青島電網電磁環網運行分析

王超，崔立勃，袁森，張菁，程濤

（1.國網山東省電力公司青島供電公司，山東青島266001；2.國網山東省電力公司，濟南250061；3.國網山東煙臺市福山區供電公司，山東煙臺265500）

青島電網電磁環網運行分析

王超1，崔立勃1，袁森2，張菁3，程濤1

（1.國網山東省電力公司青島供電公司，山東青島266001；2.國網山東省電力公司，濟南250061；3.國網山東煙臺市福山區供電公司，山東煙臺265500）

±660 kV銀東直流輸電工程建設并供電后，青島電網區域型500/220 kV高低壓電磁環網更加復雜，部分線路因成為安全隱患而需要斷開。分析500 kV線路開斷引起220 kV系統過負荷等電磁環網的安全隱患，得出判斷電磁環網是否開環應考慮的安全穩定性和經濟性等因素，和判斷500/220 kV電磁環網是否應該開環的一般步驟。并對青島電網進行了詳細分析，闡述分析結果的應用價值和現實意義。

高壓直流輸電；電網；電磁環網；穩定性

0 引言

電磁環網是一種應用在高、低壓電網側之間的過渡型電網結構。比如在500 kV與220 kV電壓等級之間，由于500 kV側電網在發展初期結構脆弱，一般需要通過電磁環網的運行來維持高低壓側兩端的穩定。當高電壓側傳輸功率增大以及其他結構改變時，電磁環網就面臨著潮流分布不合理等安全穩定問題和經濟性問題［1-2］。

500/220 kV電磁環網中的500 kV高壓側結構正日益完善，相應地應對220 kV低壓側進行分層分區運行，以迎合電磁環網解環運行的發展趨勢。各國學者與相關工作人員對電網發展中形成的500/220kV電磁環網開展了大量的解環工作［3-5］，就何時、何地打開500/220 kV電磁環網進行了深入的研究。電磁環網的解環工作需要借助暫態穩定、靜態安全、短路電流以及系統網損等多種量化評價方法從穩定性、安全性和經濟性等各方面進行綜合評估。

1 安全穩定性分析

解環電磁環網時，電網的安全穩定運行面臨著嚴重的威脅，如影響線路傳輸能力、功率轉移等問題。下面就與電磁環網解環相關的安全穩定性問題進行討論［6-7］。

1.1 系統傳輸能力

在電磁環網解環操作中，當高壓線路開斷時，會引起相應的功率轉移，這部分功率轉移在低壓側可能會導致負荷的增加，從而影響其傳輸穩定性，甚至超過低壓線路的運載能力。線路的傳輸能力受多方面影響。

穩定傳輸功率。系統間以及系統與電廠間輸電線路傳輸的有功功率不能超過電力系統穩定極限值。對于500/220 kV電磁環網，220 kV線路電壓等級低，線路電抗大，因此其傳統功率極限要小于500kV線路。當發生潮流轉移時，220 kV低壓側會首先發生安全失穩現象。

熱穩定電流（功率）。流經導線的電流不允許超過其熱穩定的電流最大值。在500/220 kV電磁環網中，當500 kV高壓側斷開時，負荷會通過220 kV低壓側線路送出，由于負荷大于正常值，尤其是在重負荷運行時，220 kV線路上的電流很可能會出現超出導線熱穩定電流的情況。

自然功率。當線路輸送有功功率達到某個值的時候，線路消耗和產生的無功正好平衡，此時輸送的功率就稱為自然功率。高壓電網電壓等級高、輸電線路長，所以線路產生的無功功率較大。當傳輸功率小于高壓線路的自然功率時，除去線路自身產生的大量無功功率，還會有大量冗余無功功率流入系統，導致其電壓升高；而當傳輸功率大于自然功率時，輸電線路損耗的無功功率必然由系統兩側的無功補償設備補足。在500/220 kV電磁環網中，220 kV線路的傳輸功率一般會遠大于自然功率，線路會損耗過多的無功功率；而當500 kV開斷時，220 kV線路的電流會增大，而線路電感上的無功損耗與電流的平方成正比，無功功率的消耗過多會導致電壓的降低。

1.2 穩定性

對于高低壓側電磁環網系統，當某一側開斷時，會導致潮流轉移到另一側電網，此時應檢查該側電網的穩定性。在500 kV/220 kV電磁環網系統中，當220 kV低壓網側開斷時，潮流會轉移到500 kV高壓網側，這種情況下，一般不會發生暫態穩定極限越限的事故，但此時任一條500 kV線路的無故障開斷都會導致其它500 kV線路潮流的成倍增加，電網的穩定性就會受到威脅；因線路檢修，500 kV高壓網側無故障開斷時，潮流會相應地轉移到220 kV低壓網側，要對該側電網進行穩定分析。在上述情況中，要分別進行小干擾與大干擾穩定分析來檢驗系統的靜態穩定性與暫態穩定性。

1.3 電磁環網功率轉移問題網間功率振蕩

在高低壓側電磁環網系統中，當高壓側電網開斷時，系統間的聯絡阻抗會增大，導致其輸電能力下降，甚至當聯絡線傳輸功率超過穩定傳輸極限，此時會引起系統間的功率振蕩以及其他嚴重后果。

