CN104753171A - 确定220/110千伏电磁环网运行方式的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种确定220/110千伏电磁环网运行方式的方法，该方法包括收集电网参数，对开环运行和闭环运行就短路电流水平、静态安全稳定、暂态安全稳定进行计算比较，进一步还对二者可靠性水平、综合经济效益进行评价和比较，同时考虑实施环境，对220/110千伏电磁环网采取开环还是闭环运行这一问题所涉及的技术指标和考量因素进行了具体量化，具备很好的可操作性，克服了现阶段不加选择的考虑所有220/110千伏电磁环网一律打开运行的模式可能对系统安全、可靠供电及经济运行带来不利影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种确定220/110千伏电磁环网运行方式的方法。
背景技术
电磁环网是电网发展过程中的一种特殊的网架结构。在某些情况下，电磁环网运行对系统传输极限、热稳定电流、保护配合和短路电流造成负面作用。因此，目前国内绝大部分220/110kV电磁环网采取开环运行的方式，更高电压等级的电磁环网也逐步开始解环运行，对电磁环网的研究也主要集中在如何优化解环方面。
然而，220/110kV电磁环网开环运行是一把“双刃剑”，一方面它可减少220kV电压等级电网严重故障下潮流转移引起的稳定破坏问题；但另一方面又会降低正常运行方式下大电网的稳定裕度和局部110kV电网的供电可靠性，特别是在主电网网架仍较薄弱地区，开环运行使得电网的供电可靠性难以保障。随着电网精细化管理要求的提高，在日常的电网规划、电网运行等工作中已经逐渐感到不加选择的将所有220/110kV电磁环网一律开环运行可能对系统安全、经济运行带来不利影响，具体表现在：
1)地区电网与主网并列运行问题：随着电网与外界电网电磁环网的打开，地区电网与主网并列点减少，在事故情况下，容易导致地区电网与主网解列，造成地区严重低频或高频。这些问题虽然可以通过加载低频、低压切负荷或高频切机装置加以应对，但若自动装置拒动或误动，则可能造成地区电网因频率异常而崩溃；
2)单电源供电问题：电磁环网打开后，一些低电压等级变电站(110kV及以下)在正常情况下成为单电源供电的终端站，降低了供电的可靠性。虽然各变电站会装设备自投装置，但在事故情况下，仍可能导致部分用户因低电压而甩负荷，造成一定的经济损失。若备自投误动，则会造成全站失电的恶性事故；
3)电网经济运行问题：电磁环网打开后，系统潮流重新分配，部分情况下网络损耗会一定程度升高，特别是电源送出通道实行开环运行时，将造成运行线路重载或过载、线损亟高，线损的升高将造成一定的经济损失；
4)加大电网投资压力问题：为提高供电可靠性，在地区负荷发展并不满足扩建要求的情况下，需提前将220kV单主变扩建为双主变或新建另一220kV变电站来加强网络，由此将加大电网一次投资和还本付息的财务成本压力。
从上述分析可见，电磁环网对电网经济安全运行的影响是相对而不是绝对的，因此如何确定220/110千伏电磁环网运行方式是目前电力行业亟待解决的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种确定220/110千伏电磁环网运行方式的方法，以解决现阶段不加选择的考虑所有220/110千伏电磁环网一律打开运行的模式，导致电网运行不稳定不能正常供电、经济损失加大的问题。
本发明提供的这种确定220/110千伏电磁环网运行方式的方法，包括以下步骤：
1)收集电网参数；
2)开环运行状态下计算的潮流分布、短路电流、暂态稳定、线损、负荷裕度；
3)闭环运行状态下：计算各电压等级母线短路电流；进行N-1校核，计算环网中220千伏线路和220千伏主变故障时，110千伏线路转移潮流时的热稳定度，计算闭环时的负荷裕度；进行暂态稳定计算，计算110千伏变电站未配置母差保护时，母线故障能否通过稳定校核；
