節能調度對大受端電網電壓穩定影響評估①

謝 棟， 嚴 正， 林 一， 俞旭峰， 俞國勤

(1.電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室， 上海交通大學電氣工程系， 上海 200240；2.上海市電力公司技術與發展中心， 上海 200025； 3.上海市電力公司， 上海 200122)

節能調度對大受端電網電壓穩定影響評估①

謝 棟1， 嚴 正1， 林 一2， 俞旭峰3， 俞國勤2

(1.電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室， 上海交通大學電氣工程系， 上海 200240；2.上海市電力公司技術與發展中心， 上海 200025； 3.上海市電力公司， 上海 200122)

：隨著電網的不斷發展，逐步推行節能調度已是大勢所趨，因此預先分析節能調度對上海電網安全穩定的影響具有重要的指導意義。文中在上海現行電網基礎上，從節能調度數學模型入手，針對上海電網是個大受端電網的特點，從N-1校核、靜態電壓穩定、暫態電壓穩定等方面，研究分析節能調度對上海電網電壓穩定的影響，找到上海電網實施節能調度后電網的薄弱區域以及可能會引起暫態電壓失穩的故障方式及對策。研究結果可為節能調度在上海電網的開展以及如何確保上海電網的安全穩定運行提供一定的參考價值。

節能調度； 大受端； 靜態電壓穩定； 暫態電壓穩定

2007年8月，國務院辦公廳轉發了國家發展改革委、環保總局、電監會及能源辦聯合發出《節能發電調度辦法(試行)》(國辦發〔2007〕53號)[1]，明確提出改革現行調度方式，開展節能發電調度。節能調度是電力行業實現節能減排的重要措施之一，它要求在電力系統安全穩定運行和連續供電的基礎上，最大限度地減少資源的消耗和污染物的排放，它對于推動國民經濟又好又快發展，具有重要的現實意義。目前，節能調度處于試行階段，各省市開展了大量的研究，其實施細節、調度方法、配套措施等都是研究的熱點[2]，但是目前對于節能調度的研究絕大部分停留在政策的解讀[3～6]和經濟性的研究[7～9]上，對于節能調度后電網能否安全穩定運行等問題并沒有太多的研究。然而，從安全性的角度研究節能調度，從而為其提供措施和建議，是轉向節能調度時迫切需要面對和回答的問題。

上海電網位于華東電網的末端，是一個典型的大受端交流系統，截至2008年末，受電比例高達36.5%，而且交直流系統的相互影響、負荷的持續增長都給電網的安全性帶來嚴重威脅。那么，在上海開展節能調度勢必會面臨其他省市所未曾面臨的安全性問題，電壓穩定是最為嚴峻的問題之一。因此，本文首先簡單敘述了適于上海電網大受端系統的節能調度數學模型及求解方法，然后依次從N-1校核、靜態電壓穩定、暫態電壓穩定等幾個方面研究了節能經濟調度對上海電網大受端運行方式下的電壓安全穩定問題，并給出了建議和措施。

1 節能調度數學模型

1.1 數學模型

節能日前調度是一個最優化問題，即在一定的約束條件下，確定某些控制變量的合理取值，使所選定的目標達到最優。本文選用直流模型，此處主要考慮火電機組，目標函數為總的煤耗量最小。目標函數如下：

(1)

盡管優化目標隨著電力工業模式的變化而有所不同，但機組組合所要考慮的約束條件是基本相同，有如下約束條件。

1)系統節點功率平衡約束

(2)

2)旋轉備用約束

(3)

3)機組最大、最小出力約束

(4)

4)機組增、減出力速率約束

當機組增出力時：

(5)

當機組減出力時：

(6)

5)線路傳輸容量約束

(7)

其中：i=1，…，N；t=1，…，T。

1.2 模型求解

節能日前調度問題是一類包含離散變量(如機組啟停狀態)和連續變量(如機組有功出力)的高維、離散、非凸的動態混合整數非線性優化問題，本文采用基于內點法的混合整數規劃法求解。

