江蘇特高壓建設(shè)時期短路電流限制措施

陳　倩，湯　奕

（東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京210096）

江蘇特高壓建設(shè)時期短路電流限制措施

陳倩，湯奕

（東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京210096）

淮滬特高壓工程投產(chǎn)運行初期，會在江蘇特高壓沿線形成1000 kV/500 kV/220 kV三級電磁環(huán)網(wǎng)，對電網(wǎng)短路電流產(chǎn)生影響。BPA短路電流計算結(jié)果表明，特高壓接入江蘇電網(wǎng)后，石牌500 kV母線以及蘇南負荷密集子系統(tǒng)中部分220 kV母線的短路電流均會有不同程度的提高。針對上述現(xiàn)象提出電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)、負荷轉(zhuǎn)移等基于動態(tài)分區(qū)策略的短路電流抑制措施，結(jié)合實際系統(tǒng)算例進行分析。算例分析結(jié)果驗證了所述限流措施的可靠性，對工程實際降低短路電流水平有一定參考價值。

江蘇特高壓；三級電磁環(huán)網(wǎng)；短路電流；分區(qū)控制策略

“十二五”期間，華東電網(wǎng)成為交直流特高壓工程建設(shè)的主戰(zhàn)場，“皖電東送”北半環(huán)建成投運后，華東電網(wǎng)將形成世界上首個交流特高壓雙環(huán)網(wǎng)［1］。1000 kV皖電東送淮南至上海特高壓交流輸電示范工程（簡稱淮滬特高壓）在提高電網(wǎng)輸電能力的同時，也會在特高壓沿線形成1000 kV/500 kV/220 kV三級電磁環(huán)網(wǎng)，改變特高壓落點附近輸電網(wǎng)架的拓撲結(jié)構(gòu)、潮流分布、穩(wěn)定特性、短路電流［2］，對電網(wǎng)供電可靠性、安全性等產(chǎn)生一定影響。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的逐漸加強，電網(wǎng)內(nèi)部聯(lián)系的日益緊密，負荷及負荷密度的持續(xù)增長，江蘇省內(nèi)三級電磁環(huán)網(wǎng)下部分負荷密集區(qū)的500 kV和220 kV母線的短路電流均出現(xiàn)不同程度的提升。如何有效限制電網(wǎng)短路電流水平是目前江蘇特高壓電網(wǎng)建設(shè)過程中亟待解決的問題。以淮滬北半環(huán)工程建成投運后的江蘇電網(wǎng)為研究對象，以江蘇電網(wǎng)2016年運行規(guī)劃數(shù)據(jù)為研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析省內(nèi)三級電磁環(huán)網(wǎng)現(xiàn)象引起的短路電流問題，并提出合理可行的限流措施。

1　江蘇電網(wǎng)概況

1.1江蘇特高壓電網(wǎng)現(xiàn)狀

自2012年起，江蘇積極響應(yīng)國家政策，同特高壓交直流電網(wǎng)密切銜接，并成為特高壓交直流大同步電網(wǎng)的一部分［3］。包括1000 kV淮南—南京—上海特高壓交流輸變電工程、1000 kV錫盟—南京交流特高壓輸變電工程、±800 kV錫盟—泰州直流特高壓工程等計劃在內(nèi)的江蘇特高壓工程于2014年起進入加速建設(shè)階段。至此，江蘇電網(wǎng)已逐步由500 kV骨干網(wǎng)架向特高壓骨干網(wǎng)架轉(zhuǎn)變，對外受電容量和距離將分別大幅增加。此外，江蘇也積極拓展西南水電、三峽水電等“西電東送”電力，擴大內(nèi)蒙古、山西、新疆、陜西等“北電南送”規(guī)模，到2020年區(qū)外來電力爭達到30 000 MW。

對于江蘇電網(wǎng)而言，特高壓交直流系統(tǒng)接入后，無論區(qū)外來電規(guī)模和受電比例，還是江蘇電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、潮流分布以及同外界電網(wǎng)的電氣聯(lián)系，都發(fā)生了巨大變化［4］。江蘇特高壓交直流成網(wǎng)格局的形成，在加速促進江蘇電網(wǎng)原有網(wǎng)架的發(fā)展，有效提高江蘇電網(wǎng)的受電能力的同時［3］，也伴隨著1000 kV/500 kV/220 kV三級電磁環(huán)網(wǎng)的出現(xiàn)，這將給江蘇電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來風(fēng)險，增加電網(wǎng)運行控制難度。針對上述情況，急需研究特高壓初步成網(wǎng)后與500 kV/220 kV電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運行控制策略，充分發(fā)揮特高壓電網(wǎng)的輸電能力。

