分区电网结构对受电极限的影响分析

赵　瑞，张再驰，王　卫，彭　龙，潘　艳，郭秋婷

(1.国网北京市电力公司，北京　100220；2.南京南瑞集团公司北京监控技术中心，北京　100220)



分区电网结构对受电极限的影响分析

赵瑞1，张再驰1，王卫1，彭龙2，潘艳2，郭秋婷2

(1.国网北京市电力公司，北京100220；2.南京南瑞集团公司北京监控技术中心，北京100220)

摘要：受端电网不同分区结构对其受限方式影响较大。比较了分区的两种受限方式热稳定极限和静态电压稳定极限，得到了受限方式随分区结构的变化规律。结合实际分区电网的特点，对分区网络进行合理简化，采用阻抗模指标计算出静态电压稳定极限，与分区变压器制约下的热稳极限对比得出分区受限方式，分析了线路长度、变电站容量、负荷功率因数和分区内部电源接入情况对受限方式的影响。根据实际电网仿真验证了分析过程和规律的正确性，可为电网分区规划运行提供一定的技术参考。

关键词：静态电压稳定；受电极限；分区电网；热稳定极限

Abstract：The different district structures of receiving-end grid have a great influence on its constrained modes. The thermal stability limit and static voltage stability limit of two constrained modes are compared, and the variation of constrained modes along with the district structures is obtained. Combined with the characteristics of an actual district grid, the district grid is simplified reasonably. The static voltage stability limit is calculated using impedance module indicator, and then is compared with the thermal stability limit controlled by district transformer to get the constrained modes. The influences of line length, substation capacity, load power factor and district internal power supply access on the constrained modes are analyzed. Based on the simulation of an actual power grid, the correctness of analysis process and rules is verified, which can provide a technical reference for the district planning of grid operation.

Key words：static voltage stability; power-receiving limit; district grid; thermal stability limit

0引言

分层分区运行方式下的大型受端电网中, 电压稳定将成为限制电网安全稳定运行的关键因素，同时受电极限也受分区变压器热稳制约[1-3]。研究分区电网不同网架结构下受限方式，有针对性制定措施对提高受电极限有实际意义。

热稳定主要考虑变压器N-1后决定分区受电极限，不同网络结构主要体现在分区变压器台数和功率分配上。静态电压稳定限制下的分区受电极限影响因素较多，目前电网多采用分层分区的运行方式，分区内部500 kV主网中的关键设备、输送通道或者分区内大电源停运都将给相关220 kV分区电网的电压稳定性带来较大程度的威胁[4-5]。目前电力系统电压稳定问题的研究方法主要有静态和动态分析方法，动态分析结果较为精确，但计算时间长[6-7]。静态稳定分析方法计算量小，在一定程度上能够较好地反映系统的电压水平，因此得到广泛的应用。文献[8-9]总结各种静态电压稳定指标的优缺点和适用条件，文献[10]研究了不同模型对静态电压稳定裕度的影响。考虑到实际电网，文献[11]结合不同分区电网的特点，仿真分析了影响分区电压稳定极限的各个因素，但其并没有分析电网结构对电压稳定极限的影响。综上所述，如何结合实际电网结构，合理地建立分区模型，分析影响分区受电极限的关键因素具有实际意义。

通过对实际电网分析，考虑主要元件对分区电网进行合理简化，运用阻抗模指标求解静态电压稳定极限，并结合分区热稳定，给出不同网络结构下分区受限方式，并给出了受限方式与分区主变数量之间的变化规律，可为电网分区规划运行提供一定的技术参考。

1电压稳定极限理论计算方法

系统的等值模型如图1所示，设网络等值阻抗为ZS=ZS∠β-R+jX，负荷阻抗为ZL=ZL∠θ。

图1　系统等值图

则负荷功率为

式中：VS为电源电压；θ为给定负荷功率因数。负荷吸收最大功率时满足

(1)

求解为

ZL=ZS

(2)

通过式(2)可知，当负荷阻抗和线路阻抗模值相等时，负荷吸收功率达到极限。此时功率最大值为

(3)

若忽略线路电阻，系统侧电压取1，则

(4)

