电网断面热稳定限额的计算

叶 剑，王伟红

（国网上海市电力公司电力调度控制中心，上海 200122）

电网断面的热稳定性，是指当电网发生元件（如线路、发电机、变压器等）断开时，其他元件的潮流在其过负荷能力范围内，温升不超过允许值。为了确保电网安全运行，满足热稳定限额的要求，必须将电网断面潮流控制在热稳定限额之内。因此，热稳定限额的确定，是系统稳定计算的一项重要内容，直接影响到电网开机方式和运行方式的安排。作为目前国内最大的都市电网，上海电网是一个电源和负荷都集中的密集型电网，电网内500 k V和220 k V线路平均长度分别为22.4 km和10.6 km。由于电气联系紧密，上海电网通常不存在暂态稳定和静态稳定问题。因此，通过计算确定潮流断面的热稳定限额，成为稳定计算的主要工作之一。

1 热稳定限额计算方法

根据《电力系统安全稳定导则》（DL／T 755—2001）要求，电网运行应满足N－1原则，即电网中任一元件，发生单一故障状况下应确保电网稳定运行。因此，断面热稳定限额的确定，通常考虑在电网发生N－1故障后，剩余各元件电流不超过其电流限额（考虑过负荷能力）。为直观起见，通常按断面或元件的有功潮流进行计算。

在计算热稳定限额时，应首先明确电网运行方式和开机方式（包括机组开机组合和发电出力），计算正常状况下的断面潮流（基态潮流）。针对该断面选择最为严重的N－1故障，即最易引起断面剩余元件潮流越限的故障，并计算故障后最易过载元件的潮流；根据该潮流与元件潮流限额（考虑过负荷能力的事故后限额）的比例关系及发生N－1前的基态潮流，即可确定断面热稳定限额，计算式为：

式中：P1为发生N－1后最易过载元件的潮流；P1max为该元件潮流限额；PD为断面基态潮流；Px为需要确定的断面热稳定限额。

由式（1）可知，断面限额的含义是为了预防发生N－1后，断面元件中任一元件的潮流越限，必须将该断面潮流控制在一定限额内，这个限额便是断面潮流热稳定限额。选择的N－1故障和断面元件不同，计算出的断面限额也可能不同。在确定断面限额时，应选择最严重的N－1故障和故障后最易过载的元件进行计算。如不能确定最严重的故障和最易过载的元件，则必须对断面中可能导致元件潮流越限的N－1故障和断面中各个元件进行扫描与计算，并且在限额计算结果中选取最小值作为最终的断面限额。

2 热稳定限额计算要点

在计算断面限额时，电网的负荷水平和开机方式是计算的基础，而N－1故障的选择则是计算的关键。

2.1 负荷水平

电网潮流与电网中各个节点的负荷分布有关，而因各节点的负荷特性存在差异，不同负荷水平下各节点的负荷分布也不同，断面潮流限额的计算结果也会有所不同。在计算断面潮流限额时，必须先确定电网负荷水平，但负荷在一定范围内变化（如10%以内），断面限额可认为维持不变。

2.2 开机方式

电网潮流还取决于开机方式，包括机组开机组合与发电出力，不同开机方式下断面限额也不同。以图1为例，受电系统A通过a、b两个通道（各两回线）从系统B受电，系统B中包含多个电源点，其中电厂c经通道a直接与系统A联络，其他电厂与小系统A电气距离相对较远。

图1 受电系统潮流示例

从断面限额计算结果可知，当电厂c发电出力为600 MW的状况下，断面（a＋b）的限额为900 MW；而当电厂c发电出力为1.20 GW的状况下，断面（a＋b）的限额为1.05 GW。以上结果可通过潮流分析的方法予以解释：因通道b的设备限额较小，断面（a＋b）的输电瓶颈在通道b；而受电系统A，通过断面（a＋b）从系统B的受电潮流不变，当电厂c出力增加时，通道a的潮流增大、通道b的潮流减小，缓解了输电瓶颈（通道b的输送压力），因此断面限额也相应增大。换言之，为了提高上述断面限额，应增加电厂c的发电出力。

