電磁環(huán)網(wǎng)基礎(chǔ)知識

電磁環(huán)網(wǎng)簡介電磁環(huán)網(wǎng)是指不同電壓等級運行的線路.通過變壓器電磁回路的聯(lián)接而構(gòu)成的環(huán)路。一般情況中，往往在高一級電壓線路投入運行初期，由于高一級電壓網(wǎng)絡(luò)尚未形成或網(wǎng)絡(luò)尚不堅強(qiáng)，需要保證輸電能力或為保重要負(fù)荷而運行電磁環(huán)網(wǎng)。高低壓電磁環(huán)網(wǎng)中高壓線路斷開引起的負(fù)荷轉(zhuǎn)移很有可能造成事故擴(kuò)大、系統(tǒng)穩(wěn)定破壞。國內(nèi)220kV/110kV電磁環(huán)網(wǎng)已基本解環(huán)運行，但220kV及以上電磁環(huán)網(wǎng)仍大量存在。多年來，學(xué)者和業(yè)界人士已對電磁環(huán)網(wǎng)開展了大量的分析和探討，指出需重視線路無故障跳線校核等。一般認(rèn)為電磁環(huán)網(wǎng)的缺點和風(fēng)險主要包括：①上級電網(wǎng)故障后功率轉(zhuǎn)移導(dǎo)致下級電網(wǎng)過載，其原因是上下級電網(wǎng)輸電能力的不匹配；②上級電網(wǎng)故障后阻抗突增引發(fā)暫態(tài)失穩(wěn)甚至系統(tǒng)振蕩，其原因是上下級電網(wǎng)阻抗的不匹配；③系統(tǒng)短路水平增加，下級電網(wǎng)短路易超標(biāo)；④網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不清晰，潮流轉(zhuǎn)移特性復(fù)雜，增加了不可控的連鎖故障風(fēng)險；⑤增加了保護(hù)整定和二三道防線配置的困難。從結(jié)構(gòu)上看，電磁環(huán)網(wǎng)和同一電壓等級元件構(gòu)成的普通環(huán)網(wǎng)并無本質(zhì)區(qū)別，最大的不同在于：電磁環(huán)網(wǎng)由于上下級電網(wǎng)阻抗和傳輸容量相差較大導(dǎo)致不均衡特性較為突出。而合理的且能充分發(fā)揮自身能力的電網(wǎng)一般結(jié)構(gòu)特性較為均衡。隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，電磁環(huán)網(wǎng)的形態(tài)愈加豐富和多樣，有必要進(jìn)行系統(tǒng)性分析，采取不同的應(yīng)對策略。弱環(huán)型與強(qiáng)環(huán)型根據(jù)電磁環(huán)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)弱，電磁環(huán)網(wǎng)可分為以下幾種類型：1）典型弱環(huán)網(wǎng)上、下級電網(wǎng)均薄弱的為典型弱環(huán)網(wǎng)，該結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定、暫/動態(tài)穩(wěn)定較差，上級電網(wǎng)輸電能力嚴(yán)重受限且不具備解環(huán)條件，與下文弱環(huán)I型的共同點是上級通道故障后其潮流100%轉(zhuǎn)移至下級電網(wǎng)。2）弱環(huán)網(wǎng)I型上級電網(wǎng)薄弱（發(fā)展不完善）而下級電網(wǎng)相對堅強(qiáng)的可定義為弱環(huán)網(wǎng)I型，其主要問題是上級電網(wǎng)故障后功率轉(zhuǎn)移可能導(dǎo)致下級薄弱環(huán)節(jié)元件過載。3）弱環(huán)網(wǎng)II型上級電網(wǎng)堅強(qiáng)而下級電網(wǎng)相對薄弱的可定義為弱環(huán)網(wǎng)II型，上級電網(wǎng)的某一通道故障，潮流主要在上級電網(wǎng)內(nèi)部轉(zhuǎn)移，穿越下級電網(wǎng)的潮流較小，且系統(tǒng)阻抗沒有顯著增加，正常方式下運行風(fēng)險較小，但在上級電網(wǎng)檢修時可能存在典型弱環(huán)網(wǎng)的特性。4）強(qiáng)環(huán)網(wǎng)上、下級電網(wǎng)均堅強(qiáng)的為強(qiáng)環(huán)網(wǎng)，其解環(huán)的必要性往往源于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模偏大或過于復(fù)雜時短路水平控制要求和預(yù)防不可控的連鎖故障風(fēng)險，通過解環(huán)將電網(wǎng)結(jié)構(gòu)清晰化、解耦化是有益的簡單/顯性型與復(fù)雜/隱性型電磁環(huán)網(wǎng)簡單型電磁環(huán)網(wǎng)上、下輸電通道之間存在直接的電磁耦合關(guān)系和明確的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，一般出現(xiàn)在相鄰上級變電站之間（兩個電磁耦合點），具有明顯的上級主干輸電通道和下級并聯(lián)輸電通道，耦合點及潮流轉(zhuǎn)移特性較為清晰，如典型弱環(huán)網(wǎng)和弱環(huán)網(wǎng)I型。