拉林電氣化鐵路投運后西藏電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

措姆，張俊杰，羅來龍，趙宏程，馮 楠，郭 強，馮煜堯

(1.國網(wǎng)西藏電力有限公司電力科學研究院，拉薩 850000；2.華東電力試驗研究院有限公司，上海 200437)

西藏拉林電氣化鐵路(以下簡稱拉林鐵路)是國家重點工程之一，是西藏自治區(qū)第一條電氣化鐵路，位于西藏自治區(qū)東南部，線路從在建拉薩至日喀則鐵路協(xié)榮站引出至林芝，正線建筑長度400.67 km，運營長度431.675 km。拉林鐵路全線新建拉薩南、協(xié)榮、扎囊、澤當、拜珍、加查、朗縣、下覺、康莎、米林、林芝共11座牽引變電所。

電氣化鐵路投運對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，已有一些該方面的研究。文獻[1-4]都以電氣化鐵路牽引負荷特性入手，從諧波、負序電流、功率因素、電壓波動 ，牽引負荷的移動沖擊特性 ，電力系統(tǒng)的短路容量 等方面研究和闡述了電氣化鐵路的投運對電力系統(tǒng)的影響。

本文從電力系統(tǒng)穩(wěn)定性方面入手，分析了在西藏電網(wǎng)枯季大及枯季小的運行方式下，拉林鐵路投運后的西藏電網(wǎng)的潮流、穩(wěn)定性、短路容量特性，經(jīng)過分析得出結(jié)論拉林鐵路投運后西藏電網(wǎng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性和短路容量均能滿足要求，為拉林電氣化鐵路的投運奠定了基礎。

1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性計算條件

1.1 計算水平年及方式

西藏電網(wǎng)計算負荷水平考慮拉林鐵路投產(chǎn)后的2020年，其中2020年枯季大方式，負荷1 850 MW；2020年枯季小方式，負荷1 160 MW。

1.2 故障設置

(1)三相永久短路故障：220 kV線路0 s發(fā)生三相永久性短路故障，0.12 s兩側(cè)開關動作切除故障線路；500 kV線路0 s發(fā)生三相永久性短路故障，0.09近側(cè)開關動作，0.1 s遠側(cè)開關動作切除故障線路

(2)三相永久短路跳雙回故障：220 kV線路0 s發(fā)生三相永久性短路故障，0.12 s同桿并架雙回線路的兩側(cè)開關同時跳開，切除兩回線路；500 kV線路0 s發(fā)生三相永久性短路故障，0.09 s跳開故障線路近側(cè)開關，0.1 s跳開故障線路遠側(cè)開關及同桿并架線路的兩側(cè)開關，切除兩回線路。

1.3 穩(wěn)定判據(jù)

依據(jù)文獻[5]和文獻[6]的研究，判斷擾動后系統(tǒng)是否能夠維持穩(wěn)定運行，需要考察系統(tǒng)受擾后的動態(tài)行為是否滿足暫態(tài)穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性的相應要求。

(1)暫態(tài)穩(wěn)定性要求為：電力系統(tǒng)受到大擾動后，各同步電機能夠保持同步運行并過渡到新的或恢復到原來穩(wěn)態(tài)運行方式。

(2)電壓穩(wěn)定性要求及其實用判據(jù)：電力系統(tǒng)受到小的或大的擾動后，系統(tǒng)電壓能夠保持或恢復到允許的范圍內(nèi)，不發(fā)生電壓崩潰；實用判據(jù)為：母線電壓下降，平均值持續(xù)低于限定值，通常取樞紐母線電壓低于0.75(標么值)的時間超過1 s為電壓失穩(wěn)判據(jù)。

(3)頻率穩(wěn)定性要求為：電力系統(tǒng)發(fā)生有功功率擾動后，系統(tǒng)頻率能夠保持或恢復到允許的范圍內(nèi)，不發(fā)生頻率崩潰。

2 潮流分析

拉林鐵路運行后，11個牽引站所供最大負荷預計將超過200 MW，對電網(wǎng)潮流的分配及無功電壓的合理運行將帶來考驗，本節(jié)將從2020年枯季大、小方式入手，對拉林鐵路牽引站接入系統(tǒng)后的潮流開展分析研究。

2.1 2020年枯季大方式

西藏電網(wǎng)負荷1 850 MW，柴拉直流正送440 MW，西藏電網(wǎng)通過川藏交流斷面受電404 MW，電網(wǎng)潮流整體呈現(xiàn)由東向西流向。在在拉林鐵路投運后，電網(wǎng)潮流分布較為合理，各站電壓均在合理的范圍內(nèi)。

通過西藏電網(wǎng)各元件正常方式及N-1靜態(tài)分析情況，在2020年枯季大方式下220 kV及以上元件未出現(xiàn)過載現(xiàn)象。

2.2 2020年枯季小方式

西藏電網(wǎng)負荷1 160 MW，柴拉直流正送300 MW，西藏電網(wǎng)通過川藏交流斷面受電113 MW，電網(wǎng)潮流整體呈現(xiàn)由東向西流向。拉林鐵路投運后，電網(wǎng)潮流分布較為合理，各站電壓均在合理范圍內(nèi)。

通過西藏電網(wǎng)各元件正常方式及N-1靜態(tài)分析情況，在2020年枯季小方式下220 kV及以上元件未出現(xiàn)過載現(xiàn)象。

3 穩(wěn)定分析

根據(jù)牽引站供電方案，拉林鐵路配套牽引站工程均采用雙回線路接入系統(tǒng)，本節(jié)將考慮牽引站并網(wǎng)線路三相短路N-1、三相短路N-2及牽引站近區(qū)電網(wǎng)發(fā)生N-1故障后系統(tǒng)的穩(wěn)定情況。

