電磁環網中無功環流的分析與控制策略

包翔 張海平

（國網寧東供電公司 寧夏回族自治區靈武市 750411）

1 引言

近年來，國內外大部分電網停電事故都是由高低壓電磁環網運行所導致的，因此導致我國電網公司以及各級電力公司十分重視這種情況，開始提出對嚴重影響電網穩定運行以及安全使用的電磁環網應解環運行。所以我國對電磁環網的運行過程開展了較多的研究。現如今我國對于特高壓電網的投入逐年上升，超高壓七百五十千伏和特高壓一千千伏都還在建設起步階段，并且由于其網絡結構較為薄弱，在未來無法大規模投入使用。而較低等級的電壓網架結構較為穩固，可合理使用廉價資源來獲取最高的網絡傳輸功率，對用戶的用電需求進行滿足。

2 高低壓電磁環網運行分析

2.1 高低壓電磁環網內容概述

高低壓電磁環網是兩組不同電壓等級分別運行的線路，主要使用連接兩端變壓器電磁回路的方式進行并聯。而高低壓電磁環網在日常運行的過程中容易發生較大的安全事故，其主要原因是由于高壓線路較為容易開端，導致功率轉移現象的出現將提高對低壓線路的負載，嚴重時可大大超過其原有的傳輸限值，從而使整體電力系統出現故障，進而對其穩定安全的運行造成破壞。在電力系統的實際運行過程中，并不是所有的電磁環網都將影響系統的穩定運行，對于電壓等級高網架機構薄弱以及電壓等級低網架結構堅強的情況來說，對于開環運行來說電磁環網合環的運行效率更高，不僅可對整體電網的電氣距離進行拉近，還可對穩定運行水平以及輸電能力進行提升。

2.2 國內研究背景概述

圖1：電磁環網合網操作示意圖

對于我國國內電磁環網運行經驗以及不同地區電網解環實施方案與電磁環網運行方式進行分析與研究后可發現，在電網建設的過程中，所產生的物質便是電磁環網，在高等級網架較為薄弱時其存在合理性較強，但隨著我國電力市場的快速發展，廠網分開后電網公司的經濟效益與電網的運行具有密不可分的聯系。所以在確保電網穩定運行以及安全使用的基礎上，電磁環網在運行過程那種可通過降低輸電損失、充分使用現有資源、提高輸電能力、降低電網建設成本以及節約電路建設投資的方式來提高電網公司的經濟效益。所以在確保電力系統內電磁環網穩定運行以及滿足安全約束要求的同時應對以下幾方面工作進行重視：首先應構建嚴格的安全故障應對預案以及運行控制方案，對電網運行方式進行合理安排，確保電磁環網在發生故障的過程中不超過暫態穩定極限、過熱穩定極限以及靜態穩定極限。其次應使用合理、有效的負荷需求側管理方式，一旦受端電網負荷需求較大時，在經過一次方式以及二次方式調整后仍然不滿足電網運行要求時，可在受端地區開展負荷需求管理的方式來對電力需求進行降低。第三應在整體電網系統中配備完善的安全穩控裝置，在發生事故的同時可及時采取科學合理的控制方式，對故障元件進行立即切除，并對一些負荷以及發電機組進行有選擇性的切除。或有選擇性的進行事故分區解列，從而確保整體電力系統的安全穩定使用。

2.3 國外研究背景概述

對于國外電磁環網運行研究經驗來說，對開環運行以及電磁環網安全穩定運行的相關研究較少，主要研究方向在對電磁環網中產生的功率環流進行抑制。導致這種情況的主要原因是由于大部分西方發達國家的電網結構較為堅強，并且一旦電磁環網出現故障，所導致潮流轉移引起的后果并不嚴重，同時國外合環運行的經濟性較高，因此其研究重點主要為如何在電磁環網中合理使用柔性控制技術，從而對功率分布進行控制，消除環流，進而對系統的經濟性以及穩定性進行提升。

