北京電網(wǎng)低壓合環(huán)問(wèn)題分析

王 衛(wèi)，高 琨

（北京市電力公司調(diào)度通信中心，北京 100031）

0 引言

隨著電網(wǎng)建設(shè)的不斷發(fā)展，北京電網(wǎng)內(nèi)各電壓等級(jí)的變電站之間的聯(lián)絡(luò)越來(lái)越復(fù)雜，特別是五大分區(qū)供電格局形成后，區(qū)域性供電特點(diǎn)日趨明顯。電網(wǎng)的發(fā)展使得運(yùn)行方式更加靈活和多樣，由于220 kV電源點(diǎn)深入市區(qū)、區(qū)域機(jī)組容量不同、各區(qū)網(wǎng)架機(jī)構(gòu)差異、主變壓器負(fù)載不均勻、保護(hù)配置等原因，低壓合環(huán)環(huán)流問(wèn)題突出。

環(huán)網(wǎng)接線方式在停電檢修、突發(fā)事件或負(fù)荷轉(zhuǎn)移時(shí)，通過(guò)合、解環(huán)操作可以減少停電時(shí)間，提高供電可靠性，但由此引起的環(huán)流對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行有很大的影響，有可能因?yàn)榄h(huán)流過(guò)大而導(dǎo)致線路或主變壓器掉閘。目前情況是，調(diào)度員能夠?qū)?20 kV系統(tǒng)合、解環(huán)操作前進(jìn)行潮流計(jì)算，而220 kV電壓等級(jí)以下系統(tǒng)的合環(huán)只能憑經(jīng)驗(yàn)決定是否可以進(jìn)行合、解環(huán)，所以很容易造成方法保守，降低系統(tǒng)供電可靠性。為避免這種危險(xiǎn)的發(fā)生，需要在合環(huán)前通過(guò)潮流計(jì)算對(duì)合環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行分析和計(jì)算，從而有助于運(yùn)行人員對(duì)存在掉閘危險(xiǎn)的環(huán)流進(jìn)行運(yùn)行方式或負(fù)荷調(diào)整，提高電網(wǎng)供電可靠性[1-3]。

1 合環(huán)潮流理論分析

合環(huán)分析計(jì)算的基礎(chǔ)是電力系統(tǒng)潮流計(jì)算，即給定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)及決定電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況的邊界條件確定電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，電力系統(tǒng)潮流計(jì)算在數(shù)學(xué)上就是要求解一組由潮流方程描述的非線性代數(shù)方程組，因此可以用數(shù)學(xué)上的逐次線性化的方法，即牛頓-拉夫遜法求解，其核心是形成雅可比矩陣并進(jìn)行迭代計(jì)算，在求得各節(jié)點(diǎn)電壓后，依據(jù)支路阻抗參數(shù)計(jì)算支路功率以及支路電流。

環(huán)網(wǎng)合環(huán)操作主要分為同電壓等級(jí)的合環(huán)和不同電壓等級(jí)運(yùn)行的線路，通過(guò)變壓器電磁回路連接而構(gòu)成的電磁合環(huán)。電網(wǎng)合環(huán)運(yùn)行的條件是：①相位一致。如首次合環(huán)或檢修后可能引起相位變化，必須經(jīng)測(cè)定證明合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)相位一致。②如屬于電磁合環(huán)，則環(huán)網(wǎng)內(nèi)的變壓器接線組別之差為零;特殊情況下，經(jīng)計(jì)算校驗(yàn)繼電保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)及有關(guān)環(huán)路設(shè)備不過(guò)載，允許變壓器接線差30°進(jìn)行合環(huán)操作。③合環(huán)后環(huán)網(wǎng)內(nèi)各元件不致過(guò)載;各母線電壓不應(yīng)超過(guò)規(guī)定值;繼電保護(hù)與安全自動(dòng)裝置應(yīng)適應(yīng)環(huán)網(wǎng)運(yùn)行方式;穩(wěn)定符合規(guī)定的要求。對(duì)于兩端電壓大小不等、相位不同的兩端供電網(wǎng)絡(luò)，可等值于回路電壓不為零的單一環(huán)網(wǎng)，如圖1所示。

圖1 等值環(huán)式網(wǎng)絡(luò)的等值電路

該網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)兩端供電環(huán)網(wǎng)，電源點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)4，節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)4的電壓差U&1-U&4=dU&，可得如下的回路方程式：

