基于PowerWorld的電網潮流計算

，，，，

(1.國網青海省電力公司電力科學研究院，青海 西寧 810000；2.廣西大學，廣西 南寧 530000；3.國網青海省電力公司經濟技術研究院，青海 西寧 810000)

1 引言

電網的合理運行方式應確保整個系統的安全運行和連續供電，最大限度地提高電網穩定水平，防止電網發生穩定破壞事故與大面積停電事故，保證供電可靠性，合理利用資源，嚴格控制發電能源消耗，降低線路損耗，降低成本，使整個系統在最經濟方式下運行。國內外電力系統近十年發生數十起主要大停電事故，這些大停電給社會和經濟帶來了巨大損失。如2003年美加電網的大停電、英國倫敦大停電、瑞典-丹麥大停電、意大利等[1-6]，給社會造成了巨大的經濟損失。大面積停電、嚴重缺電能夠迅速波及整個網絡，大城市頃刻間陷入癱瘓，其損失、后果和造成的影響都是難以估量的。在認真回顧這些大停電的時候，可以看到各種原因的大停電造成的后果，能從中汲取經驗教訓，進一步反思我國電網目前存在的一些問題，這對構建我國大電網安全防御體系，保障電網安全穩定運行具有極其重要的意義。對構建南寧地區電網也有深刻地指導意義。

文獻[7]首先介紹 PowerWorld強大的電網分析能力和可視化展示手段，研究基于PowerWorld 結合短期負荷預測和預先制定的運行方式，分析預測電網未來一段時間內的潮流，讓調度人員可以在盡可能短的時間里，直觀地了解線路未來負載狀況和電壓水平，以評價運行方式的合理性，形成了基于PowerWorld 的電網潮流預演方法。

本文在總結文獻的基礎上，以南寧市區電網為研究目標，對南寧市區電網的運行方式進行了分析和總結。用PowerWorld電力系統分析軟件，它的核心是一個綜合的、強大的潮流計算軟件，借助這種仿真手段，可以實時觀察電網運行方式發生變化時對應的最新潮流及電網運行狀況，真正實現了“所即所得見”。

2 南寧市區電網基本概況

2.1 電網概述

南寧電網是廣西電網的重要地區電網。經過近年的努力，南寧電網的供電可靠性得到了較大程度提高，實現了南寧市區220kV電網的南北環網供電，大大改善了南寧市電網的網架結構。隨著南寧經濟的快速發展，用電的需求不斷增加，電網的規模也日益擴大。南寧電網具有用電量大、負荷密度高、安全可靠和用電質量高等特點。實際上，南寧電網的供電可靠性還存在著薄弱環節，電網建設周期長，系統電源供電不足，設備絕緣化率較低，部分變壓器殘舊。因此，必須從南寧電網城區供電的現狀出發，分析電網和設備的薄弱點，找出差距和不足并總結成熟經驗。通過對南寧電網的潮流計算和分析，針對實際運行的情況找出南寧市區電網存在的問題，合理的電網構造是保證電網安全、可靠、經濟運行的基礎，在管理技術、人員、信息化方面提出合理的改進建議。為南寧地區電網的改造和建設科學規劃打下堅實基礎，突破瓶頸問題，提高應急響應速度，降低故障率及故障修復時間，提高供電可靠性，能夠給廣大人民提供安全、可靠的電力供應，使得南寧電網建設緊跟城市經濟快速發展的步伐。

2.2 設備情況

南寧電網目前有500kV變電站2座，220kV變電站16座，110kV變電站52座，35kV變電站106座。網內輸電線路總長度5407公里，配電線路長度17094公里。輸電變壓器總容量1128萬千伏安，配電 變壓器總容量163萬千伏安。對220kV系統，實現了環網，而110kV系統，也實現了手拉手城市電網結構，雙電源供電也在網區大部分110kV變電站得到普及。

2.3 南寧市區電網的潮流計算模型

廣西電網是中國南方電網西電東送的中間支持網架，因此依托著西電東送的通道構建了500kV的主網架，包括南寧電網的邕州變、平果變和南寧變等，500kV主網架已全部形成日字型雙環網結果。地區電網以220kV構成主網架，存在500/220kV電磁環網結果。目前南寧電網城市形式220kV環網供電。南寧電網規模較大，供電范圍廣，線路和設備復雜。

由于南寧電網的覆蓋廣，負荷和線路的情況復雜，在建立南寧市區電網潮流模型時，選取了48個節點的小型網絡進行分析。經過簡化得到的南寧市區電網潮流計算簡化模型如圖1所示。其中，220kV系統包括南寧站、石西站、林村站、瑯東站、邕州站、青秀站、沙田站和五一站8個變電站，并設置南寧站為平衡節點；在110kV的系統中包含了北湖站、朝陽站、安吉站、衡陽站、五里亭站、江濱站、中堯站、七一站、城東站、凌鐵站、南湖站、鳳嶺站、云景站、津頭站、柳沙站、體育站和蒲廟站17個變電站。

