基于分區(qū)等值模型的500 kV受端電網(wǎng)分區(qū)供電理論
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藍(lán)海波，范新橋，張雋，張文朝，杜延菱，趙峰，王賽，吳尋
（1，國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司，北京 100053;
2，南京南瑞集團(tuán)公司，北京 102200;3，華北電力大學(xué)，河北保定 071003）
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摘要：隨著電網(wǎng)聯(lián)系越來越緊密，電磁環(huán)網(wǎng)帶來的短路電流超標(biāo)問題凸顯。合理的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是限制電網(wǎng)短路電流的基礎(chǔ)，通過分析總結(jié)我國(guó)受端電網(wǎng)的典型分區(qū)結(jié)構(gòu)，基于電路等值理論構(gòu)建了單站供電、兩站手拉手、三站鏈?zhǔn)交颦h(huán)網(wǎng)等受端電網(wǎng)典型分區(qū)供電模型。對(duì)不同分區(qū)模型不同位置故障時(shí)的短路電流進(jìn)行理論計(jì)算，并通過與實(shí)際電網(wǎng)短路電流計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證了等值模型和計(jì)算方法的正確性。兼顧供電可靠性和短路電流水平，并考慮分區(qū)內(nèi)電源接入和站間線路長(zhǎng)度，提出500 kV受端電網(wǎng)分區(qū)以2～3站的4~6臺(tái)主變壓器為宜，該原則下若分區(qū)內(nèi)仍存在短路電流超標(biāo)問題則進(jìn)一步采取線路串抗的限流措施。
關(guān)鍵詞：分區(qū)供電模型：短路電流；穩(wěn)定分析；分區(qū)原則
0引言
在高電壓等級(jí)電網(wǎng)發(fā)展初期，電磁環(huán)網(wǎng)在發(fā)揮設(shè)備輸電能力、保證電源可靠送出以及提高供電可靠性等方面起到了重要作用。隨著電網(wǎng)聯(lián)系
緊密，電磁環(huán)網(wǎng)帶來的短路電流超標(biāo)、系統(tǒng)穩(wěn)定問題等凸顯。
目前，國(guó)內(nèi)外限制短路電流的措施主要有電網(wǎng)分層分區(qū)運(yùn)行、母線分列運(yùn)行、發(fā)展更高級(jí)電壓網(wǎng)絡(luò)、變壓器中性點(diǎn)加小電抗、采用高阻抗變壓器、加裝串聯(lián)電抗器、提高斷路器遮斷容量等。隨著網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的逐漸加強(qiáng)，在高一級(jí)電壓發(fā)展后打開高低壓電磁環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)低一級(jí)電壓電網(wǎng)分區(qū)供電是限制電網(wǎng)短路電流，提高安全穩(wěn)定水平的一項(xiàng)有效措施。
文獻(xiàn)[7]從電網(wǎng)規(guī)劃角度出發(fā)，論述了改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是限制短路電流的直接、有效的方法。文獻(xiàn)[8]從220 kV分區(qū)電網(wǎng)短路電流控制的角度，探討了一座500 kV站帶一片220 kV分區(qū)電網(wǎng)計(jì)算模型，并據(jù)此進(jìn)行了短路電流計(jì)算和受電能力分析。文獻(xiàn)[9]提出了一種用于220 kV電網(wǎng)短路電流預(yù)測(cè)的方法，給出了短路電流計(jì)算模型，該模型僅考慮一個(gè)分區(qū)有一座500 kV變電站的情況，未對(duì)實(shí)際電網(wǎng)分區(qū)中多座500 kV站帶一片的分區(qū)模型進(jìn)行研究等。從現(xiàn)有電網(wǎng)分區(qū)供電研究情況看，現(xiàn)有研究大多針對(duì)某一實(shí)際電網(wǎng)提出改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的具體措施，但缺乏對(duì)多座500 kV站分區(qū)供電模型的短路電流理論分析，未提出普適性分區(qū)供電原則。