式中的負(fù)荷功率已改變符號(hào)。由上式可解得流經(jīng)阻抗Z12的功率Sa為

由式（3）、（4）可見(jiàn)，兩端電壓不相等的兩端供電網(wǎng)絡(luò)中，各線段中流通的功率可看作是兩個(gè)功率分量的疊加。其一為兩端電壓相等時(shí)的功率，即dU&=0時(shí)的功率；另一為取決于兩端電壓的差值dU&和環(huán)網(wǎng)總阻抗的功率，即循環(huán)功率。各線段流通的功率求出后，即可換算成環(huán)網(wǎng)中的各線段流通電流。

在合環(huán)潮流分析中，也有根據(jù)疊加定理，把合環(huán)后的支路潮流分為兩部分疊加而成：一部分是合環(huán)之前各支路的初始潮流;另一部分是由合環(huán)斷路器兩端電壓相量差引起的均衡潮流在網(wǎng)絡(luò)中的分布。無(wú)論是哪種方法都可以看出：電壓矢量差對(duì)合環(huán)潮流分布有重要影響。對(duì)均衡潮流分別就電壓幅值差和功角差求偏導(dǎo)數(shù)，考慮功角差小于15度和電阻遠(yuǎn)小于電抗條件得出：功角差對(duì)有功潮流的影響遠(yuǎn)大于電壓幅值差對(duì)有功潮流的影響，電壓幅值差對(duì)無(wú)功潮流的影響遠(yuǎn)大于功角差對(duì)無(wú)功潮流的影響。

各節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷功率在合環(huán)前后不會(huì)發(fā)生改變，而合環(huán)后兩電源端的電壓則可能發(fā)生改變，如兩電源位于不同的變電站母線，合環(huán)后由于功率分配發(fā)生改變，則必然造成合環(huán)前后電壓的改變，因此依據(jù)上述方法計(jì)算環(huán)流就存在合環(huán)后兩電源端的電壓差無(wú)法獲得的難題，而且在計(jì)算中各節(jié)點(diǎn)電壓認(rèn)為是額定電壓，也沒(méi)有考慮功率的損耗，所有這些因素將使得采用上述方法計(jì)算出來(lái)的環(huán)流可能有很大的誤差。

在很多合環(huán)情況下，合環(huán)前后兩電源端的電壓不發(fā)生改變的假定還是可行的，如在一個(gè)廠站內(nèi)進(jìn)行合環(huán)操作，負(fù)荷功率的重新分配只是在一個(gè)廠站內(nèi)進(jìn)行，對(duì)于該廠站外部網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，廠站負(fù)荷并沒(méi)有發(fā)生改變，因而由系統(tǒng)確定的母線電壓也不會(huì)發(fā)生改變；另外，如果認(rèn)為合環(huán)所造成的負(fù)荷功率重新分配對(duì)于系統(tǒng)來(lái)說(shuō)影響很小，對(duì)系統(tǒng)沒(méi)有太大干擾，則也可以假定合環(huán)前后兩電源端的電壓不發(fā)生改變，對(duì)于大部分合環(huán)情況，該假設(shè)可能都能成立，從而合環(huán)后電源點(diǎn)電壓可以認(rèn)為已知。為了使環(huán)流計(jì)算更為準(zhǔn)確，則必須采用迭代方法來(lái)求解，也就是建議采用一般的潮流計(jì)算方法如牛頓-拉夫遜法來(lái)求解。然而通常的潮流計(jì)算都是把某一個(gè)節(jié)點(diǎn)認(rèn)為是Vθ節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)為PV節(jié)點(diǎn)或PQ節(jié)點(diǎn)，而在環(huán)流計(jì)算問(wèn)題中，如果假定合環(huán)前后電源點(diǎn)電壓不發(fā)生改變，則至少需要設(shè)置兩個(gè)節(jié)點(diǎn)為Vθ節(jié)點(diǎn)，所以需要采用多Vθ節(jié)點(diǎn)潮流計(jì)算程序。

2 合環(huán)操作注意事項(xiàng)