1.3 負荷經濟分配

節能日前調度可分為確定啟停機組和負荷經濟分配(ED)兩個子問題。二者緊密相聯，確定的啟停機組必須滿足能實現負荷經濟分配，而后者又能進一步優化目標函數，只有在兩個問題都得到解決時，整個問題才算求解完成。在不考慮網絡約束時， ED可用等耗量原則近似處理，由于ED的實質是最優潮流，可用內點法求解。

2 節能調度后潮流分析

2.1 節能調度后電網狀況

本文對2009年8月12日21:00:00-2009年8月13日21:00:00這一夏季高峰時段進行96點的節能調度分析，選用該天最高負荷這一時間斷面做節能調度后的電壓穩定評估。該天的最高負荷為23654.4 MW，節能調度后網內機組出力14096 MW，網外受電9558.4 MW。節能調度后，煤耗量較大的小機組出力有了一定的減小(石洞口發電廠3#機組)，甚至有些小機組給關停(吳涇熱電廠3#機組、楊樹浦發電廠的22#機組)煤耗量較小的大機組出力有了明顯的增加(石洞口燃機電廠2#機組)，許多大機組都處于滿出力或接近滿出力運行(外高橋第二發電廠7#機組)。

2.2N-1校核

對實施節能調度后的上海電網進行N-1校核，得到以下結論：

1)電壓越限節點主要集中在黃渡、泗涇、南橋和顧路分區。其中，黃渡、泗涇、南橋分區的越限節點集中在500 kV網架，且越電壓下限(0.95p.u.)；顧路分區的越限節點集中在220 kV及以下網架，且越電壓上限(1.052p.u.)。

2)斷開南橋-汾湖單線(5902)，會引起黃渡站、南橋站、泗涇站500 kV節點越下限，是一個較為嚴重的故障，原因是黃渡、南橋、泗涇分區都是負荷中心，受聯絡線的影響較大。

3)無輸電線路潮流越限情況發生。

3 節能調度對靜態電壓穩定性的影響

本節校核節能調度前后各種正常和檢修方式下上海500 kV電網薄弱點靜態電壓穩定水平，分析節能調度對上海電網靜態電壓穩定性的影響。

3.1 正常運行方式

上海西部電網的黃渡、泗涇分區，除泗涇分區的吳涇二廠，基本上屬于純降壓受電電網，且降壓負荷較大，片內既缺乏有功電源，也缺乏無功電源，屬于上海500 kV電網的電壓薄弱點。表1是500 kV黃渡站靜態穩定水平情況表，圖1是500 kV黃渡站的PV曲線比較圖。

表1 500 kV黃渡站靜態電壓穩定水平表Tab.1 Static voltage stability level of500 kV Huangdu Station

注：節能調度后(1)代表不考慮機組起停；節能調度后(2)代表考慮機組起停。

圖1 節能調度前后500 kV黃渡站的PV曲線比較Fig.1 Comparison of PV curves of 500 kV Huangdustation for pre-and post-ECBD

2009年上海電網通過三個交流通道從華東主網受電，與系統聯系較為緊密；同時上海地域較小，網內500 kV線路較短，各500 kV變電站聯系也較為緊密，因此即使是電壓較為薄弱的西部電網黃渡站，其靜態電壓穩定水平也能滿足規程要求。節能調度后，靜態電壓穩定裕度Kv%和有功的靜態穩定極限比節能調度前略有提高，且Kv%均超過10%；是否考慮機組起停對結果沒有較大的影響。

3.2N-1運行方式

對節能調度后，系統可能會出現的某些關鍵主變和交流線路檢修的N-1運行方式下的靜態電壓穩定問題進行了研究。研究結果發現對系統影響較大的均是500 kV變電站1臺主變退出運行的情況。表2是節能調度后，考慮機組起停的情況下，500 kV泗涇站正常運行和影響最大的N-1運行這兩種方式下的靜態電壓穩定水平對比表。

表2 500 kV泗涇站靜態電壓穩定水平表Tab.2 Static voltage stability level of500 kV Sijing Station

