湖北電網(wǎng)消納蒙鄂特高壓直流能力研究

舒東勝，王甜，徐箭，張華坤

(1.湖北省電力公司，武漢市 430000；2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢市 430072)

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湖北電網(wǎng)消納蒙鄂特高壓直流能力研究

舒東勝1，王甜2，徐箭2，張華坤2

(1.湖北省電力公司，武漢市 430000；2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢市 430072)

2017年蒙西至湖北±800 kV特高壓直流輸電通道建成，將與湖北電網(wǎng)現(xiàn)有交流特高壓輸電通道一起，形成特高壓交直流并聯(lián)的格局，對湖北電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)、運行特性變化產(chǎn)生重要影響。以2017年湖北電網(wǎng)豐大運行方式為背景，根據(jù)湖北電網(wǎng)規(guī)劃電力流，利用仿真軟件PSASP建立湖北電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)模型。采用連續(xù)潮流算法計算求取湖北電網(wǎng)對蒙西特高壓直流的消納極限，并對消納極限運行方式下的湖北電網(wǎng)進(jìn)行穩(wěn)定校核，包括靜態(tài)安全分析、單一故障及嚴(yán)重故障的暫態(tài)穩(wěn)定校核。

湖北電網(wǎng)；消納極限；連續(xù)潮流算法；穩(wěn)定校核

0 引 言

“十三五”期間，隨著全國電力流規(guī)模的加大，華中特高壓電網(wǎng)在試驗示范工程的基礎(chǔ)上不斷加強和擴(kuò)大。為滿足蒙西火電及風(fēng)電大規(guī)模外送的需要，建成蒙鄂特高壓直流輸電工程，在全國特高壓電網(wǎng)中具有舉足輕重的地位。近年來，隨著特高壓交、直流工程的推進(jìn)，全國將逐漸形成多個具有明顯大受端特點的交直流互聯(lián)的大規(guī)模電網(wǎng)[1-5]。蒙西風(fēng)力資源豐富，開發(fā)力度近年來持續(xù)加大。蒙西至湖北±800 kV特高壓直流輸電通道作為湖北電網(wǎng)遠(yuǎn)景目標(biāo)規(guī)劃方案，將與湖北電網(wǎng)現(xiàn)有交流特高壓輸電通道一起，對湖北電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)、運行特性變化產(chǎn)生重要影響。同時，作為華中電網(wǎng)的樞紐，湖北電網(wǎng)承擔(dān)著送、受端電網(wǎng)的雙重角色。湖北電網(wǎng)與蒙西將建成2回蒙鄂特高壓直流輸電工程，增加北方火電、風(fēng)電送出通道，特高壓交直流的混合運行，加強了全國電網(wǎng)的網(wǎng)架聯(lián)系，電網(wǎng)的運行更加復(fù)雜[6-7]。蒙鄂特高壓直流的接入將對湖北電網(wǎng)的潮流分布以及穩(wěn)定水平產(chǎn)生重要影響。

蒙西至湖北±800 kV特高壓直流輸電線路作為蒙西電能大容量外送通道，采用分層接入方式將蒙西電能送入湖北，以緩解湖北省內(nèi)電力供應(yīng)不足的現(xiàn)狀。同時它也是首條接入湖北電網(wǎng)的特高壓直流線路，在基礎(chǔ)潮流的運行方式下其輸送功率為800萬 kW，輸送功率較大。因此，計算該線路接入湖北電網(wǎng)后所能傳輸?shù)淖畲蠊β蕦τ谔嵘哂薪恢绷骰炻?lián)運行特性的湖北電網(wǎng)的能力、湖北電網(wǎng)未來的特高壓直流工程建設(shè)及安全控制措施具有重要意義。隨著全國特高壓直流技術(shù)的廣泛應(yīng)用，交直流互聯(lián)系統(tǒng)更加普遍，交流系統(tǒng)對于特高壓直流的消納能力的研究將會成為特高壓直流技術(shù)發(fā)展的重要方面。

本文以2017年豐大方式下湖北電網(wǎng)為背景，蒙鄂特高壓直流線路采用一回通過交流500 kV，一回通過交流1 000 kV的分層方式接入湖北電網(wǎng)的條件下，求取湖北電網(wǎng)對蒙西特高壓直流的消納極限，并對消納極限運行方式下的湖北電網(wǎng)進(jìn)行穩(wěn)定校核，驗證特高壓直流線路采用該接入方式的合理性[8]。