本文通過分析總結(jié)我國(guó)受端電網(wǎng)的典型分區(qū)結(jié)構(gòu)，基于電路等值理論構(gòu)建了多個(gè)典型電網(wǎng)分區(qū)供電模型，通過理論計(jì)算驗(yàn)證等值建模的準(zhǔn)確性并基于所提電網(wǎng)典型分區(qū)供電模型，考慮分區(qū)內(nèi)電源接入以及采取線路串抗措施進(jìn)行短路電流水平計(jì)算和靜態(tài)安全分析，兼顧供電可靠性和短路電流水平，提出了電網(wǎng)分區(qū)供電的理論原則。
1 受端電網(wǎng)典型分區(qū)結(jié)構(gòu)
為降低短路電流水平，我國(guó)電網(wǎng)普遍采用了解開500 kV/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)的措施，在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、負(fù)荷密度高的地區(qū)220 kV電網(wǎng)分區(qū)運(yùn)行已經(jīng)普遍實(shí)施，主要有北京、上海、天津、重慶等地。
根據(jù)500 kV/220 kV電網(wǎng)分區(qū)內(nèi)500 kV站點(diǎn)的數(shù)量，可分為單站分區(qū)供電結(jié)構(gòu)、兩站手拉手供電結(jié)構(gòu)、三站分區(qū)供電結(jié)構(gòu)等。實(shí)際電網(wǎng)中具有代表性的分區(qū)模式主要是上海、北京電網(wǎng)，上海電網(wǎng)分區(qū)主要為單站饋供模式，北京電網(wǎng)主要是兩站手拉手和三站分區(qū)模式。
為了限制短路電流，上海電網(wǎng)采取分層分區(qū)運(yùn)行的方式，將電網(wǎng)主要分為楊行、黃渡、泗涇、南橋、楊高5個(gè)片區(qū)，分區(qū)內(nèi)以大容量主力發(fā)電廠為中心。上海電網(wǎng)分區(qū)結(jié)構(gòu)如圖1所示。各分區(qū)均為一座500 kV站點(diǎn)帶一片220 kV電網(wǎng)，即單站饋供模式。其中，南橋分區(qū)、徐行分區(qū)內(nèi)均為2臺(tái)主變壓器（下簡(jiǎn)稱主變），黃渡分區(qū)、泗涇分區(qū)和楊高分區(qū)內(nèi)均為4臺(tái)主變。
如圖2所示，北京電網(wǎng)分為6個(gè)分區(qū)，分別為門昌分區(qū)、興房門分區(qū)、昌城分區(qū)、城順朝分區(qū)、朝順通分區(qū)和通安興分區(qū)。其中，昌城分區(qū)為2座500 kV站帶一片220 kV電網(wǎng)，門昌分區(qū)、城順朝分區(qū)、朝順通分區(qū)、通安興分區(qū)和興房門均為3座500 kV站帶一片220 kV電網(wǎng)。
2 電網(wǎng)分區(qū)等值模型
2.1 電網(wǎng)典型分區(qū)供電等值模型構(gòu)建
根據(jù)電路等值理論對(duì)典型電網(wǎng)分區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行等值建模，為了簡(jiǎn)化分析，將待研究分區(qū)作為內(nèi)部系統(tǒng)，待研究分區(qū)以外的電網(wǎng)作為外部系統(tǒng)，外部系統(tǒng)采用恒定電壓源與內(nèi)阻抗串聯(lián)的形式進(jìn)行等值。
以下主要對(duì)單站饋供分區(qū)結(jié)構(gòu)、兩站手拉手分區(qū)結(jié)構(gòu)和3站分區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行等值建模，并進(jìn)行短路電流水平計(jì)算和誤差分析以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。不同類型分區(qū)等值模型如圖3所示。
2.2等值模型驗(yàn)證與誤差分析
