北京電網低壓合環問題分析

王 衛，高 琨

（北京市電力公司調度通信中心，北京 100031）

0 引言

隨著電網建設的不斷發展，北京電網內各電壓等級的變電站之間的聯絡越來越復雜，特別是五大分區供電格局形成后，區域性供電特點日趨明顯。電網的發展使得運行方式更加靈活和多樣，由于220 kV電源點深入市區、區域機組容量不同、各區網架機構差異、主變壓器負載不均勻、保護配置等原因，低壓合環環流問題突出。

環網接線方式在停電檢修、突發事件或負荷轉移時，通過合、解環操作可以減少停電時間，提高供電可靠性，但由此引起的環流對電網的安全運行有很大的影響，有可能因為環流過大而導致線路或主變壓器掉閘。目前情況是，調度員能夠對220 kV系統合、解環操作前進行潮流計算，而220 kV電壓等級以下系統的合環只能憑經驗決定是否可以進行合、解環，所以很容易造成方法保守，降低系統供電可靠性。為避免這種危險的發生，需要在合環前通過潮流計算對合環系統進行分析和計算，從而有助于運行人員對存在掉閘危險的環流進行運行方式或負荷調整，提高電網供電可靠性[1-3]。

1 合環潮流理論分析

合環分析計算的基礎是電力系統潮流計算，即給定網絡結構、網絡參數及決定電力系統運行狀況的邊界條件確定電力系統穩態運行狀態，電力系統潮流計算在數學上就是要求解一組由潮流方程描述的非線性代數方程組，因此可以用數學上的逐次線性化的方法，即牛頓-拉夫遜法求解，其核心是形成雅可比矩陣并進行迭代計算，在求得各節點電壓后，依據支路阻抗參數計算支路功率以及支路電流。

環網合環操作主要分為同電壓等級的合環和不同電壓等級運行的線路，通過變壓器電磁回路連接而構成的電磁合環。電網合環運行的條件是：①相位一致。如首次合環或檢修后可能引起相位變化，必須經測定證明合環點兩側相位一致。②如屬于電磁合環，則環網內的變壓器接線組別之差為零;特殊情況下，經計算校驗繼電保護不會誤動及有關環路設備不過載，允許變壓器接線差30°進行合環操作。③合環后環網內各元件不致過載;各母線電壓不應超過規定值;繼電保護與安全自動裝置應適應環網運行方式;穩定符合規定的要求。對于兩端電壓大小不等、相位不同的兩端供電網絡，可等值于回路電壓不為零的單一環網，如圖1所示。

圖1 等值環式網絡的等值電路

該網絡為一個兩端供電環網，電源點為節點1和節點4，節點1、節點4的電壓差U&1-U&4=dU&，可得如下的回路方程式：

式中的負荷功率已改變符號。由上式可解得流經阻抗Z12的功率Sa為

由式（3）、（4）可見，兩端電壓不相等的兩端供電網絡中，各線段中流通的功率可看作是兩個功率分量的疊加。其一為兩端電壓相等時的功率，即dU&=0時的功率；另一為取決于兩端電壓的差值dU&和環網總阻抗的功率，即循環功率。各線段流通的功率求出后，即可換算成環網中的各線段流通電流。

在合環潮流分析中，也有根據疊加定理，把合環后的支路潮流分為兩部分疊加而成：一部分是合環之前各支路的初始潮流;另一部分是由合環斷路器兩端電壓相量差引起的均衡潮流在網絡中的分布。無論是哪種方法都可以看出：電壓矢量差對合環潮流分布有重要影響。對均衡潮流分別就電壓幅值差和功角差求偏導數，考慮功角差小于15度和電阻遠小于電抗條件得出：功角差對有功潮流的影響遠大于電壓幅值差對有功潮流的影響，電壓幅值差對無功潮流的影響遠大于功角差對無功潮流的影響。

各節點的負荷功率在合環前后不會發生改變，而合環后兩電源端的電壓則可能發生改變，如兩電源位于不同的變電站母線，合環后由于功率分配發生改變，則必然造成合環前后電壓的改變，因此依據上述方法計算環流就存在合環后兩電源端的電壓差無法獲得的難題，而且在計算中各節點電壓認為是額定電壓，也沒有考慮功率的損耗，所有這些因素將使得采用上述方法計算出來的環流可能有很大的誤差。

