青島電網(wǎng)電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行分析

王超，崔立勃，袁森，張菁，程濤

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司青島供電公司，山東青島266001；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南250061；3.國(guó)網(wǎng)山東煙臺(tái)市福山區(qū)供電公司，山東煙臺(tái)265500）

青島電網(wǎng)電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行分析

王超1，崔立勃1，袁森2，張菁3，程濤1

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司青島供電公司，山東青島266001；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南250061；3.國(guó)網(wǎng)山東煙臺(tái)市福山區(qū)供電公司，山東煙臺(tái)265500）

±660 kV銀東直流輸電工程建設(shè)并供電后，青島電網(wǎng)區(qū)域型500/220 kV高低壓電磁環(huán)網(wǎng)更加復(fù)雜，部分線路因成為安全隱患而需要斷開(kāi)。分析500 kV線路開(kāi)斷引起220 kV系統(tǒng)過(guò)負(fù)荷等電磁環(huán)網(wǎng)的安全隱患，得出判斷電磁環(huán)網(wǎng)是否開(kāi)環(huán)應(yīng)考慮的安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性等因素，和判斷500/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)是否應(yīng)該開(kāi)環(huán)的一般步驟。并對(duì)青島電網(wǎng)進(jìn)行了詳細(xì)分析，闡述分析結(jié)果的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

高壓直流輸電；電網(wǎng)；電磁環(huán)網(wǎng)；穩(wěn)定性

0 引言

電磁環(huán)網(wǎng)是一種應(yīng)用在高、低壓電網(wǎng)側(cè)之間的過(guò)渡型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。比如在500 kV與220 kV電壓等級(jí)之間，由于500 kV側(cè)電網(wǎng)在發(fā)展初期結(jié)構(gòu)脆弱，一般需要通過(guò)電磁環(huán)網(wǎng)的運(yùn)行來(lái)維持高低壓側(cè)兩端的穩(wěn)定。當(dāng)高電壓側(cè)傳輸功率增大以及其他結(jié)構(gòu)改變時(shí)，電磁環(huán)網(wǎng)就面臨著潮流分布不合理等安全穩(wěn)定問(wèn)題和經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題［1-2］。

500/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)中的500 kV高壓側(cè)結(jié)構(gòu)正日益完善，相應(yīng)地應(yīng)對(duì)220 kV低壓側(cè)進(jìn)行分層分區(qū)運(yùn)行，以迎合電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)運(yùn)行的發(fā)展趨勢(shì)。各國(guó)學(xué)者與相關(guān)工作人員對(duì)電網(wǎng)發(fā)展中形成的500/220kV電磁環(huán)網(wǎng)開(kāi)展了大量的解環(huán)工作［3-5］，就何時(shí)、何地打開(kāi)500/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)進(jìn)行了深入的研究。電磁環(huán)網(wǎng)的解環(huán)工作需要借助暫態(tài)穩(wěn)定、靜態(tài)安全、短路電流以及系統(tǒng)網(wǎng)損等多種量化評(píng)價(jià)方法從穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)性等各方面進(jìn)行綜合評(píng)估。

1 安全穩(wěn)定性分析

解環(huán)電磁環(huán)網(wǎng)時(shí)，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行面臨著嚴(yán)重的威脅，如影響線路傳輸能力、功率轉(zhuǎn)移等問(wèn)題。下面就與電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)相關(guān)的安全穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行討論［6-7］。

1.1 系統(tǒng)傳輸能力

在電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)操作中，當(dāng)高壓線路開(kāi)斷時(shí)，會(huì)引起相應(yīng)的功率轉(zhuǎn)移，這部分功率轉(zhuǎn)移在低壓側(cè)可能會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷的增加，從而影響其傳輸穩(wěn)定性，甚至超過(guò)低壓線路的運(yùn)載能力。線路的傳輸能力受多方面影響。

穩(wěn)定傳輸功率。系統(tǒng)間以及系統(tǒng)與電廠間輸電線路傳輸?shù)挠泄β什荒艹^(guò)電力系統(tǒng)穩(wěn)定極限值。對(duì)于500/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)，220 kV線路電壓等級(jí)低，線路電抗大，因此其傳統(tǒng)功率極限要小于500kV線路。當(dāng)發(fā)生潮流轉(zhuǎn)移時(shí)，220 kV低壓側(cè)會(huì)首先發(fā)生安全失穩(wěn)現(xiàn)象。

