王 冠，張青蕾，張思遠，何楷文，秦博宇，杜正春

(1.國網(wǎng)陜西省電力有限公司，陜西 西安 710048；2.西安交通大學電氣工程學院，陜西 西安 710049)

1 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展，大量先進生產(chǎn)設(shè)備投入使用，這些生產(chǎn)設(shè)備配置可編程邏輯控制器、變頻器等對電能質(zhì)量有很高要求的器件，屬于電網(wǎng)中的敏感負荷。電網(wǎng)中時有發(fā)生的電壓暫降會影響生產(chǎn)設(shè)備的正常工作，嚴重時可能直接導(dǎo)致設(shè)備損壞，給企業(yè)造成巨大經(jīng)濟損失[1]。電壓暫降給國內(nèi)的石化、冶金、半導(dǎo)體、制藥等行業(yè)造成了嚴重危害，年直接經(jīng)濟損失達到幾十億元[2，3]。企業(yè)為了保護生產(chǎn)設(shè)備的安全，減少經(jīng)濟損失，配置了大量低壓脫扣裝置，而大多低壓脫扣裝置參數(shù)設(shè)定不合理，在電網(wǎng)發(fā)生電壓暫降時可能會誤動作，引起生產(chǎn)設(shè)備失電，造成電網(wǎng)負荷損失[4]。例如2009年6月，廣東深圳電網(wǎng)110 kV象圍線發(fā)生三相短路故障，故障引起了深圳電網(wǎng)大范圍電壓暫降，導(dǎo)致約1 537 MW的負荷因低壓脫扣裝置動作而損失[5]；2012年5月，廣東東莞電網(wǎng)220 kV東黎甲線發(fā)生兩相接地短路故障，故障引起的電壓暫降造成低壓脫扣裝置動作，負荷損失達到東莞電網(wǎng)總負荷量的9.03%[6]。因此，在對電壓暫降進行評估[7]和治理[8]時，應(yīng)充分考慮低壓脫扣裝置的影響。

電壓暫降評估是研究減少負荷損失和治理電壓暫降的基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)外針對電壓暫降評估體系的研究已取得一定成果。文獻[9]對IEC、IEEE等國際組織給出的電壓暫降指標進行了比較，推薦使用統(tǒng)計指標、嚴重性指標、次數(shù)指標和經(jīng)濟損失指標這四種指標來評估電壓暫降水平；在此基礎(chǔ)上，文獻[10]利用蒙特卡洛模擬，分析了電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)調(diào)整前后的電壓暫降幅值和故障發(fā)生次數(shù)，能夠從電壓暫降幅值和頻次兩個指標評估電網(wǎng)中的母線，判別薄弱母線；文獻[11]提出了臨界故障點的定位方法，通過電壓暫降幅值與傳輸線故障距離的解析關(guān)系，能夠精確評估電壓暫降的影響范圍。

在電壓暫降的治理研究中，文獻[12]采用隨機預(yù)估的方法，對比敏感負荷在電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后接入系統(tǒng)的電壓暫降指標，驗證了分片多電源開環(huán)供電方式減少電壓暫降事件的有效性；文獻[13]采用故障點法，提出了考慮電網(wǎng)運行方式的電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)評價指標，能夠判斷發(fā)生短路故障造成大范圍電壓暫降的關(guān)鍵母線，為優(yōu)化電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。上述評估與治理手段主要從供電端評估電壓暫降的影響，并未深入研究負荷受電壓暫降的影響。

首先，本文將針對電網(wǎng)母線和線路發(fā)生的4種短路故障建立各類型電壓暫降矩陣。其次，依據(jù)低壓脫扣裝置的整定值，變換電壓暫降矩陣的元素，得出反映電壓暫降范圍和程度的凹陷域矩陣、反映電壓暫降對電網(wǎng)負荷影響程度的負荷矩陣。然后，通過對凹陷域矩陣和負荷矩陣內(nèi)行列信息的處理得到暫降頻次等指標，建立考慮負荷損失的電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)評價體系。最后，通過陜西省實際算例驗證電網(wǎng)結(jié)構(gòu)評價體系的準確性，并通過對比網(wǎng)架結(jié)構(gòu)調(diào)整前后電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)評價體系指標，驗證網(wǎng)架結(jié)構(gòu)調(diào)整方案的有效性。

