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四川電網(wǎng)500 kV短路電流限制方案研究

2016-01-26 07:31魏震波劉俊勇宋秋池
電力科學(xué)與工程 2015年2期

蔣 樂,魏震波,劉俊勇,宋秋池,陳 虎

(1.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院,四川成都610065; 2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司,四川成都610041)

四川電網(wǎng)500 kV短路電流限制方案研究

蔣樂1,2,魏震波1,劉俊勇1,宋秋池2,陳虎2

(1.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院,四川成都610065; 2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司,四川成都610041)

摘要:短路電流水平較高是當(dāng)前四川電網(wǎng)運(yùn)行中較為突出的問題。而“疆電入川”工程作為解決四川電網(wǎng)“豐余枯缺”結(jié)構(gòu)性矛盾的有效途徑,已被納入計(jì)劃且在實(shí)施當(dāng)中。為確保未來四川電網(wǎng)運(yùn)行安全與穩(wěn)定,短路電流限制問題成為關(guān)鍵。首先分析了短路電流的危害與現(xiàn)有限流方法及技術(shù),通過模擬“疆電入川”前后四川電網(wǎng)短路電流水平,在對(duì)比各單一限流措施效果的基礎(chǔ)上,提出了適宜于四川電網(wǎng)發(fā)展的綜合限流方案,并進(jìn)行了仿真校驗(yàn)。研究表明,“疆電入川”工程雖不會(huì)增加四川電網(wǎng)短路電流水平,但考慮短路水平較高現(xiàn)狀與未來發(fā)展,必要的限流措施勢(shì)在必行;在綜合限流方案下,各站點(diǎn)的短路電流水平均有較大幅度下降,短路電流過大的問題得到了有效控制,驗(yàn)證了所提方案的有效性。

關(guān)鍵詞:四川電網(wǎng);短路電流;限流措施;綜合限流方案

中圖分類號(hào):TM732

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.02.008

收稿日期:2014-08-22。

基金項(xiàng)目:863計(jì)劃項(xiàng)目 (2014AA051901) ;國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目-國(guó)(地區(qū))合作與交流項(xiàng)目(51261130472);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目-面上項(xiàng)目(51377111)。

作者簡(jiǎn)介:蔣樂(1975-),男,博士研究生,高級(jí)工程師,從事特超高壓輸電技術(shù)與電力系統(tǒng)分析工作與研究,E-mail:445482183@qq.com。

Abstract:Currently the short-circuit level of Sichuan power grid has been a comparative high situation. Regarded as an effective way solving the structural problem redundancy in wet season and shortage in dry season of Sichuan power grid,the project of sending Xinjiang electricity to Sichuan power grid has been planned and carried out. Effectively limiting the short-circuit level has become to the key issue for safety and stability of Sichuan power grid in future. Therefore basing on a brief introduction of the short-circuit current damages and its limiting measures at home and abroad, simulations about short-circuit current of Sichuan power grid before and after Xinjiang electricity delivery project implementation and comparative analysis about the effect of each main single limiting method are carried out in this paper. Then an integrated current limiting scheme being suitable for Sichuan power grid development is put forward. And the validation of this scheme has been tested through simulation and analysis. The result shows that although the project would not improve the short-circuit level of Sichuan power grid, the scheme considering the limiting measures is very necessary based on the future development and real situation. And it also shows that the short-circuit level decreasing substantially and the high level current problem has been effectively controlled within this integrated limiting scheme. All of these have proved the validity of the scheme.

Keywords:Sichuan power grid; short-circuit current; current-limiting measure; integrated limiting scheme

0引言

“煤從空中走、電送全中國(guó)”,作為保障國(guó)家能源安全與解決東、中部地區(qū)未來“硬缺電”的重要手段之一的“疆電外送”工程正在按部就班地建投當(dāng)中[1,2]。作為相鄰省,四川“十二五”期規(guī)劃GDP總量要達(dá)到3萬億,按現(xiàn)有參考水平,需要實(shí)現(xiàn)用電負(fù)荷5 500~6 000萬kW之間[3]。但按照發(fā)展預(yù)期,2015年,四川電網(wǎng)枯水期時(shí),水火發(fā)電能力相加也只有4 400萬kW左右,“豐余枯缺”結(jié)構(gòu)性矛盾仍難解決。另一方面,“十二五”期間將建成投產(chǎn)的錦屏至蘇南 800 kV特高壓直流工程和溪洛渡左至浙西800 kV高壓直流工程,以及“雅安—樂山—重慶—皖南”1 000 kV雙回交流特高壓外送通道[4],將使四川電網(wǎng)成為全國(guó)最大外送規(guī)模的省級(jí)電網(wǎng)之一。而這也促成了四川電網(wǎng)兼具電力消納與接力外送的供需雙重性。因此,“疆電入川”納入規(guī)劃。

