神雁雙回線N-2故障安全穩(wěn)定控制量敏感因素分析

鄭惠萍，劉新元，薛 敏

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

山西省作為能源大省，在保證本省供電任務(wù)的同時(shí)也為周邊地區(qū)輸送大量電力，對(duì)整個(gè)華北電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重大的影響，必須確保電網(wǎng)在復(fù)雜情況下能維持穩(wěn)定[1-2]。安全穩(wěn)定控制措施的研究和實(shí)施，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性影響極大，目前已有大量的安全穩(wěn)定措施應(yīng)用于山西電網(wǎng)中，并發(fā)揮了重要的作用。

山西北部的大同電網(wǎng)通過(guò)神雁雙回線與山西主網(wǎng)連接、并通過(guò)大房三回線與華北電網(wǎng)相連，在發(fā)生神雁雙回線N-2故障后，安全控制（以下簡(jiǎn)稱“安控”）措施量過(guò)大，可能會(huì)引起山西北部和主網(wǎng)解列。因此，需對(duì)神雁雙回線N-2故障跳雙回后安控措施量過(guò)大的相關(guān)敏感因素進(jìn)行分析，確保電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

1 影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制量的敏感因素

影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制量的敏感因素主要包括：故障形式、故障清除時(shí)間、安控動(dòng)作時(shí)間、切機(jī)方案及電壓水平等因素[3]。

1.1 故障形式

短路是電力系統(tǒng)的嚴(yán)重故障，所謂短路是指電力系統(tǒng)正常運(yùn)行情況以外的相與相之間或相與地（或中性線）之間的連接。短路類型主要有三相短路、兩相短路、單相短路接地和相間故障接地；其中三相短路也稱為對(duì)稱短路，其他類型為不對(duì)稱短路。

1.2 故障清除時(shí)間和安控動(dòng)作時(shí)間

校核故障清除時(shí)間時(shí)，采用三種方案：0.08 s切除故障首端/0.1 s切除故障末端、0.09 s切除故障首端/0.1 s切除故障末端、0.1 s切除故障首端/0.1 s切除故障末端。計(jì)算切機(jī)量時(shí)安控動(dòng)作時(shí)間設(shè)置為0.25 s，并保持不變。

校核安控動(dòng)作時(shí)間時(shí)，采用3種方案：0.3 s、0.25 s、0.2 s。計(jì)算切機(jī)量時(shí)故障清除時(shí)間設(shè)置為0.08 s/0.1 s，并保持不變。

1.3 切機(jī)方案

故障后切除不同站點(diǎn)的機(jī)組，即使切機(jī)量相同，也有可能因?yàn)榘l(fā)電機(jī)對(duì)于故障的敏感度不同而產(chǎn)生不同的結(jié)果。為優(yōu)化安控措施，減小切機(jī)量，需要找到最有效的切機(jī)方案。針對(duì)神雁雙回線N-2故障有多種切機(jī)方案，本節(jié)選取了兩種比較有效的措施進(jìn)行對(duì)比。另外，在設(shè)置故障時(shí)采取0.09 s/0.1 s清除故障、0.25 s安控動(dòng)作的方案。

1.4 電壓水平

采取改變發(fā)電機(jī)組端電壓的方式調(diào)整電壓，將山西北部各站電壓提高約10 kV，以及將山西北部各站電壓大約降低5 kV，對(duì)比了正常電壓、提高電壓和降低電壓后這3種情況的切機(jī)量。

在研究某一影響因素時(shí)，原則上固定其他因素不變，從而分析其對(duì)安全穩(wěn)定控制量的影響。

2 故障形式對(duì)安全穩(wěn)定控制量的影響

神雁雙回線發(fā)生故障時(shí)，不同的故障形式對(duì)安全穩(wěn)定控制量有一定的影響，因此分別在該線路末端設(shè)置單相永久性故障、無(wú)故障跳閘、相間故障和三相永久性故障這4種故障形式，計(jì)算相應(yīng)的安全穩(wěn)定控制量，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 神雁雙回線發(fā)生不同故障時(shí)的安全穩(wěn)定控制量

由表1計(jì)算結(jié)果可知，不同故障形式對(duì)于神雁雙回線安全穩(wěn)定控制量有一定影響，無(wú)故障跳閘仍需切除800 MW機(jī)組系統(tǒng)方可保持穩(wěn)定；單相永久性故障時(shí)的切機(jī)量為1 200 MW，相間故障與其相比，安全穩(wěn)定控制量為2 000 MW，增大了800MW；三相永久性故障時(shí)則找不到安控措施。

