基于“回推法”研究不同500kV片區(qū)配網(wǎng)合環(huán)潮流

葉烜榮,潘一葉,程友民,楊 帆,彭亮基

(廣東電網(wǎng)有限責任公司云浮供電局，廣東 云浮 527300)

1 引言

隨著社會對供電可靠性要求的不斷提高，合環(huán)轉供電操作是配網(wǎng)負荷轉移的主要方式和必然趨勢。目前合環(huán)轉電操作仍缺乏工程化的線路合環(huán)計算方法和校驗工具，尤其對來自不同500kV變電站的10kV線路合環(huán)潮流缺少相應的分析和風險評估[2]。依靠運行經(jīng)驗試合環(huán)容易引起合環(huán)饋線電流過大、電力設備過載、合環(huán)電流沖擊繼電保護誤動等導致合環(huán)失敗的情況。本文結合云浮局電網(wǎng)的網(wǎng)絡結構與運行方式，提出一種基于“回推法”的配網(wǎng)合環(huán)潮流計算方法，驗證了本算法同樣適用于來自不同220kV站的10kV配網(wǎng)合環(huán)潮流計算，同時提出來自不同500kV站的10kV線路合環(huán)操作分析方法，為調(diào)度運行人員提供評估依據(jù)，降低操作風險和提高供電可靠性，具有較高的工程實用價值。

2 10kV配網(wǎng)合環(huán)轉電方式與等值網(wǎng)絡

經(jīng)研究得出，影響合環(huán)沖擊電流大小的因素是合環(huán)線路的兩側電壓幅值差、相角差以及合環(huán)線路等效阻抗[3]。考慮到10kV母線電壓幅值是可以通過調(diào)節(jié)控制，所以默認母線電壓幅值是常量。因此研究重點集中兩處，一是計算兩個系統(tǒng)功角差，二是計算兩個系統(tǒng)的環(huán)網(wǎng)阻抗。

3 10kV配電網(wǎng)合環(huán)潮流計算方法

3.1 計算模型選取

1)220kV 線路選取型號2×LGJ-300 為代表，線路的主要電氣參數(shù)是電抗，實際上線徑對電抗的影響較小，如2×LGJ-240、2×LGJ-300、2×LGJ-400、2×LGJ-500的電抗標幺值分別為0．00586、0．00582、0．00573、0．00567。

2)220kV 主變，根據(jù)《S．00．00．06NP．0104．0002 廣東電網(wǎng)規(guī)劃設計技術原則(修訂)》設計要求，240MVA、180MVA 采用高阻抗變壓器：Uk1-2=14%、Uk1-3=50%、Uk2-3=35%，選取這個阻抗值存在普適性[7]。

3)110kV線路選取線路型號LGJ-240為代表。

4)110kV主變：雙繞組變壓器阻抗電壓Uk=12%；三繞組變壓器阻抗電壓Uk1-2=10%、Uk1-3=18%、Uk2-3=7%。

5)10kV線路：取導線型號LGJ-240。

3.2 選取“無窮大系統(tǒng)”

在計算合環(huán)電流時，需要知道的是兩段10kV母線功角的“差值”，最高效的方法是從合環(huán)點回推至網(wǎng)絡的交匯點即可。以220kV母線為參考點，從10kV母線開始回推計算各個電氣元件引起的功角差，一直算到500kV 變電站的220kV母線為止，然后逐個功角相加，得出總功角值。如圖2所示，計算待合環(huán)的C 站和D 站的10kV 母線功角差，可以把B站110kV母線當作無窮大系統(tǒng)。

3.3 計算合環(huán)線路10kV母線的功角

系統(tǒng)中線路、主變等元件均為線性元件，其電氣量基本是隨負荷做線性變化，因此可以用一次函數(shù)表示功角與功率、阻抗的關系。使用BPA軟件，每種元件選取不少于6 個值計算，畫出函數(shù)曲線、歸納函數(shù)公式。以下分別計算220kV 線路，220kV 主變，110kV 線路，110kV 主變等元件功角差與傳輸功率的關系。

3.3.1 220kV線路

取線路長度L=30公里，2×LGJ-300單回線路，計算數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 220kV線路兩端電壓功角差與傳輸功率計算數(shù)據(jù)

