基于轉移負荷法的城市電網合環

周維陽++劉天琪++郝文斌++史華勃

摘 要在電網分區運行的背景下，針對邊界110kV站點的合解環問題，從電網開合環的潮流計算入手，分析影響合環潮流的因素，得出母線間電壓相角差對合環潮流的影響最大；在此基礎是，提出一種以限制合環潮流為目標，通過轉移負荷的邊界站點合環方案制定方法。并通過電力系統綜合程序PSASP對用該方法制定的方案進行了仿真驗證，仿真結果驗證了該方法的有效性和實用性。

【關鍵詞】電網合環 潮流計算 轉移負荷

當今階段國內的大型城市，比如北上廣等已經開始實現電網分區運行。在此大背景下，我國大城市電網分區供電格局已經形成。隨著我國經濟的發展，供電穩定性與可靠性的要求也不斷提高。為了滿足電網運行可靠性，電網分區運行時，采用“閉環接線，開環運行”的運行方式，即500kV電壓等級環網運行，110kV電壓等級及以下開環運行。采用此種運行方式，不僅能充分發揮特高壓電網輸電能力，亦能有效的減小系統短路電流，同時能更方便的優化控制分區下電網潮流，方便故障隔離以及便于分區解裂等，從而達到提高電力系統的穩定，優化電力系統調度控制的作用。

隨著電網技術的發展，供電質量與可靠性已經成為電網運行的重中之重，特別是對于重要客戶，更需要保證供電的持續可靠性。如今110kV及以下站點常常采用“雙側電源供電”的運行方式，即一個110kV站點由不同的兩個220kV站點供電，一條線路運行，一條線路備用。一旦運行線路因需斷開，便可進行合解環操作，立刻將備用線路投入使用，從而保證了供電的可靠性。絕大部分下，110kV站點雙側電源站點隸屬于環網運行狀態下的220kV站點，由于其本身相連，因而進行合解環操作時可以滿足操作過程中電網的穩定性和安全性。但若110kV站點雙側電源站點隸屬于開環運行狀態下的不同220kV站點（即110kV站點屬于“邊界站點”，后文亦同樣稱呼），若進行合解環操作，就會使得開環運行的區域直接合環運行。考慮到110kV線路的承載以及變壓器容量問題，如果僅憑經驗進行合環操作，則可能會出現合環潮流過大，甚至過載而引起線路跳閘；更嚴重的還會燒毀線路、變壓器，對電網設備造成不可逆的損失。

鑒于此，本文立足于電力系統理論分析，找到影響電網合解環操作的主要因素，提出一種在保證電網安全穩定的條件下，更加優化、可靠的邊界站點合環方案制定方法，在實際電網調度運行中有較高的價值。

1 合環潮流影響因素的分析

對于電力系統等值分析的分析很多，由電路戴維寧-諾頓定理可知：對于任意一個復雜電路網絡，通過戴維寧諾頓定理的等效替代，可以將任意一條線路的外部電阻簡化成一個有源網絡。因此，合環問題等值電路可以如圖1所示。

圖1是一個標準的有源線路等效化簡圖，將復雜電網等效為一個有源網絡，再對端口合環潮流進行分析。未合環時將端口看做由一個無限大電阻連接；將合環時的線路阻抗表示為Zkk。

合環后形成的合環潮流是由于合環兩側母線電壓矢量差造成的均衡潮流?S。當進行合環操作過后，其經過Zkk的潮流即為均衡潮流。

1.1 均衡潮流分析

考慮到在實際電網合環潮流分析中，合環兩側端口不完全能等效為一個無窮大系統。因此將其戴維南等效電路的等值阻抗設置為ZXT，若其為無限大系統，則ZXT=0。所以系統總的等值阻抗為Z=ZXT+Zkk=R+jX：

將端口右側電壓設置為參考相量，設端口兩端的電壓相角差為δij，則

（1）

其中的表達式為

（2）

聯立式（1）、式（2）后可得

（3）

（4）

1.2 合環潮流的影響因素

對式（3）、式（4）分別求導，并且在實際電網中，端口電壓母線相角差|δij|<15°，電抗遠大于電阻（R<

（5）

（6）

從式（5）、式（6）中可知母線相角差對合環有功潮流的影響非常之大，但合環兩側電壓有效值之差對有功潮流的影響較小，這是由于電抗電壓之比足夠大導致的。此外從式（5）、式（6）式中可以了解到，合環無功潮流受電壓幅值的影響很大，且與電抗電壓之比正相關，并且受母線相角差的影響相對較小。

