特大城市主城電網(wǎng)分區(qū)運(yùn)行的問題研究

路曉敏，鄧 星，王 璞，李 雪，丁超杰

(1.國網(wǎng)南京市供電公司，江蘇 南京 210019；2.江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210000)

隨著電網(wǎng)規(guī)模越來越大，部分薄弱環(huán)節(jié)的短路電流會超過斷路器額定遮斷容量，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行。針對短路電流超標(biāo)問題，已有文獻(xiàn)對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、電源接入、增加元件等方面做了大量研究[1-5]，得出母線分排、引入高阻抗變壓器、限流電抗器、電網(wǎng)解環(huán)等均可以降低電網(wǎng)短路電流。

結(jié)合南京電網(wǎng)的實際情況，提出3種可以降低短路電流的方案。為考評各種方案的優(yōu)劣，本文從電力平衡、穩(wěn)定性、靈活性3方面提出了指標(biāo)體系，并通過指標(biāo)計算選擇了最適宜南京的分區(qū)運(yùn)行方案。但是分區(qū)運(yùn)行后，中低壓側(cè)電網(wǎng)很多“手拉手”、“雙鏈”等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一分為二，電網(wǎng)供電可靠性大大降低，跨區(qū)設(shè)備停電檢修困難重重。對于配電網(wǎng)來說，分區(qū)后部分重要用戶的雙電源位于兩個分區(qū)，跨區(qū)電源切換困難，尤其是中心城區(qū)政府、醫(yī)院等重要負(fù)荷密集，政治、經(jīng)濟(jì)影響重大。針對跨分區(qū)負(fù)荷調(diào)整困難的問題，提出引入快切裝置[6-7]和寬頻測量新技術(shù)手段解決跨分區(qū)調(diào)度運(yùn)行難題。本文研究可為其他特大城市主城電網(wǎng)分區(qū)調(diào)度運(yùn)行提供借鑒。

1 南京主城電網(wǎng)運(yùn)行背景

南京地區(qū)220 kV電網(wǎng)目前分為3片區(qū)運(yùn)行，其中東龍分區(qū)覆蓋了南京大部分的中心城區(qū)。隨著東龍分區(qū)一系列500 kV變電站擴(kuò)建工程的實施，東龍分區(qū)內(nèi)薄弱環(huán)節(jié)短路電流超過遮斷容量，電網(wǎng)安全穩(wěn)定壓力巨大。

對2021年夏季龍王山擴(kuò)建主變后電網(wǎng)的短路電流進(jìn)行計算，考慮供電西環(huán)網(wǎng)主變高中側(cè)短路電壓百分比為24%，供電東環(huán)網(wǎng)主變高中側(cè)短路電壓百分比為20%，則東龍分區(qū)多處220 kV變電站220 kV母線短路電流超標(biāo)，如表1所示。通過短路電流結(jié)果可以看出，若堯化門等變電站220 kV母線短路，短路電流超過短路器額定遮斷容量，斷路器無法斷開故障點甚至發(fā)生爆炸，造成大范圍的事故發(fā)生。

表1 220 kV母線短路電流超限表 kA

因此，亟需對龍王山擴(kuò)建后短路電流超標(biāo)及可能帶來的一系列問題展開研究，制定適用于南京的電網(wǎng)運(yùn)行方案。

2 短路電流降低方案及評價方法

2.1 短路電流降低方案

電網(wǎng)短路電流與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、電源的接入方式等密切相關(guān)，抑制短路電流可采用高阻抗變壓器、采用限流電抗器、采用電網(wǎng)解環(huán)運(yùn)行、母線分列運(yùn)行等[8-13]。

(1)采用高阻抗變壓器。500 kV變電站主變多采用多臺變壓器并列運(yùn)行模式，由500 kV電網(wǎng)下達(dá)的短路電流在全部短路電流中占相當(dāng)大的比例，增大變壓器阻抗對于減輕500 kV變壓器中壓側(cè)母線短路電流有明顯影響。為此新上500 kV龍王山變電站第三臺主變采用了高阻抗變壓器。

