阿里與藏中聯(lián)網(wǎng)工程聯(lián)網(wǎng)通道故障后保網(wǎng)方案

明 杰，格桑晉美，巴 貴，吳 杰，羅 剛，韓國華，吳 沖

(1. 中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021；2. 國網(wǎng)西藏電力有限公司，西藏 拉薩 850010)

0 引言

阿里地區(qū)位于西藏西部，阿里電網(wǎng)一直處于孤網(wǎng)運行狀態(tài)，電力供應(yīng)形勢緊張[1]。阿里與藏中聯(lián)網(wǎng)工程(以下簡稱“阿里聯(lián)網(wǎng)工程”)是迄今為止世界海拔最高、最具挑戰(zhàn)性的輸變電工程，將阿里電網(wǎng)通過6 個新建500 kV/220 kV 變電站、1 600 km 左右的長鏈?zhǔn)捷旊娋€路與藏中電網(wǎng)220 kV 多林變電站相聯(lián)，形成同步互聯(lián)電網(wǎng)。聯(lián)網(wǎng)后，阿里電網(wǎng)安全穩(wěn)定特性將發(fā)生根本性變化。

聯(lián)網(wǎng)前，阿里電網(wǎng)裝機(jī)規(guī)模小、負(fù)荷小，是一個孤立的弱交流電網(wǎng)，電網(wǎng)存在的主要問題是失去電源導(dǎo)致的頻率失穩(wěn)，故障后采取聯(lián)切負(fù)荷的控制措施就可以保證電網(wǎng)穩(wěn)定。阿里聯(lián)網(wǎng)工程主要特點：聯(lián)網(wǎng)通道為長鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，中途6 個變電站均為縣級電網(wǎng)接入點，從電網(wǎng)受電，無本地電源支撐；聯(lián)網(wǎng)線路長，且阿里地區(qū)負(fù)荷分散、基數(shù)小，線路長期輕載運行，容升效應(yīng)明顯；阿里地區(qū)的光伏電站占總裝機(jī)容量的16%，光伏運行特性對電網(wǎng)穩(wěn)定特性影響較大[2]。

以往的研究主要關(guān)注特高壓等高壓交直流電網(wǎng)的運行控制，研究偏遠(yuǎn)地區(qū)電網(wǎng)的文獻(xiàn)也很少出現(xiàn)與阿里聯(lián)網(wǎng)工程類似的復(fù)雜、特殊案例[3]。本文根據(jù)地方特性，提出了推薦保網(wǎng)方案，提出了聯(lián)網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)和主要功能。

1 聯(lián)網(wǎng)工程的仿真模型

由于西南電網(wǎng)與西北、華中和華東電網(wǎng)均采用純直流異步互聯(lián)，聯(lián)網(wǎng)工程計算對除西南電網(wǎng)以外的電網(wǎng)進(jìn)行了系統(tǒng)等值。阿里地區(qū)的主力機(jī)組是熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和獅泉河水電站，采用中國電力科學(xué)研究院電力系統(tǒng)研究所對上述兩個電站發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)和勵磁系統(tǒng)實測參數(shù)模型，與目前調(diào)度所用的模型一致。

阿里聯(lián)網(wǎng)工程網(wǎng)架圖如圖1 所示，由日喀則地區(qū)多林變電站延伸至阿里地區(qū)獅泉河變電站，線路總長度1 315 km，線路充電功率較大。線路參數(shù)、變壓器參數(shù)與實際工程一致，同時長鏈路電網(wǎng)無功配置較為關(guān)鍵，阿里聯(lián)網(wǎng)線路長度及其高抗配置方案如表1 所示，阿里聯(lián)網(wǎng)低抗配置方案如表2 所示。

表1 阿里聯(lián)網(wǎng)線路長度及其高抗配置方案

圖1 阿里聯(lián)網(wǎng)工程網(wǎng)架圖

表2 阿里聯(lián)網(wǎng)低抗配置方案

查務(wù)500 kV 變配置了-60～60 Mvar 的靜止無功補(bǔ)償裝置(static var compensator，SVC)，巴爾220 kV 變配置了-30 ～30 Mvar 的SVC。

水電站調(diào)速系統(tǒng)有正常模式和基荷模式兩種模式：正常模式下機(jī)組可參與頻率調(diào)節(jié)和功率調(diào)節(jié)；基荷模式下機(jī)組帶指定負(fù)荷，一般不參與功率調(diào)節(jié)和頻率調(diào)節(jié)。獅泉河水電共4 臺機(jī)組，考慮2 臺機(jī)組采用正常模式，另外2 臺機(jī)組采用基荷模式。正常模式的機(jī)組調(diào)速器模型考慮了聯(lián)網(wǎng)和孤網(wǎng)、參數(shù)自動切換及低勵限制等功能。

