冀北電網(wǎng)分區(qū)供電研究

林金嬌，楊金剛，趙煒煒，劉觀起，李群炬，王非

(1.華北電力大學，河北省保定市071003;2.華北電力科學研究院有限責任公司，北京市100045)

0 引言

電磁環(huán)網(wǎng)在新的電壓等級建成初期有其存在的意義，有利于提高系統(tǒng)供電能力，減少備用容量。而隨著較高電壓等級電網(wǎng)的發(fā)展和傳輸負荷的不斷增大，電磁環(huán)網(wǎng)成為電力系統(tǒng)嚴重的事故隱患。《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》規(guī)定:隨著高一級電壓電網(wǎng)的建設，下一級電壓電網(wǎng)應逐步實現(xiàn)分區(qū)運行，相鄰分區(qū)之間保持聯(lián)絡互為備用。

國內(nèi)多個省市結(jié)合各地區(qū)情況已開始了分層分區(qū)的研究和實施工作。北京負荷達16 000MW，為解決大負荷帶來的種種問題，北京電網(wǎng)將初步分為9個供電分區(qū)。每個分區(qū)內(nèi)220kV為雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構開環(huán)運行，部分 220kV變電站深入到城市繁華地區(qū)［1］。2012年上海最高用電負荷達21 530MW，達到歷史新高。上海電網(wǎng)現(xiàn)在分為楊行、黃渡、泗涇、南橋以及楊高等9個分區(qū)電網(wǎng)，解決了從前南北分區(qū)運行時出現(xiàn)的短路電流超標問題［1-2］。浙江地域面積小，負荷密度大且增長迅猛。2007年浙江電力負荷首破30 000MW，至2011年冬天浙江電網(wǎng)最大供電能力達40 000MW。隨著負荷的增長，浙江500kV及220kV電網(wǎng)建設步伐加快，電網(wǎng)中樞紐變電所的短路電流問題凸顯出來。為此如今浙江220kV電網(wǎng)形成了8個分區(qū)的電網(wǎng)格局［3］。天津電網(wǎng)負荷超過10 000MW，同時電磁環(huán)網(wǎng)的存在及其短路電流增加的問題日益嚴重。為此文獻［4］提出了西郊變電站建成后天津電網(wǎng)的分區(qū)供電方案，并對未來天津西部電網(wǎng)的發(fā)展提出建議。各地分層分區(qū)的研究和實施工作進一步說明了電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)并實現(xiàn)電網(wǎng)分區(qū)供電是控制短路電流、合理電網(wǎng)結(jié)構的經(jīng)濟、有效的方法。在條件成熟時，應該結(jié)合地區(qū)具體情況，逐步打開電磁環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)分區(qū)運行。

冀北地區(qū)近一半負荷集中在唐山地區(qū)，唐山地區(qū)負荷已超過10 000MW。與負荷增長相配套的輸變電工程的建設，使得電網(wǎng)更加密集，從而短路電流增大并且電磁環(huán)網(wǎng)成為電力系統(tǒng)嚴重的事故隱患。從安全供電的角度分析，唐山地區(qū)迫切需要220kV分區(qū)運行。本文分析冀北電網(wǎng)電磁環(huán)網(wǎng)運行存在的問題，結(jié)合2015年投產(chǎn)或擴建工程，提出冀北地區(qū)分區(qū)運行方案，以期為冀北電網(wǎng)分區(qū)供電研究工作提供參考。

1 冀北電網(wǎng)概況

1.1 冀北電網(wǎng)電磁環(huán)網(wǎng)運行現(xiàn)狀

冀北電網(wǎng)現(xiàn)有19座500kV變電站，10座500kV變電站具有直接的電氣聯(lián)系，構成冀北電網(wǎng)500kV主網(wǎng)架。其中僅有唐山、承德地區(qū)的4座500kV變電站(TJJ—TTP—CJS—CCD)形成雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構，其余6座變電站在4個方向呈放射狀與雙環(huán)網(wǎng)連接。唐山、承德、秦皇島地區(qū)220kV電網(wǎng)與冀北500kV主網(wǎng)構成電磁環(huán)網(wǎng)運行。隨著近年來冀北電網(wǎng)的發(fā)展，電磁環(huán)網(wǎng)運行的易造成系統(tǒng)熱穩(wěn)定破壞、不利于經(jīng)濟運行、系統(tǒng)潮流分布不易于控制、短路容量增大、繼電保護和安全自動裝置配置復雜化等問題日漸顯現(xiàn)［5-8］，尤其是220kV系統(tǒng)短路電流增長迅速。隨著負荷的發(fā)展和500kV變電站的建設，220kV變電站、地區(qū)電源建設工程也日漸增加，使得220kV電網(wǎng)結(jié)構愈加緊密，短路電流水平不斷攀升，現(xiàn)已接近開關設備限值，成為亟待解決的問題。