2 負荷損失機理分析

低壓脫扣裝置的動作特性是決定電網(wǎng)負荷損失的關(guān)鍵。文獻[14，15]對上海磊躍、浙江阿爾斯通、浙江正泰、江蘇國星和江蘇凱帆五款市面上常用低壓脫扣裝置進行了電壓暫降試驗，總結(jié)出低壓脫扣裝置在電壓暫降過程中的動作特性如圖1所示。

圖1 低壓脫扣裝置動作特性Fig.1 Action characteristics of low voltage tripping device

圖1中，Uset為低壓脫扣裝置的電壓整定值；T1、T2分別為模糊區(qū)域與不動作區(qū)域、動作區(qū)域電壓暫降持續(xù)時間的邊界值。

在電壓暫降過程中，低壓脫扣裝置端的電壓若處于圖1中的動作區(qū)域，則低壓脫扣裝置一定動作；若處于圖1中的不動作區(qū)域，則低壓脫扣裝置一定不動作；若處于圖1中的模糊區(qū)域，則低壓脫扣裝置以一定概率動作。

因此，低壓脫扣裝置的電壓整定值直接決定低壓脫扣裝置的動作特性，當電壓暫降的幅值高于低壓脫扣裝置的電壓整定值時，低壓脫扣裝置不會動作，不造成負荷損失；當電壓暫降的幅值低于低壓脫扣裝置的電壓整定值時，低壓脫扣裝置動作，造成負荷損失。由于高電壓等級輸電線路(330 kV及以上)短路故障的故障切除時間在100 ms以內(nèi)，遠小于絕大部分低壓脫扣裝置的最小延遲時間1 s，所以分析輸電線路短路故障造成負荷損失時不需要考慮電壓暫降持續(xù)時間的影響。

電網(wǎng)的負荷損失事故之所以在國內(nèi)時有發(fā)生，是因為用戶大量配置了電壓整定值設(shè)定不合理的低壓脫扣裝置[16]。用戶因缺乏相應(yīng)的專業(yè)知識，設(shè)定的電壓整定值沒有考慮用電設(shè)備的實際電壓暫降耐受能力，往往設(shè)定低壓脫扣裝置的電壓整定值過高，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓稍有波動就會造成大量負荷損失，而現(xiàn)有的低壓脫扣裝置大多不具有自動恢復(fù)供電功能，需要人工手動操作，導(dǎo)致在電壓暫降過程結(jié)束后，本應(yīng)恢復(fù)用電的敏感負荷長時間失電。因此，在建立電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)評價體系時，需考慮低壓脫扣裝置的電壓整定值對負荷損失的影響。根據(jù)陜西電力用戶低壓脫扣裝置配置情況調(diào)研結(jié)果顯示，大多數(shù)用戶常用的浙江阿爾斯通、江蘇國星、上海磊躍的低壓脫扣裝置電壓整定值設(shè)定為0.8 pu、0.7 pu、0.6 pu、0.5 pu、0.4 pu五個檔位。

3 考慮負荷損失的電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)評價體系

建立考慮負荷損失的電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)評價體系，可以識別電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，判斷對敏感負荷影響程度大的關(guān)鍵線路和母線，有利于指導(dǎo)電網(wǎng)的規(guī)劃和改造。

首先，利用故障點法[17]，假設(shè)電網(wǎng)中的各個母線和線路分別發(fā)生4種短路故障，計算電網(wǎng)母線的電壓暫降幅值，建立反映電網(wǎng)全部母線在故障過程中的電壓暫降矩陣U(m)(m=1、2、3、4分別為單相接地短路、兩相短路、兩相接地短路、三相短路)。

(1)