(2)母線分列運(yùn)行。母線分列運(yùn)行后，電氣距離變大，會適當(dāng)減小短路電流。不過母線分列運(yùn)行會降低運(yùn)行操作、方式安排上的靈活性，因此對于已經(jīng)設(shè)計好的變電站很少選擇分列運(yùn)行。為降低短路電流，龍王山變電站220 kV雙母線雙分段采用分列運(yùn)行方式。

(3)采用限流電抗器。串聯(lián)電抗器是當(dāng)前比較成熟的短路電流限制技術(shù)，但會給電網(wǎng)潮流和電壓帶來一定影響。而且限流電抗器針對電網(wǎng)中單個薄弱點的短路電流限制明顯，但不能同時降低多個薄弱環(huán)節(jié)的短路電流，因此對當(dāng)前南京電網(wǎng)幾個薄弱點短路電流超標(biāo)的情況不太適用。

(4)電網(wǎng)解環(huán)運(yùn)行。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)對短路電流影響較大，不同等級電網(wǎng)之間通過變壓器形成環(huán)網(wǎng)運(yùn)行，隨著結(jié)構(gòu)不斷復(fù)雜，系統(tǒng)的短路容量不斷升高而限制電網(wǎng)輸送能力，因此電網(wǎng)解環(huán)運(yùn)行可減小系統(tǒng)的短路電流。

結(jié)合南京220 kV電網(wǎng)的實際情況，提出了3種可有效降低短路電流的運(yùn)行方案：① 220 kV堯化～仙鶴雙線解環(huán)，東龍分區(qū)解環(huán)為東龍(新)和秦淮兩個分區(qū)運(yùn)行；② 華京、陵燃各陪停一臺，東龍分區(qū)合環(huán)運(yùn)行；③ 220 kV高橋～九龍雙線解環(huán)，華京、大唐南京各陪停一臺，東龍分區(qū)合環(huán)運(yùn)行。

下面對3種方案進(jìn)行評價，并最終確定適用于南京主城電網(wǎng)的方案。

2.2 電網(wǎng)運(yùn)行方案評估指標(biāo)

結(jié)合南京220 kV電網(wǎng)的實際情況，需通過調(diào)整電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和電源分布來降低短路電流[14-19]。有多種運(yùn)行方案需進(jìn)行對比分析， 為考評各種方案的可行性和安全性，從電力平衡、電力穩(wěn)定和電網(wǎng)靈活性3個維度判斷電網(wǎng)合環(huán)運(yùn)行或分區(qū)運(yùn)行的可行性，提出了電網(wǎng)運(yùn)行方案的評價指標(biāo)，如圖1所示。利用該指標(biāo)體系可找到滿足穩(wěn)定、短路等各種條件的方案。

圖1 運(yùn)行方案評價指標(biāo)

(1)電力平衡方面。電力平衡是指電力系統(tǒng)所有的有功電源發(fā)出的有功功率總和必須滿足電網(wǎng)所有用電設(shè)備(包括輸電線路)所取用的有功功率總和，是電網(wǎng)安全運(yùn)行的保障和基礎(chǔ)。本次方案評價提出充裕性和受阻性兩個指標(biāo)來評價系統(tǒng)平衡情況。

充裕性指標(biāo)用供電裕度E來表示，是計算預(yù)計最大負(fù)荷情況下電網(wǎng)的供電裕度：

E供電裕度=P預(yù)計最大可調(diào)出力+S實際最大受電能力-
L最高預(yù)計負(fù)荷

(1)

供電裕度大于0代表電網(wǎng)供電能力可滿足最大負(fù)荷需求，小于0表示最大負(fù)荷時供電緊缺。

受阻性指標(biāo)用受阻率β來表示，是計算電網(wǎng)中機(jī)組上網(wǎng)通道受阻或機(jī)組出力受阻(如缺煤、缺氣、檢修、風(fēng)光不足等)時電網(wǎng)的受阻率：

(2)

