配电网短路电流优化研究

配电网短路电流优化研究

齐芸芸

国网山西省电力公司030032

1.课题研究的背景和意义

在现代电力系统中，大型的发电厂的设置往往远离负荷聚集的地方，发电厂产生的电能，一般要通过高压或超高压输电网络传输到负荷中心，然后在负荷中心由电压等级较低的网络把电能分配到不同电压等级的用户。简单来说，配电网在整个电力网络中主要起着分配电能的作用。配电网可以按照电压等级来分类，分为35-110kV的高压配电网、6-10kV的中压配电网和220-380V的低压配电网[1]，在负载率较大的特大型城市，110kV、220kV电网也有配电功能。也可以按照供电区的功能来分，分为城市配电网、农村配电网和工厂配电网等[2]。

配电系统的功能给一个地区供给电力，因而又被称为地方供电网。与区域电力网相较而言，它的电压等级和供电范围要更小，也更为密集，但在结构上，作为电力网的末端的配电网与用户直接相连，配电网可以充分反映用户在安全、优质、经济等方面的用电情况和需求。

目前，限制短路电流的主要手段包括开断部分线路、采用高阻抗变压器和串联电抗器等，其中开断线路简单易行且限制短路电流效果显著，这种方法对电网的限流的研究中被普遍采用。对于开断线路的选取，首先要考虑其短路电流的限制效果，其次要保证网架的完整。

2.短路电流研究概述

2.1短路电流的定义

短路电流，指的是电力系统在运行中，相与相之间或者相与地（中性线）之间发生非正常连接（即短路）时的流过的电流，其值远远大于额定电流。短路是电网中极其严重的故障，在三相系统，可能发生的短路有：三相短路、两相短路、两相短路接地和单相接地短路。

2.2影响短路电流的因素

影响短路电流的因素主要有以下几点：

（1）电源布局及其地理位置，特别是大容量发电厂及发电厂群距受端系统或负荷中心的电气距离；

（2）发电厂的规模、单机容量、接入系统电压等级及主接线方式；

（3）电力网结构的紧密程度及不同电压电力网的耦合程度；

（4）接至枢纽变电所的发电和变电所容量，其中性点接地数量和方式对单相短路电流水平影响很大；

（5）电力系统间的互联方式。

2.3短路电流计算的意义

计算短路电流的目的是为了限制短路的危害，或者缩小故障的影响范围。在变电所和电网系统的运行过程中，短路电流的计算在以下几种用途里是不可或缺的：

（1）为线路选择合适地电气设备和载流导体时，必须用短路电流来校验其稳定性；

（2）短路电流的计算是选择和整定继电保护装置的基础，也是正确的切除短路故障的前提；

（3）可以依据短路电流水平来研究电网的接线方案，改进运行方式及或增加限流措施；

（4）通过计算短路电流可以最大限度的保障电网中各电气设备在最严重的短路状态下不损坏，有效减少因短路故障产生的危害。

在电力系统的实际运行中，单相短路故障占全部短路故障的最大百分率，其次是两相接地和两相短路故障，出现三相短路故障的几率较低，但三相短路最为严重。因此在计算中往往用三相短路电流作为校验电网短路水平的依据。

3.限制短路电流措施及优化方案的研究现状

目前，国内外电力系统主要从调整电网结构和运行方式，以及增加限流设备这三方面着手限制短路电流。采取的限制短路电流措施主要有：

（1）下一级电网分层分区运行

将原电压等级的网络分成若干区，辐射形接入更高一级的电网，大容量电厂直接接入更高一级的电网中，原有电压等级电网的短路电流将随之降低。例如，在220kV电网发展的基础上，进行110kV电网分层分区运行是限制短路电流最直接有效的方法。

（2）变电所采用母线分段运行

打开母线分段开关，使母线分列运行，可以增大系统阻抗，有效降低母线侧短路电流[3]。该措施实施方便，但将削弱系统的电气联系，降低系统安全裕度和运行灵活性，同时有可能引起母线负荷分配不均衡。

（3）加装变压器中性点小电抗接地

加装的中性点小电抗对于减轻三相短路故障的短路电流无效，但对于限制短路电流的零序分量有明显的效果。在变压器中性点加装小电抗施工便利，投资较小，因此在单相短路电流过大而三相短路电流相对较小的场合很有效[5]。但中性点小电抗仅对降低电网局部区域的单相短路电流的作用较大。

