覃蕓，黃豫，潘旭東，王延緯，龔賢夫

（1. 南方電網(wǎng)能源發(fā)展研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510080；2. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510080；3. 廣東電網(wǎng)發(fā)展研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510080）

0 前言

隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的逐步完善，因解環(huán)更有利于潮流、穩(wěn)定控制，因此，電磁環(huán)網(wǎng)運行方式逐步減少[1-4]。但是，部分局部區(qū)域電網(wǎng)由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱，受限于供電線路線徑和調(diào)度運行斷面控制，供電能力顯現(xiàn)不足，甚至出現(xiàn)需要錯峰限電的情況。同時，由于線路改造難度大，且經(jīng)濟性欠優(yōu)，無法從完善網(wǎng)架的角度在未來兩三年提高區(qū)域的供電能力。因此，在電網(wǎng)發(fā)展階段，鑒于建設(shè)條件、周期及經(jīng)濟性考慮，部分網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱的局部電網(wǎng)在過渡年份可將電磁環(huán)運行作為提高供電能力和可靠性的一種可行性方案[5-9]。

本文以運行靈活性和潮流清晰可控為基礎(chǔ)，提出適合局部電網(wǎng)的電磁環(huán)合環(huán)原則，基于原則，從網(wǎng)絡(luò)拓撲、潮流轉(zhuǎn)移、穩(wěn)定情況等判斷合環(huán)可行性，并對可合環(huán)方案進行評估。

1 合環(huán)原則

電磁環(huán)運行是電網(wǎng)發(fā)展過度時期的一種運行手段，用于提高局部電網(wǎng)的可靠性或供電能力。鑒于電磁環(huán)網(wǎng)運行存在上級電網(wǎng)故障導(dǎo)致潮流轉(zhuǎn)移和不可控、上下級電網(wǎng)阻抗不匹配導(dǎo)致系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)、短路電流水平增加等諸多缺點和風(fēng)險[10]，有必要慎重分析合環(huán)可行性[11]及合環(huán)運行對提升系統(tǒng)可靠性、供電能力的大小。

在充分考慮運行可控性，提出以下合環(huán)原則：

1）原則上只考慮有直接電氣聯(lián)系或鏈?zhǔn)酱┑恼军c；

2） 不 考 慮 三 級 電 磁 環(huán) 網(wǎng)， 如500 kV/ 220 kV/ 110 kV 電磁環(huán)；

3）站點為輻射終端結(jié)構(gòu)，單回線路或同塔同路徑線路；

4）供電能力不足線路或斷面，合環(huán)運行可降低受限線路或斷面潮流，增加供電裕度。

2 合環(huán)運行可行性校核

結(jié)合電網(wǎng)實際情況，從網(wǎng)絡(luò)拓撲[12]、潮流轉(zhuǎn)移[13-14]、穩(wěn)定情況[15-17]等角度綜合評判合環(huán)可行性。

2.1 基于網(wǎng)絡(luò)拓撲的可行性校核

從網(wǎng)絡(luò)拓撲的角度校核評估合環(huán)可行性，核算合環(huán)點的角度差是否滿足調(diào)度規(guī)程、核算合環(huán)點電壓差是否滿足國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》GBl2325-90 規(guī)定，角度差和電壓偏差均滿足，則滿足了基于網(wǎng)絡(luò)拓撲的合環(huán)可行性。

某區(qū)域局部電網(wǎng)電磁環(huán)阻抗圖如圖1 所示。

圖1 某區(qū)域電網(wǎng)電磁環(huán)阻抗圖（規(guī)算至110 kV電壓等級）

電磁環(huán)總阻抗計算式（1）：

式中，ZT為變電站總阻抗，ZL為線路總阻抗，ZT1、ZT2為變電站1、2 的阻抗，ZL2為220 kV線路折算后阻抗，ZL11、ZL12、ZL13分別為三回110 kV 線路阻抗。

假設(shè)環(huán)網(wǎng)環(huán)流方向順時針方向為正，則用式（2）確定實際環(huán)流方向。

式中，DT1為變電站1 的額定變比，DT2為變電站2 的額定變比。DΣ＞1 說明環(huán)流方向與所選方向一致，DΣ＜1 說明環(huán)流方向與所選方向相反。

