特高壓交直流受端山東電網(wǎng)規(guī)劃關鍵問題探討

安 鵬，張友泉，劉曉明，李 勃，亓 超

（1.國網(wǎng)山東省電力公司，濟南 250001；2.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟技術研究院，濟南 250021）

特高壓交直流受端山東電網(wǎng)規(guī)劃關鍵問題探討

安 鵬1，張友泉1，劉曉明2，李 勃2，亓 超2

（1.國網(wǎng)山東省電力公司，濟南 250001；2.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟技術研究院，濟南 250021）

“十三五”是“外電入魯”高速發(fā)展的時期，山東電網(wǎng)將形成特高壓交直流大受端電網(wǎng)，電網(wǎng)結構形態(tài)將發(fā)生根本性變化。圍繞山東電網(wǎng)實際，從特高壓交直流落點選擇、500 kV網(wǎng)架結構優(yōu)化、220 kV電網(wǎng)分區(qū)、電磁環(huán)網(wǎng)開環(huán)以及大電源接入系統(tǒng)5個方面詳細分析了在規(guī)劃方面山東電網(wǎng)對特高壓交直流入魯后的適應性。分析結果對于優(yōu)化山東電網(wǎng)網(wǎng)架結構，提高山東電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行能力具有重要意義。

外電入魯；特高壓；交直流落點；網(wǎng)架結構優(yōu)化；電磁環(huán)網(wǎng)

0 引言

為滿足山東省經(jīng)濟社會不斷發(fā)展的用電需求，“十三五”期間特高壓交直流將大規(guī)模入魯。根據(jù)規(guī)劃，截至“十三五”末期，山東電網(wǎng)將建成濟南、濰坊、棗莊、臨沂、東明5座特高壓交流變電站和臨沂、青州2座特高壓直流換流站。屆時山東電網(wǎng)將形成特高壓交直流大受端電網(wǎng)，電網(wǎng)結構形態(tài)和運行特性將發(fā)生本質(zhì)變化。

學者們對特高壓交直流電網(wǎng)展開廣泛探討。文獻［1］探索了特高壓電網(wǎng)在形成堅強受端系統(tǒng)上的優(yōu)勢，給出了實現(xiàn)系統(tǒng)分層分區(qū)運行、提高同步電網(wǎng)自愈能力等降低特高壓電網(wǎng)大停電風險的建議。文獻［2］闡述了交流特高壓與直流特高壓的功能定位，并分析了特高壓同步電網(wǎng)的安全性及可獲取的綜合效益。文獻［3］以有效短路比、靜態(tài)電壓穩(wěn)定指標以及受端電網(wǎng)有功損耗為屬性，綜合考慮穩(wěn)定性與經(jīng)濟性，通過多屬性決策，優(yōu)選特高壓直流落點。文獻［4］針對特高壓/超高壓/高壓電磁環(huán)網(wǎng)情況，應用模糊綜合程序定量評價高低壓電磁環(huán)網(wǎng)開環(huán)方案。文獻［5］將特高壓電網(wǎng)發(fā)展評估劃分為協(xié)調(diào)、可靠、優(yōu)質(zhì)、高效、經(jīng)濟、社會6個子系統(tǒng)，通過建立三級指標，得出特高壓電網(wǎng)技術經(jīng)濟評價方法。

圍繞“十三五”期間及后續(xù)特高壓交直流大規(guī)模入魯、山東電網(wǎng)結構形態(tài)將發(fā)生本質(zhì)變化的實際情況，從特高壓交直流落點選擇、500 kV網(wǎng)架結構優(yōu)化、220 kV電網(wǎng)分區(qū)、電磁環(huán)網(wǎng)以及大電源接入系統(tǒng)選擇5個方面詳細闡述山東省受端電網(wǎng)對特高壓交直流接入后的適應性。

1 特高壓交直流工程落點選擇

1.1 特高壓交直流工程功能定位

能源資源與能源需求逆向分布是我國的基本國情，能源開發(fā)重心西移北移、負荷中心在東中部地區(qū)的格局長期不會改變，能源基地向負荷中心輸送電力的規(guī)模將越來越大。現(xiàn)有的超高壓輸電網(wǎng)絡難以實現(xiàn)能源的長距離大容量輸送，決定了我國必須采用特高壓電網(wǎng)來實現(xiàn)能源資源在更大范圍的優(yōu)化配置。

