趙　瑞，張?jiān)亳Y，王　衛(wèi)，彭　龍，潘　艷，郭秋婷

(1.國(guó)網(wǎng)北京市電力公司，北京　100220；2.南京南瑞集團(tuán)公司北京監(jiān)控技術(shù)中心，北京　100220)

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分區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)受電極限的影響分析

趙瑞1，張?jiān)亳Y1，王衛(wèi)1，彭龍2，潘艷2，郭秋婷2

(1.國(guó)網(wǎng)北京市電力公司，北京100220；2.南京南瑞集團(tuán)公司北京監(jiān)控技術(shù)中心，北京100220)

摘要：受端電網(wǎng)不同分區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)其受限方式影響較大。比較了分區(qū)的兩種受限方式熱穩(wěn)定極限和靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限，得到了受限方式隨分區(qū)結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。結(jié)合實(shí)際分區(qū)電網(wǎng)的特點(diǎn)，對(duì)分區(qū)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，采用阻抗模指標(biāo)計(jì)算出靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限，與分區(qū)變壓器制約下的熱穩(wěn)極限對(duì)比得出分區(qū)受限方式，分析了線路長(zhǎng)度、變電站容量、負(fù)荷功率因數(shù)和分區(qū)內(nèi)部電源接入情況對(duì)受限方式的影響。根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)仿真驗(yàn)證了分析過程和規(guī)律的正確性，可為電網(wǎng)分區(qū)規(guī)劃運(yùn)行提供一定的技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：靜態(tài)電壓穩(wěn)定；受電極限；分區(qū)電網(wǎng)；熱穩(wěn)定極限

Abstract：The different district structures of receiving-end grid have a great influence on its constrained modes. The thermal stability limit and static voltage stability limit of two constrained modes are compared, and the variation of constrained modes along with the district structures is obtained. Combined with the characteristics of an actual district grid, the district grid is simplified reasonably. The static voltage stability limit is calculated using impedance module indicator, and then is compared with the thermal stability limit controlled by district transformer to get the constrained modes. The influences of line length, substation capacity, load power factor and district internal power supply access on the constrained modes are analyzed. Based on the simulation of an actual power grid, the correctness of analysis process and rules is verified, which can provide a technical reference for the district planning of grid operation.

Key words：static voltage stability; power-receiving limit; district grid; thermal stability limit

0引言

分層分區(qū)運(yùn)行方式下的大型受端電網(wǎng)中, 電壓穩(wěn)定將成為限制電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素，同時(shí)受電極限也受分區(qū)變壓器熱穩(wěn)制約[1-3]。研究分區(qū)電網(wǎng)不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下受限方式，有針對(duì)性制定措施對(duì)提高受電極限有實(shí)際意義。

熱穩(wěn)定主要考慮變壓器N-1后決定分區(qū)受電極限，不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在分區(qū)變壓器臺(tái)數(shù)和功率分配上。靜態(tài)電壓穩(wěn)定限制下的分區(qū)受電極限影響因素較多，目前電網(wǎng)多采用分層分區(qū)的運(yùn)行方式，分區(qū)內(nèi)部500 kV主網(wǎng)中的關(guān)鍵設(shè)備、輸送通道或者分區(qū)內(nèi)大電源停運(yùn)都將給相關(guān)220 kV分區(qū)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性帶來較大程度的威脅[4-5]。目前電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問題的研究方法主要有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析方法，動(dòng)態(tài)分析結(jié)果較為精確，但計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)[6-7]。靜態(tài)穩(wěn)定分析方法計(jì)算量小，在一定程度上能夠較好地反映系統(tǒng)的電壓水平，因此得到廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[8-9]總結(jié)各種靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標(biāo)的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，文獻(xiàn)[10]研究了不同模型對(duì)靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度的影響。考慮到實(shí)際電網(wǎng)，文獻(xiàn)[11]結(jié)合不同分區(qū)電網(wǎng)的特點(diǎn)，仿真分析了影響分區(qū)電壓穩(wěn)定極限的各個(gè)因素，但其并沒有分析電網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)電壓穩(wěn)定極限的影響。綜上所述，如何結(jié)合實(shí)際電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，合理地建立分區(qū)模型，分析影響分區(qū)受電極限的關(guān)鍵因素具有實(shí)際意義。

通過對(duì)實(shí)際電網(wǎng)分析，考慮主要元件對(duì)分區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，運(yùn)用阻抗模指標(biāo)求解靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限，并結(jié)合分區(qū)熱穩(wěn)定，給出不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下分區(qū)受限方式，并給出了受限方式與分區(qū)主變數(shù)量之間的變化規(guī)律，可為電網(wǎng)分區(qū)規(guī)劃運(yùn)行提供一定的技術(shù)參考。

