負荷密集型城市電網(wǎng)低頻低壓減載配置方案優(yōu)化研究

程維杰，何曉峰，周 磊，周 霞

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負荷密集型城市電網(wǎng)低頻低壓減載配置方案優(yōu)化研究

程維杰1，何曉峰1，周 磊2，周 霞2

(1.深圳供電局有限公司, 廣東 深圳 518000；2.國電南瑞科技股份有限公司, 江蘇 南京 211100)

負荷密集型城市電網(wǎng)在極端嚴重故障下可能發(fā)生頻率、電壓崩潰的風險。采用基于軌跡的時域動態(tài)仿真方法，分析深圳電網(wǎng)現(xiàn)有低頻低壓減載措施存在的問題。在考慮局部地區(qū)孤網(wǎng)后低頻低壓減載方案與全網(wǎng)低頻低壓減載方案相互協(xié)調(diào)配合的基礎(chǔ)上，提出既滿足全網(wǎng)頻率特性要求又適應(yīng)局部負荷密集型城市電網(wǎng)頻率要求的低頻低壓減載優(yōu)化方案。仿真結(jié)果驗證了所提配合原則的合理性和配置方案的可行性。

低頻減載；低壓減載；城市電網(wǎng)；優(yōu)化配置

0 引言

低頻減負荷UFLS(Under Frequency Load Shedding)、低壓減負荷UVLS(Under Voltage Load Shedding)作為電網(wǎng)安全穩(wěn)定第三道防線，是防止電力系統(tǒng)在遭受極其嚴重故障后導(dǎo)致穩(wěn)定破壞、發(fā)生大面積停電事故的重要技術(shù)手段[1-2]?，F(xiàn)代化城市的正常運轉(zhuǎn)越來越依賴于可靠的電力供應(yīng)，一旦發(fā)生電力供應(yīng)癱瘓，對社會穩(wěn)定造成的沖擊和經(jīng)濟發(fā)展造成的損失無法估量[3]。負荷密集型城市電網(wǎng)的負荷集中、電氣聯(lián)系緊密，導(dǎo)致電網(wǎng)短路電流超標問題日趨嚴重。為限制短路電流，部分地區(qū)500 kV主變需分列運行，削弱了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，降低了電網(wǎng)的抗風險能力。極端嚴重故障下，可能導(dǎo)致部分地區(qū)孤網(wǎng)。

針對上述情況，需要依靠電網(wǎng)第三道防線低頻低壓減載裝置保證地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)后的穩(wěn)定運行。但地區(qū)電網(wǎng)特別是城市電網(wǎng)的頻率特性與全網(wǎng)的頻率特性并不完全相同，按全網(wǎng)整定的低頻減載方案應(yīng)用到孤網(wǎng)后的城市電網(wǎng)時，可能會造成低頻減載過切或欠切，需要進一步優(yōu)化相應(yīng)的低頻低壓減載方案[4-7]。

本文以深圳電網(wǎng)的紫荊分區(qū)為例，在考慮局部地區(qū)孤網(wǎng)后低頻低壓減載方案與全網(wǎng)低頻低壓減載方案相互協(xié)調(diào)配合的基礎(chǔ)上，對原有低頻低壓減載方案進行優(yōu)化。

1 負荷密集型城市電網(wǎng)的特點及安全問題

1.1 供電可靠性要求高

大型城市一般作為經(jīng)濟、文化、或者政治中心，供電可靠性要求非常高。供電可靠性是指供電系統(tǒng)持續(xù)供電能力，反映了電力工業(yè)對國民經(jīng)濟電能需求的滿足程度。包括供電可靠率、用戶平均停電時間、用戶平均停電次數(shù)等指標。國際先進城市的用戶年平均停電時間一般需小于60 min，用戶年平均停電次數(shù)需小于0.4次[8-10]。

1.2 電網(wǎng)調(diào)峰矛盾突出

由于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和居民生活水平提高，商業(yè)、居民負荷比重逐年增加, 城市用電負荷對季節(jié)和天氣敏感度大，增加了城市電網(wǎng)的負荷預(yù)測、電網(wǎng)調(diào)峰等電力平衡工作的難度。