1.2 2015年冀北地區(qū)新建工程

近年來冀北負荷增長較快。考慮未來冀北地區(qū)電網(wǎng)發(fā)展要求，“唐山、承德、秦皇島”地區(qū)計劃2015年投產(chǎn)或擴建多項工程。其中包括常規(guī)電源工程2項，均分布在唐山地區(qū)，二者分別接入THC站與TDF站。500kV輸變電建設工程有4項，包括新建TLT站、TCF站、TFN站及TJJ站，擴建2臺主變，其接入位置如圖1所示。新建220kV輸變電工程7項，其中4項分布在唐山，1項分布在秦皇島，2項在承德。

圖1 500kV輸變電建設工程接入結(jié)構圖Fig.1 Accessing structure of 500kV power transmission and transformation construction project

新工程的投運將使短路電流進一步增加。其中唐山的TCZ、TSD變電站三相短路電流超過其斷路器的遮斷容量，多處站點短路電流接近斷路器限值。電網(wǎng)結(jié)構新工程的建設一方面推動了唐山、承德、秦皇島分區(qū)運行的進度。另一方面新工程投運后電源、負荷與變電站分布相對平衡，為分區(qū)運行創(chuàng)造了有利條件。

2 分區(qū)方案

2.1 地級市間分區(qū)

唐山與秦皇島500kV主網(wǎng)通過天樂雙相連，220kV主網(wǎng)通過官扣線、官趙線和武溯雙共計4回線相連，形成跨地區(qū)電磁環(huán)網(wǎng)運行。合環(huán)運行容易引起事故擴大，甚至在故障線路切除后，非故障區(qū)域仍然受到影響，跨地區(qū)電磁環(huán)網(wǎng)威脅兩地區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。計算潮流發(fā)現(xiàn)這4回地區(qū)間220kV聯(lián)絡線上正常運行時的潮流不大，地區(qū)間500kV聯(lián)絡線的輸送功率遠未充分利用。打開唐山與秦皇島間的220kV聯(lián)絡線，使得唐山與秦皇島僅通過天樂雙相連，秦皇島地區(qū)的供電可靠性有所降低，需同時配合建設昌亭500kV雙回線及秦皇島地區(qū)內(nèi)上武220kV雙回線，秦皇島220kV系統(tǒng)形成1個供電分區(qū)，由天馬和昌黎這2個500kV變電站帶動。斷開唐山與秦皇島地區(qū)的220kV聯(lián)絡后，秦皇島地區(qū)供電可靠性有所下降，需新建上武雙回線，實現(xiàn)天馬站和昌黎站的互供后備作用，同時需新增昌亭500kV雙回線，以確保東北電網(wǎng)直流輸電的穩(wěn)定運行。

2.2 唐山電網(wǎng)分區(qū)

預計2015年唐山地區(qū)裝機容量可達5 510MW，9個500kV變電站，負荷最高可達到13 020MW，唐山地區(qū)有必要分區(qū)運行。同時電源、負荷與變電站分布相對平衡，具備了分區(qū)運行的條件。

根據(jù)負荷分布，考慮現(xiàn)電網(wǎng)結(jié)構將唐山220kV系統(tǒng)分成5個相互獨立的分區(qū)，并充分保證各分區(qū)供電可靠性。以2～4個500kV變電站作為主要的供電電源，以本地區(qū)內(nèi)部的發(fā)電廠作為輔助電源，完成供電分區(qū)的劃分。

