分區(qū)電網(wǎng)結構對受電極限的影響分析

趙　瑞，張再馳，王　衛(wèi)，彭　龍，潘　艷，郭秋婷

(1.國網(wǎng)北京市電力公司，北京　100220；2.南京南瑞集團公司北京監(jiān)控技術中心，北京　100220)

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分區(qū)電網(wǎng)結構對受電極限的影響分析

趙瑞1，張再馳1，王衛(wèi)1，彭龍2，潘艷2，郭秋婷2

(1.國網(wǎng)北京市電力公司，北京100220；2.南京南瑞集團公司北京監(jiān)控技術中心，北京100220)

摘要：受端電網(wǎng)不同分區(qū)結構對其受限方式影響較大。比較了分區(qū)的兩種受限方式熱穩(wěn)定極限和靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限，得到了受限方式隨分區(qū)結構的變化規(guī)律。結合實際分區(qū)電網(wǎng)的特點，對分區(qū)網(wǎng)絡進行合理簡化，采用阻抗模指標計算出靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限，與分區(qū)變壓器制約下的熱穩(wěn)極限對比得出分區(qū)受限方式，分析了線路長度、變電站容量、負荷功率因數(shù)和分區(qū)內部電源接入情況對受限方式的影響。根據(jù)實際電網(wǎng)仿真驗證了分析過程和規(guī)律的正確性，可為電網(wǎng)分區(qū)規(guī)劃運行提供一定的技術參考。

關鍵詞：靜態(tài)電壓穩(wěn)定；受電極限；分區(qū)電網(wǎng)；熱穩(wěn)定極限

Abstract：The different district structures of receiving-end grid have a great influence on its constrained modes. The thermal stability limit and static voltage stability limit of two constrained modes are compared, and the variation of constrained modes along with the district structures is obtained. Combined with the characteristics of an actual district grid, the district grid is simplified reasonably. The static voltage stability limit is calculated using impedance module indicator, and then is compared with the thermal stability limit controlled by district transformer to get the constrained modes. The influences of line length, substation capacity, load power factor and district internal power supply access on the constrained modes are analyzed. Based on the simulation of an actual power grid, the correctness of analysis process and rules is verified, which can provide a technical reference for the district planning of grid operation.

Key words：static voltage stability; power-receiving limit; district grid; thermal stability limit

0引言

分層分區(qū)運行方式下的大型受端電網(wǎng)中, 電壓穩(wěn)定將成為限制電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的關鍵因素，同時受電極限也受分區(qū)變壓器熱穩(wěn)制約[1-3]。研究分區(qū)電網(wǎng)不同網(wǎng)架結構下受限方式，有針對性制定措施對提高受電極限有實際意義。

熱穩(wěn)定主要考慮變壓器N-1后決定分區(qū)受電極限，不同網(wǎng)絡結構主要體現(xiàn)在分區(qū)變壓器臺數(shù)和功率分配上。靜態(tài)電壓穩(wěn)定限制下的分區(qū)受電極限影響因素較多，目前電網(wǎng)多采用分層分區(qū)的運行方式，分區(qū)內部500 kV主網(wǎng)中的關鍵設備、輸送通道或者分區(qū)內大電源停運都將給相關220 kV分區(qū)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性帶來較大程度的威脅[4-5]。目前電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問題的研究方法主要有靜態(tài)和動態(tài)分析方法，動態(tài)分析結果較為精確，但計算時間長[6-7]。靜態(tài)穩(wěn)定分析方法計算量小，在一定程度上能夠較好地反映系統(tǒng)的電壓水平，因此得到廣泛的應用。文獻[8-9]總結各種靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標的優(yōu)缺點和適用條件，文獻[10]研究了不同模型對靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度的影響?？紤]到實際電網(wǎng)，文獻[11]結合不同分區(qū)電網(wǎng)的特點，仿真分析了影響分區(qū)電壓穩(wěn)定極限的各個因素，但其并沒有分析電網(wǎng)結構對電壓穩(wěn)定極限的影響。綜上所述，如何結合實際電網(wǎng)結構，合理地建立分區(qū)模型，分析影響分區(qū)受電極限的關鍵因素具有實際意義。