綜上所述，神雁雙回線發(fā)生三相永久性N-2故障最嚴(yán)重，無(wú)法找到安控措施；無(wú)故障跳神雁雙回線最輕，相應(yīng)的安全穩(wěn)定控制量也最小。

3 故障清除時(shí)間及安控時(shí)間對(duì)安全穩(wěn)定控制量的影響

3.1 不同故障清除時(shí)間對(duì)安全穩(wěn)定控制量的影響

神雁雙回線發(fā)生三相永久性N-2故障時(shí)，不同故障清除時(shí)間對(duì)安全穩(wěn)定控制量有一定影響，安控動(dòng)作時(shí)間仍維持0.25 s不變，改變故障清除時(shí)間計(jì)算相應(yīng)的安全穩(wěn)定控制量。不同故障清除時(shí)間下的切機(jī)量計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同故障清除時(shí)間下的切降機(jī)組容量

由表2可以看出，當(dāng)故障清除時(shí)刻加快到0.08 s/0.1 s時(shí)，切除京隆、塔山和大同6臺(tái)機(jī)組共計(jì)切機(jī)量3 600 MW，系統(tǒng)即可保持穩(wěn)定，安控措施具備可操作性。從而可以得出，神雁雙回線發(fā)生N-2故障時(shí)，故障清除時(shí)間越短，切機(jī)量越少。

3.2 不同安控動(dòng)作時(shí)間對(duì)安全穩(wěn)定控制量的影響

神雁雙回線發(fā)生三相永久性跳雙回故障時(shí)，不同安控動(dòng)作時(shí)間對(duì)安全穩(wěn)定控制量有一定影響，切除時(shí)間按照首端0.08 s、末端0.1 s來(lái)考慮，改變安控動(dòng)作時(shí)間計(jì)算相應(yīng)的安全穩(wěn)定控制量，不同安控動(dòng)作時(shí)間下的安全穩(wěn)定控制量計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同安控動(dòng)作時(shí)間下的安全穩(wěn)定控制量

由表3可以看出，安控動(dòng)作時(shí)間為0.3 s時(shí)找不到安全穩(wěn)定控制量，0.25 s時(shí)安全穩(wěn)定控制量為3 600 MW，0.2 s時(shí)安全穩(wěn)定控制量為2 700 MW。安控動(dòng)作時(shí)間由0.25 s加快到0.2 s時(shí)，安全穩(wěn)定控制量減少了900 MW，故神雁雙回線發(fā)生N-2故障時(shí)，加快安控動(dòng)作時(shí)間，可以有效減少切機(jī)量。

由以上兩個(gè)因素的研究結(jié)果可以得出，故障清除時(shí)刻由0.09 s/0.1 s加快到0.08 s/0.1 s時(shí)，由找不到安全穩(wěn)定控制量到安全穩(wěn)定控制量為3 600 MW；安控動(dòng)作時(shí)間由0.25 s加快到0.2 s時(shí)，安全穩(wěn)定控制量由3 600 MW減少到2 700 MW。故減小故障切除時(shí)間，加快安控動(dòng)作時(shí)間，可以減小安全穩(wěn)定控制量。

4 切機(jī)方案對(duì)安全穩(wěn)定控制量的影響

對(duì)多種切機(jī)措施比較發(fā)現(xiàn)：雁同—神二雙回線雁同側(cè)發(fā)生三相永久性N-2故障后，首端0.09 s、末端0.1 s跳開(kāi)線路，0.25 s切機(jī)，只切除京隆、塔山、大同、同煤等山西北部500 kV發(fā)電機(jī)組，系統(tǒng)不能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行。類似地，雁同側(cè)故障后，只切除云崗、大能、平旺和王熱等山西北部220 kV發(fā)電機(jī)組，系統(tǒng)也不能保持穩(wěn)定運(yùn)行。只有同時(shí)切除山西北部部分500 kV和220 kV發(fā)電機(jī)組，故障發(fā)生后，系統(tǒng)才能保持穩(wěn)定運(yùn)行。以下對(duì)兩種切機(jī)方案進(jìn)行對(duì)比分析。

方案1：雁同—神二雙回雁同側(cè)發(fā)生三相永久性N-2故障后，0.25 s切除京隆、塔山、同煤等山西北部500 kV發(fā)電機(jī)組2 400 MW，同時(shí)切除云峰、大能、平旺和王熱等山西北部220 kV發(fā)電機(jī)組2 320 MW，系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行。方案1總計(jì)切除山西北部機(jī)組4 720 MW。