1 規(guī)劃電力流分析

根據(jù)“十三五”規(guī)劃電網(wǎng)方案以及2017年湖北省統(tǒng)調(diào)最大負(fù)荷3 837萬kW水平，省內(nèi)交流受電功率為1 180萬kW，直流受電功率800萬kW，受電功率共計1 980萬kW。其中包括四川水電受電功率1 020萬kW，其中100萬kW留在湖北，920萬kW轉(zhuǎn)供江西、湖南和安徽；三峽發(fā)電2 240萬kW，其中直流外送功率1 320萬kW，留在湖北400萬kW，其他通過交流通道轉(zhuǎn)送湖南、江西和安徽；鄂豫斷面受電功率650萬kW；蒙西特高壓直流接入湖北送電功率為800萬kW。2017年豐大方式下湖北電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖1所示，研究涉及的主要斷面網(wǎng)架電力流見表1。

圖1 2017年湖北電網(wǎng)結(jié)構(gòu)(豐大方式)Fig.1 Structure of Hubei power grid in 2017 (during high flow periods)

2 消納極限分析方法

2.1 計算程序及模型

本文采用中國電力科學(xué)研究院“電力系統(tǒng)分析綜合程序”(PSASP)，潮流計算方法為最佳乘子法，允許電壓標(biāo)么值下限為0.95 pu，上限為1.15 pu，迭代次數(shù)上限為50次。

表1 湖北省網(wǎng)架電力流

Table 1 Power flow of Hubei power grid 萬kW

湖北省內(nèi)100 MW及以上機組采用Ed″和Eq″變化模型，并考慮勵磁調(diào)節(jié)器和原動機及調(diào)速系統(tǒng)；100 MW及以下機組按Eq′恒定模型。負(fù)荷接在220 kV變電站的110 kV母線上，負(fù)荷采用感應(yīng)電動機和恒定阻抗模型，其中恒定阻抗所占比例為35%。

2.2 消納極限計算方法

在計算消納極限時，本文采用連續(xù)潮流算法。與常規(guī)的潮流計算相比，連續(xù)潮流方法的優(yōu)點在于能充分考慮系統(tǒng)的非線性以及參數(shù)對系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響，提供比常規(guī)潮流更豐富的信息。當(dāng)求得參數(shù)的臨界值時，也就得到了系統(tǒng)的消納極限[9]。目前，連續(xù)潮流算法已廣泛應(yīng)用于大規(guī)模輸電網(wǎng)極限傳輸能力的計算中[10-12]。

2.2.1 連續(xù)潮流算法的基本原理

系統(tǒng)潮流方程中的物理量分為給定量和待求量兩類，如果給定量發(fā)生變化，則潮流結(jié)果也將隨之改變，故將系統(tǒng)中某些特殊的物理量作為可變參數(shù)引入潮流方程，便構(gòu)成了含參變量的潮流方程。系統(tǒng)潮流方程參數(shù)化為如下形式：

f(x,λ)=0

(1)

式中：f為潮流方程的一般形式；x為表征系統(tǒng)的狀態(tài)量；λ為系統(tǒng)中感興趣的可變參數(shù)。

當(dāng)式(1)中的參數(shù)λ連續(xù)改變時，用連續(xù)潮流算法可以跟蹤系統(tǒng)狀態(tài)的變化，從而得到系統(tǒng)的定常解曲線，在該曲線上的任意點滿足參數(shù)化潮流方程。顯然，參數(shù)的改變是有極限的，當(dāng)參數(shù)改變到鄰近其極限值時，潮流方程的雅可比矩陣將出現(xiàn)病態(tài)，對應(yīng)于數(shù)學(xué)上的鞍結(jié)分岔點。

計算可變參數(shù)臨界值是連續(xù)潮流的主要應(yīng)用[13]。圖2為系統(tǒng)某母線的電壓隨參數(shù)變化的曲線，其中λcr為可變參數(shù)λ的臨界值。計算需選取一個已知的初始解點A(x0,λ0)和預(yù)測步長Δλ，以求取下一個曲線上的點，直到求出曲線上可變參數(shù)λ的臨界值λcr對應(yīng)的點B為止。

