考慮短路容量和電壓穩定約束的受端電網飽和負荷規模研究

李付強，彭龍，張文朝，郭秋婷

(1．國家電網公司華北分部，北京市100053;2．南京南瑞集團公司，北京市102200)

考慮短路容量和電壓穩定約束的受端電網飽和負荷規模研究

李付強1，彭龍2，張文朝2，郭秋婷2

(1．國家電網公司華北分部，北京市100053;2．南京南瑞集團公司，北京市102200)

考慮短路容量和靜態電壓穩定約束，文章提出了一種交流受端電網飽和負荷規模的量化評估方法。通過網絡阻抗建立了短路容量、靜態電壓穩定極限和熱穩定的聯系，結合潮流和阻抗分布特性分析得出短路容量和靜態電壓穩定極限之間存在一定比例。根據實際受端電網環網大小和電網允許的最大短路容量得出輸電通道最小阻抗，考慮實際電網環網潮流相對輸電通道較低情況，將受端負荷整體結構解耦成單通道對接入點負荷供電模型，得出整個受端地區短路容量和熱穩定約束下的靜態電壓穩定極限解析公式，量化評估了受端電網飽和負荷規模。實際電網仿真驗證了其準確性，可為電網分區規劃提供一定的參考。

受電能力;受端電網;短路容量;靜態電壓穩定極限

0 引言

隨著電網結構的增強，短路容量成為限制電網發展的關鍵因素。增加受電有利于控制受端系統短路容量，但同時會帶來電壓穩定性問題［1-3］，如何評估短路容量約束下受端電網的最大規模和受電能力，對于未來電網規劃具有實際意義［4-5］。

華北、華東受端電網大部分母線短路容量已逼近開關遮斷容量，個別地區出現短路容量超標問題。新型故障限流器由于技術和經濟原因并不具備廣泛應用的條件［6］，目前往往采取局部斷線、出串和加裝電抗器等措施［7-11］來解決短路容量超標問題。但隨著電網的建設，當面臨大部分母線短路容量超標情況時，并沒有有效的解決手段，受端電網趨于飽和規模，此時需要從全局角度優化網絡，采取分區和擴大環網等措施。220 kV電網基本通過分區解決了母線短路容量超標問題［12-13］，但對于500 kV電網，在特高壓建設初期，不具備分區條件，這就需要評估受端電網在短路容量約束下的飽和負荷規模，對于可能達到飽和規模的受端電網進行合理規劃。文獻［14］給出了受端環網逐步解環，優化電網結構，降低短路容量的建議。文獻［15］從短路容量約束角度量化分析了500/ 220 kV電網分區受電能力。當受端內部電源逐漸由外來電力替換時，僅僅依靠短路容量約束的網架得出的供電能力可能超出了受端電網靜態電壓穩定極限和熱穩定極限，因此受端電網的最大規模及其受電能力在考慮短路容量基礎上應考慮電壓穩定和熱穩定因素的影響。一般而言，暫態電壓穩定極限會低于靜態電壓穩定極限，在存在電壓問題的情況下，受電能力往往會受暫態電壓穩定制約，但對于遠景規劃可以通過動態補償裝置提高受端動態支撐，使暫態受電極限接近靜態電壓穩定極限，靜態電壓穩定極限得出的受電能力在一定程度上可以反映受端電網的飽和負荷規模。

本文通過網絡阻抗建立短路容量和靜態電壓穩定極限的關系式，結合潮流和阻抗分布特性定性得出整個受端電網短路容量約束下的靜態電壓穩定極限，得出飽和受端電網規模的受電能力，為電網規劃和運行提供一定的技術參考。

1 受端電網受電能力分析模型

1.1短路容量約束

受端電網基本形成環狀的電網結構，環狀受端系統是指受端變電站連接成環的受端系統，如圖1所示。

圖1 典型受端電網結構Fig.1 Typicalstructureofreceiving-endnetwork

環狀受端電網一般有完整的環形電網和開口環形電網2種。對于環狀受端電網，電源一般采用輻射式接入方式［10］。以圖1中的A點為例，其短路容量SA可由式(1)得出:

式中:TD為受端電網受電通道;XLi為第i個受電通道的等值阻抗;XCi為第i個受電通道電源轉移阻抗中環網等值部分。式(1)中的各個參數均為標幺值。A處短路容量也可按式(2)給出:

