抽水蓄能電站接入系統方案研究

唐寶鋒，鄭紫堯

(國網河北省電力有限公司經濟技術研究院，石家莊 050021)

抽水蓄能電站接入系統方案研究

唐寶鋒，鄭紫堯

(國網河北省電力有限公司經濟技術研究院，石家莊 050021)

根據易縣抽水蓄能電站的地理位置及電網網架結構，提出3種500 kV接入系統方案和1種220 kV接入系統方案，對各方案從接入點、工程實施難度、電網潮流、短路電流、工程投資等方面進行綜合比較，最終確定了易縣抽水蓄能電站以2回500 kV出線接入慈云變電站的方案，結合接入系統方案所確定的2回出線規模，通過技術經濟比較，確定易縣抽水蓄能電站發變組采用聯合接線、開關站采用角型接線方案。

抽水蓄能；調峰；接入系統；主接線

1 概述

河北省南部電網(簡稱“河北南網”)電源結構單一，火電比例高。近些年，伴隨外送電源增加和風電規模擴大，使得電網安全穩定運行風險增大。截至2016年底，省調直調裝機容量33 476.3 MW，其中火電28 835 MW，占比86.1%；水電1 101.9 MW，占比3.3%；風電1 188.8 MW，占比3.6%；光伏2 146.6 MW，占比6.4%；其他新能源204 MW，占比0.6%。電網負荷峰谷差較大，2016年最大峰谷差12 974 MW，最大峰谷差率44.75%。

抽水蓄能電站是公認的可靠調峰電源[1-2]。抽水蓄能電站在實際運行中具有兩大顯著的特性：一是它既是發電廠為系統提供峰荷電能，又是用戶消納系統低谷電能，這種調峰填谷的運行方式在減小系統峰谷差時具有雙重作用；二是啟停迅速，運行靈活、可靠，對負荷的急劇變化能作出快速反應，適合承擔系統調頻及快速跟蹤負荷、備用、無功調節和黑啟動等輔助任務。因此，建設抽水蓄能電站，是保障電力系統安全穩定運行的重要措施之一。河北南網水電的調峰能力當前在2 000 MW左右，與實際需求相差較多。為保證河北南網安全穩定運行，迫切需要擴展新的調峰途徑，增加抽水蓄能電站這類經濟有效的調峰電源。

根據規劃，河北南網在2025年前將在保定易縣建設1座抽水蓄能電站，規劃裝機容量為4臺300 MW機組。以下根據抽水蓄能電站所處的地理位置及在電網中發揮的作用，介紹了3種500 kV接入系統方案和1種220 kV接入系統方案。對于以上4種接入系統方案，通過對接入點、電壓等級、線路路徑、潮流、工程造價各方面的綜合比較，最終選擇了易縣抽水蓄能電站通過2回500 kV線路接入慈云變電站的方案。

2 接入系統方案設計

2.1 接入點選擇

易縣抽水蓄能電站位于河北省保定市易縣境內，距保定市76 km，距石家莊市200 km，距北京市120 km。廠址周邊主要有保定1 000 kV變電站、慈云500 kV變電站、保北500 kV變電站、易州220 kV變電站、淶陽220 kV變電站等，如圖1所示。

圖1 易縣抽水蓄能電站周邊變電站情況

經確認，各站均有間隔供電廠接入。對于相鄰較近的易州變電站，根據遠景電網分區方案，易州變電站所處電網分區內有西北郊電廠(2臺350 MW機組)及蔚縣風電(裝機容量1 050 MW)，區內電量已經平衡。另外，易州-保北2回線路采用2×LGJ-300導線，極限輸送容量為439 MVA。如抽水蓄能電站接入易州變電站，將會造成電力外送容量受限，因此，易州變電站不適宜接入抽水蓄能電站。

對于本工程，系統接入點可在慈云、保定、保北、淶陽變電站中選擇。

2.2 接入系統方案

根據易縣抽水蓄能蓄能電站的地理位置及在電網中發揮的作用，設計了4種接入系統方案。

方案1：由電站直出2回500 kV線路接入慈云500 kV變電站，線路長約53 km，導線截面LGJ-4×400 mm2。

方案2：由電站直出2回500 kV出線接入保北500 kV變電站，線路長約55 km，導線截面LGJ-4×400 mm2。

方案3：由電站直出2回500 kV線路接入保定1 000 kV變電站500 kV側東段母線，線路長約51 km，導線截面LGJ-4×400 mm2。

方案4：由電站直出3回220 kV線路，1回接入淶陽220 kV變電站，2回接入慈云500 kV變電站，線路長度分別為54 km及43 km，導線截面LGJ-2×630 mm2。各方案的接入系統示意如圖2所示。

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 方案3

(d) 方案4圖2 易縣抽水蓄能電站接入系統方案

2.3 方案比選

2.3.1 工程實施

經調研，慈云、保北、保定及淶陽變電站均有備用間隔供易縣抽水蓄能電站接入。

對于方案1，易縣抽水蓄能電站接入慈云變電站的2回500 kV線路需繞行易縣縣城、望龍山風景區、望龍水庫，跨越易水河、高易鐵路、京昆高速、廊涿高速、G112國道、S232省道及渾源-安定2條單回500 kV線路，山區地形占比19%。綜合比較，該方案不存在施工制約因素，工程總體施工難度較小。

