冀北電網分區供電研究

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

電磁環網在新的電壓等級建成初期有其存在的意義，有利于提高系統供電能力，減少備用容量。而隨著較高電壓等級電網的發展和傳輸負荷的不斷增大，電磁環網成為電力系統嚴重的事故隱患。《電力系統安全穩定導則》規定:隨著高一級電壓電網的建設，下一級電壓電網應逐步實現分區運行，相鄰分區之間保持聯絡互為備用。

國內多個省市結合各地區情況已開始了分層分區的研究和實施工作。北京負荷達16 000MW，為解決大負荷帶來的種種問題，北京電網將初步分為9個供電分區。每個分區內220kV為雙環網結構開環運行，部分 220kV變電站深入到城市繁華地區［1］。2012年上海最高用電負荷達21 530MW，達到歷史新高。上海電網現在分為楊行、黃渡、泗涇、南橋以及楊高等9個分區電網，解決了從前南北分區運行時出現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年冬天浙江電網最大供電能力達40 000MW。隨著負荷的增長，浙江500kV及220kV電網建設步伐加快，電網中樞紐變電所的短路電流問題凸顯出來。為此如今浙江220kV電網形成了8個分區的電網格局［3］。天津電網負荷超過10 000MW，同時電磁環網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的分區供電方案，并對未來天津西部電網的發展提出建議。各地分層分區的研究和實施工作進一步說明了電磁環網解環并實現電網分區供電是控制短路電流、合理電網結構的經濟、有效的方法。在條件成熟時，應該結合地區具體情況，逐步打開電磁環網，實現分區運行。

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

1 冀北電網概況

1.1 冀北電網電磁環網運行現狀

冀北電網現有19座500kV變電站，10座500kV變電站具有直接的電氣聯系，構成冀北電網500kV主網架。其中僅有唐山、承德地區的4座500kV變電站(TJJ—TTP—CJS—CCD)形成雙環網結構，其余6座變電站在4個方向呈放射狀與雙環網連接。唐山、承德、秦皇島地區220kV電網與冀北500kV主網構成電磁環網運行。隨著近年來冀北電網的發展，電磁環網運行的易造成系統熱穩定破壞、不利于經濟運行、系統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［5-8］，尤其是220kV系統短路電流增長迅速。隨著負荷的發展和500kV變電站的建設，220kV變電站、地區電源建設工程也日漸增加，使得220kV電網結構愈加緊密，短路電流水平不斷攀升，現已接近開關設備限值，成為亟待解決的問題。

1.2 2015年冀北地區新建工程

近年來冀北負荷增長較快。考慮未來冀北地區電網發展要求，“唐山、承德、秦皇島”地區計劃2015年投產或擴建多項工程。其中包括常規電源工程2項，均分布在唐山地區，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。電網結構新工程的建設一方面推動了唐山、承德、秦皇島分區運行的進度。另一方面新工程投運后電源、負荷與變電站分布相對平衡，為分區運行創造了有利條件。

2 分區方案

2.1 地級市間分區

唐山與秦皇島500kV主網通過天樂雙相連，220kV主網通過官扣線、官趙線和武溯雙共計4回線相連，形成跨地區電磁環網運行。合環運行容易引起事故擴大，甚至在故障線路切除后，非故障區域仍然受到影響，跨地區電磁環網威脅兩地區電網的安全穩定。計算潮流發現這4回地區間220kV聯絡線上正常運行時的潮流不大，地區間500kV聯絡線的輸送功率遠未充分利用。打開唐山與秦皇島間的220kV聯絡線，使得唐山與秦皇島僅通過天樂雙相連，秦皇島地區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內上武220kV雙回線，秦皇島220kV系統形成1個供電分區，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的220kV聯絡后，秦皇島地區供電可靠性有所下降，需新建上武雙回線，實現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，以確保東北電網直流輸電的穩定運行。

2.2 唐山電網分區

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

根據負荷分布，考慮現電網結構將唐山220kV系統分成5個相互獨立的分區，并充分保證各分區供電可靠性。以2～4個500kV變電站作為主要的供電電源，以本地區內部的發電廠作為輔助電源，完成供電分區的劃分。

