西電大幅送電下廣東內(nèi)部斷面熱穩(wěn)問題分析

邱生敏，楊凡，陳亦平

（中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣州 510663）

0 前言

隨著楚穗直流、普僑直流、牛從直流等云南送出大直流相繼投產(chǎn)，南方電網(wǎng)主網(wǎng)已形成了“八交十直”送電結(jié)構(gòu)，電源主要分布在云貴地區(qū)，而用電負(fù)荷中心卻集中在廣東珠三角地區(qū)。電源、負(fù)荷分布不均衡造成了西電大幅度送電廣東。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年廣東受西電電力最高可達(dá)3 400萬kW，超過廣東負(fù)荷的1/3。大直流集中落點(diǎn)、以及大負(fù)荷的情況下，廣東電網(wǎng)內(nèi)部熱穩(wěn)問題更加突出。因此度夏期間對(duì)運(yùn)行方式安排、調(diào)度運(yùn)行調(diào)控要求較高，運(yùn)行安排或調(diào)度調(diào)控稍有不當(dāng)，可能造成線路過載、設(shè)備損壞或系統(tǒng)失穩(wěn)。

近幾年來，國內(nèi)外的大面積停電事故均與電力系統(tǒng)熱穩(wěn)定問題相關(guān)，絕大部分的大面積停電是由于運(yùn)行中地區(qū)聯(lián)絡(luò)線路異常跳閘，區(qū)域相鄰連接線路超過熱穩(wěn)定值而導(dǎo)致連鎖跳閘，從而引發(fā)大面積停電事故[1～7]。而熱穩(wěn)問題與潮流分布直接相關(guān)，受開機(jī)、負(fù)荷、送受電水平影響極大，影響因素與控制都復(fù)雜多變，尤其在電力市場環(huán)境下交易不確定性將導(dǎo)致局部網(wǎng)絡(luò)、站點(diǎn)負(fù)荷水平不確定性大，局部斷面往往壓極限運(yùn)行，線路重載甚至過載情況可能發(fā)生，電網(wǎng)實(shí)時(shí)控制難度大。若調(diào)控不當(dāng)極易發(fā)生連鎖跳閘，造成電網(wǎng)解列，發(fā)生大面積停電事故[8-13]。特別是針對(duì)廣東電網(wǎng)的特點(diǎn)，大直流集中落點(diǎn)，負(fù)荷高并且分布不均，若發(fā)生大直流雙極閉鎖，潮流將出現(xiàn)大范圍、大面積的轉(zhuǎn)移，運(yùn)行方式安排不合理、調(diào)控不當(dāng)，均可能造成斷面長期越限或線路過載，從而引發(fā)錯(cuò)峰限電甚至大面積停電事故[14-17]。

針對(duì)上述問題，本文首先提出了一種基于轉(zhuǎn)移比的斷面查找方法，為廣東電網(wǎng)內(nèi)部熱穩(wěn)定斷面確定提供依據(jù)，著重分析廣東電網(wǎng)內(nèi)部熱穩(wěn)問題，特別是大直流落點(diǎn)周邊地區(qū)電網(wǎng)的熱穩(wěn)定問題，分析落點(diǎn)大直流雙極閉鎖后潮流轉(zhuǎn)移情況及各斷面、線路的負(fù)載情況。再依據(jù)靈敏度分析方法，指導(dǎo)運(yùn)行調(diào)度調(diào)控。最大限度降低直流閉鎖對(duì)廣東電網(wǎng)供電的影響。

1 基本概念及定義

1.1 電力系統(tǒng)熱穩(wěn)定概念

線路熱穩(wěn)定極限功率的求取一般將設(shè)備的熱穩(wěn)定電流折算為有功潮流，并計(jì)及環(huán)境溫度的影響，具體如式(1)所示。

其中是指正常溫度下線路允許通過最大電流；是環(huán)境溫度系數(shù)，環(huán)境溫度越高，數(shù)值越大；是指允許通過線路最大電流，是指線路允許輸電最大有功功率，是指功率因數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)[18]指出：正常運(yùn)行方式下的電力系統(tǒng)受到單一元件故障擾動(dòng)后，保護(hù)、開關(guān)及重合閘正確動(dòng)作，不采取穩(wěn)定控制措施，必須保持電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和電網(wǎng)的正常供電，其它元件不超過規(guī)定的事故過負(fù)荷能力，不發(fā)生連鎖跳閘。系統(tǒng)運(yùn)行中任一設(shè)備跳閘，不應(yīng)造成其它設(shè)備元件過載，稱為系統(tǒng)滿足熱穩(wěn)定要求。

