基于動態(tài)分區(qū)的地區(qū)電網(wǎng)短路電流抑制策略

時 慶， 朱亮亮

（1.葛洲壩中科儲能技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430040；2.中國葛洲壩集團(tuán)裝備工業(yè)有限公司，湖北 武漢 430040）

0 引言

隨著用電負(fù)荷的大幅增長以及發(fā)電機(jī)組容量的增加，電網(wǎng)規(guī)模明顯提升，導(dǎo)致系統(tǒng)母線短路電流水平不斷提升，短路電流控制是電源、負(fù)荷密集電網(wǎng)面臨的共性問題[1-3]。短路電流的不斷增加，可能導(dǎo)致斷路器的開斷能力不足而不能有效切除故障，致使故障擴(kuò)大，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定造成威脅。當(dāng)電網(wǎng)短路電流問題較嚴(yán)重時，可考慮變電站母線分列運(yùn)行、電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)等線路投切技術(shù)抑制短路電流，避免故障擴(kuò)大，提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平[4-5]。

基于動態(tài)分區(qū)技術(shù)的短路電流抑制方法，是從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，當(dāng)電網(wǎng)中存在母線短路電流超標(biāo)時，投切部分線路，從而動態(tài)調(diào)整現(xiàn)有的電網(wǎng)分區(qū)結(jié)構(gòu)，以解決短路電流問題。動態(tài)分區(qū)技術(shù)包括2 種，一是變電站母線分列，二是電磁環(huán)網(wǎng)的解合環(huán)[6-7]。本文所提的短路電流綜合評估和抑制策略，能夠快速、準(zhǔn)確地針對短路電流超標(biāo)問題，協(xié)調(diào)考慮經(jīng)濟(jì)性和安全性等目標(biāo)，確定可選的動態(tài)分區(qū)調(diào)整方案空間并對其進(jìn)行自動搜索，為調(diào)度運(yùn)行人員提供與運(yùn)行方式相適應(yīng)的動態(tài)分區(qū)方案，減輕調(diào)度人員的負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 動態(tài)分區(qū)方案評價模型

1.1 動態(tài)分區(qū)方案量化評價指標(biāo)體系

針對短路電流問題給出的多種動態(tài)分區(qū)方案集合，需要采取合理的評價模型對各方案的有效性進(jìn)行評估，以確定最優(yōu)的分區(qū)方案。本文從安全性和可靠性兩方面著手，構(gòu)建了包含多個綜合評價指標(biāo)的層次體系，具體指標(biāo)分類見表1。

a） 線路負(fù)載率rL。線路負(fù)載率rL的計算公式如下

式中：λpl，i為線路i的過載安全裕度；nl為線路條數(shù)。

表1 動態(tài)分區(qū)方案綜合評價指標(biāo)體系

b） 變壓器負(fù)載率rT。變壓器負(fù)載率rT的計算公式如下

式中：λpt，i為變壓器i的過載安全裕度；nt為變壓器個數(shù)。

c） 節(jié)點(diǎn)電壓水平xU。節(jié)點(diǎn)電壓水平xU的計算公式如下

式中：λu，i為母線i的電壓安全裕度；nu為母線數(shù)量。

d） 短路電流水平xI。短路電流水平xI的計算公式如下

式中：nsc為短路故障數(shù)；Ii，sc為第i個短路故障下的短路電流大小；Ii，sc，lim為對應(yīng)的斷路器遮斷容量。

e） 旋轉(zhuǎn)備用xre。旋轉(zhuǎn)備用xre的計算公式如下

式中：PSR為旋轉(zhuǎn)備用容量；PSR，lim為旋轉(zhuǎn)備用容量的最低限值。

f） 系統(tǒng)網(wǎng)損Sloss。當(dāng)僅考慮有功網(wǎng)損時，可表示為

式中：PG為系統(tǒng)發(fā)電功率；PL為系統(tǒng)負(fù)荷功率。

1.2 動態(tài)分區(qū)方案綜合評價指標(biāo)

針對上節(jié)中給出的安全性和可靠性指標(biāo)，首先需要確定系統(tǒng)對于安全性和可靠性的重視程度，即兩者的權(quán)重。其次，需要確定2 個類別下面的二級指標(biāo)權(quán)重，本文中的權(quán)重值根據(jù)專家經(jīng)驗法獲取。根據(jù)兩級評價指標(biāo)的權(quán)重，逐級向上加權(quán)，可得到動態(tài)分區(qū)方案的綜合評價結(jié)果。綜合評價指標(biāo)計算方法可表示為

