基于轉(zhuǎn)移負(fù)荷法的城市電網(wǎng)合環(huán)

周維陽(yáng)++劉天琪++郝文斌++史華勃

摘 要在電網(wǎng)分區(qū)運(yùn)行的背景下，針對(duì)邊界110kV站點(diǎn)的合解環(huán)問(wèn)題，從電網(wǎng)開(kāi)合環(huán)的潮流計(jì)算入手，分析影響合環(huán)潮流的因素，得出母線(xiàn)間電壓相角差對(duì)合環(huán)潮流的影響最大；在此基礎(chǔ)是，提出一種以限制合環(huán)潮流為目標(biāo)，通過(guò)轉(zhuǎn)移負(fù)荷的邊界站點(diǎn)合環(huán)方案制定方法。并通過(guò)電力系統(tǒng)綜合程序PSASP對(duì)用該方法制定的方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性和實(shí)用性。

【關(guān)鍵詞】電網(wǎng)合環(huán) 潮流計(jì)算 轉(zhuǎn)移負(fù)荷

當(dāng)今階段國(guó)內(nèi)的大型城市，比如北上廣等已經(jīng)開(kāi)始實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)分區(qū)運(yùn)行。在此大背景下，我國(guó)大城市電網(wǎng)分區(qū)供電格局已經(jīng)形成。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，供電穩(wěn)定性與可靠性的要求也不斷提高。為了滿(mǎn)足電網(wǎng)運(yùn)行可靠性，電網(wǎng)分區(qū)運(yùn)行時(shí)，采用“閉環(huán)接線(xiàn)，開(kāi)環(huán)運(yùn)行”的運(yùn)行方式，即500kV電壓等級(jí)環(huán)網(wǎng)運(yùn)行，110kV電壓等級(jí)及以下開(kāi)環(huán)運(yùn)行。采用此種運(yùn)行方式，不僅能充分發(fā)揮特高壓電網(wǎng)輸電能力，亦能有效的減小系統(tǒng)短路電流，同時(shí)能更方便的優(yōu)化控制分區(qū)下電網(wǎng)潮流，方便故障隔離以及便于分區(qū)解裂等，從而達(dá)到提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，優(yōu)化電力系統(tǒng)調(diào)度控制的作用。

隨著電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，供電質(zhì)量與可靠性已經(jīng)成為電網(wǎng)運(yùn)行的重中之重，特別是對(duì)于重要客戶(hù)，更需要保證供電的持續(xù)可靠性。如今110kV及以下站點(diǎn)常常采用“雙側(cè)電源供電”的運(yùn)行方式，即一個(gè)110kV站點(diǎn)由不同的兩個(gè)220kV站點(diǎn)供電，一條線(xiàn)路運(yùn)行，一條線(xiàn)路備用。一旦運(yùn)行線(xiàn)路因需斷開(kāi)，便可進(jìn)行合解環(huán)操作，立刻將備用線(xiàn)路投入使用，從而保證了供電的可靠性。絕大部分下，110kV站點(diǎn)雙側(cè)電源站點(diǎn)隸屬于環(huán)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下的220kV站點(diǎn)，由于其本身相連，因而進(jìn)行合解環(huán)操作時(shí)可以滿(mǎn)足操作過(guò)程中電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性。但若110kV站點(diǎn)雙側(cè)電源站點(diǎn)隸屬于開(kāi)環(huán)運(yùn)行狀態(tài)下的不同220kV站點(diǎn)（即110kV站點(diǎn)屬于“邊界站點(diǎn)”，后文亦同樣稱(chēng)呼），若進(jìn)行合解環(huán)操作，就會(huì)使得開(kāi)環(huán)運(yùn)行的區(qū)域直接合環(huán)運(yùn)行。考慮到110kV線(xiàn)路的承載以及變壓器容量問(wèn)題，如果僅憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行合環(huán)操作，則可能會(huì)出現(xiàn)合環(huán)潮流過(guò)大，甚至過(guò)載而引起線(xiàn)路跳閘；更嚴(yán)重的還會(huì)燒毀線(xiàn)路、變壓器，對(duì)電網(wǎng)設(shè)備造成不可逆的損失。

鑒于此，本文立足于電力系統(tǒng)理論分析，找到影響電網(wǎng)合解環(huán)操作的主要因素，提出一種在保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定的條件下，更加優(yōu)化、可靠的邊界站點(diǎn)合環(huán)方案制定方法，在實(shí)際電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行中有較高的價(jià)值。

1 合環(huán)潮流影響因素的分析

對(duì)于電力系統(tǒng)等值分析的分析很多，由電路戴維寧-諾頓定理可知：對(duì)于任意一個(gè)復(fù)雜電路網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)戴維寧諾頓定理的等效替代，可以將任意一條線(xiàn)路的外部電阻簡(jiǎn)化成一個(gè)有源網(wǎng)絡(luò)。因此，合環(huán)問(wèn)題等值電路可以如圖1所示。

