提高500kV電網(wǎng)向北京輸送能力的措施

摘要： 為確保北京電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)、可靠地供電，文章從規(guī)劃的角度論述了已經(jīng)使用與即將規(guī)劃使用的各種提高電網(wǎng)輸送能力的措施，主要括改善500kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)和擴(kuò)大以北京電網(wǎng)為中心的受端電網(wǎng)；送端適當(dāng)互聯(lián)；加強(qiáng)北京電網(wǎng)中的無功電源建設(shè)；在北京電網(wǎng)中建設(shè)電源以提供電壓支撐；采用串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)和緊湊型線路送電等。并對(duì)應(yīng)用柔性交流輸電(FACTS)技術(shù)和縮短保護(hù)動(dòng)作時(shí)間以提高電網(wǎng)輸送能力進(jìn)行了展望。 關(guān)鍵詞： 京津唐地區(qū)；北京電網(wǎng)；500kV；輸送能力；技術(shù)措施；電力系統(tǒng)  　　 0 引言
　　北京500kV電網(wǎng)是京津唐電網(wǎng)的重要組成部分，也是京津唐電網(wǎng)的負(fù)荷中心和網(wǎng)架中心。它除承擔(dān)為首都供電的任務(wù)外，還向相鄰的天津市、河北省部分地區(qū)轉(zhuǎn)送電力，因而在京津唐電網(wǎng)中處于十分重要的地位。作為京津唐電網(wǎng)的負(fù)荷中心，北京電網(wǎng)2004年地區(qū) 高負(fù)荷為9
397MW，約占京津唐電網(wǎng)總負(fù)荷的42.67％；2005年8月15日，北京地區(qū) 高負(fù)荷突破10 000MW，達(dá)到10 538MW，創(chuàng)歷史新高。由于北京地區(qū)的電源建設(shè)受燃料運(yùn)輸、水資源及環(huán)境條件等的制約，因此對(duì)北京地區(qū)的供電以外部電源為主。外部電源緊密依靠華北電網(wǎng)，實(shí)行“西電東電”并重、多方向發(fā)展的原則。根據(jù)有關(guān)規(guī)劃部門預(yù)測(cè)，2010年北京電網(wǎng) 大負(fù)荷將達(dá)到14
350～16 214MW，2020年將達(dá)到2 5545～29 036MW，其外受電比例將達(dá)到70％以上。因此，研究提高電網(wǎng)的輸電能力對(duì)于保證北京電網(wǎng)的電力需求有著重要意義。

1 提高輸電能力的物理分析

　　輸電線路的潮流輸送可按下式計(jì)算
    

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式中，U1和δ1為線路送端的電壓和角度；U2和δ2為線路受端的電壓和角度；XL為線路的阻抗。

　　該式本質(zhì)上反映出提高線路輸送能力應(yīng)從保證線路兩端的電壓支撐、增大線路兩端的功角差和減小線路阻抗等方面考慮。

2 從規(guī)劃入手提高電網(wǎng)輸電能力

　　北京電網(wǎng)規(guī)劃的主要目的之一就是保證北京電網(wǎng)具有足夠的接受電力的能力。幾十年來，在電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方面，針對(duì)不同的情況適時(shí)地調(diào)整電網(wǎng)規(guī)劃，并提出相應(yīng)措施，確保北京電網(wǎng)的供電，其主要措施體現(xiàn)在以下方面。

2.1 加強(qiáng)和擴(kuò)大以北京電網(wǎng)為中心的受端電網(wǎng)

