陳輝，王文燁，熊龍珠，鄧杰，姜飛

(1. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司張家界供電分公司，湖南張家界427000；2. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410114)

0 引言

水電能源作為我國(guó)的第二大電力資源, 具有可再生、無(wú)污染等特性。同時(shí)在水能資源豐富的地區(qū), 水力發(fā)電成為實(shí)現(xiàn)地區(qū)能源布局優(yōu)化、能源綠色發(fā)展的戰(zhàn)略手段[1]。在我國(guó)電力發(fā)展初期, 小水電的大規(guī)模建設(shè)與并網(wǎng)運(yùn)行一定程度上緩解了電力供需矛盾、優(yōu)化了能源結(jié)構(gòu), 對(duì)于保障電力供應(yīng)、促進(jìn)清潔能源發(fā)展起到了關(guān)鍵性的作用。

然而, 小水電存在著與主網(wǎng)聯(lián)系不強(qiáng)、生產(chǎn)自動(dòng)化水平偏低、調(diào)度管理難度大、開(kāi)發(fā)無(wú)序等技術(shù)與管理難題[2], 對(duì)電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行考驗(yàn)較大。同時(shí), 小水電開(kāi)發(fā)引發(fā)的下游水量銳減、流域生態(tài)環(huán)境破壞等生態(tài)問(wèn)題, 使小水電的綠色生態(tài)管理面臨著嚴(yán)峻考驗(yàn)。充分考慮到當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境承載力, 為更好發(fā)揮水電的積極作用、保障電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行、保護(hù)生態(tài)環(huán)境, 需要對(duì)部分小水電進(jìn)行整頓退網(wǎng)。本文主要針對(duì)某地區(qū)小水電退網(wǎng)對(duì)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)潮流分布及安全穩(wěn)定的影響進(jìn)行分析, 為小水電退網(wǎng)后區(qū)域電網(wǎng)的發(fā)展建設(shè)提供參考。

目前, 針對(duì)區(qū)域電源退網(wǎng)對(duì)地區(qū)潮流的分析,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn) [3] 基于PSASP 電力系統(tǒng)仿真軟件, 對(duì)電壓穩(wěn)定極限及裕度進(jìn)行了計(jì)算, 并對(duì)電網(wǎng)潮流與穩(wěn)定性模塊特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。文獻(xiàn) [4-5] 基于PSASP 電力系統(tǒng)仿真軟件, 對(duì)經(jīng)典算例的電力系統(tǒng)進(jìn)行了暫態(tài)穩(wěn)定分析, 在系統(tǒng)潮流收斂的情況下, 模擬了線路三相短路故障, 并按照一般的故障時(shí)間切除故障, 觀察了系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性, 繼而進(jìn)一步計(jì)算了故障線路的極限切除時(shí)間。文獻(xiàn) [6] 基于PSASP 電力系統(tǒng)仿真軟件, 開(kāi)展了某電廠接入220 kV 電網(wǎng)后的外送安全穩(wěn)定計(jì)算分析, 并提出了外送線路的控制功率。文獻(xiàn) [7] 結(jié)合湖南電網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn), 針對(duì)湖南電網(wǎng)主網(wǎng)存在的熱穩(wěn)定問(wèn)題提出了相應(yīng)解決措施。文獻(xiàn) [8] 分析了黑麋峰電廠投運(yùn)后, 湖南電網(wǎng)的外送潮流特點(diǎn)及穩(wěn)定水平。文獻(xiàn) [9] 基于湖南電網(wǎng)豐水期及枯水期典型負(fù)荷日的負(fù)荷特性與機(jī)組、電源組成比例, 分析了機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰的必要性。文獻(xiàn) [10] 基于典型大負(fù)荷方式, 對(duì)湘西北地區(qū)電網(wǎng)的潮流分布和暫態(tài)水平進(jìn)行了分析。但目前關(guān)于小水電退網(wǎng)對(duì)區(qū)域電網(wǎng)的潮流及安全性、穩(wěn)定性影響的研究仍然欠缺。

