冀北電網(wǎng)分區(qū)供電研究

林金嬌，楊金剛，趙煒煒，劉觀起，李群炬，王非

(1.華北電力大學(xué)，河北省保定市071003;2.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京市100045)

0 引言

電磁環(huán)網(wǎng)在新的電壓等級(jí)建成初期有其存在的意義，有利于提高系統(tǒng)供電能力，減少備用容量。而隨著較高電壓等級(jí)電網(wǎng)的發(fā)展和傳輸負(fù)荷的不斷增大，電磁環(huán)網(wǎng)成為電力系統(tǒng)嚴(yán)重的事故隱患。《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》規(guī)定:隨著高一級(jí)電壓電網(wǎng)的建設(shè)，下一級(jí)電壓電網(wǎng)應(yīng)逐步實(shí)現(xiàn)分區(qū)運(yùn)行，相鄰分區(qū)之間保持聯(lián)絡(luò)互為備用。

國(guó)內(nèi)多個(gè)省市結(jié)合各地區(qū)情況已開始了分層分區(qū)的研究和實(shí)施工作。北京負(fù)荷達(dá)16 000MW，為解決大負(fù)荷帶來(lái)的種種問(wèn)題，北京電網(wǎng)將初步分為9個(gè)供電分區(qū)。每個(gè)分區(qū)內(nèi)220kV為雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)開環(huán)運(yùn)行，部分 220kV變電站深入到城市繁華地區(qū)［1］。2012年上海最高用電負(fù)荷達(dá)21 530MW，達(dá)到歷史新高。上海電網(wǎng)現(xiàn)在分為楊行、黃渡、泗涇、南橋以及楊高等9個(gè)分區(qū)電網(wǎng)，解決了從前南北分區(qū)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的短路電流超標(biāo)問(wèn)題［1-2］。浙江地域面積小，負(fù)荷密度大且增長(zhǎng)迅猛。2007年浙江電力負(fù)荷首破30 000MW，至2011年冬天浙江電網(wǎng)最大供電能力達(dá)40 000MW。隨著負(fù)荷的增長(zhǎng)，浙江500kV及220kV電網(wǎng)建設(shè)步伐加快，電網(wǎng)中樞紐變電所的短路電流問(wèn)題凸顯出來(lái)。為此如今浙江220kV電網(wǎng)形成了8個(gè)分區(qū)的電網(wǎng)格局［3］。天津電網(wǎng)負(fù)荷超過(guò)10 000MW，同時(shí)電磁環(huán)網(wǎng)的存在及其短路電流增加的問(wèn)題日益嚴(yán)重。為此文獻(xiàn)［4］提出了西郊變電站建成后天津電網(wǎng)的分區(qū)供電方案，并對(duì)未來(lái)天津西部電網(wǎng)的發(fā)展提出建議。各地分層分區(qū)的研究和實(shí)施工作進(jìn)一步說(shuō)明了電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)并實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)分區(qū)供電是控制短路電流、合理電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)、有效的方法。在條件成熟時(shí)，應(yīng)該結(jié)合地區(qū)具體情況，逐步打開電磁環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)分區(qū)運(yùn)行。

冀北地區(qū)近一半負(fù)荷集中在唐山地區(qū)，唐山地區(qū)負(fù)荷已超過(guò)10 000MW。與負(fù)荷增長(zhǎng)相配套的輸變電工程的建設(shè)，使得電網(wǎng)更加密集，從而短路電流增大并且電磁環(huán)網(wǎng)成為電力系統(tǒng)嚴(yán)重的事故隱患。從安全供電的角度分析，唐山地區(qū)迫切需要220kV分區(qū)運(yùn)行。本文分析冀北電網(wǎng)電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行存在的問(wèn)題，結(jié)合2015年投產(chǎn)或擴(kuò)建工程，提出冀北地區(qū)分區(qū)運(yùn)行方案，以期為冀北電網(wǎng)分區(qū)供電研究工作提供參考。