4)根据步骤3)的计算结果判断电磁环网是否满足闭环运行的硬性条件：若闭环运行时短路电流不超过断路器的额定遮断容量认为短路电流水平条件满足；若闭环运行时各种故障情况下均能通过N-1校核，并且负荷裕度相对开环运行有提高认为静态安全稳定条件满足；当闭环运行时各种故障情况下均未出现失稳，并且110千伏变电站未配置母差保护时，母线故障通过稳定校核，认为暂态安全稳定条件满足；
5)、判断是否具备有成熟的闭环运行的实施环境；
6)、步骤4)和步骤5)的条件到达后，确定电网可以采用闭环运行，否则采用开环运行。
为了更准确确定电磁环网应当采用哪种运行方式，在所述步骤3)的基础上要进行可靠性水平评级：(A)若环网内的220千伏变电站是单主变，则至少评为I级，否则评为0级；(B)若环网内的有110千伏及以下电源，则评为II级；(C)若环网内的220千伏变电站是单主变，且单主变的220千伏变电站供区内是有电源，则评为III级，评级别越高越应采用闭环运行，否则采用开环运行。
本发明方法最好还进行综合经济效益评级：将技术改造投资及节能降损两个部分折算成综合年费用，其中技术改造投资包括保护和通信的改造投资，节能降损方面仅考虑直接经济损失，以线损电量差乘以售电价计算，综合经济效益依据综合年费用分为若干级，综合年费用越高评级越高，评级别越高越应考虑采用闭环运行。所述综合经济效益评级分为四级较合适，若综合年费用小于0，则综合经济效益评为0级。
对于可靠性水平评级及综合经济效益评级按照下表确定是否采用闭环运行：
本发明方法从安全稳定性、供电可靠性及经济运营等多个方面因素考虑，通过收集电网参数，对开环运行和闭环运行就短路电流水平、静态安全稳定、暂态安全稳定进行计算比较，进一步还对二者可靠性水平、综合经济效益进行评价和比较，同时考虑实施环境，对220/110千伏电磁环网采取开环还是闭环运行这一问题所涉及的技术指标和考量因素进行了具体量化，具备很好的可操作性，为科学制定220/110千伏电磁环网运行方式提供了依据，具有极高的应用价值，在实际试用中已取得显著的效果，并为日后的行业标准奠定了基础。克服了现阶段不加选择的考虑所有220/110千伏电磁环网一律打开运行的模式可能对系统安全、可靠供电及经济运行带来不利影响。
附图说明
图1是本发明方法的流程图。
图2是本发明方法的指标体系。
图3是本发明试用于濂溪-蚂蝗塘-女书电磁环网示意图。
具体实施方式
从图1可以看出本实施方式由下述步骤实现：
1)收集电网和负荷参数；
2)计算开环运行时的潮流分布、短路电流、线损、暂态稳定、负荷裕度；潮流分布、短路电流、线损的具体算法有：高斯-塞德尔法、牛顿-拉夫逊法、P-Q分解法等，参见如下文献：文献[1]，《电力系统稳态分析》，陈珩，中国电力出版社，1995年，139～195页；暂态稳定的具体算法有：等面积定则，李雅普诺夫法等，参见如下文献：文献[2]，《电力系统暂态稳定的能量函数分析-网络结构保持模型》，刘笙，科学出版社，2014年，1～64页；负荷裕度的具体算法有：连续潮流法，灵敏度法等，参见如下文献：文献[3]，《连续潮流及其在电力系统静态稳定分析中的应用》，赵晋泉，电力系统自动化，2005年，91-97。
3)计算闭环运行时电磁环网内的各电压等级母线短路电流，并与断路器额定遮断容量对比，判断闭环后短路电流是否满足要求；
4)对闭环运行方式进行N-1校核，计算环网中220千伏线路和220千伏主变故障时，110千伏线路转移潮流时的热稳定问题；计算闭环时的负荷裕度，并与开环运行时对比，判断负荷裕度是否有提高；
5)对闭环运行方式的暂态稳定进行计算，判断是否失稳。计算110千伏变电站未配置母差保护时，母线故障能否通过稳定校核；
6)分析闭环运行时的可靠性水平，进行可靠性水平评级，并与开环运行时作对比；可靠性水平评级的基本思路为：影响可靠水平的主要有两个因素：一是220/110千伏电磁环网内的220千伏变电站是否为单主变或者有单主变；二是220/110千伏电磁环网内是否有低压电源。
