基于靈敏度分析法的電網(wǎng)GIC優(yōu)化治理

劉小滿(mǎn)，尹加鋒，王 雁，聶宏展

(1.東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012;2.山西省晉城供電分公司，山西晉城 048000)

基于靈敏度分析法的電網(wǎng)GIC優(yōu)化治理

劉小滿(mǎn)1，尹加鋒2，王 雁2，聶宏展1

(1.東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012;2.山西省晉城供電分公司，山西晉城 048000)

針對(duì)電網(wǎng)地磁感應(yīng)電流(GIC)對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行潛在的威脅問(wèn)題，闡述了電網(wǎng)GIC模型，提出了靈敏度分析法，并以整個(gè)電網(wǎng)所有變電站接地電流不超標(biāo)為目標(biāo)，采用靈敏度分析法對(duì)變壓器中性點(diǎn)串接電阻方案進(jìn)行優(yōu)化，給出了黑龍江省2011年末500 kV規(guī)劃電網(wǎng)的GIC優(yōu)化結(jié)果，驗(yàn)證了此優(yōu)化治理措施的有效性和可行性。

GIC(地磁感應(yīng)電流);治理裝置;靈敏度分析法;優(yōu)化治理

0 引言

由太陽(yáng)活動(dòng)引起的地球磁場(chǎng)劇烈波動(dòng)現(xiàn)象稱(chēng)為地磁暴。當(dāng)?shù)卮疟┌l(fā)生時(shí)，在輸電線(xiàn)路中產(chǎn)生的地磁感應(yīng)電流對(duì)電力系統(tǒng)設(shè)備的安全運(yùn)行有很大的影響［1］。因此，為了抑制GIC對(duì)電力系統(tǒng)的不利影響，本文采用削弱措施對(duì)黑龍江2011年末500kV規(guī)劃電網(wǎng)GIC的治理進(jìn)行了研究，對(duì)直流電流超標(biāo)的變電站利用靈敏度分析法進(jìn)行了優(yōu)化治理。

1 電網(wǎng)GIC模型

GIC的變化頻率一般為0.001～0.100 Hz，這種準(zhǔn)直流在交流系統(tǒng)中流動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致變壓器直流偏磁，造成變壓器鐵芯半波飽和，從而引發(fā)變壓器噪聲、振動(dòng)、局部過(guò)熱等一系列的危害，并且對(duì)系統(tǒng)中其它設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生不利影響。

目前常用的治理措施主要有3種［2－4］:1)補(bǔ)償措施，在變壓器中性點(diǎn)串接1個(gè)直流電壓源，通過(guò)控制其輸出直流電流的大小和方向，抵消原有的地磁感應(yīng)電流。2)削弱措施，將非線(xiàn)性或線(xiàn)性電阻設(shè)備串入變壓器中性點(diǎn)與大地構(gòu)成的回路中，根據(jù)偏磁電流的大小調(diào)整電阻阻值，使變壓器中性點(diǎn)流過(guò)的直流電流符合要求。3)隔離措施，利用電容器“隔直通交”的特性，在變壓器中性點(diǎn)或交流輸電線(xiàn)上串聯(lián)電容，隔斷GIC的流通路徑。

在電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)已知的情況下，GIC的計(jì)算實(shí)質(zhì)上可視為電路問(wèn)題。由于GIC具有準(zhǔn)直流特性，因此在電路中只需要考慮電阻的作用［5］。依據(jù)具體的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，按基爾霍夫定律(KCL、KVL)即可計(jì)算出各變電站的GIC值。

在500 kV電網(wǎng)中，每個(gè)變電站變壓器中性點(diǎn)都直接接地，可設(shè)變電站數(shù)目為n，電網(wǎng)GIC計(jì)算的等效模型如圖1所示。

在圖1中，Rij表示任意2個(gè)節(jié)點(diǎn)i和j之間的等效電阻;Vij為地磁暴數(shù)據(jù)計(jì)算出的地表電勢(shì)ESP沿線(xiàn)路ij的積分，其對(duì)電網(wǎng)模型的作用等效為施加在不同接地點(diǎn)之間的電壓源;定義n×n網(wǎng)絡(luò)接地阻抗矩陣Z，其元素為各變電站接地支路的等效電阻，為1個(gè)對(duì)角陣，則各節(jié)點(diǎn)的入地電流IGIC=［I1，I2，…，IN］T與各節(jié)點(diǎn)的電壓 U=［U1，U2，…，Un］T之間的表達(dá)式為

