周 悅，蔡 田，盧子敬

(1.國網(wǎng)湖北省電力公司，湖北 武漢 430077；2.國網(wǎng)黃岡供電公司，湖北 黃岡 438000)

0 引言

對于電網(wǎng)安全運行，最具有指導(dǎo)意義的參照物就是離線穩(wěn)定極限，它由系統(tǒng)方式專業(yè)人員根據(jù)相關(guān)規(guī)定制定，同時以相對更直觀、更可控的有功功率來表示，但穩(wěn)定極限的制定過程中往往會預(yù)留一定的裕度[1]，以保證穩(wěn)定極限能夠適應(yīng)各種電網(wǎng)運行方式，即目前電網(wǎng)的穩(wěn)定極限可以以極高的概率保證“穩(wěn)定”，但往往并非實際的“極限”。

隨著電力市場化的推進，新能源電廠的大量接入，使得在部分時段內(nèi)，水電新能源基地的外送能力被穩(wěn)定極限限制，因此若能對穩(wěn)定極限的裕度進行合理的評估，在保證安全的前提下充分發(fā)揮線路的外送能力，對于充分消納清潔能源、降低碳排放有著非常重要的意義。

湖北宜昌地區(qū)近兩年由于產(chǎn)業(yè)調(diào)整，本地用電負荷降低，而根據(jù)原負荷規(guī)劃而配套建設(shè)的大量水電廠在集中來水的情況下，需要外送的電力遠超外送斷面的輸送能力，此外，新能源電廠的接入也進一步加重了外送壓力。針對宜昌外送斷面之一的“220 kV遠雙+坡掇”斷面，本文以28個月的電網(wǎng)實際運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對運行極限進行分析，對離線穩(wěn)定斷面的裕度進行評估。

1 偏差來源

對于離線穩(wěn)定極限的計算過程，計算誤差的主要來源如下：

（1）模型偏差：由于離線計算建模的問題，導(dǎo)致計算線路參數(shù)與實際不符，進而造成穩(wěn)定計算結(jié)論出現(xiàn)偏差。模型偏差只能通過實際運行進行很粗略的校驗，只有出現(xiàn)對應(yīng)線路的計劃檢修或者跳閘時才能檢驗穩(wěn)定斷面的適用性，同時還必須排除其他線路的停運以及SCADA的測量誤差引起的偏差。

（2）轉(zhuǎn)換偏差：穩(wěn)定規(guī)定給出的控制對象是有功功率，而熱穩(wěn)定的控制對象是電流，雖然兩者之間在220 kV以上輸電網(wǎng)中存在很高的線性性[2]，但轉(zhuǎn)換邊界條件的設(shè)置仍會造成相當可觀的誤差。以《2017年華中主網(wǎng)穩(wěn)定規(guī)定（第二版）》為例，在500 kV線路的控制有功和控制電流的轉(zhuǎn)換上，電壓取500 kV，功率因素取0.95，而在實際的電網(wǎng)運行中500 kV母線電壓通常都在525 kV到540 kV之間，即使出現(xiàn)N-1或者同桿N-2故障，也不會出現(xiàn)電壓大幅下降的情況，同樣的，對于輸送有功功率在300 MW以上的500 kV線路來講，其功率因素往往都在0.98以上，此時引起的偏差至少在5%以上，當控制條件更加苛刻時[3-4]，所引起的誤差顯然會進一步增大。

（3）不確定因素偏差[5]：對于同樣的穩(wěn)定斷面運行功率，由于斷面包含線路的功率分配不同，其故障后的功率分布肯定會存在一定的不同，在某些極端情況下甚至可能出現(xiàn)相同的斷面功率，不同的穩(wěn)定結(jié)論。因此由于在離線計算中難以窮盡各種可能的運行方式，因此方式人員往往在最后確定斷面極限時留有一定的裕度，然而具體的裕度大小卻難以有統(tǒng)一標準。

2 分析方法

在文獻[6]中證明了對于給定支路k（兩端節(jié)點編號為m和n）和j（兩端節(jié)點編號為p和q），斷開支路k后，其電流將以一個恒定的比例a轉(zhuǎn)移至支路j，具體公式為：

其中：為節(jié)點導(dǎo)納矩陣；Zj為支路j的阻抗。

需要指出的是式（1）中轉(zhuǎn)移比a為一個矢量，為便于分析，后續(xù)分析中所指的轉(zhuǎn)移比均指a的模量。

為驗證上述結(jié)論，取相同的電網(wǎng)接線方式下（近區(qū)全接線運行）的多個時刻在線DSA計算數(shù)據(jù)，分別進行遠雙線（安全電流515 A）、坡掇線（安全電流710 A）的N-1計算。

