電網供電能力評估研究

杜貴和,王正風,趙 新

（1.安徽省電力公司,安徽 合肥 230022;2.沈陽供電公司,遼寧 沈陽 110811）

確保電網的安全穩定運行和對用戶的可靠供電是電網生產運行管理部門最關注的內容[1-2],也是電網公司承擔的重要社會職責,而電網的供電能力是電網公司對社會責任的最終表現形式之一。在《電力系統安全穩定導則》[3]中將電力系統承受大擾動能力的安全穩定標準分為三級。第一級標準為保持穩定運行和電網的正常供電;第二級標準為保持穩定運行,但允許損失部分負荷;第三級標準為當系統不能保持穩定運行時,必須防止系統崩潰并盡量減少負荷損失。由此可見,電網的供電能力評估至關重要,是電網運行管理者必須關注的問題。特別是隨著智能電網的建設,電網公司的供電能力是建設智能電網成敗的關鍵之一[4-8]。

電網的供電能力評估包括電網網架的供電能力評估和電網運行方式安排供電能力評估兩個部分。電網網架供電能力是實現對用戶供電需求的前提和保證,是電網運行規劃部門進行電網規劃和改造所考慮的重要因素,只有堅強的電網網架才能滿足對用戶的可靠供電,因此堅強的電網網架是電網運行方式安排合理的前提和基礎。而電網運行方式供電能力評估是電網調度運行管理人員安排電網運行方式合理與否的“試金石”,合理的電網運行方式安排應能保證對用戶的供電、N-1元件事故下不出現限電、不損失負荷。

1 電網安全穩定第一級標準

《電力系統安全穩定導則》是電網運行管理者遵循的規范,電網運行必須滿足其規定的要求。《電力系統安全穩定導則》規定電網第一級安全穩定標準必須滿足對用戶的正常供電,電網第一級安全穩定標準是指電網擾動在下述元件受到擾動后,保護、開關及重合閘正確動作,不采取穩定控制措施,必須保持電力系統穩定運行和電網正常供電,其他元件不超過規定的事故過負荷能力,不發生聯鎖跳閘[3]。這些擾動具體如下。

a.任何線路單相瞬時接地故障重合成功。

b.同級電壓的雙回線或環網,任一回線單相永久故障重合不成功及無故障三相斷開不重合。

c.同級電壓的雙回線或環網,任一回線三相永久故障斷開不重合。

d.任一發電機跳閘或失磁。

e.受端系統任一臺變壓器故障退出運行。

f.任一大負荷突然變化。

g.任一交流聯絡線路故障或無故障斷開不重合。

h.直流輸電線路單極故障。

供電能力評估是指電網運行能否滿足事故后對用戶的可靠供電,即滿足電網運行的第一級安全穩定標準。特別是隨著電網公司承擔社會責任的增大,保障對社會和用戶的供電可靠性已愈加重要,因此對電網事故后的供電能力評估至關重要。需要強調指出的是,在供電能力評估中,設置故障集,必須要包含《電力系統安全穩定導則》所包含的各種故障,特別需要對受端系統的發電機跳閘和變壓器故障退出故障進行供電能力評估。

2 電網網架供電能力評估

應用當前系統的電網結構、負荷預測系統以及電源建設的相關數據,實現對電網的供電能力評估。電網網架的評估流程如圖1所示。

圖1中各流程框的含義如下。

a.電網正常方式網架。電網全接線方式的電網網架結構,也包括對未來電網的發展規劃結構,通常采用典型高峰運行方式和最大高峰運行方式。

b.機組及負荷數據。包括當前電網機組和未來電網機組的發電數據,當前電網的最大高峰負荷、典型高峰負荷數據,未來電網的最大高峰負荷、典型高峰負荷數據。

圖1 電網網架供電能力評估流程

c.穩定計算分析。針對電網的網架、發電機數據和負荷數據進行電網安全穩定分析,目前根據《電力系統安全穩定導則》的要求,對電網的安全要求包括3方面的穩定計算,即功角穩定、熱穩定和電壓穩定。對于功角穩定和熱穩定,目前電網運行人員采用電網控制斷面來進行穩定計算分析,通常這種控制斷面包括熱穩定和暫態穩定2個方面,以二者嚴重的作為穩定控制斷面的潮流極限,便于電網調度運行人員控制電網潮流分布。由于電壓穩定更多地與無功功率相關,同時由于無功電源的多樣性,電壓穩定可以采用就近安裝無功電源的辦法來解決,包括就地安裝并聯電容器、靜止補償器SVC等,目前無論從電網規劃還是從電網實際調度運行來說,在電網網架結構中并沒有將電壓穩定作為決定性的因素進行考慮。在制定電網規劃時,最主要的考慮是暫態穩定和熱穩定,因此電壓穩定對電網結構和規劃造成的影響在此不作詳細討論。

