福州特高壓變電站500 kV主接線方案優(yōu)化

林毅，林章歲，蔣朋博

(福建省電力有限公司電力經(jīng)濟技術(shù)研究院，福州市350012)

福州特高壓變電站500 kV主接線方案優(yōu)化

林毅，林章歲，蔣朋博

(福建省電力有限公司電力經(jīng)濟技術(shù)研究院，福州市350012)

福州特高壓變電站是特高壓電網(wǎng)進入福建的首站，其500 kV主接線方案對省內(nèi)500 kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和安全穩(wěn)定有重要影響。根據(jù)福州特高壓工程的建設(shè)規(guī)劃和福建500 kV電網(wǎng)特點，分別從電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、潮流分布、短路電流、經(jīng)濟性等方面對福州特高壓變電站500 kV主接線方案進行了分析。福州特高壓500 kV電氣主接線方案未采用三分之二接線數(shù)與主變數(shù)匹配的常規(guī)方案，而采用東、西送電通道分列的方案。分析結(jié)果表明，采用的方案結(jié)合福建電網(wǎng)實際情況，有效地加強了沿海輸電通道，較其他方案對未來電網(wǎng)潮流方式變化有更好的適應(yīng)性，并且還具有投資節(jié)省、施工周期短、運行維護方便等優(yōu)點。

特高壓;變電站;電氣主接線;短路電流;電網(wǎng)規(guī)劃

0 引言

浙北—福州特高壓交流輸變電工程包括浙北、福州2個特高壓變電站和浙北—福州特高壓輸電線路［1］，其前期工作目前已獲重要進展。作為福建省首座交流特高壓變電站，福州特高壓變電站500 kV主接線方案對福建500 kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和安全穩(wěn)定有著重要的影響，同時也得到了有關(guān)方面的關(guān)注。

福州特高壓變電站在國家特高壓電網(wǎng)及福建電網(wǎng)中具有十分重要的作用。目前，福建電網(wǎng)與華東電網(wǎng)間只有2回500 kV線路聯(lián)絡(luò)，且受穩(wěn)定極限制約，最大輸送容量僅約1 700 MW，無法滿足“十三五”期間沿海大型核電投產(chǎn)以及豐水期省內(nèi)余電外送的需求。福州特高壓變電站既是區(qū)外特高壓來電的接受點，亦可成為福建北部沿海大型電源的接入點，并將成為東南沿海特高壓網(wǎng)架及福建北部500 kV電網(wǎng)的重要支撐點。

迄今為止，我國在特高壓變電站電氣主接線設(shè)計方面已積累了一定的經(jīng)驗，并發(fā)表了一系列成果。其主要方法一般是從短路電流、可靠性等對特高壓變電站500 kV電氣主接線方案進行研究［2-9］。本文則根據(jù)福建電網(wǎng)的實際特點，分別從福建電網(wǎng)主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、潮流分布、短路電流、建設(shè)投資等多個方面對福州特高壓500 kV電氣主接線方案進行綜合分析，據(jù)此提出福州特高壓500 kV電氣主接線優(yōu)化方案，為特高壓變電站工程優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 福州特高壓變電站工程概況

按照工程可研報告，福州特高壓變電站遠景規(guī)劃3臺3 000 MVA主變，采用18%阻抗主變，1 000 kV出線6回(浙南2回、廈門2回、向東備用2回)，500 kV出線8回。本期工程安裝2臺主變，架設(shè)往浙南2回1 000 kV出線，500 kV出線4回(笠里2回，寧德核電2回)，2020年前架設(shè)至三陽變2回線。遠景福州特近區(qū)500 kV電網(wǎng)地理接線如圖1所示［10］。