為研究地區(qū)小水電退網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)潮流分布的影響, 本文綜合考慮區(qū)域電網(wǎng)與外部電網(wǎng)是否聯(lián)絡(luò)、區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)部某一省調(diào)管轄的水電廠是否投入等多種實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行場(chǎng)景, 利用PSASP 軟件[11-12]搭建某地區(qū)220 kV 電網(wǎng)仿真模型, 在當(dāng)?shù)匦∷娙５那闆r下, 對(duì)區(qū)域電網(wǎng)的夏季高峰負(fù)荷和冬季高峰負(fù)荷進(jìn)行潮流計(jì)算[13-15]。對(duì)比小水電全開(kāi)的情況,分析是否滿足潮流穩(wěn)定的最低要求, 基于N-1 安全原則判斷220 kV 線路是否可以安全運(yùn)行。在該地區(qū)小水電退網(wǎng)的情況下, 提出地區(qū)電網(wǎng)與外部電網(wǎng)進(jìn)行潮流交換并保證穩(wěn)定運(yùn)行的運(yùn)行建議。

1 地區(qū)電網(wǎng)的基本狀況和運(yùn)行特性

截至2019 年2 月, 該地區(qū)電網(wǎng)水、火電裝機(jī)總?cè)萘繛?7.91 萬(wàn)kW, 水電裝機(jī)容量占總裝機(jī)容量的87.74%。其中, 省調(diào)調(diào)度管轄裝機(jī)容量占水電總裝機(jī)容量的38.76%, 經(jīng)220 kV 電壓等級(jí)并網(wǎng)。地調(diào)調(diào)度管轄裝機(jī)容量52.61 萬(wàn)kW, 占水電總裝機(jī)容量的61.24%, 經(jīng)110 kV 及以下電壓等級(jí)并網(wǎng)。此次退出的水電容量占該地區(qū)水電總裝機(jī)容量的53.09%。其中, 該地區(qū)220 kV 電壓等級(jí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 該地區(qū)220 kV 電網(wǎng)的拓?fù)鋱D

圖1 中的節(jié)點(diǎn) 1 盤(pán)山、節(jié)點(diǎn) 3 崗市、節(jié)點(diǎn) 7 真龍橋?yàn)樵摰貐^(qū)220 kV 電網(wǎng)與外部電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)的節(jié)點(diǎn),主要負(fù)責(zé)與外部電網(wǎng)進(jìn)行功率交換, 其外送通道分別為 L21、L36-Ⅰ、L36-Ⅱ、L57。其余節(jié)點(diǎn)為該地區(qū)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn), 其中節(jié)點(diǎn)2 江埡、節(jié)點(diǎn)4 立功橋、節(jié)點(diǎn)5 胡家坪、節(jié)點(diǎn)6 零陽(yáng)。

該地區(qū)穩(wěn)定控制的要求具體如下: 在正常運(yùn)行時(shí), 若投入穩(wěn)控, L36-Ⅰ和L36-Ⅱ送入崗市的潮流可控制在420 MW 內(nèi)；若穩(wěn)控退出, L36-Ⅰ和L36-Ⅱ線送入崗市 (零陽(yáng)) 的潮流可控制在300 MW內(nèi)。在故障運(yùn)行時(shí), 若L36-Ⅰ (L36-Ⅱ)線停運(yùn), L36-Ⅰ (L36-Ⅱ) 和 L21 線可控制在260 MW 內(nèi)；若 L21 線停運(yùn), L36-Ⅰ和 L36-Ⅱ線送入崗市的潮流可控制在450 MW 內(nèi)。

為對(duì)該地區(qū)的220 kV 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行潮流計(jì)算, 統(tǒng)計(jì)該地區(qū)220 kV 電網(wǎng)中各線路的線型、長(zhǎng)度及在環(huán)境溫度下能承受的最大負(fù)載功率等具體參數(shù)。若線路負(fù)荷的功率超過(guò)最大負(fù)載功率的80%則視為重載運(yùn)行, 具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

綜合考慮到該地區(qū)電網(wǎng)的具體情況, 選取了4月豐水期、7 月夏季高峰期和12 月冬季高峰期三個(gè)典型月份的電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù), 借助PSASP 軟件,計(jì)算了4 月豐水期小水電未退網(wǎng)時(shí)與小水電退網(wǎng)后7 月份夏季高峰期和12 月份冬季高峰期的潮流分布。通過(guò)對(duì)比小水電退網(wǎng)前后的潮流網(wǎng)絡(luò)變化情況, 來(lái)判斷小水電退出后是否滿足潮流穩(wěn)定的最低要求, 是否需要投入小水電, 以及220 kV 線路是否滿足N-1 原則。

