劉小滿，尹加鋒，王 雁，聶宏展

(1.東北電力大學，吉林 吉林 132012;2.山西省晉城供電分公司，山西晉城 048000)

基于靈敏度分析法的電網(wǎng)GIC優(yōu)化治理

劉小滿1，尹加鋒2，王 雁2，聶宏展1

(1.東北電力大學，吉林 吉林 132012;2.山西省晉城供電分公司，山西晉城 048000)

針對電網(wǎng)地磁感應電流(GIC)對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行潛在的威脅問題，闡述了電網(wǎng)GIC模型，提出了靈敏度分析法，并以整個電網(wǎng)所有變電站接地電流不超標為目標，采用靈敏度分析法對變壓器中性點串接電阻方案進行優(yōu)化，給出了黑龍江省2011年末500 kV規(guī)劃電網(wǎng)的GIC優(yōu)化結果，驗證了此優(yōu)化治理措施的有效性和可行性。

GIC(地磁感應電流);治理裝置;靈敏度分析法;優(yōu)化治理

0 引言

由太陽活動引起的地球磁場劇烈波動現(xiàn)象稱為地磁暴。當?shù)卮疟┌l(fā)生時，在輸電線路中產(chǎn)生的地磁感應電流對電力系統(tǒng)設備的安全運行有很大的影響［1］。因此，為了抑制GIC對電力系統(tǒng)的不利影響，本文采用削弱措施對黑龍江2011年末500kV規(guī)劃電網(wǎng)GIC的治理進行了研究，對直流電流超標的變電站利用靈敏度分析法進行了優(yōu)化治理。

1 電網(wǎng)GIC模型

GIC的變化頻率一般為0.001～0.100 Hz，這種準直流在交流系統(tǒng)中流動，會導致變壓器直流偏磁，造成變壓器鐵芯半波飽和，從而引發(fā)變壓器噪聲、振動、局部過熱等一系列的危害，并且對系統(tǒng)中其它設備也會產(chǎn)生不利影響。

目前常用的治理措施主要有3種［2－4］:1)補償措施，在變壓器中性點串接1個直流電壓源，通過控制其輸出直流電流的大小和方向，抵消原有的地磁感應電流。2)削弱措施，將非線性或線性電阻設備串入變壓器中性點與大地構成的回路中，根據(jù)偏磁電流的大小調整電阻阻值，使變壓器中性點流過的直流電流符合要求。3)隔離措施，利用電容器“隔直通交”的特性，在變壓器中性點或交流輸電線上串聯(lián)電容，隔斷GIC的流通路徑。

在電網(wǎng)拓撲結構和電氣參數(shù)已知的情況下，GIC的計算實質上可視為電路問題。由于GIC具有準直流特性，因此在電路中只需要考慮電阻的作用［5］。依據(jù)具體的電網(wǎng)結構，按基爾霍夫定律(KCL、KVL)即可計算出各變電站的GIC值。

在500 kV電網(wǎng)中，每個變電站變壓器中性點都直接接地，可設變電站數(shù)目為n，電網(wǎng)GIC計算的等效模型如圖1所示。

在圖1中，Rij表示任意2個節(jié)點i和j之間的等效電阻;Vij為地磁暴數(shù)據(jù)計算出的地表電勢ESP沿線路ij的積分，其對電網(wǎng)模型的作用等效為施加在不同接地點之間的電壓源;定義n×n網(wǎng)絡接地阻抗矩陣Z，其元素為各變電站接地支路的等效電阻，為1個對角陣，則各節(jié)點的入地電流IGIC=［I1，I2，…，IN］T與各節(jié)點的電壓 U=［U1，U2，…，Un］T之間的表達式為

圖1 節(jié)點電網(wǎng)GIC計算等效模型

定義n×n的網(wǎng)絡支路導納矩陣為Y，其元素由節(jié)點間的線路電阻R決定，具體表達式為

定義向量 J=［J1，J2，…，Jn］T，其反映了理想接地條件(即Z=0)下，地面感應電場在電網(wǎng)各節(jié)點產(chǎn)生的GIC，元素按下式計算:

在圖1所示的n節(jié)點電網(wǎng)GIC計算等效模型中，由節(jié)點電壓法可得到的表達式為

將式(1)代入式(4)，可得到如下表達式為

將(5)式整理后，即得各變電站中流過的GIC值為

中國電力行業(yè)標準DL/T 605—1996《高壓直流接地極技術導則》規(guī)定:通過變壓器繞組中的直流電流應不大于額定電流的0.7%。

2 靈敏度分析

2.1 基本概念

靈敏度分析是研究與分析1個網(wǎng)絡的狀態(tài)或輸出變化對系統(tǒng)參數(shù)或周圍條件變化的敏感程度方法。通過靈敏度分析可以確定哪些參數(shù)對網(wǎng)絡有較大的影響［6］。如果網(wǎng)絡響應與電路參數(shù)的表達式已知，就可以利用求偏導數(shù)的方法求出靈敏度。

2.2 串接電阻阻值和位置

500 kV電網(wǎng)要求變壓器中性點有效接地，因此，應在保證接地電流不超標的前提下使中性點串接電阻ri(i=1，2，…，n)盡可能少并且小，即在約束條件max(|IGIC|－Ilim)＜0下尋求ri的優(yōu)化值。

由上述電網(wǎng)GIC的計算過程可以看出，采用基于削弱GIC的中性點串接電阻ri措施，改變了網(wǎng)絡接地阻抗陣Z。對式(5)兩邊同時求偏導，可得如下表達式為