2 福州特高壓站接入后的電網(wǎng)新特點

2.1 系統(tǒng)潮流方式新特點

(1)“北電南送”規(guī)模較大。從分區(qū)電力平衡來看，北部福州、寧德地區(qū)將在相當長時期內(nèi)保持電力外送，并且外送規(guī)模較大;而省內(nèi)南部地區(qū)則為主要負荷區(qū)，缺乏電源，需要通過主網(wǎng)架從北部大量輸送電力。2012年寧德、南平地區(qū)外送最大潮流合計高達2 200 MW以上，寧德核電(本期規(guī)模4× 1 000 MW)投產(chǎn)將進一步增加向南部送電的規(guī)模。

(2)近中期東部沿海電網(wǎng)輸電壓力較大。研究表明，未來福建東部仍將是用電快速增長地區(qū)，近中期，寧德、福州地區(qū)電力盈余很大一部分應(yīng)送往東部沿海地區(qū)。特高壓工程的建設(shè)有效地解決了大規(guī)模外部電力受入的問題，并緩解了南北通道上的送電壓力。隨著寧德負荷發(fā)展，寧德核電的電力輸出大部分就近消納，外送電規(guī)模將逐步減少。

(3)向閩西北地區(qū)的輸電規(guī)模尚存在不確定性。由于西部三明、南平地區(qū)暫無新建電源計劃，需要寧德、福州等地區(qū)送入。但閩西北地處山區(qū)，其負荷發(fā)展較慢。

2.2 福州特高壓變電站近區(qū)電網(wǎng)短路電流

在福州特高壓500 kV母線未分段的情況下，福州特高壓附近的500 kV變電站母線三相短路電流如表1所示。

從表1可以看出，隨著接入電源的增加和電網(wǎng)發(fā)展，福州特高壓近區(qū)主要變電站500 kV母線三相短路電流逐步逼近斷路器遮斷值。遠景福州特高壓站、笠里變電站500 kV母線短路電流均將超過設(shè)備遮斷容量。

對遠景飽和負荷年笠里站500 kV母線三相短路作具體分析，考察其他各變電站對其母線三相短路電流的貢獻。笠里變電站500 kV母線三相短路時，短路電流分布如表2所示。

從表2可以看出，笠里站500 kV母線發(fā)生三相對地短路時，短路電流主要由福州特高壓站提供。因此，為了控制笠里站500 kV母線短路電流，需要對福州特高壓500 kV母線進行分段。

3 福州特高壓500 kV主接線方案

3.1 電氣主接線方案

按照前文分析，福州特高壓500 kV母線需預(yù)先設(shè)計分段方案。根據(jù)短路電流計算結(jié)果可總結(jié)出以下特點:

(1)近期短路電流不大的情況下，分段斷路器可以合環(huán)運行。

(2)中期(2020年左右)福州特高壓2臺主變運行時，笠里站500 kV母線三相短路電流達到59.8～60.4 kA。此時福州特高壓500 kV母線需分段運行，以控制笠里站短路電流。

(3)遠景3臺主變投入時，母線必須分段運行以限制短路電流;遠景即使1臺主變檢修，母線也必須分段運行，否則500 kV母線短路電流仍超標。

遠景福州特高壓500 kV母線分段方式可以采用3臺主變分3段運行(1+1+1)或者分2段運行方式(1+2)。計算表明，(1+2)分段方式不會引起短路電流超標，故推薦按照分2段進行考慮。

本文在文獻［4］研究成果的基礎(chǔ)上，著重對圖2所示的2個福州特高壓500 kV電氣主接線方案進行分析和比較。

方案1中，三陽、寧德核電和向閩西部的備用共6回出線位于西側(cè)分段母線，笠里2回出線位于東側(cè)分段。方案1為設(shè)計推薦方案。方案2與主接線方案1的不同之處在于，方案2將東部沿海4回線與至閩西部4回線分列在東西2個分段上，從而避免了方案1單主變帶單通道的情況。方案2是本文的優(yōu)化方案。