阿里地區(qū)和聯(lián)網(wǎng)通道上分布著很多小水電，單個電站裝機(jī)約幾百千瓦，這些水電機(jī)組運行情況未知，本文計算中不包含這些小水電。

光伏模型包含光伏電池陣列、變流器有功/無功功率控制及保護(hù)特性。阿里光伏沒有進(jìn)行過實測，其電壓穿越能力未知，模型中分別考慮具備電壓穿越能力和不具備電壓穿越能力兩種情況。

負(fù)荷模型：30%的感應(yīng)電動機(jī)模型和70%的靜態(tài)負(fù)荷模型；銅礦負(fù)荷為70%的感應(yīng)電動機(jī)模型和30%的靜態(tài)負(fù)荷模型。

枯水期負(fù)荷較大，且水電出力受限，枯水期受電占比較高，以利于充分發(fā)現(xiàn)阿里聯(lián)網(wǎng)后的穩(wěn)定問題。阿里地區(qū)電網(wǎng)的主要運行方式是主網(wǎng)向阿里地區(qū)送電，阿里地區(qū)外送情況較少，因此，主要考慮了受電方式，如表3 所示。仿真計算采用我國較常用的BPA 潮流穩(wěn)定程序和PSD-BPA 暫態(tài)穩(wěn)定程序。

表3 聯(lián)網(wǎng)后預(yù)期阿里電網(wǎng)運行方式

2 沿線地區(qū)電網(wǎng)解列控制措施

阿里聯(lián)網(wǎng)工程投運后，阿里和沿線三區(qū)三州從藏中電網(wǎng)獲取電力。聯(lián)網(wǎng)通道發(fā)生故障中斷后，阿里和沿線地區(qū)電網(wǎng)均處于缺電狀態(tài)，無法實現(xiàn)相互的功率支持，只能采取各地區(qū)就地功率平衡的控制措施。就地功率平衡的前提條件是選擇合適的解列斷面，解列后的地區(qū)孤網(wǎng)易于實施功率平衡控制[4-5]。

阿里聯(lián)網(wǎng)工程沿線的縣級電網(wǎng)通過35 kV或110 kV 線路接入樞紐變電站主變壓器的35 kV 和110 kV 側(cè)，解列斷面選擇為主變的35 kV 和110 kV 側(cè)開關(guān)，分述如下：

1) 解列主變110 kV 側(cè)開關(guān)。解列主變110 kV 側(cè)以后形成的孤網(wǎng)，包含接入的縣級電網(wǎng)以及110 kV 接入線路。阿里地區(qū)地廣人稀，110 kV 接入線路長度從幾十公里到兩百多公里不等，小電網(wǎng)帶空載長線路可能出現(xiàn)過電壓問題，危及電氣設(shè)備安全。因此，解列主變110 kV 側(cè)開關(guān)后，還應(yīng)聯(lián)跳110 kV 線路雙側(cè)開關(guān)。

2) 解列主變35 kV 側(cè)開關(guān)。解列主變35 kV 側(cè)以后形成的孤網(wǎng)，除了35 kV 負(fù)荷線路以外，還可能包含無功補(bǔ)償設(shè)備。主變35 kV側(cè)無功補(bǔ)償是平衡220 kV 系統(tǒng)無功的，當(dāng)主變35 kV 側(cè)開關(guān)跳開后，這部分無功補(bǔ)償應(yīng)予同步切除，否則會導(dǎo)致35 kV 孤網(wǎng)電壓穩(wěn)定問題。

3 沿線地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)失穩(wěn)機(jī)理

孤網(wǎng)主導(dǎo)失穩(wěn)模式是電壓失穩(wěn)(見圖2 和圖3)，故障切除后電壓迅速升高至1.4 p.u.左右，維持一段時間后電壓急劇升高，導(dǎo)致負(fù)荷電磁功率急劇上升，電網(wǎng)頻率降低甚至崩潰。過電壓導(dǎo)致負(fù)荷電磁功率增大，即使按損失功率切除負(fù)荷后，電網(wǎng)頻率仍快速跌落。