d.熱穩or暫穩限額＞傳輸功率。輸電網目前多數是環網形式,因此對于穩定計算給出的限額包括輸電向受電區的限額,也包括環網之間或區域之間的輸電斷面傳輸功率。若給出的穩定限額不滿足傳輸功率的要求,則是網架存在問題,應該調整網架,轉a,否則轉e。

e.受端電網+熱穩定限額。若給出的是受端電網,并且其給出的是熱穩定限額,則需要繼續考慮電網是否存在結構問題,轉f;給出的暫態穩定限額,或非受端電網,表明電網已滿足限額大于輸電功率要求,電網網架是合理的,轉j。

f.熱穩定限額/1.3＞負荷。當是對受端電網給出的熱穩定限額時,需要判斷將限額除以1.3獲得的傳輸功率限額能否大于負荷,這主要是因為熱穩定限額是考慮了電力設備事故后30 min過負荷能力。若傳輸限額大于用電負荷,則網架結構合理,轉j;若傳輸限額小于用電負荷,則需要判斷受端電網是否存在調節手段,如倒負荷、低一級電網的網架結構能否調整等,轉i。

g.電網網架不足信息。當給出的熱穩定限額/1.3后仍小于受端電網用電負荷,并且受端電網不存在調節手段,則表明受端電網不能滿足事故30min后的用電需求,電網網架存在不足,需要重新調整網架。

h.優化電網網架。根據電網規劃優化軟件進行電網網架的優化,優化后轉a。

i.采取控制措施。主要是指在受端通過電網調節手段,如倒負荷、低一級電網的網架結構至滿足受端電網用電需求。

j.網架合理。滿足了上述的條件,則認為電網網架是合理的,能滿足對用戶的正常供電需求。

3 電網運行方式安排供電能力評估

3.1 WAMS系統及其在電網運行方式安排中應用

近些年隨著同步相量測量單元（PMU）的出現,以及在此基礎上建立的WAMS系統,實現了對電網的動態監測和在線穩定計算分析,從而為電網調度運行人員提供電網實時運行狀況和電網運行的在線預決策信息,增強了電力調度運行人員駕馭電網運行的能力。鑒于此,國家電力調度通信中心和國家電網公司先后下發《關于加強廣域相量測量系統建設及實用化工作的要求》[9]和《電力系統實時動態監測系統技術規范》[10]指導各網省公司的WAMS系統建設。在基于WAMS系統高級應用功能逐漸成熟的基礎上,國家電力調度通信中心在2008年又下發了《在線安全穩定預警系統功能規范》[11]。2009年國家電力調度通信中心在國家電網公司智能電網建設的號召下,又下發了《智能電網調度技術支持系統建設框架》[12],明確指出了智能電網調度技術支持系統包括“一個平臺,四個應用”,即在一個基礎平臺上實現實時監控與預警、調度計劃、安全校核和調度管理等四大類核心應用。目前國內很多網省公司都根據國家電力調度通信中心的要求建設完成了WAMS系統。可進一步將WAMS的高級計算分析功能推廣應用至電網的運行方式的預安排上,從而為電網調度運行管理人員進行合理的電網方式安排提供指導。WAMS系統的高級在線計算分析功能包括在線狀態估計、在線低頻振蕩在線分析、在線靜態安全分析、在線熱穩定計算分析、在線暫態功角穩定計算分析、在線暫態電壓安全計算分析以及與之相適應的預防控制輔助決策等。

3.2 電網運行方式安排

在電網規劃合理后,我們還需要根據電網的實際運行情況,如電力設備的檢修、停運,新設備的投運等都會對電網的安全穩定以及對用戶的供電能力造成影響。電網運行方式安排的流程圖如圖2所示。

圖2各流程框的含義如下。

a.電網實時模型。利用WAMS系統獲得當前電網的網架結構。

b.電氣設備一次方式安排。電網電氣設備一次方式安排是根據電網電氣設備運行情況,安排包括發電機、線路、變壓器、母線、開關等設備的檢修,也包括各種新設備的投運,這些電網的正常運行操作都會對電網的安全穩定產生一定的影響。