通過對實際電網(wǎng)分析，考慮主要元件對分區(qū)電網(wǎng)進行合理簡化，運用阻抗模指標求解靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限，并結合分區(qū)熱穩(wěn)定，給出不同網(wǎng)絡結構下分區(qū)受限方式，并給出了受限方式與分區(qū)主變數(shù)量之間的變化規(guī)律，可為電網(wǎng)分區(qū)規(guī)劃運行提供一定的技術參考。

1電壓穩(wěn)定極限理論計算方法

系統(tǒng)的等值模型如圖1所示，設網(wǎng)絡等值阻抗為ZS=ZS∠β-R+jX，負荷阻抗為ZL=ZL∠θ。

圖1　系統(tǒng)等值圖

則負荷功率為

式中：VS為電源電壓；θ為給定負荷功率因數(shù)。負荷吸收最大功率時滿足

(1)

求解為

ZL=ZS

(2)

通過式(2)可知，當負荷阻抗和線路阻抗模值相等時，負荷吸收功率達到極限。此時功率最大值為

(3)

若忽略線路電阻，系統(tǒng)側電壓取1，則

(4)

2分區(qū)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定極限計算

2.1分區(qū)模型建立

分區(qū)電網(wǎng)由500kV變電站、分區(qū)內部電源和分區(qū)電網(wǎng)結構組成，如何將復雜的分區(qū)網(wǎng)絡合理簡化對于分區(qū)靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限的分析計算起關鍵作用。

這里建立了分區(qū)模型，如圖2所示。一個500kV變電站經過220kV線路與分區(qū)內部電源經過220kV線路并聯(lián)，再通過220kV/110kV變壓器與負荷相連。

圖2　系統(tǒng)模型

上述系統(tǒng)等值的電路如圖3所示，圖中VS1和VS2分別為分區(qū)外系統(tǒng)等值電源的電壓和分區(qū)內電源機端等值電壓，取幅值為1，則兩處電源等效合并在一起，如圖4所示。

圖3　等值電路模型

圖4　等值電路模型

圖中：XS為500 kV變壓器外部系統(tǒng)等值電抗；XT為分區(qū)變壓器等值電抗，取值為分區(qū)所有500 kV變壓器的并聯(lián)電抗；XTL為負荷側220 kV/110 kV等值變壓器電抗；XL1為500 kV變壓器到負荷側220 kV變壓器之間線路等值電抗，負荷一般通過2～3段線路與500 kV變壓器低壓側相連，選取線路長度的平均值的2倍作為其等效距離；XL2為分區(qū)內電源到負荷側220 kV變壓器線路等值電抗。與分區(qū)變壓器相比，分區(qū)內部電源和負荷之間的距離較近，且通常一個電源功率輸送給周邊多個負荷，因此其等效的電氣距離較短，選取其等效距離為XL1的1/2，TTG為分區(qū)內電源升壓變壓器等值電抗，根據(jù)分區(qū)內電源容量確定。

設分區(qū)發(fā)電量為SG，負荷為PL，忽略損耗，以變壓器N-1后變壓器滿載時的負荷量確定220 kV/110 kV變壓器容量時有

PL=SG+(N-1)SN

(5)

因此圖中各參數(shù)為

XL1=XL×L1

XL2=XL×L2

(6)

X=(XS+XT+XL1)//(XTG+XL2)+XTL

(7)

因此可得負荷極限為

(8)

2.2模型驗證

選取北京電網(wǎng)驗證模型的準確性，北京電網(wǎng)包括6個分區(qū)，分區(qū)變壓器臺數(shù)3～6臺，負荷功率因數(shù)0.98，仿真選擇負荷按固定功率因數(shù)增長方式，負荷為恒功率模型。取電網(wǎng)典型參數(shù)SB=1 000 MVA，UB=525 kV ，系統(tǒng)側短路電流IS=50 kA，因此可得XS=0.02。500 kV變壓器、分區(qū)內部電源升壓變壓器選擇Uk%=0.15，負荷側變壓器的Uk%=0.12，XL=0.006 p.u./km，負荷側變壓器容量Sn=300 MVA，每條線路熱穩(wěn)極限為300 MW，北京電網(wǎng)線路平均長度10 km，L1取20 km，L2取10 km，因此可根據(jù)不同分區(qū)發(fā)電量和負荷量計算靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限。計算朝順通分區(qū)正常方式下、安興分區(qū)在興都1號變壓器檢修方式下、昌城分區(qū)海淀2號變壓器檢修方式下、通安分區(qū)新通2號變壓器檢修方式下和興房門分區(qū)門頭2號變壓器檢修方式下的靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限，理論計算和仿真結果如表1所示。

