江蘇特高壓建設時期短路電流限制措施

陳　倩，湯　奕

（東南大學電氣工程學院，江蘇南京210096）

江蘇特高壓建設時期短路電流限制措施

陳倩，湯奕

（東南大學電氣工程學院，江蘇南京210096）

淮滬特高壓工程投產運行初期，會在江蘇特高壓沿線形成1000 kV/500 kV/220 kV三級電磁環網，對電網短路電流產生影響。BPA短路電流計算結果表明，特高壓接入江蘇電網后，石牌500 kV母線以及蘇南負荷密集子系統中部分220 kV母線的短路電流均會有不同程度的提高。針對上述現象提出電磁環網解環、負荷轉移等基于動態分區策略的短路電流抑制措施，結合實際系統算例進行分析。算例分析結果驗證了所述限流措施的可靠性，對工程實際降低短路電流水平有一定參考價值。

江蘇特高壓；三級電磁環網；短路電流；分區控制策略

“十二五”期間，華東電網成為交直流特高壓工程建設的主戰場，“皖電東送”北半環建成投運后，華東電網將形成世界上首個交流特高壓雙環網［1］。1000 kV皖電東送淮南至上海特高壓交流輸電示范工程（簡稱淮滬特高壓）在提高電網輸電能力的同時，也會在特高壓沿線形成1000 kV/500 kV/220 kV三級電磁環網，改變特高壓落點附近輸電網架的拓撲結構、潮流分布、穩定特性、短路電流［2］，對電網供電可靠性、安全性等產生一定影響。隨著電網規模的不斷擴大，電網結構的逐漸加強，電網內部聯系的日益緊密，負荷及負荷密度的持續增長，江蘇省內三級電磁環網下部分負荷密集區的500 kV和220 kV母線的短路電流均出現不同程度的提升。如何有效限制電網短路電流水平是目前江蘇特高壓電網建設過程中亟待解決的問題。以淮滬北半環工程建成投運后的江蘇電網為研究對象，以江蘇電網2016年運行規劃數據為研究基礎數據，分析省內三級電磁環網現象引起的短路電流問題，并提出合理可行的限流措施。

1　江蘇電網概況

1.1江蘇特高壓電網現狀

自2012年起，江蘇積極響應國家政策，同特高壓交直流電網密切銜接，并成為特高壓交直流大同步電網的一部分［3］。包括1000 kV淮南—南京—上海特高壓交流輸變電工程、1000 kV錫盟—南京交流特高壓輸變電工程、±800 kV錫盟—泰州直流特高壓工程等計劃在內的江蘇特高壓工程于2014年起進入加速建設階段。至此，江蘇電網已逐步由500 kV骨干網架向特高壓骨干網架轉變，對外受電容量和距離將分別大幅增加。此外，江蘇也積極拓展西南水電、三峽水電等“西電東送”電力，擴大內蒙古、山西、新疆、陜西等“北電南送”規模，到2020年區外來電力爭達到30 000 MW。

對于江蘇電網而言，特高壓交直流系統接入后，無論區外來電規模和受電比例，還是江蘇電網的網架結構、潮流分布以及同外界電網的電氣聯系，都發生了巨大變化［4］。江蘇特高壓交直流成網格局的形成，在加速促進江蘇電網原有網架的發展，有效提高江蘇電網的受電能力的同時［3］，也伴隨著1000 kV/500 kV/220 kV三級電磁環網的出現，這將給江蘇電網安全穩定運行帶來風險，增加電網運行控制難度。針對上述情況，急需研究特高壓初步成網后與500 kV/220 kV電網的協調運行控制策略，充分發揮特高壓電網的輸電能力。

1.2短路電流現狀

淮滬北半環工程建成投運后，特高壓系統將與江蘇省內已有的500 kV/220 kV電網之間構成三級電磁環網。在原有電壓等級的電網傳輸負荷能力接近極限的情況下，接有更大容量機組的高壓線路投入運行將使該地區電網容量更大，聯系更加緊密，從而導致短路電流問題更突出［4］。系統容量的明顯增大以及系統阻抗的相對減小，都更容易造成江蘇電網母線短路電流水平的進一步提升。表1具體給出了省內存在短路電流超標問題的節點以及相應地短路電流。

表1　江蘇三相短路電流超標現狀

由表中數據可見，淮滬北半環工程建成投運后，江蘇電網短路電流分布情況：

（1）1000 kV站點不存在短路電流超標問題。

（2）個別500 kV站點短路電流水平超標。蘇石牌500 kV側母線三相短路電流高達74.3 kA，已超出該電壓等級斷路器的遮斷電流。

（3）部分220 kV站點短路電流水平超標。蘇木瀆、望亭、東善橋、泰興等220 kV側母線三相短路電流超出該電壓等級的遮斷電流值。

短路電流超標不僅對電力設備造成的損壞嚴重，而且會破壞局部甚至整個江蘇電網的安全穩定運行，對工業生產、居民生活等產生不可估量的影響。因此，采取合理的限流措施抑制江蘇特高壓電網短路電流在現階段顯得尤為重要。