其中選擇宜昌及近區(qū)電網(wǎng)全接線方式的時段，以避免由于近區(qū)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)破壞造成的轉(zhuǎn)移比偏差；對于不同開機、不同負荷水平、不同無功設(shè)備投退情況下對于電壓、無功的影響，則采取對多個時間點多次抽樣分析的方法，其計算結(jié)果如表1所示。

表1 遠雙線、坡掇線相互之間的轉(zhuǎn)移比Table 1 The transfer ratio between AC line Yuanshang and Poduo

由表1可知，兩條線之間轉(zhuǎn)移比偏差在不同時刻差別很小，轉(zhuǎn)移比最大值和最小值之差不超過1%，因此可以認為文獻中提出的轉(zhuǎn)移比恒定是在電網(wǎng)準確建模的前提下是可以精準確定故障后電流分布的。但是，計算數(shù)據(jù)的建模正確與否只能通過實際停電/跳閘檢驗，在進行分析的24個月的實際電網(wǎng)運行中，遠雙線、坡掇線各有3次停電，其中遠雙線的全部三次以及坡掇線的第三次停電時，近區(qū)電網(wǎng)都不是全接線運行，因此無分析意義。表2是坡掇線第一、第二次停送電時對遠雙線的轉(zhuǎn)移比（SCADA數(shù)據(jù)采樣周期300 s）。

表2 坡掇線停(送)電時，對遠雙線的轉(zhuǎn)移比Tab.2 The transfer ratio to AC line Yuanshuang while AC line Poduo is on(off)

由于實測的轉(zhuǎn)移比會因為采樣間隔的問題（采樣周期300 s），導(dǎo)致在相鄰的采樣周期中電網(wǎng)的發(fā)用電情況略有不同，而在在線DSA計算中，停電前后的發(fā)用電情況是完全一致。為消除采樣周期過長的影響，在第一次坡掇線送電時，調(diào)整SCADA的采樣周期至5 s，這時得到的坡掇線對遠雙線的轉(zhuǎn)移比為16.2%。

3 誤差分析

由以上分析可知，在通過縮短采樣周期至5 s后，可以認為近區(qū)機組和負荷無變化，此時坡掇線對遠雙線的轉(zhuǎn)移比為16.2%，在忽略裝置測量誤差的前提下，可以認為該值就是坡掇線對遠雙線的實際轉(zhuǎn)移比。

3.1 模型偏差

由于潮流計算中都是采用的Π型等效電路（如圖1所示，假設(shè)線路首末段分別為i和j），第二節(jié)中所指的線路電流對應(yīng)圖1中的iij，而表1中用于轉(zhuǎn)移比計算的線路電流為圖1中的i1，兩者相差為ic（線路電容電流的一半），只有在忽略線路導(dǎo)納時，才可以認為iij=i1；此外，考慮到母線電壓的變化幅度很小，可認為ic為一個恒定值（對于坡掇線約為12 A的容性電流），因此當相關(guān)線路電流越大時，模型引起的偏差會越小。故即使計算模型和參數(shù)完全一致，由于線路首端電流（i1）與支路電流（iij）存在略微的差別，造成在不同的時刻計算得到的轉(zhuǎn)移比略有不同。

圖1 線路Π型等效模型Fig.1 Type-Π equivalent model of AC line

由表1可知，不同時刻的轉(zhuǎn)移比均值與時間轉(zhuǎn)移比16.2%完全一致，雖然不同時刻之間的轉(zhuǎn)移比略有不同，但只要線路電流能夠遠大于電容電流，這時由于模型引起的誤差是可以忽略的。

3.2 轉(zhuǎn)換偏差、不確定因素偏差

選取2014年9月至2016年12月，28個月中遠雙+坡掇斷面有功在300 MW以上的運行采樣點，共計12 199個（采樣周期300 s）。由于這些時刻中，遠雙線、坡掇線的電流均遠大于線路的電容電流，因此遠雙線對坡掇線轉(zhuǎn)移比以及坡掇線對遠雙線轉(zhuǎn)移比根據(jù)表1的計算結(jié)果分別取27.5%和16.2%。

通過轉(zhuǎn)移比可以非常準確地推測出遠雙線、坡掇線任一線路跳閘后運行線路上的電流，若此時運行線路的電流超過線路規(guī)定安全電流，則認為此時斷面是不安全的（圖2、圖3中紅色部分）。

圖2 穩(wěn)定邊界（按電流）Fig 2 Stable boundary(by current)