1電壓穩(wěn)定極限理論計(jì)算方法

系統(tǒng)的等值模型如圖1所示，設(shè)網(wǎng)絡(luò)等值阻抗為ZS=ZS∠β-R+jX，負(fù)荷阻抗為ZL=ZL∠θ。

圖1　系統(tǒng)等值圖

則負(fù)荷功率為

式中：VS為電源電壓；θ為給定負(fù)荷功率因數(shù)。負(fù)荷吸收最大功率時(shí)滿足

(1)

求解為

ZL=ZS

(2)

通過式(2)可知，當(dāng)負(fù)荷阻抗和線路阻抗模值相等時(shí)，負(fù)荷吸收功率達(dá)到極限。此時(shí)功率最大值為

(3)

若忽略線路電阻，系統(tǒng)側(cè)電壓取1，則

(4)

2分區(qū)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定極限計(jì)算

2.1分區(qū)模型建立

分區(qū)電網(wǎng)由500kV變電站、分區(qū)內(nèi)部電源和分區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)組成，如何將復(fù)雜的分區(qū)網(wǎng)絡(luò)合理簡(jiǎn)化對(duì)于分區(qū)靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限的分析計(jì)算起關(guān)鍵作用。

這里建立了分區(qū)模型，如圖2所示。一個(gè)500kV變電站經(jīng)過220kV線路與分區(qū)內(nèi)部電源經(jīng)過220kV線路并聯(lián)，再通過220kV/110kV變壓器與負(fù)荷相連。

圖2　系統(tǒng)模型

上述系統(tǒng)等值的電路如圖3所示，圖中VS1和VS2分別為分區(qū)外系統(tǒng)等值電源的電壓和分區(qū)內(nèi)電源機(jī)端等值電壓，取幅值為1，則兩處電源等效合并在一起，如圖4所示。

圖3　等值電路模型

圖4　等值電路模型

圖中：XS為500 kV變壓器外部系統(tǒng)等值電抗；XT為分區(qū)變壓器等值電抗，取值為分區(qū)所有500 kV變壓器的并聯(lián)電抗；XTL為負(fù)荷側(cè)220 kV/110 kV等值變壓器電抗；XL1為500 kV變壓器到負(fù)荷側(cè)220 kV變壓器之間線路等值電抗，負(fù)荷一般通過2～3段線路與500 kV變壓器低壓側(cè)相連，選取線路長(zhǎng)度的平均值的2倍作為其等效距離；XL2為分區(qū)內(nèi)電源到負(fù)荷側(cè)220 kV變壓器線路等值電抗。與分區(qū)變壓器相比，分區(qū)內(nèi)部電源和負(fù)荷之間的距離較近，且通常一個(gè)電源功率輸送給周邊多個(gè)負(fù)荷，因此其等效的電氣距離較短，選取其等效距離為XL1的1/2，TTG為分區(qū)內(nèi)電源升壓變壓器等值電抗，根據(jù)分區(qū)內(nèi)電源容量確定。

設(shè)分區(qū)發(fā)電量為SG，負(fù)荷為PL，忽略損耗，以變壓器N-1后變壓器滿載時(shí)的負(fù)荷量確定220 kV/110 kV變壓器容量時(shí)有

PL=SG+(N-1)SN

(5)

因此圖中各參數(shù)為

XL1=XL×L1

XL2=XL×L2

(6)

X=(XS+XT+XL1)//(XTG+XL2)+XTL

(7)

因此可得負(fù)荷極限為

(8)

2.2模型驗(yàn)證

選取北京電網(wǎng)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，北京電網(wǎng)包括6個(gè)分區(qū)，分區(qū)變壓器臺(tái)數(shù)3～6臺(tái)，負(fù)荷功率因數(shù)0.98，仿真選擇負(fù)荷按固定功率因數(shù)增長(zhǎng)方式，負(fù)荷為恒功率模型。取電網(wǎng)典型參數(shù)SB=1 000 MVA，UB=525 kV ，系統(tǒng)側(cè)短路電流IS=50 kA，因此可得XS=0.02。500 kV變壓器、分區(qū)內(nèi)部電源升壓變壓器選擇Uk%=0.15，負(fù)荷側(cè)變壓器的Uk%=0.12，XL=0.006 p.u./km，負(fù)荷側(cè)變壓器容量Sn=300 MVA，每條線路熱穩(wěn)極限為300 MW，北京電網(wǎng)線路平均長(zhǎng)度10 km，L1取20 km，L2取10 km，因此可根據(jù)不同分區(qū)發(fā)電量和負(fù)荷量計(jì)算靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限。計(jì)算朝順通分區(qū)正常方式下、安興分區(qū)在興都1號(hào)變壓器檢修方式下、昌城分區(qū)海淀2號(hào)變壓器檢修方式下、通安分區(qū)新通2號(hào)變壓器檢修方式下和興房門分區(qū)門頭2號(hào)變壓器檢修方式下的靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限，理論計(jì)算和仿真結(jié)果如表1所示。

