謝 棟， 嚴 正， 林 一， 俞旭峰， 俞國勤

(1.電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室， 上海交通大學電氣工程系， 上海 200240；2.上海市電力公司技術與發(fā)展中心， 上海 200025； 3.上海市電力公司， 上海 200122)

節(jié)能調(diào)度對大受端電網(wǎng)電壓穩(wěn)定影響評估①

謝 棟1， 嚴 正1， 林 一2， 俞旭峰3， 俞國勤2

(1.電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室， 上海交通大學電氣工程系， 上海 200240；2.上海市電力公司技術與發(fā)展中心， 上海 200025； 3.上海市電力公司， 上海 200122)

：隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，逐步推行節(jié)能調(diào)度已是大勢所趨，因此預先分析節(jié)能調(diào)度對上海電網(wǎng)安全穩(wěn)定的影響具有重要的指導意義。文中在上海現(xiàn)行電網(wǎng)基礎上，從節(jié)能調(diào)度數(shù)學模型入手，針對上海電網(wǎng)是個大受端電網(wǎng)的特點，從N-1校核、靜態(tài)電壓穩(wěn)定、暫態(tài)電壓穩(wěn)定等方面，研究分析節(jié)能調(diào)度對上海電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的影響，找到上海電網(wǎng)實施節(jié)能調(diào)度后電網(wǎng)的薄弱區(qū)域以及可能會引起暫態(tài)電壓失穩(wěn)的故障方式及對策。研究結(jié)果可為節(jié)能調(diào)度在上海電網(wǎng)的開展以及如何確保上海電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行提供一定的參考價值。

節(jié)能調(diào)度； 大受端； 靜態(tài)電壓穩(wěn)定； 暫態(tài)電壓穩(wěn)定

2007年8月，國務院辦公廳轉(zhuǎn)發(fā)了國家發(fā)展改革委、環(huán)?？偩?、電監(jiān)會及能源辦聯(lián)合發(fā)出《節(jié)能發(fā)電調(diào)度辦法(試行)》(國辦發(fā)〔2007〕53號)[1]，明確提出改革現(xiàn)行調(diào)度方式，開展節(jié)能發(fā)電調(diào)度。節(jié)能調(diào)度是電力行業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排的重要措施之一，它要求在電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行和連續(xù)供電的基礎上，最大限度地減少資源的消耗和污染物的排放，它對于推動國民經(jīng)濟又好又快發(fā)展，具有重要的現(xiàn)實意義。目前，節(jié)能調(diào)度處于試行階段，各省市開展了大量的研究，其實施細節(jié)、調(diào)度方法、配套措施等都是研究的熱點[2]，但是目前對于節(jié)能調(diào)度的研究絕大部分停留在政策的解讀[3～6]和經(jīng)濟性的研究[7～9]上，對于節(jié)能調(diào)度后電網(wǎng)能否安全穩(wěn)定運行等問題并沒有太多的研究。然而，從安全性的角度研究節(jié)能調(diào)度，從而為其提供措施和建議，是轉(zhuǎn)向節(jié)能調(diào)度時迫切需要面對和回答的問題。

上海電網(wǎng)位于華東電網(wǎng)的末端，是一個典型的大受端交流系統(tǒng)，截至2008年末，受電比例高達36.5%，而且交直流系統(tǒng)的相互影響、負荷的持續(xù)增長都給電網(wǎng)的安全性帶來嚴重威脅。那么，在上海開展節(jié)能調(diào)度勢必會面臨其他省市所未曾面臨的安全性問題，電壓穩(wěn)定是最為嚴峻的問題之一。因此，本文首先簡單敘述了適于上海電網(wǎng)大受端系統(tǒng)的節(jié)能調(diào)度數(shù)學模型及求解方法，然后依次從N-1校核、靜態(tài)電壓穩(wěn)定、暫態(tài)電壓穩(wěn)定等幾個方面研究了節(jié)能經(jīng)濟調(diào)度對上海電網(wǎng)大受端運行方式下的電壓安全穩(wěn)定問題，并給出了建議和措施。

1 節(jié)能調(diào)度數(shù)學模型

1.1 數(shù)學模型

節(jié)能日前調(diào)度是一個最優(yōu)化問題，即在一定的約束條件下，確定某些控制變量的合理取值，使所選定的目標達到最優(yōu)。本文選用直流模型，此處主要考慮火電機組，目標函數(shù)為總的煤耗量最小。目標函數(shù)如下：

(1)

