時(shí) 慶， 朱亮亮

（1.葛洲壩中科儲(chǔ)能技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430040；2.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)裝備工業(yè)有限公司，湖北 武漢 430040）

0 引言

隨著用電負(fù)荷的大幅增長(zhǎng)以及發(fā)電機(jī)組容量的增加，電網(wǎng)規(guī)模明顯提升，導(dǎo)致系統(tǒng)母線短路電流水平不斷提升，短路電流控制是電源、負(fù)荷密集電網(wǎng)面臨的共性問(wèn)題[1-3]。短路電流的不斷增加，可能導(dǎo)致斷路器的開(kāi)斷能力不足而不能有效切除故障，致使故障擴(kuò)大，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定造成威脅。當(dāng)電網(wǎng)短路電流問(wèn)題較嚴(yán)重時(shí)，可考慮變電站母線分列運(yùn)行、電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)等線路投切技術(shù)抑制短路電流，避免故障擴(kuò)大，提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平[4-5]。

基于動(dòng)態(tài)分區(qū)技術(shù)的短路電流抑制方法，是從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，當(dāng)電網(wǎng)中存在母線短路電流超標(biāo)時(shí)，投切部分線路，從而動(dòng)態(tài)調(diào)整現(xiàn)有的電網(wǎng)分區(qū)結(jié)構(gòu)，以解決短路電流問(wèn)題。動(dòng)態(tài)分區(qū)技術(shù)包括2 種，一是變電站母線分列，二是電磁環(huán)網(wǎng)的解合環(huán)[6-7]。本文所提的短路電流綜合評(píng)估和抑制策略，能夠快速、準(zhǔn)確地針對(duì)短路電流超標(biāo)問(wèn)題，協(xié)調(diào)考慮經(jīng)濟(jì)性和安全性等目標(biāo)，確定可選的動(dòng)態(tài)分區(qū)調(diào)整方案空間并對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)搜索，為調(diào)度運(yùn)行人員提供與運(yùn)行方式相適應(yīng)的動(dòng)態(tài)分區(qū)方案，減輕調(diào)度人員的負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 動(dòng)態(tài)分區(qū)方案評(píng)價(jià)模型

1.1 動(dòng)態(tài)分區(qū)方案量化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

針對(duì)短路電流問(wèn)題給出的多種動(dòng)態(tài)分區(qū)方案集合，需要采取合理的評(píng)價(jià)模型對(duì)各方案的有效性進(jìn)行評(píng)估，以確定最優(yōu)的分區(qū)方案。本文從安全性和可靠性兩方面著手，構(gòu)建了包含多個(gè)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的層次體系，具體指標(biāo)分類(lèi)見(jiàn)表1。

a） 線路負(fù)載率rL。線路負(fù)載率rL的計(jì)算公式如下

式中：λpl，i為線路i的過(guò)載安全裕度；nl為線路條數(shù)。

表1 動(dòng)態(tài)分區(qū)方案綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

b） 變壓器負(fù)載率rT。變壓器負(fù)載率rT的計(jì)算公式如下

式中：λpt，i為變壓器i的過(guò)載安全裕度；nt為變壓器個(gè)數(shù)。

c） 節(jié)點(diǎn)電壓水平xU。節(jié)點(diǎn)電壓水平xU的計(jì)算公式如下

式中：λu，i為母線i的電壓安全裕度；nu為母線數(shù)量。

d） 短路電流水平xI。短路電流水平xI的計(jì)算公式如下

式中：nsc為短路故障數(shù)；Ii，sc為第i個(gè)短路故障下的短路電流大?。籌i，sc，lim為對(duì)應(yīng)的斷路器遮斷容量。

e） 旋轉(zhuǎn)備用xre。旋轉(zhuǎn)備用xre的計(jì)算公式如下

式中：PSR為旋轉(zhuǎn)備用容量；PSR，lim為旋轉(zhuǎn)備用容量的最低限值。

f） 系統(tǒng)網(wǎng)損Sloss。當(dāng)僅考慮有功網(wǎng)損時(shí)，可表示為

式中：PG為系統(tǒng)發(fā)電功率；PL為系統(tǒng)負(fù)荷功率。

1.2 動(dòng)態(tài)分區(qū)方案綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

針對(duì)上節(jié)中給出的安全性和可靠性指標(biāo)，首先需要確定系統(tǒng)對(duì)于安全性和可靠性的重視程度，即兩者的權(quán)重。其次，需要確定2 個(gè)類(lèi)別下面的二級(jí)指標(biāo)權(quán)重，本文中的權(quán)重值根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)法獲取。根據(jù)兩級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，逐級(jí)向上加權(quán)，可得到動(dòng)態(tài)分區(qū)方案的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法可表示為