圖2 連續(xù)潮流算法示意圖Fig.2 Schematic diagram of CPF algorithm

2.2.2 湖北電網(wǎng)消納蒙西特高壓直流能力的計算方法

選取蒙西特高壓直流與湖北電網(wǎng)這一功率傳輸通道上初始傳送功率P0為800萬kW，計算得到連續(xù)潮流算法的初始解點(x0,P0)，然后在線路上逐漸增加有功功率，求解一系列的潮流，檢查在此潮流下的約束條件，直到功率突破某個極限導(dǎo)致不滿足約束條件，則此時的功率就是功率傳輸極限。計算消納極限的流程如圖3所示。

圖3 計算消納極限流程圖Fig.3 Flow chart of transfer limit calculation

根據(jù)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，傳輸功率極限計算的約束條件和基本步驟如下：

(1)求解初始運行條件下的潮流(P0=800萬kW)；

(2)逐次增加送電通道的傳輸容量，步長為ΔP=50萬kW，增加斷面?zhèn)鬏斎萘康姆椒ú捎迷黾犹馗邏褐绷鱾鬏數(shù)碾娏鳎瑫r調(diào)整湖北省內(nèi)開機，以保證所增加的傳輸容量全部由湖北電網(wǎng)消納；

(3)計算分析改變傳輸容量之后的潮流及穩(wěn)定性，約束限制條件設(shè)置為新增加斷面?zhèn)鬏斎萘恐蟮南到y(tǒng)滿足靜態(tài)安全穩(wěn)定性、暫態(tài)穩(wěn)定性；

(4)若改變后系統(tǒng)穩(wěn)定，且滿足約束條件則繼續(xù)增加斷面?zhèn)鬏斎萘浚?/p>

(5)若傳輸容量改變后系統(tǒng)突破穩(wěn)定極限或不滿足約束條件則減少斷面；

(6)重復(fù)計算，直到得到保證系統(tǒng)穩(wěn)定的最大傳輸容量Pm。

3 消納極限計算及穩(wěn)定校核

3.1 消納極限計算

根據(jù)2.2節(jié)所述消納極限計算方法，在2017年湖北電網(wǎng)豐大運行方式下，采用連續(xù)潮流算法，調(diào)整開機，增加蒙西特高壓直流傳輸功率，同時減少湖北省內(nèi)開機。以蒙鄂特高壓直流增加功率與湖北省內(nèi)關(guān)機總量相等和優(yōu)先減少鄂東開機為原則，在調(diào)整蒙鄂特高壓直流傳輸功率值為某個確定的值時，多次調(diào)整省內(nèi)開機，形成多種開關(guān)機方式。只要有一種開關(guān)機方式下，所有約束條件都能滿足，則繼續(xù)增加蒙鄂特高壓直流傳輸功率，直到在蒙鄂特高壓直流功率增加到某一值時，湖北省內(nèi)開關(guān)機如何調(diào)整均不能完全滿足安全穩(wěn)定條件，則此時的直流傳輸功率超出了傳輸極限，蒙鄂特高壓直流傳輸功率極限為之前的輸送功率調(diào)整值。

計算表明，當(dāng)蒙西特高壓直流線路的傳輸容量達(dá)到1 400萬kW時，系統(tǒng)潮流分布、重要母線電壓水平、主變下網(wǎng)均在較為合理的水平上，靜態(tài)安全分析校核通過，系統(tǒng)能夠保持暫態(tài)穩(wěn)定性。當(dāng)蒙西特高壓直流線路傳輸容量繼續(xù)增加達(dá)到1 450萬kW時，系統(tǒng)靜態(tài)安全分析不能通過，不滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。此時計算超過約束極限，可以得到突破約束極限上一個運行條件下的斷面?zhèn)鬏敼β蕿闃O限傳輸功率，即為1 400萬kW。

3.2 消納極限運行方式下的穩(wěn)定校核[14-15]

3.2.1 消納極限運行方式下的湖北電網(wǎng)基本特征

湖北電網(wǎng)2017年豐大極限運行方式下，湖北省電網(wǎng)通過蒙西特高壓直流、特高壓交流以及500 kV交流線路，接受川渝水電以及北方火電，同時向湖南、江西、華東供電。荊門、武漢特高壓電網(wǎng)通過潮流計算得到湖北電網(wǎng)與周邊省間500 kV及以上聯(lián)絡(luò)線，省內(nèi)500 kV及以上聯(lián)絡(luò)線、主變均無過載現(xiàn)象，系統(tǒng)能夠保證穩(wěn)定運行。湖北電網(wǎng)省間聯(lián)絡(luò)線在基礎(chǔ)和極限運行方式下的潮流如表2所示。

