基于轉(zhuǎn)移負荷法的城市電網(wǎng)合環(huán)

周維陽++劉天琪++郝文斌++史華勃

摘 要在電網(wǎng)分區(qū)運行的背景下，針對邊界110kV站點的合解環(huán)問題，從電網(wǎng)開合環(huán)的潮流計算入手，分析影響合環(huán)潮流的因素，得出母線間電壓相角差對合環(huán)潮流的影響最大；在此基礎是，提出一種以限制合環(huán)潮流為目標，通過轉(zhuǎn)移負荷的邊界站點合環(huán)方案制定方法。并通過電力系統(tǒng)綜合程序PSASP對用該方法制定的方案進行了仿真驗證，仿真結(jié)果驗證了該方法的有效性和實用性。

【關鍵詞】電網(wǎng)合環(huán) 潮流計算 轉(zhuǎn)移負荷

當今階段國內(nèi)的大型城市，比如北上廣等已經(jīng)開始實現(xiàn)電網(wǎng)分區(qū)運行。在此大背景下，我國大城市電網(wǎng)分區(qū)供電格局已經(jīng)形成。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，供電穩(wěn)定性與可靠性的要求也不斷提高。為了滿足電網(wǎng)運行可靠性，電網(wǎng)分區(qū)運行時，采用“閉環(huán)接線，開環(huán)運行”的運行方式，即500kV電壓等級環(huán)網(wǎng)運行，110kV電壓等級及以下開環(huán)運行。采用此種運行方式，不僅能充分發(fā)揮特高壓電網(wǎng)輸電能力，亦能有效的減小系統(tǒng)短路電流，同時能更方便的優(yōu)化控制分區(qū)下電網(wǎng)潮流，方便故障隔離以及便于分區(qū)解裂等，從而達到提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，優(yōu)化電力系統(tǒng)調(diào)度控制的作用。

隨著電網(wǎng)技術的發(fā)展，供電質(zhì)量與可靠性已經(jīng)成為電網(wǎng)運行的重中之重，特別是對于重要客戶，更需要保證供電的持續(xù)可靠性。如今110kV及以下站點常常采用“雙側(cè)電源供電”的運行方式，即一個110kV站點由不同的兩個220kV站點供電，一條線路運行，一條線路備用。一旦運行線路因需斷開，便可進行合解環(huán)操作，立刻將備用線路投入使用，從而保證了供電的可靠性。絕大部分下，110kV站點雙側(cè)電源站點隸屬于環(huán)網(wǎng)運行狀態(tài)下的220kV站點，由于其本身相連，因而進行合解環(huán)操作時可以滿足操作過程中電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性。但若110kV站點雙側(cè)電源站點隸屬于開環(huán)運行狀態(tài)下的不同220kV站點（即110kV站點屬于“邊界站點”，后文亦同樣稱呼），若進行合解環(huán)操作，就會使得開環(huán)運行的區(qū)域直接合環(huán)運行?？紤]到110kV線路的承載以及變壓器容量問題，如果僅憑經(jīng)驗進行合環(huán)操作，則可能會出現(xiàn)合環(huán)潮流過大，甚至過載而引起線路跳閘；更嚴重的還會燒毀線路、變壓器，對電網(wǎng)設備造成不可逆的損失。

鑒于此，本文立足于電力系統(tǒng)理論分析，找到影響電網(wǎng)合解環(huán)操作的主要因素，提出一種在保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定的條件下，更加優(yōu)化、可靠的邊界站點合環(huán)方案制定方法，在實際電網(wǎng)調(diào)度運行中有較高的價值。

1 合環(huán)潮流影響因素的分析

對于電力系統(tǒng)等值分析的分析很多，由電路戴維寧-諾頓定理可知：對于任意一個復雜電路網(wǎng)絡，通過戴維寧諾頓定理的等效替代，可以將任意一條線路的外部電阻簡化成一個有源網(wǎng)絡。因此，合環(huán)問題等值電路可以如圖1所示。

