呂風(fēng)磊，李宏仲

(上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090)

500/220 kV電網(wǎng)的分區(qū)研究

呂風(fēng)磊，李宏仲

(上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090)

隨著輸電網(wǎng)架規(guī)模的不斷擴大，電網(wǎng)分區(qū)已經(jīng)成為電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢.介紹了500/220 kV電網(wǎng)的建設(shè)過程，強調(diào)了進(jìn)行500/220 kV電網(wǎng)分區(qū)研究的必要性，并結(jié)合現(xiàn)有研究，將500/220 kV電網(wǎng)分區(qū)的研究方法歸納為啟發(fā)式分區(qū)和整體式分區(qū).最后，結(jié)合大電網(wǎng)的發(fā)展趨勢，對分區(qū)研究進(jìn)行了展望.

500/220 kV電網(wǎng)分區(qū);電網(wǎng)結(jié)構(gòu);分區(qū)方法;量化研究

500/220 kV電網(wǎng)分區(qū)是在網(wǎng)架建設(shè)過程中逐漸出現(xiàn)的，從20世紀(jì)80年代末到21世紀(jì)初期的500/220 kV電網(wǎng)建設(shè)來看，負(fù)荷的大規(guī)模增長以及社會巨大的電量需求使電網(wǎng)建設(shè)的速度過快，并且在電網(wǎng)規(guī)劃上，對未來電網(wǎng)發(fā)展的預(yù)測不足，這就直接影響了大電網(wǎng)變電站的建設(shè)速度;加之在電網(wǎng)建設(shè)體制上，我國早期電網(wǎng)建設(shè)的思路重發(fā)輕供，電源建設(shè)比電網(wǎng)建設(shè)要超前，而且受20世紀(jì)90年代電網(wǎng)投資體制的影響，500 kV電網(wǎng)的建設(shè)比較滯后，220 kV電網(wǎng)建設(shè)較快.因此，在500/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)運行中，出現(xiàn)了由潮流過載帶來的大電網(wǎng)事故，短路電流水平不斷提升，這對大區(qū)域電網(wǎng)的管理和操作控制帶來了很大的難度.

目前，500/220 kV電網(wǎng)已經(jīng)成為我國電力傳輸網(wǎng)架的核心部分，當(dāng)輸電網(wǎng)出現(xiàn)上述問題時，會對電網(wǎng)的安全可靠運行帶來極大的危害.［1］同時我國現(xiàn)階段的實際情況決定了對輸電線路、電氣設(shè)備不可能進(jìn)行大規(guī)模改造，而只能對現(xiàn)有的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，因此500/220 kV電網(wǎng)分區(qū)成為電網(wǎng)發(fā)展的共識.

隨著我國電壓等級的不斷發(fā)展，受端電網(wǎng)分區(qū)［2-4］勢在必行，正如《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》中明確指出的，“隨著高一級電壓電網(wǎng)的建設(shè)，下級電壓電網(wǎng)應(yīng)逐步實現(xiàn)分層分區(qū)，相鄰分區(qū)之間保持互為備用，應(yīng)避免和消除嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定的不同電壓等級的電磁環(huán)網(wǎng)”.

本文主要對500/220 kV電網(wǎng)分區(qū)的研究方法進(jìn)行總結(jié)和歸納，指出了當(dāng)前研究的不足，并結(jié)合未來網(wǎng)架的發(fā)展，對分區(qū)的研究思路進(jìn)行了展望.

1 電網(wǎng)分區(qū)研究方法現(xiàn)狀

歐美發(fā)達(dá)國家的網(wǎng)架布局相對合理，電氣設(shè)備容量大、熱穩(wěn)定性能好，因此對電磁環(huán)網(wǎng)問題，尤其對電磁解環(huán)分區(qū)的研究不多，而是將研究重點更多地集中在電磁環(huán)網(wǎng)中電力電子技術(shù)的應(yīng)用上，即通過現(xiàn)代控制技術(shù)消除環(huán)流控制潮流分布，以提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性.［5］

近10年來，針對我國電網(wǎng)面臨的問題，各地都對500/220 kV電網(wǎng)的分區(qū)工作進(jìn)行了研究和分析，而且對1 000/500 kV電網(wǎng)的分區(qū)研究也已經(jīng)出現(xiàn).經(jīng)過整理和匯總，可以將分區(qū)的方法分為啟發(fā)式分區(qū)和整體式分區(qū)兩種.