從表2中可以看到，節能調度后，影響最大的N-1運行方式下，泗涇站的電壓靜穩裕度Kv%超過8%，也滿足規程的要求。

4 節能調度對暫態電壓穩定性的影響

在電力系統發生故障等大擾動后，伴隨著系統處理事故過程中發電機之間的相對搖擺，負荷母線電壓發生波動，導致暫態電壓不穩定或者暫態電壓跌落。本節將研究節能調度后暫態電壓穩定問題。

4.1 交流系統故障

上海電網交流系統第一級標準故障對系統暫態電壓穩定的影響，主要考慮如下兩種對系統安全穩定性有較大影響的第一級標準故障進行考核：

1) 500 kV雙回線三相永久性故障斷開不重合；

2)大容量機組跳閘故障。

研究結果表明，節能調度后，上海電網幾乎所有的500 kV線路發生三相短路都會引起2個逆變站同時發生換相失敗，但如果能在0.1 s內將故障切除，則直流系統都能快速脫離換相失敗，經500 ms左右系統均能恢復到原來的輸送功率。說明節能調度后，上海電網有較強的穩定性。

此外，上海電網內發生大容量機組跳閘事故，系統也能保持較好穩定性。圖2是外高橋三廠2×1000 MW機組1 s時發生跳閘故障，上海電網500 kV網架主要節點電壓變化曲線以及石洞口二廠2#機組發出的有功無功變化曲線。從圖中可以看到，上海電網內部切除大容量機組事故后，上海電網500 kV電壓降至0.95p.u.左右，電壓變化幅度約為-1.3%。在暫態過程中電網電壓有微小波動。為維持故障后電網功率的平衡，上海電網網內其他大容量機組(比如石洞口二廠2#機組)所發出的功率都有不同程度的振蕩，其中在動態過程中，有功功率變化不大，僅僅在故障發生后0.3 s左右有個大幅度的功率增額，隨后恢復到故障前水平。但為平衡大容量機組跳閘所導致的無功缺額，網內其他機組發出的無功功率有明顯的增加。

(a) 500 kV節點電壓變化曲線

(b) 石洞口二廠2#機組發出的有功無功曲線圖2 外高橋三廠2×1000 MW機組1 s跳閘相關曲線Fig.2 Curves when two 1000 MW units tripped

4.2 直流系統故障

直流系統閉鎖故障尤其是多回直流同時發生閉鎖故障，將導致系統內大規模潮流的轉移，可能引起系統內局部母線出現低電壓，在嚴重的情況下，可能會導致系統失穩。

節能調度后，上海電網的總負荷為23654.4 MW，華新、南橋直流雙極閉鎖功率占總負荷的比例分別為4.57%和11.43%。研究結果表明，上海電網任一換流站發生雙極閉鎖時，將引起整個上海電網500 kV網架電壓水平有所下降，但整個暫態過程中電壓均高于0.9p.u.，系統能保持暫態穩定。期間，上海與區外500 kV聯絡線的輸送潮流增大，外高橋、石洞口發電機發出的無功有功均有所增加。上海換流站雙極閉鎖后，上海電網將瞬時缺失1120～2800 MW的有功功率，這部分功率大多需要通過與華東的聯絡線通道送入上海，其余少量由上海電網的發電機組旋轉備用發出。直流故障后，總體呈現無功損耗增加、系統電壓普遍降低，為維持故障狀態的無功平衡，在動態過程中發電機的勵磁電壓上升，發出的無功功率增加，并盡量維持機端電壓不變。圖3是華新換流站發生雙極閉鎖時，上海電網500 kV網架主要節點電壓變化曲線。

圖3 華新直流雙極閉鎖時500kV節點電壓曲線Fig.3 Voltage curves of 500kV buses whenHuaxin bipolar block

4.3 交直流系統復故障

當一回或者兩回直流同時發生雙極閉鎖，由于潮流轉移，上海500 kV網架交流線路及省際聯絡線可能會出現潮流重載，甚至過載，如果此時部分交流線路跳開，是否會引起上海電網的暫態電壓穩定的問題，這是關系到上海電網安全穩定運行的重大問題。本節考慮系統極端運行情況下系統的暫態電壓穩定性問題。研究結果發現：