將式(7)整理后，即得地磁感應電流IGIC對中性點串接電阻 ri(i=1，2，…，n)的靈敏度為

正的靈敏度值說明串接電阻Δr與ΔIGIC為正比例關系，負的靈敏度值則說明串接電阻Δr與ΔIGIC為反比例關系，靈敏度值的大小反映了Δr對ΔIGIC影響的效果。得到靈敏度矩陣后，可求取滿足約束條件的串接電阻值ri(i=1，2，…，n)，整個過程是一個循環(huán)迭代的過程，具體流程如圖2所示。

圖2 變壓器中性點串接電阻優(yōu)化框圖

每次迭代都先搜索地磁感應電流IGIC超標最嚴重的支路，并進行靈敏度分析。若該支路電流為正，則在其靈敏度矩陣中尋找最小值并修正相應支路的接地阻抗值;若該支路電流為負，則在其靈敏度矩陣中尋找最大值并修正相應支路的接地阻抗值(步長為0.001 Ω)，進而計算出新的GIC，并判斷其是否超出安全限值。不超標則輸出結果，超標則繼續(xù)回代校驗，直至所有GIC都不超標。由此可見，每次減小超標電流均是通過改變對其最靈敏的支路接地電阻實現(xiàn)的。

3 算例驗證

以黑龍江省2011年末500 kV規(guī)劃電網(wǎng)為例，利用平面波法和網(wǎng)絡常數(shù)，計算了在中等強度地磁暴作用下黑龍江省500 kV各個變電站的GIC值，并利用Matlab軟件仿真驗證基于靈敏度分析法的中性點串接電阻優(yōu)化措施，得出的優(yōu)化方案如表1所示。

表1 變壓器中性點串接電阻的優(yōu)化方案

由表1可以看出，采用基于削弱GIC的中性點串接電阻措施進行治理，能夠達到理想的效果。在某個變電站中安裝治理裝置，必然會引起電網(wǎng)中其它變電站GIC水平的變化。雖然大慶、方正、七臺河等變電站的GIC絕對值有所升高，但所有變電站的地磁感應電流GIC都在安全限值內，符合運行的要求。同時也說明基于靈敏度分析法的優(yōu)化措施是可行的，可以解決優(yōu)化變壓器中性點電阻安裝位置的問題。

在實際電網(wǎng)中，變壓器中性點串接電阻會改變交流電網(wǎng)的零序結構和參數(shù)，影響相關的保護整定。因此，從電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行的角度出發(fā)，理想的治理措施應是通過安裝GIC檢測裝置檢測GIC值的大小。當無GIC或GIC在安全限值內時，串接的電阻ri不投入運行;當GIC大于安全限值時，將電阻ri投入運行。

4 結論

上述電網(wǎng)GIC優(yōu)化治理結果表明，對變壓器中性點安裝串接電阻位置的優(yōu)化采用靈敏度分析法完全能夠達到理想的效果，可以解決對電網(wǎng)GIC優(yōu)化治理的問題。靈敏度分析法也可作為隔離措施的輔助分析手段，用于解決變壓器中性點安裝電容器位置的優(yōu)化問題，以達到治理電網(wǎng)GIC的目的。

［1］劉連光，劉宗歧，張建華.地磁感應電流對我國電網(wǎng)影響的初步分析［J］.中國電力，2004，37(11):10 －13.

［2］康凱龍.復雜電網(wǎng)GIC治理措施及方案優(yōu)化研究［D］.北京:華北電力大學，2010.

［3］Kappenman J G，Norr S R，Sweezy G A.GIC Mitigation:A Neutral Blocking/Bypass Device to Prevent the Flow of GIC in Power System［J］.IEEE Transaction on Power Delivery，1991，6(3):1271－1283.

［4］王艷艷.大規(guī)模電網(wǎng)GIC治理方法和技術的研究［D］.北京:華北電力大學，2009.

［5］劉春明.中低緯電網(wǎng)地磁感應電流及其評估方法研究［D］.北京:華北電力大學，2009.

［6］馬玉龍，肖湘寧，姜旭，等.用于抑制大型電力變壓器直流偏磁的接地電阻優(yōu)化配置［J］.電網(wǎng)技術，2006，30(3):62 －65.

［7］劉小滿，聶宏展.黑龍江500 kV電網(wǎng)GIC水平評估［J］.黑龍江電力，2011(5):333 －336.

Bettering management of electric network GIC based on sensitivity analysis

LIU Xiaoman1，YIN Jiafeng2，WANG Yan2，NIE Hongzhan1
(1.Northeast Dianli University，Jilin 132012，China;2.Shanxi Jincheng Power Supply Company，Jincheng 048000，China)

Since GIC potentially threats the safe and stable running of electric network，this paper expounds the GIC mode，proposes sensitivity analysis and optimizes non－slip point resistor in series by sensitivity analysis with the target of normal substation grounding current in the whole grid，and presents the GIC optimization of planned 500 kV network in Heilongjiang at the end of 2011，of which the effectiveness and feasibility is proved.

GIC(geomagnetic induced current);management apparatus;sensitivity analysis;bettering management

TM714.3

A

1002－1663(2012)02－0110－03

2011－11－03

劉小滿(1984－)，女，東北電力大學在讀研究生，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定、仿真與分析。

(責任編輯 侯世春)