1.2短路電流現(xiàn)狀

淮滬北半環(huán)工程建成投運后，特高壓系統(tǒng)將與江蘇省內(nèi)已有的500 kV/220 kV電網(wǎng)之間構(gòu)成三級電磁環(huán)網(wǎng)。在原有電壓等級的電網(wǎng)傳輸負荷能力接近極限的情況下，接有更大容量機組的高壓線路投入運行將使該地區(qū)電網(wǎng)容量更大，聯(lián)系更加緊密，從而導(dǎo)致短路電流問題更突出［4］。系統(tǒng)容量的明顯增大以及系統(tǒng)阻抗的相對減小，都更容易造成江蘇電網(wǎng)母線短路電流水平的進一步提升。表1具體給出了省內(nèi)存在短路電流超標(biāo)問題的節(jié)點以及相應(yīng)地短路電流。

表1　江蘇三相短路電流超標(biāo)現(xiàn)狀

由表中數(shù)據(jù)可見，淮滬北半環(huán)工程建成投運后，江蘇電網(wǎng)短路電流分布情況：

（1）1000 kV站點不存在短路電流超標(biāo)問題。

（2）個別500 kV站點短路電流水平超標(biāo)。蘇石牌500 kV側(cè)母線三相短路電流高達74.3 kA，已超出該電壓等級斷路器的遮斷電流。

（3）部分220 kV站點短路電流水平超標(biāo)。蘇木瀆、望亭、東善橋、泰興等220 kV側(cè)母線三相短路電流超出該電壓等級的遮斷電流值。

短路電流超標(biāo)不僅對電力設(shè)備造成的損壞嚴重，而且會破壞局部甚至整個江蘇電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，對工業(yè)生產(chǎn)、居民生活等產(chǎn)生不可估量的影響。因此，采取合理的限流措施抑制江蘇特高壓電網(wǎng)短路電流在現(xiàn)階段顯得尤為重要。

2　短路電流限制方法

針對電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展過程中出現(xiàn)的短路電流超標(biāo)問題，學(xué)者們在改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、變更系統(tǒng)運行方式及加裝限流設(shè)備等進行了研究，總結(jié)出的限流方法主要有以下幾類［5］：（1）低電壓等級分層分區(qū)運行；（2）變電站母線分列運行；（3）變壓器中性點經(jīng)小電抗接地；（4）利用高阻抗設(shè)備；（5）串聯(lián)電抗器；（6）直流背靠背技術(shù)；（7）提高斷路器遮斷容量。目前，江蘇電網(wǎng)多采用分層分區(qū)運行的格局，對已實現(xiàn)分層分區(qū)運行的電網(wǎng)，動態(tài)分區(qū)技術(shù)無疑是抑制短路電流的一種快速有效手段之一。動態(tài)分區(qū)技術(shù)指正常情況下電網(wǎng)作為一個整體運行、故障情況下電網(wǎng)自動分裂的分區(qū)技術(shù)［6］，文中介紹以下3種基于分區(qū)技術(shù)的限流方法。

2.1電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)

在特高壓電網(wǎng)建設(shè)初期，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較薄弱，一般采用電磁環(huán)網(wǎng)合環(huán)運行方式；但隨著電網(wǎng)的發(fā)展和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的加強，針對合環(huán)運行出現(xiàn)的潮流轉(zhuǎn)移、短路電流超標(biāo)等問題，需要進一步實施電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)運行［7］。在進行電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)時，需要考慮解環(huán)原則，如果不滿足解環(huán)條件，將會導(dǎo)致當(dāng)高壓等級的元件因故障斷開時，影響僅依靠此元件供電的用戶；另外，部分設(shè)備可能會出現(xiàn)超過輸送能力的現(xiàn)象，從而造成“窩電”或“缺電”現(xiàn)象。電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)原則主要有以下3條［5］：

（1）若220 kV電網(wǎng)過于密集導(dǎo)致220 kV母線短路電流增加，超過設(shè)備的遮斷容量，則應(yīng)解環(huán)。

（2）對于處在一個或多個電磁環(huán)網(wǎng)的通道上的短路電流超標(biāo)站點，應(yīng)盡量選擇在提供支路電流最大的線路斷開電磁環(huán)網(wǎng)；

（3）解環(huán)時要保證電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、潮流分布合理，系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平及短路電流水平均滿足要求。

2.2負荷轉(zhuǎn)供

江蘇電網(wǎng)分層分區(qū)后將形成1個或多個500 kV變電站帶動一片220 kV地區(qū)的格局，各220 kV分區(qū)間通過一個或多個解環(huán)點及備用聯(lián)絡(luò)通道進行聯(lián)系。分區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道主要承擔(dān)以下功能［8］：

（1）在500 kV主變檢修或其它重大檢修時，作為系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)通道將兩個相鄰分區(qū)合環(huán)運行；