1.3 輸電通道相對集中

城市內(nèi)部土地資源緊張，線路走廊資源匱乏，輸電線路多以同塔緊湊型結(jié)構(gòu)為主。電氣上雖可能存在多回聯(lián)絡(luò)線路，但受制于實際物理通道，部分線路間距較近,自然災(zāi)害等因素可能導(dǎo)致多回輸電線路同時故障，引發(fā)大面積停電。

1.4 短路電流超標

城市電網(wǎng)多采用雙回路內(nèi)外環(huán)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，電氣聯(lián)系日趨緊密，短路電流超標問題越來越突出。為限制短路電流，需要采取拉停線路、母線分列、解環(huán)運行等削弱網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的運行方式，大大降低了電網(wǎng)的安全可靠性。

2 深圳電網(wǎng)紫荊分區(qū)簡介及原有的低頻低壓減載方案

深圳電網(wǎng)為限制短路電流，紫荊分區(qū)內(nèi)的500 kV紫荊站2臺主變分列運行，并與鵬城#3主變組團運行，如圖1所示。分區(qū)內(nèi)最大負荷需求3 900 MW，裝機容量為2 200 MW。若500 kV紫荊站單臺變檢修，則220 kV母線并列運行，紫荊站剩余1臺主變?nèi)耘c鵬城站#3主變組團運行，此時紫荊分區(qū)內(nèi)所有負荷僅通過紫荊、鵬城2臺主變供電，可靠性大為降低，極端情況下，兩臺主變同時或者相繼跳閘，可導(dǎo)致地區(qū)孤網(wǎng)。深圳電網(wǎng)原有的低頻低壓減載方案如表1和表2所示[11-12]。

圖1 2015年深圳電網(wǎng)紫荊分區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖

表1 深圳電網(wǎng)紫荊分區(qū)低頻減載原始方案

表2 深圳電網(wǎng)紫荊分區(qū)低壓減載原始方案

2015年夏季高峰方式下，500 kV紫荊站單臺變檢修，受N-1限制，紫荊站剩余1臺主變和鵬城站#3主變下網(wǎng)總功率限制在1 370 MW以內(nèi)。兩臺主變同時跳閘，導(dǎo)致地區(qū)孤網(wǎng)，現(xiàn)有低頻低壓方案下，低頻減載動作4輪，切除負荷642 MW，低壓減載動作2輪，切除負荷946 MW，共切除負荷1 588 MW。現(xiàn)有方案導(dǎo)致過切，穩(wěn)態(tài)頻率高于50.5 Hz，頻率響應(yīng)曲線如圖2所示。

圖2 2015年夏季高峰方式紫荊分區(qū)孤網(wǎng)后頻率響應(yīng)曲線

可見，原有的低頻減載方案，僅滿足于全網(wǎng)整體運行時的頻率安全性要求，個別地區(qū)孤網(wǎng)后的頻率特性與全網(wǎng)頻率特性并不完全相同。按全網(wǎng)整定的低頻減載方案應(yīng)用到個別地區(qū)的孤網(wǎng)電網(wǎng)時．可能會造成低頻減載的過切[13-14]。所以需要考慮嚴重故障導(dǎo)致部分網(wǎng)架薄弱地區(qū)孤網(wǎng)的情況，進一步優(yōu)化相應(yīng)的低頻低壓減載方案。

3 深圳電網(wǎng)紫荊分區(qū)低頻低壓減載方案的優(yōu)化

由于深圳電網(wǎng)屬于負荷密集型城市電網(wǎng)，位于南方電網(wǎng)的大受端，受電比例較大，孤網(wǎng)后電壓支撐能力不足，存在低電壓問題[15-18]，所以需要配置低壓減載裝置來保證孤網(wǎng)后的電壓穩(wěn)定。保持現(xiàn)有的低壓減載方案不變，調(diào)整后的低頻減載方案如表3所示。

表3 深圳電網(wǎng)紫荊分區(qū)低頻減載改進方案

改進后的低頻減載方案動作4輪，切除負荷506 MW，低壓減載切負荷量不變，仍為946 MW。相比原始方案，改進后的低頻減載方案所切負荷量減少，且穩(wěn)態(tài)頻率低于50.5 Hz，具體頻率響應(yīng)情況的對比如圖3和表4所示。