方案2：雁同—神二雙回雁同側(cè)發(fā)生三相永久性N-2故障后，0.25 s切除京隆、塔山、同煤和大同等山西北部500 kV發(fā)電機(jī)組4 560 MW，同時(shí)切除云峰、大能、平旺等山西北部220 kV發(fā)電機(jī)組1 220 MW，系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行。方案2總計(jì)切除山西北部機(jī)組5 780 MW。

方案1與方案2具體切機(jī)情況如表4所示。

表4 方案1與方案2切除機(jī)組容量情況

比較方案1與方案2可知，由于220 kV接入機(jī)組相當(dāng)于遠(yuǎn)端機(jī)組，切除220 kV機(jī)組效果更好。

5 電壓水平對(duì)安全穩(wěn)定控制量的影響

為研究不同電壓水平對(duì)安全穩(wěn)定控制量的影響，提高發(fā)電機(jī)的端電壓使得山西北部電網(wǎng)整體電壓偏高，然后降低發(fā)電機(jī)的端電壓使得山西北部電網(wǎng)整體電壓降落，考慮正常電壓水平、提高電壓水平和降低電壓水平3種情況下的安控切機(jī)量。為便于比較，本節(jié)神雁雙回線三相永久性故障清除時(shí)間按照首末端0.08 s/0.1 s考慮。

提高電壓時(shí)將京隆、神二、神頭、河曲、同煤、大能、鋼熱、廣宇、華岳、軒崗、云崗、塔山、定廠所開(kāi)機(jī)組的端電壓的標(biāo)幺值由1.0提高到1.03，山西北部各站電壓大約提高10 kV；降低電壓時(shí)將以上電廠的部分機(jī)組的端電壓的標(biāo)幺值由1.0降低到0.97，各站電壓大約降低5 kV。

此時(shí)，對(duì)神雁雙回線N-2后安全穩(wěn)定控制切機(jī)量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 不同電壓水平下的切降機(jī)組容量

由表5可見(jiàn)，電壓水平升高后需切除機(jī)組2 800 MW，較正常電壓水平下切機(jī)量減少了800 MW，電壓水平降低后需切除機(jī)組4 160 MW，較正常電壓水平下切機(jī)量增加了560 MW。

綜上所述，雁同、大同、神二等500 kV變電站母線電壓由正常電壓升高10 kV左右，切機(jī)量由3 600 MW減小到2 800 MW；由正常電壓降低5 kV左右，切機(jī)量由3 600 MW增大到4 160 MW。

所以，隨著山西北部電網(wǎng)母線電壓的整體提高，神雁雙回線線路N-2故障后切機(jī)量明顯降低，可見(jiàn)提高晉北電網(wǎng)的電壓水平，可有效減少安全穩(wěn)定措施切機(jī)量。

6 結(jié)論

a）通過(guò)對(duì)不同故障形式下的切機(jī)量進(jìn)行研究，結(jié)果表明無(wú)故障跳閘仍需切除800 MW機(jī)組系統(tǒng)方可保持穩(wěn)定；單相永久故障時(shí)的切機(jī)量為1 200 MW，相間故障與其相比，安全穩(wěn)定控制量為2 000 MW，增大了800 MW；三相永久性故障時(shí)則找不到安控措施。

b）對(duì)于不同故障清除時(shí)間下的安全穩(wěn)定控制量，在0.1 s和0.09 s切除線路故障側(cè)的情況下，切除大同電網(wǎng)所有接入500 kV的機(jī)組系統(tǒng)仍不能保持穩(wěn)定；在0.08 s切除線路故障側(cè)的情況下，需切除3 600 MW機(jī)組方可維持系統(tǒng)穩(wěn)定。

c）安控動(dòng)作時(shí)間為0.3 s時(shí)，只切接入500 kV機(jī)組系統(tǒng)失穩(wěn)；安控動(dòng)作時(shí)間為0.25 s時(shí)，需切機(jī)3 600 MW；安控動(dòng)作時(shí)間為0.2 s時(shí)，則僅需切機(jī)2 700 MW。

d)較高的電壓水平對(duì)神雁雙回線N-2故障切機(jī)量有積極的影響，且切除接入220 kV的機(jī)組效果較500 kV機(jī)組更好。

[1]金華征，程浩忠.電力市場(chǎng)下的電網(wǎng)靈活規(guī)劃方法綜述[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2006，18（2） :11-12.

[2]M.ponnavaikko,K.S.Praka sa Rao,Optimal Distribution System Planning[J].IEEE Transaction s on Power Apparatus and System,1981,10（6） :2969-2977.

[3]孫洪波.電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃[M].重慶大學(xué)出版社，1996:9-11.