圖2 薩嘎—吉隆線路故障后方案五下獅泉河變頻率偏差

圖3 薩嘎—吉隆線路故障后方案五下獅泉河變母線電壓

聯(lián)網(wǎng)后，當(dāng)發(fā)生長鏈?zhǔn)铰?lián)網(wǎng)通道故障中斷，孤網(wǎng)內(nèi)長線路容升效應(yīng)明顯，頻率問題與電壓問題疊加，孤網(wǎng)控制難度增大。以吉隆—薩嘎故障為例，吉隆—薩嘎線路跳開后，阿里地區(qū)成為孤網(wǎng)。網(wǎng)內(nèi)220 kV 線路超過1 100 km，而負(fù)荷僅有30 ～40 MW，且電源和負(fù)荷主要集中在獅泉河電網(wǎng)。該孤網(wǎng)等效于小電源帶空載長線路：一方面，容升效應(yīng)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓升高[6]；另一方面，孤網(wǎng)功率缺額導(dǎo)致頻率下降。阿里地區(qū)工業(yè)少，以民生負(fù)荷為主，恒阻抗負(fù)荷的比例較高。恒阻抗負(fù)荷大小與電壓的平方成正比，當(dāng)電壓升高時，負(fù)荷成平方比增大，進(jìn)一步加深頻率的跌幅。因此，解決孤網(wǎng)頻率問題必須同步解決電壓問題，解決電壓問題的關(guān)鍵是限制孤網(wǎng)內(nèi)空載線路數(shù)量，控制充電功率。

4 保網(wǎng)方案研究

獅泉河地區(qū)是阿里地區(qū)的行政和經(jīng)濟(jì)中心，集中了阿里地區(qū)主要的發(fā)電機(jī)組，并通過110 kV 長線路向革吉、日土和札達(dá)三縣輻射供電，解列控制措施更加復(fù)雜。當(dāng)聯(lián)網(wǎng)通道發(fā)生故障時，從保留的網(wǎng)架由小到大，有以下五種解列方案。以吉隆—薩嘎線路故障為例：

1)方案一：切除全部空載線路，保獅泉河變及其重要負(fù)荷。

跳獅泉河變110 kV 全部出線，即獅泉河—巴爾雙回、獅泉河—日土及獅泉河—革吉線路110 kV 出線，跳獅泉河變—中心變35 kV雙回線路和獅泉河水電—中心變35 kV 線路，切除獅泉河變部分負(fù)荷至孤網(wǎng)功率平衡，該策略下僅保留獅泉河變及其重要負(fù)荷。

2)方案二：切除110 kV 等級以上空載線路，保獅泉河地區(qū)配電網(wǎng)。

解列獅泉河變110 kV 全部出線，切除獅泉河變部分負(fù)荷至孤網(wǎng)功率平衡，該策略下僅保留獅泉河變及其重要負(fù)荷。獅泉河孤網(wǎng)內(nèi)無空載/輕載長線路，穩(wěn)定問題就是功率缺額導(dǎo)致的低頻失穩(wěn)。

3)方案三：切除與藏中電網(wǎng)110 kV 聯(lián)絡(luò)線，保獅泉河地區(qū)部分輸電網(wǎng)。

解列獅泉河—巴爾雙回110 kV 出線，切除日土變、革吉變、中心變下全部負(fù)荷，切除獅泉河變部分負(fù)荷至孤網(wǎng)功率平衡，該策略下保留獅泉河地區(qū)及日土、革吉兩縣主網(wǎng)架，保留獅泉河變重要負(fù)荷。該孤網(wǎng)內(nèi)獅泉河—日土、獅泉河—革吉為空載長線路。

4)方案四：切除與藏中電網(wǎng)220 kV 聯(lián)絡(luò)線，保獅泉河地區(qū)主干輸電網(wǎng)

解列巴爾—霍爾220 kV 出線，切除日土變、革吉變、札達(dá)變、中心變下全部負(fù)荷，切除獅泉河變部分負(fù)荷至孤網(wǎng)功率平衡，該策略下保留獅泉河區(qū)域及日土、革吉、札達(dá)三縣主網(wǎng)架，保留獅泉河變重要負(fù)荷。該孤網(wǎng)內(nèi)獅泉河—日土、獅泉河—革吉、獅泉河—巴爾、巴爾—扎達(dá)為空載長線路。

5)方案五：保留孤網(wǎng)內(nèi)全部輕載/空載線路、獅泉河變重要負(fù)荷，切除其余所有負(fù)荷。

6)比較分析

對五個控制方案的仿真表明，方案五無法保證電網(wǎng)穩(wěn)定；方案一至方案四故障后獅泉河變頻率偏差和母線電壓曲線見圖4 和圖5，方案四盡管可以使電網(wǎng)恢復(fù)穩(wěn)定，但頻率電壓特性較差。由于保留了巴爾—獅泉河和巴爾—扎達(dá)兩段空載線路，孤網(wǎng)暫態(tài)過電壓較高，頻率跌幅較大。與前三個方案相比，需要切除更多負(fù)荷。

圖4 薩嘎—吉隆線路故障后獅泉河變頻率偏差

圖5 薩嘎—吉隆線路故障后獅泉河變母線電壓

方案一至方案三均采取了聯(lián)切獅泉河—巴爾110 kV 聯(lián)絡(luò)線的措施，因此，暫態(tài)過程頻率跌幅相近，都不會觸發(fā)第三道防線低頻減載動作。方案一只保留獅泉河變，當(dāng)孤網(wǎng)電源開機(jī)多且滿出力時，孤網(wǎng)電力充足，比獅泉河變負(fù)荷總量還要大，可以給中心變重要負(fù)荷供電。因此，方案一過于保守。