熱穩(wěn)定電流（功率）。流經(jīng)導(dǎo)線的電流不允許超過(guò)其熱穩(wěn)定的電流最大值。在500/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)中，當(dāng)500 kV高壓側(cè)斷開(kāi)時(shí)，負(fù)荷會(huì)通過(guò)220 kV低壓側(cè)線路送出，由于負(fù)荷大于正常值，尤其是在重負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，220 kV線路上的電流很可能會(huì)出現(xiàn)超出導(dǎo)線熱穩(wěn)定電流的情況。

自然功率。當(dāng)線路輸送有功功率達(dá)到某個(gè)值的時(shí)候，線路消耗和產(chǎn)生的無(wú)功正好平衡，此時(shí)輸送的功率就稱為自然功率。高壓電網(wǎng)電壓等級(jí)高、輸電線路長(zhǎng)，所以線路產(chǎn)生的無(wú)功功率較大。當(dāng)傳輸功率小于高壓線路的自然功率時(shí)，除去線路自身產(chǎn)生的大量無(wú)功功率，還會(huì)有大量冗余無(wú)功功率流入系統(tǒng)，導(dǎo)致其電壓升高；而當(dāng)傳輸功率大于自然功率時(shí)，輸電線路損耗的無(wú)功功率必然由系統(tǒng)兩側(cè)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備補(bǔ)足。在500/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)中，220 kV線路的傳輸功率一般會(huì)遠(yuǎn)大于自然功率，線路會(huì)損耗過(guò)多的無(wú)功功率；而當(dāng)500 kV開(kāi)斷時(shí)，220 kV線路的電流會(huì)增大，而線路電感上的無(wú)功損耗與電流的平方成正比，無(wú)功功率的消耗過(guò)多會(huì)導(dǎo)致電壓的降低。

1.2 穩(wěn)定性

對(duì)于高低壓側(cè)電磁環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)，當(dāng)某一側(cè)開(kāi)斷時(shí)，會(huì)導(dǎo)致潮流轉(zhuǎn)移到另一側(cè)電網(wǎng)，此時(shí)應(yīng)檢查該側(cè)電網(wǎng)的穩(wěn)定性。在500 kV/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)中，當(dāng)220 kV低壓網(wǎng)側(cè)開(kāi)斷時(shí)，潮流會(huì)轉(zhuǎn)移到500 kV高壓網(wǎng)側(cè)，這種情況下，一般不會(huì)發(fā)生暫態(tài)穩(wěn)定極限越限的事故，但此時(shí)任一條500 kV線路的無(wú)故障開(kāi)斷都會(huì)導(dǎo)致其它500 kV線路潮流的成倍增加，電網(wǎng)的穩(wěn)定性就會(huì)受到威脅；因線路檢修，500 kV高壓網(wǎng)側(cè)無(wú)故障開(kāi)斷時(shí)，潮流會(huì)相應(yīng)地轉(zhuǎn)移到220 kV低壓網(wǎng)側(cè)，要對(duì)該側(cè)電網(wǎng)進(jìn)行穩(wěn)定分析。在上述情況中，要分別進(jìn)行小干擾與大干擾穩(wěn)定分析來(lái)檢驗(yàn)系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性與暫態(tài)穩(wěn)定性。

1.3 電磁環(huán)網(wǎng)功率轉(zhuǎn)移問(wèn)題網(wǎng)間功率振蕩

在高低壓側(cè)電磁環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)中，當(dāng)高壓側(cè)電網(wǎng)開(kāi)斷時(shí)，系統(tǒng)間的聯(lián)絡(luò)阻抗會(huì)增大，導(dǎo)致其輸電能力下降，甚至當(dāng)聯(lián)絡(luò)線傳輸功率超過(guò)穩(wěn)定傳輸極限，此時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)間的功率振蕩以及其他嚴(yán)重后果。