表1 220 kV 線路最大負(fù)載功率

2 豐水期電網(wǎng)運(yùn)行工況

4 月份豐水期, 該地區(qū)小水電保持全開(kāi)的狀態(tài), L57 線路正在建設(shè)中仍未投運(yùn), 此時(shí)取電網(wǎng)最小負(fù)荷, 定義流出該地區(qū)220 kV 母線為正方向,即正值表示該地區(qū)往省網(wǎng)輸送功率。

在此典型情況下用PSASP 中潮流計(jì)算的最優(yōu)因子法對(duì)地區(qū)的電網(wǎng)潮流進(jìn)行計(jì)算, 經(jīng)過(guò)15 次迭代, 允許誤差為0.000 1, 計(jì)算出的潮流分布結(jié)果如圖2 所示。結(jié)果表明, 此時(shí)L36-Ⅰ和L36-Ⅱ線送省網(wǎng)的潮流超過(guò)了300 MW, 根據(jù)該地區(qū)穩(wěn)定控制的要求, 節(jié)點(diǎn)6 穩(wěn)控裝置應(yīng)該處于投入的狀態(tài)。

圖2 該地區(qū)220 kV 電網(wǎng)4 月的潮流分布

對(duì)該地區(qū)220 kV 電網(wǎng)的任一線路進(jìn)行N-1 校驗(yàn), 則該地區(qū)的其他線路及外送通道具體潮流網(wǎng)絡(luò)分布的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 4 月該地區(qū)220 kV 電網(wǎng)的N-1 校驗(yàn)潮流

綜合表1 各線路在環(huán)境溫度下能承受的最大負(fù)載功率和表2 中的數(shù)據(jù)可以分析得到: 當(dāng)外送通道L21 線故障后, L36-Ⅰ、L36-Ⅱ、L26 將會(huì)重載運(yùn)行；外送通道L36-Ⅱ線故障后, L36-Ⅰ線將會(huì)滿載運(yùn)行；外送通道L36-Ⅰ線故障后, L36-Ⅱ線將會(huì)重載運(yùn)行。所以在負(fù)荷的低谷時(shí)期, 在滿足用電需求的同時(shí), 合理控制該地區(qū)小水電的開(kāi)機(jī)情況,保證線路處于正常的運(yùn)行狀態(tài)。L26 線故障后,L21 線將會(huì)重載運(yùn)行, 在滿足用電需求的條件下,江埡電廠適當(dāng)開(kāi)機(jī)以維持安全運(yùn)行即可。

3 夏季高峰負(fù)荷下電網(wǎng)運(yùn)行工況

7 月夏季高峰期, 此時(shí)小水電已經(jīng)全停, 選取該地區(qū)電網(wǎng)7 月最大負(fù)荷來(lái)計(jì)算潮流, 同時(shí)定義正方向?yàn)槭【W(wǎng)送入該地區(qū)潮流。通過(guò)觀察真龍橋變未投運(yùn)和投運(yùn)兩種情況來(lái)分析夏季高峰負(fù)荷下的運(yùn)行工況。

3.1 真龍橋未投運(yùn)

3.1.1 江埡全開(kāi)

在該地區(qū)小水電全停、江埡全開(kāi)、負(fù)荷最大的方式下, 該地區(qū)的220 kV 電網(wǎng)的潮流分布如圖3所示。

由圖3 中的潮流分布情況可以分析得到,L36-Ⅰ和 L36-Ⅱ線送入該地區(qū)的潮流將達(dá)到300 MW左右, 此時(shí)該地區(qū)小水電需保持一定的開(kāi)機(jī)平衡, L36-Ⅰ、L36-Ⅱ線的潮流達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行。

對(duì)該地區(qū)220 kV 電網(wǎng)的任一線路進(jìn)行N-1 校驗(yàn), 則該地區(qū)的其他線路及外送通道具體潮流網(wǎng)絡(luò)分布的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

圖3 夏季高峰真龍橋未投運(yùn)、江埡全開(kāi)時(shí)的電網(wǎng)潮流

結(jié)合表1 中各線路在環(huán)境溫度下能承受的最大負(fù)載功率和表3 中的校驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到: 當(dāng)外送通道L36-Ⅰ線故障, L36-Ⅱ線、L24 將會(huì)重載運(yùn)行；當(dāng)外送通道L36-Ⅱ線故障, L36-Ⅰ線、L24 線將會(huì)重載運(yùn)行；當(dāng) L26 線故障, L24 線將會(huì)重載運(yùn)行；當(dāng)L45 線故障, L56 線將會(huì)重載運(yùn)行。此時(shí)該地區(qū)小水電應(yīng)適當(dāng)開(kāi)機(jī)才能平衡重載線路潮流達(dá)到穩(wěn)定。

