小水電退網對地區(qū)電網潮流分布的影響

陳輝，王文燁，熊龍珠，鄧杰，姜飛

(1. 國網湖南省電力有限公司張家界供電分公司，湖南張家界427000；2. 長沙理工大學電氣與信息工程學院，湖南長沙410114)

0 引言

水電能源作為我國的第二大電力資源, 具有可再生、無污染等特性。同時在水能資源豐富的地區(qū), 水力發(fā)電成為實現地區(qū)能源布局優(yōu)化、能源綠色發(fā)展的戰(zhàn)略手段[1]。在我國電力發(fā)展初期, 小水電的大規(guī)模建設與并網運行一定程度上緩解了電力供需矛盾、優(yōu)化了能源結構, 對于保障電力供應、促進清潔能源發(fā)展起到了關鍵性的作用。

然而, 小水電存在著與主網聯系不強、生產自動化水平偏低、調度管理難度大、開發(fā)無序等技術與管理難題[2], 對電網安全可靠運行考驗較大。同時, 小水電開發(fā)引發(fā)的下游水量銳減、流域生態(tài)環(huán)境破壞等生態(tài)問題, 使小水電的綠色生態(tài)管理面臨著嚴峻考驗。充分考慮到當地的環(huán)境承載力, 為更好發(fā)揮水電的積極作用、保障電網安全可靠運行、保護生態(tài)環(huán)境, 需要對部分小水電進行整頓退網。本文主要針對某地區(qū)小水電退網對當地電網潮流分布及安全穩(wěn)定的影響進行分析, 為小水電退網后區(qū)域電網的發(fā)展建設提供參考。

目前, 針對區(qū)域電源退網對地區(qū)潮流的分析,國內外已經進行了深入研究。文獻 [3] 基于PSASP 電力系統(tǒng)仿真軟件, 對電壓穩(wěn)定極限及裕度進行了計算, 并對電網潮流與穩(wěn)定性模塊特點進行了總結。文獻 [4-5] 基于PSASP 電力系統(tǒng)仿真軟件, 對經典算例的電力系統(tǒng)進行了暫態(tài)穩(wěn)定分析, 在系統(tǒng)潮流收斂的情況下, 模擬了線路三相短路故障, 并按照一般的故障時間切除故障, 觀察了系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性, 繼而進一步計算了故障線路的極限切除時間。文獻 [6] 基于PSASP 電力系統(tǒng)仿真軟件, 開展了某電廠接入220 kV 電網后的外送安全穩(wěn)定計算分析, 并提出了外送線路的控制功率。文獻 [7] 結合湖南電網的運行特點, 針對湖南電網主網存在的熱穩(wěn)定問題提出了相應解決措施。文獻 [8] 分析了黑麋峰電廠投運后, 湖南電網的外送潮流特點及穩(wěn)定水平。文獻 [9] 基于湖南電網豐水期及枯水期典型負荷日的負荷特性與機組、電源組成比例, 分析了機組參與電網調峰的必要性。文獻 [10] 基于典型大負荷方式, 對湘西北地區(qū)電網的潮流分布和暫態(tài)水平進行了分析。但目前關于小水電退網對區(qū)域電網的潮流及安全性、穩(wěn)定性影響的研究仍然欠缺。

為研究地區(qū)小水電退網對電網潮流分布的影響, 本文綜合考慮區(qū)域電網與外部電網是否聯絡、區(qū)域電網內部某一省調管轄的水電廠是否投入等多種實際電網運行場景, 利用PSASP 軟件[11-12]搭建某地區(qū)220 kV 電網仿真模型, 在當地小水電全停的情況下, 對區(qū)域電網的夏季高峰負荷和冬季高峰負荷進行潮流計算[13-15]。對比小水電全開的情況,分析是否滿足潮流穩(wěn)定的最低要求, 基于N-1 安全原則判斷220 kV 線路是否可以安全運行。在該地區(qū)小水電退網的情況下, 提出地區(qū)電網與外部電網進行潮流交換并保證穩(wěn)定運行的運行建議。

