天津港-華北石化原油管道項目配電系統(tǒng)分析
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梁新蘭1*，楊成2，李 凱2，張希夷1
（1．中國石油天然氣管道工程有限公司天津濱海分公司，天津300457；
2．中國石油天然氣管道局，河北廊坊市065000）
摘要：以天津港-華北石化原油管道項目為例，使用了ETAP軟件進行電力系統(tǒng)潮流計算和短路計算，確保了電氣設(shè)計的安全性、可靠性和經(jīng)濟性。
關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；潮流計算；短路計算；ETAP軟件
中圖分類號：TM744文章編號：0253 - 4320( 2016) 03 - 0201 - 03
DOI:10. 16606/j. cnki. issn 0253 - 4320. 2016. 03. 051
天津港-華北石化原油管道項目（以下簡稱津華線）是一條以天津港匯鑫油庫為首站，經(jīng)青縣中間熱泵站，至河北任丘合建末站的原油管道線路。各站的供電方式均為雙電源供電，電源引自附近的變電站。各場站間電力系統(tǒng)相對獨立，因而電力系統(tǒng)計算需分站進行。本文中以青縣中間熱泵站為例，介紹了電力系統(tǒng)計算中最重要的潮流計算和短路計算及ETAP軟件在該項目中的使用。
1潮流計算
電力系統(tǒng)的潮流計算是電力系統(tǒng)中一項最基本的計算，在電網(wǎng)規(guī)劃階段，通過潮流計算，合理規(guī)劃電源容量及接入點，合理規(guī)劃網(wǎng)架，選擇無功補償方案等。在電力系統(tǒng)設(shè)計階段，電力系統(tǒng)潮流計算的目的就是在確定的運行方式下，檢查線路壓降及母線電壓是否滿足規(guī)范及項目要求，及電氣設(shè)備、電纜是否有過載情況。電壓幅值、電壓相角、有功功率和無功功率是表征電力系統(tǒng)運行的主要參數(shù)，潮流計算可以準確地計算出以上參數(shù)，為系統(tǒng)的其他計算，如短路計算、繼電保護提供依據(jù)。ETAP軟件提供了3種常用的潮流計算方法供選擇，分別為高斯-賽德爾迭代法、牛頓-拉夫遜法和快速解耦法。
1.1 高斯-賽德爾迭代法
以節(jié)點導(dǎo)納矩陣為基礎(chǔ)的高斯-賽德爾迭代法是首先被應(yīng)用到計算機求解潮流方程的方法，可以簡稱為導(dǎo)納法。它具有求解原理簡單，對計算機內(nèi)存的要求比較小的優(yōu)點。但是它的收斂性較差，只適合于小型的電力系統(tǒng)，當系統(tǒng)規(guī)模較大時，會因為迭代次數(shù)的急劇增長而導(dǎo)致算法不收斂。
1.2牛頓-拉夫遜法
牛頓-拉夫遜法是基于導(dǎo)納矩陣的求解方法，通常簡稱為牛頓法。由于導(dǎo)納矩陣具有稀疏性，所以在計算迭代過程中計算速度有了極大的提高，并且牛頓法的收斂性很好，適合于求解非線性方程，是目前應(yīng)用最廣的求解電力系統(tǒng)潮流計算的方法。
1.3快速解耦法
快速解耦法即為P-Q分解法，是由極坐標形式的牛頓-拉夫遜法演變而來的，實際是牛頓-拉夫遜法潮流計算的一種簡化方法，它考慮了電力系統(tǒng)的特點，系統(tǒng)電阻遠遠小于系統(tǒng)電抗，所以母線電壓幅值的變化對有功功率的影響較小，同時母線電壓相角的變化對無功功率的影響較小，所以將P、Q分開來計算，極大地減少了計算的工作量。
2短路計算
短路是電力系統(tǒng)最嚴重的故障，是相與相，或相與地發(fā)生通路的情況。短路時的大電流會產(chǎn)生很大的熱效應(yīng)和機械效應(yīng)，使電力系統(tǒng)受到嚴重的沖擊和破壞，甚至危害人身財產(chǎn)安全。所以電力系統(tǒng)短路計算對電力系統(tǒng)和工藝場站運行安全至關(guān)重要。
在ETAP軟件里，提供了2種短路電流計算方案，分別遵循規(guī)范IEC60909和IEC61363。
IEC61363適用于船舶和移動式或固定式海上平臺電力系統(tǒng)，IEC60909適用于除IEC61363適用范圍外的電網(wǎng)系統(tǒng)。津華線青縣中間泵站屬于陸地站場，電源引自附近的電網(wǎng)系統(tǒng)，所以應(yīng)遵循IEC60909計算短路電流。
ETAP短路模塊可以計算各種短路方式下的短路電流，包括三相短路、單相接地短路、相相短路、相相接地短路。短路點的短路電流包括最大短路電流、峰值短路電流、穩(wěn)態(tài)短路電流等，不同的短路電流值可以用于校驗電氣設(shè)備的短路能力及斷路器的分斷能力。
ETAP軟件各短路電流計算公式如下。
其中c為電壓因子，調(diào)節(jié)在計算最大最小短路電流時母線上的電壓Un，根據(jù)IEC60909-0規(guī)定，不同的電壓等級c因子的取值見表1。