2分区电网电压稳定极限计算

2.1分区模型建立

分区电网由500kV变电站、分区内部电源和分区电网结构组成，如何将复杂的分区网络合理简化对于分区静态电压稳定极限的分析计算起关键作用。

这里建立了分区模型，如图2所示。一个500kV变电站经过220kV线路与分区内部电源经过220kV线路并联，再通过220kV/110kV变压器与负荷相连。

图2　系统模型

上述系统等值的电路如图3所示，图中VS1和VS2分别为分区外系统等值电源的电压和分区内电源机端等值电压，取幅值为1，则两处电源等效合并在一起，如图4所示。

图3　等值电路模型

图4　等值电路模型

图中：XS为500 kV变压器外部系统等值电抗；XT为分区变压器等值电抗，取值为分区所有500 kV变压器的并联电抗；XTL为负荷侧220 kV/110 kV等值变压器电抗；XL1为500 kV变压器到负荷侧220 kV变压器之间线路等值电抗，负荷一般通过2～3段线路与500 kV变压器低压侧相连，选取线路长度的平均值的2倍作为其等效距离；XL2为分区内电源到负荷侧220 kV变压器线路等值电抗。与分区变压器相比，分区内部电源和负荷之间的距离较近，且通常一个电源功率输送给周边多个负荷，因此其等效的电气距离较短，选取其等效距离为XL1的1/2，TTG为分区内电源升压变压器等值电抗，根据分区内电源容量确定。

设分区发电量为SG，负荷为PL，忽略损耗，以变压器N-1后变压器满载时的负荷量确定220 kV/110 kV变压器容量时有

PL=SG+(N-1)SN

(5)

因此图中各参数为

XL1=XL×L1

XL2=XL×L2

(6)

X=(XS+XT+XL1)//(XTG+XL2)+XTL

(7)

因此可得负荷极限为

(8)

2.2模型验证

选取北京电网验证模型的准确性，北京电网包括6个分区，分区变压器台数3～6台，负荷功率因数0.98，仿真选择负荷按固定功率因数增长方式，负荷为恒功率模型。取电网典型参数SB=1 000 MVA，UB=525 kV ，系统侧短路电流IS=50 kA，因此可得XS=0.02。500 kV变压器、分区内部电源升压变压器选择Uk%=0.15，负荷侧变压器的Uk%=0.12，XL=0.006 p.u./km，负荷侧变压器容量Sn=300 MVA，每条线路热稳极限为300 MW，北京电网线路平均长度10 km，L1取20 km，L2取10 km，因此可根据不同分区发电量和负荷量计算静态电压稳定极限。计算朝顺通分区正常方式下、安兴分区在兴都1号变压器检修方式下、昌城分区海淀2号变压器检修方式下、通安分区新通2号变压器检修方式下和兴房门分区门头2号变压器检修方式下的静态电压稳定极限，理论计算和仿真结果如表1所示。

由表1可知，理论模型和实际仿真间误差在10%以内，满足工程计算的要求。此外，分区等值模型为单通道结构，朝顺通分区正常运行方式下其结构为3个变电站带一片负荷区域，其误差为1.3%，因此可知对于静态电压稳定极限计算而言，分区由多通道供电的结构并不会增大等值模型的误差。

表1　理论和仿真计算对比/MW

2.3电压稳定约束下的受电极限

通过上述模型可知，由电压稳定约束下的下网极限Pmax为

首先分析分区发电量对其影响，图5为负荷极限和分区下网极限随分区发电量的变化曲线。由图中可知随着分区发电量的增加负荷极限增加，但是下网极限却随之而降低，因此可知在其他网络不变的情况下，分区电源的增多并不能增加分区的下网极限。

图5　分区受电极限分析

3分区受限方式分析

分区受电极限同时受到变压器容量制约，分区电网负荷由500 kV 主变压器和接入220 kV 分区电网的地方电源共同供电。分区电网受电极限取决于500 kV 变电站的配置情况、分区电网的电源容量、分区电网结构。假设同一变电站只配置同类型的变压器，分区受电极限考虑500 kV 主变压器N-1 后其余主变压器过载30%情况，则受变压器容量制约下的受电极限为

P=1.3SN×(N-1)

(9)