式中:XL為所有通道并聯阻抗;XC為環網阻抗;α和η分別為修正系數，α≈1，η正比于環網大小。當系統短路容量上限Sm一定時，通道和環網的阻抗變換后的阻抗存在一個最小值，即網架規模存在一個飽和情況。環網距離越大，通道的阻抗越小，通道輸電能力越大。

1.2靜態電壓穩定約束

對于單電源供單點負荷結構，靜態電壓穩定極限PLmax通過式(3)給出:

式中:θ為負荷功率因數角;X為從負荷端向系統看的等值電抗(高壓網絡可忽略電阻)。對于多路受電的環網結構，并不能給出受電能力的解析表達式。環網結構受端電網的受電能力主要與通道阻抗、環網阻抗、分區下網阻抗和潮流分布有關，可以通過式(4)近似表達:

式中:XT為受端變壓器下網阻抗和到負荷端的線路等效阻抗之和;β、λ、γ分別為阻抗修正系數，均大于1。β反映通道功率分布均勻程度，若通道功率按阻抗分布，則均勻程度最高，此時β=1;λ正比于環網通過的功率占總負荷的比值PC/PL，即環網潮流占負荷比例越大，潮流分布越不均勻，則極限越低;γ反映受端下網功率分布均勻程度，若受端下網功率按變壓器阻抗分布，則γ=1。

受端電網的靜態電壓穩定極限與短路容量存在以下比例關系:

由式(5)可知，短路容量一定時，環網越大，潮流分布越均勻，則受電能力越大。當網絡不斷增強使電氣距離減小、短路容量達到最大時，受端負荷也達到極限值，因此可以通過短路容量評估受端電網的最大受電能力。

1.3綜合約束下受電能力

考慮最保守情況，即靜態電壓穩定極限所對應的負荷剛好達到熱穩定約束，則受端變壓器容量、線路容量均為極限時的負荷容量，即

式中XTL為受端下網功率為SB時，所需匹配變壓器和線路的阻抗和。XTL可由以下方法求得:對于實際電網，受端負荷側的網絡可等效由 500 kV變壓器、220 kV變壓器和220 kV線路組成，其等值結構如圖2所示。

圖2 受端負荷側網絡等值結構Fig.2 Equivalentstructureofreceiving-endnetwork

設受端500 kV變電容量容載比為m，220 kV變壓器容載比為 q，設下網功率為 SB時，需要 p回220 kV出線，則

式中XT500、XL220、XT220分別為500 kV主變、220 kV線路和220 kV變壓器的電抗，都是以SB為基準的標幺值。求得XTL后，靜態電壓穩定極限的公式可以寫為

解得PLmax為

則有:

式(10)的結果只能定性分析靜態電壓穩定極限與短路容量的關系，其中的相關系數并不能精確求解。實際電網建設過程中，各輸送通道的熱容量與潮流分布近似成正比，即相關元件的等值阻抗一般與功率成反比，同時環網潮流一般遠小于通道潮流，可以取β=γ=1，λ=0。

取系統基準容量為1 000 MV·A，500 kV基準電壓為 525 kV。選取典型參數:受端 500 kV和220 kV變壓器短路百分比取15%;220 kV線路阻抗為0.6 pu·(100 km)－1;500 kV變壓器容量容載比取2; 220 kV變壓器容量容載比取2;220 kV線路熱穩定限額為350 MV·A;線路長度為30 km;負荷功率因數為0.97。在滿足N－1要求下，輸送1 000 MV·A功率需要4回220 kV線路。對應1 000 MV·A負荷的受端下網阻抗XTL=0.15/2+0.6×0.3×1/4+0.15/2= 0.195 pu，則cosθ/［2(1+sinθ)］－γXTLcosθ≈0.2。

考慮2種極端情況:(1)環網阻抗無窮大時，環網潮流為0，此時η≈0，λ=0，k值最大，設有n個外部通道，則k≈20%n;(2)若環網阻抗為0，即只有一個負荷節點，則k≈20%。因此從理論上分析受端最大的負荷規模約占短路容量的20%～20%n。

2 考慮實際網絡特性的受電能力分析

2.1三通道受端模型分析

受端電網根據負荷的需求和分布規劃網架，可考慮如下理想情況分析短路容量約束下的受電能力。受端電網等值結構如圖3所示，該結構為3個通道受端電網被等值為A、B、C這3個站組成的網絡結構。