3.2 主接線方案對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的影響

電氣主接線方案1和方案2中500 kV進出線排列方面的主要區(qū)別在于，寧德核電這2回電源線是接西側(cè)分段還是東側(cè)分段。從網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上看，2個方案在初期母線合環(huán)運行時是沒有差別的，但當短路電流增大，特高壓變電站500 kV母線需要分段運行時，2個方案分段方式不同將對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)造成影響。其中，電氣主接線方案1中寧德核電至福州特(由現(xiàn)有的寧德核電至笠里的2回500 kV線路改接而成)線路接入福州特西側(cè)分段，從而加強福建西北部網(wǎng)架，但因福州特東側(cè)分段3號主變帶福州特—笠里雙回線，在特高壓站500 kV母線分段運行的情況下，3號主變?nèi)魴z修或者故障停運，特高壓變電站向福州送電(福州特—笠里)雙回線需隨之停運;尤其是3號主變檢修后，寧德至福州之間只剩下2回500 kV線路，東部沿海500 kV網(wǎng)架明顯削弱，輸電能力減小，不能適應(yīng)寧德至福州之間輸電容量較大的情況。電氣主接線方案2中寧德核電雙回線接福州特東側(cè)分段，維持了現(xiàn)有的寧德至福州之間沿海雙通道、4回500 kV線路結(jié)構(gòu)，東部沿海網(wǎng)架堅強，3號主變停運影響小，寧德至福州之間輸電能力較強。顯然，電氣主接線方案2有利于加強福建東部沿海500 kV網(wǎng)架。

由于2個電氣主接線方案所造成的福州特附近500 kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)差異，從而影響了相應(yīng)的500 kV電網(wǎng)輸電能力。2個方案中遠期不同方式下500 kV潮流結(jié)果對比如表3、4所示。

電氣主接線方案1的2020年正常運行方式潮流計算結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，2020年福州特規(guī)模為2臺主變，500 kV出線6回，分別至寧德核電、笠里、三陽。正常方式潮流滿足要求，但由于方案1寧德核電2回線接至西側(cè)分段，使得寧德地區(qū)向南送電通道只有寧德—洋中2回，并且由于該線路單回長期輸送能力僅2 022 MW。計算表明，2020年8月大方式若寧德—洋中線路1回停運，單回線潮流分別為1 954～2 128 MW(見表3)。在寧德地區(qū)富余電力較多時，將出現(xiàn)N-1過載?？梢?，方案1對東部沿海“北電南送”適應(yīng)性較差。

電氣主接線方案1的遠景正常運行方式潮流計算結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，正常方式潮流滿足要求，但當福州特高壓500 kV東側(cè)分段3號主變故障退出，寧德地區(qū)送福州斷面減少2回線路時，方案1寧德至洋中雙回線每回輸送有功接近1 900 MW(見表4);寧德至洋中雙回線N-1時，另一回線潮流將達到2 100 MW(見表4)，超過線路輸送能力;對于遠景正常檢修方式(3號主變檢修)，由于需要相應(yīng)停運特高壓至笠里的2回500 kV線路，如果寧德至洋中雙回線N-1，另一回線潮流將高達3 100 MW以上，遠遠超出了線路輸送能力。因此，方案1難以適應(yīng)遠景南部電源裝機減少的情況。

電氣主接線方案2的2020年正常方式福州特高壓近區(qū)潮流如圖5所示，正常方式潮流滿足要求，N-1情況下線路最大潮流達到1 930 MW(見表4)，未過載。

電氣主接線方案2的2020年正常方式福州特高壓近區(qū)潮流如圖6所示，正常方式潮流也滿足要求。N-1情況下，線路最大潮流達到1 915 MW(見表4)。遠景福州特高壓東側(cè)3號主變檢修，寧德至洋中雙回線停運1回后，另一回線潮流為1 629 MW(見表4)，仍在線路輸送極限范圍內(nèi)。

由此可見，方案2維持了寧德至福州之間4回500 kV線路的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，能夠較好地適應(yīng)遠景寧德至福州地區(qū)之間的輸電需要。