1 冀北電網(wǎng)概況

1.1 冀北電網(wǎng)電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀

冀北電網(wǎng)現(xiàn)有19座500kV變電站，10座500kV變電站具有直接的電氣聯(lián)系，構(gòu)成冀北電網(wǎng)500kV主網(wǎng)架。其中僅有唐山、承德地區(qū)的4座500kV變電站(TJJ—TTP—CJS—CCD)形成雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其余6座變電站在4個(gè)方向呈放射狀與雙環(huán)網(wǎng)連接。唐山、承德、秦皇島地區(qū)220kV電網(wǎng)與冀北500kV主網(wǎng)構(gòu)成電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行。隨著近年來(lái)冀北電網(wǎng)的發(fā)展，電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行的易造成系統(tǒng)熱穩(wěn)定破壞、不利于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、系統(tǒng)潮流分布不易于控制、短路容量增大、繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置配置復(fù)雜化等問(wèn)題日漸顯現(xiàn)［5-8］，尤其是220kV系統(tǒng)短路電流增長(zhǎng)迅速。隨著負(fù)荷的發(fā)展和500kV變電站的建設(shè)，220kV變電站、地區(qū)電源建設(shè)工程也日漸增加，使得220kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)愈加緊密，短路電流水平不斷攀升，現(xiàn)已接近開關(guān)設(shè)備限值，成為亟待解決的問(wèn)題。

1.2 2015年冀北地區(qū)新建工程

近年來(lái)冀北負(fù)荷增長(zhǎng)較快。考慮未來(lái)冀北地區(qū)電網(wǎng)發(fā)展要求，“唐山、承德、秦皇島”地區(qū)計(jì)劃2015年投產(chǎn)或擴(kuò)建多項(xiàng)工程。其中包括常規(guī)電源工程2項(xiàng)，均分布在唐山地區(qū)，二者分別接入THC站與TDF站。500kV輸變電建設(shè)工程有4項(xiàng)，包括新建TLT站、TCF站、TFN站及TJJ站，擴(kuò)建2臺(tái)主變，其接入位置如圖1所示。新建220kV輸變電工程7項(xiàng)，其中4項(xiàng)分布在唐山，1項(xiàng)分布在秦皇島，2項(xiàng)在承德。

圖1 500kV輸變電建設(shè)工程接入結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Accessing structure of 500kV power transmission and transformation construction project

新工程的投運(yùn)將使短路電流進(jìn)一步增加。其中唐山的TCZ、TSD變電站三相短路電流超過(guò)其斷路器的遮斷容量，多處站點(diǎn)短路電流接近斷路器限值。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)新工程的建設(shè)一方面推動(dòng)了唐山、承德、秦皇島分區(qū)運(yùn)行的進(jìn)度。另一方面新工程投運(yùn)后電源、負(fù)荷與變電站分布相對(duì)平衡，為分區(qū)運(yùn)行創(chuàng)造了有利條件。

2 分區(qū)方案

2.1 地級(jí)市間分區(qū)

唐山與秦皇島500kV主網(wǎng)通過(guò)天樂(lè)雙相連，220kV主網(wǎng)通過(guò)官扣線、官趙線和武溯雙共計(jì)4回線相連，形成跨地區(qū)電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行。合環(huán)運(yùn)行容易引起事故擴(kuò)大，甚至在故障線路切除后，非故障區(qū)域仍然受到影響，跨地區(qū)電磁環(huán)網(wǎng)威脅兩地區(qū)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。計(jì)算潮流發(fā)現(xiàn)這4回地區(qū)間220kV聯(lián)絡(luò)線上正常運(yùn)行時(shí)的潮流不大，地區(qū)間500kV聯(lián)絡(luò)線的輸送功率遠(yuǎn)未充分利用。打開唐山與秦皇島間的220kV聯(lián)絡(luò)線，使得唐山與秦皇島僅通過(guò)天樂(lè)雙相連，秦皇島地區(qū)的供電可靠性有所降低，需同時(shí)配合建設(shè)昌亭500kV雙回線及秦皇島地區(qū)內(nèi)上武220kV雙回線，秦皇島220kV系統(tǒng)形成1個(gè)供電分區(qū)，由天馬和昌黎這2個(gè)500kV變電站帶動(dòng)。斷開唐山與秦皇島地區(qū)的220kV聯(lián)絡(luò)后，秦皇島地區(qū)供電可靠性有所下降，需新建上武雙回線，實(shí)現(xiàn)天馬站和昌黎站的互供后備作用，同時(shí)需新增昌亭500kV雙回線，以確保東北電網(wǎng)直流輸電的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 唐山電網(wǎng)分區(qū)

