電網斷面熱穩定限額的計算

葉 劍，王偉紅

（國網上海市電力公司電力調度控制中心，上海 200122）

電網斷面的熱穩定性，是指當電網發生元件（如線路、發電機、變壓器等）斷開時，其他元件的潮流在其過負荷能力范圍內，溫升不超過允許值。為了確保電網安全運行，滿足熱穩定限額的要求，必須將電網斷面潮流控制在熱穩定限額之內。因此，熱穩定限額的確定，是系統穩定計算的一項重要內容，直接影響到電網開機方式和運行方式的安排。作為目前國內最大的都市電網，上海電網是一個電源和負荷都集中的密集型電網，電網內500 k V和220 k V線路平均長度分別為22.4 km和10.6 km。由于電氣聯系緊密，上海電網通常不存在暫態穩定和靜態穩定問題。因此，通過計算確定潮流斷面的熱穩定限額，成為穩定計算的主要工作之一。

1 熱穩定限額計算方法

根據《電力系統安全穩定導則》（DL／T 755—2001）要求，電網運行應滿足N－1原則，即電網中任一元件，發生單一故障狀況下應確保電網穩定運行。因此，斷面熱穩定限額的確定，通常考慮在電網發生N－1故障后，剩余各元件電流不超過其電流限額（考慮過負荷能力）。為直觀起見，通常按斷面或元件的有功潮流進行計算。

在計算熱穩定限額時，應首先明確電網運行方式和開機方式（包括機組開機組合和發電出力），計算正常狀況下的斷面潮流（基態潮流）。針對該斷面選擇最為嚴重的N－1故障，即最易引起斷面剩余元件潮流越限的故障，并計算故障后最易過載元件的潮流；根據該潮流與元件潮流限額（考慮過負荷能力的事故后限額）的比例關系及發生N－1前的基態潮流，即可確定斷面熱穩定限額，計算式為：

式中：P1為發生N－1后最易過載元件的潮流；P1max為該元件潮流限額；PD為斷面基態潮流；Px為需要確定的斷面熱穩定限額。

由式（1）可知，斷面限額的含義是為了預防發生N－1后，斷面元件中任一元件的潮流越限，必須將該斷面潮流控制在一定限額內，這個限額便是斷面潮流熱穩定限額。選擇的N－1故障和斷面元件不同，計算出的斷面限額也可能不同。在確定斷面限額時，應選擇最嚴重的N－1故障和故障后最易過載的元件進行計算。如不能確定最嚴重的故障和最易過載的元件，則必須對斷面中可能導致元件潮流越限的N－1故障和斷面中各個元件進行掃描與計算，并且在限額計算結果中選取最小值作為最終的斷面限額。

2 熱穩定限額計算要點

在計算斷面限額時，電網的負荷水平和開機方式是計算的基礎，而N－1故障的選擇則是計算的關鍵。

2.1 負荷水平

電網潮流與電網中各個節點的負荷分布有關，而因各節點的負荷特性存在差異，不同負荷水平下各節點的負荷分布也不同，斷面潮流限額的計算結果也會有所不同。在計算斷面潮流限額時，必須先確定電網負荷水平，但負荷在一定范圍內變化（如10%以內），斷面限額可認為維持不變。

2.2 開機方式

電網潮流還取決于開機方式，包括機組開機組合與發電出力，不同開機方式下斷面限額也不同。以圖1為例，受電系統A通過a、b兩個通道（各兩回線）從系統B受電，系統B中包含多個電源點，其中電廠c經通道a直接與系統A聯絡，其他電廠與小系統A電氣距離相對較遠。

圖1 受電系統潮流示例

從斷面限額計算結果可知，當電廠c發電出力為600 MW的狀況下，斷面（a＋b）的限額為900 MW；而當電廠c發電出力為1.20 GW的狀況下，斷面（a＋b）的限額為1.05 GW。以上結果可通過潮流分析的方法予以解釋：因通道b的設備限額較小，斷面（a＋b）的輸電瓶頸在通道b；而受電系統A，通過斷面（a＋b）從系統B的受電潮流不變，當電廠c出力增加時，通道a的潮流增大、通道b的潮流減小，緩解了輸電瓶頸（通道b的輸送壓力），因此斷面限額也相應增大。換言之，為了提高上述斷面限額，應增加電廠c的發電出力。