盡管優(yōu)化目標隨著電力工業(yè)模式的變化而有所不同，但機組組合所要考慮的約束條件是基本相同，有如下約束條件。

1)系統(tǒng)節(jié)點功率平衡約束

(2)

2)旋轉(zhuǎn)備用約束

(3)

3)機組最大、最小出力約束

(4)

4)機組增、減出力速率約束

當機組增出力時：

(5)

當機組減出力時：

(6)

5)線路傳輸容量約束

(7)

其中：i=1，…，N；t=1，…，T。

1.2 模型求解

節(jié)能日前調(diào)度問題是一類包含離散變量(如機組啟停狀態(tài))和連續(xù)變量(如機組有功出力)的高維、離散、非凸的動態(tài)混合整數(shù)非線性優(yōu)化問題，本文采用基于內(nèi)點法的混合整數(shù)規(guī)劃法求解。

1.3 負荷經(jīng)濟分配

節(jié)能日前調(diào)度可分為確定啟停機組和負荷經(jīng)濟分配(ED)兩個子問題。二者緊密相聯(lián)，確定的啟停機組必須滿足能實現(xiàn)負荷經(jīng)濟分配，而后者又能進一步優(yōu)化目標函數(shù)，只有在兩個問題都得到解決時，整個問題才算求解完成。在不考慮網(wǎng)絡約束時， ED可用等耗量原則近似處理，由于ED的實質(zhì)是最優(yōu)潮流，可用內(nèi)點法求解。

2 節(jié)能調(diào)度后潮流分析

2.1 節(jié)能調(diào)度后電網(wǎng)狀況

本文對2009年8月12日21:00:00-2009年8月13日21:00:00這一夏季高峰時段進行96點的節(jié)能調(diào)度分析，選用該天最高負荷這一時間斷面做節(jié)能調(diào)度后的電壓穩(wěn)定評估。該天的最高負荷為23654.4 MW，節(jié)能調(diào)度后網(wǎng)內(nèi)機組出力14096 MW，網(wǎng)外受電9558.4 MW。節(jié)能調(diào)度后，煤耗量較大的小機組出力有了一定的減小(石洞口發(fā)電廠3#機組)，甚至有些小機組給關停(吳涇熱電廠3#機組、楊樹浦發(fā)電廠的22#機組)煤耗量較小的大機組出力有了明顯的增加(石洞口燃機電廠2#機組)，許多大機組都處于滿出力或接近滿出力運行(外高橋第二發(fā)電廠7#機組)。

2.2N-1校核

對實施節(jié)能調(diào)度后的上海電網(wǎng)進行N-1校核，得到以下結(jié)論：

1)電壓越限節(jié)點主要集中在黃渡、泗涇、南橋和顧路分區(qū)。其中，黃渡、泗涇、南橋分區(qū)的越限節(jié)點集中在500 kV網(wǎng)架，且越電壓下限(0.95p.u.)；顧路分區(qū)的越限節(jié)點集中在220 kV及以下網(wǎng)架，且越電壓上限(1.052p.u.)。

2)斷開南橋-汾湖單線(5902)，會引起黃渡站、南橋站、泗涇站500 kV節(jié)點越下限，是一個較為嚴重的故障，原因是黃渡、南橋、泗涇分區(qū)都是負荷中心，受聯(lián)絡線的影響較大。

3)無輸電線路潮流越限情況發(fā)生。

3 節(jié)能調(diào)度對靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響

本節(jié)校核節(jié)能調(diào)度前后各種正常和檢修方式下上海500 kV電網(wǎng)薄弱點靜態(tài)電壓穩(wěn)定水平，分析節(jié)能調(diào)度對上海電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響。

3.1 正常運行方式

上海西部電網(wǎng)的黃渡、泗涇分區(qū)，除泗涇分區(qū)的吳涇二廠，基本上屬于純降壓受電電網(wǎng)，且降壓負荷較大，片內(nèi)既缺乏有功電源，也缺乏無功電源，屬于上海500 kV電網(wǎng)的電壓薄弱點。表1是500 kV黃渡站靜態(tài)穩(wěn)定水平情況表，圖1是500 kV黃渡站的PV曲線比較圖。

表1 500 kV黃渡站靜態(tài)電壓穩(wěn)定水平表Tab.1 Static voltage stability level of500 kV Huangdu Station

注：節(jié)能調(diào)度后(1)代表不考慮機組起停；節(jié)能調(diào)度后(2)代表考慮機組起停。

圖1 節(jié)能調(diào)度前后500 kV黃渡站的PV曲線比較Fig.1 Comparison of PV curves of 500 kV Huangdustation for pre-and post-ECBD