擬合得到斜率k1=0．0114，若線路取單位長度k=0．0114/30=0．00038。得到功角與功率函數(shù)公式：

其中L 為線路公里數(shù)，P 為傳輸功率，單位MW。負荷情況只需按單回線路考慮，因為多回線路并列運行時，系統(tǒng)會分配線路的負荷。

3.3.2 220kV主變

三繞組變壓器的模型相對復雜，三側阻抗相互關聯(lián)，負荷與功角也相互影響。設主變?nèi)齻壤@組影響系數(shù)分別為X、Y、Z，中、低側功率分別為P1、P2，模型如圖3所示，計算數(shù)據(jù)如表2所示。

圖3 220kV三繞組變壓器的模型

表2 220kV主變電壓功角差與傳輸功率計算數(shù)據(jù)

這里涉及一個二元一次函數(shù)，設高—中側功角差為δL，高—低側功角差為δM，列方程：

根據(jù)表2測試數(shù)據(jù)代入解得，高壓繞組影響系數(shù)X=0．0468；中壓繞組影響系數(shù)Y=0．0192；低壓繞組影響系數(shù)Z=0．16。負荷情況只需按單臺主變考慮，因為多臺主變并列運行時，系統(tǒng)會分配各臺主變的負荷。

3.3.3 110kV線路

同理，擬合得到斜率k=0．0356，若線路取單位長度k=0．0356/20=0．00178；功角與功率函數(shù)公式：

L為線路公里數(shù)，P為傳輸功率，單位MW。

3.3.4 110kV兩卷變

同理，擬合得到斜率k=0．185，功角與功率函數(shù)公式：

式中P為傳輸功率，單位MW。

3.3.5 110kV三卷變

為使計算簡單、實用化，110kV三卷變可假設功率只從高往低流通，功率取變低側，實驗結果表明簡化引起的誤差可以忽略。同理，擬合得到斜率k=0．265，功角與功率函數(shù)公式：

式中P為傳輸功率，單位MW。

綜上所述，從10kV母線開始回推至500kV變電站的220kV母線，逐個功角相加，得出該10kV母線總功角值：

3.4 計算系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)阻抗

和功角計算一樣采用回推法，分別計算10kV母線至無窮大系統(tǒng)的阻抗。所有主變、線路的阻抗值均需要歸算至10kV側。

1)220kV線路(每公里)

額定電壓下阻抗為：XL1=0．33，歸算至10kV 額定電壓下阻抗為：XL1’=0．00075。

2)220kV主變

額定電壓下高中低側阻抗分別為：XT1=42．61，XT2=-1．47，XT3=104．33

歸算至10kV高中低側阻抗分別為：XT1’=0．089，XT2’=-0．003，XT3’=0．22

3)110kV線路(每公里)

額定電壓下阻抗為：XL2=0．4

歸算至10kV額定電壓下阻抗為：XL2’=0．0036

4)110kV兩卷變

額定電壓下阻抗為：XT=36．3

歸算至10kV阻抗為：XT’=0．331。

5)110kV三卷變

額定電壓下高中低側阻抗分別為：XT1=31．76，XT2=-1．51，XT3=22．69

歸算至10kV高中低側阻抗分別為：XT1’=0．29，XT2’=-0．014，XT3’=0．21。

6)10kV線路

取LGJ-240 作為參考線路，額定電壓下阻抗為：XL3=0．4

3.5 計算合環(huán)潮流

廣東電網(wǎng)的110kV 及以下配網(wǎng)運行方式為開環(huán)運行，同一500kV片區(qū)時公共電源可以認為只有一個，經(jīng)第3．2節(jié)所述構造等效無窮大系統(tǒng)后，系統(tǒng)的等值電路圖可以等效為“無窮大電源—＞阻抗—＞負荷”的形式。以圖2為例，合環(huán)前等值系統(tǒng)變換如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)等值電路圖

通過章節(jié)3．3與3．4“回推法”分別計算得到10kV母線功角和10kV母線系統(tǒng)阻抗，同時系統(tǒng)的電壓幅值也是已知的，所以等值系統(tǒng)的待求量為等值負荷P1和P2。

設無窮大系統(tǒng)電壓為V0、負荷端電壓為V1、等值阻抗為x1，由電壓降落公式：

不考慮系統(tǒng)阻抗的電阻值，上式簡化為：

同理，可求得另一側系統(tǒng)的等值負荷P2。

當兩側系統(tǒng)合環(huán)后，將產(chǎn)生環(huán)流，但系統(tǒng)原來的阻抗和等值負荷P1、P2不變，只是增加了一個合環(huán)回路，主線上的功率流向發(fā)生了變化，如圖5所示。合環(huán)增加了潮流P12，配網(wǎng)合環(huán)研究的核心就是要算出P12。