(A)若220/110千伏电磁环网内的220千伏变电站为(或有)单主变，则在110千伏环网开环运行时，若220千伏主变故障，则会导致该220千伏变电站的110千伏母线出现短时失压过程，短时丢失所带的全部110千伏负荷，且只能通过相应110千伏线路对侧的备自投正常动作后才能恢复110千伏变电站的供电；而此时若采取110千伏环网闭环运行，则故障的220千伏变电站的110千伏母线可通过此110千伏回路由电磁环网内的另一220千伏变电站供电，故障的220千伏变电站的110千伏母线不会出现短时失压过程。若故障220千伏变电站所带的110千伏负荷不超过电磁环网110千伏回路的热稳定极限，则不会损失220千伏变电站所带的110千伏负荷，即使220千伏变电站所带的110千伏负荷超过电磁环网110千伏回路的热稳定极限，也可通过预控措施切除部分110千伏负荷后实现正常供电，从而减少负荷损失。因此，220/110千伏电磁环网内的220千伏变电站为(或有)单主变对环网内的110千伏是否出现短时失压具有决定意义。
(B)若220/110千伏电磁环网内有低压电源，因备自投动作前，必须进行检无压，因此开环运行必须对环网内的发电机组进行切机。而闭环运行时，不需要进行备自投动作，因此也不需对环网内的电源进行切机。另一方面，由于开环运行在220千伏主变故障时，110千伏母线会出现短时失压，这将对环网内接入110千伏变电站的小型发电机组造成很大的冲击，若失压时间过长，则会导致小型发电机组与系统解列。事实上，备自投的正常投切时间通常需要7.5-8.0秒，因此小型发电机组与系统解列不可避免。而闭环运行时，则能保持环网内的发电机组的可靠、稳定供电。因此，220/110千伏电磁环网的开/闭环运行方式对环网内的低压电源的稳定、可靠运行具有重要意义。
基于上述分析，将可靠性水平分为四个等级，即：(A)若环网内的220千伏变电站是单主变，则至少评为I级，否则评为0级；(B)若环网内的有110千伏及以下电源，则评为II级；(C)若环网内的220千伏变电站是单主变，且单主变的220千伏变电站供区内是有电源，则评为III级。
7)分析保护与通信等技术改造的必要性、工程量及投资估算；计算分析多负荷水平下的理论线损和节能降损水平；综合技术改造投资及节能降损两个部分，形成综合经济效益评级；具体方法是：将技术改造投资及节能降损两个指标折算成综合年费用进行比较，其中节能降损方面仅考虑直接经济损失，即以线损电量差乘以售电价计算。
考虑可操作性，将综合经济效益根据综合年费用分为四个等级，即：若综合年费用小于0，则综合经济效益评为0级；若综合年费用大于0且小于等于α1万元，则综合经济效益评为I级；若综合年费用大于α1且小于等于α2万元，则综合经济效益评为II级；若综合年费用大于于α2万元，则综合经济效益评为III级。其中，α1和α2的值根据电网企业财务评价情况来确定。
8)对可靠性水平、综合经济效益等因素进行综合评价，判断是否可进行闭环运行；具体方法是：由可靠性水平指标和综合经济效益指标形成判断矩阵综合确定，综合评价结果见表1。
表1
9)分析闭环运行的实施环境是否成熟，包括是否存在设备检修、预控措施是否到位等。
结合图2可以看出究竟应当采取那种运行方式，是闭环还是开环取决因素最主要的是硬性指标，该硬性指标有四个，一是闭环运行下的短路电流水平即上述的步骤3)所述，要根据计算判断闭环后短路电流是否满足稳定运行和正常供电要求；二是静态安全稳定即上述步骤4)所述是否能通过N-1校核，负荷裕度是否相对开环运行有提高；三是暂态安全稳定即上述步骤5)所述的情况；四是实施环境应满足要求，即上述步骤9所述。当硬性指标基本决定采用开环运行还是闭环运行后，最好还要考虑一些弹性指标。弹性指标主要有2个，一是可靠性水平的评价，即上述步骤6涉及的因素，二是综合经济效益的评价，即上述步骤7所述因素。本发明通过反复试验对这些指标都进行了具体量化，在试用过程中可操作性很强，按照本发明方法在一些电网上试用，效果非常显著。
下面以湖南省永州市江永县濂溪-蚂蝗塘-女书电磁环网为例说明本发明方法试用的情况：