受阻率β代表了電網(wǎng)電源或網(wǎng)架受阻造成的供電緊缺，該值越大電網(wǎng)受阻出力越高，供電越緊缺。

(2)電網(wǎng)穩(wěn)定性方面。電網(wǎng)穩(wěn)定性方面主要考慮網(wǎng)架調(diào)整后系統(tǒng)短路電流不超標(biāo)和正常、“N-1”、“N-2”下線路不越限，提出薄弱環(huán)節(jié)短路電流越限率、“N-1”/“N-2”越限率兩個指標(biāo)。兩個指標(biāo)公式分別為

(3)

(4)

為保證電網(wǎng)安全，短路電流越限率必須小于100%，盡量保證電網(wǎng)沒有“N-1”越限潮流，“N-2”越限線路數(shù)及越限率越小越好。

(3)電網(wǎng)靈活性方面。電網(wǎng)靈活性是指電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)必須適應(yīng)負(fù)荷變化、設(shè)備檢修的需要，可以靈活調(diào)整。

本文提出靈敏度均值和靈敏度方差兩個指標(biāo)來代表靈活性。靈敏度的公式：

(5)

Xik是指220 kV主變i對500 kV主變k負(fù)載的靈敏度，該值越大代表220 kV主變與500 kV主變的等效電氣距離越小。

扶貧開發(fā)是中國現(xiàn)代歷史上一次重大的社會實踐，參與其中的干部和人員之多、社會影響范圍之廣、程度之深，應(yīng)該都可以載入史冊。中國的扶貧開發(fā)，除了前述經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展方面的成就之外，在另外一些方面如培養(yǎng)干部的作風(fēng)和能力、豐富和發(fā)展農(nóng)村治理和政府社會治理的經(jīng)驗和理論等，也都產(chǎn)生了顯著的溢出效應(yīng)。

靈敏度均值和方差的公式：

(6)

對于電氣距離近、電網(wǎng)分布均勻的電網(wǎng)其靈活性越好。

2.3 運(yùn)行方案選擇

2.3.1 電力平衡方面

各種方案下的電力平衡如表2所示，并根據(jù)平衡表計算了電力平衡裕度和最大的1臺機(jī)組檢修時分區(qū)的受阻率。

表2 不同方案下電力平衡表

從表2可以看出，方案一，東龍(新)分區(qū)緊平衡，東龍分區(qū)主要受制于東善橋變，秦淮分區(qū)裕度較大；方案二供電缺口19萬kW，受制于龍王山2號、3號主變，負(fù)載率達(dá)104%；方案三供電缺口49萬kW，東善橋、龍王山主變均超載。方案一分區(qū)內(nèi)最大一臺機(jī)組大唐停機(jī)時受阻率將達(dá)到50%，方案二和方案三受大唐停機(jī)的影響小一些，后續(xù)需配套加強(qiáng)大唐-青龍山改造和青龍山升壓工程，以減小大唐受阻對電網(wǎng)的影響。

2.3.2 電網(wǎng)穩(wěn)定性方面

對3種方案的短路電流水平進(jìn)行校核，薄弱環(huán)節(jié)的短路電流如表3所示。

表3 不同方案下220 kV母線短路電流超限表 kA

由表3可以看出，3種方案下短路電流均不越限，這也是方案可選的基本條件。

按2021年夏高預(yù)測最高負(fù)荷水平對3種方案進(jìn)行“N-1”/“N-2”校核，東九雙線、曉中-曉下、龍仙斷面會出現(xiàn)不同程度的“N-1”過載，其中曉中-曉下可通過統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)控制后調(diào)整，故此處不列。堯陽、莫雙斷面會出現(xiàn)“N-2”過載，具體結(jié)果如表4所示。

從表4結(jié)果可以看出，3種方案下東九單線“N-1”和堯陽雙線“N-2”均會過載，并且方案一過載率最小，方案三下龍仙單線“N-1”會過載，方案二三莫雙雙線“N-2”過載；