對于方案2，易縣抽水蓄能電站接入保北變電站的2回500 kV線路需跨越京昆高速、張石高速、榮烏高速、易水河及渾源-安定2條單回500 kV線路、渾源-霸州2條單回500 kV線路，鉆越保定-晉北1 000 kV線路，且山區地形較多，約占40%，工程實施難度較大。

對于方案3，保定1 000 kV特高壓變電站共有500 kV出線12回，結合遠景規劃，其6回接入京津唐電網，6回接入河北南網。在接入河北南網的6回線路中，目前已建設2回接入易水變電站，另有2回規劃接入慈云變電站(正處于可研階段)，僅剩余東側2回線路供易縣抽水蓄能電站接入。經線路專業核實，此2回線需要在站端連續跨越至慈云、易水變電站的4回500 kV線路，施工難度較大。并且，在施工過程中可能需要對該4回線路同時停電，對電網造成較大影響。

對于方案4，接入慈云站的2回220 kV線路與方案1的500 kV線路路徑類似。接入淶陽變電站的1回220 kV線路需跨越易水河3次，并跨越京昆高速，全線地形為山區、丘陵，分別占約32%和68%。線路總長度在4種方案中最多，工程量最大。

2.3.2 潮流分布

對各接入系統方案，按照易縣抽水蓄能電站大負荷發電及低谷抽水2種工況進行潮流計算，潮流分布合理，不存在線路過載情況。在N-1方式下，方案3在保定-慈云斷1回線時，另一回線路潮流將達到2 332 MW，接近線路的極限輸送功率(2 400 MVA)。因此，如采用方案3作為易縣抽水蓄能電站的接入系統方案，需要對保定-慈云500 kV線路采用有效的潮流控制措施，或者采用更大截面導線，如LGJ-4×630 mm2。

2.3.3 短路電流

該地區500 kV網架短路電流水平較高。2025年各變電站的短路電流如表1所示。

表1 2025年短路電流計算結果 kA

短路地點方案1方案2方案3方案4三相短路單相短路三相短路單相短路三相短路單相短路三相短路單相短路易縣抽水蓄能500kV母線28.8924.8829.2425.4330.0025.0337.8227.08慈云保定1000kV500kV母線58.3741.8855.4136.2856.2138.7657.1535.89500kV東59.3333.7957.9231.5061.3238.7958.9131.20500kV西53.0226.7452.9126.7153.0426.7352.9726.71保北500kV母線60.2844.3062.9948.7159.7143.7459.9842.99淶陽220kV------31.2423.96

由表1可見，保北變電站在方案2時短路電流為62.99 kA，已經達到遮斷電流的極限水平(63 kA)。因此，該地區需要采取必要的限制短路電流措施。

電網解環是降低短路電流最有效的方案。隨著特高壓在河北南網的落地，河北南網與京津唐電網可更多通過特高壓電網聯系，500 kV電網解環已經具備條件。若斷開慈云-房山2回500 kV線路，慈云、保定、保北500 kV母線短路電流均有不同程度的降低，如表2所示。

表2 2025年慈云-房山線路斷開后 短路電流計算結果 kA

短路地點方案1方案2方案3方案4三相短路單相短路三相短路單相短路三相短路單相短路三相短路單相短路易縣抽水蓄能500kV母線26.6423.3528.5825.0228.8824.2536.6825.95慈云保定1000kV500kV母線48.3035.0445.3229.4446.1031.9347.0829.03500kV西54.3731.1952.6428.3755.9235.5753.8228.01500kV東52.3826.3952.3326.3852.4226.3952.3526.38保北500kV母線57.0342.4259.3446.2356.2541.6356.6240.66淶陽220kV------30.4123.14

2.3.4 工程投資

4種接入系統方案的系統一次設備配套投資如表3所示。通過對比分析可知，方案1投資總額最少，方案4投資最大。

通過以上在工程施工難度、電網潮流、短路電流水平及工程投資方面的對比，經綜合分析比較，方案1工程實施難度較低，潮流分布合理，且工程造價最低，因此選用方案1為本工程的接入系統方案。

表3 各方案接入系統一次部分配套投資比較 萬元

方案項目規格規模投資合計方案1易縣抽水蓄能-慈云線路4×LGJ-400同塔雙回53km21963慈云站間隔500kVHGIS 個156823531方案2易縣抽水蓄能-保北線路4×LGJ-400同塔雙回55km23485保北站間隔500kVSF6斷路器(罐式)2個147225957方案3易縣抽水蓄能-保定線路4×LGJ-400同塔雙回51km21808保定站間隔500kVGIS2個173823546方案4易縣抽水蓄能-慈云線路2×LGJ-630同塔雙回54km18421易縣抽水蓄能-淶陽線路2×LGJ-630單回路43km7343慈云站間隔220kVGIS2個722淶陽站間隔220kVGIS1個36126847