式中：α、β 分別為安全性和可靠性的權(quán)重；m、n分別為兩類(lèi)二級(jí)指標(biāo)的個(gè)數(shù)；wsi、wrj為二級(jí)指標(biāo)權(quán)重；xi、yi為二級(jí)指標(biāo)值。

上述指標(biāo)均為極小型指標(biāo)，即指標(biāo)值越小表明系統(tǒng)越穩(wěn)定。因此，式（7）中所得的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)越小，則動(dòng)態(tài)分區(qū)方案效果越好。

2 動(dòng)態(tài)分區(qū)方案評(píng)估方法

2.1 動(dòng)態(tài)分區(qū)啟動(dòng)判據(jù)

短路電流主要通過(guò)短路前瞬間短路點(diǎn)節(jié)點(diǎn)電壓與短路點(diǎn)自阻抗的比值計(jì)算，公式如下

式中：ηI為短路電流計(jì)算點(diǎn)的安全裕度；為短路電流計(jì)算點(diǎn)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)自阻抗值；為短路電流計(jì)算點(diǎn)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)阻抗安全閥值。ηI越大，表示短路電流計(jì)算點(diǎn)面臨的短路電流超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)越低。

當(dāng)短路電流計(jì)算點(diǎn)的阻抗小于根據(jù)電網(wǎng)短路器遮斷容量設(shè)置的阻抗臨界值時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)存在短路電流水平超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)當(dāng)采取措施，降低短路電流超標(biāo)點(diǎn)的短路電流水平。

根據(jù)上文中定義的安全裕度公式，ηI＜0 時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入緊急狀態(tài)，此時(shí)啟動(dòng)動(dòng)態(tài)分區(qū)。

2.2 可選方案空間

導(dǎo)致電網(wǎng)短路電流水平增大的主要原因是受端系統(tǒng)各站點(diǎn)距離電源電氣距離縮短，區(qū)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系日益緊密。從動(dòng)態(tài)分區(qū)技術(shù)的角度解決短路電流問(wèn)題，可選方案空間的選擇需遵循以下原則：適用于電網(wǎng)規(guī)劃階段的短路電流限制措施，如增加或升級(jí)一次設(shè)備等不歸入可選方案空間；可選方案包括控制電網(wǎng)中可拉停的線路，實(shí)現(xiàn)電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)，電網(wǎng)分層分區(qū)；方案實(shí)行后，應(yīng)不降低電網(wǎng)供電的可靠性。

2.3 評(píng)估方法流程

利用動(dòng)態(tài)分區(qū)技術(shù)解決短路電流問(wèn)題的主要流程如下。第一步：每個(gè)計(jì)算周期根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、模型和參數(shù)等信息在線計(jì)算地區(qū)電網(wǎng)中母線短路電流，如果存在母線短路電流超標(biāo)，則啟動(dòng)動(dòng)態(tài)分區(qū)輔助決策計(jì)算。第二步：將需要考察的短路電流超標(biāo)母線加入考察集中。第三步：根據(jù)考察集確定動(dòng)態(tài)分區(qū)可選方案空間，方案解開(kāi)的線路條數(shù)為i=1。第四步：分別針對(duì)可選方案空間中各方案，若其實(shí)施后均會(huì)引發(fā)新的短路電流越限，進(jìn)入第五步；否則將該方案加至待校核方案集中，若待校核方案集為空，則進(jìn)入第五步；否則進(jìn)入第六步。第五步：如i＜n，令i=i+1，重新確定可選方案空間，進(jìn)入第四步；否則結(jié)束計(jì)算。第六步：針對(duì)待校核方案集中各個(gè)方案，如考察集中所有母線均滿足ηI≥0，將方案加入可行方案集中，進(jìn)入第八步；否則進(jìn)入第七步。第七步：采取其他措施進(jìn)行協(xié)調(diào)，以消除短路電流超標(biāo)問(wèn)題，將所得方案加入可行方案集中。第八步：利用量化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)可行方案集中的各方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，選取最優(yōu)方案。

3 算例分析

隨著750 kV 網(wǎng)架的延伸和電源的投運(yùn)，新疆電網(wǎng)規(guī)模和裝機(jī)容量得到明顯提升，電氣聯(lián)系趨于緊密，母線短路電流不斷上升，部分廠站短路電流已接近甚至超過(guò)額定開(kāi)斷電流，影響到電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。本算例以新疆電網(wǎng)烏昌地區(qū)為例，利用所提的動(dòng)態(tài)分區(qū)理論解決烏昌電網(wǎng)的短路電流問(wèn)題，并通過(guò)綜合評(píng)估方法評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)分區(qū)方案的安全性。