2009年上海電網(wǎng)通過三個交流通道從華東主網(wǎng)受電，與系統(tǒng)聯(lián)系較為緊密；同時上海地域較小，網(wǎng)內(nèi)500 kV線路較短，各500 kV變電站聯(lián)系也較為緊密，因此即使是電壓較為薄弱的西部電網(wǎng)黃渡站，其靜態(tài)電壓穩(wěn)定水平也能滿足規(guī)程要求。節(jié)能調(diào)度后，靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度Kv%和有功的靜態(tài)穩(wěn)定極限比節(jié)能調(diào)度前略有提高，且Kv%均超過10%；是否考慮機組起停對結(jié)果沒有較大的影響。

3.2N-1運行方式

對節(jié)能調(diào)度后，系統(tǒng)可能會出現(xiàn)的某些關鍵主變和交流線路檢修的N-1運行方式下的靜態(tài)電壓穩(wěn)定問題進行了研究。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)對系統(tǒng)影響較大的均是500 kV變電站1臺主變退出運行的情況。表2是節(jié)能調(diào)度后，考慮機組起停的情況下，500 kV泗涇站正常運行和影響最大的N-1運行這兩種方式下的靜態(tài)電壓穩(wěn)定水平對比表。

表2 500 kV泗涇站靜態(tài)電壓穩(wěn)定水平表Tab.2 Static voltage stability level of500 kV Sijing Station

從表2中可以看到，節(jié)能調(diào)度后，影響最大的N-1運行方式下，泗涇站的電壓靜穩(wěn)裕度Kv%超過8%，也滿足規(guī)程的要求。

4 節(jié)能調(diào)度對暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響

在電力系統(tǒng)發(fā)生故障等大擾動后，伴隨著系統(tǒng)處理事故過程中發(fā)電機之間的相對搖擺，負荷母線電壓發(fā)生波動，導致暫態(tài)電壓不穩(wěn)定或者暫態(tài)電壓跌落。本節(jié)將研究節(jié)能調(diào)度后暫態(tài)電壓穩(wěn)定問題。

4.1 交流系統(tǒng)故障

上海電網(wǎng)交流系統(tǒng)第一級標準故障對系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定的影響，主要考慮如下兩種對系統(tǒng)安全穩(wěn)定性有較大影響的第一級標準故障進行考核：

1) 500 kV雙回線三相永久性故障斷開不重合；

2)大容量機組跳閘故障。

研究結(jié)果表明，節(jié)能調(diào)度后，上海電網(wǎng)幾乎所有的500 kV線路發(fā)生三相短路都會引起2個逆變站同時發(fā)生換相失敗，但如果能在0.1 s內(nèi)將故障切除，則直流系統(tǒng)都能快速脫離換相失敗，經(jīng)500 ms左右系統(tǒng)均能恢復到原來的輸送功率。說明節(jié)能調(diào)度后，上海電網(wǎng)有較強的穩(wěn)定性。

此外，上海電網(wǎng)內(nèi)發(fā)生大容量機組跳閘事故，系統(tǒng)也能保持較好穩(wěn)定性。圖2是外高橋三廠2×1000 MW機組1 s時發(fā)生跳閘故障，上海電網(wǎng)500 kV網(wǎng)架主要節(jié)點電壓變化曲線以及石洞口二廠2#機組發(fā)出的有功無功變化曲線。從圖中可以看到，上海電網(wǎng)內(nèi)部切除大容量機組事故后，上海電網(wǎng)500 kV電壓降至0.95p.u.左右，電壓變化幅度約為-1.3%。在暫態(tài)過程中電網(wǎng)電壓有微小波動。為維持故障后電網(wǎng)功率的平衡，上海電網(wǎng)網(wǎng)內(nèi)其他大容量機組(比如石洞口二廠2#機組)所發(fā)出的功率都有不同程度的振蕩，其中在動態(tài)過程中，有功功率變化不大，僅僅在故障發(fā)生后0.3 s左右有個大幅度的功率增額，隨后恢復到故障前水平。但為平衡大容量機組跳閘所導致的無功缺額，網(wǎng)內(nèi)其他機組發(fā)出的無功功率有明顯的增加。

(a) 500 kV節(jié)點電壓變化曲線

(b) 石洞口二廠2#機組發(fā)出的有功無功曲線圖2 外高橋三廠2×1000 MW機組1 s跳閘相關曲線Fig.2 Curves when two 1000 MW units tripped