表2 湖北電網(wǎng)省間聯(lián)絡(luò)線潮流

Table 2 Power flow of tie-lines in Hubei power grid 萬kW

由表2可以看出，在蒙西特高壓輸送極限功率的條件下，湖北電網(wǎng)各省間斷面潮流與基礎(chǔ)潮流下相比發(fā)生了變化，但省間斷面潮流總和基本保持不變，即保證了蒙西特高壓直流線路增加的傳輸功率全部由湖北電網(wǎng)消納。另外，萬縣—荊門特高壓聯(lián)絡(luò)線每回線路潮流達(dá)到324萬kW，交流通道上的負(fù)載較重，若系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障導(dǎo)致潮流大規(guī)模轉(zhuǎn)移，如特高壓直流線路發(fā)生閉鎖，則該交流線路上的潮流可能超過其熱穩(wěn)極限，給系統(tǒng)的安全穩(wěn)定造成威脅。

3.2.2 靜態(tài)穩(wěn)定性分析

以省間、省內(nèi)500 kV及以上交流線路、特高壓直流線路、特高壓主變?yōu)檠芯繉ο?，在所分析電網(wǎng)的基礎(chǔ)潮流下，開斷某500 kV及以上單回線路，直流線路設(shè)置為單極運行，考察所研究線路的潮流是否超過熱穩(wěn)極限值，以及特高壓主變是否過載。表3以潮流較重的省間1 000 kV聯(lián)絡(luò)線和蒙西特高壓直流線路為例來說明在消納極限運行方式下湖北電網(wǎng)的靜態(tài)穩(wěn)定性。

湖北電網(wǎng)2017年豐大極限運行方式下，對省間、省內(nèi)500 kV及以上線路進(jìn)行“N-1”靜態(tài)安全穩(wěn)定性校核，從表2中可以看出在極限運行方式下，線路

表3 部分線路靜態(tài)安全分析結(jié)果

Table 3 Static security analysis results of part transmission lines 萬kW

潮流加重，萬縣—荊門線路一回線路“N-1”之后，另一條線路潮流達(dá)到526萬kW，潮流較重，九盤—龍泉一回線斷開后另一回線功率達(dá)到175萬kW，接近熱穩(wěn)極限180萬kW。除此之外，其他的潮流均不重，能滿足要求。總體看來，系統(tǒng)中的線路能夠通過靜態(tài)安全穩(wěn)定校核，不會超過熱穩(wěn)極限值。

3.2.3 暫態(tài)穩(wěn)定性分析

以省間、省內(nèi)500 kV及以上交流線路、直流線路、特高壓主變?yōu)檠芯繉ο?，在所分析電網(wǎng)的基礎(chǔ)潮流下，進(jìn)行單一故障及嚴(yán)重故障時暫態(tài)穩(wěn)定計算。單一故障設(shè)置為某一回線路1 s時刻三相永久性接地短路故障，故障發(fā)生在線路2%處，1.09 s本側(cè)保護(hù)跳開，1.1 s對側(cè)保護(hù)跳開；對于直流線路，則是設(shè)置為1 s單極閉鎖故障。嚴(yán)重故障設(shè)置為故障后跳雙回線路，直流線路設(shè)置為1 s雙極閉鎖故障。穩(wěn)定判據(jù)為系統(tǒng)內(nèi)主要機組間的最大相對角度小于180°，且電壓和功角的振蕩趨勢為減幅振蕩；系統(tǒng)內(nèi)中樞點電壓低于0.75標(biāo)幺值的時間不超過1 s；聯(lián)絡(luò)線功率震蕩呈衰減趨勢。嚴(yán)重故障時，系統(tǒng)發(fā)生失穩(wěn)，但是在采取切機、切負(fù)荷等安全穩(wěn)定措施后系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，也應(yīng)視為系統(tǒng)穩(wěn)定。

(1)單一故障暫態(tài)安全分析。

穩(wěn)定計算結(jié)果表明：2017年湖北電網(wǎng)極限運行方式下，湖北電網(wǎng)省內(nèi)及省間1 000 kV特高壓線路，500 kV交流聯(lián)絡(luò)線路，交流特高壓站主變，直流500 kV接入線路、直流800 kV接入線路發(fā)生三相永久性短路故障，湖北省內(nèi)7條直流線路發(fā)生單極閉鎖故障時，系統(tǒng)均能保持穩(wěn)定，滿足穩(wěn)定導(dǎo)則要求[16]。