選取與所提等值模型對(duì)應(yīng)的實(shí)際電網(wǎng)分區(qū)供電結(jié)構(gòu)，對(duì)500 kV站點(diǎn)220 kV母線短路電流進(jìn)行理論計(jì)算，并與實(shí)際短路電流計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比以驗(yàn)證所建立分區(qū)等值模型及計(jì)算方法的正確性。
選擇唐山實(shí)際電網(wǎng)中的3個(gè)典型分區(qū)，分別為太平一姜家分區(qū)、唐西一豐南一安各分區(qū)、太平一姜家一唐西北分區(qū)。3個(gè)實(shí)際分區(qū)與前述等值模型對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。
實(shí)際電網(wǎng)分區(qū)結(jié)構(gòu)與理論模型存在細(xì)微差別，如實(shí)際太平一姜家營(yíng)分區(qū)內(nèi)有電廠接入，利用等值模型中計(jì)算電廠提供的短路電流時(shí)采用疊加原理。如表2所示，列出了分區(qū)模型220 kV站三相短路電流理論計(jì)算結(jié)果，以及對(duì)應(yīng)的實(shí)際電網(wǎng)220 kV站三相短路電流結(jié)果。
從計(jì)算結(jié)果看，理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)際結(jié)果的誤差基本在2 kA以內(nèi)，最大相對(duì)誤差約為5%。從短路電流理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)際值的誤差看，基本能夠驗(yàn)證所提等值模型和計(jì)算方法是準(zhǔn)確和有效的。
3分區(qū)內(nèi)主變臺(tái)數(shù)確定原則
3.1 分區(qū)內(nèi)主變臺(tái)數(shù)上限確定原則
3.1.1 短路電流水平分析
根據(jù)受端電網(wǎng)實(shí)際情況，主變?nèi)萘恐饕紤]750 MV-A和1 200 MV -A 2種，短路阻抗標(biāo)么值U%取18%，站間220 kV線路長(zhǎng)度取30—50 km。對(duì)單站饋供分區(qū)模型、兩站手拉手分區(qū)模型和三站分區(qū)模型不同位置的短路電流水平進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過程暫不計(jì)電廠接入的影響。對(duì)于單站饋供模型，當(dāng)主變?nèi)萘糠謩e為750 MV-A和l 200 MV-A時(shí)，不同臺(tái)數(shù)主變、不同外部系統(tǒng)等值短路電抗（500 kV側(cè)短路時(shí)外部系統(tǒng)注入電流不同）情況下主變高壓側(cè)提供的三相短路電流水平如表3所示。
從表3計(jì)算結(jié)果可知，不同臺(tái)數(shù)和不同容量的主變并列運(yùn)行時(shí)，主變高壓側(cè)下注的三相短路電流均未超過50 kA。
對(duì)于兩站分區(qū)、三站分區(qū)模型，不同主變?nèi)萘亢筒煌?20 kV線路長(zhǎng)度下，220 kV母線三相短路電流如表4所示。其中，500 kV側(cè)短路電流按50 kA考慮。此外，當(dāng)500 kV側(cè)短路電流為40 kA和60 kA時(shí)，220 kV母線三相短路電流比500 kV側(cè)短路電流為50 kA時(shí)分別降低和提高1～2 kA。
考慮到220 kV母線斷路器額定遮斷電流一般為50 kA,從結(jié)果看存在短路電流超過開關(guān)額定遮斷電流的情況。對(duì)于3站6臺(tái)主變分區(qū)模型，當(dāng)主變?nèi)萘咳繛? 200 MVA,線路長(zhǎng)度小于等于40 km情況下，存在最大三相短路電流超標(biāo)問題，其他2站和3站分區(qū)模型均不存在短路電流超標(biāo)情況。
考慮到電網(wǎng)分區(qū)內(nèi)一定容量電源接人情況下，可得三相短路電流在50 kA以內(nèi)時(shí)分區(qū)主變臺(tái)數(shù)配置最好不超6臺(tái)。當(dāng)500 kV站主變臺(tái)數(shù)為2臺(tái)時(shí)，一般2~3站構(gòu)成一個(gè)分區(qū)。
3.1.2分區(qū)內(nèi)電源接入的影響