考慮“疆電入川”工程主供方向?yàn)槌啥茧娋W(wǎng),而短路電流水平已較高是該電網(wǎng)當(dāng)前較為突出問題之一,它是當(dāng)前電網(wǎng)建設(shè)顯著特點(diǎn)[5]。在系統(tǒng)容量很小的時(shí)期,可以考慮更換設(shè)備,增加開斷容量等方法加以解決,這種情況往往是因?yàn)樵O(shè)備有足夠的裕度,在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度都是可行的。但在系統(tǒng)容量很大,短路電流水平很高的時(shí)候,就不能簡(jiǎn)單的采取更換斷路器的方法解決,因?yàn)檫@涉及到系統(tǒng)其他設(shè)備(變壓器、母線、互感器等)連帶更換問題,且對(duì)通信線路的干擾,還要采取屏蔽措施等。因此,研究限制短路電流措施既實(shí)際且重要。

目前,短路電流限制[6~8]主要有3個(gè)途徑:一是從電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整;二是改變運(yùn)行方式;其三是通過增添限流裝置。文獻(xiàn)[9]從短路電流降低效果、實(shí)施的可行性、潮流分布等效果指標(biāo)出發(fā),通過分層分區(qū)供電、分母運(yùn)行、斷開或跳通線路等系統(tǒng)運(yùn)行方式對(duì)廣東電網(wǎng)500 kV電網(wǎng)進(jìn)行限流研究。結(jié)果表明,通過運(yùn)行方式調(diào)整的方法限制短路電流水平已非常困難, 更換更大遮斷容量開關(guān)設(shè)備迫在眉睫;文獻(xiàn)[10]同樣從網(wǎng)架結(jié)構(gòu)調(diào)整入手,通過分析開斷線路對(duì)阻抗矩陣各元素的影響, 推導(dǎo)開斷線路與超標(biāo)站點(diǎn)自阻抗變化的靈敏度關(guān)系, 并以該靈敏度為指標(biāo)提出了一種限制500 kV 短路電流的網(wǎng)架調(diào)整優(yōu)化算法。該算法計(jì)算具有快速、簡(jiǎn)單的特點(diǎn);而文獻(xiàn)[11]綜合考慮了短路電流水平、靜態(tài)特性、穩(wěn)定性等多方面的評(píng)價(jià)指標(biāo),提出了一種基于Pareto優(yōu)化的分層分區(qū)方法;文獻(xiàn)[12]則提出一種基于故障限流器的電網(wǎng)動(dòng)態(tài)分區(qū)方法。通過選擇合適的交流線路安裝故障限流器,將系統(tǒng)劃分為若干個(gè)相互之間由故障限流器隔開的區(qū)域。不難發(fā)現(xiàn),上述研究限流手段都較為單一,且部分結(jié)果已暴露出限流效果不佳的事實(shí)。對(duì)于輸電方式與電壓等級(jí)都更為復(fù)雜的四川電網(wǎng)缺乏應(yīng)有的指導(dǎo)性。

綜上現(xiàn)狀與分析,在制定具體限流措施前,解析疆電入川工程實(shí)施前后四川電網(wǎng)整體短路電流水平與模擬限流方案實(shí)施效果是十分必要。因此,本文將在分析疆電入川前后四川電網(wǎng)短路水平的基礎(chǔ)上,借鑒國(guó)內(nèi)外大電網(wǎng)成功限流方案,從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式、及加裝限流裝置等多方面入手,根據(jù)實(shí)際情況,提出具體的限流措施與綜合方案,實(shí)現(xiàn)對(duì)四川電網(wǎng)整體短路電流水平的有效控制。以期為疆電入川工作的順利實(shí)施提供理論參考。

1“疆電入川”前后四川電網(wǎng)短路電流水平

按十二五發(fā)展規(guī)劃,隨著雅安—重慶—皖南交流特高壓的投運(yùn),以及四川西部水電資源的大力開發(fā)和四川中東部電網(wǎng)500 kV變電站的增加,將使得各站點(diǎn)間的電氣距離進(jìn)一步縮短,可能造成部分站點(diǎn)的短路電流水平超過了對(duì)應(yīng)母線開關(guān)的最大遮斷容量。