1.1 啟發(fā)式分區(qū)

依據(jù)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定準(zhǔn)則，理想的電網(wǎng)分區(qū)要滿足以下幾種要求和原則:正常(含計劃檢修)方式下滿足N-1方式校驗;既要降低短路電流水平，又要保證供電可靠性;便于安全穩(wěn)定第三道防線的實施;充分的無功補償和有效的電壓調(diào)節(jié).［6-9］結(jié)合上述原則，所謂啟發(fā)式分區(qū)，是指通過對電網(wǎng)中的特定線路的開斷來計算系統(tǒng)的潮流、短路電流等相關(guān)的安全穩(wěn)定指標(biāo)，以解決500/220 kV電網(wǎng)的環(huán)網(wǎng)等問題.

文獻(xiàn)［10］和文獻(xiàn)［11］通過計算和分析天津電網(wǎng)的電力平衡關(guān)系、短路電流、潮流以及穩(wěn)定校核，指出了電磁環(huán)網(wǎng)運行存在的問題，提出了分區(qū)供電方案，將天津220 kV電網(wǎng)劃分為東、西、中3個分區(qū);文獻(xiàn)［12］針對山西中部電網(wǎng)短路水平急劇增大、廠站設(shè)備短路容量超標(biāo)日益嚴(yán)重、電磁環(huán)網(wǎng)問題日趨突出的情況，提出了6種分區(qū)方案，并通過簡單電氣計算對每一種方案進(jìn)行了評估;文獻(xiàn)［13］則主要將短路電流和N-1分析結(jié)合起來，進(jìn)行了福建電網(wǎng)的分區(qū)線路的初選;文獻(xiàn)［14］列舉了幾種詳細(xì)的解環(huán)方案，對遼寧電網(wǎng)的斷面解環(huán)和分區(qū)運行進(jìn)行了探討;文獻(xiàn)［15］通過潮流和短路電流的計算，分析了西南和東部地區(qū)解環(huán)的條件.

綜上所述，500/220 kV分區(qū)研究主要針對存在問題的區(qū)域，通過個別線路的開斷進(jìn)行分區(qū)，這種方式可以快速地解決出現(xiàn)問題的線路，效果明顯.但啟發(fā)式分區(qū)缺乏對區(qū)域網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的研究，分區(qū)的各個區(qū)域一般是憑經(jīng)驗采用啟發(fā)式方法逐步形成的，因而這種分區(qū)存在一定的局限性，無法保證分區(qū)的可擴展性，即有可能使得各分區(qū)的短路容量裕度不平衡，有的分區(qū)無可擴展的余地.

1.2 整體式分區(qū)

整體式分區(qū)是指依據(jù)每個區(qū)域的特點(主要是500 kV變電站個數(shù))進(jìn)行的整體式分區(qū).根據(jù)實際研究情況，可以分成變電站數(shù)目式整體分區(qū)、基于短路電流的整體式分區(qū)和基于拓?fù)渚W(wǎng)架的整體式分區(qū)3種.

1.2.1 變電站數(shù)目式整體分區(qū)

文獻(xiàn)［16］針對浙江電網(wǎng)220 kV母線分裂方式進(jìn)行了探討，提出“獨立2+2”和“聯(lián)合2+2”兩種分區(qū)模式，并對兩種模式進(jìn)行了比較;文獻(xiàn)［17］根據(jù)廣東省電網(wǎng)特點，結(jié)合行政區(qū)劃和供電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，將全省分成8個相對獨立的220 kV區(qū)域電網(wǎng)，分別為廣州、深圳、東莞、佛山及云肇、江中珠、惠州及粵東、粵西、粵北電網(wǎng)，并在以上分區(qū)的基礎(chǔ)上，再以一個或若干個500 kV變電站作為主要的供電電源，配合本地區(qū)內(nèi)部的發(fā)電廠作為輔助電源實施分區(qū)供電.