　　在1980年以前，北京電網(wǎng)電力供需基本平衡，由本地電源和北京主干220kV電網(wǎng)來保證北京電網(wǎng)的供電。隨著用電負(fù)荷的增加，北京地區(qū)原有的電力資源難以維持和支撐其經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展需要，需逐步擴(kuò)大區(qū)外受電規(guī)模和受電范圍。1985年，大同電廠通過500kV線路向京津送電，適時(shí)地形成了北京220kV雙環(huán)網(wǎng)和天津220kV眼鏡形雙環(huán)網(wǎng)，并在二市之間建立了京津500kV強(qiáng)聯(lián)系，加強(qiáng)和擴(kuò)大了京津唐受端主干電網(wǎng)，提高了受端主干電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性和接受外部電力的能力。1995年，隨著沙嶺子向北京昌平送電，以及盤山電廠的投產(chǎn)，又適時(shí)地形成了北京500kV
C形雙環(huán)網(wǎng)，并建立了與天津電網(wǎng)的雙回500kV線路的聯(lián)系，還特別新建了盤山至安定的500kV線路，進(jìn)一步擴(kuò)大和加強(qiáng)了京津唐受端電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性和接受外部電力的能力。到2005年，隨著山西多回500kV外送線路、托克托遠(yuǎn)距離大容量輸電系統(tǒng)的投產(chǎn)，蒙西電網(wǎng)外送規(guī)模的擴(kuò)大，進(jìn)一步擴(kuò)大和加強(qiáng)了受端電網(wǎng)，形成了京津唐500kV大環(huán)網(wǎng)，并加強(qiáng)了與河北南網(wǎng)的500kV雙回強(qiáng)聯(lián)系，從而進(jìn)一步保證了北京的供電需求和安全。

　　下面以大同二廠至房山的山西電網(wǎng)向北京電網(wǎng)送電線路為例，說明加強(qiáng)北京受端網(wǎng)絡(luò)對(duì)提高電網(wǎng)輸電能力的影響。大同二廠至房山的線路長(zhǎng)度約為300km，在北京500kV電網(wǎng)發(fā)展的早期，送電線路為單回，電廠點(diǎn)對(duì)網(wǎng)送電至北京電網(wǎng)，單相瞬時(shí)接地故障情況下穩(wěn)定極限約為600MW。對(duì)于目前的北京電網(wǎng)，由于其受端網(wǎng)絡(luò)已得到加強(qiáng)，如果仍由一個(gè)電廠送電至北京，接入點(diǎn)為昌平500kV變電站，且線路長(zhǎng)度、機(jī)組參數(shù)、線路故障類型均參照大同二廠至房山的輸電系統(tǒng)，則其穩(wěn)定極限可達(dá)1
320MW，比原來提高720MW，大大提高了電網(wǎng)的輸電能力。

2.2 送端電網(wǎng)適當(dāng)互聯(lián)

　　總結(jié)國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，網(wǎng)絡(luò)發(fā)生多重性事故雖然概率很小，但后果卻很嚴(yán)重，往往會(huì)造成大面積停電，甚至全系統(tǒng)瓦解。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)注意從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上盡量避免或減少發(fā)生功率大轉(zhuǎn)移的問題，在增加投資不多的前提下，應(yīng)采用送端電廠之間及向同一方向輸電的幾組送電線路之間不聯(lián)接的方案。但由于有時(shí)相鄰的送端電廠相聯(lián)，可以提高送電能力而節(jié)省大量投資，而功率大轉(zhuǎn)移的問題可采取送端電廠間的聯(lián)絡(luò)線解列或切機(jī)等自動(dòng)控制措施來解決，因此在經(jīng)過詳細(xì)論證的情況下也是可行的。大同二廠、神頭一廠、神頭二廠均屬于山西境內(nèi)的電廠，他們通過輸電通道向北京和河北南網(wǎng)送電，在電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃中，詳細(xì)論證了大同二廠、神頭一廠、神頭二廠互相聯(lián)接及其與山西電網(wǎng)互聯(lián)的必要性。大同二廠向京津唐系統(tǒng)供電的穩(wěn)定極限計(jì)算結(jié)果見表1所示。