3.1 烏昌城網(wǎng)短路電流來(lái)源分析

利用基于轉(zhuǎn)移阻抗的短路電流分析方法，選取烏昌地區(qū)短路電流控制難度較大的750 kV 站點(diǎn)，分析向其提供短路電流的主要電源點(diǎn)。烏昌地區(qū)短路電流問(wèn)題嚴(yán)重站點(diǎn)主要為750 kV 鳳凰變和烏北變，表2 為750 kV 鳳凰變和烏北變220 kV 母線三相短路時(shí)的短路電流來(lái)源。

從站點(diǎn)短路電流來(lái)源的絕對(duì)量大小來(lái)看，紅二電、神華米東電、魯康電、鋁業(yè)電對(duì)750 kV 烏北變220 kV 母線短路電流影響較大，瑪電三期、瑪電、嘉潤(rùn)電對(duì)750 kV 鳳凰變220 kV 母線短路電流影響較大。

表3 新疆電網(wǎng)烏昌地區(qū)220 kV 短路電流超標(biāo)母線

3.2 烏昌城網(wǎng)分層分區(qū)方案

烏昌城網(wǎng)750/220 kV 環(huán)網(wǎng)合環(huán)運(yùn)行方式下，部分220 kV 母線短路電流超標(biāo)（見(jiàn)表3）。為有效解決烏昌城網(wǎng)短路電流問(wèn)題，本算例主要考慮母線分列和環(huán)網(wǎng)解環(huán)兩種措施。根據(jù)新疆電網(wǎng)運(yùn)行方式，烏昌城網(wǎng)母線分列和環(huán)網(wǎng)解環(huán)重點(diǎn)考慮以下幾種備選方案。

a） 750/220 kV 鳳烏、鳳亞電磁環(huán)網(wǎng)。

方式一：瑪電3 臺(tái)機(jī)發(fā)電全部送鳳凰。瑪電三期母線分列運(yùn)行，瑪樂(lè)三回線充電備用，瑪電3 臺(tái)機(jī)組通過(guò)馬三聯(lián)絡(luò)線、瑪石東線、瑪石西線送鳳凰。

方式二：瑪電3 臺(tái)機(jī)發(fā)電部分送鳳凰，部分送城網(wǎng)。瑪電三期母線分列運(yùn)行，瑪三聯(lián)絡(luò)線充電備用，瑪電3 臺(tái)機(jī)組發(fā)電通過(guò)瑪石東線、瑪石西線送鳳凰，通過(guò)瑪樂(lè)三回線送城網(wǎng)。

方式三：瑪電3 臺(tái)機(jī)發(fā)電全部送城網(wǎng)?，旊娙谀妇€分列運(yùn)行，瑪三聯(lián)絡(luò)線、瑪石東線、瑪石西線充電備用，瑪電3 臺(tái)機(jī)組發(fā)電通過(guò)瑪樂(lè)三回線送城網(wǎng)。

b） 750/220 kV 烏亞電磁環(huán)網(wǎng)。

方式一：烏北220 kV 母線分列運(yùn)行。

方式二：烏北220 kV 母線分列運(yùn)行，220 kV米泉變分列運(yùn)行（220 kV 米寧線、米宮線、米石雙線、1 號(hào)主變?cè)谝欢文妇€上，220 kV 葦米線、烏米線、2 號(hào)主變?cè)诹硪欢文妇€上）。

方式三：烏北220 kV 母線分列運(yùn)行，220 kV米泉變分列運(yùn)行，220 kV 紅八線斷開(kāi)，220 kV 紅二電分列運(yùn)行（220 kV 二宮、二祁在一段母線上，220 kV 二八線、二化線在另一段母線上）。

綜合上述方式組合，共有9 種可選動(dòng)態(tài)分區(qū)方案。具體方案如表4 所示。

表4 烏昌城網(wǎng)9 種動(dòng)態(tài)分區(qū)方案

上述各方案實(shí)施后，米泉、化工園母線短路電流超標(biāo)問(wèn)題均可得到解決，且未引發(fā)新的母線短路電流超標(biāo)問(wèn)題。部分方案未能解決烏北、鳳凰220 kV 母線短路電流問(wèn)題，結(jié)果如表5 所示。

由表5 可知：鳳凰變220 kV 母線短路電流主要受鳳烏、鳳亞環(huán)網(wǎng)解環(huán)方式影響，瑪電3 臺(tái)機(jī)發(fā)電部分送鳳凰、部分送城網(wǎng)時(shí)，鳳凰母線短路電流值較大，瑪電3 臺(tái)機(jī)發(fā)電全部送城網(wǎng)時(shí)，鳳凰母線短路電流值較??；烏北變220 kV 母線短路電流主要受烏亞環(huán)網(wǎng)解環(huán)方式影響，烏亞環(huán)網(wǎng)完全解環(huán)時(shí)，對(duì)烏北短路電流抑制效果最好。