當(dāng)L24 線故障后, L56 線負(fù)載達(dá)到384.03 MW,線路過(guò)載運(yùn)行, L26 線將會(huì)重載運(yùn)行；L56 線故障之后, L24 線負(fù)載達(dá)到367.75 MW, 線路過(guò)載運(yùn)行, L45 線將會(huì)重載運(yùn)行。上述兩種情況下的任意一線路故障, 另一線路負(fù)載都將超出線路穩(wěn)定運(yùn)行極限, 此運(yùn)行方式不滿足N-1 安全原則, 需節(jié)點(diǎn)4立功橋和節(jié)點(diǎn)5 胡家坪小水電至少出力130 MW 才能保證線路穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1.2 江埡全停

在該地區(qū)小水電全停、江埡全停、負(fù)荷最大的方式下, 該地區(qū)的220 kV 電網(wǎng)潮流分布如圖4 所示。

從圖4 中的潮流計(jì)算結(jié)果可以得出, L36-Ⅰ和L36-Ⅱ線送該地區(qū)的潮流超出300 MW, 不滿足穩(wěn)定控制要求, 此時(shí)需江埡電廠及該地區(qū)小水電保持一定出力才能使得L36-I 和L36-II 線潮流才能滿足穩(wěn)定控制。

圖4 夏季高峰真龍橋未投運(yùn)、江埡全停時(shí)的電網(wǎng)潮流

3.2 真龍橋投運(yùn)

在該地區(qū)小水電全停、江埡全停、負(fù)荷最大的方式下, 該地區(qū)的電網(wǎng)潮流如圖5 所示。

圖5 夏季高峰真龍橋投運(yùn)、江埡全停時(shí)的電網(wǎng)潮流

從圖5 中的潮流計(jì)算結(jié)果可以得到, 在該狀態(tài)下的220 kV 線路滿足線路穩(wěn)定運(yùn)行要求。

對(duì)該地區(qū)220 kV 電網(wǎng)的任一線路進(jìn)行N-1 校驗(yàn), 則該地區(qū)的其他線路及外送通道的具體潮流網(wǎng)絡(luò)分布的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

結(jié)合表1 各線路能承受的最大負(fù)載功率和表4數(shù)據(jù)可得: 外送通道L36-Ⅰ線故障, L36-Ⅱ線將重載運(yùn)行；外送通道L36-Ⅱ線故障, L36-Ⅰ線接近滿載運(yùn)行；外送通道 L57 線故障, L36-Ⅰ和L36-Ⅱ線、L56 線將重載運(yùn)行。

在江埡全停的方式下, 該地區(qū)線路運(yùn)行工況已滿足線路運(yùn)行要求, 故不再對(duì)江埡全開(kāi)的情況進(jìn)行分析。

表4 夏季高峰真龍橋投運(yùn)、江埡電廠全停的N-1 校驗(yàn)潮流

4 冬季高峰負(fù)荷下電網(wǎng)運(yùn)行工況

12 月冬季高峰期, 此時(shí)小水電已經(jīng)全停, 選取該地區(qū)電網(wǎng)12 月最大負(fù)荷來(lái)計(jì)算潮流, 同時(shí)定義正方向?yàn)槭【W(wǎng)送入該地區(qū)潮流。通過(guò)真龍橋未投運(yùn)和投運(yùn)兩種情況分析冬季高峰負(fù)荷下的運(yùn)行工況。

4.1 真龍橋未投運(yùn)

分析該地區(qū)小水電全停、江埡全開(kāi)、負(fù)荷最大的方式下, 該地區(qū)的電網(wǎng)潮流如圖6 所示。

圖6 冬季高峰真龍橋未投運(yùn)、江埡全開(kāi)時(shí)的電網(wǎng)潮流

根據(jù)圖6 中的潮流計(jì)算結(jié)果可以得到, 在該狀態(tài)下的220 kV 線路滿足線路穩(wěn)定運(yùn)行要求。

對(duì)該地區(qū)220 kV 電網(wǎng)的任一線路進(jìn)行N-1 校驗(yàn), 則該地區(qū)的其他線路及外送通的具體潮流網(wǎng)絡(luò)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

