局部區域電網電磁環運行可行性分析及評估

覃蕓，黃豫，潘旭東，王延緯，龔賢夫

（1. 南方電網能源發展研究院有限責任公司，廣東 廣州 510080；2. 廣東電網有限責任公司電力調度控制中心，廣東 廣州 510080；3. 廣東電網發展研究院有限責任公司，廣東 廣州 510080）

0 前言

隨著電網結構的逐步完善，因解環更有利于潮流、穩定控制，因此，電磁環網運行方式逐步減少[1-4]。但是，部分局部區域電網由于網架結構薄弱，受限于供電線路線徑和調度運行斷面控制，供電能力顯現不足，甚至出現需要錯峰限電的情況。同時，由于線路改造難度大，且經濟性欠優，無法從完善網架的角度在未來兩三年提高區域的供電能力。因此，在電網發展階段，鑒于建設條件、周期及經濟性考慮，部分網架結構薄弱的局部電網在過渡年份可將電磁環運行作為提高供電能力和可靠性的一種可行性方案[5-9]。

本文以運行靈活性和潮流清晰可控為基礎，提出適合局部電網的電磁環合環原則，基于原則，從網絡拓撲、潮流轉移、穩定情況等判斷合環可行性，并對可合環方案進行評估。

1 合環原則

電磁環運行是電網發展過度時期的一種運行手段，用于提高局部電網的可靠性或供電能力。鑒于電磁環網運行存在上級電網故障導致潮流轉移和不可控、上下級電網阻抗不匹配導致系統暫態失穩、短路電流水平增加等諸多缺點和風險[10]，有必要慎重分析合環可行性[11]及合環運行對提升系統可靠性、供電能力的大小。

在充分考慮運行可控性，提出以下合環原則：

1）原則上只考慮有直接電氣聯系或鏈式串供的站點；

2） 不 考 慮 三 級 電 磁 環 網， 如500 kV/ 220 kV/ 110 kV 電磁環；

3）站點為輻射終端結構，單回線路或同塔同路徑線路；

4）供電能力不足線路或斷面，合環運行可降低受限線路或斷面潮流，增加供電裕度。

2 合環運行可行性校核

結合電網實際情況，從網絡拓撲[12]、潮流轉移[13-14]、穩定情況[15-17]等角度綜合評判合環可行性。

2.1 基于網絡拓撲的可行性校核

從網絡拓撲的角度校核評估合環可行性，核算合環點的角度差是否滿足調度規程、核算合環點電壓差是否滿足國家標準《電能質量供電電壓允許偏差》GBl2325-90 規定，角度差和電壓偏差均滿足，則滿足了基于網絡拓撲的合環可行性。

某區域局部電網電磁環阻抗圖如圖1 所示。

圖1 某區域電網電磁環阻抗圖（規算至110 kV電壓等級）

電磁環總阻抗計算式（1）：

式中，ZT為變電站總阻抗，ZL為線路總阻抗，ZT1、ZT2為變電站1、2 的阻抗，ZL2為220 kV線路折算后阻抗，ZL11、ZL12、ZL13分別為三回110 kV 線路阻抗。

假設環網環流方向順時針方向為正，則用式（2）確定實際環流方向。

式中，DT1為變電站1 的額定變比，DT2為變電站2 的額定變比。DΣ＞1 說明環流方向與所選方向一致，DΣ＜1 說明環流方向與所選方向相反。

環流計算如式（3）所示。

式中，Un為標稱電壓，ZΣ為電磁環總阻抗；A＜θ 為環流結果表示形式，A 為環流的幅值，θ為環流的相角。A＞0 說明循環功率中有功從變電站1 流向變電站2，A＜0 說明循環功率中有功從變電站2 流向變電站1；θ＞0 說明循環功率中無功從變電站1 流向變電站2，θ＜0 說明循環功率中無功從變電站2 流向變電站1。

依據環流相角和變電站電壓器接線型式確定合環點的角度差，如式（4）所示。

上式未考慮變壓器的繞組型式。若變壓器繞組型式不一致，則需計入相角差；若變壓器繞組型式一致，則變壓器角度差為0°，220 kV變電站變壓器一般選YnD11。

依據環內變壓器的額定變比，確定合環點的電壓偏差，如式（5）所示。

2.2 基于潮流轉移的可行性校核

從潮流轉移的角度校核評估合環可行性，利用BPA 核算220 kV 高電壓層級通道斷開或發生N-1 故障，110 kV 線路的輸送容量是否超過線路輸送極限。

若合環點合上，220 kV 線路L2的實際輸送功率PL2，110 kV 線路的實際輸送功率分別為PL11、PL12、PL13。當220 kV 線路L2斷開后，110 kV 線路的實際輸送功率分別為PL11’、PL12’、PL13’。需 判 斷PL11’、PL12’、PL13’是否超過線路的輸送極限，若其中一回超過，則不可合環，若均不超過線路的輸送極限,則可合環。需按式（6）校核，則滿足潮流轉移下的合環條件。