從電網(wǎng)結構特點來看，通過特高壓交流聯(lián)網(wǎng)，可以形成堅強網(wǎng)架結構，其規(guī)模和覆蓋面廣，對電力傳輸十分方便；特高壓直流是點對點傳輸，必須依附于堅強交流電網(wǎng)才能更好地發(fā)揮作用。但在受端電網(wǎng)直流落點相對密集，可能會存在安全隱患，特別是多回直流的同時換相失敗及閉鎖問題。

因此，我國發(fā)展1 000 kV交流特高壓，主要定位于國家電網(wǎng)骨干網(wǎng)架建設，進而實行跨大區(qū)聯(lián)網(wǎng)甚至全球能源互聯(lián)網(wǎng)的堅強連接；而發(fā)展±800 kV及以上電壓等級特高壓直流，主要定位于我國西南、西北、東北等能源充足地區(qū)大水電基地、大煤電基地、大可再生能源基地電力的遠距離大容量外送上［2］。特高壓交直流應同步發(fā)展。

1.2 山東特高壓交直流工程布點

根據(jù)地區(qū)電力平衡結果，山東電網(wǎng)未來主要受電區(qū)有三大區(qū)，一是中東部的淄博、濟南、濰坊、青島地區(qū)，二是南部的臨沂、日照、棗莊地區(qū)，三是北部的德州、濱州、東營地區(qū)。

根據(jù)山東電網(wǎng)“十三五”規(guī)劃，特高壓交直流入魯將主要填補以上地區(qū)電力缺額，滿足經(jīng)濟社會不斷發(fā)展的用電需求。山東中東部地區(qū)規(guī)劃建設濟南、濰坊2個特高壓交流落點。濟南特高壓站供電范圍為濟南北部東部、淄博北部、濱州南部，濰坊特高壓站供電范圍為濰坊東部、南部地區(qū)。另外，建設扎魯特—青州特高壓直流工程，落點濰坊青州，主要滿足濰坊西部、淄博東部的負荷需求。南部臨沂、日照、棗莊區(qū)域規(guī)劃建設上海廟—臨沂特高壓直流工程，還規(guī)劃建設棗莊、臨沂特高壓交流站，可滿足“十三五”期間地區(qū)的用電需求。山東電網(wǎng)北部的德州、濱州、東營地區(qū)，隨著負荷增長，可作為特高壓直流落點所考慮的地區(qū)。隨著菏澤、濟寧地區(qū)負荷增長，規(guī)劃建設東明特高壓交流輸變電工程，滿足地區(qū)經(jīng)濟不斷發(fā)展的用電需求。

預計到2020年，山東電網(wǎng)將擁有濟南、濰坊、臨沂、棗莊、東明5座1 000 kV特高壓交流變電站和膠東、臨沂、青州3座直流換流站，形成以五個特高壓交流落點為重要支撐，三個直流落點深入負荷中心的堅強網(wǎng)架結構。山東特高壓交流電網(wǎng)形成“四角雙回”環(huán)網(wǎng)，通過6個同塔雙回路通道，12回特高壓交流線路與天津（濟南—天津南）、河北（濟南—石家莊）、河南（東明—駐馬店）、山西（東明—晉東南）、江蘇（棗莊—徐州、臨沂—連云港）電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。山東電網(wǎng)2020年特高壓規(guī)劃接線如圖1所示。

圖1 2020年山東特高壓規(guī)劃接線

在網(wǎng)架構建上，濟南特高壓變電站是我國北部、西北部電源電力經(jīng)特高壓電網(wǎng)輸送至華東地區(qū)的重要支撐點，也是錫盟—南京特高壓送電通道與榆橫—濰坊特高壓送電通道的交匯點。濰坊特高壓變電站近期是特高壓北橫通道的受端站，遠期連接臨沂、連云港，成為濰坊—臨沂—連云港—泰州—蘇州—上海縱向輸電通道與榆橫—濟南—濰坊橫向輸電通道的交匯點，進一步加強了特高壓電網(wǎng)供電能力及供電可靠性。棗莊特高壓站在錫盟—南京特高壓送電通道上，也是我國北部、西北部電源電力經(jīng)特高壓電網(wǎng)輸送至華東地區(qū)的重要支撐點。臨沂特高壓變電站的建成，不僅可以滿足地區(qū)供電需求，還可以為上海廟—臨沂特高壓直流的高低端接入創(chuàng)造條件，提高山東南部電網(wǎng)故障條件下的穩(wěn)定性。東明特高壓站是錫盟—南京縱向工程和晉東南—臨沂橫向工程的重要交匯點。