圖5 合環(huán)系統(tǒng)的等值電路圖

采用閉式網(wǎng)絡的功率分布計算公式：

由上式可知每個電源點送出的功率都包含兩部分，第一部分由負荷功率和網(wǎng)絡參數(shù)確定，每一個負荷的功率都以該負荷點到兩個電源點間的阻抗共軛值成反比的關系分配給兩個電源點，而且可以逐個地計算[17]。第二部分與負荷無關，它可以在網(wǎng)絡中負荷切除的情況下，由兩個供電點的電壓差和網(wǎng)絡參數(shù)確定，通常稱這部分功率為循環(huán)功率。當兩個電源點電壓相等時，循環(huán)功率為零。求出供電點輸出的功率S1、S2之后，即可在線路上各點按線路功率和負荷功率相平衡的條件，求出整個電力網(wǎng)絡中的功率分布，即：

求出環(huán)路功率后，再按疊加定理，加上配網(wǎng)線路原有的負荷，即為合環(huán)后的線路功率。上述相關公式經(jīng)代入及轉化后，可得環(huán)路潮流的簡化表達式：

4 仿真計算與實測數(shù)據(jù)驗證

4.1 仿真計算

在BPA 中搭建仿真，模型網(wǎng)絡結構及負荷情況如圖6所示。

圖6 合環(huán)仿真模型

通過第3 章節(jié)回推法計算合環(huán)點兩條母線的相角差與合環(huán)網(wǎng)絡線路阻抗，計算220kV A 站與110kV A2 站10kV線路合環(huán)潮流，步驟如下：

1)模型參數(shù)：220kV A 站的10kV 母線帶10MW 負荷；110kV A1 站帶10MW 負荷；110kV A2 站帶35MW負荷；220kV A站至110kV A1站線路長50公里；110kV A1站至110kV A2站線路長50公里；110kV A1站10kV母線帶10MW負荷；配網(wǎng)線路長5公里，空載。

2)選取“無窮大系統(tǒng)”，網(wǎng)絡的交匯點在220kV A站的220kV母線。

3)計算兩條合環(huán)線路母線功角差：

220kV主變：

高-中側功角差：

高-低側功角差：

110kV線路：

A站—A1站線路功角差：

A1站—A2站線路功角差：

110kV三卷變：

(BPA計算值為4．507)

A2系統(tǒng)的功角為：

(BPA計算值為19．1)；

兩個系統(tǒng)的功角差為δ=15．73

4)計算系統(tǒng)的環(huán)網(wǎng)阻抗

220kV主變：

110kV線路：

110kV三卷變：

A2系統(tǒng)的阻抗為

兩個系統(tǒng)的環(huán)網(wǎng)阻抗總和：

5)計算合環(huán)潮流

將所計算功角差與系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)阻抗代入

BPA計算仿真值為8．19MW，兩個值十分接近，如圖7所示，可以看出合環(huán)潮流計算方法的結果具有較好的指導意義。

圖7 合環(huán)運行潮流仿真結果

4.2 實測數(shù)據(jù)驗證

在電網(wǎng)中選取十條10kV線路進行合環(huán)潮流計算，得到合環(huán)后的兩側10kV線路潮流值，與實測線路合環(huán)潮流值對比，數(shù)據(jù)如表6所示，計算誤差在10%以內(nèi)，可以看出采用“回推法”的合環(huán)潮流算法可以準確地計算合環(huán)潮流，為配電網(wǎng)合環(huán)操作提供決策依據(jù)。

表6 計算與實測數(shù)據(jù)對比

5 不同220kV站的配網(wǎng)合環(huán)潮流分析

合環(huán)潮流計算的關鍵是兩個系統(tǒng)的功角差和阻抗，廣東電網(wǎng)結構較為完善，不存在大容量、長距離輸送情況，因此同一片區(qū)的220kV母線電壓相角相差一般在2．5度以內(nèi)。

下面以“廣東電網(wǎng)2020年夏大方式潮流圖”數(shù)據(jù)為依據(jù)，列出幾組典型的500kV-220kV電磁環(huán)網(wǎng)路220kV節(jié)點的功角：

