扰动恢复中500kV辐射状供电网络负荷最大无功需求快估方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种扰动恢复中500kv辐射状供电网络负荷最大无功需求快估方法， 具体指一种主网故障后500kV变电站辐射状供电网络综合负荷最大无功需求（近似认为发 生在故障切除时刻）的快速估算方法。
【背景技术】
[0002] 电力系统分析计算中，常将电力网覆盖的广大地区内难以胜数的电力用户合并为 数量不多的综合负荷，分接在变电站不同电压等级的母线上。电力系统电压稳定性研宄中， 综合负荷常被表示为不同比例的恒定阻抗和感应电动机的组合。
[0003] 主变高压侧发生短路故障时，电力系统继电保护装置会迅速切除故障。故障后恢 复过程中，综合负荷会产生显著的动态无功需求，其大小取决于故障类型、故障持续时间、 负荷特性和系统电压恢复；而系统电压恢复又受交流系统强度和负荷动态无功功率需求的 影响，二者相互耦合。对此综合负荷的动态无功需求，需借助电力系统计算分析软件才能实 现较为精确的计算，比较费时费力。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题，就是提供一种扰动恢复中500kV辐射状供电网络负 荷最大无功需求快估方法，所针对的故障类型为电力系统最严重的三相金属性接地短路， 计算所需基础数据少、速度快、省时省力。
[0005] 解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0006] -种扰动恢复中500kV辐射状供电网络负荷最大无功需求快估方法，方法中所需 基础数据有：
[0007] 1) 500kV变电站主变台数n和高压母线短路电流水平Id，单位kA ;
[0008] 2)正常运行时变电站主变高压侧有功P，单位丽，以及综合负荷中感应电动机的 有功占比KP;
[0009] 3)感应电动机惯性时间常数Ty负载率&，等值电路标幺参数：定子电阻&，定子 电抗Xs，励磁电抗XM，转子电抗XK，转子电阻rk;
[0010] 4)故障持续时间At;
[0011] 所述方法需要使用以下基本公式：
[0012] 1)感应电动机基本公式
[0013] 参见图1，感应电动机等值为：依次串联的定子电阻Rs、定子电抗xs、转子电抗\和 可变电阻R=RK/s，在转子电抗XK和可变电阻R=RK/s两端设有励磁电抗XM;
[0014] 感应电动机等值阻抗Z计算如式（1):
[0016] 定义变量如式⑵：
[0018] 则感应电动机等值导纳Y计算如式（3):
[0020] 其中：
[0021] 感应电动机运行电压为V时，消耗的功率P+jQ计算如式（5):
[0023] 2)电气元件等值阻抗计算公式
[0024] 若电气元件运行电压为V，消耗的功率为P+jQ，则该电气元件的等值阻抗Z= r+jx计算如式（6):
[0026] 所述方法包括以下步骤：
[0027] 1)稳态条件下运行数据计算
[0028] 1. 1主变综合负荷等值阻抗计算
[0029] 根据基础数据中正常运行时变电站主变高压侧有功P，单位MW，并认为P即为主变 10kV侧综合负荷消耗的有功功率，功率因数为0. 95,得已计及并联电容的主变10kV侧综合 负荷消耗的无功Q=P?tg(cos4(0. 95))。取综合负荷运行电压V=lp.u.，根据式（6)求 得主变10kV侧综合负荷等值阻抗ZS(I;
[0030] 1. 2感应电动机等值阻抗标么值计算
[0031] 取感应电动机端电压V=lp.u.，有功功率P= &p.u.，根据式（2)和式（4)，并 令：
[0033] 求得正常运行时感应电动机转子等值电阻：
[0035] 感应电动机初始转差：
[0036] 由式⑴计算感应电动机等值阻抗标幺值Z_;
[0037] 1. 3恒阻抗负荷等值阻抗Zz
[0038] 根据基础数据中给出的正常运行时变电站主变高压侧有功P，单位丽，及综合负 荷中感应电动机的有功占比KP，知KP ?P为电动机消耗的有功功率，根据对应的功率因 数角，求得电动机消耗的无功2P?这;
[0039] 从主变总负荷功率中减去感应电动机消耗的功率，得恒阻抗负荷消耗的功率，再 利用（6)求得恒阻抗负荷等值阻抗Zz;
[0040] 2) 500kV变电站供电网络等值电路相关参数计算
[0041] 500kV变电站供电网络的通常形式见图2a:500kV变电站向220kV变电站供电， 220kV变电站10kV侧接有综合负荷；220kV变电站再向110kV变电站供电，110kV变电站 10kV侧接有综合负荷；将图2a等值为图2b:主网供电电源经过变比1 :E的理想变压器串 联系统等值电抗Xs，经输电回路等值阻抗X向综合负荷ZS(I供电的形式；