根據(jù)表5 中所示的短路電流計(jì)算結(jié)果，僅方案2、3、8、9 可解決烏昌城網(wǎng)全部220 kV 母線短路電流的超標(biāo)問(wèn)題，因此將該4 種方案加入到動(dòng)態(tài)分區(qū)可選方案空間中。下面將從電網(wǎng)供電可靠性、安全性等方面評(píng)估上述4 種方案的優(yōu)劣。

表5 各動(dòng)態(tài)分區(qū)方案實(shí)施后短路電流水平

3.2.1 線路負(fù)載率rL

本算例選擇烏昌地區(qū)線路負(fù)載率較高的5 條線路作為考察對(duì)象，分別為烏北—龍崗雙回線、烏北—泰恒、泰恒—魯康、瑤池—魯康，以分區(qū)方案2 為例，方案實(shí)施后各線路負(fù)載率見(jiàn)表6。

表6 線路負(fù)載率指標(biāo)

計(jì)算得該方案下線路負(fù)載率指標(biāo)值為0.789。

3.2.2 變壓器負(fù)載率rT

本算例選擇烏昌地區(qū)負(fù)載率較高的5 臺(tái)主變作為考察對(duì)象，分別為龍崗、昌吉、三宮、瑤池、長(zhǎng)寧，以分區(qū)方案2 為例，方案實(shí)施后各主變負(fù)載率見(jiàn)表7。

表7 主變負(fù)載率指標(biāo)

計(jì)算得該方案下變壓器負(fù)載率指標(biāo)值為0.744。

3.2.3 節(jié)點(diǎn)電壓水平xU

本算例選擇烏昌地區(qū)220 kV 線路5 個(gè)重要節(jié)點(diǎn)作為考察對(duì)象，分別為龍崗、米泉、石河子?xùn)|、石河子西、祁家溝，以分區(qū)方案2 為例，方案實(shí)施后各節(jié)點(diǎn)電壓見(jiàn)表8。

表8 節(jié)點(diǎn)電壓水平指標(biāo)

計(jì)算得該方案下節(jié)點(diǎn)電壓水平指標(biāo)值為0.556。

3.2.4 短路電流水平xI

本算例選擇烏昌地區(qū)4 個(gè)短路電流問(wèn)題較為嚴(yán)重的母線作為考察對(duì)象，分別為烏北、鳳凰、米泉、化工園，以分區(qū)方案2 為例，方案實(shí)施后各母線短路電流水平見(jiàn)表9。

表9 母線短路電流水平指標(biāo)

計(jì)算得該方案下短路電流水平指標(biāo)為0.848。

考慮到當(dāng)前狀態(tài)下應(yīng)以解決電網(wǎng)短路電流問(wèn)題為首要目標(biāo)，安全性、可靠性指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重集W= [1，0]，安全性指標(biāo)的權(quán)重集為[0.2，0.2，0.3，0.3]，各指標(biāo)均為極小型指標(biāo)，即指標(biāo)的值越小，系統(tǒng)性能越好，根據(jù)權(quán)重集計(jì)算得各方案的綜合性能指標(biāo)值見(jiàn)表10。

表10 各動(dòng)態(tài)分區(qū)方案綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值越小，則該分區(qū)方案的性能越好。由表10 可知，分區(qū)方案9 最優(yōu)，即瑪電3 臺(tái)機(jī)發(fā)電全部送城網(wǎng)，同時(shí)將烏北、米泉及紅二電220 kV 母線分列，斷開(kāi)紅八線。該方案既能解決烏昌地區(qū)的短路電流超標(biāo)問(wèn)題，又能保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出利用改變電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分區(qū)技術(shù)來(lái)解決電網(wǎng)中母線短路電流超標(biāo)問(wèn)題，并通過(guò)綜合評(píng)估方法評(píng)價(jià)各分區(qū)方案的優(yōu)劣。以新疆電網(wǎng)為例，利用動(dòng)態(tài)分區(qū)技術(shù)解決烏昌城網(wǎng)部分母線短路電流超標(biāo)問(wèn)題，結(jié)果表明，選擇烏昌地區(qū)瑪電3 臺(tái)機(jī)發(fā)電全部送城網(wǎng)，同時(shí)將烏北、米泉及紅二電220 kV 母線分列，斷開(kāi)紅八線方案時(shí)，既能有效解決短路電流超標(biāo)問(wèn)題，又能保障地區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。