1)華新、南橋兩回直流雙極閉鎖，汾湖-南橋跳單線，系統動態穩定，故障切除后黃渡站中長期電壓水平為0.920 p.u.。

2)華新直流雙極閉鎖、汾湖-南橋跳雙線，系統出現動態不穩，故障切除后黃渡站中長期電壓水平為0.899 p.u.。

3)華新、南橋兩回直流雙極閉鎖，昆太-徐行跳雙線，系統出現動態不穩，故障切除后黃渡站中長期電壓水平為0.890 p.u.。

4)華新、南橋兩回直流雙極閉鎖，汾湖-南橋跳雙線，系統出現動態不穩，故障切除后黃渡站中長期電壓水平為0.892 p.u.，泗涇站為0.865 p.u.，南橋站為0.875 p.u.。

由以上結論可知，汾湖-南橋省際聯絡線關系到整個上海電網的安全穩定運行，是一條關鍵線路，特別是當兩回直流同時發生閉鎖時，跳開汾湖-南橋線，會引起動態電壓不穩。黃渡站、泗涇站、南橋站是整個上海電網的薄弱區域，需安裝動態無功補償裝置提高其暫態穩定性。

5 結論

本文研究了節能調度對上海大受端交流系統電壓穩定的影響，得到以下結論：

1)節能調度后，N-1運行方式下，可能會出現節點電壓越限(主要在黃渡、泗涇、顧路等分區)，但無支路潮流越限情況發生。

2)節能調度后，正常運行方式下，靜態電壓穩定裕度和有功裕度均比節能調度前有略微提高，符合安全穩定規程的要求。對系統影響最大的N-1運行方式均為500 kV變電站1臺主變退出運行，靜穩裕度也滿足規程要求。

3)節能調度后，單一交流系統故障或直流系統閉鎖，上海電網均能保持暫態電壓穩定，但是當發生交直流系統復故障時，可能會發生失穩。

[1] 國務院辦公廳. 國務院辦公廳關于轉發發展改革委等部門《節能發電調度辦法(試行)》的通知[EB/OL].http://www.gov.cn/gongban/comtent/2007/content_744115.htm, 2007.

[2] 黃良寶，朱忠烈，王崢(Huang Liangbao，Zhu Zhonglie，Wang Zheng)．節能發電調度對華東電網規劃的影響研究(Influence of energy-saving generation dispatching on East China Power Grid planning)[J].華東電力(East China Electric Power)，2009，37(5)：686-690．

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AssessmentonInfluenceofEnergy-conservationBasedDispatchonVoltageStabilityofLargeReceiving-EndGrid

XIE Dong1， YAN Zheng1， LIN Yi2， YU Xu-feng3， YU Guo-qin2

(1.Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion, Ministry of Education, Department of Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2.Technology and Development Center of SMEPC, Shanghai 200025, China;3.Shanghai Electric Power Company, Shanghai 200122, China)

With the development of power grid, the energy-conservation based dispatch (ECBD) has become an irresistible trend; therefore, it's very meaningful to analyze the impacts due to the ECBD on the security and stability of Shanghai power grid. In this paper, the ECBD model is presented and applied to the Shanghai power grid. According to the fact that Shanghai power grid is a large receiving-end system, this paper studies the impact of ECBD on Shanghai power grid from several aspects, such asN-1 check, static voltage stability and transient voltage stability and so on. In addition, this paper also finds out the weak areas in Shanghai power grid after ECBD, and the faults which may cause transient voltage instability. The results are very useful for the implementation of ECBD in Shanghai power grid and ensuring the security and stability of Shanghai power grid.

energy-conservation based dispatch(ECBD)； large receiving-end； static voltage stability； transient voltage stability

2009-10-12

2009-11-12

TM72

A

1003-8930(2011)02-0045-05

謝 棟(1984-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統穩定分析、高性能計算。Email:xiedong1984@sjtu.edu.cn

嚴 正(1964-)，男，教授，博士生導師，研究方向為電力系統優化運行、電力系統穩定分析、電力市場。Email:yanz@sjtu.edu.cn

林 一(1969-)，男，碩士，高級工程師，研究方向為電力系統運行分析。Email:epyqliu@scut.edu.cn