電網(wǎng)中母線上電壓暫降幅值是決定敏感負荷損失與否的關(guān)鍵因素，結(jié)合用戶設(shè)定的低壓脫扣裝置電壓整定值劃分電壓暫降幅值，整理如下：

(2)

依據(jù)式(2)可建立反映電網(wǎng)中電壓暫降范圍和程度的凹陷域矩陣C(m)。

(3)

(4)

綜合考慮母線發(fā)生4種短路故障的概率，母線j在電網(wǎng)中發(fā)生電壓暫降的平均頻次Xj為：

(5)

式中，λm為發(fā)生m類短路故障的概率。

(6)

式中，a的取值范圍為1～5，分別對應(yīng)設(shè)定電壓整定值為0.8 pu、0.7 pu、0.6 pu、0.5 pu、0.4 pu低壓脫扣裝置的五類負荷。

綜合考慮母線發(fā)生4種短路故障的概率，母線j上a類別的負荷在電網(wǎng)中發(fā)生電壓暫降的平均頻次Xja為：

(7)

(8)

以此可以建立反映電壓暫降對電網(wǎng)敏感負荷影響程度的負荷矩陣P(m)為:

(9)

(10)

綜合考慮母線發(fā)生4種短路故障的概率，母線i上發(fā)生故障造成的電網(wǎng)內(nèi)平均負荷損失量Yi為：

(11)

電網(wǎng)內(nèi)所有母線發(fā)生m類故障引起的電壓暫降導(dǎo)致的負荷損失量Z(m)為：

(12)

綜合考慮母線發(fā)生4種故障引起的電壓暫降導(dǎo)致的平均負荷損失量Z為：

(13)

母線j的平均頻次Xj數(shù)據(jù)越大，意味著該母線上的負荷在電網(wǎng)內(nèi)受母線故障引起的電壓暫降越頻繁，母線本身越敏感脆弱；母線i的平均負荷損失量Yi數(shù)據(jù)越大，意味著該母線在發(fā)生故障時影響的電網(wǎng)內(nèi)敏感負荷越多，造成的影響越惡劣；電網(wǎng)的平均負荷損失量Z數(shù)據(jù)越大，意味著該電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下故障時電壓暫降影響的敏感負荷越多，造成的影響越嚴重。

4 算例分析

本節(jié)將評估陜西省某地區(qū)在夏季大運行方式下的電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，并結(jié)合該地區(qū)實際發(fā)生短路故障導(dǎo)致敏感負荷損失的數(shù)據(jù)為例進行算例分析，驗證電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)評價體系的準確性。

4.1 陜西省電網(wǎng)結(jié)構(gòu)評價體系

4.1.1 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和事故數(shù)據(jù)

該地區(qū)有330 kV變電站20座，330 kV線路19條，110 kV變電站21座，總負荷8 062 MW，以某次實際發(fā)生的330 kV線路兩相接地短路故障為例，調(diào)研整理六座變電站負荷損失量匯總見表1。

表1 變電站負荷損失量Tab.1 Load loss of substations

實際調(diào)研該地區(qū)低壓脫扣裝置情況得到：負荷分為3個類別：未安裝低壓脫扣裝置、安裝帶延時低壓脫扣裝置和安裝不帶延時低壓脫扣裝置。其中，安裝不帶延時低壓脫扣裝置是導(dǎo)致負荷損失的關(guān)鍵因素，這類敏感負荷設(shè)定電壓整定值為0.8 pu、0.7 pu、0.6 pu、0.5 pu、0.4 pu這5類。所以將負荷總計分為7個類別，以變電站A為例，用戶的分類及其比例匯總見表2(用戶類別表示方式為：{電壓整定值})。