圖3 受端電網等值結構Fig.3 Equivalentstructureofreceiving-endnetwork

假設A、B和C由外部受電通道提供的短路容量為S，線路AB、BC和CA的阻抗均為x，則A點的短路容量應滿足式(11)。

式中Sm為最大短路容量，其由開關遮斷容量決定。式(11)化簡后，可得:

可求得S的最大值Smax:

式(13)即為單條通道提供的最大短路容量與環網間長度(等效為單回)的關系式。假設A、B、C 3點負荷相等，同比例增長負荷，3個通道負荷增長率相同，各通道提供相應負荷功率缺額，則在負荷增長過程中環網潮流為0。根據對稱性，整體受電極限可由單個通道求得后再相加，即

由式(14)可知，受端電網最大負荷規模與環網大小、功率因數、受端下網阻抗有關。

2.2考慮本地電源

本地電源有助于提高受端電壓支撐，同時也占用較大短路容量，需要分析本地電源不同容量下，受端電網的最大負荷規模。發電機次暫態電抗與變壓器阻抗之和按0.4 pu(基于機組容量)考慮，受端機組平均接入到受端變電站，500 kV本地電源約提供2倍自身容量的短路容量，接入 220 kV的電源對500 kV變壓器高壓側約提供自身容量2倍短路容量，每個通道去除本地的短路容量即為剩余各通道的最大短路容量S'max，通道為n個。

式中:PG220為220 kV系統接入的電源容量;PG500為500 kV系統接入的電源容量。此時受端電網最大受電能力PLm為

式中PG為本地電源容量，PG=PG220+PG500。用受電能力加上本地電源容量得到受端電網可最大負荷。

代入典型參數，化簡得:

由式(19)可知受端環網結構和開關遮斷容量確定的情況下，受電比例的提高會降低受端電網最大負荷規模。

2.3多通道受電能力分析

本節分析通道個數對受端規模的影響。通道集

式中Smax為通道個數n和環網距離的函數，其可通過2.1節方法計算得出。由式(18)可知，受端電網的本地電源接入能使受端最大負荷規模提高所接入電源容量的60%。均用本地電源供電情況，受端最大規模為PG=nSmax/2。

令受電比例b=1－PG/PLmax，代入式(18)，可得受端最大負荷規模與受電比例的關系。中接入地區，短路容量越高，通道分布越均勻，受端短路容量越低。同樣的短路容量約束下，通道分散接入有助于提高受端電網規模。圖4給出了不同環網距離下，通道個數與受電能力的關系。各站短路電流上限按60 kA考慮(目前500 kV開關遮斷容量最大為63 kA，保留5%裕度)，環網距離在150 km及以內時，受電通道的增加對受端電網規模增加并不明顯，當通道超過5個或6個時，受端規模基本趨于飽和，受電能力基本占最大短路容量的30%～50%。

圖4 不同環網距離下，通道個數與受電能力關系Fig.4 Relationbetweenchannelandpowerreceiving capacitywithdifferentringnetworkdistances

圖5給出了不同短路電流下，通道個數與受電能力關系。隨著受端短路容量的增加，通道個數越多，增加的受電能力越多。

圖5 不同短路電流下，通道個數與受電能力關系Fig.5 Relationbetweenchannelandpowerreceiving capacitywithdifferentshortcircuitcurrent

受入通道多的系統，擴大環網可顯著增加受端電網規模;受入通道少的系統，擴大環網時，受端規模增加較小;受入通道一定時，隨著環網的擴大，受端規模增加的效果逐步降低。綜上可得，在擴大環網的基礎上，將通道分散接入有助于增加受端電網的最大規模。

3 實例分析

以北京電網為例，首先根據短路容量評估現有網架的受電能力，驗證本文所提方法的正確性，再根據短路容量上限分析北京電網的飽和負荷規模。北京500 kV環網為昌平—順義—通州—安定—興都—房山—門頭溝—海淀—昌平，地理距離為300 km，由于海淀、興都500 kV母線分裂運行，海淀處擴大為門頭溝—張南—昌平環網，地理距離增加約110 km，南部擴大為房山—慈云—保北—霸州—廊坊南—固安—安定。