3.1 2020年枯季大方式

3.1.1牽引站并網(wǎng)線路N-1、N-2故障、近區(qū)電網(wǎng)N-1故障分析

根據(jù)穩(wěn)定分析結(jié)果，2020年枯季大方式下，各牽引站(拉薩南、協(xié)榮、扎囊、澤當、拜珍、加查、朗縣、下覺、康莎、米林、林芝)并網(wǎng)線路發(fā)生三相短路N-1、三相短路N-2故障，系統(tǒng)均能保持穩(wěn)定運行，拉薩南牽—柳梧N-2故障如圖1所示。

根據(jù)穩(wěn)定分析結(jié)果，各牽引站近區(qū)電網(wǎng)500 kV及220 kV線路發(fā)生N-1故障，系統(tǒng)均能夠保持穩(wěn)定運行，林芝—朗縣N-1故障后母線電壓波形和發(fā)電機功角波形如圖2所示。

圖1 拉薩南牽—柳梧N-2故障母線電壓波形圖、發(fā)電機功角波形圖

圖2 林芝/MV朗縣N-1故障母線電壓波形圖、發(fā)電機功角波形圖

圖3 柴拉直流雙極閉鎖后母線電壓波形圖、發(fā)電機功角波形圖

3.1.2柴拉直流閉鎖故障分析

根據(jù)穩(wěn)定分析結(jié)果，2020年枯季大方式下，柴拉直流發(fā)生單、雙極閉鎖故障，系統(tǒng)均能保持穩(wěn)定運行。

柴拉直流雙極閉鎖后曲線如圖3所示。

3.2 2020年枯季小方式

3.2.1牽引站并網(wǎng)線路N-1、N-2故障及近區(qū)電網(wǎng)N-1故障分析

根據(jù)穩(wěn)定分析結(jié)果，2020年枯季小方式下，各牽引站(拉薩南、協(xié)榮、扎囊、澤當、拜珍、加查、朗縣、下覺、康莎、米林、林芝)并網(wǎng)線路發(fā)生三相短路N-1、三相短路N-2故障，系統(tǒng)均能保持穩(wěn)定運行,如圖4所示。

各牽引站近區(qū)電網(wǎng)500 kV及220 kV線路發(fā)生N-1故障，系統(tǒng)均能保持穩(wěn)定運行，如圖5所示。

圖4 拉薩南牽—柳梧N-2故障母線電壓波形圖、發(fā)電機功角波形圖

3.2.2柴拉直流閉鎖故障分析

根據(jù)穩(wěn)定分析結(jié)果，2020年枯季小方式下，柴拉直流發(fā)生單、雙極閉鎖故障，系統(tǒng)均能保持穩(wěn)定運行，如圖6所示。

4 短路容量分析

為保證電鐵供電系統(tǒng)的電壓質(zhì)量，電力系統(tǒng)應有較大的短路容量，短路容量越大，系統(tǒng)受沖擊的壓降越小，電鐵運行越穩(wěn)定。表1及表2分別為各牽引站高壓側(cè)在2020年枯季大及枯季小方式下的短路容量及短路電流水平，均遠小于開關遮斷容量。在兩種方式下，拉薩南牽引站均為最大，分別達到4 460 MVA、3 971 MVA，最小的下覺牽引站分別為617 MVA、611 MVA。經(jīng)計算短路容量較主變?nèi)萘勘稊?shù)，兩種方式下最大均為拜珍牽引站，分別達到251、231，最小為下覺牽引站，分別為27.44、27.16。

表1 2020年枯季大方式下各牽引站高壓側(cè)母線短路電流及短路容量結(jié)果

表2 2020年枯季小方式下各牽引站高壓側(cè)母線短路電流及短路容量結(jié)果

圖5 許木—山南N-1故障故障母線電壓波形圖、發(fā)電機功角波形圖

圖6 柴拉直流雙極閉鎖故障母線電壓波形圖、發(fā)電機功角波形圖

5 結(jié)語

(1)拉林鐵路投運后的西藏電網(wǎng)，在枯季大和枯季小方式下電網(wǎng)潮流分布都較為合理，無過載現(xiàn)象，各站電壓均在合理范圍內(nèi)；通過2020年枯季大及枯季小方式下的靜態(tài)分析，西藏電網(wǎng)各元件在正常及N-1故障情況下，其220 kV及以上元件未出現(xiàn)過載現(xiàn)象。

(2)通過對拉林鐵路投運后的西藏電網(wǎng)進行暫態(tài)分析，牽引站并網(wǎng)線路發(fā)生N-1、N-2故障及牽引站近區(qū)電網(wǎng)發(fā)生N-1故障后系統(tǒng)均能保持穩(wěn)定運行；柴拉直流發(fā)生單、雙極閉鎖的情況下，電力系統(tǒng)也能保持穩(wěn)定運行。

(3)經(jīng)校驗牽引站高壓側(cè)短路容量，各牽引站高壓側(cè)在2020年枯季大及枯季小方式下的短路容量及短路電流水平，均遠小于開關遮斷容量，系統(tǒng)短路水平滿足要求。

通過對拉林鐵路投運后的西藏電網(wǎng)進行潮流分析、穩(wěn)定分析和短路容量分析，從電力系統(tǒng)穩(wěn)定的角度，經(jīng)過分析得出結(jié)論拉林鐵路投運后西藏電網(wǎng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性和短路容量均能滿足要求，為拉林電氣化鐵路的投運奠定了基礎。