1.4 短路電流水平

高低壓電磁環網運行時，電網的傳輸功率已經接近極限，當接入更大容量高壓線路時，會使該電網的綜合阻抗減小，聯系更加緊密，導致短路時的系統電流更容易超過斷路器的額定開斷電流。而電磁環網的開環運行可以讓不同電壓等級的斷路器分別配備不同等級的開關設備，從而可以滿足不同電壓等級短路電流的極限要求［8］。

1.5 運行經濟性

合理的高低壓電磁環網解環操作一方面可以實現電網的分區運行，實現經濟效益的改善，如降低短路電流、節省開關設備、減小分區電網容量等；另一方面可以實現潮流的優化分布，通過阻抗調節高低壓側的潮流流向，減小有功功率的損耗。在評估電磁環網解環的經濟性時，可通過開關設備投資和系統網損兩方面進行。

2 電磁環網開環的一般步驟

要在對電磁環網進行開環操作時滿足上述要求，需要進行多方面的計算，包括潮流計算、穩定性分析、短路電流計算以及網損分析等。主要的解網操作流程如圖1。

圖1 電磁環網開環流程

對電磁環網的組成情況進行分析，根據電網結構以及潮流分布特點初步選擇合適的分區方案；計算在環網運行狀態下的短路電流；計算電磁環影響下高電壓等級暫態穩定與小干擾穩定；根據以上計算結果，初步擬定開環方案；針對擬定的方案，分別進行高低壓側的安全穩定分析；計算開環后的短路電流；通過對開環前后的網損分析以及開環時的建設投資計算，分析開環的經濟性；根據上述步驟，確定最優開環方案，并研究開環后的穩定控制措施。

3 500／220 kV電磁環網分析

3.1 青島電網現狀分析

青島電網結構如圖2所示。2013年銀東直流單極投運，送電2 000 MW。銀東直流注入青島后青島電網可分為青島環網、大澤、萊陽3個供電系統。其中，大澤、萊陽供電系統與青島環網之間沒有220 kV網絡聯系。青島環網以500 kV變電站為核心可分為瑯琊、膠東、嶗山—青島廠3個供電系統。由于是受端電網，境內接入220 kV電網的電源與負荷分布呈現西電東送狀態，大電源主要集中在西部黃島電廠與銀東直流等外部電源、負荷則集中在東部嶗山站所屬地區。500 kV網架之下，3個供電系統通過瑯匡—瑯膠—島灣組成的瑯琊—膠東220 kV東送通道以及嶗膠—上廣—上黃組成的膠東—嶗山220 kV東送通道相連，從而在兩潮流斷面上形成多個500/220 kV電磁環網。

圖2 青島電網結構

3.2 青島電網環網開環分析

根據計算結果顯示，青島電網的短路電流在電磁環網運行時分布在合理范圍內，沒有超出開關設備的極限容量。在電磁解環時，如果需要保證500 kV主變始終滿足“N-1”要求，則最多只能實現大區分網模式，即多個500 kV變電站對一個220 kV變電站供電。瑯琊—膠東220 kV東送通道輸送功率409 MW，膠東—嶗山220 kV東送通道輸送功率355 MW。按照1個或多個500 kV站帶220 kV地區型電網的分區原則，考慮對青島電網500/220 kV電磁環網的4種開、合環方案進行綜合分析。方案1為基礎運行方式；方案2為打開瑯琊—膠東電磁環網，即斷開瑯匡線、瑯膠線、島灣線；方案3為打開膠東—嶗山電磁環網，即斷開嶗膠線、上廣線、上黃線；方案4為同時打開瑯琊—膠東電磁環網和膠東—嶗山電磁環網，即斷開瑯匡線、瑯膠線、島灣線以及嶗膠線、上廣線、上黃線。

3.3 青島電網系統分析與潮流計算

基礎運行方式下，青島電網網絡聯系緊密，膠東—嶗山雙回500 kV線路無故障跳線后，由于多回500 kV和220 kV輸電線路的功率分攤，瑯琊—膠東220 kV東送通道及膠東—嶗山220 kV東送通道上的線路功率有不同程度的增加，但遠未達到線路熱穩定極限。事故后母線電壓較事故前有不同程度的降低，但尚處于0.90 pu以上。基礎運行方式下，電磁環網的功率轉移不會威脅系統的安全運行。

特殊運行方式下，膠東—大澤雙回500 kV線路處于檢修狀態，膠東—嶗山雙回500 kV線路無故障跳線后，瑯琊—膠東220 kV東送通道及膠東—嶗山220 kV東送通道上的線路功率有較大程度的增加，其中，膠州—嶗山220kV線路、上程—黃埠嶺220 kV線路重載運行，逼近線路熱穩定極限；上程—廣源220 kV線路超過線路熱穩定極限。事故后母線電壓較事故前有較大程度的降低，部分母線電壓處于0.90pu以下。特殊運行方式下，電磁環網功率轉移存在較嚴重的事故隱患。

