考慮短路容量和電壓穩(wěn)定約束的受端電網(wǎng)飽和負(fù)荷規(guī)模研究

李付強(qiáng)，彭龍，張文朝，郭秋婷

(1．國(guó)家電網(wǎng)公司華北分部，北京市100053;2．南京南瑞集團(tuán)公司，北京市102200)

考慮短路容量和電壓穩(wěn)定約束的受端電網(wǎng)飽和負(fù)荷規(guī)模研究

李付強(qiáng)1，彭龍2，張文朝2，郭秋婷2

(1．國(guó)家電網(wǎng)公司華北分部，北京市100053;2．南京南瑞集團(tuán)公司，北京市102200)

考慮短路容量和靜態(tài)電壓穩(wěn)定約束，文章提出了一種交流受端電網(wǎng)飽和負(fù)荷規(guī)模的量化評(píng)估方法。通過網(wǎng)絡(luò)阻抗建立了短路容量、靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限和熱穩(wěn)定的聯(lián)系，結(jié)合潮流和阻抗分布特性分析得出短路容量和靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限之間存在一定比例。根據(jù)實(shí)際受端電網(wǎng)環(huán)網(wǎng)大小和電網(wǎng)允許的最大短路容量得出輸電通道最小阻抗，考慮實(shí)際電網(wǎng)環(huán)網(wǎng)潮流相對(duì)輸電通道較低情況，將受端負(fù)荷整體結(jié)構(gòu)解耦成單通道對(duì)接入點(diǎn)負(fù)荷供電模型，得出整個(gè)受端地區(qū)短路容量和熱穩(wěn)定約束下的靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限解析公式，量化評(píng)估了受端電網(wǎng)飽和負(fù)荷規(guī)模。實(shí)際電網(wǎng)仿真驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性，可為電網(wǎng)分區(qū)規(guī)劃提供一定的參考。

受電能力;受端電網(wǎng);短路容量;靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限

0 引言

隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)，短路容量成為限制電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵因素。增加受電有利于控制受端系統(tǒng)短路容量，但同時(shí)會(huì)帶來電壓穩(wěn)定性問題［1-3］，如何評(píng)估短路容量約束下受端電網(wǎng)的最大規(guī)模和受電能力，對(duì)于未來電網(wǎng)規(guī)劃具有實(shí)際意義［4-5］。

華北、華東受端電網(wǎng)大部分母線短路容量已逼近開關(guān)遮斷容量，個(gè)別地區(qū)出現(xiàn)短路容量超標(biāo)問題。新型故障限流器由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)原因并不具備廣泛應(yīng)用的條件［6］，目前往往采取局部斷線、出串和加裝電抗器等措施［7-11］來解決短路容量超標(biāo)問題。但隨著電網(wǎng)的建設(shè)，當(dāng)面臨大部分母線短路容量超標(biāo)情況時(shí)，并沒有有效的解決手段，受端電網(wǎng)趨于飽和規(guī)模，此時(shí)需要從全局角度優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，采取分區(qū)和擴(kuò)大環(huán)網(wǎng)等措施。220 kV電網(wǎng)基本通過分區(qū)解決了母線短路容量超標(biāo)問題［12-13］，但對(duì)于500 kV電網(wǎng)，在特高壓建設(shè)初期，不具備分區(qū)條件，這就需要評(píng)估受端電網(wǎng)在短路容量約束下的飽和負(fù)荷規(guī)模，對(duì)于可能達(dá)到飽和規(guī)模的受端電網(wǎng)進(jìn)行合理規(guī)劃。文獻(xiàn)［14］給出了受端環(huán)網(wǎng)逐步解環(huán)，優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，降低短路容量的建議。文獻(xiàn)［15］從短路容量約束角度量化分析了500/ 220 kV電網(wǎng)分區(qū)受電能力。當(dāng)受端內(nèi)部電源逐漸由外來電力替換時(shí)，僅僅依靠短路容量約束的網(wǎng)架得出的供電能力可能超出了受端電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限和熱穩(wěn)定極限，因此受端電網(wǎng)的最大規(guī)模及其受電能力在考慮短路容量基礎(chǔ)上應(yīng)考慮電壓穩(wěn)定和熱穩(wěn)定因素的影響。一般而言，暫態(tài)電壓穩(wěn)定極限會(huì)低于靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限，在存在電壓?jiǎn)栴}的情況下，受電能力往往會(huì)受暫態(tài)電壓穩(wěn)定制約，但對(duì)于遠(yuǎn)景規(guī)劃可以通過動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置提高受端動(dòng)態(tài)支撐，使暫態(tài)受電極限接近靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限，靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限得出的受電能力在一定程度上可以反映受端電網(wǎng)的飽和負(fù)荷規(guī)模。