圖2 電網運行方式安排評估流程圖

c.穩定計算分析。針對電網電氣設備一次方式的改變,電網調度運行人員需要進行電網控制斷面的穩定計算分析,通過這種控制斷面包括熱穩定和暫態穩定兩個方面,以二者嚴重的作為穩定控制斷面的潮流極限,便于電網調度運行人員控制電網潮流分布。

d.母線負荷預測。母線負荷預測功能是根據歷史用電負荷情況,對未來用電負荷的預測。通常所采用的負荷預測通常為明日96點的負荷預測或一周內的短期負荷預測,將這些母線負荷的預測值作為基礎數據進行發電計劃安全校核和供電能力評估的基礎數據。

e.發電計劃安排。根據發電企業與電網公司簽訂的發電合同以及電網運行方式進行發電計劃安排,確保有功功率平衡,保障用戶可靠用電。

f.發電安全校核。根據自動獲取的網絡拓撲信息,穩定計算給出的穩定控制斷面,母線負荷預測提供的各節點母線明日96時段的負荷預測或一周內各節點母線的負荷預測以及發電計劃安排,進行安全校核及裕度校正,校核各種預想運行方式下潮流控制斷面能否滿足負荷用電需求。若滿足,轉g;若安排的發電計劃不能滿足安全校核的需要,首先調整發電計劃安排,若調節發電計劃安排仍不能滿足安全校核需要,則轉b,調整電網一次方式安排。

g.熱穩or暫穩限額判斷。若給出的限額是暫穩限額,則運行方式安排合理,轉l;若給出的限額是熱穩限額,則轉h。

h.受端電網限額判斷。若給出的熱穩限額是針對熱穩定的,轉i,否則電網運行方式安排合理,轉l。需要說明的是,由于電網運行方式的轉變,受端電網不是固定不變的,而是隨機組運行方式、負荷變化而變化的。

i.熱穩定限額/1.3＞負荷。該部分意義同圖1,即當熱穩定限額/1.3大于負荷需求時,則電網運行方式安排合理,轉l;當熱穩定限額/1.3小于負荷需求時,則需要判斷受端電網是否存在調節手段,轉j。

j.存在控制受端判斷。當熱穩定限額/1.3小于負荷需求時,則需要判斷受端電網是否存在調節手段,若不存在,轉b;存在控制手段,轉k。

k.采取控制措施。主要是指在受端通過電網調節手段,如倒負荷、低一級電網的網架結構滿足受端電網用電需求。

l.方式安排合理。在滿足上述調節后,則電網調度運行人員安排的方式是合理的,能保障對用戶的可靠供電。

4 結束語

電網的供電能力評估是電網運行管理者必須關注的問題,也是電網運行管理者所面臨的社會責任。從《電力系統安全穩定導則》提出的第一級安全穩定標準入手,提出從電網規劃角度和電網運行方式安排角度對電網的供電能力進行評估,從而為電網調度運行管理人員提供合理有效的信息,增強電網抵御大擾動的能力,提高電網的安全水平。這也是和國家電網公司構建的智能電網建設框架的目標是一致的。

[1] 王梅義,吳競昌,蒙定中.大電網系統技術[M].北京：中國電力出版社,2000.

[2] 王錫凡.現代電力系統分析[M].北京：科學出版社,2003.

[3] 中華人民共和國國家經濟貿易委員會.電力系統安全穩定導則[S].DL 755—2001.

[4] 胡學浩.智能電網——未來電網的發展態勢[J].電網技術,2009,33（14）：1-5.

[5] 余貽鑫.面向21世紀的智能配電網[J].南方電網技術研究,2006,2（6）：14-16.

[6] 余貽鑫,欒文鵬.智能電網[J].電網與清潔能源,2009, 25（1）：7-11.

[7] 陳樹勇,宋書芳,李蘭欣,等.智能電網技術綜述[J].電網技術,2009,33（8）：1-8.

[8] 謝 開,劉永奇,朱治中,等.面向未來的智能電網[J].中國電力,2008,41（6）：19-22.

[9] 國家電力調度通信中心.關于加強廣域相量測量系統建設及實用化工作的要求[S].北京：國家電力調度通信中心,2005.

[10] 國家電力調度通信中心.電力系統實時動態監測系統規范[S].北京：國家電力調度通信中心,2006.

[11] 國家電力調度通信中心.在線安全穩定預警系統功能規范[S].北京：國家電力調度通信中心,2008.

[12] 國家電力調度通信中心.智能電網調度技術支持系統建設框架[S].北京：國家電力調度通信中心,2009.