由表1可知，理論模型和實際仿真間誤差在10%以內，滿足工程計算的要求。此外，分區(qū)等值模型為單通道結構，朝順通分區(qū)正常運行方式下其結構為3個變電站帶一片負荷區(qū)域，其誤差為1.3%，因此可知對于靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限計算而言，分區(qū)由多通道供電的結構并不會增大等值模型的誤差。

表1　理論和仿真計算對比/MW

2.3電壓穩(wěn)定約束下的受電極限

通過上述模型可知，由電壓穩(wěn)定約束下的下網(wǎng)極限Pmax為

首先分析分區(qū)發(fā)電量對其影響，圖5為負荷極限和分區(qū)下網(wǎng)極限隨分區(qū)發(fā)電量的變化曲線。由圖中可知隨著分區(qū)發(fā)電量的增加負荷極限增加，但是下網(wǎng)極限卻隨之而降低，因此可知在其他網(wǎng)絡不變的情況下，分區(qū)電源的增多并不能增加分區(qū)的下網(wǎng)極限。

圖5　分區(qū)受電極限分析

3分區(qū)受限方式分析

分區(qū)受電極限同時受到變壓器容量制約，分區(qū)電網(wǎng)負荷由500 kV 主變壓器和接入220 kV 分區(qū)電網(wǎng)的地方電源共同供電。分區(qū)電網(wǎng)受電極限取決于500 kV 變電站的配置情況、分區(qū)電網(wǎng)的電源容量、分區(qū)電網(wǎng)結構。假設同一變電站只配置同類型的變壓器，分區(qū)受電極限考慮500 kV 主變壓器N-1 后其余主變壓器過載30%情況，則受變壓器容量制約下的受電極限為

P=1.3SN×(N-1)

(9)

式中：SN為500 kV變壓器容量；N為分區(qū)主變壓器臺數(shù)。在不同的變壓器臺數(shù)下計算靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限，與此臺數(shù)下的熱穩(wěn)極限對比，可以得出分區(qū)的受電的受限方式；考慮到不同線路長度、變壓器容量、負荷功率因數(shù)和分區(qū)內部電源接入容量影響因數(shù)，得到了不同網(wǎng)絡結構下受限方式與變壓器臺數(shù)之間的關系。

3.1線路長度對受電極限的影響

取變壓器容量1 200 MVA，功率因數(shù)為0.98，考慮線路不同長度10 km、20 km、30 km、40 km，分區(qū)發(fā)電為0，根據(jù)上述公式計算出不同變壓器臺數(shù)下的熱穩(wěn)定極限和靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限，結果如表2所示。

表2　不同線路長度下熱穩(wěn)和靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限

圖6　不同線路長度下的受電極限

由表2和圖6可知，變壓器臺數(shù)增加、線路變短，等值阻抗都減少，下網(wǎng)極限增加。當分區(qū)等值線路長度為10 km時，分區(qū)變壓器臺數(shù)超過4臺，則分區(qū)受靜態(tài)電壓穩(wěn)定限制。線路長度為20 km時，分區(qū)變壓器超過3臺，則分區(qū)受靜態(tài)電壓穩(wěn)定限制。線路長度為30 km時，分區(qū)變壓器超過3臺，則分區(qū)受靜態(tài)電壓穩(wěn)定限制。線路長度為40 km時，分區(qū)變壓器超過2臺，則分區(qū)受靜態(tài)電壓穩(wěn)定限制，若考慮串聯(lián)電抗器，可在相應長度中減去。

