王 衛(wèi)，高 琨

（北京市電力公司調(diào)度通信中心，北京 100031）

0 引言

隨著電網(wǎng)建設(shè)的不斷發(fā)展，北京電網(wǎng)內(nèi)各電壓等級的變電站之間的聯(lián)絡(luò)越來越復(fù)雜，特別是五大分區(qū)供電格局形成后，區(qū)域性供電特點日趨明顯。電網(wǎng)的發(fā)展使得運行方式更加靈活和多樣，由于220 kV電源點深入市區(qū)、區(qū)域機組容量不同、各區(qū)網(wǎng)架機構(gòu)差異、主變壓器負載不均勻、保護配置等原因，低壓合環(huán)環(huán)流問題突出。

環(huán)網(wǎng)接線方式在停電檢修、突發(fā)事件或負荷轉(zhuǎn)移時，通過合、解環(huán)操作可以減少停電時間，提高供電可靠性，但由此引起的環(huán)流對電網(wǎng)的安全運行有很大的影響，有可能因為環(huán)流過大而導(dǎo)致線路或主變壓器掉閘。目前情況是，調(diào)度員能夠?qū)?20 kV系統(tǒng)合、解環(huán)操作前進行潮流計算，而220 kV電壓等級以下系統(tǒng)的合環(huán)只能憑經(jīng)驗決定是否可以進行合、解環(huán)，所以很容易造成方法保守，降低系統(tǒng)供電可靠性。為避免這種危險的發(fā)生，需要在合環(huán)前通過潮流計算對合環(huán)系統(tǒng)進行分析和計算，從而有助于運行人員對存在掉閘危險的環(huán)流進行運行方式或負荷調(diào)整，提高電網(wǎng)供電可靠性[1-3]。

1 合環(huán)潮流理論分析

合環(huán)分析計算的基礎(chǔ)是電力系統(tǒng)潮流計算，即給定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)及決定電力系統(tǒng)運行狀況的邊界條件確定電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)，電力系統(tǒng)潮流計算在數(shù)學(xué)上就是要求解一組由潮流方程描述的非線性代數(shù)方程組，因此可以用數(shù)學(xué)上的逐次線性化的方法，即牛頓-拉夫遜法求解，其核心是形成雅可比矩陣并進行迭代計算，在求得各節(jié)點電壓后，依據(jù)支路阻抗參數(shù)計算支路功率以及支路電流。

環(huán)網(wǎng)合環(huán)操作主要分為同電壓等級的合環(huán)和不同電壓等級運行的線路，通過變壓器電磁回路連接而構(gòu)成的電磁合環(huán)。電網(wǎng)合環(huán)運行的條件是：①相位一致。如首次合環(huán)或檢修后可能引起相位變化，必須經(jīng)測定證明合環(huán)點兩側(cè)相位一致。②如屬于電磁合環(huán)，則環(huán)網(wǎng)內(nèi)的變壓器接線組別之差為零;特殊情況下，經(jīng)計算校驗繼電保護不會誤動及有關(guān)環(huán)路設(shè)備不過載，允許變壓器接線差30°進行合環(huán)操作。③合環(huán)后環(huán)網(wǎng)內(nèi)各元件不致過載;各母線電壓不應(yīng)超過規(guī)定值;繼電保護與安全自動裝置應(yīng)適應(yīng)環(huán)網(wǎng)運行方式;穩(wěn)定符合規(guī)定的要求。對于兩端電壓大小不等、相位不同的兩端供電網(wǎng)絡(luò)，可等值于回路電壓不為零的單一環(huán)網(wǎng)，如圖1所示。

圖1 等值環(huán)式網(wǎng)絡(luò)的等值電路

該網(wǎng)絡(luò)為一個兩端供電環(huán)網(wǎng)，電源點為節(jié)點1和節(jié)點4，節(jié)點1、節(jié)點4的電壓差U&1-U&4=dU&，可得如下的回路方程式：