圖1 節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)GIC計(jì)算等效模型

定義n×n的網(wǎng)絡(luò)支路導(dǎo)納矩陣為Y，其元素由節(jié)點(diǎn)間的線(xiàn)路電阻R決定，具體表達(dá)式為

定義向量 J=［J1，J2，…，Jn］T，其反映了理想接地條件(即Z=0)下，地面感應(yīng)電場(chǎng)在電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的GIC，元素按下式計(jì)算:

在圖1所示的n節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)GIC計(jì)算等效模型中，由節(jié)點(diǎn)電壓法可得到的表達(dá)式為

將式(1)代入式(4)，可得到如下表達(dá)式為

將(5)式整理后，即得各變電站中流過(guò)的GIC值為

中國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 605—1996《高壓直流接地極技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定:通過(guò)變壓器繞組中的直流電流應(yīng)不大于額定電流的0.7%。

2 靈敏度分析

2.1 基本概念

靈敏度分析是研究與分析1個(gè)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)或輸出變化對(duì)系統(tǒng)參數(shù)或周?chē)鷹l件變化的敏感程度方法。通過(guò)靈敏度分析可以確定哪些參數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)有較大的影響［6］。如果網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)與電路參數(shù)的表達(dá)式已知，就可以利用求偏導(dǎo)數(shù)的方法求出靈敏度。

2.2 串接電阻阻值和位置

500 kV電網(wǎng)要求變壓器中性點(diǎn)有效接地，因此，應(yīng)在保證接地電流不超標(biāo)的前提下使中性點(diǎn)串接電阻ri(i=1，2，…，n)盡可能少并且小，即在約束條件max(|IGIC|－Ilim)＜0下尋求ri的優(yōu)化值。

由上述電網(wǎng)GIC的計(jì)算過(guò)程可以看出，采用基于削弱GIC的中性點(diǎn)串接電阻ri措施，改變了網(wǎng)絡(luò)接地阻抗陣Z。對(duì)式(5)兩邊同時(shí)求偏導(dǎo)，可得如下表達(dá)式為

將式(7)整理后，即得地磁感應(yīng)電流IGIC對(duì)中性點(diǎn)串接電阻 ri(i=1，2，…，n)的靈敏度為

正的靈敏度值說(shuō)明串接電阻Δr與ΔIGIC為正比例關(guān)系，負(fù)的靈敏度值則說(shuō)明串接電阻Δr與ΔIGIC為反比例關(guān)系，靈敏度值的大小反映了Δr對(duì)ΔIGIC影響的效果。得到靈敏度矩陣后，可求取滿(mǎn)足約束條件的串接電阻值ri(i=1，2，…，n)，整個(gè)過(guò)程是一個(gè)循環(huán)迭代的過(guò)程，具體流程如圖2所示。

圖2 變壓器中性點(diǎn)串接電阻優(yōu)化框圖

每次迭代都先搜索地磁感應(yīng)電流IGIC超標(biāo)最嚴(yán)重的支路，并進(jìn)行靈敏度分析。若該支路電流為正，則在其靈敏度矩陣中尋找最小值并修正相應(yīng)支路的接地阻抗值;若該支路電流為負(fù)，則在其靈敏度矩陣中尋找最大值并修正相應(yīng)支路的接地阻抗值(步長(zhǎng)為0.001 Ω)，進(jìn)而計(jì)算出新的GIC，并判斷其是否超出安全限值。不超標(biāo)則輸出結(jié)果，超標(biāo)則繼續(xù)回代校驗(yàn)，直至所有GIC都不超標(biāo)。由此可見(jiàn)，每次減小超標(biāo)電流均是通過(guò)改變對(duì)其最靈敏的支路接地電阻實(shí)現(xiàn)的。

3 算例驗(yàn)證

以黑龍江省2011年末500 kV規(guī)劃電網(wǎng)為例，利用平面波法和網(wǎng)絡(luò)常數(shù)，計(jì)算了在中等強(qiáng)度地磁暴作用下黑龍江省500 kV各個(gè)變電站的GIC值，并利用Matlab軟件仿真驗(yàn)證基于靈敏度分析法的中性點(diǎn)串接電阻優(yōu)化措施，得出的優(yōu)化方案如表1所示。