圖1是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的有源線(xiàn)路等效化簡(jiǎn)圖，將復(fù)雜電網(wǎng)等效為一個(gè)有源網(wǎng)絡(luò)，再對(duì)端口合環(huán)潮流進(jìn)行分析。未合環(huán)時(shí)將端口看做由一個(gè)無(wú)限大電阻連接；將合環(huán)時(shí)的線(xiàn)路阻抗表示為Zkk。

合環(huán)后形成的合環(huán)潮流是由于合環(huán)兩側(cè)母線(xiàn)電壓矢量差造成的均衡潮流?S。當(dāng)進(jìn)行合環(huán)操作過(guò)后，其經(jīng)過(guò)Zkk的潮流即為均衡潮流。

1.1 均衡潮流分析

考慮到在實(shí)際電網(wǎng)合環(huán)潮流分析中，合環(huán)兩側(cè)端口不完全能等效為一個(gè)無(wú)窮大系統(tǒng)。因此將其戴維南等效電路的等值阻抗設(shè)置為ZXT，若其為無(wú)限大系統(tǒng)，則ZXT=0。所以系統(tǒng)總的等值阻抗為Z=ZXT+Zkk=R+jX：

將端口右側(cè)電壓設(shè)置為參考相量，設(shè)端口兩端的電壓相角差為δij，則

（1）

其中的表達(dá)式為

（2）

聯(lián)立式（1）、式（2）后可得

（3）

（4）

1.2 合環(huán)潮流的影響因素

對(duì)式（3）、式（4）分別求導(dǎo)，并且在實(shí)際電網(wǎng)中，端口電壓母線(xiàn)相角差|δij|<15°，電抗遠(yuǎn)大于電阻（R<

（5）

（6）

從式（5）、式（6）中可知母線(xiàn)相角差對(duì)合環(huán)有功潮流的影響非常之大，但合環(huán)兩側(cè)電壓有效值之差對(duì)有功潮流的影響較小，這是由于電抗電壓之比足夠大導(dǎo)致的。此外從式（5）、式（6）式中可以了解到，合環(huán)無(wú)功潮流受電壓幅值的影響很大，且與電抗電壓之比正相關(guān)，并且受母線(xiàn)相角差的影響相對(duì)較小。

由于實(shí)際線(xiàn)路中R<

（7）

（8）

（9）

式（9）中，因?yàn)椤⒌闹迪鄬?duì)固定，并且電抗X的值固定，所以影響有功潮流的主要因素是sinδij，即合環(huán)時(shí)有功潮流的大小主要由母線(xiàn)電壓相角差決定。通常情況下，在現(xiàn)今電力系統(tǒng)運(yùn)行中，對(duì)于電壓幅值的差的限制一般在5%以?xún)?nèi)，而母差電壓相角差則限制在15度以下。根據(jù)式（9）推算，通常情況下有功潮流在占總體潮流的比重在80%至87%之間。從上述計(jì)算及文獻(xiàn)中可以得出結(jié)論：對(duì)于限制合環(huán)潮流的問(wèn)題，減小有功潮流是主要研究方向。而有功潮流則受母線(xiàn)電壓相角差影響較大，于是，在實(shí)際合環(huán)操作中，如何減小合環(huán)兩側(cè)母線(xiàn)電壓相角差便是解決合環(huán)潮流超標(biāo)的重中之重。

2 基于轉(zhuǎn)移負(fù)荷法生成合環(huán)方案的方法研究

由上述分析可知，改變合環(huán)潮流的關(guān)鍵因素在于母線(xiàn)電壓相角差δij。由此，在參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，提出一種基于區(qū)域負(fù)荷轉(zhuǎn)移的跨區(qū)負(fù)荷轉(zhuǎn)移方案，即通過(guò)改變站點(diǎn)兩側(cè)區(qū)域的負(fù)荷分配，減小邊界站點(diǎn)雙側(cè)220kV站點(diǎn)中110kV母線(xiàn)的電壓相角差，從而達(dá)到限制合環(huán)潮流的目的。

負(fù)荷轉(zhuǎn)移法的步驟如下：

（1）比較待合環(huán)線(xiàn)路兩側(cè)110kV站點(diǎn)分別所屬220kV站點(diǎn)母線(xiàn)相角之差。

（2）改變區(qū)域負(fù)荷分配：通過(guò)深度優(yōu)先算法找到邊界站點(diǎn)兩側(cè)220kV電站最短路徑以及分割出各個(gè)分區(qū)運(yùn)行區(qū)域；識(shí)別出非邊界站點(diǎn)，作為方案的候選轉(zhuǎn)移負(fù)荷。

（3）按照步驟2種轉(zhuǎn)移負(fù)荷優(yōu)先順序，對(duì)每個(gè)轉(zhuǎn)移負(fù)荷的方案進(jìn)行逐一驗(yàn)證，找到滿(mǎn)足條件的輸出結(jié)果。