北京電網(wǎng)在110 kV電壓等級(jí)及以下多數(shù)采用輻射狀模式，也有部分采用環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)輻射運(yùn)行的模式，設(shè)備檢修和負(fù)荷轉(zhuǎn)移時(shí)，常常涉及合環(huán)操作。實(shí)際環(huán)網(wǎng)合環(huán)操作中，如果兩路合環(huán)電源的上級(jí)電源來(lái)自同一變電站或同一母線，一般合環(huán)電流不大；在同一供電分區(qū)內(nèi)進(jìn)行低壓合環(huán)，合環(huán)電流也不會(huì)超過(guò)熱穩(wěn)定極限，但低壓有并網(wǎng)電廠情況除外；在不同供電區(qū)域合環(huán)，一般會(huì)有很大的合環(huán)電流，必須經(jīng)過(guò)潮流計(jì)算才能確定合環(huán)電流大小。通常在兩站間低壓線路合環(huán)操作應(yīng)注意的問(wèn)題有：

1）調(diào)度員必須清楚要合環(huán)的線路是否處于同一系統(tǒng)，必要時(shí)要通過(guò)上級(jí)調(diào)度許可。

2）10kV電壓等級(jí)合環(huán)時(shí)，盡量使合環(huán)的兩個(gè)變電所的10 kV母線在合環(huán)前電壓差在0.1 kV內(nèi)；110 kV電壓等級(jí)合環(huán)時(shí)，盡量使合環(huán)的兩個(gè)變電所的110 kV母線在合環(huán)前電壓差在1 kV內(nèi)。

3）合環(huán)的兩個(gè)變電所上一級(jí)供電電源盡量為同一母線，必要時(shí)將上級(jí)電網(wǎng)先進(jìn)行合環(huán)操作。

4）合環(huán)前應(yīng)進(jìn)行必要的計(jì)算，確保合環(huán)的線路不過(guò)載。

5）一般情況下盡量在負(fù)荷較小時(shí)進(jìn)行合環(huán)操作，此時(shí)環(huán)流較小。

6）對(duì)于低壓有并網(wǎng)電廠的線路合環(huán)，需要盡量降低電廠機(jī)組出力，調(diào)整兩側(cè)母線電壓幅值，減少合環(huán)電流。

7）盡量減少由于低壓合環(huán)產(chǎn)生電磁環(huán)網(wǎng)，如必須形成電磁環(huán)網(wǎng)，應(yīng)盡可能縮短合環(huán)時(shí)間。

不同電壓等級(jí)的電磁環(huán)網(wǎng)會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的的弊端，具體電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)如下幾個(gè)方面：

1）易造成系統(tǒng)熱穩(wěn)定破壞。如果在主要的負(fù)荷中心，用高低壓電磁環(huán)網(wǎng)供電而又帶重負(fù)荷時(shí)，當(dāng)高一級(jí)電壓線路斷開(kāi)后，所有原來(lái)帶的全部負(fù)荷將通過(guò)低一級(jí)電壓線路送出，容易出現(xiàn)超過(guò)導(dǎo)線熱穩(wěn)定電流的問(wèn)題。

2）易造成系統(tǒng)動(dòng)穩(wěn)定破壞。正常情況下，兩側(cè)系統(tǒng)間的聯(lián)絡(luò)阻抗將略小于高壓線路的阻抗。而一旦高壓線路因故障斷開(kāi)，系統(tǒng)間的聯(lián)絡(luò)阻抗將突然增大(突變?yōu)閮啥俗儔浩髯杩古c低壓線路阻抗之和，而線路阻抗的標(biāo)幺值又與運(yùn)行電壓的平方成正比)，因而極易超過(guò)該聯(lián)絡(luò)線的暫態(tài)穩(wěn)定極限，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。

3）不利于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。500 kV與220 kV線路的自然功率值相差極大，同時(shí)500 kV線路的電阻值 (多為4×400 mm2導(dǎo)線)也遠(yuǎn)小于220 kV線路 (多為2×240 mm2或1×400 mm2導(dǎo)線)的電阻值。在500 kV與220 kV電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行情況下，許多系統(tǒng)潮流分配難于達(dá)到最經(jīng)濟(jì)。目前北京電網(wǎng)內(nèi)合環(huán)會(huì)出現(xiàn)500 kV與 110 kV、甚至是10 kV的電磁環(huán)網(wǎng)，個(gè)別站合環(huán)出現(xiàn)跨越多個(gè)供電區(qū)域的電磁環(huán)網(wǎng)。

4）需要裝設(shè)高壓線路因故障停運(yùn)后的連鎖切機(jī)、切負(fù)荷等安全自動(dòng)裝置。但實(shí)踐說(shuō)明，安全自動(dòng)裝置本身拒動(dòng)、誤動(dòng)影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