1.4 短路電流水平

高低壓電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)的傳輸功率已經(jīng)接近極限，當(dāng)接入更大容量高壓線路時(shí)，會(huì)使該電網(wǎng)的綜合阻抗減小，聯(lián)系更加緊密，導(dǎo)致短路時(shí)的系統(tǒng)電流更容易超過(guò)斷路器的額定開(kāi)斷電流。而電磁環(huán)網(wǎng)的開(kāi)環(huán)運(yùn)行可以讓不同電壓等級(jí)的斷路器分別配備不同等級(jí)的開(kāi)關(guān)設(shè)備，從而可以滿足不同電壓等級(jí)短路電流的極限要求［8］。

1.5 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性

合理的高低壓電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)操作一方面可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的分區(qū)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的改善，如降低短路電流、節(jié)省開(kāi)關(guān)設(shè)備、減小分區(qū)電網(wǎng)容量等；另一方面可以實(shí)現(xiàn)潮流的優(yōu)化分布，通過(guò)阻抗調(diào)節(jié)高低壓側(cè)的潮流流向，減小有功功率的損耗。在評(píng)估電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)的經(jīng)濟(jì)性時(shí)，可通過(guò)開(kāi)關(guān)設(shè)備投資和系統(tǒng)網(wǎng)損兩方面進(jìn)行。

2 電磁環(huán)網(wǎng)開(kāi)環(huán)的一般步驟

要在對(duì)電磁環(huán)網(wǎng)進(jìn)行開(kāi)環(huán)操作時(shí)滿足上述要求，需要進(jìn)行多方面的計(jì)算，包括潮流計(jì)算、穩(wěn)定性分析、短路電流計(jì)算以及網(wǎng)損分析等。主要的解網(wǎng)操作流程如圖1。

圖1 電磁環(huán)網(wǎng)開(kāi)環(huán)流程

對(duì)電磁環(huán)網(wǎng)的組成情況進(jìn)行分析，根據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及潮流分布特點(diǎn)初步選擇合適的分區(qū)方案；計(jì)算在環(huán)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下的短路電流；計(jì)算電磁環(huán)影響下高電壓等級(jí)暫態(tài)穩(wěn)定與小干擾穩(wěn)定；根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，初步擬定開(kāi)環(huán)方案；針對(duì)擬定的方案，分別進(jìn)行高低壓側(cè)的安全穩(wěn)定分析；計(jì)算開(kāi)環(huán)后的短路電流；通過(guò)對(duì)開(kāi)環(huán)前后的網(wǎng)損分析以及開(kāi)環(huán)時(shí)的建設(shè)投資計(jì)算，分析開(kāi)環(huán)的經(jīng)濟(jì)性；根據(jù)上述步驟，確定最優(yōu)開(kāi)環(huán)方案，并研究開(kāi)環(huán)后的穩(wěn)定控制措施。

3 500／220 kV電磁環(huán)網(wǎng)分析

3.1 青島電網(wǎng)現(xiàn)狀分析

青島電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。2013年銀東直流單極投運(yùn)，送電2 000 MW。銀東直流注入青島后青島電網(wǎng)可分為青島環(huán)網(wǎng)、大澤、萊陽(yáng)3個(gè)供電系統(tǒng)。其中，大澤、萊陽(yáng)供電系統(tǒng)與青島環(huán)網(wǎng)之間沒(méi)有220 kV網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。青島環(huán)網(wǎng)以500 kV變電站為核心可分為瑯琊、膠東、嶗山—青島廠3個(gè)供電系統(tǒng)。由于是受端電網(wǎng)，境內(nèi)接入220 kV電網(wǎng)的電源與負(fù)荷分布呈現(xiàn)西電東送狀態(tài)，大電源主要集中在西部黃島電廠與銀東直流等外部電源、負(fù)荷則集中在東部嶗山站所屬地區(qū)。500 kV網(wǎng)架之下，3個(gè)供電系統(tǒng)通過(guò)瑯匡—瑯膠—島灣組成的瑯琊—膠東220 kV東送通道以及嶗膠—上廣—上黃組成的膠東—嶗山220 kV東送通道相連，從而在兩潮流斷面上形成多個(gè)500/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)。