預(yù)計(jì)2015年唐山地區(qū)裝機(jī)容量可達(dá)5 510MW，9個(gè)500kV變電站，負(fù)荷最高可達(dá)到13 020MW，唐山地區(qū)有必要分區(qū)運(yùn)行。同時(shí)電源、負(fù)荷與變電站分布相對(duì)平衡，具備了分區(qū)運(yùn)行的條件。

根據(jù)負(fù)荷分布，考慮現(xiàn)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)將唐山220kV系統(tǒng)分成5個(gè)相互獨(dú)立的分區(qū)，并充分保證各分區(qū)供電可靠性。以2～4個(gè)500kV變電站作為主要的供電電源，以本地區(qū)內(nèi)部的發(fā)電廠作為輔助電源，完成供電分區(qū)的劃分。

2.2.1 東南部220kV電網(wǎng)解環(huán)方案

東南部以TAG 500kV變電站為地理位置中心，與其相連的TSD、TLT、TCF、TFN這4個(gè)500kV變電站呈放射型分布，220kV變電站以鏈形和環(huán)形將幾個(gè)500kV變電站相連，形成多個(gè)電磁環(huán)網(wǎng)。東南部負(fù)荷密度大，地區(qū)電源少，計(jì)劃新建工程較多，包括TLT、TCF、TFN這3個(gè)500kV變電站。新工程建成后，東南地區(qū)的500kV的輸送能力將大大增強(qiáng)。根據(jù)500kV變電站的分布，將東南部220kV分區(qū)運(yùn)行是可行的，也是必須的。在TAG站通過(guò)站外搭接，將TAG—TLQ雙回線和TAG—TQT雙回線所在間隔進(jìn)行互換，實(shí)現(xiàn)TSD—TAG乙母線—TLT 500kV變電站所帶220kV系統(tǒng)(以下220kV分區(qū)均以其所連500kV變電站命名，如該分區(qū)簡(jiǎn)稱為TSD—TAG乙—TLT)與TAG甲—TCF—TFN分區(qū)運(yùn)行。東南部地區(qū)分區(qū)前后網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化如圖2所示。圖2中以點(diǎn)畫線表示改接或退役后不存在的線，以虛線表示改接或新建后增加的線。500kV變電站和地區(qū)內(nèi)電廠進(jìn)行供電。該區(qū)域接入220kV電源多，負(fù)荷分布不均，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，電磁環(huán)網(wǎng)較多。新增工程包括接入THC站的電廠及TFN 500kV變電站、TZS 220kV變電站。中南部地區(qū)短路電流水平較高，而由于新建工程的投產(chǎn)，THC和TXG 220kV變電站的短路電流將大幅度增長(zhǎng)，達(dá)到或接近開關(guān)設(shè)備限值，必須采取措施控制短路電流。TZS站的建設(shè)，彌補(bǔ)了唐山中心區(qū)南部沒(méi)有220kV變電站的問(wèn)題，增加了中心區(qū)供電能力的可靠性，合理的變電站分布也為分區(qū)創(chuàng)造了條件。

TFN 500kV變電站建成后，為THC 220kV變電站提供了可靠電源，斷開THC—TCS雙回220kV線路，實(shí)現(xiàn)唐山南、北分區(qū)。另一方面，由于 TFN 500kV變電站僅有4回220kV出線，變電站容量沒(méi)有得到充分利用，因此將TSX—TNH雙回線改接為TFN—TNH雙回。同時(shí)這一改接緩解了唐山西主變供電壓力，使潮流分布合理。經(jīng)過(guò)上述改造，中南部將形成TSX—TSD—TFN 220kV供電區(qū)。中南部地區(qū)分區(qū)前后網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化如圖3所示。

圖2 東南部地區(qū)分區(qū)前后網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化Fig.2 Network structure change before and after southeast region partition