2 500 kV主網(wǎng)架優(yōu)化

特高壓接入山東電網(wǎng)后，山東電網(wǎng)形態(tài)結構將發(fā)生本質(zhì)變化，對主網(wǎng)承接大規(guī)模外電的能力和供電可靠性提出了更高要求。在特高壓電網(wǎng)發(fā)展初期，由于尚不能形成堅強環(huán)網(wǎng)主網(wǎng)架，線路負載能力相對較低，此時主要用于大型電源的集中送出，并可能會因特高壓線路或主變故障給系統(tǒng)穩(wěn)定造成影響。

山東500 kV電網(wǎng)重點圍繞滿足濟南、濰坊、棗莊、臨沂、東明特高壓交流站及臨沂、青州特高壓直流換流站的接入和核電安全送出要求，依據(jù)全壽命周期成本理念，多方位比選電網(wǎng)規(guī)劃方案，并根據(jù)地區(qū)負荷增長情況，適當增加500 kV變電站布點，在“十二五”期間“五橫兩縱”主網(wǎng)架基礎上，進一步優(yōu)化完善網(wǎng)架結構，強化以特高壓交直流為中心的各供電區(qū)域之間互供能力建設，提高電網(wǎng)受電能力、輸送能力和供電能力，滿足經(jīng)濟社會快速發(fā)展的供電需要。

隨著特高壓網(wǎng)絡的建設以及山東500 kV電網(wǎng)的不斷發(fā)展完善，山東500 kV系統(tǒng)短路水平將進一步增高，因此限制500 kV系統(tǒng)短路水平的過快增長、保證主網(wǎng)架安全可靠運行也是主網(wǎng)架規(guī)劃需要解決的重要問題。特高壓線路形成主干環(huán)網(wǎng)后，為合理控制山東電網(wǎng)短路電流，500 kV電網(wǎng)可以嘗試解環(huán)運行，從根本上解決500 kV電網(wǎng)短路電流過大等安全隱患。

3 220 kV電網(wǎng)分區(qū)

伴隨著特高壓交直流入魯，山東電網(wǎng)網(wǎng)架結構越來越密集，短路電流水平也在不斷提高，特別是500 kV變電站220 kV側(cè)和發(fā)電廠高壓母線。電網(wǎng)采取分層分區(qū)運行方式是解決上述問題的有效途徑［6］。

分層分區(qū)是指按電網(wǎng)不同電壓等級將電網(wǎng)分成若干結構層次，根據(jù)電網(wǎng)網(wǎng)架結構以及區(qū)域之間的電氣聯(lián)系，按供電能力劃分出若干區(qū)域，在各區(qū)域內(nèi)根據(jù)負荷情況安排相應的電源，包括區(qū)域內(nèi)部電源和外來電源。采用分層分區(qū)不僅可以有效限制短路電流，還可以簡化保護配置，增強電網(wǎng)運行的安全可靠性。同時，通過電網(wǎng)分層分區(qū)運行，能夠充分發(fā)揮頻率控制、電壓控制以及保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的各種技術措施，有效防止大電網(wǎng)安全穩(wěn)定破壞事故的發(fā)生。

典型分區(qū)結構是指對于多個同類場合具有一定通用性與普遍性的電網(wǎng)分區(qū)接線方案，其價值是可作為規(guī)律和范例加以推廣應用到具有同類特點、同類要求的多個場合，避免對同類的場合進行重復考慮和計算。

針對山東電網(wǎng)實際情況，提出典型電網(wǎng)分區(qū)的實用化接線原則。

1）為保證分區(qū)的獨立性，當分區(qū)內(nèi)無電廠時，分區(qū)內(nèi)500 kV變壓器臺數(shù)應不少于4臺，變壓器額定容量應盡量相同；不推薦3座及以上大容量變電站組成分區(qū)。

