基于转移负荷法的城市电网合环
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摘 要在电网分区运行的背景下，针对边界110kV站点的合解环问题，从电网开合环的潮流计算入手，分析影响合环潮流的因素，得出母线间电压相角差对合环潮流的影响最大；在此基础是，提出一种以限制合环潮流为目标，通过转移负荷的边界站点合环方案制定方法。并通过电力系统综合程序PSASP对用该方法制定的方案进行了仿真验证，仿真结果验证了该方法的有效性和实用性。
【关键词】电网合环 潮流计算 转移负荷
当今阶段国内的大型城市，比如北上广等已经开始实现电网分区运行。在此大背景下，我国大城市电网分区供电格局已经形成。随着我国经济的发展，供电稳定性与可靠性的要求也不断提高。为了满足电网运行可靠性，电网分区运行时，采用“闭环接线，开环运行”的运行方式，即500kV电压等级环网运行，110kV电压等级及以下开环运行。采用此种运行方式，不仅能充分发挥特高压电网输电能力，亦能有效的减小系统短路电流，同时能更方便的优化控制分区下电网潮流，方便故障隔离以及便于分区解裂等，从而达到提高电力系统的稳定，优化电力系统调度控制的作用。
随着电网技术的发展，供电质量与可靠性已经成为电网运行的重中之重，特别是对于重要客户，更需要保证供电的持续可靠性。如今110kV及以下站点常常采用“双侧电源供电”的运行方式，即一个110kV站点由不同的两个220kV站点供电，一条线路运行，一条线路备用。一旦运行线路因需断开，便可进行合解环操作，立刻将备用线路投入使用，从而保证了供电的可靠性。绝大部分下，110kV站点双侧电源站点隶属于环网运行状态下的220kV站点，由于其本身相连，因而进行合解环操作时可以满足操作过程中电网的稳定性和安全性。但若110kV站点双侧电源站点隶属于开环运行状态下的不同220kV站点（即110kV站点属于“边界站点”，后文亦同样称呼），若进行合解环操作，就会使得开环运行的区域直接合环运行。考虑到110kV线路的承载以及变压器容量问题，如果仅凭经验进行合环操作，则可能会出现合环潮流过大，甚至过载而引起线路跳闸；更严重的还会烧毁线路、变压器，对电网设备造成不可逆的损失。
鉴于此，本文立足于电力系统理论分析，找到影响电网合解环操作的主要因素，提出一种在保证电网安全稳定的条件下，更加优化、可靠的边界站点合环方案制定方法，在实际电网调度运行中有较高的价值。
1 合环潮流影响因素的分析
对于电力系统等值分析的分析很多，由电路戴维宁-诺顿定理可知：对于任意一个复杂电路网络，通过戴维宁诺顿定理的等效替代，可以将任意一条线路的外部电阻简化成一个有源网络。因此，合环问题等值电路可以如图1所示。
图1是一个标准的有源线路等效化简图，将复杂电网等效为一个有源网络，再对端口合环潮流进行分析。未合环时将端口看做由一个无限大电阻连接；将合环时的线路阻抗表示为Zkk。
合环后形成的合环潮流是由于合环两侧母线电压矢量差造成的均衡潮流?S。当进行合环操作过后，其经过Zkk的潮流即为均衡潮流。
1.1 均衡潮流分析
考虑到在实际电网合环潮流分析中，合环两侧端口不完全能等效为一个无穷大系统。因此将其戴维南等效电路的等值阻抗设置为ZXT，若其为无限大系统，则ZXT=0。所以系统总的等值阻抗为Z=ZXT+Zkk=R+jX：
将端口右侧电压设置为参考相量，设端口两端的电压相角差为δij，则
（1）
其中的表达式为
（2）
联立式（1）、式（2）后可得
（3）
（4）
1.2 合环潮流的影响因素
对式（3）、式（4）分别求导，并且在实际电网中，端口电压母线相角差|δij|
（5）
（6）
从式（5）、式（6）中可知母线相角差对合环有功潮流的影响非常之大，但合环两侧电压有效值之差对有功潮流的影响较小，这是由于电抗电压之比足够大导致的。此外从式（5）、式（6）式中可以了解到，合环无功潮流受电压幅值的影响很大，且与电抗电压之比正相关，并且受母线相角差的影响相较小。
由于实际线路中R
（7）
（8）
（9）