如圖6所示，變電站 HD、CB、CY和 XD為500 kV母線分裂運行，所示區域內為受端環網，受端有5個變電站ZN、FS、AD、TZ和SY與外部通道連接。

圖6 500kV電氣接線圖Fig.6 500kVelectricalwiringdiagram

為符合本文中的環網模型，需將北京電網南部500 kV網絡合環分析。由于北京環網開環點位于功率較小的通道上，是否開環對北京電網靜態電壓穩定極限影響較小，因此合環下分析其受電能力是合理的。在北京電網220 kV電源全關情況下，基于運行方式計算的短路電流見表1。

環網電氣距離約為230 km，合環方式下按平均短路電流52.3 kA，受入通道為5，通過第2節的分析計算，可得受電能力約為21 570 MW。如圖7所示，經過實際仿真計算，北京電網在全停機方式下，負荷靜態電壓穩定極限約為19 800 MW，誤差為8.9%。

表1 北京電網500kV短路電流Table1 ShortcircuitcurrentofBeijing 500kVpowergrid

圖7 北京電網總負荷P-U曲線Fig.7 P-UcurveoftotalloadofBeijingpowergrid

對北京電網的最大受電能力進行分析，各站短路電流上限按60 kA考慮，南部電網合環情況下，安定和順義各自提供約10 kA短路電流，安定和房山站的短路電流可按70 kA考慮，北京各站環網短路電流均值約為65 kA。考慮一定裕度，在60 kA時，全停機下最大負荷規模約為30 000 MW，80%受電比例下，最大負荷規模約為34 000 MW。保守情況下考慮全開機、全接線方式，最大短路電流還應扣除相應數值。

4 結論

(1)通過網絡阻抗，建立受端區域電網短路容量與靜態電壓穩定極限和熱穩定之間關系，通過電網的短路容量可以評估受端電網受電能力。

(2)根據短路容量的上限值可以得到飽和受端電網規模，可以為未來電網分區規劃提供參考。

(3)提高受電比例會導致受端電網飽和負荷規模變小，通道分散接入應在擴大環網的基礎上才能最大程度地提高受端電網負荷規模。

后續研究中將考慮暫態電壓穩定極限對受電能力的影響，同時對于受端直流接入下，受端電網的負荷最大規模也是下一步的研究方向。

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(編輯 景賀峰)

Load Scale Assessment and Power Receiving Capacity of Saturated AC Receiving-End Network Considering Short Circuit Capacity and Voltage Stability Constraint

LI Fuqiang1，PENG Long2，ZHANG Wenchao2，GUO Qiuting2

(1．North China Branch of State Grid Corporation of China，Beijing 100053，China; 2．NARI Group Corporation，Beijing 102200，China)

This paper proposes a quantitative assessment method for the saturated load scale of AC receiving-end network with considering the constraints of short circuit capacity and static voltage stability constraint．The relationship of short-circuit capacity，static voltage stability limit and thermal stability is established by network impedance，and the proportional relationship between short-circuit capacity and static voltage stability limit is analyzed qualitatively with the characteristics of power flow and impedance distribution．According to the ring size of the actual receiving-end network and the maximum shortcircuit capacity，the minimum impedance of transmission channelis obtained．Because the power flow of actualring network is relatively low，the whole receiving-end network can be decoupled into the structure of single power supply to single load，so as to obtain the static voltage stability limit analytical formula under the constraints of the end regions short-circuit capacity and thermal stability，and quantitatively evaluate the saturated load scale of AC receiving-end network．The accuracy is verified by the simulation of the actual network，which can provide some references for the planning of power grid．

power receiving capability;receiving-end power system;short circuit capacity;static voltage stability limit

TM 711

A

1000－7229(2017)03－0063－06

10.3969/j．issn.1000－7229.2017.03.009

2016-01-05

李付強(1977)，男，碩士，高級工程師，主要從事電力系統規劃工作;

彭龍(1988)，男，碩士，助理工程師，本文通信作者，主要從事電力系統穩定分析與控制方面工作;

張文朝(1978)，男，博士，高級工程師，主要從事電力系統穩定分析與控制方面工作;

郭秋婷(1990)，女，助理工程師，主要從事電力系統穩定分析與控制方面工作。

國家電網公司科技項目(高受電比例電網的規劃技術要求研究)