1.2 轉(zhuǎn)移比及熱穩(wěn)斷面形成

電力系統(tǒng)中，由多回輸電線路組成的斷面，若其中一回線路故障跳閘或停運(yùn)，該線路的潮流轉(zhuǎn)移至同一斷面的其它線路。

圖1 輸電斷面組成圖

如圖1所示，系統(tǒng)A傳輸至系統(tǒng)B由m回線路組成斷面構(gòu)成，傳輸功率為，表示系統(tǒng)A、B之間的功角；系統(tǒng)A等效電壓為EA，系統(tǒng)B等效電壓為EB；線路L1阻抗為X1，傳輸功率為P1，以此類推。由此可得到：

由式子(3)～(5)可得出：

假設(shè)線路Lm跳閘停運(yùn)，斷面兩端電壓不變，各支路線路阻抗不變，Lm潮流轉(zhuǎn)移至其它線路，斷面?zhèn)鬏敼β蔖0不變，可得：

其中表示線路Lm跳閘后線路L1的有功潮流，以此類推，θ'表示線路Lm跳閘后系統(tǒng)A、B之間的功角。

其中ΔP1表示線路Lm跳閘后線路L1的有功潮流變化量，以此類推。

由式子 (3)、(4)、(7)、(8)、(10)、(11)可得

由此可類推得出

由此可得

由此定義輸電斷面轉(zhuǎn)移比K，可得：

由圖1所示的輸電斷面，線路Lm跳閘后，線路L1的有功潮流變化量ΔP1，定義與線路跳閘前的潮流Pm比例為輸電斷面轉(zhuǎn)移比K。由式子(16)可知，輸電斷面轉(zhuǎn)移比與系統(tǒng)阻抗有關(guān)，與系統(tǒng)固有特性有關(guān)，與發(fā)電機(jī)出力、系統(tǒng)潮流分布無關(guān)。因此對(duì)幾回固定線路組成的輸電斷面，某回線路跳閘，轉(zhuǎn)移到其余輸電斷面線路的潮流比例分配基本不變。

由圖1所示的輸電斷面，線路L1熱穩(wěn)極限為P1max，線路L1熱穩(wěn)裕度較小(正常線路負(fù)載率超過70%)，假設(shè)線路Lm跳閘后，線路L1增加的有功潮流最大，由式(16)可知，正常運(yùn)行時(shí)為確保線路Lm跳閘后，線路L1不過載，需滿足：

采取BPA對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行N-1掃描，模擬某些重要線路、設(shè)備發(fā)生單一故障跳閘后對(duì)其它設(shè)備的影響情況，用前面介紹的轉(zhuǎn)移比確定方法計(jì)算查找N-1故障后負(fù)載率超過90%的設(shè)備，即當(dāng)滿足P1+KPm≥0.9P1max時(shí)，則認(rèn)為需要對(duì)該越限或臨界越限設(shè)備進(jìn)行設(shè)立相關(guān)斷面進(jìn)行調(diào)控，即可獲取相關(guān)輸電控制斷面，具體步驟如圖2所示。

圖2 斷面搜索流程圖

1.3 靈敏度分析的定義

實(shí)際電力系統(tǒng)運(yùn)行中，因直流閉鎖或輸電線路等故障導(dǎo)致斷面過載，需要通過不斷調(diào)整斷面送端和受端的發(fā)電機(jī)或調(diào)整其它直流功率，來控制斷面潮流不超過熱穩(wěn)定極限。調(diào)整的原則應(yīng)優(yōu)先調(diào)高靈敏度的發(fā)電機(jī)和直流功率，如上述手段無法控制潮流在熱穩(wěn)極限下時(shí)，將需要采取限負(fù)荷措施。斷面潮流控制與送受端發(fā)電機(jī)的調(diào)整順序有很大的關(guān)系，找到快速、合理的調(diào)整順序是斷面控制中的關(guān)鍵要素。