4.配电网的运行特点

大多数的配网都是辐射状的运行结构。在正常运行的状态下，网络中的分段开关是常闭的，联络开关是常开的，可以通过调整开关的开合满足新的运行需求，保障电网的安全运行。

辐射状网的供电电源是单电源的模式，因而其供电可靠性比较低；环状网有备用电源，采用“闭环建设、开环运行”的方式，正常运行时，联络开关处于断开的状态；当某侧因故障无法供电时，联络开关闭合，由另一侧的电源供电。这种供电方式的可靠性比较高，因而得到广泛应用。

4.1配电网拓扑分析研究现状

无论是简单的还是复杂的电网系统，都是通过输电线路将各类电气设备连接起来形成的统一网络体系。图论在研究电力网络的拓扑关系时，将整个系统抽象成一个由节点和支路的集合形成的图。将图论应用于配电网系统分析，主要是描述电网空间实体之间的相互关系，由于电网中的各种电器设备之间存在着方向性、关联性以及相似性等各种各样的拓扑关系，基于图论的拓扑关系，国内外的研究学者目前总结了以下几种拓扑辨识算法，主要包括关联表矩阵表示法、树搜索表示法、结点消去法、网基矩阵表示法、离散处理法等，其中采用最广泛的是树搜法，包括广度树搜、深度树搜算法以及各种延伸算法。

4.2配电网重构国内外研究现状及分析

联络开关在正常操作期间的断开，为了保持系统辐射类型树运行状态。但由于树并不是唯一一个环网，每棵树对应于一个网络运行模式。不同的运行模式对应不同的潮流分布、负载率和网络线损等，因此可以通过调整运行方式，在所有的网络的生成树中，寻找到一棵树，其相应的操作模式可以达到使一个或多个网络指标的最优组合。

根据采用的寻优技术的不同，网络重构算法可以分为最优流算法、启发式算法和人工智能优化算法。人工智能优化算法包括人工神经网络、遗传算法、模拟退火算法等。配电网络重构算法本质就是寻找满足某一或多个组合的目标函数的最优的网络结构。根据目标函数的不同，网络重构算法可以分为以下几类：以提高配网运行经济性为目的；一般以系统有功损耗最小为目标函数[8]；以平衡各馈线的负荷，消除过载为目的，一般以负荷平衡率为目标函数[9]；以提高电压质量，优化无功为目的，一般通过调整无功电源的投切，提高节点电压，消除越线，进而降低网损。

现代的配电网络，经济运行和提高运行质量的成为人们更高的要求，但是目前对于配电网优化算法中，如网络重构和故障恢复多停留在理论研究方面，能够实际应用的并不多，主要表现在算法的在线性能不好，速度慢，算法只能应用于理想化的网络结构，没有实际应用的意义等。总结而言，网络重构算法及其在配网中高级应用和发展，需要以下三个方面的提高：

（1）快速的拓扑分析手段

网络拓扑分析，在高层算法的应用中需要大量的重复调用，如果能提高拓扑分析的速度，算法的性能将大大提高。

（2）采用启发式优化算法

为了提高应用性能，启发式技术是一种非常有效的手段，传统的启发式技术已被广泛应用于高层次的应用算法；启发式优化算法在网络重构算法，该算法是能明显提高效果。

（3）结合实际的配电网的发展

配电网络重构的最终目的是为了提高电网的运行水平，提供一种有利于当地的电网发展的趋势。一个好的算法应该是广义的，可以广泛使用，适合当前中国的网络分布情况，并满足当地实际情况的要求。

参考文献

[1]魏亚运,武小梅,程小庆,等.110/66kV配电网短路电流控制及静态安全分析[J].宁夏电力,2016(1):30-35.

[2]李广磊,马梦朝,陈东利,等.基于阻抗灵敏度和模糊量化评价的限制电网短路电流优化控制策略研究[J].国网技术学院学报,2012,15(5):4-8.

[3]冯小明,杨仁刚.基于开关网络的变电站运行方式识别[J].华北电力技术,2003(4):4-5.