约束值；2）结合工程实际情况设定短路阻抗百分数计算步长段NUk12%、NUk13%、NUk23%，进而划分三侧阻抗百分数Uk12%、Uk13%、Uk23%的计算点数值矩阵；3）在每个阻抗值计算点上计算判断该阻抗值是否满足生产制造的约束、短路电流等约束；4）将步骤3）中保存的变电站无功补偿装置的单组容量上限值的最大者作为优选值。有益效果为：针对各种类型的变电站进行具体合理的三绕组变压器阻抗值的优化设计，适应性强，应用范围广。
【专利说明】
-种变电站H绕组变压器阻抗值的优化方法
技术领域
[0001] 本发明设及输配电气领域，尤其设及一种变电站=绕组变压器阻抗值的优化方 法。
【背景技术】
[0002] 电力变压器短路阻抗参数值设计是发电厂及变电站工程设计中的重要环节。目 前，=电压等级的变电站大多数采用=绕组变压器，=绕组变压器阻抗值的选择，直接影响 =侧电压等级的短路电流水平，而短路容量的大小，间接影响了变电站低无功补偿设备的 单组容量及组数，与工程建设经济效益密切相关。
[0003] 如图1所示，为一典型的220kV变电站(S电压等级：高压侧220kV、中压侧llOkV、低 压侧IOkV)的短路电流计算原理图。变电站S侧母线短路电流的大小均与不同等级之间的 漏电抗密切相关，只有合理地设计各电压等级之间的漏抗值^、拉、^，才能同时保证各侧电 压等级的短路电流均在安全范围之内。而X1、X2、X3的大小取决于=绕组变压器的短路阻抗 百分数值化1-2%、邮1-3%、邮2-3%(具体关系如式1所示），也就是说，在系统阻抗给定后， 变电站S侧短路电流水平取决于S绕组变压器的短路阻抗百分数值Ukl-2%、Ukl-3%、 邮2-3%。
[0004]
(1)：
[0005] 现有的实际工程设计中，往往采用阻抗值足够大的标准阻抗或通用阻抗作为设计 值，运样设计可W足够满足变电站母线短路电流要求，而且冗余度较高。对于不同地区的变 电站，其处于电力系统的位置和地位不同，尤其对于电网禪合度较低的末端变电站，由于系 统阻抗相对较高，如果仍然采用阻抗值相对过高的通用阻抗值(标准阻抗值），将会使得短 路电流限制到极低的水平，而低压侧短路容量过度减小会带来无功补偿设备投切引起的电 压波动问题:短路容量降低后，如果无功补偿设备的单组容量较大，就会引起投切时系统电 压波动不满足电能质量要求，此时，只能通过降低无功补偿装置单组容量和增加无功补偿 设备的组数来弥补电压波动的问题，而采取运种措施将大大增加设备投资及变电站占地面 积，从而增加工程建设的造价:江苏地区目前220kV变电站中普遍采用阻抗值相对过高的通 用阻抗值变压器，同时采用单组容量偏小的SOOOkvar的电容器作为无功补偿，占地面积大， 一次性投资成本高。综上所述，降低变电站低压侧短路电流水平和提高无功补偿设备的单 组容量从原理上是相互矛盾，相互制约的。因此，研究如何优化选择变压器阻抗(或限流电 抗器)的阻抗设计值，使得低压侧短路电流水平控制在合理范围之内，同时提高变电站无功 补偿设备的单组容量，节省投资，具有十分重大的意义。
[0006] 目前，关于变电站=绕组变压器阻抗值的设计方案，大部分工程设计中均采用经 验阻抗值(通用的较高阻抗值），如220kV变电站通常采用的主变压器（180MVA)阻抗百分数 为：Ukl2 % = 13、Ukl3 % = 64、邮23 % = 47 ;容量为240MVA的主变压器阻抗百分数一般取： Ukl-2% = ll，Ukl-3% = 34，Uk2-3%=22,并在低压侧建设串抗率为8%~10%的串联电抗 器限制短路电流。导致部分变电站低压侧短路电流水平过低；同时无功补偿方案采用数量 较多、单组容量较小的设备，W解决短路电流过小带来的电压波动问题，经济效益低下。
