基于調度運行數據的穩定極限分析

周 悅，蔡 田，盧子敬

(1.國網湖北省電力公司，湖北 武漢 430077；2.國網黃岡供電公司，湖北 黃岡 438000)

0 引言

對于電網安全運行，最具有指導意義的參照物就是離線穩定極限，它由系統方式專業人員根據相關規定制定，同時以相對更直觀、更可控的有功功率來表示，但穩定極限的制定過程中往往會預留一定的裕度[1]，以保證穩定極限能夠適應各種電網運行方式，即目前電網的穩定極限可以以極高的概率保證“穩定”，但往往并非實際的“極限”。

隨著電力市場化的推進，新能源電廠的大量接入，使得在部分時段內，水電新能源基地的外送能力被穩定極限限制，因此若能對穩定極限的裕度進行合理的評估，在保證安全的前提下充分發揮線路的外送能力，對于充分消納清潔能源、降低碳排放有著非常重要的意義。

湖北宜昌地區近兩年由于產業調整，本地用電負荷降低，而根據原負荷規劃而配套建設的大量水電廠在集中來水的情況下，需要外送的電力遠超外送斷面的輸送能力，此外，新能源電廠的接入也進一步加重了外送壓力。針對宜昌外送斷面之一的“220 kV遠雙+坡掇”斷面，本文以28個月的電網實際運行數據為基礎，對運行極限進行分析，對離線穩定斷面的裕度進行評估。

1 偏差來源

對于離線穩定極限的計算過程，計算誤差的主要來源如下：

（1）模型偏差：由于離線計算建模的問題，導致計算線路參數與實際不符，進而造成穩定計算結論出現偏差。模型偏差只能通過實際運行進行很粗略的校驗，只有出現對應線路的計劃檢修或者跳閘時才能檢驗穩定斷面的適用性，同時還必須排除其他線路的停運以及SCADA的測量誤差引起的偏差。

（2）轉換偏差：穩定規定給出的控制對象是有功功率，而熱穩定的控制對象是電流，雖然兩者之間在220 kV以上輸電網中存在很高的線性性[2]，但轉換邊界條件的設置仍會造成相當可觀的誤差。以《2017年華中主網穩定規定（第二版）》為例，在500 kV線路的控制有功和控制電流的轉換上，電壓取500 kV，功率因素取0.95，而在實際的電網運行中500 kV母線電壓通常都在525 kV到540 kV之間，即使出現N-1或者同桿N-2故障，也不會出現電壓大幅下降的情況，同樣的，對于輸送有功功率在300 MW以上的500 kV線路來講，其功率因素往往都在0.98以上，此時引起的偏差至少在5%以上，當控制條件更加苛刻時[3-4]，所引起的誤差顯然會進一步增大。

（3）不確定因素偏差[5]：對于同樣的穩定斷面運行功率，由于斷面包含線路的功率分配不同，其故障后的功率分布肯定會存在一定的不同，在某些極端情況下甚至可能出現相同的斷面功率，不同的穩定結論。因此由于在離線計算中難以窮盡各種可能的運行方式，因此方式人員往往在最后確定斷面極限時留有一定的裕度，然而具體的裕度大小卻難以有統一標準。

2 分析方法

在文獻[6]中證明了對于給定支路k（兩端節點編號為m和n）和j（兩端節點編號為p和q），斷開支路k后，其電流將以一個恒定的比例a轉移至支路j，具體公式為：

其中：為節點導納矩陣；Zj為支路j的阻抗。

需要指出的是式（1）中轉移比a為一個矢量，為便于分析，后續分析中所指的轉移比均指a的模量。

為驗證上述結論，取相同的電網接線方式下（近區全接線運行）的多個時刻在線DSA計算數據，分別進行遠雙線（安全電流515 A）、坡掇線（安全電流710 A）的N-1計算。

其中選擇宜昌及近區電網全接線方式的時段，以避免由于近區網絡結構破壞造成的轉移比偏差；對于不同開機、不同負荷水平、不同無功設備投退情況下對于電壓、無功的影響，則采取對多個時間點多次抽樣分析的方法，其計算結果如表1所示。

表1 遠雙線、坡掇線相互之間的轉移比Table 1 The transfer ratio between AC line Yuanshang and Poduo

由表1可知，兩條線之間轉移比偏差在不同時刻差別很小，轉移比最大值和最小值之差不超過1%，因此可以認為文獻中提出的轉移比恒定是在電網準確建模的前提下是可以精準確定故障后電流分布的。但是，計算數據的建模正確與否只能通過實際停電/跳閘檢驗，在進行分析的24個月的實際電網運行中，遠雙線、坡掇線各有3次停電，其中遠雙線的全部三次以及坡掇線的第三次停電時，近區電網都不是全接線運行，因此無分析意義。表2是坡掇線第一、第二次停送電時對遠雙線的轉移比（SCADA數據采樣周期300 s）。