為保證供電可靠性，不但要2~3站構(gòu)成一個(gè)分區(qū)，而且分區(qū)內(nèi)最好有一定容量的電源接入。為簡(jiǎn)化分析，電源提供的短路電流采取疊加定理進(jìn)行計(jì)算，且認(rèn)為電源直接接到220 kV母線短路點(diǎn)處。
發(fā)電機(jī)用E”和X一”等值，假定接入220 kV電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)容量為L(zhǎng)s。；，升壓變壓器短路電抗百分比為Uk%（基于自身容量），分區(qū)內(nèi)發(fā)電廠分別通過兩回LGJ-2 x400型導(dǎo)線接入500 kV變電站的220 kV側(cè)，線路電抗標(biāo)么值取XL=0.06/km，線路長(zhǎng)度為L(zhǎng)，系統(tǒng)基準(zhǔn)容量為SB。電廠通過220 kV線路提供的三相短路電流/(;220和短路容量SC22U分別如式(1)和式(2)所示。
假定發(fā)電機(jī)容量為300 MW,功率因數(shù)為0.85，X，：取0.2，XT取0.18，經(jīng)30 km雙回線路接入220 kV母線。經(jīng)計(jì)算，該發(fā)電機(jī)注入220 kV母線的短路電流標(biāo)么值為0.85，有名值為2.1 kA,此時(shí)一臺(tái)發(fā)電機(jī)提供的短路容量S(;220為850 MVA。
以三站鏈?zhǔn)浇黹g站點(diǎn)短路和三站環(huán)網(wǎng)分區(qū)模型為例，站間線路長(zhǎng)度取40 km,分區(qū)允許接入的最大機(jī)組容量計(jì)算結(jié)果如表5所示，
3.1.3 串聯(lián)電抗器限制短路電流效果分析
限流電抗器的本質(zhì)是通過增大系統(tǒng)聯(lián)系阻抗，降低電網(wǎng)的緊密程度，從而減少變電站母線某些分支的短路電流，在系統(tǒng)中串聯(lián)電抗器接入方式主要有母線聯(lián)絡(luò)方式和線路端接入方式，適應(yīng)性最佳的配置方法是在線路上配置串聯(lián)電抗器。
以表5短路電流超過50 kA的i站鏈?zhǔn)椒謪^(qū)模型為例，在其中兩站之間的220 kV線路分別加裝7 Q和10 Q串抗，站間線路長(zhǎng)度為40 km。裝設(shè)串抗前后220 kV母線三相短路電流變化情況如表6所示。
從計(jì)算結(jié)果可見，220 kV線路裝設(shè)串抗對(duì)限制短路電流水平有一定的效果。短路電流超過50 kA的三站分區(qū)模型采取線路串抗措施后，短路電流均能夠控制在合理范圍內(nèi)。采用線路串抗措施運(yùn)行方式簡(jiǎn)單，串抗技術(shù)成熟，應(yīng)用也較廣泛。因此，為兼顧短路電流水平和可靠性，對(duì)于受端電網(wǎng)，可以考慮線路串聯(lián)電抗器的措施，雖然不能從根本上解決電網(wǎng)短路電流超標(biāo)問題，但措施較為靈活方便，又不失供電可靠性，可以作為限制短路電流的主要輔助手段。
3.2分區(qū)內(nèi)主變臺(tái)數(shù)下限確定原則
500 kV和220 kV電網(wǎng)滿足N-1準(zhǔn)則是實(shí)現(xiàn)電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)運(yùn)行，分區(qū)供電的基本條件之一�？紤]到前述不同臺(tái)數(shù)和不同容量的主變并列運(yùn)行時(shí)的短路電流水平，得出分區(qū)內(nèi)主變臺(tái)數(shù)一般不超過6臺(tái)，下面主要分析少于6臺(tái)主變時(shí)分區(qū)內(nèi)主變檢修方式N-1下剩余主變負(fù)載率情況。
當(dāng)分區(qū)內(nèi)容載比為2時(shí)，在主變檢修方式N-1情況下主變負(fù)載率隨著主變臺(tái)數(shù)增加而減小，分區(qū)內(nèi)4臺(tái)主變時(shí)，主變檢修方式N-l情況下剩余主變存在滿載問題，在無其他措施情況下分區(qū)內(nèi)主變臺(tái)數(shù)不宜少于4臺(tái)。因此，考慮主變檢修方式N-1下剩余主變的過載問題，分區(qū)內(nèi)主變臺(tái)數(shù)配置宜大于等于4臺(tái)。綜上，分區(qū)內(nèi)以2~3座500 kV站4～6臺(tái)主變?yōu)橐恕?