k為故障點系統(tǒng)R/X比值的調(diào)節(jié)系數(shù)，ETAP（根據(jù)IEC規(guī)范）提供了3種k值計算方法，簡稱為Method A、Method B、Method C。Method A是考慮所有支路中最小的R/X支路提供80%的短路電流，此方法計算方法簡單，但是比較保守；Method B是為了避免直接使用支路R/X計算中的不可靠性，增加了1. 15倍的安全系數(shù)，此方法雖然可以得到更可靠的峰值電流，但是仍然無法體現(xiàn)短路電流中的直流成分；Method C使用了根據(jù)頻率變化的R/X值，在低頻時計算的R/X值再乘以根據(jù)頻率確定的放大系數(shù)，此方法考慮了短路電流中的直流分量，計算方法復(fù)雜，但是得出的峰值短路電流也更加準確。
3 中間熱泵站系統(tǒng)計算
3.1 中間熱泵站系統(tǒng)參數(shù)
中間熱泵站位于河北省青縣馬場鎮(zhèn)王維屯村東北側(cè)，附近有王維屯35 kV變電站1座、馬廠110 kV變電站1座。青縣中間熱泵站2路獨立電源分別引自王維屯35 kV變電站10 kV側(cè)及馬廠110 kV變電站10 kV側(cè)。王維屯35 kV變電站電源線路為電纜線路，電纜為YJLV22-8. 7/10 kV 3×300，長度為0.6 km。馬廠110 kV變電站電源線路由一段電纜線路和一段架空線路組成。電纜為YJLV22 -8.7/10 kV 3×300，電纜長度為1.25 km；架空線為GIA -240/40，線路約2.7 km。
青縣中間熱泵站內(nèi)設(shè)1座10 kV變電所，2臺1110. 42 kV配電變壓器，容量為2×500 k VA，電氣主接線10 kV側(cè)、0.4 kV側(cè)均為單母線分段接線方式。正常運行時，10 kV母聯(lián)開關(guān)閉合，由一路電源供電，0.4 kV母聯(lián)開關(guān)斷開，2臺變壓器分列運行。
3.2 ETAP模型
根據(jù)青縣中間熱泵站的系統(tǒng)參數(shù)，建立ETAP模型，詳見圖1。
3.3潮流計算結(jié)果
根據(jù)青縣中間熱泵站的供電運行方式，2路電源分別供電，不存在環(huán)網(wǎng)運行的情況。由王維屯35 kV變電站供電設(shè)為供電方式一，由馬廠110 kV變電站供電設(shè)為供電方式二。2種供電方式下分別采用高斯一賽德爾迭代法、牛頓一拉夫遜法和快速解耦法進行潮流計算，各母線電壓降詳見表2。
通過ETAP潮流計算結(jié)果可知，由于青縣中間熱泵站系統(tǒng)規(guī)模較小，高斯-賽德爾迭代法、牛頓-拉夫遜法和快速解耦法的計算結(jié)果基本一致，高斯-賽德爾迭代法也能快速收斂，說明各算法均適用于此項目。在不同的運行方式和潮流算法下，青縣中間熱泵站10 kV母線及0.4 kV母線的電壓降均在5%以內(nèi)，電壓降較小，滿足項目要求。
當系統(tǒng)規(guī)模較大、母線接點較多時，各潮流算法的計算結(jié)果和計算時間會略有差異，綜合考慮各種因素，一般中等規(guī)模的系統(tǒng)，使用牛頓-拉夫遜法潮流計算的結(jié)果相對更加準確，計算時間適中，是當前應(yīng)用最為廣泛的潮流計算方法。
3.4短路計算結(jié)果
根據(jù)當?shù)毓╇娋痔峁┑膮?shù)，王維屯35 kV變電站10 kV短路容量是40 MVAsc，馬廠110 kV變電站10 kV短路容量為192 MVAsc。短路計算中，峰值短路電流k因子計算方式選擇Method C。2種供電方式下的母線短路電流見表3。
以上參數(shù)為現(xiàn)階段的系統(tǒng)容量，隨著上級電力系統(tǒng)的后期發(fā)展，系統(tǒng)短路容量將會增加。為了使青縣中間熱泵站的電氣設(shè)備滿足后期短路容量的增加，系統(tǒng)短路容量考慮增加1倍，各母線的短路電流見表4。
根據(jù)短路計算結(jié)果可知，在系統(tǒng)短路容量增加1倍的情況下，10 kV母線上的最大短路電流增加14%(0.9 kA)，0.4 kV母線上的最大短路電流增加2%(0.33 kA)，所選電氣設(shè)備的短路參數(shù)不僅能滿足當前系統(tǒng)要求，也能滿足將來系統(tǒng)發(fā)展的要求。
4結(jié)論
通過上面的計算結(jié)果可知，使用ETAP軟件進行潮流計算可以驗證電氣系統(tǒng)設(shè)計是否滿足要求，系統(tǒng)電壓降是否符合項目要求；使用ETAP軟件進行短路電流計算，可以驗證斷路器等電氣設(shè)備元件是否能夠滿足系統(tǒng)要求。
津華線的匯鑫油庫首站、青縣中間熱泵站、河北任丘合建末站電氣設(shè)計中均使用了ETAP軟件進行電氣系統(tǒng)計算，使項目中的電氣設(shè)備元件的選擇更加合理，提高了設(shè)計的安全性和可靠性，同時又避免了不必要的資源浪費。并且，ETAP軟件在津華線項目上的成功應(yīng)用也為以后同類項目提供了設(shè)計模板。