本文通過網(wǎng)絡(luò)阻抗建立短路容量和靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限的關(guān)系式，結(jié)合潮流和阻抗分布特性定性得出整個(gè)受端電網(wǎng)短路容量約束下的靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限，得出飽和受端電網(wǎng)規(guī)模的受電能力，為電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行提供一定的技術(shù)參考。

1 受端電網(wǎng)受電能力分析模型

1.1短路容量約束

受端電網(wǎng)基本形成環(huán)狀的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，環(huán)狀受端系統(tǒng)是指受端變電站連接成環(huán)的受端系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 典型受端電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Typicalstructureofreceiving-endnetwork

環(huán)狀受端電網(wǎng)一般有完整的環(huán)形電網(wǎng)和開口環(huán)形電網(wǎng)2種。對(duì)于環(huán)狀受端電網(wǎng)，電源一般采用輻射式接入方式［10］。以圖1中的A點(diǎn)為例，其短路容量SA可由式(1)得出:

式中:TD為受端電網(wǎng)受電通道;XLi為第i個(gè)受電通道的等值阻抗;XCi為第i個(gè)受電通道電源轉(zhuǎn)移阻抗中環(huán)網(wǎng)等值部分。式(1)中的各個(gè)參數(shù)均為標(biāo)幺值。A處短路容量也可按式(2)給出:

式中:XL為所有通道并聯(lián)阻抗;XC為環(huán)網(wǎng)阻抗;α和η分別為修正系數(shù)，α≈1，η正比于環(huán)網(wǎng)大小。當(dāng)系統(tǒng)短路容量上限Sm一定時(shí)，通道和環(huán)網(wǎng)的阻抗變換后的阻抗存在一個(gè)最小值，即網(wǎng)架規(guī)模存在一個(gè)飽和情況。環(huán)網(wǎng)距離越大，通道的阻抗越小，通道輸電能力越大。

1.2靜態(tài)電壓穩(wěn)定約束

對(duì)于單電源供單點(diǎn)負(fù)荷結(jié)構(gòu)，靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限PLmax通過式(3)給出:

式中:θ為負(fù)荷功率因數(shù)角;X為從負(fù)荷端向系統(tǒng)看的等值電抗(高壓網(wǎng)絡(luò)可忽略電阻)。對(duì)于多路受電的環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并不能給出受電能力的解析表達(dá)式。環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)受端電網(wǎng)的受電能力主要與通道阻抗、環(huán)網(wǎng)阻抗、分區(qū)下網(wǎng)阻抗和潮流分布有關(guān)，可以通過式(4)近似表達(dá):

式中:XT為受端變壓器下網(wǎng)阻抗和到負(fù)荷端的線路等效阻抗之和;β、λ、γ分別為阻抗修正系數(shù)，均大于1。β反映通道功率分布均勻程度，若通道功率按阻抗分布，則均勻程度最高，此時(shí)β=1;λ正比于環(huán)網(wǎng)通過的功率占總負(fù)荷的比值PC/PL，即環(huán)網(wǎng)潮流占負(fù)荷比例越大，潮流分布越不均勻，則極限越低;γ反映受端下網(wǎng)功率分布均勻程度，若受端下網(wǎng)功率按變壓器阻抗分布，則γ=1。

受端電網(wǎng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限與短路容量存在以下比例關(guān)系:

由式(5)可知，短路容量一定時(shí)，環(huán)網(wǎng)越大，潮流分布越均勻，則受電能力越大。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)不斷增強(qiáng)使電氣距離減小、短路容量達(dá)到最大時(shí)，受端負(fù)荷也達(dá)到極限值，因此可以通過短路容量評(píng)估受端電網(wǎng)的最大受電能力。

1.3綜合約束下受電能力

考慮最保守情況，即靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限所對(duì)應(yīng)的負(fù)荷剛好達(dá)到熱穩(wěn)定約束，則受端變壓器容量、線路容量均為極限時(shí)的負(fù)荷容量，即

式中XTL為受端下網(wǎng)功率為SB時(shí)，所需匹配變壓器和線路的阻抗和。XTL可由以下方法求得:對(duì)于實(shí)際電網(wǎng)，受端負(fù)荷側(cè)的網(wǎng)絡(luò)可等效由 500 kV變壓器、220 kV變壓器和220 kV線路組成，其等值結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 受端負(fù)荷側(cè)網(wǎng)絡(luò)等值結(jié)構(gòu)Fig.2 Equivalentstructureofreceiving-endnetwork