[0007] 目前，国内=绕组变压器阻抗值设计方法可分成W下两种类型：
[0008] 1)大部分设计院采用通用设计方案(通用的较高阻抗值）。运种方法W偏概全，不 具有普适性，通用设计方案给出的参数范围只是一组参考数值，其通用阻抗值对于大部分 变电站来说，是不经济、不合理的。
[0009] 2)小部分设计院根据经验进行适当优化，其方法均是通过人工多次尝试改变阻抗 值并进行试算，直到找到一组较为满意的参数为止。运种方法具有偶然性，设计人员可能通 过少次试算就能找到相对合理的参数范围，也有可能经过多次尝试仍无法找到合理阻抗 值，而且即使采用此方法找到相对的合理值，也不能保证优化范围覆盖全局。
[0010] 综上，目前的变电站=绕组变压器阻抗值设计优化方法无理论支撑、人工计算繁 杂(需多次试算、无规律性）、设计参数效益差(无法达到优化、建设成本高、经济效益差）。
【发明内容】
[0011] 本发明目的在于克服W上现有技术之不足，提供一种变电站=绕组变压器阻抗值 的优化设计方法，具体有W下技术方案实现：
[0012] 所述变电站=绕组变压器阻抗值的优化方法，包括如下步骤：
[0013] 1)设定变电站各电压等级侧短路电流的约束限值及变压器=侧阻抗百分数 Ukl2%、邮13%、邮23%的上下限约束值；
[0014] 2)根据工程需求设定短路阻抗百分数计算步长段饰1<12%、饰1<13%、抓1<23%，进而划分= 侦祖抗百分数化12%、化13%、化23%的计算点数值矩阵，计算点数值矩阵由计算点组成；
[0015] 3)在每个阻抗值计算点上计算判断该阻抗值是否满足生产制造的约束与短路电 流约束，若满足所有约束条件，计算并保存该阻抗值计算点对应的变电站无功补偿装置的 单组容量上限值；
[0016] 4)将步骤3)中保存的变电站无功补偿装置的单组容量上限值的最大者作为优选 值，并选取所述优选值对应的=绕组变压器=侧阻抗百分数的阻抗值作为最优阻抗值。
[0017] 所述变电站=绕组变压器阻抗值的优化方法的进一步设计在于，所述步骤1)中的 变压器S侧阻抗百分数邮12%、邮13%、邮23%的上下限约束值分别表示S绕组变压器S 侧短路阻抗值能够取到的上限值和下限值。
[0018] 所述变电站=绕组变压器阻抗值的优化方法的进一步设计在于，所述步骤2)中， 划分S侧阻抗百分数化12%、邮13%、邮23%的计算点数值矩阵时将阻抗值计算点选择在 整数点进行计算。
[0019] 所述变电站=绕组变压器阻抗值的优化方法的进一步设计在于，所述步骤3)中， 根据式（1)对步骤2)中的S绕组变压器各侧阻抗百分数化12%、邮13%、邮23%进行进一步 限定，生产制造的约束如式(2)，
[0020] Ukl3%-(Ukl2%+Uk23%)>2 (1) !l<Uk!2%<15 陶]2 控Ukl3〇/〇^9 (2) 18斗化23%!￡'65。
[0022] 所述变电站=绕组变压器阻抗值的优化方法的进一步设计在于，所述步骤3)中， 分别在最大运行方式和最小运行方式下计算对应的短路电流值并判断是否满足式(3)所示 的短路电流约束条件，
[0023] (3)
[0024] 式中，和分别表示最大运行方式和最小运行方式下的高压侧=相短路 电流最大值，IWimx和Iwm。、分别表示最大运行方式和最小运行方式下的中压侧立相短路电 流最大值，km。、.郝％胃分别表示最大运行方式和最小运行方式下的低压侧S相短路电流 最大值。
