包頭電網(wǎng)輕重負(fù)荷區(qū)110 kV電網(wǎng)合環(huán)電流控制分析

尹瑞君

（包頭供電局，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

0 引言

隨著內(nèi)蒙古地區(qū)電網(wǎng)的發(fā)展，包頭電網(wǎng)現(xiàn)已建成以高新變、包北變、威俊變、春坤山變、梅力更變、百靈變6座500 kV變電站為電源支撐，以500 kV相互聯(lián)絡(luò)，局屬23座220 kV變電站為核心的東、西、南、北四個(gè)相互獨(dú)立的220 kV供電區(qū)域的大型電網(wǎng)，地區(qū)東部供電區(qū)域以500 kV包北變和威俊變?yōu)橹行模砂弊?、威俊變與沙河變、古城變、沙爾沁變、土右變、達(dá)旗電廠、濱河變、麻池變、興勝變、召?gòu)R變、莫尼變形成的500 kV、220 kV電磁環(huán)網(wǎng)構(gòu)成，主要接帶包鋁等大工業(yè)負(fù)荷的輕負(fù)荷區(qū)域；西部供電區(qū)域以500 kV高新變1號(hào)、5號(hào)主變和梅力更變?yōu)橹行?，由高新?號(hào)、5號(hào)主變、梅力更變與張家營(yíng)變、民勝變、九原變、昆河變、鹿鋼變、通威變形成的500 kV、220 kV電磁環(huán)網(wǎng)構(gòu)成，主要接帶包鋼、通威、西沙灣、明拓、神華煤化工等大工業(yè)負(fù)荷的重負(fù)荷區(qū)域。東、西兩個(gè)供電區(qū)域的220 kV聯(lián)絡(luò)線為張家營(yíng)變與召?gòu)R變的張召雙回，為冷備用狀態(tài)。

地區(qū)電網(wǎng)實(shí)行分層分區(qū)運(yùn)行后，給電源分別取自東、西兩個(gè)區(qū)域的110 kV變電站的合環(huán)操作帶來很大影響。以往因?yàn)樵谕粋€(gè)區(qū)域內(nèi)，110 kV變電站合環(huán)倒負(fù)荷操作產(chǎn)生的合環(huán)電流在允許范圍內(nèi)。但從東、西兩個(gè)區(qū)域的聯(lián)絡(luò)線路220 kV張召雙回解環(huán)后，110 kV變電站進(jìn)行合環(huán)倒負(fù)荷操作時(shí)，合環(huán)瞬間將產(chǎn)生較大的沖擊電流，從東部輕負(fù)荷區(qū)域流向西部重負(fù)荷區(qū)域的穩(wěn)態(tài)電磁環(huán)網(wǎng)潮流將造成110 kV合環(huán)線路過載，直接影響電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性。

針對(duì)上述問題，包頭供電局調(diào)度處在合環(huán)操作前對(duì)合環(huán)電流進(jìn)行計(jì)算，判斷合環(huán)電流是否越限，為調(diào)度提供依據(jù)，但實(shí)踐操作表明，該方法誤差較大。本文根據(jù)多年的調(diào)度運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合電網(wǎng)方式改變前后潮流變化和合環(huán)電流的影響因素等，以包頭電網(wǎng)合環(huán)電流最大的河西變110 kV母聯(lián)合環(huán)操作為例，提出電源線路分屬輕重負(fù)荷區(qū)時(shí)合環(huán)電流控制措施。

1 系統(tǒng)接線與合環(huán)條件

包頭電網(wǎng)220 kV張家營(yíng)變、召?gòu)R變系統(tǒng)潮流圖如圖1所示。一次系統(tǒng)接線圖如圖2所示。

地區(qū)電網(wǎng)合環(huán)操作主要分為同電壓等級(jí)的合環(huán)和不同電壓等級(jí)的運(yùn)行線路經(jīng)變壓器電磁回路連接而構(gòu)成的電磁合環(huán)[1-2]。根據(jù)電力系統(tǒng)調(diào)度規(guī)程，分區(qū)運(yùn)行的電網(wǎng)在合環(huán)時(shí)應(yīng)滿足同一系統(tǒng)下、相位正確、電壓差在20%以下3個(gè)條件[3]。河西變滿足同一系統(tǒng)這一合環(huán)要求。