式（9）中，因为、的值相对固定，并且电抗X的值固定，所以影响有功潮流的主要因素是sinδij，即合环时有功潮流的大小主要由母线电压相角差决定。通常情况下，在现今电力系统运行中，对于电压幅值的差的限制一般在5%以内，而母差电压相角差则限制在15度以下。根据式（9）推算，通常情况下有功潮流在占总体潮流的比重在80%至87%之间。从上述计算及文献中可以得出结论：对于限制合环潮流的问题，减小有功潮流是主要研究方向。而有功潮流则受母线电压相角差影响较大，于是，在实际合环操作中，如何减小合环两侧母线电压相角差便是解决合环潮流超标的重中之重。
由上述分析可知，改变合环潮流的关键因素在于母线电压相角差δij。由此，在参考文献的基础上，提出一种基于区域负荷转移的跨区负荷转移方案，即通过改变站点两侧区域的负荷分配，减小边界站点双侧220kV站点中110kV母线的电压相角差，从而达到限制合环潮流的目的。
负荷转移法的步骤如下：
（1）比较待合环线路两侧110kV站点分别所属220kV站点母线相角之差。
（2）改变区域负荷分配：通过深度优先算法找到边界站点两侧220kV电站最短路径以及分割出各个分区运行区域；识别出非边界站点，作为方案的候选转移负荷。
（3）按照步骤2种转移负荷优先顺序，对每个转移负荷的方案进行逐一验证，找到满足条件的输出结果。
（4）若转移单一110kV负荷仍然不能满足合环条件，此时开始考虑转移两个负荷来达到目的，转移两个负荷的候选方案数量为j=Ci2，找到满足条件的方案并输出结果。
（5）若无合适结果，则使用传统方法。
通过此种方法，便可是生成“边界站点”的合环方案。
3 合环方案的制定与验证
3.1 某地XY110kV“边界站点”原合环方案的分析
选取某地区XY110kV站点作为“边界站点”讨论对象，其联络线接线图如图2所示。通常情况下，其由HTC220kV电站供电，并且SY220kV是其备用线路，通过联络线相连。
对于选取的HTC220kV /SY220kV之间的XY110kV站点，该站点双侧供电属于不同的分区，因此它是一个标准的边界站点。本文将其作为讨论对象，希望找到一种合理方案使XY110kV站点的负荷由HTC220kV站点供电转移到SY220kV站点上。
首先我们将XY110kV和SY110kV直接合环，分析合环数据，判断是否能够满足系统参数限制，如图3、4所示
合环前后的数据如表1所示。
由直接合环结果可知，当其合环母线两侧电压相角差为6.1度时，合环潮流为99.8+j24.2 Mva。超过了LGJ-120/150型号电缆的最大耐受值。因此直接进行合环操作是不可能的。
3.2 合环方案的生成和验证
按照上述所提出方法制定的 “边界站点”合环方案为：
（1）连接TF110kV与WH110kV母线
（2）断开TF110kV与HTC110kV母线
（3）连接XY110kV与SY110kV母线
（4）断开XY110kV与HTC110kV母线
操作过程如图5、6所示。
由表2中数据可知，与直接合环的方案相比，新方案因为TF110kV站点负荷的转移，XY110kV线路母线与SY110kV母线电压相角差从-6.1°缩小到-4.1°，使合环潮流由99.8+j24.2MVa下降到了67.8+j18.0MVa，从而将合环潮流限制在线路容量允许范围之内。
4 结论
对于传统合环方案，需要先进行220kV的合环操作，将部分电网由分区运行变为电磁环网运行。由于220kV电压较高，电磁环网运行对电网的潮流分布的影响较大，同时会进一步增大整个电网的短路电流；在另一方面，220kV线路合环需要由省级调度中心批准，而110kV线路的维护则属于地市级供电公司。因此，本文所提出的分区背景下的合环方案可以极快的解决“边界站点”合环问题，在实际电力系统运行中是有价值的。
本文在电力系统理论分析的基A上，通过理论分析得到母线电压相角差是影响合环潮流的最大因素；基于此结论提出了一种基于转移负荷的边界站点合环方案的制定方法。并且将由此方法生成方案与原方案进行对比，证明了其有效性。
参考文献
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作者简介
周维阳（1990-），男，硕士研究生学历。研究方向为电力系统及其自动化。
郝文斌（1976-），男，博士学位。高级工程师。主要从事电力系统继电保护及调度运行研究。
史华勃（1987-），男，工程师。主要研究方向电力系统及其自动化。
作者单位
1.四川大学电气信息学院 四川省成都市 610044
2.国网成都供电公司 四川省成都市 610041
3.国网四川省电力公司电力科学研究院 四川省成都市 610072