[0025] 所述变电站=绕组变压器阻抗值的优化方法的进一步设计在于，所述步骤3)中， 根据式(4)计算该阻抗值计算点对应的变电站无功补偿装置单组容量上限值Qcmax,
[眶]
(4)
[0027] 其中，lLf3为最小运行方式下低压侧S相短路电流，化N低压侧S相电压，Sd为低压 侧短路容量，Qemax为电容器单组最大容量。
[0028] 本发明的优点如下：
[0029] 1)本发明方法能够针对各种类型的变电站进行具体合理的变压器阻抗值的优化 化设计，适应性强，应用范围广；
[0030] 2)相对于传统的试算优化设计方法，本发明方法优化结果可确保优化结果为全局 最优；
[0031] 3)本发明采用的=绕组变压器阻抗值优化设计方法，优化结果保证准确和最优， 从工程建设角度出发，可大大节约变电站工程一次性投资成本，经济效益显著。
[0032] 4)根据实际工程情况，可通过调整约束值裕度适应各种条件下的=绕组变压器阻 抗值设计。
[0033] 5)本发明已通过采用MATLAB计算软件实现，计算速度快，对于常规工程设计，优化 计算时间只需数秒。
【附图说明】
[0034] 图1为S组SMvar电容器组布置方案图。
[00巧]图2为四组6Mvar电容器组布置方案图。
【具体实施方式】
[0036] 下面对本发明方案进行详细说明。
[0037] 第一步，设定变电站各电压等级侧短路电流的约束限值。限于开关遮断容量要求， 目前不同电压等级的断路器短路容量有限，因此，变电站各电压等级侧短路电流应该小于 限定值，其约束表达式如式（1)所示。
[00；3 引 Cl)
[0039] 式中，和分别表示最大运行方式和最小运行方式下的高压侧=相短路 电流最大值，胃和分别表示最大运行方式和最小运行方式下的中压侧立相短路电 流最大值，1&。。、和以/;。。、分别表示最大运行方式和最小运行方式下的低压侧=相短路电流 最大值。目前，由于设备制造水平的约束，220kV、110kV、10kV电压等级的短路电流水平约束 值分别为 50kA、40kA、25kA。
[0040] 设定变电站各电压等级侧短路电流的约束限值及变压器S侧阻抗百分数化12%、 Ukl3%、Uk23%的上下限约束值；
[0041] 目前，受生产制造条件的约束，高阻抗变压器的不同电压等级的短路阻抗百分数 只能设置在给定的区间。通过国内几家变压器制造厂家（西口子、常州西电变压器厂）的调 研数据，考虑变压器生产制造条件，=绕组变压器短路阻抗百分数上下限区间如(2)所示： ll<lJkl2%<15
[0042] 28<Ukl3%<79 (2> 18<Uk23%<65
[0043] 第二步，根据工程实际，设定短路阻抗百分数计算步长段Nukl2%、Nukl3%、Nuk23%，进而 划分S侧阻抗百分数Ukl2%、邮13%、邮23%的计算点数值矩阵。一般结合工程实际，将阻 抗值计算点选择在整数点进行计算，如(2)中所示的化12%数值可选取11、12、13、14、15，同 理，邮12%数值可选取28、29、……、78、79，邮13%数值可选取18、19、……、64、65。邮12%、 化13%、邮23%在W上取值点进行组合，形成对应的阻抗值计算的S维矩阵。例如，化12% = ll、Ukl3%=28、Uk23% = 18，就是其中一个阻抗值计算点，对于(2)中所示，共有5X52X 48 = 12480个计算点。