圖1 南寧市區電網潮流計算簡化模型

3 基本參數

3.1 變壓器參數

(1)雙繞組變壓器參數和數學模型

①阻抗

(1)

式中：RT—變壓器高低壓繞組的總電阻(Ω)；

Pk—變壓器的短路損耗(kW)；

SN—變壓器的額定容量(MVA)；

UN—變壓器的額定電壓(kV)。

電力系統計算中，可近似認為變壓器的短路電壓百分值UK%與變壓器的電抗有如下關系：

(2)

式中：XT—變壓器高低壓繞組的總電抗(Ω)；

UK%—變壓器短路電壓百分值；

SN—變壓器的額定容量(MVA)；

UN—變壓器的額定電壓(kV)。

②導納

變壓器的勵磁支路有兩種表達方式，即以阻抗表示和以導納表示。以導納表示在電力系統計算中常用。其關系如下：

(3)

式中：GT—變壓器的電導(S)；

SN—變壓器的空載損耗(kW)；

UN—變壓器的額定電壓(kV)。

變壓器空載電流中流經電鈉的部分Ib占很大比重，從而，它和空載電流在數值上接近相等，可以用I0代替Ib求取變壓器電鈉:

(4)

式中：BT—變壓器的電納(S)；

I0%—變壓器空載電流百分值。

(2)三繞組變壓器的參數和數學建模

根據“按同一電流密度選擇各繞組導線截面積”的變壓器設計原則，可得另一個100%容量繞組的電阻等于這兩個繞組之一的電阻；另一個50%容量繞組的電阻等于這兩個繞組之一電阻的兩倍，公式如下：

(5)

RT(50%)=2RT(100%)

(6)

3.2 線路的基本參數

線路參數是描述線路電磁狀態的物理量。電力線路的參數有四個：電阻R、電抗X、電導G和電納B。線路的參數，如阻抗、導納都是沿線路長度均勻分布的，經過分析和計算，對于頻率為50Hz長度不超過300km的架空電力線路和長度不超過50～100km的電纜線路，用集中參數代替勻布參數，所引起的誤差甚小，可以滿足工程計算中所要求的精確度。其中R、X、B分別表示全線每相的總電阻、電抗、電納，當長度為L(km)時：

R=r1l(Ω)

X=x1l(Ω)

B=b1l(S)

(7)

(1)電阻(r，Ω/km)

導線的直流電阻可按下式計算：

(8)

式中：ρ—導線的電阻率Ω·mm2/km

在交流電路中，由于集膚效應和鄰近效應的影響，交流電阻比直流電阻要大，而且導線的長度與截面積也有出入，導線材料的電阻率要選用略為增大的計算值。

(2)電抗(x，Ω/km)

三相導線單位長度的電抗：

(9)

式中：x1—導線單位長度的電抗(Ω/km);

r—導線的半徑(mm或cm);

μr—導線材料的相對導磁系數，對銅、鋁，μr=1;

f—交流電頻(Hz);

(3)電導(g，S(西門子)/km)

當線路實際電壓高于電暈臨界電壓時，可以通過實測的方法求取電導。

(10)

式中：ΔPg—三相電暈損耗總功率，kW/km;

U—線電壓值，kV。

(4)電鈉(b，S/km)

三相導線的相與相及相與地之間有分布電容，當線路上具有三相對稱的交流電壓時，這些電容形成相應的電鈉。分裂導線線路的電納:

(11)

3.3 線路的標幺值參數

根據簡化等值電路，作出連接線路及其基本參數，并計算以SB=100MVA，UB=UN為基準的標幺值等值參數。截止2010年底部分線路，南寧電網中，輸電線路總長度達3032.08km，線路情況較為復雜，型號多樣，同時，由于Powerworld電力系統分析軟件使用范圍的限制，所以對部分變電站進行了適當的取舍，對南寧市區220kV和110kV電網運行方式的分析中的主要線路參數表。

3.4 變壓器的標幺值參數

選取的50個節點中，取220kV等級以上變電站的變壓器。其中有七個變電站，分別為瑯東站、林村站、石西站、科園站、五一站、沙田站和青秀站。構造的實例中主要分析220kV和110kV變電站，所以選取220kV變電站的中壓側參數。其參數用標幺值表示。表1為南寧電網220kV變壓器參數表。

表1 南寧電網220kV變壓器參數表

4 南寧市區電網的運行分析

在分析南寧電網的潮流時，利用PowerWorld Simulator的功能，解決靜態安全和電壓無功補償的問題。由于南寧電網的覆蓋廣，負荷和線路的情況復雜，在建立南寧市區電網潮流模型時，選取了48個節點的小型網絡進行分析。其中，220kV系統包括南寧站、石西站、林村站、瑯東站、邕州站、青秀站、沙田站和五一站，并設置南寧站為平衡節點。在110kV的系統中包含了北湖站、朝陽站、安吉站、衡陽站、五里亭站、江濱站、中堯站、七一站、城東站、凌鐵站、南湖站、鳳嶺站、云景站、津頭站、柳沙站、體育站和蒲廟站17個變電站。經過簡化得到的南寧市區電網潮流的計算模型如圖1。南寧市區外部進行了等值網絡計算，發電機和等值負荷功率如下：

