電網(wǎng)斷面熱穩(wěn)定限額的計(jì)算

葉 劍，王偉紅

（國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力調(diào)度控制中心，上海 200122）

電網(wǎng)斷面的熱穩(wěn)定性，是指當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生元件（如線路、發(fā)電機(jī)、變壓器等）斷開(kāi)時(shí)，其他元件的潮流在其過(guò)負(fù)荷能力范圍內(nèi)，溫升不超過(guò)允許值。為了確保電網(wǎng)安全運(yùn)行，滿足熱穩(wěn)定限額的要求，必須將電網(wǎng)斷面潮流控制在熱穩(wěn)定限額之內(nèi)。因此，熱穩(wěn)定限額的確定，是系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算的一項(xiàng)重要內(nèi)容，直接影響到電網(wǎng)開(kāi)機(jī)方式和運(yùn)行方式的安排。作為目前國(guó)內(nèi)最大的都市電網(wǎng)，上海電網(wǎng)是一個(gè)電源和負(fù)荷都集中的密集型電網(wǎng)，電網(wǎng)內(nèi)500 k V和220 k V線路平均長(zhǎng)度分別為22.4 km和10.6 km。由于電氣聯(lián)系緊密，上海電網(wǎng)通常不存在暫態(tài)穩(wěn)定和靜態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題。因此，通過(guò)計(jì)算確定潮流斷面的熱穩(wěn)定限額，成為穩(wěn)定計(jì)算的主要工作之一。

1 熱穩(wěn)定限額計(jì)算方法

根據(jù)《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》（DL／T 755—2001）要求，電網(wǎng)運(yùn)行應(yīng)滿足N－1原則，即電網(wǎng)中任一元件，發(fā)生單一故障狀況下應(yīng)確保電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。因此，斷面熱穩(wěn)定限額的確定，通?？紤]在電網(wǎng)發(fā)生N－1故障后，剩余各元件電流不超過(guò)其電流限額（考慮過(guò)負(fù)荷能力）。為直觀起見(jiàn)，通常按斷面或元件的有功潮流進(jìn)行計(jì)算。

在計(jì)算熱穩(wěn)定限額時(shí)，應(yīng)首先明確電網(wǎng)運(yùn)行方式和開(kāi)機(jī)方式（包括機(jī)組開(kāi)機(jī)組合和發(fā)電出力），計(jì)算正常狀況下的斷面潮流（基態(tài)潮流）。針對(duì)該斷面選擇最為嚴(yán)重的N－1故障，即最易引起斷面剩余元件潮流越限的故障，并計(jì)算故障后最易過(guò)載元件的潮流；根據(jù)該潮流與元件潮流限額（考慮過(guò)負(fù)荷能力的事故后限額）的比例關(guān)系及發(fā)生N－1前的基態(tài)潮流，即可確定斷面熱穩(wěn)定限額，計(jì)算式為：

式中：P1為發(fā)生N－1后最易過(guò)載元件的潮流；P1max為該元件潮流限額；PD為斷面基態(tài)潮流；Px為需要確定的斷面熱穩(wěn)定限額。

由式（1）可知，斷面限額的含義是為了預(yù)防發(fā)生N－1后，斷面元件中任一元件的潮流越限，必須將該斷面潮流控制在一定限額內(nèi)，這個(gè)限額便是斷面潮流熱穩(wěn)定限額。選擇的N－1故障和斷面元件不同，計(jì)算出的斷面限額也可能不同。在確定斷面限額時(shí)，應(yīng)選擇最嚴(yán)重的N－1故障和故障后最易過(guò)載的元件進(jìn)行計(jì)算。如不能確定最嚴(yán)重的故障和最易過(guò)載的元件，則必須對(duì)斷面中可能導(dǎo)致元件潮流越限的N－1故障和斷面中各個(gè)元件進(jìn)行掃描與計(jì)算，并且在限額計(jì)算結(jié)果中選取最小值作為最終的斷面限額。

2 熱穩(wěn)定限額計(jì)算要點(diǎn)