1 地區(qū)電網的基本狀況和運行特性

截至2019 年2 月, 該地區(qū)電網水、火電裝機總容量為97.91 萬kW, 水電裝機容量占總裝機容量的87.74%。其中, 省調調度管轄裝機容量占水電總裝機容量的38.76%, 經220 kV 電壓等級并網。地調調度管轄裝機容量52.61 萬kW, 占水電總裝機容量的61.24%, 經110 kV 及以下電壓等級并網。此次退出的水電容量占該地區(qū)水電總裝機容量的53.09%。其中, 該地區(qū)220 kV 電壓等級網絡拓撲結構如圖1 所示。

圖1 該地區(qū)220 kV 電網的拓撲圖

圖1 中的節(jié)點 1 盤山、節(jié)點 3 崗市、節(jié)點 7 真龍橋為該地區(qū)220 kV 電網與外部電網聯絡的節(jié)點,主要負責與外部電網進行功率交換, 其外送通道分別為 L21、L36-Ⅰ、L36-Ⅱ、L57。其余節(jié)點為該地區(qū)內部的網絡節(jié)點, 其中節(jié)點2 江埡、節(jié)點4 立功橋、節(jié)點5 胡家坪、節(jié)點6 零陽。

該地區(qū)穩(wěn)定控制的要求具體如下: 在正常運行時, 若投入穩(wěn)控, L36-Ⅰ和L36-Ⅱ送入崗市的潮流可控制在420 MW 內；若穩(wěn)控退出, L36-Ⅰ和L36-Ⅱ線送入崗市 (零陽) 的潮流可控制在300 MW內。在故障運行時, 若L36-Ⅰ (L36-Ⅱ)線停運, L36-Ⅰ (L36-Ⅱ) 和 L21 線可控制在260 MW 內；若 L21 線停運, L36-Ⅰ和 L36-Ⅱ線送入崗市的潮流可控制在450 MW 內。

為對該地區(qū)的220 kV 網絡進行潮流計算, 統(tǒng)計該地區(qū)220 kV 電網中各線路的線型、長度及在環(huán)境溫度下能承受的最大負載功率等具體參數。若線路負荷的功率超過最大負載功率的80%則視為重載運行, 具體數據見表1。

綜合考慮到該地區(qū)電網的具體情況, 選取了4月豐水期、7 月夏季高峰期和12 月冬季高峰期三個典型月份的電網運行參數, 借助PSASP 軟件,計算了4 月豐水期小水電未退網時與小水電退網后7 月份夏季高峰期和12 月份冬季高峰期的潮流分布。通過對比小水電退網前后的潮流網絡變化情況, 來判斷小水電退出后是否滿足潮流穩(wěn)定的最低要求, 是否需要投入小水電, 以及220 kV 線路是否滿足N-1 原則。

表1 220 kV 線路最大負載功率

2 豐水期電網運行工況

4 月份豐水期, 該地區(qū)小水電保持全開的狀態(tài), L57 線路正在建設中仍未投運, 此時取電網最小負荷, 定義流出該地區(qū)220 kV 母線為正方向,即正值表示該地區(qū)往省網輸送功率。

在此典型情況下用PSASP 中潮流計算的最優(yōu)因子法對地區(qū)的電網潮流進行計算, 經過15 次迭代, 允許誤差為0.000 1, 計算出的潮流分布結果如圖2 所示。結果表明, 此時L36-Ⅰ和L36-Ⅱ線送省網的潮流超過了300 MW, 根據該地區(qū)穩(wěn)定控制的要求, 節(jié)點6 穩(wěn)控裝置應該處于投入的狀態(tài)。

圖2 該地區(qū)220 kV 電網4 月的潮流分布

對該地區(qū)220 kV 電網的任一線路進行N-1 校驗, 則該地區(qū)的其他線路及外送通道具體潮流網絡分布的計算結果見表2。

表2 4 月該地區(qū)220 kV 電網的N-1 校驗潮流

綜合表1 各線路在環(huán)境溫度下能承受的最大負載功率和表2 中的數據可以分析得到: 當外送通道L21 線故障后, L36-Ⅰ、L36-Ⅱ、L26 將會重載運行；外送通道L36-Ⅱ線故障后, L36-Ⅰ線將會滿載運行；外送通道L36-Ⅰ線故障后, L36-Ⅱ線將會重載運行。所以在負荷的低谷時期, 在滿足用電需求的同時, 合理控制該地區(qū)小水電的開機情況,保證線路處于正常的運行狀態(tài)。L26 線故障后,L21 線將會重載運行, 在滿足用電需求的條件下,江埡電廠適當開機以維持安全運行即可。