圖3 不同方案下紫荊分區(qū)孤網(wǎng)后頻率響應(yīng)曲線

表4 改進前后低頻低壓減載方案效果對比

由于全網(wǎng)統(tǒng)一的低頻減載方案中包含了深圳電網(wǎng)的低頻減載方案，優(yōu)化后的深圳電網(wǎng)紫荊分區(qū)低頻減載方案還需要滿足全網(wǎng)方案的要求，保證省級區(qū)域電網(wǎng)解列后的安全穩(wěn)定。全網(wǎng)統(tǒng)一的低頻減載方案中，其他地區(qū)的低頻減載方案不變，僅把深圳電網(wǎng)紫荊分區(qū)的低頻減載方案改為優(yōu)化后的方案，基于2015年夏季高峰方式，對全網(wǎng)方案進行校核，考慮廣東交流受入斷面全部斷開及所有饋入直流全部閉鎖，頻率響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 全網(wǎng)方案優(yōu)化前后，廣東電網(wǎng)孤網(wǎng)后頻率響應(yīng)曲線

由于優(yōu)化后深圳電網(wǎng)紫荊分區(qū)的低頻減載方案切負荷總量基本不變，未改變?nèi)W(wǎng)統(tǒng)一方案中的切負荷總量，由全網(wǎng)低頻減載方案優(yōu)化前后的頻率響應(yīng)情況對比可知，最低頻率基本一致。局部優(yōu)化的深圳電網(wǎng)紫荊分區(qū)低頻減載方案中適當增加了第1、2、5、6輪的切負荷比例，減少了第3、4輪的切負荷比例，后續(xù)輪次切負荷量的增加，使頻率回升較快，穩(wěn)態(tài)頻率較原方案偏高0.1 Hz，仍然處于正常范圍以內(nèi)。優(yōu)化后的方案既滿足全網(wǎng)對低頻減載的要求，又適應(yīng)了地區(qū)電網(wǎng)的頻率特性，較好地滿足了地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)后的頻率的安全性要求。

4 結(jié)論

對于互聯(lián)電網(wǎng)，一般中央?yún)^(qū)域的主網(wǎng)架構(gòu)電氣聯(lián)系較強，不會發(fā)生解列故障；而且整個系統(tǒng)的負荷也較多地集中在中央?yún)^(qū)域，中央?yún)^(qū)域電網(wǎng)的頻率特性從一定程度上反映了全網(wǎng)的頻率特性。所以對電氣聯(lián)系較強的中央?yún)^(qū)域電網(wǎng)仍可直接采用原有的全網(wǎng)統(tǒng)一低頻減載方案，而對其局部地區(qū)，特別是供電可靠性要求很高的城市電網(wǎng)，則整定優(yōu)化為更能適應(yīng)其頻率特性的新方案。該優(yōu)化方案充分體現(xiàn)了低頻減載整定的全局性原則，既對全網(wǎng)整體的頻率特性有較好的適應(yīng)性，也充分考慮了地區(qū)電網(wǎng)頻率特性的特殊性。

本文針對負荷密集型城市電網(wǎng)在極端嚴重故障下可能發(fā)生頻率、電壓崩潰的風險，提出了既滿足全網(wǎng)頻率特性要求又適應(yīng)局部負荷密集型城市電網(wǎng)頻率要求的低頻低壓減載優(yōu)化方案，提高了深圳電網(wǎng)的供電可靠性。

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(編輯 葛艷娜)

Coordination strategy of UFLS and UVLS of load density urban power network

CHENG Weijie1, HE Xiaofeng1, ZHOU Lei2, ZHOU Xia2

(1. Shenzhen Power Supply Bureau Ltd., Shenzhen 518000, China; 2. NARI Technology Development Co., Ltd., Nanjing 211100, China)

Frequency and voltage collapse caused by serious failure is a tremendous risk in density urban power network. Trajectory-based time-domain dynamic simulation method is used to analyze the problems ofthe configuration of under frequency load shedding and under voltage tripping of Shenzhen power system while islanded from the interconnected power system. A scheme for under frequency generator tripping is proposed based on frequency control coordination and optimization to meet both the frequency characteristic requirements of the whole network and regional networks. Simulation results show that the propesed coordination principle and configuration scheme are reasonable and feasible.

UFLS; UVLS; urban power network; optimum distribution

10.7667/PSPC152227

2015-12-24；

2016-07-29

程維杰(1982-)，男，本科，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析與控制；何曉峰(1979-)，男，博士，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析與控制；周 磊(1982-)，男，通信作者，碩士，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析與控制；E-mail:zhoulei@sgepri.sgcc.com.cn