表1 變壓器中性點(diǎn)串接電阻的優(yōu)化方案

由表1可以看出，采用基于削弱GIC的中性點(diǎn)串接電阻措施進(jìn)行治理，能夠達(dá)到理想的效果。在某個(gè)變電站中安裝治理裝置，必然會(huì)引起電網(wǎng)中其它變電站GIC水平的變化。雖然大慶、方正、七臺(tái)河等變電站的GIC絕對(duì)值有所升高，但所有變電站的地磁感應(yīng)電流GIC都在安全限值內(nèi)，符合運(yùn)行的要求。同時(shí)也說(shuō)明基于靈敏度分析法的優(yōu)化措施是可行的，可以解決優(yōu)化變壓器中性點(diǎn)電阻安裝位置的問(wèn)題。

在實(shí)際電網(wǎng)中，變壓器中性點(diǎn)串接電阻會(huì)改變交流電網(wǎng)的零序結(jié)構(gòu)和參數(shù)，影響相關(guān)的保護(hù)整定。因此，從電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的角度出發(fā)，理想的治理措施應(yīng)是通過(guò)安裝GIC檢測(cè)裝置檢測(cè)GIC值的大小。當(dāng)無(wú)GIC或GIC在安全限值內(nèi)時(shí)，串接的電阻ri不投入運(yùn)行;當(dāng)GIC大于安全限值時(shí)，將電阻ri投入運(yùn)行。

4 結(jié)論

上述電網(wǎng)GIC優(yōu)化治理結(jié)果表明，對(duì)變壓器中性點(diǎn)安裝串接電阻位置的優(yōu)化采用靈敏度分析法完全能夠達(dá)到理想的效果，可以解決對(duì)電網(wǎng)GIC優(yōu)化治理的問(wèn)題。靈敏度分析法也可作為隔離措施的輔助分析手段，用于解決變壓器中性點(diǎn)安裝電容器位置的優(yōu)化問(wèn)題，以達(dá)到治理電網(wǎng)GIC的目的。

［1］劉連光，劉宗歧，張建華.地磁感應(yīng)電流對(duì)我國(guó)電網(wǎng)影響的初步分析［J］.中國(guó)電力，2004，37(11):10 －13.

［2］康凱龍.復(fù)雜電網(wǎng)GIC治理措施及方案優(yōu)化研究［D］.北京:華北電力大學(xué)，2010.

［3］Kappenman J G，Norr S R，Sweezy G A.GIC Mitigation:A Neutral Blocking/Bypass Device to Prevent the Flow of GIC in Power System［J］.IEEE Transaction on Power Delivery，1991，6(3):1271－1283.

［4］王艷艷.大規(guī)模電網(wǎng)GIC治理方法和技術(shù)的研究［D］.北京:華北電力大學(xué)，2009.

［5］劉春明.中低緯電網(wǎng)地磁感應(yīng)電流及其評(píng)估方法研究［D］.北京:華北電力大學(xué)，2009.

［6］馬玉龍，肖湘寧，姜旭，等.用于抑制大型電力變壓器直流偏磁的接地電阻優(yōu)化配置［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(3):62 －65.

［7］劉小滿(mǎn)，聶宏展.黑龍江500 kV電網(wǎng)GIC水平評(píng)估［J］.黑龍江電力，2011(5):333 －336.

Bettering management of electric network GIC based on sensitivity analysis

LIU Xiaoman1，YIN Jiafeng2，WANG Yan2，NIE Hongzhan1
(1.Northeast Dianli University，Jilin 132012，China;2.Shanxi Jincheng Power Supply Company，Jincheng 048000，China)

Since GIC potentially threats the safe and stable running of electric network，this paper expounds the GIC mode，proposes sensitivity analysis and optimizes non－slip point resistor in series by sensitivity analysis with the target of normal substation grounding current in the whole grid，and presents the GIC optimization of planned 500 kV network in Heilongjiang at the end of 2011，of which the effectiveness and feasibility is proved.

GIC(geomagnetic induced current);management apparatus;sensitivity analysis;bettering management

TM714.3

A

1002－1663(2012)02－0110－03

2011－11－03

劉小滿(mǎn)(1984－)，女，東北電力大學(xué)在讀研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定、仿真與分析。

(責(zé)任編輯 侯世春)