環(huán)流計算如式（3）所示。

式中，Un為標(biāo)稱電壓，ZΣ為電磁環(huán)總阻抗；A＜θ 為環(huán)流結(jié)果表示形式，A 為環(huán)流的幅值，θ為環(huán)流的相角。A＞0 說明循環(huán)功率中有功從變電站1 流向變電站2，A＜0 說明循環(huán)功率中有功從變電站2 流向變電站1；θ＞0 說明循環(huán)功率中無功從變電站1 流向變電站2，θ＜0 說明循環(huán)功率中無功從變電站2 流向變電站1。

依據(jù)環(huán)流相角和變電站電壓器接線型式確定合環(huán)點的角度差，如式（4）所示。

上式未考慮變壓器的繞組型式。若變壓器繞組型式不一致，則需計入相角差；若變壓器繞組型式一致，則變壓器角度差為0°，220 kV變電站變壓器一般選YnD11。

依據(jù)環(huán)內(nèi)變壓器的額定變比，確定合環(huán)點的電壓偏差，如式（5）所示。

2.2 基于潮流轉(zhuǎn)移的可行性校核

從潮流轉(zhuǎn)移的角度校核評估合環(huán)可行性，利用BPA 核算220 kV 高電壓層級通道斷開或發(fā)生N-1 故障，110 kV 線路的輸送容量是否超過線路輸送極限。

若合環(huán)點合上，220 kV 線路L2的實際輸送功率PL2，110 kV 線路的實際輸送功率分別為PL11、PL12、PL13。當(dāng)220 kV 線路L2斷開后，110 kV 線路的實際輸送功率分別為PL11’、PL12’、PL13’。需 判 斷PL11’、PL12’、PL13’是否超過線路的輸送極限，若其中一回超過，則不可合環(huán)，若均不超過線路的輸送極限,則可合環(huán)。需按式（6）校核，則滿足潮流轉(zhuǎn)移下的合環(huán)條件。

式中，PL11.max、PL12.max、PL13.max分別是線路L11、L12、L13的最大事故限流值對應(yīng)的最大輸送功率。

2.3 基于系統(tǒng)穩(wěn)定的可行性校核

設(shè)置合環(huán)網(wǎng)上任一220 kV 線路和110 kV線路三永故障跳閘仿真，校核系統(tǒng)是否穩(wěn)定運行。

3 合環(huán)運行評估

按照合環(huán)原則，滿足合環(huán)運行條件的網(wǎng)絡(luò)具備合環(huán)可行性。但是并非所有的合環(huán)點對系統(tǒng)可靠性和供電能力的提高效果都是明顯的，本文突出合環(huán)運行評估指標(biāo)，用于鑒別合環(huán)的效果和必要性。

3.1 正常方式轉(zhuǎn)移比

用于評估合環(huán)前后，合環(huán)線路對上級220 kV 線路或斷面的支撐能力。

式中，PL2、PL'2分別為合環(huán)前后220 kV 線路潮流。RT1越大，說明合環(huán)線路對220 kV 線路的支撐能力越強，對提高供電裕度效果愈明顯。

3.2 故障方式轉(zhuǎn)移比

用于評估上級220 kV 線路故障前后，110 kV 線路可轉(zhuǎn)移潮流占比。

式中，PL2為220 kV 線路故障前220 kV 線路潮流，PL1、PL1'分別為220 kV 線路故障前后110 kV 線路潮流。RT2越大，說明合環(huán)線路對供電區(qū)域的支撐效果明顯。

3.3 220 kV線路實際運行最大負載率

用于評估實際運行工況下，由于220 kV線路故障，潮流會轉(zhuǎn)移至110 kV 線路，考慮110 kV 合環(huán)線路的限流值約束，220 kV 線路實際最大負載率。

式 中，PL1.max、PL2.max分 別 為110 kV、220 kV 線路事故限流值對應(yīng)的輸送功率極限，PL2為 合 環(huán) 運 行 時220 kV 線 路 潮 流，PL1'為220 kV 線路故障后，110 kV 線路潮流。β 越大，說明在潮流約束方面對合環(huán)運行可行性約束小，220 kV 線路的供電裕度越大。

4 算例分析

以某區(qū)域局部電網(wǎng)為例，該局部電網(wǎng)規(guī)劃2020 年含有6 座220 kV 和36 座110 kV 變電站，如圖2 所示。該局部電網(wǎng)通變電站1 和變電站6與地區(qū)主干網(wǎng)絡(luò)相連、通過變電站7 與外區(qū)電網(wǎng)相連。按解環(huán)條件，圖中含6 個解環(huán)、合環(huán)點。