本文介紹靈敏度分析方法，依據(jù)該方法來獲取斷面控制的快速手段，定義靈敏度計(jì)算為發(fā)電機(jī)出力變化量ΔPG和斷面潮流變化量ΔP之間的關(guān)系，機(jī)組出力對(duì)斷面潮流的靈敏度定義為：

通過計(jì)算不同發(fā)電機(jī)出力變化對(duì)所控?cái)嗝娉绷鞯撵`敏度，靈敏度越高，代表該控制手段效果越好，為調(diào)度員進(jìn)行斷面實(shí)時(shí)控制提供調(diào)控順序，并為方式安排提供依據(jù)。本文后面就將利用該方法，給出在大負(fù)荷情況下直流閉鎖斷面越限時(shí)的調(diào)控建議。

2 大直流雙極閉鎖分析

正常運(yùn)行時(shí)，廣東電網(wǎng)內(nèi)部北電南送、西電東送潮流較重，北花甲乙、水莞甲乙、能博線及相關(guān)斷面重載，北增甲線、蓄能AB聯(lián)線等重載；增穗甲線停運(yùn)導(dǎo)致增穗乙線及相關(guān)斷面重載；此外，廣東電網(wǎng)存在500 kV線路故障導(dǎo)致220 kV線路過載的風(fēng)險(xiǎn)，其中500 kV五江雙回跳閘導(dǎo)致220 kV五彩甲線過載，在普僑直流跳閘或停運(yùn)情況下，該斷面調(diào)控難度較大。

采取2.2節(jié)介紹的方法，采取BPA進(jìn)行仿真查找確定了楚穗、普僑、興安近區(qū)等重載斷面，包括從博甲乙線*0.5+北增甲線(取自南方電網(wǎng)斷面庫，表示當(dāng)從博甲乙線跳閘后，50%潮流會(huì)轉(zhuǎn)移到北增甲線上，導(dǎo)致北增甲線過載，后同)、北增雙回*0.4+蓄能AB聯(lián)線、五江甲乙線*0.15+五彩甲乙線、水莞甲乙線。

采取2.3節(jié)介紹的方法，采取BPA進(jìn)行仿真分析廣東主網(wǎng)各主要電廠及直流的調(diào)整情況，計(jì)算調(diào)節(jié)不同廠站出力對(duì)各斷面的潮流影響情況，得出各調(diào)節(jié)手段的靈敏度。

2.1 楚穗直流雙極閉鎖分析

當(dāng)楚穗直流發(fā)生雙極閉鎖，廣東省內(nèi)潮流發(fā)生較大變化，由西往東潮流進(jìn)一步加大，導(dǎo)致北增甲乙線、從博甲乙線以及蓄能AB聯(lián)線潮流大幅增長，其中斷面北增雙回*0.4+蓄能AB聯(lián)線（限值1 200 MW，閉鎖后為2 350 MW）、從博甲乙線*0.5+北增甲線（限值2 300 MW，閉鎖后為3 509 MW）均嚴(yán)重過載，遠(yuǎn)超過該斷面的熱穩(wěn)限值運(yùn)行。

若運(yùn)行中楚穗直流發(fā)生雙極閉鎖，造成斷面北增雙回*0.4+蓄能AB聯(lián)線、從博甲乙線*0.5+北增甲線嚴(yán)重過載，各電廠對(duì)北增雙回*0.4+蓄能AB聯(lián)線斷面的調(diào)控力度差別較大，整體考慮當(dāng)迎峰度夏期間發(fā)生楚穗直流雙極閉鎖后，主網(wǎng)頻率大幅度跌落，同時(shí)造成主網(wǎng)斷面嚴(yán)重過載，需要采取有效快速措施進(jìn)行調(diào)控，可以考慮完全開啟蓄能機(jī)組，彌補(bǔ)功率缺額，同時(shí)改變直流通道的功率來控制交流入口以及這些過載斷面的潮流，最后可以壓減粵北、粵西機(jī)組，增粵東、廣東佛山片區(qū)機(jī)組出力來達(dá)到控制目的。