由表1可知，理論模型和實(shí)際仿真間誤差在10%以內(nèi)，滿足工程計(jì)算的要求。此外，分區(qū)等值模型為單通道結(jié)構(gòu)，朝順通分區(qū)正常運(yùn)行方式下其結(jié)構(gòu)為3個(gè)變電站帶一片負(fù)荷區(qū)域，其誤差為1.3%，因此可知對(duì)于靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限計(jì)算而言，分區(qū)由多通道供電的結(jié)構(gòu)并不會(huì)增大等值模型的誤差。

表1　理論和仿真計(jì)算對(duì)比/MW

2.3電壓穩(wěn)定約束下的受電極限

通過上述模型可知，由電壓穩(wěn)定約束下的下網(wǎng)極限Pmax為

首先分析分區(qū)發(fā)電量對(duì)其影響，圖5為負(fù)荷極限和分區(qū)下網(wǎng)極限隨分區(qū)發(fā)電量的變化曲線。由圖中可知隨著分區(qū)發(fā)電量的增加負(fù)荷極限增加，但是下網(wǎng)極限卻隨之而降低，因此可知在其他網(wǎng)絡(luò)不變的情況下，分區(qū)電源的增多并不能增加分區(qū)的下網(wǎng)極限。

圖5　分區(qū)受電極限分析

3分區(qū)受限方式分析

分區(qū)受電極限同時(shí)受到變壓器容量制約，分區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷由500 kV 主變壓器和接入220 kV 分區(qū)電網(wǎng)的地方電源共同供電。分區(qū)電網(wǎng)受電極限取決于500 kV 變電站的配置情況、分區(qū)電網(wǎng)的電源容量、分區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。假設(shè)同一變電站只配置同類型的變壓器，分區(qū)受電極限考慮500 kV 主變壓器N-1 后其余主變壓器過載30%情況，則受變壓器容量制約下的受電極限為

P=1.3SN×(N-1)

(9)

式中：SN為500 kV變壓器容量；N為分區(qū)主變壓器臺(tái)數(shù)。在不同的變壓器臺(tái)數(shù)下計(jì)算靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限，與此臺(tái)數(shù)下的熱穩(wěn)極限對(duì)比，可以得出分區(qū)的受電的受限方式；考慮到不同線路長(zhǎng)度、變壓器容量、負(fù)荷功率因數(shù)和分區(qū)內(nèi)部電源接入容量影響因數(shù)，得到了不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下受限方式與變壓器臺(tái)數(shù)之間的關(guān)系。

3.1線路長(zhǎng)度對(duì)受電極限的影響

取變壓器容量1 200 MVA，功率因數(shù)為0.98，考慮線路不同長(zhǎng)度10 km、20 km、30 km、40 km，分區(qū)發(fā)電為0，根據(jù)上述公式計(jì)算出不同變壓器臺(tái)數(shù)下的熱穩(wěn)定極限和靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限，結(jié)果如表2所示。

表2　不同線路長(zhǎng)度下熱穩(wěn)和靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限

圖6　不同線路長(zhǎng)度下的受電極限

由表2和圖6可知，變壓器臺(tái)數(shù)增加、線路變短，等值阻抗都減少，下網(wǎng)極限增加。當(dāng)分區(qū)等值線路長(zhǎng)度為10 km時(shí)，分區(qū)變壓器臺(tái)數(shù)超過4臺(tái)，則分區(qū)受靜態(tài)電壓穩(wěn)定限制。線路長(zhǎng)度為20 km時(shí)，分區(qū)變壓器超過3臺(tái)，則分區(qū)受靜態(tài)電壓穩(wěn)定限制。線路長(zhǎng)度為30 km時(shí)，分區(qū)變壓器超過3臺(tái)，則分區(qū)受靜態(tài)電壓穩(wěn)定限制。線路長(zhǎng)度為40 km時(shí)，分區(qū)變壓器超過2臺(tái)，則分區(qū)受靜態(tài)電壓穩(wěn)定限制，若考慮串聯(lián)電抗器，可在相應(yīng)長(zhǎng)度中減去。

3.2變壓器容量對(duì)受電極限的影響

取線路長(zhǎng)度20 km，功率因數(shù)為0.98，考慮變壓器容量750 MVA、1 000 MVA、1 200 MVA，分區(qū)發(fā)電量設(shè)為0，得到不同變壓器容量下分區(qū)受限方式與變壓器臺(tái)數(shù)之間的關(guān)系。