(2)嚴(yán)重故障暫態(tài)安全分析。

穩(wěn)定計算結(jié)果表明：2017年湖北電網(wǎng)極限運行方式下，對湖北電網(wǎng)省內(nèi)及省間1 000 kV特高壓線路，500 kV交流聯(lián)絡(luò)線路，交流特高壓站主變，直流500 kV接入線路、直流800 kV接入線路進(jìn)行嚴(yán)重故障暫態(tài)穩(wěn)定校核，萬縣—荊門線路潮流較重，線路發(fā)生三相接地短路時系統(tǒng)會發(fā)生暫穩(wěn)失穩(wěn)，在安穩(wěn)裝置動作切除送端部分機組時，系統(tǒng)能夠恢復(fù)穩(wěn)定，而其余考察線路均能在故障后恢復(fù)穩(wěn)定，滿足穩(wěn)定導(dǎo)則要求。圖4、5所示為萬縣到荊門“N-2”故障前后川二灘01號—鄂三峽左01號的功角曲線和荊門特高壓母線電壓曲線。

圖4 故障前后川二灘01號—鄂三峽左01號的功角Fig.4 Angle curves of Chuangertan#01- Esanxiazuo#01 before and after line fault

圖5 故障前后荊門特高壓母線電壓Fig.5 UHV bus voltage before and after line fault

4 結(jié) 論

2017年蒙西特高壓直流線路以一回通過交流500 kV，一回通過交流1 000 kV的方式接入湖北電網(wǎng)后，對湖北電網(wǎng)內(nèi)部及省間斷面潮流分布及穩(wěn)定水平均產(chǎn)生了重要影響。本文在2017湖北電網(wǎng)豐大運行方式下，采用連續(xù)潮流算法，計算得到湖北電網(wǎng)消納蒙西特高壓直流的極限功率為1400萬kW，即兩回直流線路分別輸送700萬kW，并在蒙西特高壓直流線路輸送極限潮流的條件下，對湖北電網(wǎng)進(jìn)行了穩(wěn)定校核。計算分析結(jié)果表明，所考察線路均能夠通過靜態(tài)安全穩(wěn)定校核，不會超過熱穩(wěn)極限值；單一故障暫態(tài)穩(wěn)定校核均能通過，無失穩(wěn)現(xiàn)象；對所考察線路進(jìn)行嚴(yán)重故障暫態(tài)穩(wěn)定校核可知，除一回線路嚴(yán)重故障情況下，系統(tǒng)發(fā)生失穩(wěn)，采取切機操作后，系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定，其余線路均無失穩(wěn)現(xiàn)象，能夠保證電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。對湖北電網(wǎng)消納蒙西特高壓極限功率的求取及穩(wěn)定校核驗證了特高壓直流線路采用該接入方式的合理性，為進(jìn)一步電網(wǎng)規(guī)劃和未來經(jīng)濟(jì)運行提供參考。

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(編輯：張媛媛)

Accommodating Power Ability of UHVDC Transmission Lines from Mengxi to Hubei Province

SHU Dongsheng1，WANG Tian2，XU jian2，ZHANG Huakun2

(1.Hubei electric power company, Wuhan 430000, China;2.School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

±800 kV Mengxi-Hubei UHVDC transmission lines will be built in 2017, which will have formed a UHADC parallel power system with the existing UHVAC transmission lines in Hubei province.It will have a great influence on the structure and operation characteristics of Hubei power grid.Based on the operation during high flow periods and planning capacity of power delivering of Hubei power grid in 2017, the network structure model was set up with using PSASP software.The continuation power flow (CPF) algorithm was used to calculate the power transfer limit of Mengxi-Hubei UHVDC transmission lines.The stability of Hubei power grid was verified with the Mengxi-Hubei UHVDC transmitting limit power, which included static security analysis, transient stability check of single and serious fault.

Hubei power grid; power transfer limit; continuation power flow algorithm; stability check

TM 74

A

1000-7229(2015)03-0059-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.03.010

2014-11-15

2015-01-07

舒東勝(1975)，男，高級工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃方面的研究工作；

王甜(1990)，女，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)運行與控制方面的研究工作；

徐箭(1980)，男，博士，副教授，主要研究方向為電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定分析與控制、大規(guī)模風(fēng)電接入后的電力系統(tǒng)運行與控制；

張華坤(1990),男，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)運行與控制方面的研究工作。