表1 大同二廠向京津唐系統(tǒng)供電的穩(wěn)定極限計(jì)算結(jié)果

線 路 名 稱
電壓/kV
長(zhǎng)度/km
送 端 網(wǎng) 絡(luò) 結(jié) 構(gòu)
故 障 型 式
穩(wěn)定極限/MW

大同—房山單回
500
300
與山西省220kV網(wǎng)不聯(lián)
單相瞬時(shí)故障
600

大同—房山單回
500
300
通過聯(lián)絡(luò)變壓器與山西220kV網(wǎng)相聯(lián)
單相瞬時(shí)故障
910

大同—房山雙回
500
300
與神頭電廠不聯(lián)
單相永久性故障
1 260

大同—房山雙回

神頭—徐水雙回
500

500
300

300
有大同至神頭500kV聯(lián)絡(luò)線路110km

有大同至神頭500kV聯(lián)絡(luò)線路110km
單相永久性故障

單相永久性故障
4 080

4 080

　　由表1可以看出，若沒有大同至神頭的聯(lián)絡(luò)線路，大同二廠向京津唐系統(tǒng)輸送2 000MW電力需要3回線路；神頭地區(qū)以孤立電廠向東輸送2 000MW電力也需要3回線路。建設(shè)大同至神頭的聯(lián)絡(luò)線路并與山西省電網(wǎng)相聯(lián)后，可使向東輸送4000MW電力所需的線路回?cái)?shù)由6回減至4回，節(jié)約資金可觀。

　　上述計(jì)算和論證是在華北電網(wǎng)發(fā)展初期進(jìn)行的。根據(jù)目前華北電網(wǎng)2015年目標(biāo)網(wǎng)架規(guī)劃，以線路三相永久性故障校驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定，故障切除時(shí)間為100ms。經(jīng)過計(jì)算可以得知，在大同—房山線加串聯(lián)補(bǔ)償?shù)那闆r下，大同—房山雙回與神頭—保北雙回線路的穩(wěn)定極限為4
100MW；當(dāng)增加侯村—石北雙回后，6回線路的送電極限為6 440MW，與單獨(dú)增加2回線路的送出電力相比提高的輸送容量并不大。

　　因此，根據(jù)對(duì)山西電網(wǎng)向京津唐電網(wǎng)送電的特定網(wǎng)絡(luò)的研究可知，輸電系統(tǒng)在送端適當(dāng)互聯(lián)可以提高輸送能力，但是送端過分互聯(lián)對(duì)提高輸送能力的作用不大。

2.3 加強(qiáng)北京電網(wǎng)無功電源建設(shè)

　　無功功率不能遠(yuǎn)距離輸送。無功問題不僅是一地區(qū)內(nèi)的問題，同時(shí)也是一區(qū)域性的問題。為了保證系統(tǒng)在各種運(yùn)行方式下無功功率的平衡，尤其在受電比例較高的北京電網(wǎng)中，為了避免發(fā)生在大負(fù)荷、輸電線路輸送潮流較大的情況下出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)發(fā)電機(jī)和輸電系統(tǒng)不能夠滿足負(fù)荷的無功需求，不能支撐系統(tǒng)大量無功損耗而造成系統(tǒng)電壓迅速下降，導(dǎo)致局部或全局性電壓崩潰，必須在北京電網(wǎng)負(fù)荷中心地區(qū)配置足夠的無功補(bǔ)償設(shè)備，以保證其有足夠的調(diào)節(jié)能力與調(diào)節(jié)幅度。