2.4 電磁環網運行過程中出現的問題

對于電磁環網的實際運行過程來說，可帶來以下幾方面問題：首先是一旦高等級電壓線路出現故障，將導致潮流轉移現象的發生，從而對電網系統的運行穩定性造成破壞，引發潮流控制困難、斷電電流超標、安自裝置整定復雜以及繼電保護問題的發生。同時電磁環網的運行還將嚴重威脅整體電網的安全穩定運行。對于潮流轉移現象來說，所引發的穩定問題具有電壓穩定、暫態穩定、熱穩定以及動態穩定等，嚴重時可產生動態穩定以及暫態穩定破壞事故。同時在電磁環網運行時，如果高電壓等級線路發生故障，將導致低電壓以及過電壓現象的發生。在高等級電壓具有較長的線路時，其剩余容性無功較大，在運行過程中需要使用大量的感性無功來對其進行補償，因此一旦高等級線路發生故障，將導致無功分布不合理。與此同時，由于無功分布不合理所引發低電壓以及過電壓現象可分為以下幾方面：首先是發生故障后，長線路空充與強系統，線路末端電壓將遠遠高過范圍值，但首端電壓可保持在可控范圍內。其次在發生故障后長線路空充與若系統，使得首端線路電壓增高，將導致其電壓遠高于可控范圍。

3 電磁環網中無功環流的分析與控制策略

3.1 無功環流產生機理概述

在電網實際運行的過程中，由于線路以及變壓器等電氣元件參數設置不合理，將導致電磁環網內發生功率環流現象，同時大部分為無功環流，這種功率環流的發生將明顯提高整體電網系統的有功損耗，對電力系統的經濟運行產生較大影響。對于不同支路中所流通的功率來看，可看作為兩個不同功率分量的增加，一個是基于環網總阻抗的功率以及兩端電壓差值，可看做循環功率，另一個是兩端電壓相同時的功率，可看做正常輸送功率。因此在變壓器變比匹配性不足時，電磁環網在進行開環運行的過程中其開口兩側將出現相應的電壓差。而循環功率中不僅有無功功率，同時還具有有功功率，同時因為高電壓等級網絡中的電阻遠遠小于其電抗，所以循環功率中有功部分將遠遠小于無功部分，一旦循環功率變大，循環功率以及正常輸送功率在進行疊加后可導致電磁環網中流動方向的變化，這種情況便是電磁環網中功率環流現象的發生原因。在實際的輸電線路過程中，主要對有功功率進行輸送，而無功功率是分區以及分層進行平衡的，同時循環功率中的有功功率遠遠小于實際輸送過程中的有功功率，所以有功環流現象的發生次數不多，主要是無功環流現象的發生，其主要特征是在電磁環網中出現無功功率，并沿著逆時針方向或者順時針方向進行環流。

3.2 無功環流的控制方式概述

對于無功環流來說，不僅對變壓器的損耗以及電網系統的損耗進行了增加，還對變壓器以及電網系統的傳輸容量進行占用，在現如今不斷變化的市場環境中，這種情況的發生嚴重影響了電力系統的安全穩定運行，對電網公司的經濟效益造成了十分嚴重的影響，所以應使用科學合理的方式對其進行控制，將其限制在可控范圍內或直接使其消失。在對無功環流進行控制的過程中，主要方式是對電磁環網運行過程中的循環功率進行消除。

對于圖1 所示的電磁環網來說，由于線路AB 較長，因此母線E 點以及B 點的短路容量不高，所以在母線中的B 點開展閉環操作的過程中應對母線B 點以及線路末端B’處的功角差就行控制，同時控制電壓差的大小。對于母線A 點來說，其功角與線路末端B’相同，并且母線A 點以及B 點之間的功角差收到線路CDE 的潮流影響較大，對于線路CDE 來說，由于其電氣距離過大，將導致母線A 點以及母線B 點的功角差上升，對線路CDE 的潮流約束也增加。同時由于線路AB 的長度較長，對于線路首端母線A 點來說，線路末端B’處電壓較大，而電壓差對母線B 處以及A 處的電壓控制進行約束。在進行合環后，母線B 往往會產生近區容性無功過剩的現象，并且B 出短路容量不大，將導致母線B 點近區的電壓上升，從而約束母線B 點以及母線A 點的電壓控制。和合環過程相比，在母線B 點對線路AB 開展解環操作的過程中也需要對母線B 點電壓、母線A 點電壓以及潮流斷面進行約束。

4 結語

對于電網無功補償來說，該項技術措施還處于建設性階段，可有效確保整體電網的經濟運行、高質運行以及安全運行。近年來隨著我國社會經濟的快速發展以及科學技術水平的不斷進步，智能電網的應用越來越普及，多種新設備以及新技術開始廣泛應用于電力系統的實際運行過程中，并發揮著極大的作用。對于未來電網系統的發展來說，無功補償技術的使用將有效提高電網系統運行的經濟性以及有效性。所以我國電網系統研究人員應提高對無功補償新設備以及新技術的重視程度，對電網系統的平穩運行能力以及經濟運行能力進行提高。