式中的負荷功率已改變符號。由上式可解得流經(jīng)阻抗Z12的功率Sa為

由式（3）、（4）可見，兩端電壓不相等的兩端供電網(wǎng)絡(luò)中，各線段中流通的功率可看作是兩個功率分量的疊加。其一為兩端電壓相等時的功率，即dU&=0時的功率；另一為取決于兩端電壓的差值dU&和環(huán)網(wǎng)總阻抗的功率，即循環(huán)功率。各線段流通的功率求出后，即可換算成環(huán)網(wǎng)中的各線段流通電流。

在合環(huán)潮流分析中，也有根據(jù)疊加定理，把合環(huán)后的支路潮流分為兩部分疊加而成：一部分是合環(huán)之前各支路的初始潮流;另一部分是由合環(huán)斷路器兩端電壓相量差引起的均衡潮流在網(wǎng)絡(luò)中的分布。無論是哪種方法都可以看出：電壓矢量差對合環(huán)潮流分布有重要影響。對均衡潮流分別就電壓幅值差和功角差求偏導(dǎo)數(shù)，考慮功角差小于15度和電阻遠小于電抗條件得出：功角差對有功潮流的影響遠大于電壓幅值差對有功潮流的影響，電壓幅值差對無功潮流的影響遠大于功角差對無功潮流的影響。

各節(jié)點的負荷功率在合環(huán)前后不會發(fā)生改變，而合環(huán)后兩電源端的電壓則可能發(fā)生改變，如兩電源位于不同的變電站母線，合環(huán)后由于功率分配發(fā)生改變，則必然造成合環(huán)前后電壓的改變，因此依據(jù)上述方法計算環(huán)流就存在合環(huán)后兩電源端的電壓差無法獲得的難題，而且在計算中各節(jié)點電壓認為是額定電壓，也沒有考慮功率的損耗，所有這些因素將使得采用上述方法計算出來的環(huán)流可能有很大的誤差。

在很多合環(huán)情況下，合環(huán)前后兩電源端的電壓不發(fā)生改變的假定還是可行的，如在一個廠站內(nèi)進行合環(huán)操作，負荷功率的重新分配只是在一個廠站內(nèi)進行，對于該廠站外部網(wǎng)絡(luò)來說，廠站負荷并沒有發(fā)生改變，因而由系統(tǒng)確定的母線電壓也不會發(fā)生改變；另外，如果認為合環(huán)所造成的負荷功率重新分配對于系統(tǒng)來說影響很小，對系統(tǒng)沒有太大干擾，則也可以假定合環(huán)前后兩電源端的電壓不發(fā)生改變，對于大部分合環(huán)情況，該假設(shè)可能都能成立，從而合環(huán)后電源點電壓可以認為已知。為了使環(huán)流計算更為準(zhǔn)確，則必須采用迭代方法來求解，也就是建議采用一般的潮流計算方法如牛頓-拉夫遜法來求解。然而通常的潮流計算都是把某一個節(jié)點認為是Vθ節(jié)點，其他節(jié)點為PV節(jié)點或PQ節(jié)點，而在環(huán)流計算問題中，如果假定合環(huán)前后電源點電壓不發(fā)生改變，則至少需要設(shè)置兩個節(jié)點為Vθ節(jié)點，所以需要采用多Vθ節(jié)點潮流計算程序。

2 合環(huán)操作注意事項

北京電網(wǎng)在110 kV電壓等級及以下多數(shù)采用輻射狀模式，也有部分采用環(huán)網(wǎng)設(shè)計輻射運行的模式，設(shè)備檢修和負荷轉(zhuǎn)移時，常常涉及合環(huán)操作。實際環(huán)網(wǎng)合環(huán)操作中，如果兩路合環(huán)電源的上級電源來自同一變電站或同一母線，一般合環(huán)電流不大；在同一供電分區(qū)內(nèi)進行低壓合環(huán)，合環(huán)電流也不會超過熱穩(wěn)定極限，但低壓有并網(wǎng)電廠情況除外；在不同供電區(qū)域合環(huán)，一般會有很大的合環(huán)電流，必須經(jīng)過潮流計算才能確定合環(huán)電流大小。通常在兩站間低壓線路合環(huán)操作應(yīng)注意的問題有：