圖2 青島電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

3.2 青島電網(wǎng)環(huán)網(wǎng)開(kāi)環(huán)分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，青島電網(wǎng)的短路電流在電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)分布在合理范圍內(nèi)，沒(méi)有超出開(kāi)關(guān)設(shè)備的極限容量。在電磁解環(huán)時(shí)，如果需要保證500 kV主變始終滿足“N-1”要求，則最多只能實(shí)現(xiàn)大區(qū)分網(wǎng)模式，即多個(gè)500 kV變電站對(duì)一個(gè)220 kV變電站供電?，樼稹z東220 kV東送通道輸送功率409 MW，膠東—嶗山220 kV東送通道輸送功率355 MW。按照1個(gè)或多個(gè)500 kV站帶220 kV地區(qū)型電網(wǎng)的分區(qū)原則，考慮對(duì)青島電網(wǎng)500/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)的4種開(kāi)、合環(huán)方案進(jìn)行綜合分析。方案1為基礎(chǔ)運(yùn)行方式；方案2為打開(kāi)瑯琊—膠東電磁環(huán)網(wǎng)，即斷開(kāi)瑯匡線、瑯膠線、島灣線；方案3為打開(kāi)膠東—嶗山電磁環(huán)網(wǎng)，即斷開(kāi)嶗膠線、上廣線、上黃線；方案4為同時(shí)打開(kāi)瑯琊—膠東電磁環(huán)網(wǎng)和膠東—嶗山電磁環(huán)網(wǎng)，即斷開(kāi)瑯匡線、瑯膠線、島灣線以及嶗膠線、上廣線、上黃線。

3.3 青島電網(wǎng)系統(tǒng)分析與潮流計(jì)算

基礎(chǔ)運(yùn)行方式下，青島電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系緊密，膠東—嶗山雙回500 kV線路無(wú)故障跳線后，由于多回500 kV和220 kV輸電線路的功率分?jǐn)偅樼稹z東220 kV東送通道及膠東—嶗山220 kV東送通道上的線路功率有不同程度的增加，但遠(yuǎn)未達(dá)到線路熱穩(wěn)定極限。事故后母線電壓較事故前有不同程度的降低，但尚處于0.90 pu以上?；A(chǔ)運(yùn)行方式下，電磁環(huán)網(wǎng)的功率轉(zhuǎn)移不會(huì)威脅系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

特殊運(yùn)行方式下，膠東—大澤雙回500 kV線路處于檢修狀態(tài)，膠東—嶗山雙回500 kV線路無(wú)故障跳線后，瑯琊—膠東220 kV東送通道及膠東—嶗山220 kV東送通道上的線路功率有較大程度的增加，其中，膠州—嶗山220kV線路、上程—黃埠嶺220 kV線路重載運(yùn)行，逼近線路熱穩(wěn)定極限；上程—廣源220 kV線路超過(guò)線路熱穩(wěn)定極限。事故后母線電壓較事故前有較大程度的降低，部分母線電壓處于0.90pu以下。特殊運(yùn)行方式下，電磁環(huán)網(wǎng)功率轉(zhuǎn)移存在較嚴(yán)重的事故隱患。

對(duì)4種方案下青島電網(wǎng)“N-1”線路和變壓器過(guò)負(fù)荷情況進(jìn)行了計(jì)算，方案1和2沒(méi)有過(guò)載發(fā)生，方案3和4過(guò)載情況如表1所示。方案3、4斷開(kāi)了膠東—嶗山220 kV東送通道，其所帶功率通過(guò)膠東—嶗山500 kV線路輸送，并經(jīng)由嶗山站3臺(tái)500 kV主變下網(wǎng)，從而加重了嶗山站主變及嶗山站附近220kV線路的負(fù)載。因此，方案3、方案4下“N-1”開(kāi)斷嶗山站1號(hào)主變，嶗山站2號(hào)、3號(hào)主變均過(guò)負(fù)荷。方案1、方案2下，系統(tǒng)未出現(xiàn)“N-1”線路和變壓器過(guò)負(fù)荷情況。4種方案下，青島電網(wǎng)“N-1”母線電壓未出現(xiàn)低于0.90 pu的情況。