　　外網(wǎng)到北京電網(wǎng)有6條長(zhǎng)距離500kV送電線路(大同—房山雙回、沙嶺子—昌平雙回、托克托—渾源—安定雙回)，每條輸電線路的平均長(zhǎng)度在250km以上，線路負(fù)荷一般小于線路波阻抗功率的1.5倍，當(dāng)采取各種措施提高電網(wǎng)輸送能力后，外網(wǎng)500kV線路的輸送功率可超過其自然功率，達(dá)到1
300MW。華北電網(wǎng)常用的LGJ-400×4型500kV線路的電抗率為0.275Ω/km，則長(zhǎng)度為250km的線路電抗為68.75Ω，當(dāng)輸送波阻抗功率（這里按照1
000MW考慮）時(shí)每條線路的電流為1 050A。如果雙回線中開斷1條線路，則將使線路的無功損耗由1 364Mvar上升到1 636Mvar，增加272Mvar；如果6回路中失去1個(gè)通道，則將使線路的無功損耗由1
364Mvar上升到2 045Mvar，增加681Mvar。采取各種措施提高電網(wǎng)的輸電能力后，每條線路的輸送功率可達(dá)1 300MW，線路的電流為1
365A，6條輸電線路消耗的無功為2 306Mvar。如果開斷1條線路，則將使所有線路的無功損耗由2 306Mvar上升到2 766Mvar，增加460Mvar；如果失去1個(gè)通道，則所有線路的無功損耗由2306Mvar上升到3457Mvar，增加1151Mvar。如果考慮線路開斷后負(fù)荷中心側(cè)電壓降低將增加線路的無功損耗，降低線路電容提供的無功功率等因素，則系統(tǒng)的情況將更加惡化，在嚴(yán)重故障形態(tài)下很容易發(fā)生電壓崩潰事故。因此，在北京電網(wǎng)建設(shè)充足的無功電源（如1
200Mvar），并且具有強(qiáng)大的調(diào)節(jié)能力，對(duì)于提高電網(wǎng)的輸電能力是十分必要的。

2.4 在北京電網(wǎng)中建設(shè)電源以提供電壓支撐

　　電網(wǎng)中電壓的 強(qiáng)有力的支撐者是電源，括發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)以及同步電動(dòng)機(jī)（抽水蓄能電廠中的水泵水輪機(jī)，其抽水和發(fā)電工況均可提供電壓支撐）。電容電抗器，括靜止無功補(bǔ)償裝置（SVC）等可以提供或吸納電網(wǎng)無功功率以調(diào)節(jié)本節(jié)點(diǎn)的電壓，但是必須在有電壓支撐的系統(tǒng)中才能正常發(fā)揮作用。

　　2020年以后，北京電網(wǎng)中外送電所占比例將超過70％，此時(shí)在北京電網(wǎng)及輸電通道附近建設(shè)主力電廠不單是可滿足就地供應(yīng)負(fù)荷的需要，而且還可以在暫態(tài)和后暫態(tài)過程中提供動(dòng)態(tài)無功和電壓支撐，提高系統(tǒng)的有源無功備用，從而提高電網(wǎng)的輸送能力與系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.5 應(yīng)用串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)和緊湊型線路

　　北京電網(wǎng)接受的主要是西電東送的電力，如山西電網(wǎng)的電力、蒙西電網(wǎng)的電力和托克托電廠點(diǎn)對(duì)網(wǎng)直送的電力等，它們均采用長(zhǎng)距離超高壓輸電線路輸送。由于輸電線路感抗較大，因而限制了線路的輸電能力。串聯(lián)補(bǔ)償?shù)脑硎抢么?lián)電容器的容抗抵消掉部分線路感抗，這樣就相當(dāng)于縮短了線路的電氣距離，從而達(dá)到提高系統(tǒng)穩(wěn)定極限和輸電能力的目的。目前，在大同—房山的500kV線路、豐鎮(zhèn)—萬全—順義的500kV線路上，均采用了串聯(lián)補(bǔ)償裝置（補(bǔ)償度分別為35%或45%）以提高輸電能力。

　　緊湊型線路是通過對(duì)導(dǎo)線排列的變化來達(dá)到改變線路正序電抗的目的。緊湊型線路的正序電抗僅為常規(guī)線路的70％～80％，這相當(dāng)于在常規(guī)線路上加裝了補(bǔ)償度約為20％的串聯(lián)補(bǔ)償裝置，因而線路自然功率不僅可提高約30％，而且還可以節(jié)約線路走廊。目前，上都電廠向京津唐電網(wǎng)的送電線路和北京500kV環(huán)網(wǎng)上的昌平—房山線采用的都是緊湊型線路。