現(xiàn)以2015年四川電網(wǎng)規(guī)劃(暫不考慮疆電入川)為對(duì)象,以豐水期全網(wǎng)全機(jī)組滿發(fā)為運(yùn)行方式,保守計(jì)算500 kV及以上變電站(如圖1所示)短路電流水平。

圖1 四川電網(wǎng)50萬站示意圖

選取高于50 kA的站點(diǎn),如表1中第1、2列所示。

表1 短路電流高于50 kA的500 kV以上站點(diǎn) kA

可以看出,2015年四川電網(wǎng)在沒有采取任何限制短路電流措施的情況下,已有部分站點(diǎn)短路電流超過或接近遮斷容量,且該類站點(diǎn)多集中于成都500 kV環(huán)網(wǎng)及重要的水電送出通道。其中,換流站因?yàn)橹苯舆B接于大型水電站,所以母線短路電流較大,且均是單相短路電流高于三相短路電流。

進(jìn)一步納入“疆電入川”項(xiàng)目實(shí)施??紤]輸電方式為直流,主供方向?yàn)槌啥茧娋W(wǎng),模擬計(jì)算結(jié)果如表1中第3、4列所示。

不難發(fā)現(xiàn),在不改變四川水電、火電機(jī)組容量的情況下,“疆電入川”項(xiàng)目工程投運(yùn)對(duì)2015年四川電網(wǎng)500 kV以上各站點(diǎn)短路電流水平的影響很小,無明顯“助長(zhǎng)”作用。這也印證了直流輸電不會(huì)增加兩端交流系統(tǒng)短路容量的特點(diǎn)。

總的來說,雖疆電入川工程對(duì)四川電網(wǎng)短路電流水平影響較小,但考慮短路水平已高事實(shí)與未來四川電網(wǎng)安全,制定必要的限流方案勢(shì)在必行。

2單一限流措施效果對(duì)比分析

以下分析均以疆電入川后的計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)。

2.1 分層分區(qū)限流

該方法是在更高電壓等級(jí)電網(wǎng)建成以后,將低電壓等級(jí)電網(wǎng)進(jìn)行解環(huán),進(jìn)而降低短路容量。針對(duì)四川電網(wǎng)特點(diǎn),擬采取以下兩種方式:

(1)500/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)

按“十二五”規(guī)劃,四川電網(wǎng)2015年將形成1 000 kV網(wǎng)架與500 kV網(wǎng)架共同承擔(dān)的主要輸配電任務(wù),因此可考慮將220 kV電網(wǎng)分區(qū)運(yùn)行以限制短路電流。省內(nèi)各地區(qū)電網(wǎng)之間如若存在500/220 kV高低壓電磁環(huán)網(wǎng)情況,則考慮斷開地區(qū)之間的220 kV聯(lián)絡(luò)線路;成都區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)部的高低壓電磁環(huán)網(wǎng),則需要考慮片區(qū)情況進(jìn)行解環(huán)。

(2)1 000/500 kV電網(wǎng)分層分區(qū)

逐步打開1 000 kV/500 kV/220 kV三級(jí)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)部分分層分區(qū)運(yùn)行以控制短路電流。具體為:斷開尖山至眉山、龍泉至資陽500 kV雙回線路,使得甘孜地區(qū)、成都地區(qū)及綿陽、德陽地區(qū)以雅安1 000 kV特高壓變電站為支撐,涼山地區(qū)、眉山地區(qū)及樂山、宜賓地區(qū)以樂山1 000 kV特高壓變電站為支撐。

按上述方案,模擬分層分區(qū)前后短路電流水平,如表2所示。

表2 分層分區(qū)前后站點(diǎn)短路電流對(duì)比 kV/kA

可以看到,四川電網(wǎng)1 000/500 kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)在采取部分分層分區(qū)措施后,各變電站短路電流水平有明顯下降,其中龍泉站最大降幅近20 kA??梢姾侠淼姆謪^(qū)運(yùn)行方式能直接有效地降低區(qū)域內(nèi)變電站短路水平過高問題,但如要達(dá)到整體降低目的,還需其他手段配合。