結(jié)合表1 各線路在環(huán)境溫度下能承受的最大負(fù)載功率和表5 的數(shù)據(jù)可得: 當(dāng)L24 線故障后, L56線負(fù)載達(dá)到338.16 MW；L56 線故障后, L24 線負(fù)載達(dá)到326.82 MW。這兩種情況, 任意一條線路跳閘, 另一條線路負(fù)載都將超線路穩(wěn)定運(yùn)行極限, 此方式不滿足N-1 原則。

表5 冬季高峰真龍橋未投運(yùn)、江埡電廠全開(kāi)的N-1 校驗(yàn)潮流

4.2 真龍橋投運(yùn)

在該地區(qū)小水電全停、江埡全開(kāi)、負(fù)荷最大的方式下, 該地區(qū)的220 kV 電網(wǎng)潮流如圖7 所示。

圖7 冬季高峰真龍橋投運(yùn)、江埡全開(kāi)時(shí)的電網(wǎng)潮流

圖7 中的潮流計(jì)算結(jié)果表明, 在該狀態(tài)下的220 kV 線路滿足線路穩(wěn)定運(yùn)行要求。

在小水電全停、負(fù)荷最大方式下的電網(wǎng)潮流基礎(chǔ)上, 對(duì)電網(wǎng)的任意一條線路進(jìn)行N-1 校驗(yàn)后,220 kV 電網(wǎng)及小水電全開(kāi)時(shí)外送通道的潮流計(jì)算見(jiàn)表6。

結(jié)合表1 各線路能承受的最大負(fù)載功率和表6的數(shù)據(jù)可得: 當(dāng) L57 線故障, L36-Ⅰ、L36-Ⅱ、L56 線將會(huì)重載運(yùn)行。此時(shí)可以由節(jié)點(diǎn)4 的電廠提供出力來(lái)平衡重載線路的潮流。

表6 冬季高峰真龍橋投運(yùn)、江埡電廠全開(kāi)的N-1 校驗(yàn)潮流

5 結(jié)論

該地區(qū)電網(wǎng)處在4 月豐水期時(shí), 此時(shí)小水電滿負(fù)荷運(yùn)行, 經(jīng)驗(yàn)證, 該地區(qū)小水電上網(wǎng)的外送通道不會(huì)超過(guò)線路在環(huán)境溫度下能承受的最大負(fù)載功率。

電網(wǎng)處于7 月夏季負(fù)荷高峰時(shí), 若真龍橋未投運(yùn): ①選取江埡電廠全開(kāi)、該電網(wǎng)負(fù)荷最高及小水電全停的方式下, 在L24 線或L56 線發(fā)生故障情況下, 需胡家坪+立功橋小水電至少出力130 MW 才能保證線路穩(wěn)定運(yùn)行, 按照小水電關(guān)停的時(shí)間來(lái)看, 將存在20.4 MW 的負(fù)荷缺口；②江埡電廠全停時(shí), L36-Ⅰ線和L36-Ⅱ線送入該地區(qū)潮流將達(dá)477.47 MW, 超斷面控制功率, 不滿足穩(wěn)定運(yùn)行要求, 需要江埡電廠保持一定出力才能平衡L36-Ⅰ線和L36-Ⅱ線從省網(wǎng)送入該地區(qū)的潮流。若真龍橋投運(yùn), 電網(wǎng)潮流穩(wěn)定能滿足要求。

電網(wǎng)處于12 月冬季高峰時(shí), 若真龍橋投運(yùn),將加強(qiáng)與省網(wǎng)的聯(lián)系, 電網(wǎng)潮流穩(wěn)定均能滿足要求。若真龍橋未投運(yùn), 在線路L24 或L56 故障情況下, 需立功橋變的上網(wǎng)電廠滿負(fù)荷運(yùn)行及胡家坪+立功橋下網(wǎng)負(fù)荷至少14 MW 才能滿足線路穩(wěn)定運(yùn)行要求。

綜上所述, 該地區(qū)電網(wǎng)斷面情況對(duì)江埡電廠及小水電出力依賴(lài)性較大；220 kV 真龍橋變的投運(yùn),增加了與省網(wǎng)外部通道的聯(lián)系, 地區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)將得到加強(qiáng)；加快220 kV 立功橋的主變擴(kuò)建工程,對(duì)后續(xù)胡家坪負(fù)荷切改進(jìn)立功橋, 合理分配供電區(qū)域的負(fù)荷有著重要意義。