3 抽水蓄能電站主接線方案

3.1 主接線方案

易縣抽水蓄能電站在電網中主要承擔調峰填谷等任務，工況變化頻繁，基于上述運行方式及電站分期開發等特點，要求電氣主接線能適應本電站的運行特點，選擇滿足可靠性設計要求及運行工況改變，操作方便、靈活，并力求降低投資的接線方案作為本電站的電氣主接線。

3.1.1 發電機變壓器組接線

發電電動機與主變壓器的組合可采用單元接線、聯合單元接線、擴大單元接線，如圖3所示。

(a) 方案1 (b)方案2 (c) 方案3圖3 發電電動機與主變壓器接線方式

方案1采用單元接線方式，接線簡單、明了，設備的布置清晰，運行的可靠性較其他兩方案高。但該組合方式高壓出線需4回，不滿足本工程2回500 kV進線方案。

方案2采用聯合單元接線。該方案同樣具備接線簡單、設備的布置清晰的特點，發電電動機的投運操作靈活、簡單。500 kV進線回路數可減少到2回，簡化了開關站的接線和布置，節省開關站的土建和電氣設備投資。

方案3采用擴大單元接線。該方案接線和設備的布置相對復雜，該方案進線回路數為2回，簡化500 kV側的接線，主變壓器臺數可減少2臺，但廠用及起動電源的可靠性較前2個方案差。為減小發電電動機回路的短路電流，變壓器需采用低壓雙分裂繞組的變壓器。

綜上所述，方案1(單元接線)技術可靠性高，但投資較高；方案3(擴大單元接線)技術可靠性稍差，投資也較高。綜合技術經濟條件，電站的發電電動機主變壓器的組合方式采用方案2(聯合單元接線)。

3.1.2 開關站主接線

易縣抽水蓄能電站開關站主接線可采用3/2接線、雙母線及角型接線3種方式。表4對各方案進行了經濟技術比較。

表4 主接線方案經濟技術比較

項目3/2斷路器接線雙母線接線角型接線運行方式任一設備故障不影響供電檢修任一母線隔離開關,需停運相連出線和母線任一設備故障不影響供電可靠性高低高斷路器數量/只654造價/萬元521443453476

3/2接線供電可靠性高，但多應用于進出線較多，需組多串的工程。工程進出線僅4回，組成2串回路，需配置6臺斷路器，投資較高。雙母線接線時，主變壓器進線斷路器故障時將造成2臺機組停機，可靠性較低。角型接線的可靠性與3/2接線相同，運行靈活，且經濟性適中，是工程的首選方案。

另外，DL/T 5186-2004《水力發電廠機電設計規范》第5.2.5條3款規定“GIS配電裝置，當進出線回路數少時，可采用角型，當進出線回路數較多時，可采用雙母線、雙母線分段等接線，但均不設旁路母線。進出線達8回及以及上，可選用3/2或4/3斷路器接線。”該工程終期規模為2回進線、2回出線，應選用角型接線做為抽水蓄能電站的主接線方案。

4 結束語

對易縣抽水蓄能電站的接入系統方案進行了詳細論證。通過工程實施難度、電網潮流、短路計算、工程造價的綜合對比分析，最終選擇了易縣抽水蓄能電站經2回500 kV線路接入慈云變電站的方案。結合接入系統方案，對易縣抽水蓄能電站的主接線方案提出建議，經經濟技術比較，發變組采用聯合單元接線方式，開關站采用角型接線方式。

[1] 朱建國．電力系統中抽水蓄能電站調峰作用的研究[J]．能源與節能，2014，(7)：12-13．

[2] 宋 豪，宋曙光，王 超，等．抽水蓄能電站對山東電網風電接納能力的影響[J]．山東大學學報，2011，41(5)：138-142．

[3] 傅 旭，谷 子．陜西鎮安抽水蓄能電站接入系統方案研究[J]．智能電網，2017，5(1)：99-106．

[4] 蔡 黎，陳凌云．抽水蓄能電站接入系統研究[J]．中國電力，2013，46(1)：81-85．

Study on Scheme of Pumped Storage Power Station Connecting to Power Grid

Tang Baofeng,Zheng Ziyao

(State Grid Hebei Economic Research Institute,Shijiazhuang 050021,China)

According to the geographical position and grid structure of Yi'xian Pumped Storage Power Station,three schemes of connecting to power grid in 500 kV and one scheme of connecting to power grid in 220 kV are put forward.After the comprehensive comparison of each scheme from the point of access,the difficulty of the project,power flow, short-circuit current and project investment,the final scheme is determined that connecting to Ci'yun substation by two 500 kV lines.Combined with determined scheme of two lines scale,through technical and economic comparison,the joint connection of the generator and transformer group of Yixian Pumped Storage Power Station is determined,and the switch station adopts angle type connection.

pumped storage power station;peak load;connecting system;main connection

2017-09-01

唐寶鋒(1980-)，男，高級工程師，主要從事電力系統繼電保護、電力仿真分析等工作。

TM774

B

1001-9898(2017)06-0001-04

本文責任編輯：齊勝濤