對4種方案下青島電網“N-1”線路和變壓器過負荷情況進行了計算，方案1和2沒有過載發生，方案3和4過載情況如表1所示。方案3、4斷開了膠東—嶗山220 kV東送通道，其所帶功率通過膠東—嶗山500 kV線路輸送，并經由嶗山站3臺500 kV主變下網，從而加重了嶗山站主變及嶗山站附近220kV線路的負載。因此，方案3、方案4下“N-1”開斷嶗山站1號主變，嶗山站2號、3號主變均過負荷。方案1、方案2下，系統未出現“N-1”線路和變壓器過負荷情況。4種方案下，青島電網“N-1”母線電壓未出現低于0.90 pu的情況。

表1 “N-1”標準下變壓器過負荷

青島電網暫態穩定計算分析中，穩定計算中故障設定為三相接地短路，在80 ms時切除500 kV線路故障，110 ms時切除220 kV線路故障。計算分析表明，系統在4種方案下均能保持暫態穩定，其中，方案1由于網絡聯系緊密，電氣距離較近，穩定性最佳。

3.4 青島電網短路計算

青島電網部分廠站三相短路電流分析中，方案1中，系統短路電流水平較高，其中，220 kV母線短路電流在30 kA以上的廠站有11個，超過40 kA的廠站有4個，魯嶗山站220A母線短路電流達到50.30kA，魯嶗山站220 B母線短路電流達到49.88 kA，需要采取相應限流措施。采用方案2～4，系統短路電流水平有不同程度的降低，其中，采用方案4且220 kV母線短路電流在30kA以上的廠站有4個，超過40 kA的廠站有2個，魯嶗山站220 A母線短路電流降到42.70 kA，魯嶗山站220 B母線短路電流降到42.48 kA，限流效果顯著。

3.5 系統網損

經過計算，方案1～4的系統網損分別為978.08 MW、975.78 MW、976.43 MW、976.08 MW。

4 結語

方案1、方案2的優先度較為接近，然而電磁環網運行方式使系統網絡結構復雜、運行調度管理不便并存在較嚴重的事故隱患，故考慮優先選擇方案2，即打開瑯琊—膠東500/220 kV電磁環網。方案3、方案4能夠有效降低系統短路電流水平，然而由于在靜態安全性及暫態穩定性上的較大劣勢，其可行性較差，考慮保留膠東—嶗山500/220 kV電磁環網。

［1］王梅義，吳竟昌，蒙定中.大電網系統技術［M］.北京：水利電力出版社，1995.

［2］孔濤，王洪濤，劉玉田，等.500 kV-220 kV電磁環網開環研究［J］.電力自動化設備，2003，23（12）：13-16.

［3］葉華，劉玉田，牛新生.500kV-220kV電磁環網開環方案模糊綜合評價［J］.電力自動化設備，2006，26（7）：1-5.

［4］ZHANG N，YE H，LIU Y，et al.Fuzzy comprehensive evaluation for power network operating schemes［C］.Proceedings of the IEEE International Conference on Fuzzy Systems and Knowledge Discovery，Haikou，China：IEEE，2007：593-597.

［5］楊冬，劉玉田.特高壓初期的電磁環網影響分析［J］.電力自動化設備，2009，29（6）：77-80，84.

3、4號主變關口表計量二次回路技術改造實施完成后，提高了關口表長周期運行的安全性，明顯降低了二次負載和電壓互感器的二次壓降，取得了顯著的安全和經濟效益。

4 結語

以關口計量回路中電壓互感器二次回路壓降過大為出發點，逐條分析電壓互感器二次回路壓降產生的原因，有針對性地提出裝設專用的電壓互感器和電壓互感器二次回路、加粗電壓互感器二次導線的截面、采用就地計量方式、減小觸點接觸電阻等技術措施，經過實際技術改造驗證，所提出的技術措施正確有效，能明顯降低關口計量回路中的電壓互感器二次回路壓降，提高關口電能計量裝置的真實計量性能和運行可靠性。

參考文獻

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［2］陳向群.電能計量技能考核培訓教材［M］.北京：中國電力出版社，2002.

Analysis of Electromagnetic Loop in Qingdao Power Grid

WANG Chao1，CUI Libo1，YUAN Sen2，ZHANG Jing3，CHENG Tao1
（1.State Grid Qingdao Power Supply Company，Qingdao 266001，China；2.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250061，China；3.State Grid Yantai Fushan Power Supply Company，Yantai 265500,China）

With the development of±660kV Yindong HVDC transmission project，electromagnetic loop of 500kV/220kV in Qingdao becomes more complicated.Some transmission lines should be opened because of security risk．The insecurity of 220kV grid overload caused by opening the 500kV transmission line is analyzed.The security and stability of power grid，as well as the economic factors，should be considered before breaking the electromagnetic loop.The general procedure of judging whether the electromagnetic loop should be opened is proposed．Qingdao power grid is analyzed in detail，and the applied value and practical significance are verified.

HVDC；power grid；electromagnetic loop；stability

TM732

B

1007－9904（2015）02－0050－04

2014-09-26

張敏（1974），女，工程師，主要從事電廠電測技術監督管理工作。