3 合環(huán)操作建議

隨著北京電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，分區(qū)供電格局日益細(xì)化，不同供電區(qū)域間電磁合環(huán)屢見(jiàn)不鮮。針對(duì)電網(wǎng)低壓合環(huán)問(wèn)題，提出如下建議：

1）對(duì)于110 kV變電所站內(nèi)合環(huán)操作，要求110 kV合環(huán)斷路器裝設(shè)過(guò)電流保護(hù)，如果該不能裝設(shè)過(guò)電流保護(hù)而母線聯(lián)絡(luò)斷路器具備過(guò)電流保護(hù)時(shí)，盡量用母線聯(lián)絡(luò)斷路器進(jìn)行合環(huán)，在110 kV合環(huán)操作過(guò)程中投入，正常情況下退出運(yùn)行。如110 kV六圈站，站內(nèi)110 kV系統(tǒng)合環(huán)涉及北京主網(wǎng)第三、五區(qū)合環(huán)，既可進(jìn)線斷路器合環(huán)，也可母線聯(lián)絡(luò)斷路器合環(huán)，應(yīng)盡量采用裝設(shè)合環(huán)保護(hù)的母線聯(lián)絡(luò)斷路器進(jìn)行合環(huán)操作。

2）如果110 kV母線聯(lián)絡(luò)斷路器沒(méi)有裝設(shè)母線聯(lián)絡(luò)斷路器過(guò)電流保護(hù)，當(dāng)110 kV在不同分區(qū)間調(diào)整供電方式時(shí)，應(yīng)采用“先斷后通”的操作方式。對(duì)于站內(nèi)35、10 kV母線分段斷路器合環(huán)利用過(guò)流保護(hù)作為合環(huán)操作的后備保護(hù)，一般不考慮110 kV側(cè)先合環(huán)的方式，而采取中、低壓側(cè)直接進(jìn)行合環(huán)操作方式。當(dāng)操作時(shí)運(yùn)行人員應(yīng)盡量將需合環(huán)的兩端段母線電壓盡量調(diào)至一致，并以電壓較低側(cè)為基準(zhǔn)。由于穿越110 kV變壓器合環(huán)，大大增加了合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)阻抗，將減少合環(huán)電流峰值。

3）35 kV線路合環(huán)操作也是要求35 kV變電所的母聯(lián)斷路器或進(jìn)線斷路器裝設(shè)過(guò)流保護(hù)，正常時(shí)停用，合環(huán)操作前投入。未裝設(shè)過(guò)流保護(hù)的調(diào)度戶，按“先斷后通”的方式操作。

4）10 kV線路斷路器合環(huán)操作時(shí)應(yīng)防止環(huán)流過(guò)大而線路斷路器跳開(kāi)后再次重合，由于無(wú)法確定合環(huán)斷路器兩側(cè)功角大小及合環(huán)潮流方向，因此合環(huán)前10 kV線路兩側(cè)的重合閘均應(yīng)停用。

5）市調(diào)和區(qū)調(diào)調(diào)度員應(yīng)明確合環(huán)操作帶來(lái)的電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)算合環(huán)電流大小，確保不會(huì)出現(xiàn)過(guò)載設(shè)備，必要時(shí)兩級(jí)調(diào)度聯(lián)動(dòng)調(diào)整方式后再合環(huán)。

6）應(yīng)聯(lián)系相關(guān)單位維護(hù)電網(wǎng)中重要合環(huán)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，保證計(jì)算數(shù)據(jù)的全面和準(zhǔn)確。研發(fā)低壓合環(huán)潮流計(jì)算軟件，調(diào)度員在合環(huán)操作前，有系統(tǒng)、科學(xué)、準(zhǔn)確的潮流計(jì)算工具作為技術(shù)支持。

低壓合環(huán)可能產(chǎn)生各供電分區(qū)間大電磁環(huán)網(wǎng)，不利于系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，《北京電網(wǎng)調(diào)度規(guī)程》明確要求合環(huán)時(shí)間盡量縮短，調(diào)度員操作時(shí)應(yīng)考慮周到。由于電網(wǎng)內(nèi)無(wú)人站較多，涉及多站合環(huán)操作時(shí)務(wù)必確保各站操作人員均到位后方可合環(huán)，調(diào)度及運(yùn)行人員應(yīng)認(rèn)真監(jiān)視并記錄合環(huán)潮流。