1.2.2 基于短路電流的整體式分區(qū)

基于短路電流進(jìn)行分區(qū)是指利用短路電流的計算模型，結(jié)合短路電流的限制，計算一帶一型、二帶一型的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最大的帶負(fù)荷能力，從而進(jìn)行整體性的分區(qū)研究.文獻(xiàn)［18］和文獻(xiàn)［19］利用典型的分區(qū)短路模型，以變電站和電廠的容量為參考，從分區(qū)的供電能力方面進(jìn)行了探討;文獻(xiàn)［20］從短路電流的分區(qū)模型入手，結(jié)合變壓器的供電能力，對500/220 kV分區(qū)的受電能力進(jìn)行了定量分析.這些文獻(xiàn)歸納出了一帶一型、二帶一型的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，如圖1所示，但缺少對此類N帶一型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的深入研究，也缺乏對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的量化研究.

圖1 兩種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

1.2.3 基于拓?fù)渚W(wǎng)架的整體式分區(qū)

基于拓?fù)渚W(wǎng)架的整體性分區(qū)，是指結(jié)合數(shù)學(xué)優(yōu)化的思想和算法，利用網(wǎng)架的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行線路的整體性分區(qū).文獻(xiàn)［21］利用TABU搜索算法，以電氣信息為分區(qū)的約束條件，對電網(wǎng)進(jìn)行了整體劃分;文獻(xiàn)［22］和文獻(xiàn)［23］提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)社團結(jié)構(gòu)特性量化分析的電磁環(huán)網(wǎng)分區(qū)方法:根據(jù)樞紐變電站分布情況及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特性，應(yīng)用GN分裂算法將電磁環(huán)網(wǎng)運行方式下的低電壓等級網(wǎng)絡(luò)劃分成若干分區(qū)，依據(jù)電力網(wǎng)絡(luò)分裂過程中各個分區(qū)被劃分出來的先后順序形成電磁環(huán)網(wǎng)分區(qū)方案集合，并利用社團結(jié)構(gòu)模塊度指標(biāo)來衡量電磁環(huán)網(wǎng)的分區(qū)質(zhì)量;文獻(xiàn)［24］利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，建立了小世界模型和無標(biāo)度模型，對電力系統(tǒng)進(jìn)行故障模擬，從而定性分析出電網(wǎng)中線路和節(jié)點的脆弱性，［25］以期為解環(huán)分區(qū)提供更精細(xì)的分析.基于數(shù)學(xué)優(yōu)化方法進(jìn)行分區(qū)研究，這為研究分區(qū)提供了新思路，但其未從電網(wǎng)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分區(qū)分析，同時基于數(shù)學(xué)算法的分區(qū)研究，還需要密切結(jié)合電氣信息，加強研究方法的實用性.

2 電網(wǎng)分區(qū)研究存在的問題及未來的研究重點

2.1 電網(wǎng)分區(qū)研究存在的問題

綜上所述，當(dāng)前電網(wǎng)分區(qū)研究存在以下幾個問題:

(1)500/220 kV分區(qū)研究主要針對存在問題的區(qū)域，通過個別線路的開斷進(jìn)行分區(qū)，缺乏深入電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的整體性分區(qū)研究;

(2)缺少對當(dāng)前分區(qū)研究的歸納總結(jié)，沒有得到具有適用性的典型分區(qū)模型，不能為電網(wǎng)分區(qū)提供有價值的參考;

(3)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)缺乏實用性和指導(dǎo)性的量化評價，［26］現(xiàn)階段對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的研究只是停留在拓?fù)湫螒B(tài)上，缺乏結(jié)合電氣信息，對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論［27-30］的量化研究.