2.2.2 中南部220kV電網(wǎng)解環(huán)方案

中南部地區(qū)由 TJJ、TSX、TSD、TFN 這 4個(gè)

圖3 中南部地區(qū)分區(qū)前后網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化Fig.3 Network structure change before and after south central region partition

2.2.3 北部220kV電網(wǎng)解環(huán)方案

北部地區(qū)由TTP、TJJ和TYL這3個(gè)500kV站及與承德地區(qū)相連的3條220kV線路供電。TJJ擴(kuò)建2臺(tái)主變后，其220kV變電站分為甲、乙這2站，2站各帶29臺(tái)變壓器，分列運(yùn)行。TJJ甲站與 TYL變電站構(gòu)成1個(gè)供電區(qū)域，TJJ乙站、TTP與承德地區(qū)構(gòu)成1個(gè)供電區(qū)域，這2片區(qū)域之間僅通過(guò)TCZ—TZD雙回線相連，并且正常運(yùn)行時(shí)其上傳輸?shù)墓β时容^少，為2×31.5MW，考慮斷開TCZ—TZD雙回線。又由于TZD 220kV變電站由原來(lái)的7回進(jìn)出線變成了4回，可靠性有所下降，可以將斷開的TKZ—QCG、TZD—QCG單回線搭接，從而形成TKZ—TZD單回線，2站的可靠性增加，并且改造經(jīng)濟(jì)、方便。北部地區(qū)分區(qū)前后網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化如圖4所示。

圖4 北部地區(qū)分區(qū)前后網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化Fig.4 Network structure change before and after north region partition

2.3 未來(lái)進(jìn)一步分區(qū)的發(fā)展方向

北部地區(qū)是唐山的重負(fù)荷區(qū)，負(fù)荷可達(dá)到3 630MW，占唐山總負(fù)荷的1/3。目前北部電網(wǎng)主變負(fù)載率較高，難以獨(dú)立供給本地區(qū)負(fù)荷。若唐承解環(huán)，TJJ變壓器 N－1時(shí)，另一臺(tái)變負(fù)載率達(dá)117%，不具備解環(huán)條件。本文暫不考慮斷開唐承電磁環(huán)網(wǎng)，待TTP主變擴(kuò)建或在北部新建500kV變電站后可考慮實(shí)現(xiàn)。

目前冀北電網(wǎng)已計(jì)劃在北部新建名為TXB的500kV變電站，考慮接入TJJ和CCD 500kV變電站之間。屆時(shí)可將唐山北部電網(wǎng)由TTP—TJJ甲—承德電網(wǎng)供給的220kV分區(qū)，分為由TTP—TXB變電站和TJJ甲—TXB變電站供給的2個(gè)220kV分區(qū)。

3 校驗(yàn)

3.1 短路電流

采用分區(qū)供電方案后，可有效降低相關(guān)變電站的短路電流，2015年分區(qū)前后各主要220kV變電站的短路電流水平如表1所示。

可以看出，冀北電網(wǎng)分區(qū)供電后，220kV系統(tǒng)短路電流水平大幅度下降。而現(xiàn)階段冀北電網(wǎng)不具備完善的分區(qū)運(yùn)行的條件，分區(qū)后仍有部分電磁環(huán)網(wǎng)存在，為了保證分區(qū)后系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，對(duì)部分線路進(jìn)行了改接，在降低相關(guān)站點(diǎn)短路電流的同時(shí)也引起了部分站點(diǎn)短路電流有所上升。采用上述分區(qū)方法后唐山原短路電流越限的4個(gè)站點(diǎn)短路電流均下降到遮斷容量之內(nèi)，超過(guò)開關(guān)限值90%的站點(diǎn)由7個(gè)變?yōu)?個(gè)，限流效果顯著。對(duì)分區(qū)后短路電流仍臨近超標(biāo)的站點(diǎn)應(yīng)采取相應(yīng)的限流手段，將其短路電流水平控制在合理范圍。

3.2 可靠性

本文制定分區(qū)方案時(shí)充分考慮了供電可靠性，分區(qū)內(nèi)每個(gè)有線路改造的220kV變電站均保證其由2個(gè)或2個(gè)以上站點(diǎn)提供電力支持。各220kV供電分區(qū)之間通過(guò)500kV供電通道相連，保證了聯(lián)網(wǎng)輸電通道的送電能力，具備一定的相互事故支援的能力。