4 實(shí)例分析

以圖1所示系統(tǒng)為例對(duì)合環(huán)操作進(jìn)行分析。110 kV六圈站正常運(yùn)行方式是高六二111斷路器、南六一113斷路器合，分別帶110 kV 4號(hào)、5號(hào)母線運(yùn)行，南六二112斷路器、高六一114斷路器斷開(kāi)備用。其中110 kV高六一線、高六二線上級(jí)電源為高井電廠，位于北京電網(wǎng)第五供電分區(qū)；110 kV南六一線、南六二線上級(jí)電源為220 kV南苑站，位于北京電網(wǎng)第三供電分區(qū)。

圖1 六圈站110 kV母線接線圖

在電網(wǎng)設(shè)備檢修或其他原因需要六圈站倒方式時(shí)，通常是直接合112斷路器、拉111斷路器（或合114斷路器、拉113斷路器），由于上級(jí)電源高井電廠和南苑站110 kV母線分屬不同供電分區(qū)，電源側(cè)兩段母線電壓幅值、相位不等,就可能在合環(huán)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)很大的合環(huán)功率,當(dāng)這個(gè)合環(huán)功率累加六圈站變壓器負(fù)載后，可能導(dǎo)致線路功率超過(guò)線路熱穩(wěn)定極限，發(fā)生保護(hù)跳閘、線路斷線等嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的事故。如表1所示，記錄了近3次合環(huán)電流值。

表1 六圈站高六二、南六二合環(huán)相關(guān)數(shù)據(jù)表

從表1可知六圈站站111，112斷路器同時(shí)處于合入狀態(tài)時(shí)，第三供電分區(qū)和第五供電分區(qū)通過(guò)高井電廠－六圈－南苑，即110 kV高六二線－南六二線聯(lián)通，有功潮流和無(wú)功潮流均由高井電廠流向南苑110 kV母線。三次合環(huán)電流由于操作時(shí)間不同，電源側(cè)母線電壓和相角不同，六圈站內(nèi)負(fù)荷也不同，造成三次合環(huán)電流不一致，但最大合環(huán)電流達(dá)到730 A，已超過(guò)110 kV高六二全線的熱穩(wěn)定極限（部分線路段僅為610 A）。

從每次合環(huán)潮流數(shù)據(jù)中可以看出,影響合環(huán)潮流的因素除了傳統(tǒng)上認(rèn)為的功角差和電壓差,還有系統(tǒng)等值阻抗和負(fù)荷水平的影響。因此調(diào)度部門還可以通過(guò)以下幾種方法來(lái)改善現(xiàn)有合環(huán)操作風(fēng)險(xiǎn)。

1）盡快研發(fā)低壓合環(huán)計(jì)算軟件，隨著電網(wǎng)發(fā)展越來(lái)越復(fù)雜、分區(qū)越來(lái)越細(xì)化，不能憑經(jīng)驗(yàn)合環(huán)。

2）采取主變壓器分列運(yùn)行等措施增加系統(tǒng)等值阻抗。

3）采用更低壓合環(huán)，靠串接變壓器增加合環(huán)阻抗。

4）改變系統(tǒng)的運(yùn)行方式,減小斷路器兩側(cè)的功角差,這種手段涉及大范圍的有功潮流轉(zhuǎn)移,實(shí)際操作非常困難。

5）同時(shí)降低合環(huán)斷路器兩側(cè)的電壓差，爭(zhēng)取為零。

5 結(jié)論

隨著首都電網(wǎng)的不斷發(fā)展,運(yùn)行機(jī)組容量越來(lái)越大、供電分區(qū)越來(lái)越細(xì)，合環(huán)操作將越來(lái)越多，風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)越來(lái)越大。在相位正確的情況下,能否進(jìn)行合環(huán)操作,保證輸電能力和用戶供電,有非常重要的實(shí)際意義。

通過(guò)對(duì)合環(huán)潮流的分析和實(shí)際倒閘操作的總結(jié)可以看出,合環(huán)潮流主要與合環(huán)點(diǎn)的電壓差、相角差、系統(tǒng)等值阻抗和合環(huán)前潮流分布等因素有關(guān)。因此,在合環(huán)操作前,針對(duì)這幾個(gè)因素進(jìn)行初步分析,對(duì)保證合環(huán)安全有重要意義。

［1］夏翔，熊軍，胡列翔.地區(qū)電網(wǎng)的合環(huán)潮流分析與控制[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004，28(22)：76-80.

［2］陳珩.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析[M].北京：水利電力出版社，1985.

［3］鄭廣君，等.北京電網(wǎng)運(yùn)行方式報(bào)告［R］.北京：市電力司公，2009.