方案二保留了獅泉河配電網(wǎng)，雖然全切部分變電站會導(dǎo)致部分配電線路空載，但由于配電線路充電功率較小，不會引起電壓穩(wěn)定問題。

方案三保留了兩回空載線路，頻率恢復(fù)較慢。當(dāng)運行方式更為惡劣時，方案二和方案三的對比更為明顯。方案二、方案三故障后獅泉河變頻率偏差和母線電壓曲線見圖6 和圖7，考慮熱電機(jī)組檢修，只安排水電機(jī)組開機(jī)。熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和獅泉河水電機(jī)組的發(fā)電機(jī)動能分別為21.69 MW·s 和1.98 MW·s，只開獅泉河水電機(jī)組時，阿里電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)壓能力明顯下降[7]。仿真計算結(jié)果表明，采用方案三時，頻率和電壓波動較大，頻率跌幅會觸發(fā)第三道防線低頻減載動作。采用方案二時，頻率和電壓波動均在允許范圍內(nèi)。

圖6 豐期薩嘎—吉隆線路故障獅泉河變頻率偏差

圖7 豐期薩嘎—吉隆線路故障獅泉河變母線電壓

7)推薦方案

基于以上比較分析，推薦采用方案二。該方案把110 kV 線路全部切除，能夠保證重要負(fù)荷的供電，對電網(wǎng)運行方式適應(yīng)性更強(qiáng)，方案實施難度相對較小。

5 安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)設(shè)計

阿里聯(lián)網(wǎng)工程建設(shè)了一套聯(lián)網(wǎng)通道安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)，與阿里電網(wǎng)和日喀則電網(wǎng)現(xiàn)有的安全穩(wěn)定裝置一起，構(gòu)成統(tǒng)一的阿里—藏中電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)[8]。該系統(tǒng)主要功能是解決阿里聯(lián)網(wǎng)通道中斷后，阿里地區(qū)獅泉河電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行問題。根據(jù)控制策略研究結(jié)論，采用方案二，主要采取“打散措施”，切除全部110 kV 線路，保留獅泉河配電網(wǎng)，當(dāng)聯(lián)網(wǎng)通道上發(fā)生故障需要采取以下三個方面的控制措施。1)沿線變電站將線路斷開信息發(fā)送給巴爾主站，巴爾主站將通道中斷信息發(fā)送給獅泉河執(zhí)行主站，同時將沿線變電站打散命令發(fā)給孤網(wǎng)內(nèi)沿線220 kV 變電站?？紤]損失功率較大可能觸發(fā)藏中電網(wǎng)第三道防線高周切機(jī)動作，巴爾主站將通道中斷的負(fù)荷損失量發(fā)給查務(wù)站，查務(wù)站轉(zhuǎn)發(fā)給多林站。

2)巴爾220 kV 變電站作為獅泉河110 kV地區(qū)電網(wǎng)的升壓接入點，設(shè)置為獅泉河地區(qū)電網(wǎng)的控制主站。其主要功能是接收通道上站點發(fā)來的控制指令，并決策分發(fā)給110 kV 扎達(dá)變和獅泉河變。

3)其它新建站點作為控制子站，判別220 kV 聯(lián)網(wǎng)通道運行工況，將通道中斷信息發(fā)送給巴爾站。接收巴爾站發(fā)來的打散命令，聯(lián)跳220 kV、110 kV 等線路開關(guān)。

6 結(jié)語

針對阿里聯(lián)網(wǎng)工程投運后長鏈?zhǔn)酵ǖ乐袛嗪蠊戮W(wǎng)頻率電壓失穩(wěn)的問題，本文通過建立仿真模型分析了頻率和電壓交互影響的機(jī)理，對孤網(wǎng)的多個保網(wǎng)方案進(jìn)行了比較分析，推薦并實施了“切除110 kV 等級以上空載線路，保獅泉河地區(qū)配電網(wǎng)”方案。

阿里聯(lián)網(wǎng)工程投運后較長時間內(nèi)將維持單線單變運行，通道故障的概率較高，運行風(fēng)險突出。為了進(jìn)一步提高沿線電網(wǎng)的供電可靠性，應(yīng)深化電力系統(tǒng)補(bǔ)強(qiáng)工程的方案研究，建議重點研究三個方面：建立電源、負(fù)荷和SVC的實測模型；研究在通道上增加光伏、儲能和調(diào)相機(jī)等電源的可行性；優(yōu)化聯(lián)網(wǎng)通道上SVC的控制策略，使其既能夠保證較快的響應(yīng)速度，又能避免電壓過快恢復(fù)引發(fā)頻率二次跌落等問題。