設(shè)受端500 kV變電容量容載比為m，220 kV變壓器容載比為 q，設(shè)下網(wǎng)功率為 SB時(shí)，需要 p回220 kV出線，則

式中XT500、XL220、XT220分別為500 kV主變、220 kV線路和220 kV變壓器的電抗，都是以SB為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值。求得XTL后，靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限的公式可以寫為

解得PLmax為

則有:

式(10)的結(jié)果只能定性分析靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限與短路容量的關(guān)系，其中的相關(guān)系數(shù)并不能精確求解。實(shí)際電網(wǎng)建設(shè)過程中，各輸送通道的熱容量與潮流分布近似成正比，即相關(guān)元件的等值阻抗一般與功率成反比，同時(shí)環(huán)網(wǎng)潮流一般遠(yuǎn)小于通道潮流，可以取β=γ=1，λ=0。

取系統(tǒng)基準(zhǔn)容量為1 000 MV·A，500 kV基準(zhǔn)電壓為 525 kV。選取典型參數(shù):受端 500 kV和220 kV變壓器短路百分比取15%;220 kV線路阻抗為0.6 pu·(100 km)－1;500 kV變壓器容量容載比取2; 220 kV變壓器容量容載比取2;220 kV線路熱穩(wěn)定限額為350 MV·A;線路長(zhǎng)度為30 km;負(fù)荷功率因數(shù)為0.97。在滿足N－1要求下，輸送1 000 MV·A功率需要4回220 kV線路。對(duì)應(yīng)1 000 MV·A負(fù)荷的受端下網(wǎng)阻抗XTL=0.15/2+0.6×0.3×1/4+0.15/2= 0.195 pu，則cosθ/［2(1+sinθ)］－γXTLcosθ≈0.2。

考慮2種極端情況:(1)環(huán)網(wǎng)阻抗無窮大時(shí)，環(huán)網(wǎng)潮流為0，此時(shí)η≈0，λ=0，k值最大，設(shè)有n個(gè)外部通道，則k≈20%n;(2)若環(huán)網(wǎng)阻抗為0，即只有一個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，則k≈20%。因此從理論上分析受端最大的負(fù)荷規(guī)模約占短路容量的20%～20%n。

2 考慮實(shí)際網(wǎng)絡(luò)特性的受電能力分析

2.1三通道受端模型分析

受端電網(wǎng)根據(jù)負(fù)荷的需求和分布規(guī)劃網(wǎng)架，可考慮如下理想情況分析短路容量約束下的受電能力。受端電網(wǎng)等值結(jié)構(gòu)如圖3所示，該結(jié)構(gòu)為3個(gè)通道受端電網(wǎng)被等值為A、B、C這3個(gè)站組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖3 受端電網(wǎng)等值結(jié)構(gòu)Fig.3 Equivalentstructureofreceiving-endnetwork

假設(shè)A、B和C由外部受電通道提供的短路容量為S，線路AB、BC和CA的阻抗均為x，則A點(diǎn)的短路容量應(yīng)滿足式(11)。

式中Sm為最大短路容量，其由開關(guān)遮斷容量決定。式(11)化簡(jiǎn)后，可得:

可求得S的最大值Smax:

式(13)即為單條通道提供的最大短路容量與環(huán)網(wǎng)間長(zhǎng)度(等效為單回)的關(guān)系式。假設(shè)A、B、C 3點(diǎn)負(fù)荷相等，同比例增長(zhǎng)負(fù)荷，3個(gè)通道負(fù)荷增長(zhǎng)率相同，各通道提供相應(yīng)負(fù)荷功率缺額，則在負(fù)荷增長(zhǎng)過程中環(huán)網(wǎng)潮流為0。根據(jù)對(duì)稱性，整體受電極限可由單個(gè)通道求得后再相加，即

由式(14)可知，受端電網(wǎng)最大負(fù)荷規(guī)模與環(huán)網(wǎng)大小、功率因數(shù)、受端下網(wǎng)阻抗有關(guān)。

2.2考慮本地電源

本地電源有助于提高受端電壓支撐，同時(shí)也占用較大短路容量，需要分析本地電源不同容量下，受端電網(wǎng)的最大負(fù)荷規(guī)模。發(fā)電機(jī)次暫態(tài)電抗與變壓器阻抗之和按0.4 pu(基于機(jī)組容量)考慮，受端機(jī)組平均接入到受端變電站，500 kV本地電源約提供2倍自身容量的短路容量，接入 220 kV的電源對(duì)500 kV變壓器高壓側(cè)約提供自身容量2倍短路容量，每個(gè)通道去除本地的短路容量即為剩余各通道的最大短路容量S'max，通道為n個(gè)。