（2）作為分區(qū)間調(diào)整負荷的備用線路，當(dāng)某一分區(qū)出現(xiàn)火機組跳閘等原因造成分區(qū)供電能力不足時，由相鄰分區(qū)通過聯(lián)絡(luò)線轉(zhuǎn)供負荷。

各分區(qū)間備用聯(lián)絡(luò)線的不僅可使不同分區(qū)之間相互支援，同時也為分區(qū)之間的負荷轉(zhuǎn)移提供了條件。當(dāng)某一分區(qū)中出現(xiàn)短路電流超標(biāo)問題，通過備用聯(lián)絡(luò)線將部分負荷轉(zhuǎn)移到另一分區(qū)，動態(tài)調(diào)整局部分區(qū)結(jié)構(gòu)，改善短路電流。因此如何實現(xiàn)短路電流超標(biāo)情況下分區(qū)負荷的快速轉(zhuǎn)移，成為抑制短路電流的關(guān)鍵所在。

2.3增設(shè)故障限流器

故障限流器（FCL）是通過改變等效阻抗起到改善短路電流作用的，在正常情況下FCL等效阻抗為0，不會影響系統(tǒng)的潮流分布和電壓水平；當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，F(xiàn)CL將投入限流阻抗以限制短路電流［6］，是一種可靠性高的理想電力系統(tǒng)故障限流裝置。當(dāng)電網(wǎng)中存在多個短路電流超標(biāo)節(jié)點且分布在不同位置時，如何從穩(wěn)定性和經(jīng)濟性角度出發(fā)，確定FCL的安裝數(shù)量、安裝位置和安裝阻抗成為需要解決的問題［9］。這是一個大規(guī)模的非連續(xù)、非線性的多目標(biāo)優(yōu)化問題。

3　江蘇特高壓電網(wǎng)短路電流限制措施

針對江蘇電網(wǎng)中存在的短路電流問題，文中主要通過電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)和負荷轉(zhuǎn)供的動態(tài)分區(qū)方式進行短路電流抑制。采取相應(yīng)抑制措施后，遵循《電網(wǎng)短路電流計算標(biāo)準(zhǔn)》中的計算原則，利用BPA軟件對江蘇電網(wǎng)三相短路電流進行了計算，結(jié)果表明短路電流水平均降至遮斷電流以下（見表2）。以蘇州西220 kV子系統(tǒng)和石牌500 kV站點短路電流問題為例，進行具體限流措施的研究與數(shù)據(jù)分析。

3.1電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)算例

由圖1可見，500 kV熟南—石牌—車坊—木瀆線路與蘇州西子系統(tǒng)中的220 kV站點構(gòu)成500 kV/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)，從而造成木瀆、望亭、向陽220 kV側(cè)短路電流超標(biāo)，陽山220 kV側(cè)短路電流接近遮斷電流。斷開220 kV望亭-陽山雙回線和220 kV望亭—建林雙回線，蘇州西子系統(tǒng)中220 kV側(cè)短路電流超標(biāo)問題消失。具體數(shù)據(jù)如表3所示。

通過表3中短路電流裕度這一評估指標(biāo)可看出，蘇州西子系統(tǒng)中短路電流超標(biāo)站點在電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)運行后均得到了抑制。其中，蘇木瀆2在解環(huán)運行后短路電流降到遮斷電流以下，并留有5.6%裕度，蘇望亭在解環(huán)運行后短路電流裕度為14.2%，蘇向陽則留有21.6 %的裕度。由此可見，通過采取解開電磁環(huán)網(wǎng)的方式，可以適當(dāng)削減電氣聯(lián)系，增大聯(lián)系電抗，從而將短路電流降低至遮斷電流以下。但同時，解環(huán)運行會影響系統(tǒng)中的潮流分布以及電網(wǎng)供電可靠性。本例中，解環(huán)點為發(fā)電廠出口向外的點，解環(huán)后陽山、建林方向的站點供電可靠性會受到一定程度的影響。

表2　限流前后江蘇三相短路電流超標(biāo)現(xiàn)狀

圖1　蘇州西220 kV子系統(tǒng)

表3　解環(huán)前后蘇州西地區(qū)220 kV側(cè)三相短路電流值比較

3.2負荷轉(zhuǎn)供算例

由圖2知，石牌站有三條500 kV母線，分別是蘇石牌K、蘇石牌H和蘇石牌，其中蘇石牌K和蘇石牌是分裂運行的。由于蘇石牌H和蘇石牌短路電流都存在超標(biāo)問題，首先考慮先將兩條母線分裂運行，減小電氣聯(lián)系；然后將熟南500 kV站從蘇石牌轉(zhuǎn)移到蘇石牌H，減輕蘇石牌的潮流，將兩條超標(biāo)母線的短路電流降至63 kA以下。具體數(shù)據(jù)如表4所示。

