冀北电网分区供电研究

林金娇，杨金刚，赵炜炜，刘观起，李群炬，王非

(1.华北电力大学，河北省保定市071003;2.华北电力科学研究院有限责任公司，北京市100045)

0 引言

电磁环网在新的电压等级建成初期有其存在的意义，有利于提高系统供电能力，减少备用容量。而随着较高电压等级电网的发展和传输负荷的不断增大，电磁环网成为电力系统严重的事故隐患。《电力系统安全稳定导则》规定:随着高一级电压电网的建设，下一级电压电网应逐步实现分区运行，相邻分区之间保持联络互为备用。

国内多个省市结合各地区情况已开始了分层分区的研究和实施工作。北京负荷达16 000MW，为解决大负荷带来的种种问题，北京电网将初步分为9个供电分区。每个分区内220kV为双环网结构开环运行，部分 220kV变电站深入到城市繁华地区［1］。2012年上海最高用电负荷达21 530MW，达到历史新高。上海电网现在分为杨行、黄渡、泗泾、南桥以及杨高等9个分区电网，解决了从前南北分区运行时出现的短路电流超标问题［1-2］。浙江地域面积小，负荷密度大且增长迅猛。2007年浙江电力负荷首破30 000MW，至2011年冬天浙江电网最大供电能力达40 000MW。随着负荷的增长，浙江500kV及220kV电网建设步伐加快，电网中枢纽变电所的短路电流问题凸显出来。为此如今浙江220kV电网形成了8个分区的电网格局［3］。天津电网负荷超过10 000MW，同时电磁环网的存在及其短路电流增加的问题日益严重。为此文献［4］提出了西郊变电站建成后天津电网的分区供电方案，并对未来天津西部电网的发展提出建议。各地分层分区的研究和实施工作进一步说明了电磁环网解环并实现电网分区供电是控制短路电流、合理电网结构的经济、有效的方法。在条件成熟时，应该结合地区具体情况，逐步打开电磁环网，实现分区运行。

冀北地区近一半负荷集中在唐山地区，唐山地区负荷已超过10 000MW。与负荷增长相配套的输变电工程的建设，使得电网更加密集，从而短路电流增大并且电磁环网成为电力系统严重的事故隐患。从安全供电的角度分析，唐山地区迫切需要220kV分区运行。本文分析冀北电网电磁环网运行存在的问题，结合2015年投产或扩建工程，提出冀北地区分区运行方案，以期为冀北电网分区供电研究工作提供参考。

1 冀北电网概况

1.1 冀北电网电磁环网运行现状

冀北电网现有19座500kV变电站，10座500kV变电站具有直接的电气联系，构成冀北电网500kV主网架。其中仅有唐山、承德地区的4座500kV变电站(TJJ—TTP—CJS—CCD)形成双环网结构，其余6座变电站在4个方向呈放射状与双环网连接。唐山、承德、秦皇岛地区220kV电网与冀北500kV主网构成电磁环网运行。随着近年来冀北电网的发展，电磁环网运行的易造成系统热稳定破坏、不利于经济运行、系统潮流分布不易于控制、短路容量增大、继电保护和安全自动装置配置复杂化等问题日渐显现［5-8］，尤其是220kV系统短路电流增长迅速。随着负荷的发展和500kV变电站的建设，220kV变电站、地区电源建设工程也日渐增加，使得220kV电网结构愈加紧密，短路电流水平不断攀升，现已接近开关设备限值，成为亟待解决的问题。

1.2 2015年冀北地区新建工程

近年来冀北负荷增长较快。考虑未来冀北地区电网发展要求，“唐山、承德、秦皇岛”地区计划2015年投产或扩建多项工程。其中包括常规电源工程2项，均分布在唐山地区，二者分别接入THC站与TDF站。500kV输变电建设工程有4项，包括新建TLT站、TCF站、TFN站及TJJ站，扩建2台主变，其接入位置如图1所示。新建220kV输变电工程7项，其中4项分布在唐山，1项分布在秦皇岛，2项在承德。