濂溪-蚂蝗塘-女书电磁环网位于湖南省永州市江永县，江永县电网主要依托女书220千伏变组网。
1)短路电流水平
经系统计算，闭环运行较开环运行时各电压等级母线短路电流有一定程度的增加，但均未超出断路器的额定遮断容量、且还有很大裕度。
2)静态安全稳定
对闭环运行进行通过N-1校核。以濂女线故障为例，濂女线故障断开后，女书220千伏所带负荷为52.1MW，濂溪220千伏变所带负荷为174.2MW，110千伏濂蚂线输送功率为52.1MW，蚂蝗塘变110千伏母线电压为111.6千伏，满足N-1校核。同理对其他故障进行分析，均满足N-1校核。
开环运行时的负荷裕度指标为2.45，闭环运行时的负荷裕度指标为2.80，闭环运行较开环运行时的负荷裕度指标有一定程度增加。
3)暂态安全稳定
计算闭环运行方式下故障的暂态稳定，结果表明系统均能保持稳定。以最严重故障为例，即：濂蚂线、女蚂线不配置光纤纵联保护、蚂蝗塘变未配置110千伏母差保护，蚂蝗塘母线故障时，女书变女蚂线、濂溪变濂蚂线距离II段动作时限设置为1.2秒，计算结果表明，蚂蝗塘母线故障时，系统可保持稳定。
4)实施环境
考察濂溪-蚂蝗塘-女书电磁环网确实存在设备检修、预控措施是也已到位。
上述四个硬性指标显示濂溪-蚂蝗塘-女书电磁环网符合闭环运行条件，进一步我们可以考虑如下弹性指标：
5)可靠性水平
若濂溪-蚂蝗塘-女书电磁环网开环运行，当220千伏女书主变故障时，由于女书220千伏变电站的110千伏母线无其他供电电源，110千伏母线会出现短时失压过程，女书220千伏变电站的110千伏母线短时丢失。此时，220千伏女书变所带的110千伏变电站负荷只能通过相应110千伏变电站对侧的备自投正常动作后才能恢复110千伏变电站的供电。若濂溪-蚂蝗塘-女书电磁环网闭环运行，当220千伏女书主变故障时，则女书变所有负荷通过110千伏女蚂线供电，经校核该110千伏联络线不过载，则电网运行正常，不会出现负荷损失，因此濂溪-蚂蝗塘-女书电磁环网闭环运行时将可避免其110千伏母线平均负荷为22MW的短时丢失。若环网内的220千伏变电站是单主变，且单主变的220千伏变电站供区内是有电源，则评为III级。
进一步考虑，若濂溪-蚂蝗塘-女书电磁环网开环运行，当220千伏女书主变故障时，220千伏女书变所带的110千伏变电站负荷只能通过相应110千伏变电站对侧的备自投正常动作后才能恢复110千伏变电站的供电。若此时，江永-钱塘的备自投不能正常动作，则江永、潇蒲110千伏变电站的负荷将全部丢失，同时也导致220千伏女书变的110千伏母线无电源，将进一步导致虎尾、富川等110千伏终端站的负荷全部丢失，使故障范围进一步扩大。若濂溪～蚂蝗塘～女书电磁环网闭环运行，当220千伏女书主变故障时，则女书变所有负荷通过110千伏女蚂线供电，经校核110千伏联络线不过载，则电网运行正常，不会出现负荷损失。以2013年湖南公司设备的可靠性参数为依据，220千伏主变故障概率为0.042次/年，同时考虑备自投的不可靠动作的概率为0.20，女书变110千伏母线平均负荷为22MW，手动合闸操作时间为0.5小时，濂溪-蚂蝗塘-女书电磁环网闭环运行时将可避免由于备自投不可靠性动作造成的电力损失2.2MWh/次。
再进一步考虑，若濂溪～蚂蝗塘～女书电磁环网开环运行，当220千伏女书主变故障时，女书220千伏变电站的110千伏母线无其他供电电源，110千伏母线会出现短时失压过程。由于110千伏蚂蝗塘变电站110千伏母线有涔天河电站并网，为防止蝗塘变自投在备用线路上造成非同期并列对小电源侧造成冲击，故障后联切蚂涔线涔侧断路器，涔天河电站解列运行，濂蚂线备自投正确动作后由濂溪220千伏变电站供带蚂蝗塘负荷，110千伏涔天河电站恢复并网运行。从上述过程可见，涔天河电站与系统解列不可避免，会出现一定量的电力损失。若濂溪～蚂蝗塘～女书电磁环网闭环运行，当220千伏女书主变故障时，则蚂蝗塘变所有负荷通过110千伏濂蚂线供电，涔天河电站仍维持并网运行，所发电力仍能正常上网，未出现电量损失。以2013年湖南公司设备的可靠性参数为依据，110千伏电站的重新并网时间为0.5小时，涔天河电站平均出力为16MW，濂溪-蚂蝗塘-女书电磁环网闭环运行时将可避免涔天河电站电力损失8MWh/次。