式中：α、β 分別為安全性和可靠性的權(quán)重；m、n分別為兩類二級指標(biāo)的個數(shù)；wsi、wrj為二級指標(biāo)權(quán)重；xi、yi為二級指標(biāo)值。

上述指標(biāo)均為極小型指標(biāo)，即指標(biāo)值越小表明系統(tǒng)越穩(wěn)定。因此，式（7）中所得的綜合評價指標(biāo)越小，則動態(tài)分區(qū)方案效果越好。

2 動態(tài)分區(qū)方案評估方法

2.1 動態(tài)分區(qū)啟動判據(jù)

短路電流主要通過短路前瞬間短路點(diǎn)節(jié)點(diǎn)電壓與短路點(diǎn)自阻抗的比值計算，公式如下

式中：ηI為短路電流計算點(diǎn)的安全裕度；為短路電流計算點(diǎn)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)自阻抗值；為短路電流計算點(diǎn)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)阻抗安全閥值。ηI越大，表示短路電流計算點(diǎn)面臨的短路電流超標(biāo)的風(fēng)險越低。

當(dāng)短路電流計算點(diǎn)的阻抗小于根據(jù)電網(wǎng)短路器遮斷容量設(shè)置的阻抗臨界值時，認(rèn)為系統(tǒng)存在短路電流水平超標(biāo)的風(fēng)險，應(yīng)當(dāng)采取措施，降低短路電流超標(biāo)點(diǎn)的短路電流水平。

根據(jù)上文中定義的安全裕度公式，ηI＜0 時，系統(tǒng)進(jìn)入緊急狀態(tài)，此時啟動動態(tài)分區(qū)。

2.2 可選方案空間

導(dǎo)致電網(wǎng)短路電流水平增大的主要原因是受端系統(tǒng)各站點(diǎn)距離電源電氣距離縮短，區(qū)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系日益緊密。從動態(tài)分區(qū)技術(shù)的角度解決短路電流問題，可選方案空間的選擇需遵循以下原則：適用于電網(wǎng)規(guī)劃階段的短路電流限制措施，如增加或升級一次設(shè)備等不歸入可選方案空間；可選方案包括控制電網(wǎng)中可拉停的線路，實(shí)現(xiàn)電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)，電網(wǎng)分層分區(qū)；方案實(shí)行后，應(yīng)不降低電網(wǎng)供電的可靠性。

2.3 評估方法流程

利用動態(tài)分區(qū)技術(shù)解決短路電流問題的主要流程如下。第一步：每個計算周期根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、模型和參數(shù)等信息在線計算地區(qū)電網(wǎng)中母線短路電流，如果存在母線短路電流超標(biāo)，則啟動動態(tài)分區(qū)輔助決策計算。第二步：將需要考察的短路電流超標(biāo)母線加入考察集中。第三步：根據(jù)考察集確定動態(tài)分區(qū)可選方案空間，方案解開的線路條數(shù)為i=1。第四步：分別針對可選方案空間中各方案，若其實(shí)施后均會引發(fā)新的短路電流越限，進(jìn)入第五步；否則將該方案加至待校核方案集中，若待校核方案集為空，則進(jìn)入第五步；否則進(jìn)入第六步。第五步：如i＜n，令i=i+1，重新確定可選方案空間，進(jìn)入第四步；否則結(jié)束計算。第六步：針對待校核方案集中各個方案，如考察集中所有母線均滿足ηI≥0，將方案加入可行方案集中，進(jìn)入第八步；否則進(jìn)入第七步。第七步：采取其他措施進(jìn)行協(xié)調(diào)，以消除短路電流超標(biāo)問題，將所得方案加入可行方案集中。第八步：利用量化評價指標(biāo)體系對可行方案集中的各方案進(jìn)行綜合評價，選取最優(yōu)方案。

3 算例分析

隨著750 kV 網(wǎng)架的延伸和電源的投運(yùn)，新疆電網(wǎng)規(guī)模和裝機(jī)容量得到明顯提升，電氣聯(lián)系趨于緊密，母線短路電流不斷上升，部分廠站短路電流已接近甚至超過額定開斷電流，影響到電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。本算例以新疆電網(wǎng)烏昌地區(qū)為例，利用所提的動態(tài)分區(qū)理論解決烏昌電網(wǎng)的短路電流問題，并通過綜合評估方法評價動態(tài)分區(qū)方案的安全性。

