短路电流过大对电力系统有何危害?随着负荷水平的持续增长，电网结构变得日益紧密，短路电流超标已经成为国内外许多电力系统面临的难题。我国上海电网装机容量增加，外网注入功率增加，500 kV网架结构愈发紧密，使500 kV母线的短路电流大幅增长。日本输电系统以500 kV线路作为主要的输电通道，由于装机容量和负荷水平的逐步增长，以东京为中心的局部电网面临短路电流超标的问题。当前，伊朗电网也正面临由于新增发电厂导致系统短路电流越限的问题。
目前，断路器最大遮断电流为63 kA。系统短路电流的不断增加，威胁了电网的安全运行，高短路电流水平对电网中各种电气设备的遮断容量提出更严格的要求。如果断路器的开断能力不足而不能有效切除故障，将导致故障扩大，危及整个电力系统的安全运行。因此，如何在电网规划中限制系统的短路电流水平，已成为亟待解决的关键问题。
在电网扩展规划中内嵌短路电流和N—1安全约束有什么意义?在实际电网规划中，短路电流通常在电网规划方案确定后计算。如果短路电流越限，需要根据人工经验手动修正电网规划方案。这是一个开环的校核过程，导致电网规划方案优化的效率低且难以保证方案的最优性。因此，内嵌短路电流和N-1安全约束的电网扩展规划可以优化输电线路的扩建策略，保证N-1安全性的同时有效限制系统短路电流，实现电网规划中短路电流和N-1安全校核的闭环化。该模型和方法将为电力系统规划提供新的思路。
如何建立内嵌短路电流和N—1安全约束的电网扩展规划模型?在电力系统规划中，N-1安全要求与短路电流不超标是一对矛盾：为满足N-1安全约束而新建线路时，往往容易导致短路电流超标。为此，本文提出内嵌短路电流和N-1安全约束的电网扩展规划模型。不同于以往电网规划模型，该模型以电网扩展规划成本最低为目标，内嵌N-1场景安全约束的同时，计及系统各节点三相短路电流约束，实现电网规划经济性和安全性的协同优化。
模型中考虑短路电流约束难点及解决方法通过推导计算可知，母线三相短路电流等于母线电压与系统阻抗矩阵自阻抗的比值。系统阻抗矩阵可以通过导纳矩阵求逆得到，而电网扩展规划问题中，导纳矩阵元素是含待建线路0-1决策变量的表达式，导致优化模型的强非线性，使内嵌短路电流和N-1安全约束的电网扩展规划模型成为一个混合整数非线性规划(mixed integer nonlinear programming, MINLP)问题。这给模型的求解带来极大的挑战。
然而，相比交流潮流的短路电流，基于直流潮流的线性化短路电流存在一定误差，该误差源于两个方面：1)在直流潮流下，母线电压幅值为1.0，但在交流潮流或实际运行中并非如此;2)直流潮流忽略输电线路的电阻，进而影响了系统阻抗矩阵的计算。为了减小基于直流潮流的线性化过程带来的短路电流计算误差，本文引入短路电流补偿系数。该系数定义为直流潮流下短路电流与交流潮流下短路电流的比值，在迭代优化的过程中，该系数逐步更新，并引入短路电流约束条件中。
为此，本文在直流潮流的框架下，推导短路电流迭代计算公式，合理解释该计算方法的物理涵义。根据该计算公式，系统故障节点的母线三相短路电流可表达为系统中各节点等效电压源对该故障节点的短路电流贡献总和。而在一次迭代计算中，每个节点等效电压源对故障节点的短路电流贡献是关于待建线路决策变量的线性表达式，求和后的短路电流仍为关于待建线路决策变量的线性表达式，因此，实现了短路电流计算公式的线性化。