3 夏季高峰負荷下電網運行工況

7 月夏季高峰期, 此時小水電已經全停, 選取該地區(qū)電網7 月最大負荷來計算潮流, 同時定義正方向為省網送入該地區(qū)潮流。通過觀察真龍橋變未投運和投運兩種情況來分析夏季高峰負荷下的運行工況。

3.1 真龍橋未投運

3.1.1 江埡全開

在該地區(qū)小水電全停、江埡全開、負荷最大的方式下, 該地區(qū)的220 kV 電網的潮流分布如圖3所示。

由圖3 中的潮流分布情況可以分析得到,L36-Ⅰ和 L36-Ⅱ線送入該地區(qū)的潮流將達到300 MW左右, 此時該地區(qū)小水電需保持一定的開機平衡, L36-Ⅰ、L36-Ⅱ線的潮流達到穩(wěn)定運行。

對該地區(qū)220 kV 電網的任一線路進行N-1 校驗, 則該地區(qū)的其他線路及外送通道具體潮流網絡分布的計算結果見表3。

圖3 夏季高峰真龍橋未投運、江埡全開時的電網潮流

結合表1 中各線路在環(huán)境溫度下能承受的最大負載功率和表3 中的校驗數據可以得到: 當外送通道L36-Ⅰ線故障, L36-Ⅱ線、L24 將會重載運行；當外送通道L36-Ⅱ線故障, L36-Ⅰ線、L24 線將會重載運行；當 L26 線故障, L24 線將會重載運行；當L45 線故障, L56 線將會重載運行。此時該地區(qū)小水電應適當開機才能平衡重載線路潮流達到穩(wěn)定。

當L24 線故障后, L56 線負載達到384.03 MW,線路過載運行, L26 線將會重載運行；L56 線故障之后, L24 線負載達到367.75 MW, 線路過載運行, L45 線將會重載運行。上述兩種情況下的任意一線路故障, 另一線路負載都將超出線路穩(wěn)定運行極限, 此運行方式不滿足N-1 安全原則, 需節(jié)點4立功橋和節(jié)點5 胡家坪小水電至少出力130 MW 才能保證線路穩(wěn)定運行。

3.1.2 江埡全停

在該地區(qū)小水電全停、江埡全停、負荷最大的方式下, 該地區(qū)的220 kV 電網潮流分布如圖4 所示。

從圖4 中的潮流計算結果可以得出, L36-Ⅰ和L36-Ⅱ線送該地區(qū)的潮流超出300 MW, 不滿足穩(wěn)定控制要求, 此時需江埡電廠及該地區(qū)小水電保持一定出力才能使得L36-I 和L36-II 線潮流才能滿足穩(wěn)定控制。

圖4 夏季高峰真龍橋未投運、江埡全停時的電網潮流

3.2 真龍橋投運

在該地區(qū)小水電全停、江埡全停、負荷最大的方式下, 該地區(qū)的電網潮流如圖5 所示。

圖5 夏季高峰真龍橋投運、江埡全停時的電網潮流

從圖5 中的潮流計算結果可以得到, 在該狀態(tài)下的220 kV 線路滿足線路穩(wěn)定運行要求。

對該地區(qū)220 kV 電網的任一線路進行N-1 校驗, 則該地區(qū)的其他線路及外送通道的具體潮流網絡分布的計算結果見表4。

結合表1 各線路能承受的最大負載功率和表4數據可得: 外送通道L36-Ⅰ線故障, L36-Ⅱ線將重載運行；外送通道L36-Ⅱ線故障, L36-Ⅰ線接近滿載運行；外送通道 L57 線故障, L36-Ⅰ和L36-Ⅱ線、L56 線將重載運行。