式中，PL11.max、PL12.max、PL13.max分別是線路L11、L12、L13的最大事故限流值對應的最大輸送功率。

2.3 基于系統穩定的可行性校核

設置合環網上任一220 kV 線路和110 kV線路三永故障跳閘仿真，校核系統是否穩定運行。

3 合環運行評估

按照合環原則，滿足合環運行條件的網絡具備合環可行性。但是并非所有的合環點對系統可靠性和供電能力的提高效果都是明顯的，本文突出合環運行評估指標，用于鑒別合環的效果和必要性。

3.1 正常方式轉移比

用于評估合環前后，合環線路對上級220 kV 線路或斷面的支撐能力。

式中，PL2、PL'2分別為合環前后220 kV 線路潮流。RT1越大，說明合環線路對220 kV 線路的支撐能力越強，對提高供電裕度效果愈明顯。

3.2 故障方式轉移比

用于評估上級220 kV 線路故障前后，110 kV 線路可轉移潮流占比。

式中，PL2為220 kV 線路故障前220 kV 線路潮流，PL1、PL1'分別為220 kV 線路故障前后110 kV 線路潮流。RT2越大，說明合環線路對供電區域的支撐效果明顯。

3.3 220 kV線路實際運行最大負載率

用于評估實際運行工況下，由于220 kV線路故障，潮流會轉移至110 kV 線路，考慮110 kV 合環線路的限流值約束，220 kV 線路實際最大負載率。

式 中，PL1.max、PL2.max分 別 為110 kV、220 kV 線路事故限流值對應的輸送功率極限，PL2為 合 環 運 行 時220 kV 線 路 潮 流，PL1'為220 kV 線路故障后，110 kV 線路潮流。β 越大，說明在潮流約束方面對合環運行可行性約束小，220 kV 線路的供電裕度越大。

4 算例分析

以某區域局部電網為例，該局部電網規劃2020 年含有6 座220 kV 和36 座110 kV 變電站，如圖2 所示。該局部電網通變電站1 和變電站6與地區主干網絡相連、通過變電站7 與外區電網相連。按解環條件，圖中含6 個解環、合環點。

圖2 某區域局部電網示意圖

結合區域電網分析，2020 年該局部電網因受限于變電站1 ～變電站2 線路送電能力，線路截面為400 mm2，為滿足變電站4 ～變電站5 線路N-1，變電站1 ～變電站2 線路+變電站4 ～變電站5 線路斷面極限控制值為280 MW。若按解環運行，通過調整負荷分布，變電站1 ～變電站2 線路+ 變電站4 ～變電站5 線路潮流控制勉強可以滿足控制要求，但是運行靈活性及負荷發展適應性均較差。鑒于此，為提高變電站1 ～變電站2 線路的供電裕度，本文以合環點1 和合環點6 作為分析對象。

基礎數據：

Z變電站1=0.0497+j1.949Ω、Z變電站2=0.0557+j1.873Ω、Z變電站4=0.0603+j1.904Ω、Z變電站5=0.0573+j1.785、Z變電站6=0.0599+j1.880，

Z變電站1～變電站2=（0.215+j1.112）×10-2Ω、Z變電站2～變電站4=（0.101+j0.474）×10-2Ω、Z變電站4～變電站5=（0.175+j0.821）×10-2Ω、Z變電站5～變電站6=（0.069+j0.548）×10-2Ω，

Z變電站1～變電站12=（1.309+j4.284）×10-2Ω、Z變電站2～變電站21～變電站13～變電站12=（5.040+j20.115）×10-2Ω，Z變電站2～變電站25～變電站61～變電站6=（1.649+j6.580）×10-2Ω

變電1、變電站2 的額定變比為230/121，變電4、變電站5、變電站6 的額定變比為242/121。

4.1 合環點1分析

4.1.1 網絡拓撲

合環點1 合環后構建變電站1 ～變電站2 ～變電站12 ～變電站13 ～變電站21 ～變電站1 組成的電磁環。

總阻抗ZΣ=0.171+j4.077Ω

角度差Δδ=90-87.6=2.4° ＜30°（變壓器線圈均為YnD11）

角度差和電壓偏差均滿足合環要求。

4.1.2 潮流分析

解環運行時，變電站1 ～與變電站2 線路功率為P=220.8 MW。

合環運行時，變電站1 ～與變電站2 線路功率為P 變電站1 ～與變電站2=215.8 MW，110 kV 線路輸送功率分別為P 變電站1 ～與變 電 站12=90.2 MW、P 變 電 站12 ～與 變電 站13=19.2 MW、P 變 電 站13 ～與 變 電站21=7.1 MW、P 變 電 站21 ～與 變 電 站2=4.0 MW；發生變電站1 ～與變電站2 線路N-1 故障時，110 kV 線路輸送功率分別為P’變電站1 ～與變電站12=94.7 MW、P’ 變電站12 ～與變電站13=23.5 MW、P’變電站13 ～與變電站21=11.6 MW、P’變電站21 ～與變電站2=8.5 MW。