圖1是一個標準的有源線路等效化簡圖，將復雜電網(wǎng)等效為一個有源網(wǎng)絡，再對端口合環(huán)潮流進行分析。未合環(huán)時將端口看做由一個無限大電阻連接；將合環(huán)時的線路阻抗表示為Zkk。

合環(huán)后形成的合環(huán)潮流是由于合環(huán)兩側(cè)母線電壓矢量差造成的均衡潮流?S。當進行合環(huán)操作過后，其經(jīng)過Zkk的潮流即為均衡潮流。

1.1 均衡潮流分析

考慮到在實際電網(wǎng)合環(huán)潮流分析中，合環(huán)兩側(cè)端口不完全能等效為一個無窮大系統(tǒng)。因此將其戴維南等效電路的等值阻抗設置為ZXT，若其為無限大系統(tǒng)，則ZXT=0。所以系統(tǒng)總的等值阻抗為Z=ZXT+Zkk=R+jX：

將端口右側(cè)電壓設置為參考相量，設端口兩端的電壓相角差為δij，則

（1）

其中的表達式為

（2）

聯(lián)立式（1）、式（2）后可得

（3）

（4）

1.2 合環(huán)潮流的影響因素

對式（3）、式（4）分別求導，并且在實際電網(wǎng)中，端口電壓母線相角差|δij|<15°，電抗遠大于電阻（R<

（5）

（6）

從式（5）、式（6）中可知母線相角差對合環(huán)有功潮流的影響非常之大，但合環(huán)兩側(cè)電壓有效值之差對有功潮流的影響較小，這是由于電抗電壓之比足夠大導致的。此外從式（5）、式（6）式中可以了解到，合環(huán)無功潮流受電壓幅值的影響很大，且與電抗電壓之比正相關，并且受母線相角差的影響相對較小。

由于實際線路中R<

（7）

（8）

（9）

式（9）中，因為、的值相對固定，并且電抗X的值固定，所以影響有功潮流的主要因素是sinδij，即合環(huán)時有功潮流的大小主要由母線電壓相角差決定。通常情況下，在現(xiàn)今電力系統(tǒng)運行中，對于電壓幅值的差的限制一般在5%以內(nèi)，而母差電壓相角差則限制在15度以下。根據(jù)式（9）推算，通常情況下有功潮流在占總體潮流的比重在80%至87%之間。從上述計算及文獻中可以得出結(jié)論：對于限制合環(huán)潮流的問題，減小有功潮流是主要研究方向。而有功潮流則受母線電壓相角差影響較大，于是，在實際合環(huán)操作中，如何減小合環(huán)兩側(cè)母線電壓相角差便是解決合環(huán)潮流超標的重中之重。

2 基于轉(zhuǎn)移負荷法生成合環(huán)方案的方法研究

由上述分析可知，改變合環(huán)潮流的關鍵因素在于母線電壓相角差δij。由此，在參考文獻的基礎上，提出一種基于區(qū)域負荷轉(zhuǎn)移的跨區(qū)負荷轉(zhuǎn)移方案，即通過改變站點兩側(cè)區(qū)域的負荷分配，減小邊界站點雙側(cè)220kV站點中110kV母線的電壓相角差，從而達到限制合環(huán)潮流的目的。

負荷轉(zhuǎn)移法的步驟如下：

（1）比較待合環(huán)線路兩側(cè)110kV站點分別所屬220kV站點母線相角之差。

（2）改變區(qū)域負荷分配：通過深度優(yōu)先算法找到邊界站點兩側(cè)220kV電站最短路徑以及分割出各個分區(qū)運行區(qū)域；識別出非邊界站點，作為方案的候選轉(zhuǎn)移負荷。

（3）按照步驟2種轉(zhuǎn)移負荷優(yōu)先順序，對每個轉(zhuǎn)移負荷的方案進行逐一驗證，找到滿足條件的輸出結(jié)果。

（4）若轉(zhuǎn)移單一110kV負荷仍然不能滿足合環(huán)條件，此時開始考慮轉(zhuǎn)移兩個負荷來達到目的，轉(zhuǎn)移兩個負荷的候選方案數(shù)量為j=Ci2，找到滿足條件的方案并輸出結(jié)果。