[0044] 第=步，在每个阻抗值计算点上计算判断该阻抗值是否满足生产制造的约束(如 式(3)所示）、短路电流等约束，若满足所有约束条件，计算并保存该阻抗值计算点对应的变 电站无功补偿装置，如电容器、电抗器等，单组容量上限值。
[0045] 如在计算点邮12% = 11、化13%=28、化23% = 18，进行计算，由于^绕组变压器 各侧阻抗百分数化12%、邮13%、邮23%不满足式(3)的要求，因此运组阻抗值不满足约束 要求。
[0046] Ukl3%-(Ukl2%+Uk23%)>2 (3)
[0047] 如在计算点化12% = ll、Ukl3% = 34、邮23% = 22进行计算，由于S绕组变压器各 侧阻抗百分数化12%、邮13%、邮23%满足式(3)的要求，因此进一步计算变压器S侧短路 电流值，分别在最大运行方式和最小运行方式下计算对应的短路电流值，并判断是否满足 式（1)所示的短路电流约束条件，如满足，则进一步按照式(4)计算该阻抗值计算点对应的 变电站无功补偿装置(如电容器、电抗器等)单组容量上限值。
[004引
（4)
[0049] 其中，lLf3为最小运行方式下低压侧S相短路电流，化N低压侧S相电压，Sd为低压 侧短路容量，Qemax为电容器单组最大容量；
[0050] 第四步，筛选各计算点中满足约束条件的阻抗值中最优化结果(对应最大的无功 补偿单组容量上限值），并选取对应的=绕组变压器=侧阻抗百分数的设计值作为工程设 计值。
[0051] 根据前述的计算过程，可筛选出满足变压器生产制造条件的约束和短路电流约束 条件的阻抗值计算点及对应的变电站无功补偿装置（如电容器、电抗器等）单组容量上限 值。选取最大的变电站无功补偿装置(如电容器、电抗器等)单组容量上限值时对应的变压 器=侧阻抗值作为最终的设计值。
[0052] W下给出本发明方法的一具体实施例
[0053] 江苏某220^变电站，投产年主变设计规模为1*1801￥4容量，电压等级为220/110/ lOkV，前期可研设计方案为采用通用阻抗值:邮12% = 13、邮13%=64、邮23%=47，姚桥变 不同运行方式下的系统阻抗值如下表所示。根据当地配电网设备短路电流要求，变电站低 压侧母线短路电流不得超过25kA。
[0054] 表1投产年不同运行方式下系统阻抗值
[0化5]
[0056] 分别采用通用阻抗值方案和本发明优化方法设计后的阻抗值进行短路电流分析， 并计算无功补偿设备的单组容量，结果如表2~表3所示。
[0057] 表2主变阻抗采用通用阻抗值方案计算结果
[0
[0nwl
[0
[0
[0062] 具体比较优化前后方案的计算结果，可W发现，采用通用设计方案(通用阻抗值） 时，=侧电压等级的短路电流水平均能降到很低，此时无功补偿设备（电容器组、电抗器)的 单组容量不得高于7.44Mvar，根据目前的容量系列，只能采用单组容量为6Mvar的电容器 组，如图2;采用本发明优化设计方法得出的优化阻抗值，不仅可W将各侧电压等级的短路 电流水平限制在安全范围内，同时降低了短路容量的冗余度，优化后的无功补偿设备（电容 器组、电抗器)的单组容量最大值为9.75Mvar，根据实际情况可采用SMvar的电容器组。
[0063] 若进一步考虑短路电流约束裕度，可将低压侧短路电流约束值降低至20kA，采用 本发明优化设计方法得出的优化阻抗值可取为:Ukl 2 % = 11、Uk 13 % = 54、Uk23 % = 41，此 时优化后的无功补偿设备（电容器组、电抗器）的单组容量最大值为8.63Mvar，对应的最大 运行方式下低压侧短路电流为21.61kA，此时仍然可采用单组容量为SMvar的电容器组，如 图1。