變電站1 ～與變電站12 線路潮流最重，其最大輸送功率為95 MW，均未超過線路最大輸送容量，滿足合環條件。

合環潮流圖如圖3 所示。

圖3 合環點1合環運行潮流圖

4.1.3 穩定分析

通過BPA 穩定計算驗證，220 kV 線路變電站1 ～變電站2 和110 kV 線路變電站2 ～變電站12、變電站12 ～變電站13、變電站13 ～變電站21、變電站21 ～變電站1 等5 回線路分別發生三永故障，系統均能保持穩定。說明滿足合環條件。

4.2 合環點6分析

4.2.1 網絡拓撲

合環點6 合環后構建變電站2 ～變電站4 ～變電站5 ～變電站6 ～變電站61 ～變電站25 組成的電磁環。

總阻抗ZΣ=0.253+j7.526Ω

角度差Δδ=90-88.1=1.9° ＜30°（變壓器線圈均為YnD11）

角度差和電壓偏差均滿足合環要求。

4.2.2 潮流分析

解環運行時，變電站1 ～與變電站2 線路功率為P=220.8 MW。

合環運行時，變電站1 ～與變電站2 線路功率為P變電站1～與變電站2=191.9 MW，110 kV 線路輸送功率分別為P變電站6～與變電站61=89.2 MW、P變電站61 ～與變電站25=51.4 MW、P變電站25～與變電站2=36 MW；發生變電站2 ～變電站4、變電站4 ～變電站5、變電站5 ～變電站6 線路N-1 故障時，110 kV潮流方向是由變電站6 向變電站2 流，站點均為負荷站點，變電站61 ～變電站6 線路較其他兩回潮流重，因此，僅需校核變電站61 ～變電站6 線路是否會超過限流值。

變電站2 ～變電站4 線路N-1 時，110 kV線路變電站61 ～變電站6 輸送功率為P’變電站6～與變電站61=67 MW；變電站4 ～變電站5 線路N-1 時，110 kV 線路變電站61 ～變電站6 輸送功率為P’變電站6 ～與變電站61=100.1 MW；變電站5 ～變電站6 線路N-1 時，110 kV 線路變電站61 ～變電站6 輸送功率為P’變電站6～與變電站61=109.6 MW。110 kV 線路變電站61 ～變電站6 事故限流值對應的最大輸送容量為110 MW。以上三個220 kV 線路故障造成110 kV 潮流轉移均不會導致110 kV 過載，滿足合環條件。

合環潮流圖如圖4 所示。

圖4 合環點6合環運行潮流圖

4.2.3 穩定分析

通過BPA 穩定計算驗證，220 kV 線路變電站2 ～變電站4 ～變電站5 ～變電站6 等3 回和110 kV 線路變電站2 ～變電站25 ～變電站61 ～變電站6 等3 回線路分別發生三永故障，系統均能保持穩定。說明滿足合環條件。

4.3 綜合評價

合環點1 和合環點6 均能滿足網絡拓撲、潮流轉移、系統穩定等三個層面的校核，滿足合環要求。現對兩個合環點進行評估比較。

4.3.1 正常方式轉移比

RT1.合環點1＜RT1.合環點6說明合環點6 對220 kV變電站1 ～變電站2 線路的支撐能力較強，對提高該區域的供電裕度效果愈明顯。

4.3.2 故障方式轉移比

RT2.合環點1＜RT2.合環點6說明合環點6 對220 kV變電站1 ～變電站2 線路的支撐能力較強，對提高該區域的供電裕度效果愈明顯。

4.3.3 220 kV線路實際運行最大負載率

合環點1 對應220 kV 變電站1 ～變電站2線路最大負載率：

合環點1 對應220 kV 變電站1 ～變電站2線路最大負載率：

β合環點1、β合環點6基本相當，說明兩個合環點在潮流約束方面對合環運行可行性約相當，均接近80%；同時，說明要想進一步提高220 kV線路的供電裕度，可以通過加強提高110 kV 線路輸送容量的方法。

鑒于以上三點評估，合環點6 的合環方式對提高線路供電裕度效果較好。

5 結束語

本文以提高供電可靠性和提升供電能力為目標，提出了區域局部電網電磁環合環原則，分網絡拓撲、潮流轉移、系統穩定三個維度詳細分析了合環的可行性，并提出了合環運行評估指標和方法。為網架薄弱和電網建設滯后的電網提供了一種可行的運行方案。通過實際案例，充分體現了構建220 kV/110 kV 電磁環網的可行性，詳細評估了對系統供電能力的提升效果。案例證明通過構建合適的電磁環對提升區域供電能力效果明顯。