1)羅洞-西江片：坑田∠-5．076°、三水∠-5．172°、洲邊∠-6．132°、光孝∠-6．662°、竹園∠-4．673°，特點是重負荷地區(qū)。

2)臥龍-硯都片：建云∠-1．655°、天馬∠-1．732°、硫都∠-1．994°、興瑤∠-2．032°、睦崗∠-3．112°、珠山∠-2．359°、都楊∠-3．380°，特點是電源多，環(huán)網(wǎng)站點較多。

3)惠州-演達-福園片：汝湖∠＜-15457°、鹿江∠-15．673°、誠信∠-15．891°、湖濱∠-18．112°、雍園∠-17．378°、三棟∠-17．367°，特點是電源少，負荷長距離輸送。

4)國安-加林片：大港∠-3．813°、臨港∠-3．468°、尖峰∠-4．886°、八一∠-4．964°、斗門∠-5．346°，特點是結構堅強。

5)韓江-汕頭-臚崗片：來安∠-16．767°、金砂∠-17．866°、上華∠-18．231°、鄒魯∠-18．027°、月浦∠-16．233°、紅蓮池∠-16．275°、潮陽∠-15．971°、濠江∠-16．001°，特點是結構薄弱。

可見，同一電磁環(huán)片區(qū)內(nèi)各個220kV 站的功角很相近，實際上功角差只影響潮流公式中的正弦值sin δ。如將兩側功角差當作零，分析誤差，得出對比曲線如圖8所示。

圖8 功角差與計算誤差對應曲線

可見，角差越小，計算的誤差越大；角差越大，計算誤差越小。當兩系統(tǒng)實際功角差很小時，合環(huán)時的潮流也是很小的，即使誤差達到200%也不影響判斷是否具備合環(huán)條件。當兩系統(tǒng)角差很大(一般是15 度以上，如章節(jié)4中算例)時，在這個條件下2．5 度的偏移帶來的誤差值就已經(jīng)控制在17%以內(nèi)，例如計算的合環(huán)電流是500A，實際值可能是420A或580A，即能夠判斷不具備合環(huán)條件。綜上所述，本算法同樣適用于來自不同220kV片區(qū)的10kV配網(wǎng)合環(huán)潮流計算。

6 不同500kV站的配網(wǎng)合環(huán)潮流分析

對于不同500kV片區(qū)10kV線路合環(huán)電流計算，最關鍵的問題仍然是要找到兩側系統(tǒng)的交匯點，而交匯點必然在500kV站的500kV母線。由于廣東電網(wǎng)500kV電網(wǎng)是內(nèi)環(huán)+外環(huán)結構，且普遍存在長距離、大容量輸送情況，所以相鄰的兩個500kV 片區(qū)的相角差可以達5 度。重負荷、獨立成片的變電站角差最大，以東莞、佛山為例，數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 500kV與220kV站母線功角數(shù)據(jù)

經(jīng)研究，如果在500kV網(wǎng)絡信息不完整的情況，可以根據(jù)一個500kV 站下送負荷來修正500kV 母線功角，減少誤差。當一個500kV 站下送負荷大，說明線路功率都向這個站注入，所以電壓角度相較負荷輕的站滯后，通過主變的負載率來補充該站220kV 母線的功角，在計算潮流公式中的正弦值時，能一定程度提高準確性。以上面東莞、佛山站點為例，數(shù)據(jù)如表8所示。

表8 主變負載率與修正角

如縱江片與水鄉(xiāng)片，兩個片區(qū)220kV 母線實際功角差為2．268，采用主變負載率修正后功角差為1．465，計算兩側系統(tǒng)功角時，回推至500kV站的220kV母線后，再加上500kV主變負載修正角，效果十分明顯。

7 結束語

本文提出一種基于回推法的配網(wǎng)合環(huán)潮流計算方法，通過BPA 仿真計算與線路合環(huán)實測數(shù)據(jù)驗證了算法的有效性和準確性，分析驗證了本算法在多種情況下的適用性。所提方法能夠有效地提高計算準確性，彌補了現(xiàn)有研究的空白和不足，具有較高的工程實用價值。在實際工作中，可以為運行調(diào)度人員提供10kV配電網(wǎng)合環(huán)操作的理論依據(jù)和實際的指導意義，提高供電可靠性，保證電網(wǎng)更加安全，經(jīng)濟運行。