圖3 穩(wěn)定邊界（按有功）Fig 3 Stable boundary（by active power）

4 斷面裕度的評估

將圖1中運行點的電流坐標改為對應(yīng)運行點的有功坐標（如圖2所示），由圖2可知穩(wěn)定規(guī)定中遠雙線、坡掇線的穩(wěn)定極限300 MW可以保證所有運行點出現(xiàn)任一線路N-1后，運行線路均不過載，但顯然在300 MW的穩(wěn)定極限以上仍有相當一塊區(qū)域是不存在N-1問題，這部分運行點占所有穩(wěn)定極限300 MW以上運行點的85.1%（10385/12199），在所有的安全運行點中，斷面功率最大值為387.155 MW，在所有不安全運行點中，斷面功率最小值為337.636 MW，在斷面功率不同時，安全/不安全運行點的分布表3所示。

表3 安全/不安全運行點的分布Tab.3 Distribution of safe/unsafe spot

定義斷面功率為P時的不安全運行概率：

不安全運行點的頻數(shù)分布以及斷面不安全運行概率（ΔP=5 MW）的分布如圖4、圖5所示。

圖4 不安全運行點的頻數(shù)分布Fig 4 Frequency distribution of unsafe spot

圖5 不安全運行概率Fi.g 5 Unsafe operation’s probability

由圖4、圖5可知，若將穩(wěn)定極限P增加到332 MW，仍可保證p(P)=100%，原超穩(wěn)定極限的12 199個運行點中4 457個運行點（占比36.49%）將被視為穩(wěn)定極限以內(nèi)的運行點，即可以在完全保證電網(wǎng)穩(wěn)定，且留有一定裕度（ΔP=5 MW）的情況下，同時釋放出相當?shù)脑６取?/p>

5 結(jié)論

根據(jù)以上分析可知，對于近區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，且有充分運行經(jīng)驗積累的穩(wěn)定斷面，通過對長時間的運行數(shù)據(jù)進行分析，特別是結(jié)合線路檢修或事故停電時的運行數(shù)據(jù)，可以得到非常精確的斷面限值。對于本文中分析的穩(wěn)定斷面，經(jīng)過24個月的運行數(shù)據(jù)以及數(shù)次斷面組成線路停電前后的記錄數(shù)據(jù)，精確地確定了該斷面的運行極限，對照穩(wěn)定規(guī)定要求，規(guī)定的斷面穩(wěn)定極限確實可以完全保證“穩(wěn)定”，但距離“極限”仍有一定空間，而這一部分運行空間如能合理使用，則能夠在該地區(qū)水電及新能源電廠大發(fā)時做到既保證電網(wǎng)安全又能最大程度消納清潔能源。

[參考文獻]（References）

[1]中華人民共和國國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會.DL755-2001電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則[S].北京：中國電力出版社,2001.The state economic and trade commission of the People's Republic of China.DL 755-2001 Guide on security and stability for power system[S].Beijing：China Electric Power Press，2001．

[2]王守相,武志峰,王成山.計及不確定性的電力系統(tǒng)直流潮流的區(qū)間算法[J].電力系統(tǒng)自動化,2007,(5)：18-22.WANG Shouxiang,WU Zhifeng,WANG Chengshan.Interval algorithm of DC power flow considering uncertainty in power systems.Automation of Electric Power Systems[J].2007,(5)：18-22.

[3]陳祎,郭瑞鵬,葉琳,等.電網(wǎng)斷面熱穩(wěn)定限額計算模型及方法[J].電力系統(tǒng)自動化,2012,36(17)：20-24.CHEN Yi,GUO Ruipeng,YE Lin,etal.Calculation model and method for thermal stability control limit to transmission interfaces in a power Grid[J].Automation of Electric Power Systems,2012,36(17)：20-24.

[4]趙娟,申旭輝,吳麗華,等.結(jié)合直流潮流模型的電網(wǎng)斷面熱穩(wěn)定極限快速評估方法[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2015,43(03)：97-101.ZHAO Juan,SHEN Xuhui,WU Lihua,et al.Fast evaluation method on thermal stability limit of power grid cross-section with DC power flow model[J].Power System Protection and Control,2015,43(03)：97-101.

[5] Aleksandar Dimitrovski,Kevin Tomsovic.潮流建模中的不確定性—邊界潮流法的應(yīng)用(英文)[J].電力系統(tǒng)自動化,2005,(16)：6-15.Aleksandar Dimitrovski,Kevin Tomsovic.Uncertainty in load flow modeling-application of the boundary load flow[J].Automation of Electric Power Systems,2005,(16)：6-15.

[6]李淼,周悅.利用支路間轉(zhuǎn)移比唯一性制定在線穩(wěn)定斷面適用性的研究[J].湖北電力,2014,38(02)：9-11.LI Miao,ZHOU Yue.A study on the establishment of online stable sections by using constant transfer ratio between branches[J].Hubei Electric Power,2014,38(02)：9-11.