3.3 安全穩(wěn)定性校驗(yàn)

文獻(xiàn)［9］規(guī)定了對(duì)解環(huán)后系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的要求。其中500，220kV電網(wǎng)(包括500，220kV線路和變電所的主變)滿足N－1準(zhǔn)則是實(shí)現(xiàn)電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)運(yùn)行的基本條件之一，是電磁環(huán)網(wǎng)是否能夠解環(huán)運(yùn)行分析的重點(diǎn)［10］。校驗(yàn)分區(qū)后唐山電網(wǎng)內(nèi)各 500，220kV線路和500kV變壓器“N－1”方式下各線路和變壓器的負(fù)載率是否存在過(guò)載現(xiàn)象。對(duì)線路和變壓器“N－1”和“N－2”故障進(jìn)行安全穩(wěn)定校核，在保護(hù)正確動(dòng)作后，主網(wǎng)均可保持穩(wěn)定。

采取分區(qū)供電方案后，各供電分區(qū)應(yīng)盡量包含一定容量的發(fā)電機(jī)組，以提高動(dòng)態(tài)電壓無(wú)功支撐的能力，并且滿足整個(gè)電網(wǎng)的調(diào)峰和旋轉(zhuǎn)備用要求［11］。唐山5個(gè)分區(qū)中除TSD—TAG乙—TLT分區(qū)外，其他4個(gè)分區(qū)均有發(fā)電廠接入。TSD—TAG乙—TLT分區(qū)各220kV變電站與500kV變電站電氣距離均比較近，且電網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。從理論分析和長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)分析，均確定在本供電分區(qū)內(nèi)的母線具有合格的電壓水平。

4 結(jié)論

(1)結(jié)合近期冀北電網(wǎng)計(jì)劃投產(chǎn)項(xiàng)目，分析2015年冀北電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行情況，認(rèn)為有必要解開“唐山、承德、秦皇島”地區(qū)電磁環(huán)網(wǎng)，并逐步實(shí)現(xiàn)唐山地區(qū)220kV電網(wǎng)分區(qū)運(yùn)行。

(2)提出了將唐山地區(qū)分為5個(gè)220kV供電區(qū)域。通過(guò)計(jì)算和分析電網(wǎng)的電力短路電流、潮流并進(jìn)行穩(wěn)定校核，證明分區(qū)供電方案的可行性。

(3)分區(qū)供電對(duì)降低500kV系統(tǒng)的短路電流作用不大，對(duì)降低220kV系統(tǒng)短路電流作用比較明顯。而現(xiàn)階段冀北電網(wǎng)不具備完善的分區(qū)運(yùn)行的條件，分區(qū)后仍有部分電磁環(huán)網(wǎng)的存在。為了保證分區(qū)后系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，對(duì)部分線路進(jìn)行了改接，在降低了相關(guān)站點(diǎn)短路電流的同時(shí)仍有部分站點(diǎn)短路電流臨近開關(guān)設(shè)備限值。總體上分區(qū)后，短路電流水平是下降的。對(duì)分區(qū)后短路電流仍臨近超標(biāo)的站點(diǎn)應(yīng)采取相應(yīng)的限流手段，將各供電分區(qū)500kV和220kV電網(wǎng)的短路電流水平控制在合理范圍內(nèi)。

(4)電網(wǎng)的規(guī)劃應(yīng)與電網(wǎng)的發(fā)展相適應(yīng)。本文提出的分區(qū)方案，是根據(jù)對(duì)2015年冀北電網(wǎng)發(fā)展情況的預(yù)測(cè)制定的。當(dāng)電網(wǎng)充分發(fā)展，分區(qū)方案可以進(jìn)一步優(yōu)化。最終理想的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)應(yīng)是根據(jù)500kV變電站分布對(duì)220kV變電站進(jìn)行優(yōu)化布置，220kV供電鏈具有啞鈴形的特點(diǎn)，鏈短、容量大且事故支援能力充足。

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