在很多合環情況下，合環前后兩電源端的電壓不發生改變的假定還是可行的，如在一個廠站內進行合環操作，負荷功率的重新分配只是在一個廠站內進行，對于該廠站外部網絡來說，廠站負荷并沒有發生改變，因而由系統確定的母線電壓也不會發生改變；另外，如果認為合環所造成的負荷功率重新分配對于系統來說影響很小，對系統沒有太大干擾，則也可以假定合環前后兩電源端的電壓不發生改變，對于大部分合環情況，該假設可能都能成立，從而合環后電源點電壓可以認為已知。為了使環流計算更為準確，則必須采用迭代方法來求解，也就是建議采用一般的潮流計算方法如牛頓-拉夫遜法來求解。然而通常的潮流計算都是把某一個節點認為是Vθ節點，其他節點為PV節點或PQ節點，而在環流計算問題中，如果假定合環前后電源點電壓不發生改變，則至少需要設置兩個節點為Vθ節點，所以需要采用多Vθ節點潮流計算程序。

2 合環操作注意事項

北京電網在110 kV電壓等級及以下多數采用輻射狀模式，也有部分采用環網設計輻射運行的模式，設備檢修和負荷轉移時，常常涉及合環操作。實際環網合環操作中，如果兩路合環電源的上級電源來自同一變電站或同一母線，一般合環電流不大；在同一供電分區內進行低壓合環，合環電流也不會超過熱穩定極限，但低壓有并網電廠情況除外；在不同供電區域合環，一般會有很大的合環電流，必須經過潮流計算才能確定合環電流大小。通常在兩站間低壓線路合環操作應注意的問題有：

1）調度員必須清楚要合環的線路是否處于同一系統，必要時要通過上級調度許可。

2）10kV電壓等級合環時，盡量使合環的兩個變電所的10 kV母線在合環前電壓差在0.1 kV內；110 kV電壓等級合環時，盡量使合環的兩個變電所的110 kV母線在合環前電壓差在1 kV內。

3）合環的兩個變電所上一級供電電源盡量為同一母線，必要時將上級電網先進行合環操作。

4）合環前應進行必要的計算，確保合環的線路不過載。

5）一般情況下盡量在負荷較小時進行合環操作，此時環流較小。

6）對于低壓有并網電廠的線路合環，需要盡量降低電廠機組出力，調整兩側母線電壓幅值，減少合環電流。

7）盡量減少由于低壓合環產生電磁環網，如必須形成電磁環網，應盡可能縮短合環時間。

不同電壓等級的電磁環網會帶來嚴重的的弊端，具體電網風險如下幾個方面：

1）易造成系統熱穩定破壞。如果在主要的負荷中心，用高低壓電磁環網供電而又帶重負荷時，當高一級電壓線路斷開后，所有原來帶的全部負荷將通過低一級電壓線路送出，容易出現超過導線熱穩定電流的問題。

2）易造成系統動穩定破壞。正常情況下，兩側系統間的聯絡阻抗將略小于高壓線路的阻抗。而一旦高壓線路因故障斷開，系統間的聯絡阻抗將突然增大(突變為兩端變壓器阻抗與低壓線路阻抗之和，而線路阻抗的標幺值又與運行電壓的平方成正比)，因而極易超過該聯絡線的暫態穩定極限，導致系統出現振蕩。

3）不利于經濟運行。500 kV與220 kV線路的自然功率值相差極大，同時500 kV線路的電阻值 (多為4×400 mm2導線)也遠小于220 kV線路 (多為2×240 mm2或1×400 mm2導線)的電阻值。在500 kV與220 kV電磁環網運行情況下，許多系統潮流分配難于達到最經濟。目前北京電網內合環會出現500 kV與 110 kV、甚至是10 kV的電磁環網，個別站合環出現跨越多個供電區域的電磁環網。

4）需要裝設高壓線路因故障停運后的連鎖切機、切負荷等安全自動裝置。但實踐說明，安全自動裝置本身拒動、誤動影響電網的安全運行。

3 合環操作建議

隨著北京電網結構日趨復雜，分區供電格局日益細化，不同供電區域間電磁合環屢見不鮮。針對電網低壓合環問題，提出如下建議：

1）對于110 kV變電所站內合環操作，要求110 kV合環斷路器裝設過電流保護，如果該不能裝設過電流保護而母線聯絡斷路器具備過電流保護時，盡量用母線聯絡斷路器進行合環，在110 kV合環操作過程中投入，正常情況下退出運行。如110 kV六圈站，站內110 kV系統合環涉及北京主網第三、五區合環，既可進線斷路器合環，也可母線聯絡斷路器合環，應盡量采用裝設合環保護的母線聯絡斷路器進行合環操作。

2）如果110 kV母線聯絡斷路器沒有裝設母線聯絡斷路器過電流保護，當110 kV在不同分區間調整供電方式時，應采用“先斷后通”的操作方式。對于站內35、10 kV母線分段斷路器合環利用過流保護作為合環操作的后備保護，一般不考慮110 kV側先合環的方式，而采取中、低壓側直接進行合環操作方式。當操作時運行人員應盡量將需合環的兩端段母線電壓盡量調至一致，并以電壓較低側為基準。由于穿越110 kV變壓器合環，大大增加了合環點兩側阻抗，將減少合環電流峰值。