[0064] 该220kV变电站每台主变的无功需求总容量为24Mvar(容性），如果采用可研设计 方案(通用阻抗值方案），则需要4*6Mvar电容器组方案，若主变阻抗值采用本发明方法优化 后的阻抗值，则可采用3*8Mvar电容器组方案，优化后方案在变电站布置上能够大幅节省电 容器组场地的占地面积，两种不同方案下的电容器场地布置图如下所示。通过优化后，建设 方案可节约变电站占地面积约75m2,同时变压器由于阻抗值的降低，每台变压器的制造成 本也可降低大约10万元，经济效益十分明显。
【主权项】
1. 一种变电站Ξ绕组变压器阻抗值的优化方法，其特征在于包括如下步骤： 1) 设定变电站各电压等级侧短路电流的约束限值及变压器Ξ侧阻抗百分数Ukl2%、 Ukl3%、Uk23%的上下限约束值； 2) 根据工程需求设定短路阻抗百分数计算步长段饰1<12%、饰1<13%、饰1<23%，进而划分立侧阻 抗百分数化12%、化13%、化23%的计算点数值矩阵，计算点数值矩阵由计算点组成； 3) 在每个阻抗值计算点上计算判断该阻抗值是否满足生产制造的约束与短路电流约 束，若满足所有约束条件，计算并保存该阻抗值计算点对应的变电站无功补偿装置的单组 容量上限值； 4) 将步骤3)中保存的变电站无功补偿装置的单组容量上限值的最大者作为优选值，并 选取所述优选值对应的Ξ绕组变压器Ξ侧阻抗百分数作为最优阻抗百分数值。2. 根据权利要求1所述的变电站Ξ绕组变压器阻抗值的优化方法，其特征在于所述步 骤1)中的变压器Ξ侧阻抗百分数邮12%、邮13%、邮23%的上下限约束值分别表示Ξ绕组 变压器Ξ侧短路阻抗值能够取到的上限值和下限值，实际工程设计中根据式(1)进行限定， ll《Ukl2%《15 28《Ukl3%《79 (1) 18《Uk23%《653. 根据权利要求1所述的变电站Ξ绕组变压器阻抗值的优化方法，其特征在于所述步 骤2)中，划分Ξ侧阻抗百分数化12%、邮13%、邮23%的计算点数值矩阵时一般将阻抗值计 算点选择在整数点进行计算。4. 根据权利要求1所述的变电站Ξ绕组变压器阻抗值的优化方法，其特征在于所述步 骤3)中，生产制造的约束如式(2)， Ukl3%-(Ukl2%+Uk23%)>2 (2)5. 根据权利要求1所述的变电站Ξ绕组变压器阻抗值的优化方法，其特征在于所述步 骤3)中，分别在最大运行方式和最小运行方式下计算对应的短路电流值并判断是否满足式 (3)所示的短路电流约束条件，式中，分别表示最大S行方式和最小S行方式下自勺高压侧Sffi短路电'流 最大值，和分别表示最大运行方式和最小运行方式下的中压侧立相短路电流最 大值，Umax和 Iz加3、^别表示胃大^^^^式芽口胃小^^^^式1^的低^5侧^相;豆路％流；1大 值。6.根据权利要求1所述的变电站Ξ绕组变压器阻抗值的优化方法，其特征在于所述步 骤3)中，根据式(4)计算该阻抗值计算点对应的变电站无功补偿装置单组容量上限值Qcmax，其中，lLf3为最小运行方式下低压侧Ξ相短路电流，化N低压侧Ξ相电压，Sd为低压侧短 路容量，Qcmax为电容器单组最大容量。
【文档编号】H02J3/00GK105939011SQ201610163829
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年3月22日
【发明人】黄成辰, 张群, 周洪伟, 王球, 杜渐
【申请人】江苏省电力公司电力经济技术研究院, 江苏省电力公司, 南京电力工程设计有限公司, 国家电网公司