表2 坡掇線停(送)電時，對遠雙線的轉移比Tab.2 The transfer ratio to AC line Yuanshuang while AC line Poduo is on(off)

由于實測的轉移比會因為采樣間隔的問題（采樣周期300 s），導致在相鄰的采樣周期中電網的發用電情況略有不同，而在在線DSA計算中，停電前后的發用電情況是完全一致。為消除采樣周期過長的影響，在第一次坡掇線送電時，調整SCADA的采樣周期至5 s，這時得到的坡掇線對遠雙線的轉移比為16.2%。

3 誤差分析

由以上分析可知，在通過縮短采樣周期至5 s后，可以認為近區機組和負荷無變化，此時坡掇線對遠雙線的轉移比為16.2%，在忽略裝置測量誤差的前提下，可以認為該值就是坡掇線對遠雙線的實際轉移比。

3.1 模型偏差

由于潮流計算中都是采用的Π型等效電路（如圖1所示，假設線路首末段分別為i和j），第二節中所指的線路電流對應圖1中的iij，而表1中用于轉移比計算的線路電流為圖1中的i1，兩者相差為ic（線路電容電流的一半），只有在忽略線路導納時，才可以認為iij=i1；此外，考慮到母線電壓的變化幅度很小，可認為ic為一個恒定值（對于坡掇線約為12 A的容性電流），因此當相關線路電流越大時，模型引起的偏差會越小。故即使計算模型和參數完全一致，由于線路首端電流（i1）與支路電流（iij）存在略微的差別，造成在不同的時刻計算得到的轉移比略有不同。

圖1 線路Π型等效模型Fig.1 Type-Π equivalent model of AC line

由表1可知，不同時刻的轉移比均值與時間轉移比16.2%完全一致，雖然不同時刻之間的轉移比略有不同，但只要線路電流能夠遠大于電容電流，這時由于模型引起的誤差是可以忽略的。

3.2 轉換偏差、不確定因素偏差

選取2014年9月至2016年12月，28個月中遠雙+坡掇斷面有功在300 MW以上的運行采樣點，共計12 199個（采樣周期300 s）。由于這些時刻中，遠雙線、坡掇線的電流均遠大于線路的電容電流，因此遠雙線對坡掇線轉移比以及坡掇線對遠雙線轉移比根據表1的計算結果分別取27.5%和16.2%。

通過轉移比可以非常準確地推測出遠雙線、坡掇線任一線路跳閘后運行線路上的電流，若此時運行線路的電流超過線路規定安全電流，則認為此時斷面是不安全的（圖2、圖3中紅色部分）。

圖2 穩定邊界（按電流）Fig 2 Stable boundary(by current)

圖3 穩定邊界（按有功）Fig 3 Stable boundary（by active power）

4 斷面裕度的評估

將圖1中運行點的電流坐標改為對應運行點的有功坐標（如圖2所示），由圖2可知穩定規定中遠雙線、坡掇線的穩定極限300 MW可以保證所有運行點出現任一線路N-1后，運行線路均不過載，但顯然在300 MW的穩定極限以上仍有相當一塊區域是不存在N-1問題，這部分運行點占所有穩定極限300 MW以上運行點的85.1%（10385/12199），在所有的安全運行點中，斷面功率最大值為387.155 MW，在所有不安全運行點中，斷面功率最小值為337.636 MW，在斷面功率不同時，安全/不安全運行點的分布表3所示。

表3 安全/不安全運行點的分布Tab.3 Distribution of safe/unsafe spot

定義斷面功率為P時的不安全運行概率：

不安全運行點的頻數分布以及斷面不安全運行概率（ΔP=5 MW）的分布如圖4、圖5所示。

圖4 不安全運行點的頻數分布Fig 4 Frequency distribution of unsafe spot

圖5 不安全運行概率Fi.g 5 Unsafe operation’s probability

由圖4、圖5可知，若將穩定極限P增加到332 MW，仍可保證p(P)=100%，原超穩定極限的12 199個運行點中4 457個運行點（占比36.49%）將被視為穩定極限以內的運行點，即可以在完全保證電網穩定，且留有一定裕度（ΔP=5 MW）的情況下，同時釋放出相當的裕度。

5 結論

根據以上分析可知，對于近區電網結構相對穩定，且有充分運行經驗積累的穩定斷面，通過對長時間的運行數據進行分析，特別是結合線路檢修或事故停電時的運行數據，可以得到非常精確的斷面限值。對于本文中分析的穩定斷面，經過24個月的運行數據以及數次斷面組成線路停電前后的記錄數據，精確地確定了該斷面的運行極限，對照穩定規定要求，規定的斷面穩定極限確實可以完全保證“穩定”，但距離“極限”仍有一定空間，而這一部分運行空間如能合理使用，則能夠在該地區水電及新能源電廠大發時做到既保證電網安全又能最大程度消納清潔能源。

[參考文獻]（References）

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