表2 負荷分類及負荷量Tab.2 Classification and proportion of load

4.1.2 評價體系的建立及驗證

首先，根據(jù)陜西某地區(qū)電網(wǎng)數(shù)據(jù)，使用PSASP軟件搭建該地區(qū)電網(wǎng)仿真模型，結(jié)合實際330 kV線路兩相接地短路故障數(shù)據(jù)，仿真該地區(qū)在電壓暫降過程中的電壓跌落情況，構(gòu)建電壓暫降矩陣U(m)，并結(jié)合各變電站用戶負荷的低壓脫扣裝置配置情況，構(gòu)建反映電壓暫降對電網(wǎng)敏感負荷影響程度的負荷矩陣P(m)。

為了驗證電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)評價體系的準確性，將實際調(diào)研整理的A、B、C、D、E、F六個變電站負荷損失數(shù)據(jù)與計算得出的數(shù)據(jù)對比，結(jié)果見表3。

表3 變電站負荷損失計算值與實際值的對比Tab.3 Comparison between calculated value and actual value of load loss in six substations

表3結(jié)果表明電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)評價體系的精度較高，仿真計算得到的負荷損失量比實際值稍大，分析原因是在使用PSASP軟件仿真兩相接地短路故障時，設(shè)定的接入阻抗為零，而實際短路故障接入阻抗不為零，導(dǎo)致仿真計算的電網(wǎng)電壓暫降更為嚴重，負荷損失更多。

4.1.3 評價體系指標計算

通過電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)評價體系對該地區(qū)電網(wǎng)進行評估，計算該地區(qū)21條110 kV母線Xj指標(單相接地短路發(fā)生概率為65%；兩相短路發(fā)生概率為10%；兩相接地短路發(fā)生概率為20%；三相短路發(fā)生概率為5%[18])。

表4 110 kV母線電壓暫降平均頻次指標Tab.4 Average frequency index of voltage sag for 110 kV buses

在評估的21條110 kV母線中，母線1、2、10、11、12、14、17、18、20共計9條母線遭受電壓暫降的平均頻次均達到了20次，這些母線頻繁遭受電壓暫降的影響，是電網(wǎng)中的薄弱母線，而母線9遭受電壓暫降的平均頻次最小，為3.60，在電網(wǎng)中最不容易遭受電壓暫降影響。接入敏感負荷應(yīng)盡量避開薄弱母線，選擇電壓暫降頻次小的母線。

計算該地區(qū)20條330 kV母線和19條330 kV線路的Yi指標，整理見表5、表6。

表5 330 kV母線短路故障造成平均負荷損失量指標Tab.5 Index of average load loss caused by 330 kV bus fault

表6 330 kV線路短路故障影響平均敏感負荷量指標Tab.6 Index of average load loss caused by 330 kV line fault

在評估的20條330 kV母線中，母線6、11、12、14、15、16造成500 MW以上負荷損失，其中母線6造成的負荷損失最多，達到714.11 MW，是電網(wǎng)中關(guān)鍵母線；在評估的19條330 kV線路中，只有線路16和線路18造成的負荷損失超過500 MW，分別為519.58 MW和522.11 MW，是電網(wǎng)中關(guān)鍵線路。通過計算母線和線路的Yi指標，能夠識別出電網(wǎng)中發(fā)生短路故障時造成負荷損失大的關(guān)鍵母線和關(guān)鍵線路，從而幫助電力運行人員提高工作效率，有的放矢地加強母線和線路的檢修維護工作，減少發(fā)生故障的概率。對于造成負荷損失特別嚴重的線路，在經(jīng)濟因素允許的條件下，可采取更換架空線路為電纜的方式降低故障概率，提高電網(wǎng)供電可靠性。

4.2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)調(diào)整后評價體系指標計算

4.2.1 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)整

事故發(fā)生在負荷中心區(qū)域，6個330 kV變電站相互聯(lián)系十分緊密。當故障發(fā)生時，形成多個環(huán)網(wǎng)，且變電站之間的電氣距離較近，導(dǎo)致電壓暫降幅值大、波及范圍廣，最終導(dǎo)致大面積負荷損失。為避免類似事故再次導(dǎo)致負荷損失，電網(wǎng)運行管理人員在滿足各項要求的基礎(chǔ)上進行網(wǎng)架結(jié)構(gòu)調(diào)整，如圖2所示，斷開變電站C和變電站D之間的330 kV三回線，斷開變電站D和變電站A之間的330 kV雙回線，連接變電站A和變電站C之間的330 kV交流線，實現(xiàn)了A、B、C、D、E、F變電站的解環(huán)。根據(jù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)評價體系，分析該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)調(diào)整方案在減少負荷損失量上的有效性。