2）當分區(qū)內(nèi)有電廠時，電廠接入點應保持與500 kV變電站220 kV母線的電氣距離，防止其短路電流超標；如果電廠裝機容量較大或擁有多個發(fā)電廠，應嘗試將發(fā)電廠機組分散接入不同系統(tǒng)母線，控制電廠高壓母線短路電流。

3）對于一個分區(qū)，應盡量使其500 kV變壓器來自不同變電站，這不僅可以均衡500 kV變壓器220 kV母線的短路電流，而且可以防止極端情況下500 kV變電站全停帶來的巨大停電損失。

根據(jù)以上分析，得出4種典型的220 kV電網(wǎng)分區(qū)結構。

1）2座500 kV變電站構成分區(qū)，2座500 kV變電站之間保持適當電氣距離。

2）3座500 kV變電站各出2臺變壓器構成分區(qū)，3座500 kV變電站之間保持適當電氣距離。

3）2座500 kV變電站各出2臺變壓器和發(fā)電廠構成分區(qū)，500 kV變壓器220 kV母線之間以及與發(fā)電廠之間保持適當電氣距離。

4）3座500 kV變電站各出2臺變壓器和發(fā)電廠構成分區(qū)，500 kV變壓器220 kV母線之間以及與發(fā)電廠之間保持適當電氣距離。

應該說明的是，以上典型分區(qū)只是原則性的，當具體規(guī)劃電網(wǎng)時，還應該按照實際情況校驗其合理性。

4 電磁環(huán)網(wǎng)

高低壓電磁環(huán)網(wǎng)，是指兩組不同電壓等級運行的輸電線路通過兩端變壓器磁回路并聯(lián)運行［4］。電磁環(huán)網(wǎng)是由于在電力系統(tǒng)發(fā)展過程中，隨著傳輸負荷增大，在同一地區(qū)出現(xiàn)更高一級電壓等級的輸電網(wǎng)絡。電磁環(huán)網(wǎng)是電網(wǎng)發(fā)展過程中一種過渡電網(wǎng)結構。電磁環(huán)網(wǎng)可能引起功率轉(zhuǎn)移問題和短路電流問題。統(tǒng)計資料顯示，在導致我國電網(wǎng)穩(wěn)定事故的各種因素中，20%是由電磁環(huán)網(wǎng)引起。

4.1 功率轉(zhuǎn)移問題

當受端電網(wǎng)利用電磁環(huán)網(wǎng)供電時，若斷面輸送功率較大，則當高電壓等級線路因故障退出運行后，斷面功率將主要通過低電壓等級線路送出，一是可能導致低電壓等級線路過載現(xiàn)象發(fā)生，二是高電壓等級線路開斷使送受端系統(tǒng)阻抗增大，可能引起系統(tǒng)間功率振蕩。

4.2 短路電流問題

建設高電壓等級網(wǎng)絡可以在一定程度上有效避免限制低電壓等級網(wǎng)絡密集發(fā)展、互聯(lián)所引起的短路電流超標現(xiàn)象，避免大量更換開關設備。在更高一級電壓等級網(wǎng)絡發(fā)展初期，為有效提高系統(tǒng)運行的安全穩(wěn)定性，通常保持電磁環(huán)網(wǎng)運行。此時，系統(tǒng)綜合阻抗相對較小，短路容量較大，系統(tǒng)短路電流可能超過斷路器額定開斷電流，存在電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行隱患。

特高壓入魯初期，山東特高壓濟南、濰坊特高壓交流站之間僅通過濟南—濰坊雙回1 000 kV特高壓輸電線路相連。省外電力以濟南站為樞紐向濟南周邊以及東部濰坊地區(qū)送電。由于山東電力目前整體流向仍然為西電東送，在某些特殊運行方式下，會形成1 000／500／220 kV三級電磁環(huán)網(wǎng)。需要對特高壓發(fā)展的不同階段進行詳細計算校核，并在電網(wǎng)規(guī)劃中通過完善網(wǎng)架結構來避免電磁環(huán)網(wǎng)對山東電網(wǎng)發(fā)展的影響。

5 大型電源接入系統(tǒng)