由于實際線路中R<

（7）

（8）

（9）

式（9）中，因為、的值相對固定，并且電抗X的值固定，所以影響有功潮流的主要因素是sinδij，即合環時有功潮流的大小主要由母線電壓相角差決定。通常情況下，在現今電力系統運行中，對于電壓幅值的差的限制一般在5%以內，而母差電壓相角差則限制在15度以下。根據式（9）推算，通常情況下有功潮流在占總體潮流的比重在80%至87%之間。從上述計算及文獻中可以得出結論：對于限制合環潮流的問題，減小有功潮流是主要研究方向。而有功潮流則受母線電壓相角差影響較大，于是，在實際合環操作中，如何減小合環兩側母線電壓相角差便是解決合環潮流超標的重中之重。

2 基于轉移負荷法生成合環方案的方法研究

由上述分析可知，改變合環潮流的關鍵因素在于母線電壓相角差δij。由此，在參考文獻的基礎上，提出一種基于區域負荷轉移的跨區負荷轉移方案，即通過改變站點兩側區域的負荷分配，減小邊界站點雙側220kV站點中110kV母線的電壓相角差，從而達到限制合環潮流的目的。

負荷轉移法的步驟如下：

（1）比較待合環線路兩側110kV站點分別所屬220kV站點母線相角之差。

（2）改變區域負荷分配：通過深度優先算法找到邊界站點兩側220kV電站最短路徑以及分割出各個分區運行區域；識別出非邊界站點，作為方案的候選轉移負荷。

（3）按照步驟2種轉移負荷優先順序，對每個轉移負荷的方案進行逐一驗證，找到滿足條件的輸出結果。

（4）若轉移單一110kV負荷仍然不能滿足合環條件，此時開始考慮轉移兩個負荷來達到目的，轉移兩個負荷的候選方案數量為j=Ci2，找到滿足條件的方案并輸出結果。

（5）若無合適結果，則使用傳統方法。

通過此種方法，便可是生成“邊界站點”的合環方案。

3 合環方案的制定與驗證

3.1 某地XY110kV“邊界站點”原合環方案的分析

選取某地區XY110kV站點作為“邊界站點”討論對象，其聯絡線接線圖如圖2所示。通常情況下，其由HTC220kV電站供電，并且SY220kV是其備用線路，通過聯絡線相連。

對于選取的HTC220kV /SY220kV之間的XY110kV站點，該站點雙側供電屬于不同的分區，因此它是一個標準的邊界站點。本文將其作為討論對象，希望找到一種合理方案使XY110kV站點的負荷由HTC220kV站點供電轉移到SY220kV站點上。

首先我們將XY110kV和SY110kV直接合環，分析合環數據，判斷是否能夠滿足系統參數限制，如圖3、4所示

合環前后的數據如表1所示。

由直接合環結果可知，當其合環母線兩側電壓相角差為6.1度時，合環潮流為99.8+j24.2 Mva。超過了LGJ-120/150型號電纜的最大耐受值。因此直接進行合環操作是不可能的。

3.2 合環方案的生成和驗證

按照上述所提出方法制定的 “邊界站點”合環方案為：

（1）連接TF110kV與WH110kV母線

（2）斷開TF110kV與HTC110kV母線

（3）連接XY110kV與SY110kV母線

（4）斷開XY110kV與HTC110kV母線

操作過程如圖5、6所示。

由表2中數據可知，與直接合環的方案相比，新方案因為TF110kV站點負荷的轉移，XY110kV線路母線與SY110kV母線電壓相角差從-6.1°縮小到-4.1°，使合環潮流由99.8+j24.2MVa下降到了67.8+j18.0MVa，從而將合環潮流限制在線路容量允許范圍之內。

4 結論

對于傳統合環方案，需要先進行220kV的合環操作，將部分電網由分區運行變為電磁環網運行。由于220kV電壓較高，電磁環網運行對電網的潮流分布的影響較大，同時會進一步增大整個電網的短路電流；在另一方面，220kV線路合環需要由省級調度中心批準，而110kV線路的維護則屬于地市級供電公司。因此，本文所提出的分區背景下的合環方案可以極快的解決“邊界站點”合環問題，在實際電力系統運行中是有價值的。

本文在電力系統理論分析的基礎上，通過理論分析得到母線電壓相角差是影響合環潮流的最大因素；基于此結論提出了一種基于轉移負荷的邊界站點合環方案的制定方法。并且將由此方法生成方案與原方案進行對比，證明了其有效性。

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作者簡介

周維陽（1990-），男，碩士研究生學歷。研究方向為電力系統及其自動化。

郝文斌（1976-），男，博士學位。高級工程師。主要從事電力系統繼電保護及調度運行研究。

史華勃（1987-），男，工程師。主要研究方向電力系統及其自動化。

作者單位

1.四川大學電氣信息學院 四川省成都市 610044

2.國網成都供電公司 四川省成都市 610041

3.國網四川省電力公司電力科學研究院 四川省成都市 610072