圖2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)調(diào)整圖Fig.2 Adjustment of grid structure

4.2.2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)調(diào)整后指標對比

通過電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)評價體系計算調(diào)整后電網(wǎng)的各項指標進行對比。首先，計算110 kV母線電壓暫降平均頻次指標并對比，具體見表7。

表7 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)調(diào)整前后110 kV母線電壓暫降平均頻次指標對比Tab.7 Comparison of average frequency index of voltage sag of 110 kV bus after grid structure adjustment

結(jié)果顯示網(wǎng)架結(jié)構(gòu)調(diào)整后，20條110 kV母線中有19條母線的Xj指標減小，只有1條母線的Xj指標不變。尤其關(guān)注的9條有功負荷大的母線中，除了母線3的Xj減小比例較小，為1.78%，其他8條母線的Xj指標減小比例都超過了10%。有功負荷最大的母線13的Xj指標由25.05減小為7.70，減小比例為69.26%，驗證了330 kV變電站解環(huán)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)調(diào)整方案能夠有效降低電網(wǎng)中有功負荷受電壓暫降影響的頻次。

其次，計算330 kV母線和線路故障影響電網(wǎng)平均敏感負荷指標并對比，具體見表8、表9。

表8 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)調(diào)整前后330 kV母線故障造成電網(wǎng)平均負荷損失量指標對比Tab.8 Comparison of index of average load loss caused by 330 kV bus after grid structure adjustment

表9 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)調(diào)整前后330 kV線路故障影響電網(wǎng)平均敏感負荷量指標對比Tab.9 Comparison of index of average load loss caused by 330 kV line after grid structure adjustment

表8、表9的結(jié)果顯示網(wǎng)架結(jié)構(gòu)調(diào)整后，20條330 kV母線中有13條母線的Yi指標減小，7條母線的Yi指標增大。19條330 kV線路中有14條線路的Yi指標減小，5條線路的Yi指標增大。電網(wǎng)母線和線路短路故障造成的平均敏感負荷量Z指標由16 115減小為13 178，減小程度為18.23%，驗證了該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)調(diào)整方案能夠有效減少電壓暫降造成的負荷損失量。

這種斷開變電站之間交流線，實現(xiàn)6個330 kV變電站解環(huán)運行的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)調(diào)整方案本質(zhì)上是降低了電網(wǎng)的互聯(lián)程度，從而減小電壓暫降導(dǎo)致的負荷損失。通過對比母線和線路的Yi指標以及電網(wǎng)的Z指標，能夠判斷出電網(wǎng)在不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下負荷受電壓暫降影響的程度。從而幫助電力運行人員選擇出合適的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)整方案來應(yīng)對日益嚴重的電壓暫降問題。

5 結(jié)論

本文提出基于低壓脫扣裝置電壓整定值，建立考慮負荷損失的電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)評價體系的方法。通過計算電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)評價體系的各項指標，能夠在準確得到電網(wǎng)發(fā)生短路故障后的電壓暫降水平和負荷損失情況的基礎(chǔ)上，識別出電網(wǎng)中頻繁遭受電壓暫降影響的薄弱母線和發(fā)生短路故障時造成敏感負荷損失大的關(guān)鍵母線和關(guān)鍵線路。并且通過對比各種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下電網(wǎng)的各項指標，能夠比較電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)調(diào)整方案在應(yīng)對電壓暫降造成負荷損失問題上的優(yōu)劣，幫助電力運行人員進行電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的調(diào)整和優(yōu)化。但本文沒有考慮低壓脫扣裝置模糊區(qū)域動作特性對負荷損失的影響，需要進一步深入分析。