3.1 烏昌城網(wǎng)短路電流來源分析

利用基于轉(zhuǎn)移阻抗的短路電流分析方法，選取烏昌地區(qū)短路電流控制難度較大的750 kV 站點(diǎn)，分析向其提供短路電流的主要電源點(diǎn)。烏昌地區(qū)短路電流問題嚴(yán)重站點(diǎn)主要為750 kV 鳳凰變和烏北變，表2 為750 kV 鳳凰變和烏北變220 kV 母線三相短路時的短路電流來源。

從站點(diǎn)短路電流來源的絕對量大小來看，紅二電、神華米東電、魯康電、鋁業(yè)電對750 kV 烏北變220 kV 母線短路電流影響較大，瑪電三期、瑪電、嘉潤電對750 kV 鳳凰變220 kV 母線短路電流影響較大。

表3 新疆電網(wǎng)烏昌地區(qū)220 kV 短路電流超標(biāo)母線

3.2 烏昌城網(wǎng)分層分區(qū)方案

烏昌城網(wǎng)750/220 kV 環(huán)網(wǎng)合環(huán)運(yùn)行方式下，部分220 kV 母線短路電流超標(biāo)（見表3）。為有效解決烏昌城網(wǎng)短路電流問題，本算例主要考慮母線分列和環(huán)網(wǎng)解環(huán)兩種措施。根據(jù)新疆電網(wǎng)運(yùn)行方式，烏昌城網(wǎng)母線分列和環(huán)網(wǎng)解環(huán)重點(diǎn)考慮以下幾種備選方案。

a） 750/220 kV 鳳烏、鳳亞電磁環(huán)網(wǎng)。

方式一：瑪電3 臺機(jī)發(fā)電全部送鳳凰?，旊娙谀妇€分列運(yùn)行，瑪樂三回線充電備用，瑪電3 臺機(jī)組通過馬三聯(lián)絡(luò)線、瑪石東線、瑪石西線送鳳凰。

方式二：瑪電3 臺機(jī)發(fā)電部分送鳳凰，部分送城網(wǎng)?，旊娙谀妇€分列運(yùn)行，瑪三聯(lián)絡(luò)線充電備用，瑪電3 臺機(jī)組發(fā)電通過瑪石東線、瑪石西線送鳳凰，通過瑪樂三回線送城網(wǎng)。

方式三：瑪電3 臺機(jī)發(fā)電全部送城網(wǎng)?，旊娙谀妇€分列運(yùn)行，瑪三聯(lián)絡(luò)線、瑪石東線、瑪石西線充電備用，瑪電3 臺機(jī)組發(fā)電通過瑪樂三回線送城網(wǎng)。

b） 750/220 kV 烏亞電磁環(huán)網(wǎng)。

方式一：烏北220 kV 母線分列運(yùn)行。

方式二：烏北220 kV 母線分列運(yùn)行，220 kV米泉變分列運(yùn)行（220 kV 米寧線、米宮線、米石雙線、1 號主變在一段母線上，220 kV 葦米線、烏米線、2 號主變在另一段母線上）。

方式三：烏北220 kV 母線分列運(yùn)行，220 kV米泉變分列運(yùn)行，220 kV 紅八線斷開，220 kV 紅二電分列運(yùn)行（220 kV 二宮、二祁在一段母線上，220 kV 二八線、二化線在另一段母線上）。

綜合上述方式組合，共有9 種可選動態(tài)分區(qū)方案。具體方案如表4 所示。

表4 烏昌城網(wǎng)9 種動態(tài)分區(qū)方案

上述各方案實(shí)施后，米泉、化工園母線短路電流超標(biāo)問題均可得到解決，且未引發(fā)新的母線短路電流超標(biāo)問題。部分方案未能解決烏北、鳳凰220 kV 母線短路電流問題，結(jié)果如表5 所示。