表4 不同方案下“N-1”/“N-2”越限表

2.3.3 電網(wǎng)靈活性方面

對3種方案的靈敏度均值和方差分布用魚骨圖表示(見圖2)。

圖2 靈敏度分布魚骨圖(上平均值，下方差)

由圖2可以看出，方案一的均值最大，而方差最小，這說明500 kV變電站對220 kV變電站的輻射性最均勻，并且電氣距離最小，電網(wǎng)的靈活性也最好。

綜合電網(wǎng)平衡性、穩(wěn)定性和靈活性3方面的指標(biāo)，方案一最適宜于南京主城220 kV電網(wǎng)。

3 分區(qū)運(yùn)行的問題及解決辦法

東龍分區(qū)220 kV網(wǎng)架解環(huán)為東龍(新)和秦淮2個分區(qū)運(yùn)行后，其110 kV及以下電壓等級的電網(wǎng)也需要分開。根據(jù)220 kV主變不過載、110 kV運(yùn)行方式可靠靈活、35 kV及以下配網(wǎng)出線靈活3個原則將110 kV及以下中低壓配網(wǎng)劃分到2個分區(qū)。但是分區(qū)后電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行面臨一些問題，下面對這些問題進(jìn)行說明，并從調(diào)度運(yùn)行角度提出解決措施。

3.1 跨分區(qū)運(yùn)行的問題

電網(wǎng)解環(huán)后，分區(qū)前主城110 kV變電站基本形成“兩線兩站”、“兩線三站”的接線形式，分區(qū)后跨分區(qū)的110 kV線路將斷開，所供變電站由鏈?zhǔn)礁臑轲伖?，方式靈活性及運(yùn)行可靠性受到影響。共有3座110 kV變電站跨分區(qū)運(yùn)行，不能合排；22條110 kV聯(lián)絡(luò)線路串?dāng)嚅_。此外分區(qū)后為實現(xiàn)主變及線路檢修方式，負(fù)荷需要在分區(qū)間轉(zhuǎn)移，運(yùn)行方式調(diào)整變得更加困難。共有10臺220 kV主變檢修或停電方式下負(fù)荷需跨分區(qū)調(diào)整；30條110 kV線路停役時需要轉(zhuǎn)移負(fù)荷至其他分區(qū)。因此，在配網(wǎng)網(wǎng)架短時間內(nèi)無法更改的情況下，需要研究分區(qū)間負(fù)荷轉(zhuǎn)移的措施。

3.2 解決措施

通過采取安裝快切裝置和寬頻測量(或PMU)的方法提高負(fù)荷在分區(qū)間轉(zhuǎn)移的靈活性，解決主變或線路檢修時負(fù)荷無法調(diào)整的問題。

3.2.1 快切裝置

開關(guān)合解環(huán)操作可實現(xiàn)負(fù)荷的不停電轉(zhuǎn)移，提高供電可靠性。若合環(huán)點兩側(cè)位于不同分區(qū)，此時合解環(huán)會導(dǎo)致不同分區(qū)的電磁環(huán)網(wǎng)，影響巨大。因此，引入快切裝置，通過快速的合、拉開關(guān)，快速完成合解環(huán)，躲過繼電保護(hù)動作時間，防止合環(huán)潮流引起的繼電保護(hù)動作。站內(nèi)快切裝置示意圖如圖3所示。如果甲站兩座主變、I/II母位于不同分區(qū)則通過快速合母聯(lián)110開關(guān)拉主變101開關(guān)的方式實現(xiàn)分區(qū)間合解環(huán)。

圖3 站內(nèi)快切裝置示意圖

3.2.2 寬頻測量(或PMU)

快切裝置可解決變電站內(nèi)不同分區(qū)快速合解環(huán)的問題，如果合環(huán)點在站外配網(wǎng)線路上，無法用快切實現(xiàn)快速合解環(huán)。對于這種情況，采取在110 kV母線或者10 kV母線處安裝PMU或?qū)掝l測量裝置計算合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流的方法。利用PMU或?qū)掝l測量裝置可以準(zhǔn)確獲得合環(huán)點兩側(cè)電壓差，基于系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以得到主變參數(shù)、110 kV外網(wǎng)參數(shù)。雖然10 kV饋線參數(shù)未開展實測，但是只要知道10 kV饋線長度和線纜型號，可以得到10 kV饋線的典型參數(shù)。結(jié)合站內(nèi)母線電壓相角進(jìn)行狀態(tài)估計計算合環(huán)穩(wěn)態(tài)電流，從而實現(xiàn)合環(huán)熱倒，具體如圖4所示。