3 采用新技術(shù)和新設(shè)備的展望

　　除了采取上述措施以提高電網(wǎng)輸送能力外，目前正在研究通過其他新技術(shù)、新設(shè)備和新的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)來提高電網(wǎng)的輸送能力和電網(wǎng)的穩(wěn)定性，主要括靈活交流輸電（FACTS）技術(shù)的應(yīng)用和縮短故障切除時(shí)間等方法。

3.1 FACTS技術(shù)的應(yīng)用

　　傳統(tǒng)的電力調(diào)節(jié)措施，由于機(jī)械開關(guān)動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)、響應(yīng)速度慢，無法適應(yīng)在暫態(tài)過程中快速靈活連續(xù)調(diào)節(jié)電力潮流、阻尼系統(tǒng)振蕩的要求。FACTS技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期出現(xiàn)的新技術(shù)，它將電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)電壓、線路阻抗、相位角、功率潮流的連續(xù)調(diào)節(jié)與控制，從而提高輸電線路輸送能力和電力系統(tǒng)穩(wěn)定性水平，降低輸電損耗。

　　北京電網(wǎng)作為受端電網(wǎng)，需要從遠(yuǎn)方大量受電，通過在北京電網(wǎng)中的適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)安裝SVC、靜止無功發(fā)生器(STATCOM)等以控制線路電壓，在送電線路通道上采用可控串聯(lián)電容補(bǔ)償器(TCSC)、靜態(tài)同步串聯(lián)補(bǔ)償器（SSSC）等以降低線路阻抗，安裝統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）、線間潮流控制器（IPFC）等以改變功角等FACTS裝置將可以較大幅度地提高線路的輸送能力。

3.2 縮短保護(hù)切除時(shí)間

　　對(duì)500kV輸電系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，一般將近故障點(diǎn)側(cè)的故障切除時(shí)間選為80ms或100ms，遠(yuǎn)故障點(diǎn)側(cè)的故障切除時(shí)間選為100ms。這些時(shí)間均在《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定計(jì)算暫行規(guī)定》的范圍內(nèi)，并且具有一定的裕度。

　　在北京電網(wǎng)的輸電通道上普遍采用的是SF6斷路器，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前大多數(shù)SF6斷路器制造廠均能夠做到使500kV斷路器的全開斷時(shí)間小于或等于40ms。隨著光纖通道的普遍應(yīng)用，當(dāng)線路的2套全線速動(dòng)保護(hù)均采用光纖保護(hù)時(shí)，近端保護(hù)動(dòng)作時(shí)間可以取為10～15ms，遠(yuǎn)端保護(hù)動(dòng)作時(shí)間可以取為28～35ms。

　　另外，根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)某些地區(qū)500kV線路故障切除時(shí)間的統(tǒng)計(jì)，并且考慮一定裕度，北京電網(wǎng)500kV輸電線路近故障點(diǎn)側(cè)的故障切除時(shí)間可以取為55ms（斷路器動(dòng)作時(shí)間40ms，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間15
ms），遠(yuǎn)故障點(diǎn)側(cè)的故障切除時(shí)間可以取為75ms（斷路器動(dòng)作時(shí)間40ms，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間35 ms）。經(jīng)過計(jì)算，如果采用上述故障切除時(shí)間，則豐鎮(zhèn)—萬全—順義、大同—房山輸電通道的極限輸送容量可以提高150～300MW，可節(jié)約投資7
300～10 600萬元。

4 結(jié)束語

　　北京電網(wǎng)是華北電網(wǎng)和京津唐電網(wǎng)的重要受端電網(wǎng)和負(fù)荷中心，為了提高500kV電網(wǎng)的輸送能力，保證向北京供電，需要從規(guī)劃階段起重視加強(qiáng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、合理布局電源、增加無功電源，以及采用緊湊型輸電線、TCSC，縮短除切除故障時(shí)間等新技術(shù)措施，可以較明顯取得成效。

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