1）調(diào)度員必須清楚要合環(huán)的線路是否處于同一系統(tǒng)，必要時要通過上級調(diào)度許可。

2）10kV電壓等級合環(huán)時，盡量使合環(huán)的兩個變電所的10 kV母線在合環(huán)前電壓差在0.1 kV內(nèi)；110 kV電壓等級合環(huán)時，盡量使合環(huán)的兩個變電所的110 kV母線在合環(huán)前電壓差在1 kV內(nèi)。

3）合環(huán)的兩個變電所上一級供電電源盡量為同一母線，必要時將上級電網(wǎng)先進行合環(huán)操作。

4）合環(huán)前應(yīng)進行必要的計算，確保合環(huán)的線路不過載。

5）一般情況下盡量在負荷較小時進行合環(huán)操作，此時環(huán)流較小。

6）對于低壓有并網(wǎng)電廠的線路合環(huán)，需要盡量降低電廠機組出力，調(diào)整兩側(cè)母線電壓幅值，減少合環(huán)電流。

7）盡量減少由于低壓合環(huán)產(chǎn)生電磁環(huán)網(wǎng)，如必須形成電磁環(huán)網(wǎng)，應(yīng)盡可能縮短合環(huán)時間。

不同電壓等級的電磁環(huán)網(wǎng)會帶來嚴(yán)重的的弊端，具體電網(wǎng)風(fēng)險如下幾個方面：

1）易造成系統(tǒng)熱穩(wěn)定破壞。如果在主要的負荷中心，用高低壓電磁環(huán)網(wǎng)供電而又帶重負荷時，當(dāng)高一級電壓線路斷開后，所有原來帶的全部負荷將通過低一級電壓線路送出，容易出現(xiàn)超過導(dǎo)線熱穩(wěn)定電流的問題。

2）易造成系統(tǒng)動穩(wěn)定破壞。正常情況下，兩側(cè)系統(tǒng)間的聯(lián)絡(luò)阻抗將略小于高壓線路的阻抗。而一旦高壓線路因故障斷開，系統(tǒng)間的聯(lián)絡(luò)阻抗將突然增大(突變?yōu)閮啥俗儔浩髯杩古c低壓線路阻抗之和，而線路阻抗的標(biāo)幺值又與運行電壓的平方成正比)，因而極易超過該聯(lián)絡(luò)線的暫態(tài)穩(wěn)定極限，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。

3）不利于經(jīng)濟運行。500 kV與220 kV線路的自然功率值相差極大，同時500 kV線路的電阻值 (多為4×400 mm2導(dǎo)線)也遠小于220 kV線路 (多為2×240 mm2或1×400 mm2導(dǎo)線)的電阻值。在500 kV與220 kV電磁環(huán)網(wǎng)運行情況下，許多系統(tǒng)潮流分配難于達到最經(jīng)濟。目前北京電網(wǎng)內(nèi)合環(huán)會出現(xiàn)500 kV與 110 kV、甚至是10 kV的電磁環(huán)網(wǎng)，個別站合環(huán)出現(xiàn)跨越多個供電區(qū)域的電磁環(huán)網(wǎng)。

4）需要裝設(shè)高壓線路因故障停運后的連鎖切機、切負荷等安全自動裝置。但實踐說明，安全自動裝置本身拒動、誤動影響電網(wǎng)的安全運行。

3 合環(huán)操作建議

隨著北京電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，分區(qū)供電格局日益細化，不同供電區(qū)域間電磁合環(huán)屢見不鮮。針對電網(wǎng)低壓合環(huán)問題，提出如下建議：