表1 “N-1”標(biāo)準(zhǔn)下變壓器過(guò)負(fù)荷

青島電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算分析中，穩(wěn)定計(jì)算中故障設(shè)定為三相接地短路，在80 ms時(shí)切除500 kV線路故障，110 ms時(shí)切除220 kV線路故障。計(jì)算分析表明，系統(tǒng)在4種方案下均能保持暫態(tài)穩(wěn)定，其中，方案1由于網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系緊密，電氣距離較近，穩(wěn)定性最佳。

3.4 青島電網(wǎng)短路計(jì)算

青島電網(wǎng)部分廠站三相短路電流分析中，方案1中，系統(tǒng)短路電流水平較高，其中，220 kV母線短路電流在30 kA以上的廠站有11個(gè)，超過(guò)40 kA的廠站有4個(gè)，魯嶗山站220A母線短路電流達(dá)到50.30kA，魯嶗山站220 B母線短路電流達(dá)到49.88 kA，需要采取相應(yīng)限流措施。采用方案2～4，系統(tǒng)短路電流水平有不同程度的降低，其中，采用方案4且220 kV母線短路電流在30kA以上的廠站有4個(gè)，超過(guò)40 kA的廠站有2個(gè)，魯嶗山站220 A母線短路電流降到42.70 kA，魯嶗山站220 B母線短路電流降到42.48 kA，限流效果顯著。

3.5 系統(tǒng)網(wǎng)損

經(jīng)過(guò)計(jì)算，方案1～4的系統(tǒng)網(wǎng)損分別為978.08 MW、975.78 MW、976.43 MW、976.08 MW。

4 結(jié)語(yǔ)

方案1、方案2的優(yōu)先度較為接近，然而電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行方式使系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行調(diào)度管理不便并存在較嚴(yán)重的事故隱患，故考慮優(yōu)先選擇方案2，即打開(kāi)瑯琊—膠東500/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)。方案3、方案4能夠有效降低系統(tǒng)短路電流水平，然而由于在靜態(tài)安全性及暫態(tài)穩(wěn)定性上的較大劣勢(shì)，其可行性較差，考慮保留膠東—嶗山500/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)。

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3、4號(hào)主變關(guān)口表計(jì)量二次回路技術(shù)改造實(shí)施完成后，提高了關(guān)口表長(zhǎng)周期運(yùn)行的安全性，明顯降低了二次負(fù)載和電壓互感器的二次壓降，取得了顯著的安全和經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

以關(guān)口計(jì)量回路中電壓互感器二次回路壓降過(guò)大為出發(fā)點(diǎn)，逐條分析電壓互感器二次回路壓降產(chǎn)生的原因，有針對(duì)性地提出裝設(shè)專用的電壓互感器和電壓互感器二次回路、加粗電壓互感器二次導(dǎo)線的截面、采用就地計(jì)量方式、減小觸點(diǎn)接觸電阻等技術(shù)措施，經(jīng)過(guò)實(shí)際技術(shù)改造驗(yàn)證，所提出的技術(shù)措施正確有效，能明顯降低關(guān)口計(jì)量回路中的電壓互感器二次回路壓降，提高關(guān)口電能計(jì)量裝置的真實(shí)計(jì)量性能和運(yùn)行可靠性。

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Analysis of Electromagnetic Loop in Qingdao Power Grid

WANG Chao1，CUI Libo1，YUAN Sen2，ZHANG Jing3，CHENG Tao1
（1.State Grid Qingdao Power Supply Company，Qingdao 266001，China；2.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250061，China；3.State Grid Yantai Fushan Power Supply Company，Yantai 265500,China）

With the development of±660kV Yindong HVDC transmission project，electromagnetic loop of 500kV/220kV in Qingdao becomes more complicated.Some transmission lines should be opened because of security risk．The insecurity of 220kV grid overload caused by opening the 500kV transmission line is analyzed.The security and stability of power grid，as well as the economic factors，should be considered before breaking the electromagnetic loop.The general procedure of judging whether the electromagnetic loop should be opened is proposed．Qingdao power grid is analyzed in detail，and the applied value and practical significance are verified.

HVDC；power grid；electromagnetic loop；stability

TM732

B

1007－9904（2015）02－0050－04

2014-09-26

張敏（1974），女，工程師，主要從事電廠電測(cè)技術(shù)監(jiān)督管理工作。