2.2.1 東南部220kV電網(wǎng)解環(huán)方案

東南部以TAG 500kV變電站為地理位置中心，與其相連的TSD、TLT、TCF、TFN這4個500kV變電站呈放射型分布，220kV變電站以鏈形和環(huán)形將幾個500kV變電站相連，形成多個電磁環(huán)網(wǎng)。東南部負荷密度大，地區(qū)電源少，計劃新建工程較多，包括TLT、TCF、TFN這3個500kV變電站。新工程建成后，東南地區(qū)的500kV的輸送能力將大大增強。根據(jù)500kV變電站的分布，將東南部220kV分區(qū)運行是可行的，也是必須的。在TAG站通過站外搭接，將TAG—TLQ雙回線和TAG—TQT雙回線所在間隔進行互換，實現(xiàn)TSD—TAG乙母線—TLT 500kV變電站所帶220kV系統(tǒng)(以下220kV分區(qū)均以其所連500kV變電站命名，如該分區(qū)簡稱為TSD—TAG乙—TLT)與TAG甲—TCF—TFN分區(qū)運行。東南部地區(qū)分區(qū)前后網(wǎng)絡結(jié)構變化如圖2所示。圖2中以點畫線表示改接或退役后不存在的線，以虛線表示改接或新建后增加的線。500kV變電站和地區(qū)內(nèi)電廠進行供電。該區(qū)域接入220kV電源多，負荷分布不均，電網(wǎng)結(jié)構比較復雜，電磁環(huán)網(wǎng)較多。新增工程包括接入THC站的電廠及TFN 500kV變電站、TZS 220kV變電站。中南部地區(qū)短路電流水平較高，而由于新建工程的投產(chǎn)，THC和TXG 220kV變電站的短路電流將大幅度增長，達到或接近開關設備限值，必須采取措施控制短路電流。TZS站的建設，彌補了唐山中心區(qū)南部沒有220kV變電站的問題，增加了中心區(qū)供電能力的可靠性，合理的變電站分布也為分區(qū)創(chuàng)造了條件。

TFN 500kV變電站建成后，為THC 220kV變電站提供了可靠電源，斷開THC—TCS雙回220kV線路，實現(xiàn)唐山南、北分區(qū)。另一方面，由于 TFN 500kV變電站僅有4回220kV出線，變電站容量沒有得到充分利用，因此將TSX—TNH雙回線改接為TFN—TNH雙回。同時這一改接緩解了唐山西主變供電壓力，使潮流分布合理。經(jīng)過上述改造，中南部將形成TSX—TSD—TFN 220kV供電區(qū)。中南部地區(qū)分區(qū)前后網(wǎng)絡結(jié)構變化如圖3所示。

圖2 東南部地區(qū)分區(qū)前后網(wǎng)絡結(jié)構變化Fig.2 Network structure change before and after southeast region partition

2.2.2 中南部220kV電網(wǎng)解環(huán)方案

中南部地區(qū)由 TJJ、TSX、TSD、TFN 這 4個

圖3 中南部地區(qū)分區(qū)前后網(wǎng)絡結(jié)構變化Fig.3 Network structure change before and after south central region partition

2.2.3 北部220kV電網(wǎng)解環(huán)方案

北部地區(qū)由TTP、TJJ和TYL這3個500kV站及與承德地區(qū)相連的3條220kV線路供電。TJJ擴建2臺主變后，其220kV變電站分為甲、乙這2站，2站各帶29臺變壓器，分列運行。TJJ甲站與 TYL變電站構成1個供電區(qū)域，TJJ乙站、TTP與承德地區(qū)構成1個供電區(qū)域，這2片區(qū)域之間僅通過TCZ—TZD雙回線相連，并且正常運行時其上傳輸?shù)墓β时容^少，為2×31.5MW，考慮斷開TCZ—TZD雙回線。又由于TZD 220kV變電站由原來的7回進出線變成了4回，可靠性有所下降，可以將斷開的TKZ—QCG、TZD—QCG單回線搭接，從而形成TKZ—TZD單回線，2站的可靠性增加，并且改造經(jīng)濟、方便。北部地區(qū)分區(qū)前后網(wǎng)絡結(jié)構變化如圖4所示。

圖4 北部地區(qū)分區(qū)前后網(wǎng)絡結(jié)構變化Fig.4 Network structure change before and after north region partition

2.3 未來進一步分區(qū)的發(fā)展方向

北部地區(qū)是唐山的重負荷區(qū)，負荷可達到3 630MW，占唐山總負荷的1/3。目前北部電網(wǎng)主變負載率較高，難以獨立供給本地區(qū)負荷。若唐承解環(huán)，TJJ變壓器 N－1時，另一臺變負載率達117%，不具備解環(huán)條件。本文暫不考慮斷開唐承電磁環(huán)網(wǎng)，待TTP主變擴建或在北部新建500kV變電站后可考慮實現(xiàn)。

目前冀北電網(wǎng)已計劃在北部新建名為TXB的500kV變電站，考慮接入TJJ和CCD 500kV變電站之間。屆時可將唐山北部電網(wǎng)由TTP—TJJ甲—承德電網(wǎng)供給的220kV分區(qū)，分為由TTP—TXB變電站和TJJ甲—TXB變電站供給的2個220kV分區(qū)。