2 河西變合解環(huán)操作分析

2.1 合環(huán)前運(yùn)行方式

合環(huán)操作前，110 kV河西變、220 kV召?gòu)R變及張家營(yíng)變運(yùn)行方式如下：

（1）河西變電源分別取自220 kV張家營(yíng)變和召?gòu)R變，其中召河線111開關(guān)帶110 kVⅠ母、1號(hào)主變系列運(yùn)行；河西線121開關(guān)帶110 kVⅡ母、2號(hào)主變系列運(yùn)行；母聯(lián)110開關(guān)、310開關(guān)、910開關(guān)為熱備用。

（2）召?gòu)R變兩臺(tái)主變壓器220 kV側(cè)、110 kV側(cè)并列運(yùn)行，10 kV側(cè)分列運(yùn)行，母聯(lián)212開關(guān)、110開關(guān)合環(huán)運(yùn)行，母聯(lián)910開關(guān)熱備用；召河線156開關(guān)在110 kVⅡ母運(yùn)行，正常情況下允許最大電流為610 A。

（3）張家營(yíng)變3臺(tái)主變壓器220 kV側(cè)、110 kV側(cè)并列運(yùn)行，10 kV側(cè)分列運(yùn)行，其中3號(hào)主變壓器10 kV低壓側(cè)無(wú)電氣接線；母聯(lián)212開關(guān)、110開關(guān)合環(huán)運(yùn)行，母聯(lián)910開關(guān)熱備用；河西線111開關(guān)在110 kVⅠ母運(yùn)行，正常情況下允許最大電流為600 A。

2.2 合解環(huán)操作

如圖2所示，當(dāng)110 kV河西線計(jì)劃停電檢修時(shí)，地調(diào)調(diào)度員需要通過合解環(huán)操作，將河西變河西線121開關(guān)所帶110 kVⅡ母、2號(hào)主變系列負(fù)荷轉(zhuǎn)移至召河線111開關(guān)帶。合環(huán)操作前，一般先調(diào)整220 kV張家營(yíng)變、召?gòu)R變主變壓器的分接頭進(jìn)行調(diào)壓，使河西變母聯(lián)110開關(guān)兩側(cè)母線電壓接近相等，然后進(jìn)行母聯(lián)110開關(guān)合環(huán)操作，最后拉開河西線121開關(guān)解環(huán)。

實(shí)踐證明，雖然合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)電壓接近相等，但合環(huán)操作仍然會(huì)產(chǎn)生很大的合環(huán)電流，基本在650~920 A波動(dòng)。合環(huán)電流出現(xiàn)這種波動(dòng)是由合環(huán)操作的時(shí)間段不同（高峰、平段、低谷）和兩個(gè)區(qū)域負(fù)荷變動(dòng)造成的。

2.3 合環(huán)后環(huán)流方向

合環(huán)后產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)電磁環(huán)網(wǎng)潮流，由220 kV召?gòu)R變通過合環(huán)線路召河線、河西線流向220 kV張家營(yíng)變110 kV母線，一部分在110 kV母線上實(shí)現(xiàn)就地平衡，另一部分通過主變壓器進(jìn)入220 kV系統(tǒng)，形成的環(huán)流造成合環(huán)線路過載。

2.4 影響合環(huán)電流的因素

2.4.1 合環(huán)電流產(chǎn)生原因

河西變進(jìn)行合環(huán)操作時(shí),合環(huán)線路的兩側(cè)電源處于分列運(yùn)行狀態(tài),它們之間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)在斷開位置，其上級(jí)220 kV電源召?gòu)R變、張家營(yíng)變?yōu)殚_環(huán)運(yùn)行，500 kV電源為環(huán)網(wǎng)運(yùn)行。分析合環(huán)電流產(chǎn)生的主要原因如下：

（1）聯(lián)絡(luò)開關(guān)兩側(cè)變電站母線存在電壓差；

（2）聯(lián)絡(luò)開關(guān)兩側(cè)合環(huán)線路對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)阻抗不同；

（3）聯(lián)絡(luò)開關(guān)兩側(cè)合環(huán)線路對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)負(fù)荷相差過大。