式中:PG220為220 kV系統(tǒng)接入的電源容量;PG500為500 kV系統(tǒng)接入的電源容量。此時(shí)受端電網(wǎng)最大受電能力PLm為

式中PG為本地電源容量，PG=PG220+PG500。用受電能力加上本地電源容量得到受端電網(wǎng)可最大負(fù)荷。

代入典型參數(shù)，化簡(jiǎn)得:

由式(19)可知受端環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)和開關(guān)遮斷容量確定的情況下，受電比例的提高會(huì)降低受端電網(wǎng)最大負(fù)荷規(guī)模。

2.3多通道受電能力分析

本節(jié)分析通道個(gè)數(shù)對(duì)受端規(guī)模的影響。通道集

式中Smax為通道個(gè)數(shù)n和環(huán)網(wǎng)距離的函數(shù)，其可通過2.1節(jié)方法計(jì)算得出。由式(18)可知，受端電網(wǎng)的本地電源接入能使受端最大負(fù)荷規(guī)模提高所接入電源容量的60%。均用本地電源供電情況，受端最大規(guī)模為PG=nSmax/2。

令受電比例b=1－PG/PLmax，代入式(18)，可得受端最大負(fù)荷規(guī)模與受電比例的關(guān)系。中接入地區(qū)，短路容量越高，通道分布越均勻，受端短路容量越低。同樣的短路容量約束下，通道分散接入有助于提高受端電網(wǎng)規(guī)模。圖4給出了不同環(huán)網(wǎng)距離下，通道個(gè)數(shù)與受電能力的關(guān)系。各站短路電流上限按60 kA考慮(目前500 kV開關(guān)遮斷容量最大為63 kA，保留5%裕度)，環(huán)網(wǎng)距離在150 km及以內(nèi)時(shí)，受電通道的增加對(duì)受端電網(wǎng)規(guī)模增加并不明顯，當(dāng)通道超過5個(gè)或6個(gè)時(shí)，受端規(guī)?；沮呌陲柡?，受電能力基本占最大短路容量的30%～50%。

圖4 不同環(huán)網(wǎng)距離下，通道個(gè)數(shù)與受電能力關(guān)系Fig.4 Relationbetweenchannelandpowerreceiving capacitywithdifferentringnetworkdistances

圖5給出了不同短路電流下，通道個(gè)數(shù)與受電能力關(guān)系。隨著受端短路容量的增加，通道個(gè)數(shù)越多，增加的受電能力越多。

圖5 不同短路電流下，通道個(gè)數(shù)與受電能力關(guān)系Fig.5 Relationbetweenchannelandpowerreceiving capacitywithdifferentshortcircuitcurrent

受入通道多的系統(tǒng)，擴(kuò)大環(huán)網(wǎng)可顯著增加受端電網(wǎng)規(guī)模;受入通道少的系統(tǒng)，擴(kuò)大環(huán)網(wǎng)時(shí)，受端規(guī)模增加較小;受入通道一定時(shí)，隨著環(huán)網(wǎng)的擴(kuò)大，受端規(guī)模增加的效果逐步降低。綜上可得，在擴(kuò)大環(huán)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，將通道分散接入有助于增加受端電網(wǎng)的最大規(guī)模。

3 實(shí)例分析

以北京電網(wǎng)為例，首先根據(jù)短路容量評(píng)估現(xiàn)有網(wǎng)架的受電能力，驗(yàn)證本文所提方法的正確性，再根據(jù)短路容量上限分析北京電網(wǎng)的飽和負(fù)荷規(guī)模。北京500 kV環(huán)網(wǎng)為昌平—順義—通州—安定—興都—房山—門頭溝—海淀—昌平，地理距離為300 km，由于海淀、興都500 kV母線分裂運(yùn)行，海淀處擴(kuò)大為門頭溝—張南—昌平環(huán)網(wǎng)，地理距離增加約110 km，南部擴(kuò)大為房山—慈云—保北—霸州—廊坊南—固安—安定。

如圖6所示，變電站 HD、CB、CY和 XD為500 kV母線分裂運(yùn)行，所示區(qū)域內(nèi)為受端環(huán)網(wǎng)，受端有5個(gè)變電站ZN、FS、AD、TZ和SY與外部通道連接。

圖6 500kV電氣接線圖Fig.6 500kVelectricalwiringdiagram

為符合本文中的環(huán)網(wǎng)模型，需將北京電網(wǎng)南部500 kV網(wǎng)絡(luò)合環(huán)分析。由于北京環(huán)網(wǎng)開環(huán)點(diǎn)位于功率較小的通道上，是否開環(huán)對(duì)北京電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限影響較小，因此合環(huán)下分析其受電能力是合理的。在北京電網(wǎng)220 kV電源全關(guān)情況下，基于運(yùn)行方式計(jì)算的短路電流見表1。