2　短路電流限制方法

針對電網建設發展過程中出現的短路電流超標問題，學者們在改變電網結構、變更系統運行方式及加裝限流設備等進行了研究，總結出的限流方法主要有以下幾類［5］：（1）低電壓等級分層分區運行；（2）變電站母線分列運行；（3）變壓器中性點經小電抗接地；（4）利用高阻抗設備；（5）串聯電抗器；（6）直流背靠背技術；（7）提高斷路器遮斷容量。目前，江蘇電網多采用分層分區運行的格局，對已實現分層分區運行的電網，動態分區技術無疑是抑制短路電流的一種快速有效手段之一。動態分區技術指正常情況下電網作為一個整體運行、故障情況下電網自動分裂的分區技術［6］，文中介紹以下3種基于分區技術的限流方法。

2.1電磁環網解環

在特高壓電網建設初期，網架結構較薄弱，一般采用電磁環網合環運行方式；但隨著電網的發展和網架結構的加強，針對合環運行出現的潮流轉移、短路電流超標等問題，需要進一步實施電磁環網解環運行［7］。在進行電磁環網解環時，需要考慮解環原則，如果不滿足解環條件，將會導致當高壓等級的元件因故障斷開時，影響僅依靠此元件供電的用戶；另外，部分設備可能會出現超過輸送能力的現象，從而造成“窩電”或“缺電”現象。電磁環網解環原則主要有以下3條［5］：

（1）若220 kV電網過于密集導致220 kV母線短路電流增加，超過設備的遮斷容量，則應解環。

（2）對于處在一個或多個電磁環網的通道上的短路電流超標站點，應盡量選擇在提供支路電流最大的線路斷開電磁環網；

（3）解環時要保證電網結構、潮流分布合理，系統安全穩定水平及短路電流水平均滿足要求。

2.2負荷轉供

江蘇電網分層分區后將形成1個或多個500 kV變電站帶動一片220 kV地區的格局，各220 kV分區間通過一個或多個解環點及備用聯絡通道進行聯系。分區間聯絡通道主要承擔以下功能［8］：

（1）在500 kV主變檢修或其它重大檢修時，作為系統聯絡通道將兩個相鄰分區合環運行；

（2）作為分區間調整負荷的備用線路，當某一分區出現火機組跳閘等原因造成分區供電能力不足時，由相鄰分區通過聯絡線轉供負荷。

各分區間備用聯絡線的不僅可使不同分區之間相互支援，同時也為分區之間的負荷轉移提供了條件。當某一分區中出現短路電流超標問題，通過備用聯絡線將部分負荷轉移到另一分區，動態調整局部分區結構，改善短路電流。因此如何實現短路電流超標情況下分區負荷的快速轉移，成為抑制短路電流的關鍵所在。

2.3增設故障限流器

故障限流器（FCL）是通過改變等效阻抗起到改善短路電流作用的，在正常情況下FCL等效阻抗為0，不會影響系統的潮流分布和電壓水平；當交流系統發生短路故障時，FCL將投入限流阻抗以限制短路電流［6］，是一種可靠性高的理想電力系統故障限流裝置。當電網中存在多個短路電流超標節點且分布在不同位置時，如何從穩定性和經濟性角度出發，確定FCL的安裝數量、安裝位置和安裝阻抗成為需要解決的問題［9］。這是一個大規模的非連續、非線性的多目標優化問題。

3　江蘇特高壓電網短路電流限制措施

針對江蘇電網中存在的短路電流問題，文中主要通過電磁環網解環和負荷轉供的動態分區方式進行短路電流抑制。采取相應抑制措施后，遵循《電網短路電流計算標準》中的計算原則，利用BPA軟件對江蘇電網三相短路電流進行了計算，結果表明短路電流水平均降至遮斷電流以下（見表2）。以蘇州西220 kV子系統和石牌500 kV站點短路電流問題為例，進行具體限流措施的研究與數據分析。

3.1電磁環網解環算例

由圖1可見，500 kV熟南—石牌—車坊—木瀆線路與蘇州西子系統中的220 kV站點構成500 kV/220 kV電磁環網，從而造成木瀆、望亭、向陽220 kV側短路電流超標，陽山220 kV側短路電流接近遮斷電流。斷開220 kV望亭-陽山雙回線和220 kV望亭—建林雙回線，蘇州西子系統中220 kV側短路電流超標問題消失。具體數據如表3所示。

通過表3中短路電流裕度這一評估指標可看出，蘇州西子系統中短路電流超標站點在電磁環網解環運行后均得到了抑制。其中，蘇木瀆2在解環運行后短路電流降到遮斷電流以下，并留有5.6%裕度，蘇望亭在解環運行后短路電流裕度為14.2%，蘇向陽則留有21.6 %的裕度。由此可見，通過采取解開電磁環網的方式，可以適當削減電氣聯系，增大聯系電抗，從而將短路電流降低至遮斷電流以下。但同時，解環運行會影響系統中的潮流分布以及電網供電可靠性。本例中，解環點為發電廠出口向外的點，解環后陽山、建林方向的站點供電可靠性會受到一定程度的影響。