1）對于110 kV變電所站內(nèi)合環(huán)操作，要求110 kV合環(huán)斷路器裝設(shè)過電流保護，如果該不能裝設(shè)過電流保護而母線聯(lián)絡(luò)斷路器具備過電流保護時，盡量用母線聯(lián)絡(luò)斷路器進行合環(huán)，在110 kV合環(huán)操作過程中投入，正常情況下退出運行。如110 kV六圈站，站內(nèi)110 kV系統(tǒng)合環(huán)涉及北京主網(wǎng)第三、五區(qū)合環(huán)，既可進線斷路器合環(huán)，也可母線聯(lián)絡(luò)斷路器合環(huán)，應(yīng)盡量采用裝設(shè)合環(huán)保護的母線聯(lián)絡(luò)斷路器進行合環(huán)操作。

2）如果110 kV母線聯(lián)絡(luò)斷路器沒有裝設(shè)母線聯(lián)絡(luò)斷路器過電流保護，當(dāng)110 kV在不同分區(qū)間調(diào)整供電方式時，應(yīng)采用“先斷后通”的操作方式。對于站內(nèi)35、10 kV母線分段斷路器合環(huán)利用過流保護作為合環(huán)操作的后備保護，一般不考慮110 kV側(cè)先合環(huán)的方式，而采取中、低壓側(cè)直接進行合環(huán)操作方式。當(dāng)操作時運行人員應(yīng)盡量將需合環(huán)的兩端段母線電壓盡量調(diào)至一致，并以電壓較低側(cè)為基準(zhǔn)。由于穿越110 kV變壓器合環(huán)，大大增加了合環(huán)點兩側(cè)阻抗，將減少合環(huán)電流峰值。

3）35 kV線路合環(huán)操作也是要求35 kV變電所的母聯(lián)斷路器或進線斷路器裝設(shè)過流保護，正常時停用，合環(huán)操作前投入。未裝設(shè)過流保護的調(diào)度戶，按“先斷后通”的方式操作。

4）10 kV線路斷路器合環(huán)操作時應(yīng)防止環(huán)流過大而線路斷路器跳開后再次重合，由于無法確定合環(huán)斷路器兩側(cè)功角大小及合環(huán)潮流方向，因此合環(huán)前10 kV線路兩側(cè)的重合閘均應(yīng)停用。

5）市調(diào)和區(qū)調(diào)調(diào)度員應(yīng)明確合環(huán)操作帶來的電網(wǎng)風(fēng)險，計算合環(huán)電流大小，確保不會出現(xiàn)過載設(shè)備，必要時兩級調(diào)度聯(lián)動調(diào)整方式后再合環(huán)。

6）應(yīng)聯(lián)系相關(guān)單位維護電網(wǎng)中重要合環(huán)點的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和運行數(shù)據(jù)，保證計算數(shù)據(jù)的全面和準(zhǔn)確。研發(fā)低壓合環(huán)潮流計算軟件，調(diào)度員在合環(huán)操作前，有系統(tǒng)、科學(xué)、準(zhǔn)確的潮流計算工具作為技術(shù)支持。

低壓合環(huán)可能產(chǎn)生各供電分區(qū)間大電磁環(huán)網(wǎng)，不利于系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，《北京電網(wǎng)調(diào)度規(guī)程》明確要求合環(huán)時間盡量縮短，調(diào)度員操作時應(yīng)考慮周到。由于電網(wǎng)內(nèi)無人站較多，涉及多站合環(huán)操作時務(wù)必確保各站操作人員均到位后方可合環(huán)，調(diào)度及運行人員應(yīng)認真監(jiān)視并記錄合環(huán)潮流。