2.4.2 合環(huán)電流產(chǎn)生過程

地區(qū)電網(wǎng)母線間進(jìn)行合環(huán)操作時(shí)，由于合環(huán)前合環(huán)線路兩側(cè)存在電壓差，即ΔU≠0，當(dāng)合環(huán)開關(guān)閉合時(shí)，兩端的電壓差發(fā)生突變，必然引起環(huán)網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)電壓大小和角度的變化，連接于環(huán)網(wǎng)的發(fā)電機(jī)的電勢(shì)和角度也將隨之產(chǎn)生變化。但發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是有慣性的，發(fā)電機(jī)的角度，也就是轉(zhuǎn)子的角度不能突變，需要經(jīng)過一個(gè)搖擺過程才能達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值，因此當(dāng)合環(huán)開關(guān)兩側(cè)的電壓相角或頻率不相等時(shí)，發(fā)電機(jī)和環(huán)網(wǎng)線路合環(huán)后必將產(chǎn)生功率振蕩，從而產(chǎn)生沖擊電流和電磁環(huán)網(wǎng)的環(huán)流[4-5]。

2.4.3 合環(huán)電流影響因素

將合環(huán)電流產(chǎn)生的原因與調(diào)度SCADA系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的環(huán)網(wǎng)路徑的數(shù)據(jù)量值結(jié)合起來，分析合環(huán)電流大小主要與以下因素有關(guān)：

（1）合環(huán)線路所屬分區(qū)不同；

（2）合環(huán)前合環(huán)開關(guān)兩側(cè)存在電壓差；

（3）電源點(diǎn)到合環(huán)點(diǎn)供電路徑的相關(guān)主變壓器的阻抗；

（4）電源點(diǎn)到合環(huán)點(diǎn)供電路徑的相關(guān)主變壓器所帶負(fù)荷；

（5）合環(huán)線路所帶負(fù)荷。

上述因素中（3）—（5）是通過影響電壓相位差來影響合環(huán)電流的。

3 合環(huán)電流控制措施

3.1 調(diào)整系統(tǒng)電壓，控制無(wú)功潮流

由于電磁環(huán)網(wǎng)潮流中的無(wú)功潮流是從電壓高的節(jié)點(diǎn)流向電壓低的節(jié)點(diǎn)，因此控制電壓（合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)電壓幅值）能夠有效控制無(wú)功潮流。合環(huán)前，通過改變張家營(yíng)變主變壓器分接頭或投入張家營(yíng)變電容器，提高河西變110 kVⅡ母電壓至116.5 kV；通過改變召?gòu)R變主變壓器分接頭或退出召?gòu)R變電容器，降低河西變110 kVⅠ母電壓至114 kV，使合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)母線電壓差為2.5 kV（西部重負(fù)荷區(qū)域110 kVⅡ母電壓高于東部輕負(fù)荷區(qū)域110 kVⅠ母電壓），再進(jìn)行合環(huán)操作，使得環(huán)流基本在允許范圍之內(nèi)，保證合環(huán)線路不過載。該方法在實(shí)際操作中經(jīng)過多次驗(yàn)證，電壓差值取1.8~2.5 kV可行且效果明顯（前提條件為電壓在合格范圍之內(nèi)）。

3.2 改變環(huán)網(wǎng)阻抗，減小電壓相位差

當(dāng)合環(huán)線路對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)阻抗相差較大時(shí)，即使合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)變電站的母線電壓相同，合環(huán)操作也會(huì)產(chǎn)生很大的合環(huán)電流，究其原因是系統(tǒng)阻抗不平衡[2]。因此要減小合環(huán)電流，最根本的方法是將110 kV變電站的兩條進(jìn)線電源改接至同一個(gè)220 kV變電站內(nèi)，使其系統(tǒng)阻抗平衡。在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)已定的情況下，要改變系統(tǒng)阻抗，減小合環(huán)電流，只能改變系統(tǒng)運(yùn)行方式。但實(shí)際操作中電網(wǎng)大范圍的有功潮流轉(zhuǎn)移存在諸多困難[2]。

有功潮流的流向是由系統(tǒng)兩端電壓的相位決定的（從相位超前的流向相位滯后的）。根據(jù)河西變合環(huán)的潮流流向、潮流大小，110 kVⅠ母電壓超前110 kVⅡ母電壓，110 kVⅠ母相位角遠(yuǎn)大于110 kVⅡ母相位角，合環(huán)點(diǎn)處的電壓相位差較大。而產(chǎn)生電壓相位差的原因是兩側(cè)合環(huán)線路對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)阻抗不同，要改變其相位差就要改變系統(tǒng)阻抗[2]。