但在一些實(shí)際電網(wǎng)巾，存在4~5座甚至更多500 kV站點(diǎn)為一分區(qū)的情況，此時(shí)分區(qū)內(nèi)主變臺(tái)數(shù)大于6臺(tái)，且有一定容量的電源接入，但分區(qū)內(nèi)短路電流水平并不超標(biāo)。出現(xiàn)這種情況的原因主要在于，相對(duì)于上海、北京等典型密集型受端電網(wǎng)，這些電網(wǎng)分區(qū)內(nèi)220 kV站點(diǎn)之間線路距離較長(zhǎng)，線路電抗相對(duì)較大，使得分區(qū)內(nèi)盡管有多座500 kV站和一定容量的電源接入短路電流也不超標(biāo)。
本文分區(qū)原則主要考慮了500 kV、220 kV站點(diǎn)之間線路距離不是很長(zhǎng)(30—50 km)的城市受端電網(wǎng)，且分區(qū)內(nèi)電源接入容量不是很大的情況。若實(shí)際電網(wǎng)中站間220 kV線路長(zhǎng)度較短或者電源接入容量較大時(shí)，為兼顧供電可靠性和短路電流水平，可采取線路串聯(lián)電抗器措施，并仍以2~3站4~6臺(tái)主變?yōu)橐粋�(gè)電網(wǎng)分區(qū)。
4結(jié)論
根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)分區(qū)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了單個(gè)500 kV站饋供、兩站和三站等典型的電網(wǎng)分區(qū)等值模型。考慮站間線路長(zhǎng)度、站內(nèi)主變?nèi)萘亢团_(tái)數(shù)、接入電源容量不同對(duì)短路電流的影響，以及線路串抗措施的限流效果，提出受端電網(wǎng)分區(qū)的理論原則。
(1)針對(duì)電網(wǎng)不同分區(qū)模型，考慮站內(nèi)主變?nèi)萘亢团_(tái)數(shù)不同、站間線路長(zhǎng)度不同，以及分區(qū)內(nèi)一定容量電源接人情況下，分區(qū)主變臺(tái)數(shù)配置上限以6臺(tái)為宜：考慮主變檢修方式N-1時(shí)剩余主變的過載問題，分區(qū)內(nèi)主變臺(tái)數(shù)配置宜大于等于4臺(tái)。500 kV站多為兩臺(tái)主變，因此考慮供電可靠性情況下，以2~3站4~6臺(tái)主變構(gòu)成一個(gè)電網(wǎng)分區(qū)。
(2)隨著分區(qū)內(nèi)主變臺(tái)數(shù)增加和站間220 kV線路長(zhǎng)度的減小，以2~3站4~6臺(tái)主變?yōu)橐粋�(gè)電網(wǎng)分區(qū)時(shí)出現(xiàn)短路電流超標(biāo)問題后，為兼顧供電可靠性和短路電流水平，可進(jìn)一步采取線路串聯(lián)電抗器的限流措施。