2.2 未來的研究重點

根據(jù)電網(wǎng)中長期規(guī)劃，大電網(wǎng)發(fā)展主要存在兩個思路，即柔性輸電技術(shù)應(yīng)用和特高壓網(wǎng)架的建設(shè).針對這兩個方向，結(jié)合500/220 kV分區(qū)研究的不足，未來電網(wǎng)分區(qū)應(yīng)注重以下幾個方面的研究.

(1)針對500/220 kV分區(qū)研究的不足，結(jié)合近年來的大電網(wǎng)事故，應(yīng)深入500/220 kV分區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)電氣特性的研究，對500/220 kV電網(wǎng)分區(qū)進(jìn)行細(xì)致的模型研究及量化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的研究.

(2)特高壓電網(wǎng)的接入，將使我國電網(wǎng)出現(xiàn)1 000/500 kV電磁環(huán)網(wǎng)，甚至可能出現(xiàn)1 000/ 500/220 kV多級電磁環(huán)網(wǎng)，會對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來嚴(yán)重的隱患.因此，借鑒500/220 kV電網(wǎng)分區(qū)的經(jīng)驗和教訓(xùn)，在特高壓接入后，應(yīng)加強對下一級電網(wǎng)進(jìn)行分區(qū)的研究.

(3)結(jié)合柔性輸電技術(shù)，針對目前短路電流的問題，應(yīng)限制短路電流，改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu).

(4)利用新方法進(jìn)行大電網(wǎng)的拓展研究.針對大電網(wǎng)故障的冪律特性，應(yīng)利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論對電網(wǎng)的自組織特性進(jìn)行研究，建立小世界模型和無標(biāo)度模型，對電力系統(tǒng)進(jìn)行故障模擬，從而定性分析出電網(wǎng)中線路和節(jié)點的脆弱性，為解環(huán)分區(qū)提供更精細(xì)的分析;在交通網(wǎng)絡(luò)研究中，已經(jīng)廣泛應(yīng)用分形理論來研究空間形態(tài)和分布格局的問題，通過分形維數(shù)來表征交通網(wǎng)絡(luò)覆蓋特征和結(jié)構(gòu)，以及衡量交通網(wǎng)絡(luò)的連通性、功能完善度和分布均勻度，解釋交通發(fā)展和演化規(guī)律.由于交通網(wǎng)絡(luò)與電網(wǎng)網(wǎng)架在幾何形態(tài)上有一定的相似性，因此可以嘗試將分形理論應(yīng)用到電力系統(tǒng)網(wǎng)架研究中.

3 結(jié)語

對500/220 kV電網(wǎng)分區(qū)進(jìn)行研究，需要深入到電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的層面，進(jìn)行更加細(xì)致、全面的探討和分析，以期為未來的500/220 kV電網(wǎng)或特高壓電網(wǎng)建設(shè)提供更具價值的參考和指導(dǎo).

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(編輯 胡小萍)

Research of 500/220 kV Power Grid Partition

Lü Fenglei，LI Hongzhong
(School of Electrical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai200090，China)

With the continuous expansion of the power grid，the 500/220 kV grid partition has become an inevitable trend of the power grid development.The process of the power grid construction is introduced，and the necessity of 500/220 kV power grid partition is presented.According to the correlation study，the research methods of power grid partition are summarized as partial partition and integral partition.Finally，the future exploration on the power grid partition is prospected.

500/220 kV power grid partition;power grid structure;partition methods; quantitative research

TM712

A

1006-4729(2015)03-0233-04

10.3969/j.issn.1006-4729.2015.03.008

2014-09-09

呂風(fēng)磊(1987-)，男，在讀碩士，山東東營人.主要研究方向為電力系統(tǒng)安全與穩(wěn)定.E-mail: tracysl07@Yeah.net.

上海綠色能源并網(wǎng)工程技術(shù)研究中心資助項目(13DZ2251900).