[0042] 按式（10)估算系统等值电抗Xs:
[0044] 综合负荷与500kV主变高压侧的电气距离按X= 140D估算；
[0045] 按照正常运行时综合负荷端电压为lp.u.估算供电回路标幺变比E如式（11):
[0047] 3)故障切除时刻相关参数计算
[0048] 故障期间感应电动机端电压考虑为零，感应电动机电磁转矩Te= 0,感应电动机 负载转矩1\。3(1=1^，At为故障持续时间，据（12)求得故障切除时刻感应电动机转速变化 A Q：
[0050] 根据式（13)求得故障结束时刻感应电动机转差：
[0051] s=s〇-Ao(13)；
[0052] 故障结束时刻感应电动机转子电阻：
[0054] 感应电动机功率基准值：
[0056] 由式（1)计算故障切除时刻综合负荷中各类感应电动机负荷的等值阻抗；综合负 荷等值阻抗2￡为感应电动机和恒阻抗负荷之并联值，计算如式（16):
[0057] ZE=n(Z) (16)；
[0058] n表示并联；
[0059] 4)故障切除时刻，220kV和110kV变电站10kV侧母线电压估算
[0061] 5)主网故障时500kV主变综合负荷最大动态无功需求估算
[0062] 将U(KI)代入（5)式中无功计算式，得500kV主变综合负荷中各种感应电动机动态 无功最大值，求和，即为主网故障时500kV主变综合负荷最大动态无功需求。
[0063] 备注：1)综合负荷中大约20%由220kV变电站低压侧供电，这部分负荷距离 500kV主变高压侧电气距离较近，而算法中全部负荷按照110kV变电站低压侧供电考虑，这 会造成估算的综合负荷最大动态无功需求偏低；2)故障切除时刻，负荷母线电压偏低，感 应电动机以外的负荷和并联电容等值阻抗取用无功也会相应降低，算法中忽略了其影响， 会造成估算的综合负荷最大动态无功需求偏高；两方面的影响基本抵消。
[0064] 有益效果：一般采取仿真手段求得扰动恢复中500kV辐射状供电网络负荷最大无 功需求，费时费力，目前未见相关解析计算方法报道。本发明计算所需基础数据少、速度快、 省时省力。
【附图说明】
[0065] 图1为感应电动机等值电路图；
[0066] 图2a为通常500kV变电站供电网络图；
[0067] 图2b为通常500kV变电站供电网络图之等值电路；
[0068] 图3为具体实施算例系统接线及潮流图；
[0069] 图4a为PSCAD/EMTDC下具体实施例的单台220kV无功波形图；
[0070] 图4b为PSCAD/EMTDC下具体实施例的单台110kV主变低压侧无功波形图。
【具体实施方式】
[0071] 图3给出的是本发明具体实施例的系统接线及潮流图：广东电网1座含4台容量 为1000MVA主变的500kV变电站的典型运行情况。
[0072] 500kV供电母线短路电流为40kA，满足广东电网短路电流控制要求。主变负载率 约75%。500kV主变经3条相同的220kV线路给6台220kV主变供电。每回220kV线路长 50km，送电潮流约250丽，给2台220kV变压器供电，图中详细给出其中1回220kV线路的 运行情况。系统潮流计算结果如图3所示，节点电压均在合理范围内，各回线路传输潮流合 理，功率因数符合相关运行与管理要求。
[0073] 500kV主变高压侧的功率为735. 5MW。220kV主变10kV侧综合负荷中，大型工业负 荷4. 763丽，空调负荷4. 818丽。110kV主变10kV侧综合负荷中大型工业负荷18. 62丽，空 调负荷16. 91MW。其余为恒阻抗负荷。
[0074] 1台500kV主变10kV电压等级所有负荷中，感应电动机负荷共 (4. 763+4. 818+18. 62+16. 91)X6= 270.666MW，感应电动机负荷比例KP为 270. 666/735. 5X100 % = 36. 8%，其中大型工业负荷140. 298MW，占52 % ;空调负荷 130. 368MW，占48%。马达参数见表1。
[0075] 表1大型工业马达和空调综合马达参数
[0077] 下面采用前述的算法估算500kV主变高压侧三相金属性短路时全站综合负荷最 大动态无功需求。
[0078] 方法中所需基础数据及其具体数值如下：
[0079] 1)变电站主变台数n= 4(台）和高压母线短路电流水平Id= 40kA(kA);
[0080] 2)正常运行时变电站主变高压侧有功P= 735. 5 (MW)及综合负荷中感应电动机的 有功占比KP= 36.8% ;
[0081] 3)感应电动机惯性时间常数I，负载率&，等值电路标幺参数：定子电阻&，定子 电抗Xs，励磁电抗XM，转子电抗XK，转子电阻RK，见表1。
[0082] 4)故障持续时间At=0?Is