4.2 直流系統(tǒng)故障

直流系統(tǒng)閉鎖故障尤其是多回直流同時發(fā)生閉鎖故障，將導致系統(tǒng)內(nèi)大規(guī)模潮流的轉(zhuǎn)移，可能引起系統(tǒng)內(nèi)局部母線出現(xiàn)低電壓，在嚴重的情況下，可能會導致系統(tǒng)失穩(wěn)。

節(jié)能調(diào)度后，上海電網(wǎng)的總負荷為23654.4 MW，華新、南橋直流雙極閉鎖功率占總負荷的比例分別為4.57%和11.43%。研究結(jié)果表明，上海電網(wǎng)任一換流站發(fā)生雙極閉鎖時，將引起整個上海電網(wǎng)500 kV網(wǎng)架電壓水平有所下降，但整個暫態(tài)過程中電壓均高于0.9p.u.，系統(tǒng)能保持暫態(tài)穩(wěn)定。期間，上海與區(qū)外500 kV聯(lián)絡線的輸送潮流增大，外高橋、石洞口發(fā)電機發(fā)出的無功有功均有所增加。上海換流站雙極閉鎖后，上海電網(wǎng)將瞬時缺失1120～2800 MW的有功功率，這部分功率大多需要通過與華東的聯(lián)絡線通道送入上海，其余少量由上海電網(wǎng)的發(fā)電機組旋轉(zhuǎn)備用發(fā)出。直流故障后，總體呈現(xiàn)無功損耗增加、系統(tǒng)電壓普遍降低，為維持故障狀態(tài)的無功平衡，在動態(tài)過程中發(fā)電機的勵磁電壓上升，發(fā)出的無功功率增加，并盡量維持機端電壓不變。圖3是華新?lián)Q流站發(fā)生雙極閉鎖時，上海電網(wǎng)500 kV網(wǎng)架主要節(jié)點電壓變化曲線。

圖3 華新直流雙極閉鎖時500kV節(jié)點電壓曲線Fig.3 Voltage curves of 500kV buses whenHuaxin bipolar block

4.3 交直流系統(tǒng)復故障

當一回或者兩回直流同時發(fā)生雙極閉鎖，由于潮流轉(zhuǎn)移，上海500 kV網(wǎng)架交流線路及省際聯(lián)絡線可能會出現(xiàn)潮流重載，甚至過載，如果此時部分交流線路跳開，是否會引起上海電網(wǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定的問題，這是關系到上海電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重大問題。本節(jié)考慮系統(tǒng)極端運行情況下系統(tǒng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性問題。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1)華新、南橋兩回直流雙極閉鎖，汾湖-南橋跳單線，系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定，故障切除后黃渡站中長期電壓水平為0.920 p.u.。

2)華新直流雙極閉鎖、汾湖-南橋跳雙線，系統(tǒng)出現(xiàn)動態(tài)不穩(wěn)，故障切除后黃渡站中長期電壓水平為0.899 p.u.。

3)華新、南橋兩回直流雙極閉鎖，昆太-徐行跳雙線，系統(tǒng)出現(xiàn)動態(tài)不穩(wěn)，故障切除后黃渡站中長期電壓水平為0.890 p.u.。

4)華新、南橋兩回直流雙極閉鎖，汾湖-南橋跳雙線，系統(tǒng)出現(xiàn)動態(tài)不穩(wěn)，故障切除后黃渡站中長期電壓水平為0.892 p.u.，泗涇站為0.865 p.u.，南橋站為0.875 p.u.。

由以上結(jié)論可知，汾湖-南橋省際聯(lián)絡線關系到整個上海電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，是一條關鍵線路，特別是當兩回直流同時發(fā)生閉鎖時，跳開汾湖-南橋線，會引起動態(tài)電壓不穩(wěn)。黃渡站、泗涇站、南橋站是整個上海電網(wǎng)的薄弱區(qū)域，需安裝動態(tài)無功補償裝置提高其暫態(tài)穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

本文研究了節(jié)能調(diào)度對上海大受端交流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的影響，得到以下結(jié)論：

1)節(jié)能調(diào)度后，N-1運行方式下，可能會出現(xiàn)節(jié)點電壓越限(主要在黃渡、泗涇、顧路等分區(qū))，但無支路潮流越限情況發(fā)生。

2)節(jié)能調(diào)度后，正常運行方式下，靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度和有功裕度均比節(jié)能調(diào)度前有略微提高，符合安全穩(wěn)定規(guī)程的要求。對系統(tǒng)影響最大的N-1運行方式均為500 kV變電站1臺主變退出運行，靜穩(wěn)裕度也滿足規(guī)程要求。

3)節(jié)能調(diào)度后，單一交流系統(tǒng)故障或直流系統(tǒng)閉鎖，上海電網(wǎng)均能保持暫態(tài)電壓穩(wěn)定，但是當發(fā)生交直流系統(tǒng)復故障時，可能會發(fā)生失穩(wěn)。

[1] 國務院辦公廳. 國務院辦公廳關于轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)展改革委等部門《節(jié)能發(fā)電調(diào)度辦法(試行)》的通知[EB/OL].http://www.gov.cn/gongban/comtent/2007/content_744115.htm, 2007.