綜合上述分析，方案2主網(wǎng)架可靠性更高，關(guān)鍵斷面未出現(xiàn)N-1過載，對故障以及電網(wǎng)運行方式變化有著更強的適應(yīng)能力。

3.3 主接線方案對短路電流的影響

福州特高壓500 kV電氣主接線方案對周邊變電站500 kV母線短路電流有影響。本節(jié)對比2個方案的短路電流水平，并研究可行的短路電流控制措施。

3.3.12020 年短路電流

2020年福州特高壓規(guī)模為2臺主變、500 kV母線未分段時，分別考慮福州特高壓1臺主變和2臺主變運行的情形，短路電流分析結(jié)果如表5所示。

由表5可見:(1)2020年福州特2臺主變運行的情況下，正常運行時500 kV母線需要分段以控制笠里站短路電流。(2)此時如果福州特有1臺主變檢修，則可以將500 kV母線合并運行。

3.3.2 遠景短路電流

遠景福州特規(guī)模為3臺主變、500 kV出線8回，考慮到不堵死擴建可能，本文考慮了如下3種情形:

CASE1:福州特3臺主變，8回出線。

CASE2:在CASE1基礎(chǔ)上擴福州特第4臺主變。到未來福州特可能向東擴建主變，福州特東側(cè)分段擴建1臺主變。

CASE3:在CASE1基礎(chǔ)上，電源接入500 kV東側(cè)。假設(shè)遠景有4×1 000 MW機組以雙回500 kV線路接入福州特東側(cè)分段。

短路電流計算結(jié)果如表6所示。

由表可見:3種情況下方案1短路電流均未超過遮斷值;方案2福州特東側(cè)分段以及相鄰的笠里變500 kV母線短路電流較大，擴建第4號主變時笠里短路電流達到60.78 kA，超過斷路器運行閾值。方案1福州特500 kV母線東西分段短路電流分布較均衡。

3.3.3 短路電流控制措施

就福建電網(wǎng)而言，控制500 kV系統(tǒng)短路容量的可選措施有:(1)提高變壓器阻抗，特高壓變壓器高中阻抗比可選用18%～21%，如果選用更高阻抗的變壓器，還可進一步降低短路電流。計算表明，如果高中阻抗比由18%上升至20%，對表6增擴4號主變的場景，方案2笠里變短路電流由60.78 kA下降至59.4kA(見表7)。(2)母線分段運行。(3)500 kV電網(wǎng)解環(huán)。(4)改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。(5)加限流設(shè)備。根據(jù)福建電網(wǎng)實際情況，500 kV電網(wǎng)不具備解環(huán)運行的條件，因此可采取提高變壓器阻抗或改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等措施。

3.4 主接線方案經(jīng)濟比較

福州特高壓變電站500 kV主接線方案因母線分段開關(guān)和配串方案不同，變電站內(nèi)設(shè)備布置、總平尺寸、建設(shè)投資等均有所變化。

經(jīng)分析，在技術(shù)方面，對比方案1而言，方案2主要有如下優(yōu)勢:一是500 kV GIS分支母線比方案1減少約800單相·m;二是500 kV GIS分支母線不交叉，安裝檢修更方便;三是由于方案2的500 kV GIS分支母線無需分層，并行布置，電氣總平面縱向尺寸可減少4 m，全站圍墻內(nèi)面積減少約1 064 m2。

在經(jīng)濟方面，方案2較方案1節(jié)省投資約1 042.3萬元［11］(見表8)。

4 結(jié)論

(1)本文分別從電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、潮流分布、短路電流控制、經(jīng)濟性等方面對福州特高壓站500 kV電氣主接線方案進行了綜合分析。經(jīng)分析認為，特高壓變電站500 kV電氣主接線對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、潮流以及短路電流有重要影響。

(2)本文方案1寧德核電接入福州特高壓500 kV西段母線，雖然加強了閩西北網(wǎng)架，降低了福州地區(qū)短路電流，然而在福州特高壓500 kV母線分段運行期間，該方案削弱了寧德向沿海南部的輸電能力，對未來可能出現(xiàn)的寧德地區(qū)向沿海南部大規(guī)模送電的適應(yīng)性較差。