从图1受电系统潮流示例可看出，受电系统A的受电断面限额，不仅与系统A本身的开机方式有关，还与系统B内部的开机方式有关。因此，为准确计算断面限额，须明确机组开机方式。

2.3 N－1故障选择

需确定潮流限额的断面，通常为电网主要潮流输送断面，包括机组集中区域的发电送出断面、负荷中心的受进断面和由电源点向负荷中心的潮流输送断面等。为准确计算断面限额，须选择最严重的N－1故障，通常为组成断面的某一元件（线路、主变或线路与主变所在的母线）故障。

2.3.1 断面元件N－1选择

在进行N－1故障选择时，应考虑断面元件的阻抗和限额，找出故障后潮流最易越限的元件。通常元件阻抗越小，输送的潮流越大、越易过载；元件限额越小也越易过载。对应关系见表1。

表1 元件限额与阻抗对元件过载的影响

由表1可看出，元件限额小、阻抗小的元件，最易过载；元件限额大、阻抗大的元件，不易过载；元件限额大、阻抗小或元件限额小、阻抗大的元件，过载难易度介于以上两者之间。根据该对应关系，最严重的N－1故障，通常为阻抗和限额较大的元件故障，并导致阻抗及限额小的元件过载，应依此计算断面限额。

对于由3个元件组成的断面，在选择最严重的N－1故障时与2个元件组成的断面略有不同：对于3个元件限额相同的断面，通常阻抗值居中的元件故障最为严重，这是因为在故障前后断面潮流基本不变的状况下，阻抗值居中的元件故障后，剩余2个元件的潮流分布最不均衡，最易引起阻抗最小的元件潮流越限；对于3个元件限额不同的断面，则应综合考虑元件阻抗和限额予以确定，需注意最易过载的元件未必是潮流最大或限额最小的元件。

2.3.2 母线N－1选择

对于双母双分段接线，一段母线检修，通常为对角线侧母线故障最为严重，这时剩余两段母线分列运行。但应注意，正一母检修时副二母故障，与副二母检修时正一母故障不同，因母线检修时该母线上的所有元件均已“倒空”。

对于3／2接线，一段母线检修，通常为同侧的另一段母线故障最严重，此时该侧各串元件均“出串”；对角线侧的母线故障通常也较为严重，此时剩余两段母线分列运行。

3 涉及直流或负荷切除的断面限额计算

热稳定限额算式（P1／P1max＝PD／Px）的依据：在故障前后机组出力与负荷不变的状况下，故障后断面剩余元件潮流与故障前断面潮流成正比。但在有些母线故障状况下，直流极功率或终端负荷可能被切除，这时断面输送潮流不能视为等比例变化，也就不能简单采用热稳定限额算式的等比例算法来确定断面限额，而应考虑故障后直流或终端负荷功率失却的影响，可以采取六大步骤进行计算。

步骤一，计算正常状况下的断面潮流PD；步骤二，计算N－1故障后最易过载元件的潮流P1（考虑直流或负荷已切除）；步骤三，计算故障前考虑直流或负荷不存在（功率置为0，下同）状况下的断面潮流P′D；步骤四，计算故障前考虑直流或负荷不存在状况下断面潮流的变化ΔP＝ P′D－PD；步骤五，根据P1／P1max＝P′D／P′x，计算故障前考虑直流或负荷不存在状况下的断面限额P′x；步骤六，计算最终断面限额Px＝P′x－ΔP。

与通常断面限额计算相比，涉及直流或负荷切除的断面限额计算，应先计算直流或负荷不存在状况下的断面潮流及断面限额（步骤一、步骤二和步骤五）；考虑直流或负荷切除对限额的影响，即计算直流或负荷存在的状况下断面潮流的变化，并进行限额修正（步骤三、步骤四和步骤六）。

4 结论

1）计算热稳定限额时，应首先确定电网负荷水平和机组出力安排；

2）确定限额时，应根据元件阻抗和设备限额，选择最严重的N－1故障及最易过载的元件进行计算；

3）在涉及直流或负荷切除的N－1故障时，应考虑直流或负荷切除对断面潮流的影响。