2.2 母線分段運(yùn)行限流

該方法是采用改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu),增大系統(tǒng)阻抗來進(jìn)行短路電流限制。由于只需要通過分段開關(guān)就能實(shí)現(xiàn),因此它是一種最經(jīng)濟(jì)、最簡(jiǎn)單、最有效的限制短路電流的手段。但其缺點(diǎn)也是明顯的,即降低系統(tǒng)可靠性。因此,一般只在必要時(shí)才采用。目前,母線分段運(yùn)行主要有兩種方式:高壓母線分段運(yùn)行和低壓母線分段運(yùn)行。如圖2所示。

圖2 (低壓)母線分段示意圖

考慮到2015年結(jié)果中,樂山特高壓變電站、尖山變電站、東坡變電站3個(gè)站點(diǎn)的短路水平超過了55 kA,其中東坡站的高壓側(cè)、中壓側(cè)短路水平均超過了開關(guān)的遮斷容量,因此考慮采用母線分段進(jìn)行限流。擬采取措施如下:樂山特高壓站采用中壓側(cè)母線分段運(yùn)行、尖山和東坡變電站采用高壓側(cè)分段運(yùn)行,結(jié)果如表3所示。

表3 母線分段運(yùn)行前后短路電流對(duì)比 kV/kA

可以看出,3個(gè)站點(diǎn)500 kV側(cè)短路電流均有較大幅度的下降,且最大降幅達(dá)13 kA。

2.3 高阻抗設(shè)備限流

該方法是通過高抗設(shè)備增大系統(tǒng)阻抗的方法達(dá)到限制短路電流的目的。由于大機(jī)組對(duì)接入點(diǎn)附近的500 kV變電站短路電流水平影響很大,因此可考慮此方法從源頭上控制注入電網(wǎng)的短路電流。此外,通過提高500 kV變電站變壓器的短路阻抗也可減小500 kV系統(tǒng)與220 kV系統(tǒng)間相互注入的短路電流。該方法存在一定弊端,它增大了正常情況下發(fā)電機(jī)本身的相角差,使靜態(tài)穩(wěn)定下降;又漏磁增加使故障初期過渡阻抗增加,同時(shí),因轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小更進(jìn)一步使動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性降低;另外過負(fù)荷能力也減小。因此在選擇是否采用高阻抗變壓器和發(fā)電機(jī)時(shí)需要綜合考慮系統(tǒng)的短路電流問題和穩(wěn)定問題,才可決定變壓器的阻抗值。

根據(jù)部分國(guó)內(nèi)外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),擬采取措施如下:對(duì)規(guī)劃新建大型電廠要求其升壓變壓器阻抗由常規(guī)的13%左右升高至15%~18%,具體情況還受施工、設(shè)計(jì)等因素限制;新建核心樞紐變電站要求其500 kV變壓器阻抗由常規(guī)的13%左右升高至16%~20%。這里值得注意的是,用高阻抗變壓器最高能達(dá)到多少,具體還受場(chǎng)地施工、設(shè)計(jì)難度和投資所限。

由表4可以看到,接高阻抗設(shè)備后,除樂山特高壓降幅度約為4 kA外,其他站點(diǎn)短路電流下降幅度都不太明顯,造成該結(jié)果的原因是此措施對(duì)電氣距離較遠(yuǎn)的區(qū)域限流效果不明顯。

表4 加高抗設(shè)備前后站點(diǎn)短路電流對(duì)比 kV/kA

2.4 變壓器中性點(diǎn)加小電抗

該方法可有效降低單相短路電流,特別是單相短路電流大于三相短路電流的情況尤為明顯。該情況發(fā)生原因在于:?jiǎn)蜗喽搪窌r(shí),故障相短路電流公式中正序阻抗和負(fù)序阻抗接近相等。在如果零序阻抗小于正序阻抗的時(shí)候,單相短路電流將大于同一地點(diǎn)的三相短路電流。例如,在大量采用自耦變壓器的系統(tǒng)中,由于接地中性點(diǎn)多,系統(tǒng)故障點(diǎn)零序綜合阻抗往往小于正序綜合阻抗;另外,在發(fā)電機(jī)出口側(cè),發(fā)電機(jī)的零序電抗非常小,相比正序負(fù)序電抗也小得多。在實(shí)際電網(wǎng)中,多發(fā)生于500 kV雙/多環(huán)電網(wǎng)與大容量電網(wǎng)220 kV側(cè)等。

一般來說,所加裝的小電抗阻抗值在5~20 Ω的范圍內(nèi),更大的阻抗難以獲得相應(yīng)的效果,卻有體積增大等不利之處。以典型的單相短路電流大于三相短路電流的錦屏換流站和復(fù)龍換流站為對(duì)象,結(jié)果對(duì)比如表5所示。