復(fù)雜型電磁環(huán)網(wǎng)一般屬于隱性結(jié)構(gòu)，上級通道故障后潮流向上、下多個通道轉(zhuǎn)移，甚至不存在明顯的上級主干通道，潮流轉(zhuǎn)移特性復(fù)雜甚至隱蔽，有多個電磁耦合點，屬于非典型電磁環(huán)。雙級型與多級型電磁環(huán)網(wǎng)典型的電磁環(huán)網(wǎng)一般涉及兩個電壓等級，500kV電網(wǎng)發(fā)展初期出現(xiàn)過500kV/220kV/110kV三級電磁環(huán)網(wǎng)，隨著110kV電網(wǎng)的分片開環(huán)運行，這種情況基本消失，但是特高壓電網(wǎng)建設(shè)過程中又出現(xiàn)了1000kV/500kV/220kV三級電磁環(huán)網(wǎng)，增加了電網(wǎng)運行的復(fù)雜性和風(fēng)險。潮流轉(zhuǎn)移電磁環(huán)網(wǎng)面臨的普遍問題是主干通道故障后潮流轉(zhuǎn)移導(dǎo)致下級電網(wǎng)過載。故障前上、下級電網(wǎng)元件潮流方向一致時，故障后下級元件潮流將增大，反之將減少甚至逆轉(zhuǎn)，可分別定義為順向和逆向潮流方式。針對實際電網(wǎng)的運行風(fēng)險，以下因素需要重點關(guān)注：強(qiáng)耦合、大潮流、低裕度（順向）。由于上、下級電網(wǎng)的輸電能力可相差3?6倍（如根據(jù)線型不同，500kV線路約為1600?3500MW，220kV線路約為200?700MW），對于強(qiáng)耦合的弱環(huán)網(wǎng)，一般受投資、廊道、站址、環(huán)保、短路水平等因素制約，通過增強(qiáng)下級電網(wǎng)來消除對上級電網(wǎng)輸電能力的約束不經(jīng)濟(jì)甚至不可行，優(yōu)先加強(qiáng)上級電網(wǎng)既能顯著提升輸電能力，也可為環(huán)網(wǎng)解環(huán)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化創(chuàng)造條件。如何補(bǔ)強(qiáng)或優(yōu)化上級電網(wǎng)較強(qiáng)的電磁環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)需具體分析，如：將解環(huán)的環(huán)網(wǎng)顯然不宜再加強(qiáng)下級聯(lián)絡(luò)斷面；已明確不解環(huán)的環(huán)網(wǎng)則應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)下級聯(lián)絡(luò)斷面；耦合度較高的環(huán)網(wǎng)仍宜優(yōu)先增強(qiáng)上級網(wǎng)絡(luò)以解決主要矛盾；耦合度較低的強(qiáng)環(huán)網(wǎng)則應(yīng)重點考慮控制短路水平、簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化潮流分布等。三級電磁環(huán)網(wǎng)和兩級電磁環(huán)網(wǎng)的特性并無本質(zhì)不同，但還需考慮以下運行風(fēng)險。穩(wěn)定和短路存在失穩(wěn)風(fēng)險的電磁環(huán)網(wǎng)主要是承擔(dān)大功率外送或向末端供電的強(qiáng)耦合型電磁環(huán)網(wǎng)，特別是典型弱環(huán)網(wǎng)。上級主干通道故障后僅剩下級輸電通道，系統(tǒng)阻抗為故障前的數(shù)倍（如3?5倍），易導(dǎo)致功角失穩(wěn)；另一方面受端失去主要支撐，易導(dǎo)致電壓失穩(wěn)。當(dāng)上級電網(wǎng)存在兩個及以上輸電通道時，電磁環(huán)網(wǎng)的存在減小了系統(tǒng)整體阻抗，因而并不一定會對系統(tǒng)穩(wěn)定產(chǎn)生負(fù)面影響，需要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具體分析。影響系統(tǒng)短路水平的主要因素為電源規(guī)模和網(wǎng)絡(luò)阻抗，電磁環(huán)網(wǎng)的存在降低了系統(tǒng)短路阻抗，但未必是影響短路水平的決定性因素：對于下級電氣距離較長、聯(lián)系不夠緊密的電網(wǎng)，電磁解環(huán)抑制系統(tǒng)短路水平的效果一般只有0.5?3.0kA；反之，對于下級電氣聯(lián)系非常緊密的電網(wǎng)，電磁解環(huán)抑制系統(tǒng)短路水平的效果可達(dá)3?6kA甚至更高，對于諸如兩個500kV站中壓側(cè)短線直連的極端情況，解環(huán)后兩站中壓側(cè)短路電流可下降10kA以上。