大型電源接入系統(tǒng)方案論證中，接入電壓等級的選擇是一個重要問題。大電源是否接入500 kV電網(wǎng)，需要結合電源、電網(wǎng)的具體情況進行論證分析，利用全壽命周期成本理念，爭取達到技術經(jīng)濟整體效益最優(yōu)。如果對遠景規(guī)劃中電廠缺乏統(tǒng)籌分析，不能從系統(tǒng)角度遠近結合考慮電廠接入系統(tǒng)，僅僅論證單個電廠接入方案合理性，很可能會造成電網(wǎng)結構不合理。在受端電網(wǎng)主網(wǎng)架發(fā)展初期，考慮對主網(wǎng)架的電壓支撐作用和電源附近區(qū)域負荷發(fā)展較慢等因素，大型電源直接接入500 kV電網(wǎng)。隨著負荷的發(fā)展，送端電網(wǎng)將來可能變成受端電網(wǎng)，屆時直接接入當?shù)?00 kV電網(wǎng)的電源電力需升壓后再降壓到當?shù)?20 kV電網(wǎng)，這樣會導致網(wǎng)損成倍增加，還造成變電容量的重復。

山東電網(wǎng)堅持電源分層分散接入，送端電網(wǎng)主力電廠一般接入500 kV，便于電力直接外送，減少網(wǎng)絡損耗；位于負荷中心的電廠，若不受短路電流和系統(tǒng)穩(wěn)定約束，創(chuàng)造條件接入220 kV，使220 kV及以下電網(wǎng)保持一定電源比例，在系統(tǒng)極端狀態(tài)下能夠提供基本供電。電源的分層分散接入，不僅使500 kV電網(wǎng)潮流分布均勻、有效控制了短路電流，而且在電網(wǎng)負荷較重或并入220 kV電網(wǎng)的機組檢修、故障停機時，能夠充分發(fā)揮500 kV電網(wǎng)的支撐作用，保障供電安全。

6 結語

結合“十三五”期間及以后特高壓交直流大規(guī)模入魯后山東電網(wǎng)結構形態(tài)將發(fā)生本質(zhì)變化的實際情況，從特高壓交直流落點選擇、500 kV網(wǎng)架結構優(yōu)化、220 kV電網(wǎng)分區(qū)、電磁環(huán)網(wǎng)、大電源接入系統(tǒng)5個方面分析了特高壓交直流受端山東電網(wǎng)在規(guī)劃中面臨關鍵問題，分析結果對于提高山東電網(wǎng)規(guī)劃對特高壓交直流入魯?shù)倪m應性具有重要的現(xiàn)實意義。

［1］楊冬，劉玉田.中國未來輸電網(wǎng)架結構初探［J］.電力自動化設備，2010，30（8）：1-5.

［2］張運洲.對我國特高壓輸電規(guī)劃中幾個問題的探討［J］.電網(wǎng)技術，2005，29（19）：T11-T14.

［3］王康，劉崇茹，韓民曉，等.兼顧穩(wěn)定性與經(jīng)濟性的交直流系統(tǒng)直流落點選擇方法［J］.電力系統(tǒng)自動化，2011，35（24）：73-78.

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

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Key Issues of Shandong Power Grid Planning as an Ultra-high Voltage AC/DC Receiving End

AN Peng1，ZHANG Youquan1，LIU Xiaoming2，LI Bo2，QI Chao2
（1.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China；2.Economic&Technology Research Institute，State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250021，China）

“The thirteen five-years” is a period in which“external power into Shandong” will develop at full speed. Shandong power gird will form a large receiving-end grid of ultra-high voltage alternating current and direct current，the structural form of grid will go through fundamental change.The reality of Shandong grid and the planned adaptability of Shandong grid were analyzed from five aspects after the ultra-high voltage AC/DC is going to be leaded in，including the receiving point selection for ultra-high voltage AC/DC，optimization of 500 kV grid structure，220 kV grid sub-area division，electromagnetic loop and large plant access system.Analysis results are significant to the optimization of Shandong grid structure and the improvement of safe and stable operation ability of Shandong grid.

external power into Shandong；EHV；receiving point selection for extra-high voltage AC/DC；optimization of power grid structure；electromagnetic loop

TM715

A

1007－9904（2017）01－0005－04

2016-06-03

安 鵬（1981），男，高級工程師，主要從事電網(wǎng)前期及規(guī)劃設計管理等工作。