3.2變壓器容量對受電極限的影響

取線路長度20 km，功率因數(shù)為0.98，考慮變壓器容量750 MVA、1 000 MVA、1 200 MVA，分區(qū)發(fā)電量設為0，得到不同變壓器容量下分區(qū)受限方式與變壓器臺數(shù)之間的關系。

表3　750 MVA下受限方式對比

表4　1 000 MVA受限方式對比

表5　受限方式變化的臨界變壓器臺數(shù)

由表3～表5可知，隨著變壓器容量的增加，出現(xiàn)靜態(tài)電壓穩(wěn)定問題對應的變壓器臺數(shù)下降。變壓器容量為750 MVA時，變壓器臺數(shù)多于6臺時，分區(qū)受限方式為電壓穩(wěn)定。變壓器容量為1 000 MVA時，變壓器臺數(shù)多于4臺時，分區(qū)受限方式為電壓穩(wěn)定，容量為1 200 MVA時，分區(qū)變壓器臺數(shù)多于3臺時，分區(qū)受限方式為電壓穩(wěn)定。

3.3負荷功率因數(shù)對受電極限的影響

線路長度20 km，變壓器容量為1 200 MVA，分別取負荷功率因數(shù)為0.97、0.95、0.9和0.8，分區(qū)發(fā)電量設為0，計算熱穩(wěn)極限和靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限結果如表6所示。圖7為兩種極限隨變壓器臺數(shù)變化的對比圖。

表6　不同功率因數(shù)下熱穩(wěn)極限和靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限

如圖7可知，功率因數(shù)為0.97時，變壓器超過3臺，則受限方式為電壓穩(wěn)定。當功率因數(shù)為0.95時，變壓器臺數(shù)超過2臺則存在電壓穩(wěn)定問題。當功率因數(shù)低于0.95時，則分區(qū)由靜態(tài)電壓穩(wěn)定制約。

圖7　不同功率因數(shù)下受限方式對比

3.4分區(qū)內電源對受電極限的影響

一般分區(qū)內都存在電源以提供無功支撐，計算了分區(qū)電源不同接入容量下，分區(qū)的熱穩(wěn)極限和靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限。對比得出了分區(qū)內不同發(fā)電量下受限方式和變壓器臺數(shù)之間的規(guī)律，如表7所示。

表7　不同分區(qū)發(fā)電量下的熱穩(wěn)極限和電壓極限對比

表8　受限方式變化的臨界變壓器臺數(shù)

注：變壓器容量1 200 MVA

表8為受限方式變化的臨界變壓器臺數(shù)。從表8可知，分區(qū)電源增加可以改善由靜態(tài)電壓穩(wěn)定導致受電限制問題。此外，對于目前的受端電網(wǎng)負荷不斷增加，同時迫于環(huán)境的壓力需要減少分區(qū)內發(fā)電，則相應也需調整降低分區(qū)變壓器臺數(shù)，避免出現(xiàn)電壓穩(wěn)定問題。

4結論

對典型受端電網(wǎng)分區(qū)進行了建模，從理論上分析網(wǎng)絡結構對分區(qū)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響；在此基礎上分析其與熱穩(wěn)定之間的關系，從而得出了分區(qū)電網(wǎng)受限方式與變壓器臺數(shù)之間的變化規(guī)律：變壓器臺數(shù)較低時分區(qū)受電受熱穩(wěn)制約，臺數(shù)較高時受靜態(tài)電壓穩(wěn)定制約，對于不同的分區(qū)情況，對應的變壓器臨界臺數(shù)不同。針對北京電網(wǎng)各分區(qū)發(fā)電量0～2 500 MW情況，確定其分區(qū)受限方式變化對應的變壓器臺數(shù)在4～7臺之間，高于上述臺數(shù)分區(qū)受電極限受靜態(tài)電壓穩(wěn)定制約，低于上述臺數(shù)分區(qū)受電極限則由變壓器熱穩(wěn)定制約。針對具有不同結構特性的電網(wǎng)，上述變壓器臺數(shù)略有變化，應視具體情況而定，但分析方法仍然適用。

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中圖分類號：TM71

文獻標志碼：A

文章編號：1003-6954(2016)02-0049-05

(收稿日期：2015-12-08)