（4）若轉(zhuǎn)移單一110kV負(fù)荷仍然不能滿(mǎn)足合環(huán)條件，此時(shí)開(kāi)始考慮轉(zhuǎn)移兩個(gè)負(fù)荷來(lái)達(dá)到目的，轉(zhuǎn)移兩個(gè)負(fù)荷的候選方案數(shù)量為j=Ci2，找到滿(mǎn)足條件的方案并輸出結(jié)果。

（5）若無(wú)合適結(jié)果，則使用傳統(tǒng)方法。

通過(guò)此種方法，便可是生成“邊界站點(diǎn)”的合環(huán)方案。

3 合環(huán)方案的制定與驗(yàn)證

3.1 某地XY110kV“邊界站點(diǎn)”原合環(huán)方案的分析

選取某地區(qū)XY110kV站點(diǎn)作為“邊界站點(diǎn)”討論對(duì)象，其聯(lián)絡(luò)線(xiàn)接線(xiàn)圖如圖2所示。通常情況下，其由HTC220kV電站供電，并且SY220kV是其備用線(xiàn)路，通過(guò)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)相連。

對(duì)于選取的HTC220kV /SY220kV之間的XY110kV站點(diǎn)，該站點(diǎn)雙側(cè)供電屬于不同的分區(qū)，因此它是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的邊界站點(diǎn)。本文將其作為討論對(duì)象，希望找到一種合理方案使XY110kV站點(diǎn)的負(fù)荷由HTC220kV站點(diǎn)供電轉(zhuǎn)移到SY220kV站點(diǎn)上。

首先我們將XY110kV和SY110kV直接合環(huán)，分析合環(huán)數(shù)據(jù)，判斷是否能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)參數(shù)限制，如圖3、4所示

合環(huán)前后的數(shù)據(jù)如表1所示。

由直接合環(huán)結(jié)果可知，當(dāng)其合環(huán)母線(xiàn)兩側(cè)電壓相角差為6.1度時(shí)，合環(huán)潮流為99.8+j24.2 Mva。超過(guò)了LGJ-120/150型號(hào)電纜的最大耐受值。因此直接進(jìn)行合環(huán)操作是不可能的。

3.2 合環(huán)方案的生成和驗(yàn)證

按照上述所提出方法制定的 “邊界站點(diǎn)”合環(huán)方案為：

（1）連接TF110kV與WH110kV母線(xiàn)

（2）斷開(kāi)TF110kV與HTC110kV母線(xiàn)

（3）連接X(jué)Y110kV與SY110kV母線(xiàn)

（4）斷開(kāi)XY110kV與HTC110kV母線(xiàn)

操作過(guò)程如圖5、6所示。

由表2中數(shù)據(jù)可知，與直接合環(huán)的方案相比，新方案因?yàn)門(mén)F110kV站點(diǎn)負(fù)荷的轉(zhuǎn)移，XY110kV線(xiàn)路母線(xiàn)與SY110kV母線(xiàn)電壓相角差從-6.1°縮小到-4.1°，使合環(huán)潮流由99.8+j24.2MVa下降到了67.8+j18.0MVa，從而將合環(huán)潮流限制在線(xiàn)路容量允許范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論

對(duì)于傳統(tǒng)合環(huán)方案，需要先進(jìn)行220kV的合環(huán)操作，將部分電網(wǎng)由分區(qū)運(yùn)行變?yōu)殡姶怒h(huán)網(wǎng)運(yùn)行。由于220kV電壓較高，電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)的潮流分布的影響較大，同時(shí)會(huì)進(jìn)一步增大整個(gè)電網(wǎng)的短路電流；在另一方面，220kV線(xiàn)路合環(huán)需要由省級(jí)調(diào)度中心批準(zhǔn)，而110kV線(xiàn)路的維護(hù)則屬于地市級(jí)供電公司。因此，本文所提出的分區(qū)背景下的合環(huán)方案可以極快的解決“邊界站點(diǎn)”合環(huán)問(wèn)題，在實(shí)際電力系統(tǒng)運(yùn)行中是有價(jià)值的。

本文在電力系統(tǒng)理論分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論分析得到母線(xiàn)電壓相角差是影響合環(huán)潮流的最大因素；基于此結(jié)論提出了一種基于轉(zhuǎn)移負(fù)荷的邊界站點(diǎn)合環(huán)方案的制定方法。并且將由此方法生成方案與原方案進(jìn)行對(duì)比，證明了其有效性。

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作者簡(jiǎn)介

周維陽(yáng)（1990-），男，碩士研究生學(xué)歷。研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化。

郝文斌（1976-），男，博士學(xué)位。高級(jí)工程師。主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及調(diào)度運(yùn)行研究。

史華勃（1987-），男，工程師。主要研究方向電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。

作者單位

1.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院 四川省成都市 610044

2.國(guó)網(wǎng)成都供電公司 四川省成都市 610041

3.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院 四川省成都市 610072