表2　限流前后江蘇三相短路電流超標現狀

圖1　蘇州西220 kV子系統

表3　解環前后蘇州西地區220 kV側三相短路電流值比較

3.2負荷轉供算例

由圖2知，石牌站有三條500 kV母線，分別是蘇石牌K、蘇石牌H和蘇石牌，其中蘇石牌K和蘇石牌是分裂運行的。由于蘇石牌H和蘇石牌短路電流都存在超標問題，首先考慮先將兩條母線分裂運行，減小電氣聯系；然后將熟南500 kV站從蘇石牌轉移到蘇石牌H，減輕蘇石牌的潮流，將兩條超標母線的短路電流降至63 kA以下。具體數據如表4所示。

圖2　石牌500 kV站點

表4　負荷轉供前后石牌500 kV側三相短路電流值比較

通過表4中短路電流裕度這一評估指標可以看出，石牌500 kV站點短路電流在負荷轉供后均得到了抑制。其中，蘇石牌在負荷轉供后留有4.4%的短路電流裕度，蘇石牌H則留有38.6%的裕度。由上述算例可見，通過負荷轉供的方式，可以改善網架結構，減輕負荷密集站點的潮流，從而將短路電流降低至遮斷電流以下。但這種通過“主變出串”方式進行負荷轉供的限流措施，會對地區供電可靠性造成影響，當1臺500 kV主變失電時，將可能引起該地區多個220 kV主變失電［10］。

4　結束語

特高壓交直流接入江蘇電網，使系統容量明顯增大、系統阻抗相對減小。仿真數據表明，淮滬北半環工程建成投運后，江蘇電網中蘇南部分220 kV母線和石牌500 kV母線短路電流水平均有一定程度提升。在總結現有短路電流抑制措施的基礎上，提出采用基于動態分區控制技術的短路電流抑制措施對上述問題進行具體分析。其中，蘇南220 kV母線短路電流采用電磁環網解環措施可進行抑制；石牌500 kV母線短路電流可通過負荷轉供措施進行抑制。采取相應措施后，江蘇電網存在問題的站點短路電流均得到了抑制，這也證明了基于動態分區技術的短路電流限流措施的正確性和可靠性。

［1］姚穎蓓，繆源誠，莊侃沁，等.華東特高壓交流工程投產初期500 kV短路電流控制策略研究［J］.華東電力，2014（12）：2775-2778.

［2］姚穎蓓，繆源誠，陳浩，等.淮滬特高壓投產后電磁環網問題研究［J］.華東電力，2014（1）：30-32.

［3］劉建坤，胡亞山，趙靜波，等.特高壓接入對江蘇電網的影響展望［J］.江蘇電機工程，2010，29（1）：1-3.

［4］馬恒瑞.特高壓聯網后電網限流措施和分區原則的研究［D］.北京：華北電力大學，2014.

［5］李亞東.大型受端電網限制短路電流措施研究［D］.北京：華北電力大學，2014.

［6］黃弘揚，徐政，林晞.基于故障限流器的直流多饋入受端系統動態分區技術［J］.中國電機工程學報，2012，19：58-64，186.

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［8］朱筆能，張瑩.淺析電網分區間負荷的快速轉移［J］.科技資訊，2011（4）：126-127.

［9］肖帥.基于PSO的特高壓落點選擇與故障限流器優化配置算法［D］.杭州：浙江大學，2014.

［10］黃堅，吳奕.500 kV主變出串運行帶來的影響分析及對策［J］.電力安全技術，2010，12（3）：45-46.

Research on the Jiangsu Short-circuit Current Limiting Strategy During UHV Construction Period

CHEN Qian，TANG Yi
（School of Electrical Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

Early production and operation of the Huainan-Shanghai UHV project will form a 1000 kV/500 kV/220 kV electromagnetic loop network along the Jiangsu UHV，which has an impact on the short-circuit current of power grid.BPA short-circuit current calculation result shows that after UHV's access to the Jiangsu power grid，the short-circuit current of the 500 kV bus in Shipai and the 220 kV bus in load intensive subsystem of western Suzhou increases in different degrees. According to the phenomenon，a short-circuit current suppression measures based on the strategy of dynamic partitioning including unlocking the electromagnetic loop network and load transfer is proposed，along with the analysis of actual examples.Case analysis verifies the reliability of the proposed current limiting measures，and provides a reference value for reducing the short-circuit current in engineering practice.

Jiangsu UHV；three-level electromagnetic loop network；short-circuit current；zoning control strategy

TM713

A

1009-0665（2015）05-0021-04

陳倩（1992），女，江蘇高郵人，碩士在讀，研究方向為電力系統及其自動化；

湯奕（1977），男，江蘇溧陽人，副教授，主要研究方向為電力系統穩定分析與控制、新能源并網控制技術、智能需求側響應。

2015-05-11；

2015-06-26