圖2　石牌500 kV站點

表4　負荷轉(zhuǎn)供前后石牌500 kV側(cè)三相短路電流值比較

通過表4中短路電流裕度這一評估指標(biāo)可以看出，石牌500 kV站點短路電流在負荷轉(zhuǎn)供后均得到了抑制。其中，蘇石牌在負荷轉(zhuǎn)供后留有4.4%的短路電流裕度，蘇石牌H則留有38.6%的裕度。由上述算例可見，通過負荷轉(zhuǎn)供的方式，可以改善網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，減輕負荷密集站點的潮流，從而將短路電流降低至遮斷電流以下。但這種通過“主變出串”方式進行負荷轉(zhuǎn)供的限流措施，會對地區(qū)供電可靠性造成影響，當(dāng)1臺500 kV主變失電時，將可能引起該地區(qū)多個220 kV主變失電［10］。

4　結(jié)束語

特高壓交直流接入江蘇電網(wǎng)，使系統(tǒng)容量明顯增大、系統(tǒng)阻抗相對減小。仿真數(shù)據(jù)表明，淮滬北半環(huán)工程建成投運后，江蘇電網(wǎng)中蘇南部分220 kV母線和石牌500 kV母線短路電流水平均有一定程度提升。在總結(jié)現(xiàn)有短路電流抑制措施的基礎(chǔ)上，提出采用基于動態(tài)分區(qū)控制技術(shù)的短路電流抑制措施對上述問題進行具體分析。其中，蘇南220 kV母線短路電流采用電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)措施可進行抑制；石牌500 kV母線短路電流可通過負荷轉(zhuǎn)供措施進行抑制。采取相應(yīng)措施后，江蘇電網(wǎng)存在問題的站點短路電流均得到了抑制，這也證明了基于動態(tài)分區(qū)技術(shù)的短路電流限流措施的正確性和可靠性。

［1］姚穎蓓，繆源誠，莊侃沁，等.華東特高壓交流工程投產(chǎn)初期500 kV短路電流控制策略研究［J］.華東電力，2014（12）：2775-2778.

［2］姚穎蓓，繆源誠，陳浩，等.淮滬特高壓投產(chǎn)后電磁環(huán)網(wǎng)問題研究［J］.華東電力，2014（1）：30-32.

［3］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.

［4］馬恒瑞.特高壓聯(lián)網(wǎng)后電網(wǎng)限流措施和分區(qū)原則的研究［D］.北京：華北電力大學(xué)，2014.

［5］李亞東.大型受端電網(wǎng)限制短路電流措施研究［D］.北京：華北電力大學(xué)，2014.

［6］黃弘揚，徐政，林晞.基于故障限流器的直流多饋入受端系統(tǒng)動態(tài)分區(qū)技術(shù)［J］.中國電機工程學(xué)報，2012，19：58-64，186.

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［8］朱筆能，張瑩.淺析電網(wǎng)分區(qū)間負荷的快速轉(zhuǎn)移［J］.科技資訊，2011（4）：126-127.

［9］肖帥.基于PSO的特高壓落點選擇與故障限流器優(yōu)化配置算法［D］.杭州：浙江大學(xué)，2014.

［10］黃堅，吳奕.500 kV主變出串運行帶來的影響分析及對策［J］.電力安全技術(shù)，2010，12（3）：45-46.

Research on the Jiangsu Short-circuit Current Limiting Strategy During UHV Construction Period

CHEN Qian，TANG Yi
（School of Electrical Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

Early production and operation of the Huainan-Shanghai UHV project will form a 1000 kV/500 kV/220 kV electromagnetic loop network along the Jiangsu UHV，which has an impact on the short-circuit current of power grid.BPA short-circuit current calculation result shows that after UHV's access to the Jiangsu power grid，the short-circuit current of the 500 kV bus in Shipai and the 220 kV bus in load intensive subsystem of western Suzhou increases in different degrees. According to the phenomenon，a short-circuit current suppression measures based on the strategy of dynamic partitioning including unlocking the electromagnetic loop network and load transfer is proposed，along with the analysis of actual examples.Case analysis verifies the reliability of the proposed current limiting measures，and provides a reference value for reducing the short-circuit current in engineering practice.

Jiangsu UHV；three-level electromagnetic loop network；short-circuit current；zoning control strategy

TM713

A

1009-0665（2015）05-0021-04

陳倩（1992），女，江蘇高郵人，碩士在讀，研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化；

湯奕（1977），男，江蘇溧陽人，副教授，主要研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制、新能源并網(wǎng)控制技術(shù)、智能需求側(cè)響應(yīng)。

2015-05-11；

2015-06-26