3）35 kV線路合環操作也是要求35 kV變電所的母聯斷路器或進線斷路器裝設過流保護，正常時停用，合環操作前投入。未裝設過流保護的調度戶，按“先斷后通”的方式操作。

4）10 kV線路斷路器合環操作時應防止環流過大而線路斷路器跳開后再次重合，由于無法確定合環斷路器兩側功角大小及合環潮流方向，因此合環前10 kV線路兩側的重合閘均應停用。

5）市調和區調調度員應明確合環操作帶來的電網風險，計算合環電流大小，確保不會出現過載設備，必要時兩級調度聯動調整方式后再合環。

6）應聯系相關單位維護電網中重要合環點的網絡參數和運行數據，保證計算數據的全面和準確。研發低壓合環潮流計算軟件，調度員在合環操作前，有系統、科學、準確的潮流計算工具作為技術支持。

低壓合環可能產生各供電分區間大電磁環網，不利于系統安全穩定運行，《北京電網調度規程》明確要求合環時間盡量縮短，調度員操作時應考慮周到。由于電網內無人站較多，涉及多站合環操作時務必確保各站操作人員均到位后方可合環，調度及運行人員應認真監視并記錄合環潮流。

4 實例分析

以圖1所示系統為例對合環操作進行分析。110 kV六圈站正常運行方式是高六二111斷路器、南六一113斷路器合，分別帶110 kV 4號、5號母線運行，南六二112斷路器、高六一114斷路器斷開備用。其中110 kV高六一線、高六二線上級電源為高井電廠，位于北京電網第五供電分區；110 kV南六一線、南六二線上級電源為220 kV南苑站，位于北京電網第三供電分區。

圖1 六圈站110 kV母線接線圖

在電網設備檢修或其他原因需要六圈站倒方式時，通常是直接合112斷路器、拉111斷路器（或合114斷路器、拉113斷路器），由于上級電源高井電廠和南苑站110 kV母線分屬不同供電分區，電源側兩段母線電壓幅值、相位不等,就可能在合環時產生一個很大的合環功率,當這個合環功率累加六圈站變壓器負載后，可能導致線路功率超過線路熱穩定極限，發生保護跳閘、線路斷線等嚴重影響電網安全穩定運行的事故。如表1所示，記錄了近3次合環電流值。

表1 六圈站高六二、南六二合環相關數據表

從表1可知六圈站站111，112斷路器同時處于合入狀態時，第三供電分區和第五供電分區通過高井電廠－六圈－南苑，即110 kV高六二線－南六二線聯通，有功潮流和無功潮流均由高井電廠流向南苑110 kV母線。三次合環電流由于操作時間不同，電源側母線電壓和相角不同，六圈站內負荷也不同，造成三次合環電流不一致，但最大合環電流達到730 A，已超過110 kV高六二全線的熱穩定極限（部分線路段僅為610 A）。

從每次合環潮流數據中可以看出,影響合環潮流的因素除了傳統上認為的功角差和電壓差,還有系統等值阻抗和負荷水平的影響。因此調度部門還可以通過以下幾種方法來改善現有合環操作風險。

1）盡快研發低壓合環計算軟件，隨著電網發展越來越復雜、分區越來越細化，不能憑經驗合環。

2）采取主變壓器分列運行等措施增加系統等值阻抗。

3）采用更低壓合環，靠串接變壓器增加合環阻抗。

4）改變系統的運行方式,減小斷路器兩側的功角差,這種手段涉及大范圍的有功潮流轉移,實際操作非常困難。

5）同時降低合環斷路器兩側的電壓差，爭取為零。

5 結論

隨著首都電網的不斷發展,運行機組容量越來越大、供電分區越來越細，合環操作將越來越多，風險也會越來越大。在相位正確的情況下,能否進行合環操作,保證輸電能力和用戶供電,有非常重要的實際意義。

通過對合環潮流的分析和實際倒閘操作的總結可以看出,合環潮流主要與合環點的電壓差、相角差、系統等值阻抗和合環前潮流分布等因素有關。因此,在合環操作前,針對這幾個因素進行初步分析,對保證合環安全有重要意義。

［1］夏翔，熊軍，胡列翔.地區電網的合環潮流分析與控制[J].電網技術，2004，28(22)：76-80.

［2］陳珩.電力系統穩態分析[M].北京：水利電力出版社，1985.

［3］鄭廣君，等.北京電網運行方式報告［R］.北京：市電力司公，2009.