(3)兼顧未來地區(qū)發(fā)展的不確定性，本文方案2較其他方案對未來電網(wǎng)方式變化有更好的適應(yīng)性，技術(shù)優(yōu)勢明顯，經(jīng)濟性也較優(yōu)。綜合各方面分析，本文建議方案2作為福州特高壓變電站500 kV電氣主接線方案。

［1］［著者不詳］.國家電網(wǎng)總體規(guī)劃設(shè)計［R］.2009版.北京:國家電網(wǎng)公司，2010.

［2］王葵，尹成竹，沙智明.濟南特高壓變電站500 kV主接線方案［J］.電力建設(shè)，2010，31(10):43-49.

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［4］［著者不詳］.浙北—福州特高壓交流工程可行性研究:福州1 000 kV變電站接入系統(tǒng)設(shè)計［R］.上海:華東電力設(shè)計院，2012.

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［6］劉建坤，胡亞山，趙靜波，等.特高壓接入對江蘇電網(wǎng)的影響展望［J］.江蘇電機工程，2010，29(1):1-3.

［7］應(yīng)林志，王建全.負荷模型對特高壓接入浙江電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定分析的影響［J］.華東電力，2011，39(1):121-124.

［8］王昊，王展，陳斌.蘇州1 000 kV特高壓變電站500 kV電氣主接線方案技術(shù)經(jīng)濟分析［J］.電力建設(shè)，2013，34(4):43-46.

［9］李勇，黃寶瑩，魯宗相，等.基于電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的特高壓變電站電氣主接線設(shè)計原則［J］.電力建設(shè)，2011，31(1):27-33.

［10］［著者不詳］.福建省“十二五”主網(wǎng)架滾動規(guī)劃報告［R］.福州:福建省電力有限公司電力經(jīng)濟技術(shù)研究院，2012.

［11］林毅.福州特高壓變電站500 kV電氣主接線方案優(yōu)化論證［R］.福州:福建省電力有限公司電力經(jīng)濟技術(shù)研究院，2013.

(編輯:魏希輝)

Scheme Optimization of 500 kV Main Electrical Connection in Fuzhou UHV Substation

LIN Yi，LIN Zhangsui，JIANG Pengbo
(Fujian Electric Power Economic Research Institute，F(xiàn)uzhou 350012，China)

As the first station of UHV power grid in Fujian，the 500 kV main connection scheme of Fuzhou UHV substation affects the steady and security of local power grid.According to the construction schedule of Fuzhou UHV substation and the characters of Fujian 500 kV power grid，this paper analyzed the 500 kV main electrical connection of Fuzhou UHV substation，from the aspects of network structure，power flow distribution，short-circuit current，economical efficiency and so on.Instead of traditional scheme in which the number of transformer matches the number of 3/2 unit，the recommended scheme for 500 kV main connection of Fuzhou UHV substation is setting up east and west transmission channel respectively.The analysis results show that the recommended scheme combines the actual situation of Fujian power grid，and can efficiently enhance the power transmit thoroughfare of coastal area.The recommended scheme has a better adaptability to the change of future power flow distribution than other schemes，also has the advantages of investment saving，short construction period，convenient operation and maintenance，etc.

UHV;substation;main electrical connection;short circuit current;power grid planning

TM 645

A

1000－7229(2014)01－0024－06

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.01.005［HT］

國家電網(wǎng)公司科技項目(521300130CSH)。

2013-08-10

2013-09-26

林毅(1985)，男，博士，工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃以及電力系統(tǒng)最優(yōu)潮流計算方面的研究，E-mail:liny-02@163.com;

林章歲(1964)，男，碩士，高級工程師，長期從事電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計工作;

蔣朋博(1974)，女，碩士，高級工程師，長期從事電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計相關(guān)工作。