圖2 某區(qū)域局部電網(wǎng)示意圖

結(jié)合區(qū)域電網(wǎng)分析，2020 年該局部電網(wǎng)因受限于變電站1 ～變電站2 線路送電能力，線路截面為400 mm2，為滿足變電站4 ～變電站5 線路N-1，變電站1 ～變電站2 線路+變電站4 ～變電站5 線路斷面極限控制值為280 MW。若按解環(huán)運行，通過調(diào)整負荷分布，變電站1 ～變電站2 線路+ 變電站4 ～變電站5 線路潮流控制勉強可以滿足控制要求，但是運行靈活性及負荷發(fā)展適應(yīng)性均較差。鑒于此，為提高變電站1 ～變電站2 線路的供電裕度，本文以合環(huán)點1 和合環(huán)點6 作為分析對象。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：

Z變電站1=0.0497+j1.949Ω、Z變電站2=0.0557+j1.873Ω、Z變電站4=0.0603+j1.904Ω、Z變電站5=0.0573+j1.785、Z變電站6=0.0599+j1.880，

Z變電站1～變電站2=（0.215+j1.112）×10-2Ω、Z變電站2～變電站4=（0.101+j0.474）×10-2Ω、Z變電站4～變電站5=（0.175+j0.821）×10-2Ω、Z變電站5～變電站6=（0.069+j0.548）×10-2Ω，

Z變電站1～變電站12=（1.309+j4.284）×10-2Ω、Z變電站2～變電站21～變電站13～變電站12=（5.040+j20.115）×10-2Ω，Z變電站2～變電站25～變電站61～變電站6=（1.649+j6.580）×10-2Ω

變電1、變電站2 的額定變比為230/121，變電4、變電站5、變電站6 的額定變比為242/121。

4.1 合環(huán)點1分析

4.1.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲

合環(huán)點1 合環(huán)后構(gòu)建變電站1 ～變電站2 ～變電站12 ～變電站13 ～變電站21 ～變電站1 組成的電磁環(huán)。

總阻抗ZΣ=0.171+j4.077Ω

角度差Δδ=90-87.6=2.4° ＜30°（變壓器線圈均為YnD11）

角度差和電壓偏差均滿足合環(huán)要求。

4.1.2 潮流分析

解環(huán)運行時，變電站1 ～與變電站2 線路功率為P=220.8 MW。

合環(huán)運行時，變電站1 ～與變電站2 線路功率為P 變電站1 ～與變電站2=215.8 MW，110 kV 線路輸送功率分別為P 變電站1 ～與變 電 站12=90.2 MW、P 變 電 站12 ～與 變電 站13=19.2 MW、P 變 電 站13 ～與 變 電站21=7.1 MW、P 變 電 站21 ～與 變 電 站2=4.0 MW；發(fā)生變電站1 ～與變電站2 線路N-1 故障時，110 kV 線路輸送功率分別為P’變電站1 ～與變電站12=94.7 MW、P’ 變電站12 ～與變電站13=23.5 MW、P’變電站13 ～與變電站21=11.6 MW、P’變電站21 ～與變電站2=8.5 MW。

變電站1 ～與變電站12 線路潮流最重，其最大輸送功率為95 MW，均未超過線路最大輸送容量，滿足合環(huán)條件。

合環(huán)潮流圖如圖3 所示。

圖3 合環(huán)點1合環(huán)運行潮流圖

4.1.3 穩(wěn)定分析

通過BPA 穩(wěn)定計算驗證，220 kV 線路變電站1 ～變電站2 和110 kV 線路變電站2 ～變電站12、變電站12 ～變電站13、變電站13 ～變電站21、變電站21 ～變電站1 等5 回線路分別發(fā)生三永故障，系統(tǒng)均能保持穩(wěn)定。說明滿足合環(huán)條件。