在計(jì)算斷面限額時(shí)，電網(wǎng)的負(fù)荷水平和開(kāi)機(jī)方式是計(jì)算的基礎(chǔ)，而N－1故障的選擇則是計(jì)算的關(guān)鍵。

2.1 負(fù)荷水平

電網(wǎng)潮流與電網(wǎng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷分布有關(guān)，而因各節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷特性存在差異，不同負(fù)荷水平下各節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷分布也不同，斷面潮流限額的計(jì)算結(jié)果也會(huì)有所不同。在計(jì)算斷面潮流限額時(shí)，必須先確定電網(wǎng)負(fù)荷水平，但負(fù)荷在一定范圍內(nèi)變化（如10%以內(nèi)），斷面限額可認(rèn)為維持不變。

2.2 開(kāi)機(jī)方式

電網(wǎng)潮流還取決于開(kāi)機(jī)方式，包括機(jī)組開(kāi)機(jī)組合與發(fā)電出力，不同開(kāi)機(jī)方式下斷面限額也不同。以圖1為例，受電系統(tǒng)A通過(guò)a、b兩個(gè)通道（各兩回線）從系統(tǒng)B受電，系統(tǒng)B中包含多個(gè)電源點(diǎn)，其中電廠c經(jīng)通道a直接與系統(tǒng)A聯(lián)絡(luò)，其他電廠與小系統(tǒng)A電氣距離相對(duì)較遠(yuǎn)。

圖1 受電系統(tǒng)潮流示例

從斷面限額計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)電廠c發(fā)電出力為600 MW的狀況下，斷面（a＋b）的限額為900 MW；而當(dāng)電廠c發(fā)電出力為1.20 GW的狀況下，斷面（a＋b）的限額為1.05 GW。以上結(jié)果可通過(guò)潮流分析的方法予以解釋?zhuān)阂蛲ǖ纀的設(shè)備限額較小，斷面（a＋b）的輸電瓶頸在通道b；而受電系統(tǒng)A，通過(guò)斷面（a＋b）從系統(tǒng)B的受電潮流不變，當(dāng)電廠c出力增加時(shí)，通道a的潮流增大、通道b的潮流減小，緩解了輸電瓶頸（通道b的輸送壓力），因此斷面限額也相應(yīng)增大。換言之，為了提高上述斷面限額，應(yīng)增加電廠c的發(fā)電出力。

從圖1受電系統(tǒng)潮流示例可看出，受電系統(tǒng)A的受電斷面限額，不僅與系統(tǒng)A本身的開(kāi)機(jī)方式有關(guān)，還與系統(tǒng)B內(nèi)部的開(kāi)機(jī)方式有關(guān)。因此，為準(zhǔn)確計(jì)算斷面限額，須明確機(jī)組開(kāi)機(jī)方式。

2.3 N－1故障選擇

需確定潮流限額的斷面，通常為電網(wǎng)主要潮流輸送斷面，包括機(jī)組集中區(qū)域的發(fā)電送出斷面、負(fù)荷中心的受進(jìn)斷面和由電源點(diǎn)向負(fù)荷中心的潮流輸送斷面等。為準(zhǔn)確計(jì)算斷面限額，須選擇最嚴(yán)重的N－1故障，通常為組成斷面的某一元件（線路、主變或線路與主變所在的母線）故障。

2.3.1 斷面元件N－1選擇

在進(jìn)行N－1故障選擇時(shí)，應(yīng)考慮斷面元件的阻抗和限額，找出故障后潮流最易越限的元件。通常元件阻抗越小，輸送的潮流越大、越易過(guò)載；元件限額越小也越易過(guò)載。對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 元件限額與阻抗對(duì)元件過(guò)載的影響

由表1可看出，元件限額小、阻抗小的元件，最易過(guò)載；元件限額大、阻抗大的元件，不易過(guò)載；元件限額大、阻抗小或元件限額小、阻抗大的元件，過(guò)載難易度介于以上兩者之間。根據(jù)該對(duì)應(yīng)關(guān)系，最嚴(yán)重的N－1故障，通常為阻抗和限額較大的元件故障，并導(dǎo)致阻抗及限額小的元件過(guò)載，應(yīng)依此計(jì)算斷面限額。