根據(jù)并列運(yùn)行主變的總阻抗要小于分列運(yùn)行主變的阻抗這一要求，可以小范圍調(diào)整變電站運(yùn)行方式來改變系統(tǒng)阻抗。以河西變?yōu)槔?，合環(huán)操作前，可將張家營(yíng)變110 kV母線由并列運(yùn)行改為分列運(yùn)行，增大環(huán)網(wǎng)阻抗；召?gòu)R變10 kV母線由分列運(yùn)行改為并列運(yùn)行，減小環(huán)網(wǎng)阻抗，減小合環(huán)點(diǎn)處的電壓相位差，再進(jìn)行合環(huán)操作。該方法能夠有效降低合環(huán)沖擊電流，同時(shí)能夠在一定程度上減少電磁環(huán)網(wǎng)潮流中有功潮流流入張家營(yíng)變。

3.3 調(diào)整環(huán)網(wǎng)負(fù)荷，減小電壓相位差

當(dāng)合環(huán)開關(guān)兩側(cè)所帶負(fù)荷相差過大時(shí)，即使合環(huán)開關(guān)兩側(cè)變電站母線的電壓相同、系統(tǒng)阻抗比較接近，合環(huán)操作也會(huì)產(chǎn)生很大的合環(huán)電流[3]。其原因是合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)的負(fù)荷會(huì)通過影響電壓相位差來間接影響合環(huán)電流的大小，而相位差與電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和負(fù)荷分布有關(guān)，因此對(duì)合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)的負(fù)荷進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，改變負(fù)荷分布，可以減小合環(huán)點(diǎn)的合環(huán)電流。

張家營(yíng)變220 kV母線直接接帶包鋼、通威兩大工業(yè)用戶，負(fù)荷較重，導(dǎo)致河西變合環(huán)點(diǎn)處電壓相位差較大。要減小河西變合環(huán)點(diǎn)處的相位差，需改變包鋼、通威兩大用戶的運(yùn)行方式，對(duì)其所帶負(fù)荷進(jìn)行轉(zhuǎn)移，但該方法并不可行。建議對(duì)張家營(yíng)變110 kV、10 kV母線負(fù)荷進(jìn)行小范圍的局部調(diào)整：可將張家營(yíng)變110 kV母線由并列運(yùn)行改為分列運(yùn)行，分流環(huán)網(wǎng)中的110 kV母線負(fù)荷；也可將張家營(yíng)變1號(hào)主變壓器的10 kVⅠ母負(fù)荷轉(zhuǎn)移至2號(hào)主變壓器，降低1號(hào)主變壓器負(fù)載，降低環(huán)網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷，減小合環(huán)點(diǎn)處的電壓相位差，從而減小合環(huán)沖擊電流，降低電磁環(huán)網(wǎng)潮流。

3.4 控制合環(huán)電流注意事項(xiàng)

采取上述措施是在已經(jīng)明確合環(huán)后潮流是由東部輕負(fù)荷區(qū)域流向西部重負(fù)荷區(qū)域?yàn)榍疤釛l件下進(jìn)行的。如果西部重負(fù)荷區(qū)域的大工業(yè)用戶因某些原因出現(xiàn)降負(fù)荷或停產(chǎn)，造成西部區(qū)域電網(wǎng)潮流分布發(fā)生很大變化，此時(shí)東、西區(qū)域110 kV變電站進(jìn)行合環(huán)倒負(fù)荷操作，需按照實(shí)際潮流流向分析合環(huán)電流控制措施。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)包頭電網(wǎng)東、西兩個(gè)供電區(qū)域的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、潮流分布（高峰、平段、低谷）、負(fù)荷性質(zhì)進(jìn)行比較，分析110 kV電網(wǎng)合環(huán)前、后各變電站的潮流變化情況，結(jié)合多年調(diào)度運(yùn)行工作經(jīng)驗(yàn)，提出了三種控制合環(huán)電流的措施，能夠解決電網(wǎng)合環(huán)存在環(huán)流過大的問題，確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。