4 實例分析

以圖1所示系統(tǒng)為例對合環(huán)操作進行分析。110 kV六圈站正常運行方式是高六二111斷路器、南六一113斷路器合，分別帶110 kV 4號、5號母線運行，南六二112斷路器、高六一114斷路器斷開備用。其中110 kV高六一線、高六二線上級電源為高井電廠，位于北京電網(wǎng)第五供電分區(qū)；110 kV南六一線、南六二線上級電源為220 kV南苑站，位于北京電網(wǎng)第三供電分區(qū)。

圖1 六圈站110 kV母線接線圖

在電網(wǎng)設(shè)備檢修或其他原因需要六圈站倒方式時，通常是直接合112斷路器、拉111斷路器（或合114斷路器、拉113斷路器），由于上級電源高井電廠和南苑站110 kV母線分屬不同供電分區(qū)，電源側(cè)兩段母線電壓幅值、相位不等,就可能在合環(huán)時產(chǎn)生一個很大的合環(huán)功率,當(dāng)這個合環(huán)功率累加六圈站變壓器負載后，可能導(dǎo)致線路功率超過線路熱穩(wěn)定極限，發(fā)生保護跳閘、線路斷線等嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的事故。如表1所示，記錄了近3次合環(huán)電流值。

表1 六圈站高六二、南六二合環(huán)相關(guān)數(shù)據(jù)表

從表1可知六圈站站111，112斷路器同時處于合入狀態(tài)時，第三供電分區(qū)和第五供電分區(qū)通過高井電廠－六圈－南苑，即110 kV高六二線－南六二線聯(lián)通，有功潮流和無功潮流均由高井電廠流向南苑110 kV母線。三次合環(huán)電流由于操作時間不同，電源側(cè)母線電壓和相角不同，六圈站內(nèi)負荷也不同，造成三次合環(huán)電流不一致，但最大合環(huán)電流達到730 A，已超過110 kV高六二全線的熱穩(wěn)定極限（部分線路段僅為610 A）。

從每次合環(huán)潮流數(shù)據(jù)中可以看出,影響合環(huán)潮流的因素除了傳統(tǒng)上認為的功角差和電壓差,還有系統(tǒng)等值阻抗和負荷水平的影響。因此調(diào)度部門還可以通過以下幾種方法來改善現(xiàn)有合環(huán)操作風(fēng)險。

1）盡快研發(fā)低壓合環(huán)計算軟件，隨著電網(wǎng)發(fā)展越來越復(fù)雜、分區(qū)越來越細化，不能憑經(jīng)驗合環(huán)。

2）采取主變壓器分列運行等措施增加系統(tǒng)等值阻抗。

3）采用更低壓合環(huán)，靠串接變壓器增加合環(huán)阻抗。

4）改變系統(tǒng)的運行方式,減小斷路器兩側(cè)的功角差,這種手段涉及大范圍的有功潮流轉(zhuǎn)移,實際操作非常困難。

5）同時降低合環(huán)斷路器兩側(cè)的電壓差，爭取為零。

5 結(jié)論

隨著首都電網(wǎng)的不斷發(fā)展,運行機組容量越來越大、供電分區(qū)越來越細，合環(huán)操作將越來越多，風(fēng)險也會越來越大。在相位正確的情況下,能否進行合環(huán)操作,保證輸電能力和用戶供電,有非常重要的實際意義。

通過對合環(huán)潮流的分析和實際倒閘操作的總結(jié)可以看出,合環(huán)潮流主要與合環(huán)點的電壓差、相角差、系統(tǒng)等值阻抗和合環(huán)前潮流分布等因素有關(guān)。因此,在合環(huán)操作前,針對這幾個因素進行初步分析,對保證合環(huán)安全有重要意義。

［1］夏翔，熊軍，胡列翔.地區(qū)電網(wǎng)的合環(huán)潮流分析與控制[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004，28(22)：76-80.

［2］陳珩.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析[M].北京：水利電力出版社，1985.

［3］鄭廣君，等.北京電網(wǎng)運行方式報告［R］.北京：市電力司公，2009.