2.2.1 東南部220kV電網解環方案

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變電站以鏈形和環形將幾個500kV變電站相連，形成多個電磁環網。東南部負荷密度大，地區電源少，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，東南地區的500kV的輸送能力將大大增強。根據500kV變電站的分布，將東南部220kV分區運行是可行的，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TSD—TAG乙母線—TLT 500kV變電站所帶220kV系統(以下220kV分區均以其所連500kV變電站命名，如該分區簡稱為TSD—TAG乙—TLT)與TAG甲—TCF—TFN分區運行。東南部地區分區前后網絡結構變化如圖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變電站和地區內電廠進行供電。該區域接入220kV電源多，負荷分布不均，電網結構比較復雜，電磁環網較多。新增工程包括接入THC站的電廠及TFN 500kV變電站、TZS 220kV變電站。中南部地區短路電流水平較高，而由于新建工程的投產，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，彌補了唐山中心區南部沒有220kV變電站的問題，增加了中心區供電能力的可靠性，合理的變電站分布也為分區創造了條件。

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，實現唐山南、北分區。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。經過上述改造，中南部將形成TSX—TSD—TFN 220kV供電區。中南部地區分區前后網絡結構變化如圖3所示。

圖2 東南部地區分區前后網絡結構變化Fig.2 Network structure change before and after southeast region partition

2.2.2 中南部220kV電網解環方案

中南部地區由 TJJ、TSX、TSD、TFN 這 4個

圖3 中南部地區分區前后網絡結構變化Fig.3 Network structure change before and after south central region partition

2.2.3 北部220kV電網解環方案

北部地區由TTP、TJJ和TYL這3個500kV站及與承德地區相連的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個供電區域，TJJ乙站、TTP與承德地區構成1個供電區域，這2片區域之間僅通過TCZ—TZD雙回線相連，并且正常運行時其上傳輸的功率比較少，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，并且改造經濟、方便。北部地區分區前后網絡結構變化如圖4所示。

圖4 北部地區分區前后網絡結構變化Fig.4 Network structure change before and after north region partition

2.3 未來進一步分區的發展方向

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

目前冀北電網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由TTP—TJJ甲—承德電網供給的220kV分區，分為由TTP—TXB變電站和TJJ甲—TXB變電站供給的2個220kV分區。

3 校驗

3.1 短路電流

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

可以看出，冀北電網分區供電后，220kV系統短路電流水平大幅度下降。而現階段冀北電網不具備完善的分區運行的條件，分區后仍有部分電磁環網存在，為了保證分區后系統運行的可靠性和穩定性，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，超過開關限值90%的站點由7個變為4個，限流效果顯著。對分區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

本文制定分區方案時充分考慮了供電可靠性，分區內每個有線路改造的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供電分區之間通過500kV供電通道相連，保證了聯網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 安全穩定性校驗

文獻［9］規定了對解環后系統安全穩定性的要求。其中500，220kV電網(包括500，220kV線路和變電所的主變)滿足N－1準則是實現電磁環網解環運行的基本條件之一，是電磁環網是否能夠解環運行分析的重點［10］。校驗分區后唐山電網內各 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象。對線路和變壓器“N－1”和“N－2”故障進行安全穩定校核，在保護正確動作后，主網均可保持穩定。

采取分區供電方案后，各供電分區應盡量包含一定容量的發電機組，以提高動態電壓無功支撐的能力，并且滿足整個電網的調峰和旋轉備用要求［11］。唐山5個分區中除TSD—TAG乙—TLT分區外，其他4個分區均有發電廠接入。TSD—TAG乙—TLT分區各220kV變電站與500kV變電站電氣距離均比較近，且電網結構簡單。從理論分析和長期運行經驗分析，均確定在本供電分區內的母線具有合格的電壓水平。

4 結論

(1)結合近期冀北電網計劃投產項目，分析2015年冀北電網結構和運行情況，認為有必要解開“唐山、承德、秦皇島”地區電磁環網，并逐步實現唐山地區220kV電網分區運行。

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

(3)分區供電對降低500kV系統的短路電流作用不大，對降低220kV系統短路電流作用比較明顯。而現階段冀北電網不具備完善的分區運行的條件，分區后仍有部分電磁環網的存在。為了保證分區后系統運行的可靠性和穩定性，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。總體上分區后，短路電流水平是下降的。對分區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500kV和220kV電網的短路電流水平控制在合理范圍內。

(4)電網的規劃應與電網的發展相適應。本文提出的分區方案，是根據對2015年冀北電網發展情況的預測制定的。當電網充分發展，分區方案可以進一步優化。最終理想的電網結構應是根據500kV變電站分布對220kV變電站進行優化布置，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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