由表5 可知：鳳凰變220 kV 母線短路電流主要受鳳烏、鳳亞環(huán)網(wǎng)解環(huán)方式影響，瑪電3 臺機(jī)發(fā)電部分送鳳凰、部分送城網(wǎng)時，鳳凰母線短路電流值較大，瑪電3 臺機(jī)發(fā)電全部送城網(wǎng)時，鳳凰母線短路電流值較??；烏北變220 kV 母線短路電流主要受烏亞環(huán)網(wǎng)解環(huán)方式影響，烏亞環(huán)網(wǎng)完全解環(huán)時，對烏北短路電流抑制效果最好。

根據(jù)表5 中所示的短路電流計算結(jié)果，僅方案2、3、8、9 可解決烏昌城網(wǎng)全部220 kV 母線短路電流的超標(biāo)問題，因此將該4 種方案加入到動態(tài)分區(qū)可選方案空間中。下面將從電網(wǎng)供電可靠性、安全性等方面評估上述4 種方案的優(yōu)劣。

表5 各動態(tài)分區(qū)方案實(shí)施后短路電流水平

3.2.1 線路負(fù)載率rL

本算例選擇烏昌地區(qū)線路負(fù)載率較高的5 條線路作為考察對象，分別為烏北—龍崗雙回線、烏北—泰恒、泰恒—魯康、瑤池—魯康，以分區(qū)方案2 為例，方案實(shí)施后各線路負(fù)載率見表6。

表6 線路負(fù)載率指標(biāo)

計算得該方案下線路負(fù)載率指標(biāo)值為0.789。

3.2.2 變壓器負(fù)載率rT

本算例選擇烏昌地區(qū)負(fù)載率較高的5 臺主變作為考察對象，分別為龍崗、昌吉、三宮、瑤池、長寧，以分區(qū)方案2 為例，方案實(shí)施后各主變負(fù)載率見表7。

表7 主變負(fù)載率指標(biāo)

計算得該方案下變壓器負(fù)載率指標(biāo)值為0.744。

3.2.3 節(jié)點(diǎn)電壓水平xU

本算例選擇烏昌地區(qū)220 kV 線路5 個重要節(jié)點(diǎn)作為考察對象，分別為龍崗、米泉、石河子?xùn)|、石河子西、祁家溝，以分區(qū)方案2 為例，方案實(shí)施后各節(jié)點(diǎn)電壓見表8。

表8 節(jié)點(diǎn)電壓水平指標(biāo)

計算得該方案下節(jié)點(diǎn)電壓水平指標(biāo)值為0.556。

3.2.4 短路電流水平xI

本算例選擇烏昌地區(qū)4 個短路電流問題較為嚴(yán)重的母線作為考察對象，分別為烏北、鳳凰、米泉、化工園，以分區(qū)方案2 為例，方案實(shí)施后各母線短路電流水平見表9。

表9 母線短路電流水平指標(biāo)

計算得該方案下短路電流水平指標(biāo)為0.848。

考慮到當(dāng)前狀態(tài)下應(yīng)以解決電網(wǎng)短路電流問題為首要目標(biāo)，安全性、可靠性指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重集W= [1，0]，安全性指標(biāo)的權(quán)重集為[0.2，0.2，0.3，0.3]，各指標(biāo)均為極小型指標(biāo)，即指標(biāo)的值越小，系統(tǒng)性能越好，根據(jù)權(quán)重集計算得各方案的綜合性能指標(biāo)值見表10。

表10 各動態(tài)分區(qū)方案綜合評價結(jié)果

綜合評價指標(biāo)值越小，則該分區(qū)方案的性能越好。由表10 可知，分區(qū)方案9 最優(yōu)，即瑪電3 臺機(jī)發(fā)電全部送城網(wǎng)，同時將烏北、米泉及紅二電220 kV 母線分列，斷開紅八線。該方案既能解決烏昌地區(qū)的短路電流超標(biāo)問題，又能保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)束語

本文提出利用改變電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)分區(qū)技術(shù)來解決電網(wǎng)中母線短路電流超標(biāo)問題，并通過綜合評估方法評價各分區(qū)方案的優(yōu)劣。以新疆電網(wǎng)為例，利用動態(tài)分區(qū)技術(shù)解決烏昌城網(wǎng)部分母線短路電流超標(biāo)問題，結(jié)果表明，選擇烏昌地區(qū)瑪電3 臺機(jī)發(fā)電全部送城網(wǎng)，同時將烏北、米泉及紅二電220 kV 母線分列，斷開紅八線方案時，既能有效解決短路電流超標(biāo)問題，又能保障地區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。