從圖1受電系統潮流示例可看出，受電系統A的受電斷面限額，不僅與系統A本身的開機方式有關，還與系統B內部的開機方式有關。因此，為準確計算斷面限額，須明確機組開機方式。

2.3 N－1故障選擇

需確定潮流限額的斷面，通常為電網主要潮流輸送斷面，包括機組集中區域的發電送出斷面、負荷中心的受進斷面和由電源點向負荷中心的潮流輸送斷面等。為準確計算斷面限額，須選擇最嚴重的N－1故障，通常為組成斷面的某一元件（線路、主變或線路與主變所在的母線）故障。

2.3.1 斷面元件N－1選擇

在進行N－1故障選擇時，應考慮斷面元件的阻抗和限額，找出故障后潮流最易越限的元件。通常元件阻抗越小，輸送的潮流越大、越易過載；元件限額越小也越易過載。對應關系見表1。

表1 元件限額與阻抗對元件過載的影響

由表1可看出，元件限額小、阻抗小的元件，最易過載；元件限額大、阻抗大的元件，不易過載；元件限額大、阻抗小或元件限額小、阻抗大的元件，過載難易度介于以上兩者之間。根據該對應關系，最嚴重的N－1故障，通常為阻抗和限額較大的元件故障，并導致阻抗及限額小的元件過載，應依此計算斷面限額。

對于由3個元件組成的斷面，在選擇最嚴重的N－1故障時與2個元件組成的斷面略有不同：對于3個元件限額相同的斷面，通常阻抗值居中的元件故障最為嚴重，這是因為在故障前后斷面潮流基本不變的狀況下，阻抗值居中的元件故障后，剩余2個元件的潮流分布最不均衡，最易引起阻抗最小的元件潮流越限；對于3個元件限額不同的斷面，則應綜合考慮元件阻抗和限額予以確定，需注意最易過載的元件未必是潮流最大或限額最小的元件。

2.3.2 母線N－1選擇

對于雙母雙分段接線，一段母線檢修，通常為對角線側母線故障最為嚴重，這時剩余兩段母線分列運行。但應注意，正一母檢修時副二母故障，與副二母檢修時正一母故障不同，因母線檢修時該母線上的所有元件均已“倒空”。

對于3／2接線，一段母線檢修，通常為同側的另一段母線故障最嚴重，此時該側各串元件均“出串”；對角線側的母線故障通常也較為嚴重，此時剩余兩段母線分列運行。

3 涉及直流或負荷切除的斷面限額計算

熱穩定限額算式（P1／P1max＝PD／Px）的依據：在故障前后機組出力與負荷不變的狀況下，故障后斷面剩余元件潮流與故障前斷面潮流成正比。但在有些母線故障狀況下，直流極功率或終端負荷可能被切除，這時斷面輸送潮流不能視為等比例變化，也就不能簡單采用熱穩定限額算式的等比例算法來確定斷面限額，而應考慮故障后直流或終端負荷功率失卻的影響，可以采取六大步驟進行計算。

步驟一，計算正常狀況下的斷面潮流PD；步驟二，計算N－1故障后最易過載元件的潮流P1（考慮直流或負荷已切除）；步驟三，計算故障前考慮直流或負荷不存在（功率置為0，下同）狀況下的斷面潮流P′D；步驟四，計算故障前考慮直流或負荷不存在狀況下斷面潮流的變化ΔP＝ P′D－PD；步驟五，根據P1／P1max＝P′D／P′x，計算故障前考慮直流或負荷不存在狀況下的斷面限額P′x；步驟六，計算最終斷面限額Px＝P′x－ΔP。

與通常斷面限額計算相比，涉及直流或負荷切除的斷面限額計算，應先計算直流或負荷不存在狀況下的斷面潮流及斷面限額（步驟一、步驟二和步驟五）；考慮直流或負荷切除對限額的影響，即計算直流或負荷存在的狀況下斷面潮流的變化，并進行限額修正（步驟三、步驟四和步驟六）。

4 結論

1）計算熱穩定限額時，應首先確定電網負荷水平和機組出力安排；

2）確定限額時，應根據元件阻抗和設備限額，選擇最嚴重的N－1故障及最易過載的元件進行計算；

3）在涉及直流或負荷切除的N－1故障時，應考慮直流或負荷切除對斷面潮流的影響。