表3　750 MVA下受限方式對(duì)比

表4　1 000 MVA受限方式對(duì)比

表5　受限方式變化的臨界變壓器臺(tái)數(shù)

由表3～表5可知，隨著變壓器容量的增加，出現(xiàn)靜態(tài)電壓穩(wěn)定問題對(duì)應(yīng)的變壓器臺(tái)數(shù)下降。變壓器容量為750 MVA時(shí)，變壓器臺(tái)數(shù)多于6臺(tái)時(shí)，分區(qū)受限方式為電壓穩(wěn)定。變壓器容量為1 000 MVA時(shí)，變壓器臺(tái)數(shù)多于4臺(tái)時(shí)，分區(qū)受限方式為電壓穩(wěn)定，容量為1 200 MVA時(shí)，分區(qū)變壓器臺(tái)數(shù)多于3臺(tái)時(shí)，分區(qū)受限方式為電壓穩(wěn)定。

3.3負(fù)荷功率因數(shù)對(duì)受電極限的影響

線路長(zhǎng)度20 km，變壓器容量為1 200 MVA，分別取負(fù)荷功率因數(shù)為0.97、0.95、0.9和0.8，分區(qū)發(fā)電量設(shè)為0，計(jì)算熱穩(wěn)極限和靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限結(jié)果如表6所示。圖7為兩種極限隨變壓器臺(tái)數(shù)變化的對(duì)比圖。

表6　不同功率因數(shù)下熱穩(wěn)極限和靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限

如圖7可知，功率因數(shù)為0.97時(shí)，變壓器超過3臺(tái)，則受限方式為電壓穩(wěn)定。當(dāng)功率因數(shù)為0.95時(shí)，變壓器臺(tái)數(shù)超過2臺(tái)則存在電壓穩(wěn)定問題。當(dāng)功率因數(shù)低于0.95時(shí)，則分區(qū)由靜態(tài)電壓穩(wěn)定制約。

圖7　不同功率因數(shù)下受限方式對(duì)比

3.4分區(qū)內(nèi)電源對(duì)受電極限的影響

一般分區(qū)內(nèi)都存在電源以提供無功支撐，計(jì)算了分區(qū)電源不同接入容量下，分區(qū)的熱穩(wěn)極限和靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限。對(duì)比得出了分區(qū)內(nèi)不同發(fā)電量下受限方式和變壓器臺(tái)數(shù)之間的規(guī)律，如表7所示。

表7　不同分區(qū)發(fā)電量下的熱穩(wěn)極限和電壓極限對(duì)比

表8　受限方式變化的臨界變壓器臺(tái)數(shù)

注：變壓器容量1 200 MVA

表8為受限方式變化的臨界變壓器臺(tái)數(shù)。從表8可知，分區(qū)電源增加可以改善由靜態(tài)電壓穩(wěn)定導(dǎo)致受電限制問題。此外，對(duì)于目前的受端電網(wǎng)負(fù)荷不斷增加，同時(shí)迫于環(huán)境的壓力需要減少分區(qū)內(nèi)發(fā)電，則相應(yīng)也需調(diào)整降低分區(qū)變壓器臺(tái)數(shù)，避免出現(xiàn)電壓穩(wěn)定問題。

4結(jié)論

對(duì)典型受端電網(wǎng)分區(qū)進(jìn)行了建模，從理論上分析網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)分區(qū)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響；在此基礎(chǔ)上分析其與熱穩(wěn)定之間的關(guān)系，從而得出了分區(qū)電網(wǎng)受限方式與變壓器臺(tái)數(shù)之間的變化規(guī)律：變壓器臺(tái)數(shù)較低時(shí)分區(qū)受電受熱穩(wěn)制約，臺(tái)數(shù)較高時(shí)受靜態(tài)電壓穩(wěn)定制約，對(duì)于不同的分區(qū)情況，對(duì)應(yīng)的變壓器臨界臺(tái)數(shù)不同。針對(duì)北京電網(wǎng)各分區(qū)發(fā)電量0～2 500 MW情況，確定其分區(qū)受限方式變化對(duì)應(yīng)的變壓器臺(tái)數(shù)在4～7臺(tái)之間，高于上述臺(tái)數(shù)分區(qū)受電極限受靜態(tài)電壓穩(wěn)定制約，低于上述臺(tái)數(shù)分區(qū)受電極限則由變壓器熱穩(wěn)定制約。針對(duì)具有不同結(jié)構(gòu)特性的電網(wǎng)，上述變壓器臺(tái)數(shù)略有變化，應(yīng)視具體情況而定，但分析方法仍然適用。

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中圖分類號(hào)：TM71

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-6954(2016)02-0049-05

(收稿日期：2015-12-08)