圖4 站內(nèi)出線合環(huán)示意圖

合環(huán)點的電流可用如下公式計算：

(7)

式中Zs——從甲、乙站看進(jìn)去的的系統(tǒng)戴維南等效阻抗，可通過狀態(tài)估計獲得。

3.2.3 柔直技術(shù)

探討采用基于電力電子變換器的柔性互聯(lián)技術(shù)解決不同分區(qū)10 kV配電線路合環(huán)熱倒操作需求。一種可變換拓?fù)涞娜嵝曰ヂ?lián)裝置及其接入方式如圖5所示。

圖5 變電站可變換拓?fù)涞娜嵝曰ヂ?lián)裝置結(jié)構(gòu)和接入方式示意圖

在圖5中，虛線框內(nèi)為可變換拓?fù)涞娜嵝曰ヂ?lián)裝置，其AC/DC/AC背靠背柔性直流換流器用作柔性互聯(lián)裝置母線與變電站原母線的聯(lián)絡(luò)開關(guān)；新增一條柔性互聯(lián)裝置旁路母線，并在變電站饋線處配置至柔性互聯(lián)裝置旁路母線的轉(zhuǎn)換刀閘，通過倒閘操作使需合環(huán)的饋線通過對應(yīng)的支路電抗接于柔性互聯(lián)裝置母線，開環(huán)運(yùn)行的饋線仍接于原母線運(yùn)行。因此，可變換拓?fù)涞娜嵝曰ヂ?lián)裝置僅需要1臺AC/DC/AC背靠背柔性直流換流器，即可滿足同一個變電站的多條10 kV出線的合環(huán)熱倒操作需求。具體合環(huán)熱倒步驟為：首先合上AC/DC/AC換流器兩側(cè)開關(guān)，并通過AC/DC/AC換流器的調(diào)節(jié)，將旁母電壓控制成與待合環(huán)出線所在母線電壓幅值、相位一致；然后合上旁母閘刀，將待合環(huán)出線熱倒至柔性互聯(lián)裝置供電；調(diào)節(jié)AC/DC/AC換流器輸出，使得合環(huán)點開關(guān)兩側(cè)電壓幅值和相位保持一致；然后合上合環(huán)點開關(guān)，拉開待解環(huán)出線開關(guān)，調(diào)節(jié)AC/DC/AC換流器輸出，將合環(huán)后出線重新熱倒至10 kV母線上。

柔性直流互聯(lián)裝置可以為跨分區(qū)設(shè)備提供很好的靈活性，但是由于柔性直流互聯(lián)裝置成本較高，該方案仍在探討中。

4 結(jié)語

本文從中心城區(qū)電網(wǎng)的220 kV短路電流超標(biāo)問題出發(fā)，從電網(wǎng)分區(qū)運(yùn)行方面提出了解決措施，并對分區(qū)后電網(wǎng)負(fù)荷轉(zhuǎn)移困難和靈活性降低的問題提出了調(diào)度運(yùn)行方面的解決措施。但是安裝快切、寬頻和柔直裝置只是二次手段上的措施，分區(qū)運(yùn)行后還有很多根本問題僅靠二次手段不能解決，需要從大網(wǎng)網(wǎng)架、用戶政策等層面進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃。后續(xù)將研究考慮電網(wǎng)發(fā)展、與城市發(fā)展緊密配套的電網(wǎng)規(guī)劃策略，制定適應(yīng)新分區(qū)用能感知的用戶服務(wù)方針，研究跨區(qū)用戶電源調(diào)整策略和可靠供電措施，降低用戶停電感知。