综上所述，濂溪-蚂蝗塘-女书电磁环网的可靠性水平评价为III级。由于闭环运行对可靠性的提高，女书220kV变电站的扩建工程可推迟3年实施，产生的利息收益近300万元。
6)综合经济效益
目前，蚂蝗塘-女书、蚂蝗塘-濂溪均已配置，并已实现光纤通信，因此仅需在蚂蝗塘变110千伏母线增配微机光纤差动保护、改造投资10万元。闭环运行期间日平均线损电量较开环运行时下降2.13MWh，扩展到全年可降损电量777.5MWh，以每度电0.6元进行计算，每年可直接增效46.6万元。上述成本及效益折算成综合年费用为487万元，根据前述原则综合经济效益指标评为III级。
7)综合评价结果
综合上述分析，濂溪-蚂蝗塘-女书电磁环网评价结果符合“稳定水平不恶化、可靠水平有提高、综合效益较明显，实施环境很成熟”，建议采取闭环运行。
上述实施方式作为本发明的最佳实施方式提出一种确定220/110千伏电磁环网运行方式综合评价方法，形成了最佳综合的评价指标体系，将评价指标分为硬性指标和弹性指标两大类，并提出弹性指标的综合评价方法，上述实施例的实际闭环运行效果验证了本发明所提评价指标和流程的可行性及部分情况下220/110千伏电磁环网闭环运行的优越性，具有显著的理论和技术优势。
Claims (5)
1.一种确定220/110千伏电磁环网运行方式的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)收集电网参数；
2)开环运行状态下计算的潮流分布、短路电流、暂态稳定、线损、负荷裕度；
3)闭环运行状态下：计算各电压等级母线短路电流；进行N-1校核，计算环网中220千伏线路和220千伏主变故障时，110千伏线路转移潮流时的热稳定度，计算闭环时的负荷裕度；进行暂态稳定计算，计算110千伏变电站未配置母差保护时，母线故障能否通过稳定校核；
4)根据步骤3)的计算结果判断电磁环网是否满足闭环运行的硬性条件：若闭环运行时短路电流不超过断路器的额定遮断容量认为短路电流水平条件满足；若闭环运行时各种故障情况下均能通过N-1校核，并且负荷裕度相对开环运行有提高认为静态安全稳定条件满足；当闭环运行时各种故障情况下均未出现失稳，并且110千伏变电站未配置母差保护时，母线故障通过稳定校核，认为暂态安全稳定条件满足；
5)、判断是否具备有成熟的闭环运行的实施环境；
6)、步骤4)和步骤5)的条件到达后，确定电网可以采用闭环运行，否则采用开环运行。
2.根据权利要求1所述确定220/110千伏电磁环网运行方式的方法，其特征是在所述步骤3)的基础上要进行可靠性水平评级：(A)若环网内的220千伏变电站是单主变，则至少评为I级，否则评为0级；(B)若环网内的有110千伏及以下电源，则评为II级；(C)若环网内的220千伏变电站是单主变，且单主变的220千伏变电站供区内是有电源，则评为III级，评级别越高越应采用闭环运行。
3.根据权利要求1或2所述确定220/110千伏电磁环网运行方式的方法，其特征是该方法还要进行综合经济效益评级：将技术改造投资及节能降损两个部分折算成综合年费用，其中技术改造投资包括保护和通信的改造投资，节能降损方面仅考虑直接经济损失，以线损电量差乘以售电价计算，综合经济效益依据综合年费用分为若干级，综合年费用越高评级越高，评级别越高越应考虑采用闭环运行。
4.根据权利要求3所述的确定220/110千伏电磁环网运行方式的方法，其特征在于所述综合经济效益评级分为四级，若综合年费用小于0，则综合经济效益评为0级。
5.根据权利要求4所述的确定220/110千伏电磁环网运行方式的方法，其特征在于可靠性水平评级及综合经济效益评级按照下表确定是否采用闭环运行：
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