[2] 黃良寶，朱忠烈，王崢(Huang Liangbao，Zhu Zhonglie，Wang Zheng)．節(jié)能發(fā)電調(diào)度對華東電網(wǎng)規(guī)劃的影響研究(Influence of energy-saving generation dispatching on East China Power Grid planning)[J].華東電力(East China Electric Power)，2009，37(5)：686-690．

[3] 李云，霍平(Li Yun，Huo Ping)．《節(jié)能發(fā)電調(diào)度辦法》政策解讀(The policy interpretation of the energy conservation power generating and distribution code)[J].電力學報(Journal of Electric Power)，2008，23(3)：215-217．

[4] 張森林(Zhang Senlin)．節(jié)能發(fā)電調(diào)度實用化措施框架體系(A framework system of practicable measures for energy-saving power generation dispatching)[J].電網(wǎng)技術(Power System Technology)，2008，32(20)：81-85，94．

[5] 李春山，李志國，李淑慧(Li Chunshan，Li Zhiguo，Li Shuhui)．節(jié)能發(fā)電調(diào)度模式下東北電網(wǎng)運行存在的問題及建議(Problems of northeast China power grid under energy-saving generation dispatching mode and the relative suggestions)[J].電網(wǎng)技術(Power System Technology)，2008，32(S1)：14-16.

[6] 尚金成，劉志都(Shang Jincheng，Liu Zhidu).節(jié)能發(fā)電調(diào)度協(xié)調(diào)理論及應用(Coordination theory of energy-saving generation dispatch and its application)[J].電力自動化設備(Electric Power Automation Equipment)，2009，29(6)：109-114．

[7] 朱足君， 李揚，陳文浩，等(Zhu Zujun, Li Yang, Chen Wenhao,etal).節(jié)能發(fā)電調(diào)度中的有功安全校正策略(Correction strategy of active power security in energy conservation generation dispatching)[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報(Proceedings of the CSU-EPSA),2008,20(6):47-50.

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[9] 鐘海旺，康重慶，陳慧坤,等(Zhong Haiwang，Kang Chongqing，Chen Huikun，etal).廣東電網(wǎng)節(jié)能發(fā)電調(diào)度潛力分析( Analysis on potential of energy-conservation based dispatch for Guangdong Power Grid)[J].電網(wǎng)技術(Power System Technology)，2008，32(23)：7-12.

AssessmentonInfluenceofEnergy-conservationBasedDispatchonVoltageStabilityofLargeReceiving-EndGrid

XIE Dong1， YAN Zheng1， LIN Yi2， YU Xu-feng3， YU Guo-qin2

(1.Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion, Ministry of Education, Department of Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2.Technology and Development Center of SMEPC, Shanghai 200025, China;3.Shanghai Electric Power Company, Shanghai 200122, China)

With the development of power grid, the energy-conservation based dispatch (ECBD) has become an irresistible trend; therefore, it's very meaningful to analyze the impacts due to the ECBD on the security and stability of Shanghai power grid. In this paper, the ECBD model is presented and applied to the Shanghai power grid. According to the fact that Shanghai power grid is a large receiving-end system, this paper studies the impact of ECBD on Shanghai power grid from several aspects, such asN-1 check, static voltage stability and transient voltage stability and so on. In addition, this paper also finds out the weak areas in Shanghai power grid after ECBD, and the faults which may cause transient voltage instability. The results are very useful for the implementation of ECBD in Shanghai power grid and ensuring the security and stability of Shanghai power grid.

energy-conservation based dispatch(ECBD)； large receiving-end； static voltage stability； transient voltage stability

2009-10-12

2009-11-12

TM72

A

1003-8930(2011)02-0045-05

謝 棟(1984-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析、高性能計算。Email:xiedong1984@sjtu.edu.cn

嚴 正(1964-)，男，教授，博士生導師，研究方向為電力系統(tǒng)優(yōu)化運行、電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析、電力市場。Email:yanz@sjtu.edu.cn

林 一(1969-)，男，碩士，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)運行分析。Email:epyqliu@scut.edu.cn