(1)220kV系統

南寧站等值電源功率為：623.8MW,等值負荷為 11.0MW；

林村站等值電源功率為：164.8MW,等值負荷為 11.9MW；

瑯東站等值電源功率為：304.8MW,等值負荷為0MW；

邕州站等值電源功率為：147.7MW,等值負荷為 0MW；

沙田站等值電源功率為： 69.0MW,等值負荷為 0MW。

(2)110kV系統

石西站等值負荷為：27.8MW；

林村站等值負荷為：46.0MW；

瑯東站等值負荷為：128.3MW；

青秀站等值負荷為：14.0MW；

沙田站等值負荷為：147.2MW；

五一站等值負荷為：141.2MW；

科園站等值負荷為：41.0MW。

據南寧電網的數據，利用PowerWorld軟件繪制出了南寧市區電網48節點的潮流圖，其中南寧站設為平衡節點，實例概況如圖2所示。在做外部等值參數時，以流入220kV變電站側的線路等值為電源，流出節點的線路等值為負荷。并且由于T型分支線路較多，支路的長度不能確定，對一些電纜線路參數也進行了取舍，所以在線路參數計算部分采取了合理性的修改。

對南寧市區電網運行狀況的潮流進行分析，如表2所示，其中有功負荷為1304.70MW，無功負荷為286.10Mvar，發電機總出力為1309.97MW，總有功網絡損耗為5.17MW。

圖2 南寧市區電網實例概況

表2 系統整體運行情況統計

南寧市區外部進行了等值網絡計算，發電機和等值負荷功率如下：

(1)220kV系統

南寧站等值電源功率為：623.8MW,等值負荷為 11.0MW；林村站等值電源功率為：164.8MW,等值負荷為11.9MW；瑯東站等值電源功率為：304.8MW,等值負荷為0MW；邕州站等值電源功率為：147.7MW,等值負荷為0MW；沙田站等值電源功率為：69.0MW,等值負荷為0MW。

(2)110kV系統

石西站等值負荷為：27.8MW；林村站等值負荷為：46.0MW；瑯東站等值負荷為：128.3MW；青秀站等值負荷為：14.0MW；沙田站等值負荷為：147.2MW；五一站等值負荷為：141.2MW；科園站等值負荷為：41.0MW。

(3)冬季負載

大部分較為正常，其中，220kV線路和110kV線路負載都較輕。另外，從計算結果可以看出，沙田1#、2#主變負載較重，均在70%以上，其余各站主變供電壓力不大。

5 結論分析

電力系統運行方式的確定，是對于根據運行要求來確定合適的網絡結構和電源運行方式，該電力系統運行中的工程問題，須采用計算機的潮流計算作分析。最后，得出如下結論：

(1)南寧市區電網正常運行方式下，線路和220kV降壓變壓器無重載、過載現象，母線電壓值也在允許的范圍之內，冬季市區電網整體負荷較輕，但仍需對部分主變和線路加強監控，對南寧市區電網運行的薄弱環節進行深入分析，合理安排負荷，保證南寧電網的安全穩定運行。

(2)由于Powerworld本身的局限性，本文選取了南寧市區電網48個節點進行建模分析，因為110kV線路基本為T型接線所以對線路的參數進行了一定的估算處理，其結果必然會帶來誤差。另外，本文只對2011年南寧市區冬季電網運行方式進行分析，其他季節未作分析。倘若能分析一年四季的潮流模型，就可以更加全面的研究南寧電網。

(3)從一些歷年參考文獻可以發現，廣西網區存在的主要問題是500kV主變壓器容量不足，正常運行時只要500kV南寧變電站一臺主變壓器跳閘，就會造成南寧變電站另一臺主變壓器過載。

(4)南寧市郊大部分35kV變電站供電范圍大多為單電源，設備較老舊，供電可靠性較低，停電檢修方式安排困難。所以可以進一步研究35kV變電站停電檢修方案計劃制定，具有較大的實際意義。

(5)制定迎峰度夏方案及故障處理預案，合理安排夏季負荷高峰時的電網運行方式。針對重過載設備制定用電計劃及錯避峰方案負荷高峰時段，應避免安排沙田站220kV線路計劃檢修，加強巡邏監視。

(6)通過對南寧市區電網的分析結合南寧市區的具體地理位置和氣候特點，電網的安全穩定仍存在薄弱環節，特別應注重夏季的高峰負荷期，提前做好電網計算分析以及風險預警及事故應急處理方案。為運行方式、檢修方式安排人員提供合理的指導，以及電網危險點預控分析提供幫助和參考，減少因為電力元件故障所帶來的故障和損失，使電網得到改善。