4.2 合環(huán)點6分析

4.2.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲

合環(huán)點6 合環(huán)后構(gòu)建變電站2 ～變電站4 ～變電站5 ～變電站6 ～變電站61 ～變電站25 組成的電磁環(huán)。

總阻抗ZΣ=0.253+j7.526Ω

角度差Δδ=90-88.1=1.9° ＜30°（變壓器線圈均為YnD11）

角度差和電壓偏差均滿足合環(huán)要求。

4.2.2 潮流分析

解環(huán)運行時，變電站1 ～與變電站2 線路功率為P=220.8 MW。

合環(huán)運行時，變電站1 ～與變電站2 線路功率為P變電站1～與變電站2=191.9 MW，110 kV 線路輸送功率分別為P變電站6～與變電站61=89.2 MW、P變電站61 ～與變電站25=51.4 MW、P變電站25～與變電站2=36 MW；發(fā)生變電站2 ～變電站4、變電站4 ～變電站5、變電站5 ～變電站6 線路N-1 故障時，110 kV潮流方向是由變電站6 向變電站2 流，站點均為負荷站點，變電站61 ～變電站6 線路較其他兩回潮流重，因此，僅需校核變電站61 ～變電站6 線路是否會超過限流值。

變電站2 ～變電站4 線路N-1 時，110 kV線路變電站61 ～變電站6 輸送功率為P’變電站6～與變電站61=67 MW；變電站4 ～變電站5 線路N-1 時，110 kV 線路變電站61 ～變電站6 輸送功率為P’變電站6 ～與變電站61=100.1 MW；變電站5 ～變電站6 線路N-1 時，110 kV 線路變電站61 ～變電站6 輸送功率為P’變電站6～與變電站61=109.6 MW。110 kV 線路變電站61 ～變電站6 事故限流值對應(yīng)的最大輸送容量為110 MW。以上三個220 kV 線路故障造成110 kV 潮流轉(zhuǎn)移均不會導(dǎo)致110 kV 過載，滿足合環(huán)條件。

合環(huán)潮流圖如圖4 所示。

圖4 合環(huán)點6合環(huán)運行潮流圖

4.2.3 穩(wěn)定分析

通過BPA 穩(wěn)定計算驗證，220 kV 線路變電站2 ～變電站4 ～變電站5 ～變電站6 等3 回和110 kV 線路變電站2 ～變電站25 ～變電站61 ～變電站6 等3 回線路分別發(fā)生三永故障，系統(tǒng)均能保持穩(wěn)定。說明滿足合環(huán)條件。

4.3 綜合評價

合環(huán)點1 和合環(huán)點6 均能滿足網(wǎng)絡(luò)拓撲、潮流轉(zhuǎn)移、系統(tǒng)穩(wěn)定等三個層面的校核，滿足合環(huán)要求?，F(xiàn)對兩個合環(huán)點進行評估比較。

4.3.1 正常方式轉(zhuǎn)移比

RT1.合環(huán)點1＜RT1.合環(huán)點6說明合環(huán)點6 對220 kV變電站1 ～變電站2 線路的支撐能力較強，對提高該區(qū)域的供電裕度效果愈明顯。

4.3.2 故障方式轉(zhuǎn)移比

RT2.合環(huán)點1＜RT2.合環(huán)點6說明合環(huán)點6 對220 kV變電站1 ～變電站2 線路的支撐能力較強，對提高該區(qū)域的供電裕度效果愈明顯。

4.3.3 220 kV線路實際運行最大負載率

合環(huán)點1 對應(yīng)220 kV 變電站1 ～變電站2線路最大負載率：

合環(huán)點1 對應(yīng)220 kV 變電站1 ～變電站2線路最大負載率：

β合環(huán)點1、β合環(huán)點6基本相當(dāng)，說明兩個合環(huán)點在潮流約束方面對合環(huán)運行可行性約相當(dāng)，均接近80%；同時，說明要想進一步提高220 kV線路的供電裕度，可以通過加強提高110 kV 線路輸送容量的方法。

鑒于以上三點評估，合環(huán)點6 的合環(huán)方式對提高線路供電裕度效果較好。

5 結(jié)束語

本文以提高供電可靠性和提升供電能力為目標(biāo)，提出了區(qū)域局部電網(wǎng)電磁環(huán)合環(huán)原則，分網(wǎng)絡(luò)拓撲、潮流轉(zhuǎn)移、系統(tǒng)穩(wěn)定三個維度詳細分析了合環(huán)的可行性，并提出了合環(huán)運行評估指標(biāo)和方法。為網(wǎng)架薄弱和電網(wǎng)建設(shè)滯后的電網(wǎng)提供了一種可行的運行方案。通過實際案例，充分體現(xiàn)了構(gòu)建220 kV/110 kV 電磁環(huán)網(wǎng)的可行性，詳細評估了對系統(tǒng)供電能力的提升效果。案例證明通過構(gòu)建合適的電磁環(huán)對提升區(qū)域供電能力效果明顯。