表5 加小電抗前后換流站短路電流對(duì)比 kV/kA

可以看到,加小電抗接地后,兩個(gè)換流站的單相短路電流均已下降到50 kA以下,分別下降了5.417 kA和2.764 kA,達(dá)到了降低單相短路電流的效果。同時(shí),三相短路電流大小沒有任何變化,也論證了加中性點(diǎn)小電抗對(duì)于減輕三相短路電流無效的結(jié)論。

綜上總結(jié),單一限流方法能對(duì)具體站點(diǎn)的電流水平進(jìn)行有效控制,但是難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體限流的目的。因此,綜合限流方案制定勢(shì)在必行。

3綜合限流方案

本文從措施實(shí)施的連續(xù)性、一致性出發(fā),以改造現(xiàn)有網(wǎng)架結(jié)構(gòu),輔以升級(jí)改造現(xiàn)有設(shè)備以及增加限流設(shè)備為手段,提出綜合限流方案,具體如下:

(1)逐步打開1 000 kV/500 kV/220 kV三級(jí)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)部分分層分區(qū)運(yùn)行以控制短路電流。2015年后待1 000 kV特高壓網(wǎng)架建成,四川電網(wǎng)1 000/500 kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)可采取部分分層分區(qū)的措施,斷開尖山—眉山、龍泉—資陽500 kV雙回線路;

(2)樂山1 000 kV特高壓變電站采用中壓側(cè)500 kV母線分段運(yùn)行;

(3)四川電網(wǎng)新建大型電廠要求其升壓變壓器阻抗由常規(guī)的13%左右升高至18%~23%,新建核心樞紐變電站要求其500 kV變壓器阻抗由常規(guī)的13%左右升高至16%~20%。

(4)錦屏換流站和復(fù)龍換流站采用變壓器中性點(diǎn)加小電抗接地方式。

表6~8給出了采用綜合限流方案前后,四川電網(wǎng)500 kV以上站點(diǎn)短路電流計(jì)算結(jié)果對(duì)比。

表6 綜合限流方案前后變電站短路電流對(duì)比 kV/kA

表7 綜合限流方案前后換流站短路電流對(duì)比 kV/kA

表8 綜合限流方案前后電源點(diǎn)短路電流對(duì)比 kV/kA

與單一限流措施相比,綜合限流方案從電網(wǎng)全局出發(fā),能夠從根本上解決短路電流過高問題。四川電網(wǎng)所有500 kV以上站點(diǎn)的短路電流水平均低于50 kA,且原高于50 kA的11個(gè)變電站或換流站的短路電流水平均有較大幅度下降,短路電流過大的問題得到了有效控制,同時(shí)表明了該限流方案的有效性。

4結(jié)束語

短路電流超標(biāo)問題是近年來許多電網(wǎng)運(yùn)行最突出的問題之一。本文以2015年四川電網(wǎng)規(guī)劃為對(duì)象,通過對(duì)比多個(gè)單一限流措施效果,提出了適宜于四川網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的具體限流方案。主要結(jié)論有:

(1)對(duì)于已處較高短路電流水平的四川電網(wǎng),在十二五規(guī)劃下,一定的限流措施勢(shì)在必行。

(2)單一限流措施已無法滿足四川電網(wǎng)整體限流目標(biāo)要求,綜合限流方案亟需制定。

(3)具體措施應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件進(jìn)行靈活調(diào)整。對(duì)于完全不滿足實(shí)施條件的,方可考慮更換設(shè)備或加裝故障限流器等手段,但應(yīng)考慮其經(jīng)濟(jì)性。

由于本文結(jié)果依賴于預(yù)期規(guī)劃的設(shè)計(jì)與收資數(shù)據(jù)的真實(shí)性,可能與實(shí)際系統(tǒng)有一定的出入,但不影響方案實(shí)施的合理性。另外,考慮到不同限流措施經(jīng)濟(jì)性存在差異,且對(duì)電網(wǎng)可靠性影響也不相同,構(gòu)建合理、有效的綜合評(píng)估與方案評(píng)估指標(biāo)是下一步的研究目標(biāo)。

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An Integrated Short-circuit Current Limiting Scheme for Sichuan 500 kV Power Grid

Jiang Le1,2, Wei Zhenbo1, Liu Junyong1, Song Qiuchi2, Chen Hu2

(1. School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610065,China;2. State Grid Sichuan Electric Power Company, Chengdu 610041,China)

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