在江埡全停的方式下, 該地區(qū)線路運行工況已滿足線路運行要求, 故不再對江埡全開的情況進行分析。

表4 夏季高峰真龍橋投運、江埡電廠全停的N-1 校驗潮流

4 冬季高峰負荷下電網運行工況

12 月冬季高峰期, 此時小水電已經全停, 選取該地區(qū)電網12 月最大負荷來計算潮流, 同時定義正方向為省網送入該地區(qū)潮流。通過真龍橋未投運和投運兩種情況分析冬季高峰負荷下的運行工況。

4.1 真龍橋未投運

分析該地區(qū)小水電全停、江埡全開、負荷最大的方式下, 該地區(qū)的電網潮流如圖6 所示。

圖6 冬季高峰真龍橋未投運、江埡全開時的電網潮流

根據圖6 中的潮流計算結果可以得到, 在該狀態(tài)下的220 kV 線路滿足線路穩(wěn)定運行要求。

對該地區(qū)220 kV 電網的任一線路進行N-1 校驗, 則該地區(qū)的其他線路及外送通的具體潮流網絡計算結果見表5。

結合表1 各線路在環(huán)境溫度下能承受的最大負載功率和表5 的數據可得: 當L24 線故障后, L56線負載達到338.16 MW；L56 線故障后, L24 線負載達到326.82 MW。這兩種情況, 任意一條線路跳閘, 另一條線路負載都將超線路穩(wěn)定運行極限, 此方式不滿足N-1 原則。

表5 冬季高峰真龍橋未投運、江埡電廠全開的N-1 校驗潮流

4.2 真龍橋投運

在該地區(qū)小水電全停、江埡全開、負荷最大的方式下, 該地區(qū)的220 kV 電網潮流如圖7 所示。

圖7 冬季高峰真龍橋投運、江埡全開時的電網潮流

圖7 中的潮流計算結果表明, 在該狀態(tài)下的220 kV 線路滿足線路穩(wěn)定運行要求。

在小水電全停、負荷最大方式下的電網潮流基礎上, 對電網的任意一條線路進行N-1 校驗后,220 kV 電網及小水電全開時外送通道的潮流計算見表6。

結合表1 各線路能承受的最大負載功率和表6的數據可得: 當 L57 線故障, L36-Ⅰ、L36-Ⅱ、L56 線將會重載運行。此時可以由節(jié)點4 的電廠提供出力來平衡重載線路的潮流。

表6 冬季高峰真龍橋投運、江埡電廠全開的N-1 校驗潮流

5 結論

該地區(qū)電網處在4 月豐水期時, 此時小水電滿負荷運行, 經驗證, 該地區(qū)小水電上網的外送通道不會超過線路在環(huán)境溫度下能承受的最大負載功率。

電網處于7 月夏季負荷高峰時, 若真龍橋未投運: ①選取江埡電廠全開、該電網負荷最高及小水電全停的方式下, 在L24 線或L56 線發(fā)生故障情況下, 需胡家坪+立功橋小水電至少出力130 MW 才能保證線路穩(wěn)定運行, 按照小水電關停的時間來看, 將存在20.4 MW 的負荷缺口；②江埡電廠全停時, L36-Ⅰ線和L36-Ⅱ線送入該地區(qū)潮流將達477.47 MW, 超斷面控制功率, 不滿足穩(wěn)定運行要求, 需要江埡電廠保持一定出力才能平衡L36-Ⅰ線和L36-Ⅱ線從省網送入該地區(qū)的潮流。若真龍橋投運, 電網潮流穩(wěn)定能滿足要求。

電網處于12 月冬季高峰時, 若真龍橋投運,將加強與省網的聯系, 電網潮流穩(wěn)定均能滿足要求。若真龍橋未投運, 在線路L24 或L56 故障情況下, 需立功橋變的上網電廠滿負荷運行及胡家坪+立功橋下網負荷至少14 MW 才能滿足線路穩(wěn)定運行要求。

綜上所述, 該地區(qū)電網斷面情況對江埡電廠及小水電出力依賴性較大；220 kV 真龍橋變的投運,增加了與省網外部通道的聯系, 地區(qū)電網網架結構將得到加強；加快220 kV 立功橋的主變擴建工程,對后續(xù)胡家坪負荷切改進立功橋, 合理分配供電區(qū)域的負荷有著重要意義。