環(huán)網(wǎng)電氣距離約為230 km，合環(huán)方式下按平均短路電流52.3 kA，受入通道為5，通過第2節(jié)的分析計(jì)算，可得受電能力約為21 570 MW。如圖7所示，經(jīng)過實(shí)際仿真計(jì)算，北京電網(wǎng)在全停機(jī)方式下，負(fù)荷靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限約為19 800 MW，誤差為8.9%。

表1 北京電網(wǎng)500kV短路電流Table1 ShortcircuitcurrentofBeijing 500kVpowergrid

圖7 北京電網(wǎng)總負(fù)荷P-U曲線Fig.7 P-UcurveoftotalloadofBeijingpowergrid

對(duì)北京電網(wǎng)的最大受電能力進(jìn)行分析，各站短路電流上限按60 kA考慮，南部電網(wǎng)合環(huán)情況下，安定和順義各自提供約10 kA短路電流，安定和房山站的短路電流可按70 kA考慮，北京各站環(huán)網(wǎng)短路電流均值約為65 kA。考慮一定裕度，在60 kA時(shí)，全停機(jī)下最大負(fù)荷規(guī)模約為30 000 MW，80%受電比例下，最大負(fù)荷規(guī)模約為34 000 MW。保守情況下考慮全開機(jī)、全接線方式，最大短路電流還應(yīng)扣除相應(yīng)數(shù)值。

4 結(jié)論

(1)通過網(wǎng)絡(luò)阻抗，建立受端區(qū)域電網(wǎng)短路容量與靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限和熱穩(wěn)定之間關(guān)系，通過電網(wǎng)的短路容量可以評(píng)估受端電網(wǎng)受電能力。

(2)根據(jù)短路容量的上限值可以得到飽和受端電網(wǎng)規(guī)模，可以為未來電網(wǎng)分區(qū)規(guī)劃提供參考。

(3)提高受電比例會(huì)導(dǎo)致受端電網(wǎng)飽和負(fù)荷規(guī)模變小，通道分散接入應(yīng)在擴(kuò)大環(huán)網(wǎng)的基礎(chǔ)上才能最大程度地提高受端電網(wǎng)負(fù)荷規(guī)模。

后續(xù)研究中將考慮暫態(tài)電壓穩(wěn)定極限對(duì)受電能力的影響，同時(shí)對(duì)于受端直流接入下，受端電網(wǎng)的負(fù)荷最大規(guī)模也是下一步的研究方向。

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(編輯 景賀峰)

Load Scale Assessment and Power Receiving Capacity of Saturated AC Receiving-End Network Considering Short Circuit Capacity and Voltage Stability Constraint

LI Fuqiang1，PENG Long2，ZHANG Wenchao2，GUO Qiuting2

(1．North China Branch of State Grid Corporation of China，Beijing 100053，China; 2．NARI Group Corporation，Beijing 102200，China)

This paper proposes a quantitative assessment method for the saturated load scale of AC receiving-end network with considering the constraints of short circuit capacity and static voltage stability constraint．The relationship of short-circuit capacity，static voltage stability limit and thermal stability is established by network impedance，and the proportional relationship between short-circuit capacity and static voltage stability limit is analyzed qualitatively with the characteristics of power flow and impedance distribution．According to the ring size of the actual receiving-end network and the maximum shortcircuit capacity，the minimum impedance of transmission channelis obtained．Because the power flow of actualring network is relatively low，the whole receiving-end network can be decoupled into the structure of single power supply to single load，so as to obtain the static voltage stability limit analytical formula under the constraints of the end regions short-circuit capacity and thermal stability，and quantitatively evaluate the saturated load scale of AC receiving-end network．The accuracy is verified by the simulation of the actual network，which can provide some references for the planning of power grid．

power receiving capability;receiving-end power system;short circuit capacity;static voltage stability limit

TM 711

A

1000－7229(2017)03－0063－06

10.3969/j．issn.1000－7229.2017.03.009

2016-01-05

李付強(qiáng)(1977)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)規(guī)劃工作;

彭龍(1988)，男，碩士，助理工程師，本文通信作者，主要從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制方面工作;

張文朝(1978)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制方面工作;

郭秋婷(1990)，女，助理工程師，主要從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制方面工作。

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(高受電比例電網(wǎng)的規(guī)劃技術(shù)要求研究)