此外，電磁環(huán)網(wǎng)對于上級電網(wǎng)的短路水平影響較小。電磁環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化消除電磁環(huán)網(wǎng)運行風(fēng)險的根本措施是實施電網(wǎng)解環(huán)，比如110kV電網(wǎng)基本為輻射+鏈?zhǔn)焦╇娊Y(jié)構(gòu)。然而，由于超高壓電網(wǎng)輸電容量大，對安全可靠性要求高，較長時期內(nèi)電磁環(huán)網(wǎng)仍將大量存在，但將通過解環(huán)分片使其結(jié)構(gòu)更加簡單清晰。原則上一個分區(qū)內(nèi)至少應(yīng)有三臺聯(lián)變，且與外區(qū)至少有三回上級聯(lián)絡(luò)線（確保檢修方式下的供電安全）。上級兩站直連的（或三站，取決于下級網(wǎng)絡(luò)的緊密程度和供電范圍）手拉手結(jié)構(gòu)仍是電磁環(huán)網(wǎng)，但結(jié)構(gòu)簡單清晰，一般每站有兩臺主變?yōu)橐耍ㄖ髯冞^少影響供電能力，過多則中壓側(cè)短路水平易超標(biāo)），可兼顧短路控制和供電能力等各方面的需求，但要求區(qū)內(nèi)聯(lián)絡(luò)線具備足夠的互供（功率交換）能力。若上級變電站不直連，則不再是電磁環(huán)網(wǎng)或是隱性電磁環(huán)網(wǎng)。單站手拉手結(jié)構(gòu)只有一個上級變電站，但出于短路控制要求將其中壓側(cè)母線分段運行，在形式上消除了電磁環(huán)網(wǎng)，但仍需考慮一臺聯(lián)變跳閘后下級電網(wǎng)的潮流轉(zhuǎn)移控制。這種結(jié)構(gòu)往往適用于供電區(qū)域相對較小的分區(qū)電網(wǎng)，否則可能會出現(xiàn)供電距離過長的情況；且考慮變電站全停風(fēng)險，其供電可靠性相對較低。饋供結(jié)構(gòu)是電磁環(huán)網(wǎng)徹底打開的形式，不存在電磁耦合，缺點是降低了供電可靠性，特別是母線檢修方式下需足夠備用聯(lián)絡(luò)線支持以確保供電安全，適用于供電區(qū)域和規(guī)模較小的分區(qū)電網(wǎng)；由于下級變電站之間缺乏互供，可能需要更高的設(shè)備冗余。實際電網(wǎng)中，饋供結(jié)構(gòu)較為少見，且往往會發(fā)展成為其他供電結(jié)構(gòu)。值得推薦的是單站背靠背型手拉手結(jié)構(gòu)，即隨著單站主變的增加，變電站中壓側(cè)母線分列運行，每個分站再與其他變電站母線分列運行后的分站形成手拉手結(jié)構(gòu)，這既是出于短路控制的需要，也增加了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)整的靈活性，對電網(wǎng)發(fā)展適應(yīng)性也較好。電磁環(huán)網(wǎng)的潮流轉(zhuǎn)移控制方式預(yù)控措施實際電磁環(huán)網(wǎng)運行的主要問題是潮流轉(zhuǎn)移和控制。對于非連鎖故障，需控制上級通道故障后下級電網(wǎng)任一元件有功功率不超過安全值。近似認(rèn)為故障前后的有功轉(zhuǎn)移特性是線性的，主要由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)決定，對于連鎖跳閘（包括故障后采取切線、切變等主動跳閘措施）的潮流控制，在線性假設(shè)下，可考慮利用疊加法求取方式預(yù)控限額。由于實際有功潮流的轉(zhuǎn)移特性并非完全線性，考慮連鎖潮流轉(zhuǎn)移后計算誤差將逐步擴(kuò)大，特別是當(dāng)上級主干通道潮流變化范圍大且下級元件與上級通道的輸電能力級差過大時可能產(chǎn)生電網(wǎng)安全隱患。針對這種情況，一個折中且實施相對簡便的方法是分檔計算方式預(yù)控限額。對于簡單型電磁環(huán)網(wǎng)，潮流轉(zhuǎn)移特性較易分析；對于復(fù)雜型特別是多耦合點的電磁環(huán)網(wǎng)，其潮流轉(zhuǎn)移分析可結(jié)合上級通道故障后的潮流主轉(zhuǎn)移路徑進(jìn)行：通過聯(lián)變（耦合點）的下網(wǎng)功率變化可以分析得出潮流轉(zhuǎn)移的主要分布，從而找出需重點進(jìn)行潮流控制的下級電網(wǎng)元件，提高運行控制的效率?；诮怦羁刂频陌踩€(wěn)定措施除了切機(jī)和切負(fù)荷安全穩(wěn)定措施外，實際運行中為以較小代價實現(xiàn)有效的潮流控制，