（5）若無合適結(jié)果，則使用傳統(tǒng)方法。

通過此種方法，便可是生成“邊界站點”的合環(huán)方案。

3 合環(huán)方案的制定與驗證

3.1 某地XY110kV“邊界站點”原合環(huán)方案的分析

選取某地區(qū)XY110kV站點作為“邊界站點”討論對象，其聯(lián)絡線接線圖如圖2所示。通常情況下，其由HTC220kV電站供電，并且SY220kV是其備用線路，通過聯(lián)絡線相連。

對于選取的HTC220kV /SY220kV之間的XY110kV站點，該站點雙側(cè)供電屬于不同的分區(qū)，因此它是一個標準的邊界站點。本文將其作為討論對象，希望找到一種合理方案使XY110kV站點的負荷由HTC220kV站點供電轉(zhuǎn)移到SY220kV站點上。

首先我們將XY110kV和SY110kV直接合環(huán)，分析合環(huán)數(shù)據(jù)，判斷是否能夠滿足系統(tǒng)參數(shù)限制，如圖3、4所示

合環(huán)前后的數(shù)據(jù)如表1所示。

由直接合環(huán)結(jié)果可知，當其合環(huán)母線兩側(cè)電壓相角差為6.1度時，合環(huán)潮流為99.8+j24.2 Mva。超過了LGJ-120/150型號電纜的最大耐受值。因此直接進行合環(huán)操作是不可能的。

3.2 合環(huán)方案的生成和驗證

按照上述所提出方法制定的 “邊界站點”合環(huán)方案為：

（1）連接TF110kV與WH110kV母線

（2）斷開TF110kV與HTC110kV母線

（3）連接XY110kV與SY110kV母線

（4）斷開XY110kV與HTC110kV母線

操作過程如圖5、6所示。

由表2中數(shù)據(jù)可知，與直接合環(huán)的方案相比，新方案因為TF110kV站點負荷的轉(zhuǎn)移，XY110kV線路母線與SY110kV母線電壓相角差從-6.1°縮小到-4.1°，使合環(huán)潮流由99.8+j24.2MVa下降到了67.8+j18.0MVa，從而將合環(huán)潮流限制在線路容量允許范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論

對于傳統(tǒng)合環(huán)方案，需要先進行220kV的合環(huán)操作，將部分電網(wǎng)由分區(qū)運行變?yōu)殡姶怒h(huán)網(wǎng)運行。由于220kV電壓較高，電磁環(huán)網(wǎng)運行對電網(wǎng)的潮流分布的影響較大，同時會進一步增大整個電網(wǎng)的短路電流；在另一方面，220kV線路合環(huán)需要由省級調(diào)度中心批準，而110kV線路的維護則屬于地市級供電公司。因此，本文所提出的分區(qū)背景下的合環(huán)方案可以極快的解決“邊界站點”合環(huán)問題，在實際電力系統(tǒng)運行中是有價值的。

本文在電力系統(tǒng)理論分析的基礎上，通過理論分析得到母線電壓相角差是影響合環(huán)潮流的最大因素；基于此結(jié)論提出了一種基于轉(zhuǎn)移負荷的邊界站點合環(huán)方案的制定方法。并且將由此方法生成方案與原方案進行對比，證明了其有效性。

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作者簡介

周維陽（1990-），男，碩士研究生學歷。研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化。

郝文斌（1976-），男，博士學位。高級工程師。主要從事電力系統(tǒng)繼電保護及調(diào)度運行研究。

史華勃（1987-），男，工程師。主要研究方向電力系統(tǒng)及其自動化。

作者單位

1.四川大學電氣信息學院 四川省成都市 610044

2.國網(wǎng)成都供電公司 四川省成都市 610041

3.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學研究院 四川省成都市 610072