2.2 普僑直流雙極閉鎖分析

若運(yùn)行中普僑直流雙極閉鎖，廣東內(nèi)部江中珠南通道將造成功率缺額，由西往東潮流進(jìn)一步加重，造成五江甲乙線*0.15+五彩甲乙線斷面嚴(yán)重過載（限值為600 MW，閉鎖后為806 MW），遠(yuǎn)超過該斷面的熱穩(wěn)限值運(yùn)行。廣東省內(nèi)其他斷面并未受到太大影響，均運(yùn)行于熱穩(wěn)極限內(nèi)，需要對(duì)該斷面進(jìn)行調(diào)控。相同的分析方法根據(jù)表中不同電廠對(duì)斷面靈敏度，整體考慮當(dāng)迎峰度夏期間發(fā)生楚穗直流雙極閉鎖后，主網(wǎng)頻率大幅度跌落，同時(shí)造成五江+五彩斷面嚴(yán)重過載，需要采取有效快速措施進(jìn)行調(diào)控。

2.3 興安直流雙極閉鎖分析

若興安直流發(fā)生雙極閉鎖，將造成廣東內(nèi)部主要斷面過載，包括水莞甲乙線（限值4 000 MW，閉鎖后4 124 MW）、從博甲乙線*0.5+北增甲線（限值2 300 MW，閉鎖后為2 857 MW）、北增雙回*0.4+蓄能AB聯(lián)線（限值1 200 MW，閉鎖后為1 755 MW）均發(fā)生不同程度的過載情況，廣東省內(nèi)其他斷面并未受到太大影響，均運(yùn)行于熱穩(wěn)極限內(nèi)。

考慮到北增相關(guān)斷面過載情況在楚穗直流閉鎖后已有相應(yīng)分析，故不再做重復(fù)調(diào)控分析，重點(diǎn)分析水莞甲乙斷面過載的調(diào)控手段，需要調(diào)減楚穗直流及蓄能機(jī)組的出力減小來達(dá)到調(diào)控目的，而在發(fā)生直流雙極閉鎖情況下，降低直流功率及蓄能機(jī)組出力可能導(dǎo)致主網(wǎng)頻率進(jìn)一步惡化。綜合上面的分析，對(duì)于迎峰度夏期間發(fā)生興安直流雙極閉鎖后，應(yīng)優(yōu)先調(diào)增深圳東莞片區(qū)火電機(jī)組出力，在系統(tǒng)頻率允許情況下適當(dāng)調(diào)減楚穗直流功率。

3 結(jié)束語

針對(duì)近年來度夏期間廣東電網(wǎng)內(nèi)部熱穩(wěn)定突出問題，進(jìn)行了較為詳細(xì)地分析，提出了一種考慮轉(zhuǎn)移比的斷面查找方法，再利用靈敏度分析方法對(duì)廣東電網(wǎng)各主要電廠及直流進(jìn)行分析，最后采取BPA模擬了迎峰度夏期間楚穗直流、普僑直流以及興安直流雙極閉鎖的情況，分析了不同直流雙極閉鎖對(duì)廣東受端交流斷面的影響情況，并按照廣東省內(nèi)各電廠及直流對(duì)省內(nèi)不同輸電斷面的靈敏度大小，給出了三大直流閉鎖事故后的具體的調(diào)控策略及建議，同時(shí)也為今后廣東電網(wǎng)熱穩(wěn)定問題分析提供依據(jù)和方法。有效地指導(dǎo)實(shí)際運(yùn)行中電網(wǎng)發(fā)生直流雙極閉鎖后，調(diào)度員快速反應(yīng)、高效調(diào)控，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。