式中：SN为500 kV变压器容量；N为分区主变压器台数。在不同的变压器台数下计算静态电压稳定极限，与此台数下的热稳极限对比，可以得出分区的受电的受限方式；考虑到不同线路长度、变压器容量、负荷功率因数和分区内部电源接入容量影响因数，得到了不同网络结构下受限方式与变压器台数之间的关系。

3.1线路长度对受电极限的影响

取变压器容量1 200 MVA，功率因数为0.98，考虑线路不同长度10 km、20 km、30 km、40 km，分区发电为0，根据上述公式计算出不同变压器台数下的热稳定极限和静态电压稳定极限，结果如表2所示。

表2　不同线路长度下热稳和静态电压稳定极限

图6　不同线路长度下的受电极限

由表2和图6可知，变压器台数增加、线路变短，等值阻抗都减少，下网极限增加。当分区等值线路长度为10 km时，分区变压器台数超过4台，则分区受静态电压稳定限制。线路长度为20 km时，分区变压器超过3台，则分区受静态电压稳定限制。线路长度为30 km时，分区变压器超过3台，则分区受静态电压稳定限制。线路长度为40 km时，分区变压器超过2台，则分区受静态电压稳定限制，若考虑串联电抗器，可在相应长度中减去。

3.2变压器容量对受电极限的影响

取线路长度20 km，功率因数为0.98，考虑变压器容量750 MVA、1 000 MVA、1 200 MVA，分区发电量设为0，得到不同变压器容量下分区受限方式与变压器台数之间的关系。

表3　750 MVA下受限方式对比

表4　1 000 MVA受限方式对比

表5　受限方式变化的临界变压器台数

由表3～表5可知，随着变压器容量的增加，出现静态电压稳定问题对应的变压器台数下降。变压器容量为750 MVA时，变压器台数多于6台时，分区受限方式为电压稳定。变压器容量为1 000 MVA时，变压器台数多于4台时，分区受限方式为电压稳定，容量为1 200 MVA时，分区变压器台数多于3台时，分区受限方式为电压稳定。

3.3负荷功率因数对受电极限的影响

线路长度20 km，变压器容量为1 200 MVA，分别取负荷功率因数为0.97、0.95、0.9和0.8，分区发电量设为0，计算热稳极限和静态电压稳定极限结果如表6所示。图7为两种极限随变压器台数变化的对比图。

表6　不同功率因数下热稳极限和静态电压稳定极限

如图7可知，功率因数为0.97时，变压器超过3台，则受限方式为电压稳定。当功率因数为0.95时，变压器台数超过2台则存在电压稳定问题。当功率因数低于0.95时，则分区由静态电压稳定制约。

图7　不同功率因数下受限方式对比

3.4分区内电源对受电极限的影响

一般分区内都存在电源以提供无功支撑，计算了分区电源不同接入容量下，分区的热稳极限和静态电压稳定极限。对比得出了分区内不同发电量下受限方式和变压器台数之间的规律，如表7所示。

表7　不同分区发电量下的热稳极限和电压极限对比

表8　受限方式变化的临界变压器台数

注：变压器容量1 200 MVA

表8为受限方式变化的临界变压器台数。从表8可知，分区电源增加可以改善由静态电压稳定导致受电限制问题。此外，对于目前的受端电网负荷不断增加，同时迫于环境的压力需要减少分区内发电，则相应也需调整降低分区变压器台数，避免出现电压稳定问题。

4结论

对典型受端电网分区进行了建模，从理论上分析网络结构对分区静态电压稳定性的影响；在此基础上分析其与热稳定之间的关系，从而得出了分区电网受限方式与变压器台数之间的变化规律：变压器台数较低时分区受电受热稳制约，台数较高时受静态电压稳定制约，对于不同的分区情况，对应的变压器临界台数不同。针对北京电网各分区发电量0～2 500 MW情况，确定其分区受限方式变化对应的变压器台数在4～7台之间，高于上述台数分区受电极限受静态电压稳定制约，低于上述台数分区受电极限则由变压器热稳定制约。针对具有不同结构特性的电网，上述变压器台数略有变化，应视具体情况而定，但分析方法仍然适用。

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中图分类号：TM71

文献标志码：A

文章编号：1003-6954(2016)02-0049-05

(收稿日期：2015-12-08)