對(duì)于由3個(gè)元件組成的斷面，在選擇最嚴(yán)重的N－1故障時(shí)與2個(gè)元件組成的斷面略有不同：對(duì)于3個(gè)元件限額相同的斷面，通常阻抗值居中的元件故障最為嚴(yán)重，這是因?yàn)樵诠收锨昂髷嗝娉绷骰静蛔兊臓顩r下，阻抗值居中的元件故障后，剩余2個(gè)元件的潮流分布最不均衡，最易引起阻抗最小的元件潮流越限；對(duì)于3個(gè)元件限額不同的斷面，則應(yīng)綜合考慮元件阻抗和限額予以確定，需注意最易過(guò)載的元件未必是潮流最大或限額最小的元件。

2.3.2 母線N－1選擇

對(duì)于雙母雙分段接線，一段母線檢修，通常為對(duì)角線側(cè)母線故障最為嚴(yán)重，這時(shí)剩余兩段母線分列運(yùn)行。但應(yīng)注意，正一母檢修時(shí)副二母故障，與副二母檢修時(shí)正一母故障不同，因母線檢修時(shí)該母線上的所有元件均已“倒空”。

對(duì)于3／2接線，一段母線檢修，通常為同側(cè)的另一段母線故障最嚴(yán)重，此時(shí)該側(cè)各串元件均“出串”；對(duì)角線側(cè)的母線故障通常也較為嚴(yán)重，此時(shí)剩余兩段母線分列運(yùn)行。

3 涉及直流或負(fù)荷切除的斷面限額計(jì)算

熱穩(wěn)定限額算式（P1／P1max＝PD／Px）的依據(jù)：在故障前后機(jī)組出力與負(fù)荷不變的狀況下，故障后斷面剩余元件潮流與故障前斷面潮流成正比。但在有些母線故障狀況下，直流極功率或終端負(fù)荷可能被切除，這時(shí)斷面輸送潮流不能視為等比例變化，也就不能簡(jiǎn)單采用熱穩(wěn)定限額算式的等比例算法來(lái)確定斷面限額，而應(yīng)考慮故障后直流或終端負(fù)荷功率失卻的影響，可以采取六大步驟進(jìn)行計(jì)算。

步驟一，計(jì)算正常狀況下的斷面潮流PD；步驟二，計(jì)算N－1故障后最易過(guò)載元件的潮流P1（考慮直流或負(fù)荷已切除）；步驟三，計(jì)算故障前考慮直流或負(fù)荷不存在（功率置為0，下同）狀況下的斷面潮流P′D；步驟四，計(jì)算故障前考慮直流或負(fù)荷不存在狀況下斷面潮流的變化ΔP＝ P′D－PD；步驟五，根據(jù)P1／P1max＝P′D／P′x，計(jì)算故障前考慮直流或負(fù)荷不存在狀況下的斷面限額P′x；步驟六，計(jì)算最終斷面限額Px＝P′x－ΔP。

與通常斷面限額計(jì)算相比，涉及直流或負(fù)荷切除的斷面限額計(jì)算，應(yīng)先計(jì)算直流或負(fù)荷不存在狀況下的斷面潮流及斷面限額（步驟一、步驟二和步驟五）；考慮直流或負(fù)荷切除對(duì)限額的影響，即計(jì)算直流或負(fù)荷存在的狀況下斷面潮流的變化，并進(jìn)行限額修正（步驟三、步驟四和步驟六）。

4 結(jié)論

1）計(jì)算熱穩(wěn)定限額時(shí)，應(yīng)首先確定電網(wǎng)負(fù)荷水平和機(jī)組出力安排；

2）確定限額時(shí)，應(yīng)根據(jù)元件阻抗和設(shè)備限額，選擇最嚴(yán)重的N－1故障及最易過(guò)載的元件進(jìn)行計(jì)算；

3）在涉及直流或負(fù)荷切除的N－1故障時(shí)，應(yīng)考慮直流或負(fù)荷切除對(duì)斷面潮流的影響。