3 校驗

3.1 短路電流

采用分區(qū)供電方案后，可有效降低相關變電站的短路電流，2015年分區(qū)前后各主要220kV變電站的短路電流水平如表1所示。

可以看出，冀北電網(wǎng)分區(qū)供電后，220kV系統(tǒng)短路電流水平大幅度下降。而現(xiàn)階段冀北電網(wǎng)不具備完善的分區(qū)運行的條件，分區(qū)后仍有部分電磁環(huán)網(wǎng)存在，為了保證分區(qū)后系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性，對部分線路進行了改接，在降低相關站點短路電流的同時也引起了部分站點短路電流有所上升。采用上述分區(qū)方法后唐山原短路電流越限的4個站點短路電流均下降到遮斷容量之內(nèi)，超過開關限值90%的站點由7個變?yōu)?個，限流效果顯著。對分區(qū)后短路電流仍臨近超標的站點應采取相應的限流手段，將其短路電流水平控制在合理范圍。

3.2 可靠性

本文制定分區(qū)方案時充分考慮了供電可靠性，分區(qū)內(nèi)每個有線路改造的220kV變電站均保證其由2個或2個以上站點提供電力支持。各220kV供電分區(qū)之間通過500kV供電通道相連，保證了聯(lián)網(wǎng)輸電通道的送電能力，具備一定的相互事故支援的能力。

3.3 安全穩(wěn)定性校驗

文獻［9］規(guī)定了對解環(huán)后系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的要求。其中500，220kV電網(wǎng)(包括500，220kV線路和變電所的主變)滿足N－1準則是實現(xiàn)電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)運行的基本條件之一，是電磁環(huán)網(wǎng)是否能夠解環(huán)運行分析的重點［10］。校驗分區(qū)后唐山電網(wǎng)內(nèi)各 500，220kV線路和500kV變壓器“N－1”方式下各線路和變壓器的負載率是否存在過載現(xiàn)象。對線路和變壓器“N－1”和“N－2”故障進行安全穩(wěn)定校核，在保護正確動作后，主網(wǎng)均可保持穩(wěn)定。

采取分區(qū)供電方案后，各供電分區(qū)應盡量包含一定容量的發(fā)電機組，以提高動態(tài)電壓無功支撐的能力，并且滿足整個電網(wǎng)的調(diào)峰和旋轉(zhuǎn)備用要求［11］。唐山5個分區(qū)中除TSD—TAG乙—TLT分區(qū)外，其他4個分區(qū)均有發(fā)電廠接入。TSD—TAG乙—TLT分區(qū)各220kV變電站與500kV變電站電氣距離均比較近，且電網(wǎng)結(jié)構簡單。從理論分析和長期運行經(jīng)驗分析，均確定在本供電分區(qū)內(nèi)的母線具有合格的電壓水平。

4 結(jié)論

(1)結(jié)合近期冀北電網(wǎng)計劃投產(chǎn)項目，分析2015年冀北電網(wǎng)結(jié)構和運行情況，認為有必要解開“唐山、承德、秦皇島”地區(qū)電磁環(huán)網(wǎng)，并逐步實現(xiàn)唐山地區(qū)220kV電網(wǎng)分區(qū)運行。

(2)提出了將唐山地區(qū)分為5個220kV供電區(qū)域。通過計算和分析電網(wǎng)的電力短路電流、潮流并進行穩(wěn)定校核，證明分區(qū)供電方案的可行性。

(3)分區(qū)供電對降低500kV系統(tǒng)的短路電流作用不大，對降低220kV系統(tǒng)短路電流作用比較明顯。而現(xiàn)階段冀北電網(wǎng)不具備完善的分區(qū)運行的條件，分區(qū)后仍有部分電磁環(huán)網(wǎng)的存在。為了保證分區(qū)后系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性，對部分線路進行了改接，在降低了相關站點短路電流的同時仍有部分站點短路電流臨近開關設備限值。總體上分區(qū)后，短路電流水平是下降的。對分區(qū)后短路電流仍臨近超標的站點應采取相應的限流手段，將各供電分區(qū)500kV和220kV電網(wǎng)的短路電流水平控制在合理范圍內(nèi)。

(4)電網(wǎng)的規(guī)劃應與電網(wǎng)的發(fā)展相適應。本文提出的分區(qū)方案，是根據(jù)對2015年冀北電網(wǎng)發(fā)展情況的預測制定的。當電網(wǎng)充分發(fā)展，分區(qū)方案可以進一步優(yōu)化。最終理想的電網(wǎng)結(jié)構應是根據(jù)500kV變電站分布對220kV變電站進行優(yōu)化布置，220kV供電鏈具有啞鈴形的特點，鏈短、容量大且事故支援能力充足。

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