图1 500kV输变电建设工程接入结构图Fig.1 Accessing structure of 500kV power transmission and transformation construction project

新工程的投运将使短路电流进一步增加。其中唐山的TCZ、TSD变电站三相短路电流超过其断路器的遮断容量，多处站点短路电流接近断路器限值。电网结构新工程的建设一方面推动了唐山、承德、秦皇岛分区运行的进度。另一方面新工程投运后电源、负荷与变电站分布相对平衡，为分区运行创造了有利条件。

2 分区方案

2.1 地级市间分区

唐山与秦皇岛500kV主网通过天乐双相连，220kV主网通过官扣线、官赵线和武溯双共计4回线相连，形成跨地区电磁环网运行。合环运行容易引起事故扩大，甚至在故障线路切除后，非故障区域仍然受到影响，跨地区电磁环网威胁两地区电网的安全稳定。计算潮流发现这4回地区间220kV联络线上正常运行时的潮流不大，地区间500kV联络线的输送功率远未充分利用。打开唐山与秦皇岛间的220kV联络线，使得唐山与秦皇岛仅通过天乐双相连，秦皇岛地区的供电可靠性有所降低，需同时配合建设昌亭500kV双回线及秦皇岛地区内上武220kV双回线，秦皇岛220kV系统形成1个供电分区，由天马和昌黎这2个500kV变电站带动。断开唐山与秦皇岛地区的220kV联络后，秦皇岛地区供电可靠性有所下降，需新建上武双回线，实现天马站和昌黎站的互供后备作用，同时需新增昌亭500kV双回线，以确保东北电网直流输电的稳定运行。

2.2 唐山电网分区

预计2015年唐山地区装机容量可达5 510MW，9个500kV变电站，负荷最高可达到13 020MW，唐山地区有必要分区运行。同时电源、负荷与变电站分布相对平衡，具备了分区运行的条件。

根据负荷分布，考虑现电网结构将唐山220kV系统分成5个相互独立的分区，并充分保证各分区供电可靠性。以2～4个500kV变电站作为主要的供电电源，以本地区内部的发电厂作为辅助电源，完成供电分区的划分。

2.2.1 东南部220kV电网解环方案

东南部以TAG 500kV变电站为地理位置中心，与其相连的TSD、TLT、TCF、TFN这4个500kV变电站呈放射型分布，220kV变电站以链形和环形将几个500kV变电站相连，形成多个电磁环网。东南部负荷密度大，地区电源少，计划新建工程较多，包括TLT、TCF、TFN这3个500kV变电站。新工程建成后，东南地区的500kV的输送能力将大大增强。根据500kV变电站的分布，将东南部220kV分区运行是可行的，也是必须的。在TAG站通过站外搭接，将TAG—TLQ双回线和TAG—TQT双回线所在间隔进行互换，实现TSD—TAG乙母线—TLT 500kV变电站所带220kV系统(以下220kV分区均以其所连500kV变电站命名，如该分区简称为TSD—TAG乙—TLT)与TAG甲—TCF—TFN分区运行。东南部地区分区前后网络结构变化如图2所示。图2中以点画线表示改接或退役后不存在的线，以虚线表示改接或新建后增加的线。500kV变电站和地区内电厂进行供电。该区域接入220kV电源多，负荷分布不均，电网结构比较复杂，电磁环网较多。新增工程包括接入THC站的电厂及TFN 500kV变电站、TZS 220kV变电站。中南部地区短路电流水平较高，而由于新建工程的投产，THC和TXG 220kV变电站的短路电流将大幅度增长，达到或接近开关设备限值，必须采取措施控制短路电流。TZS站的建设，弥补了唐山中心区南部没有220kV变电站的问题，增加了中心区供电能力的可靠性，合理的变电站分布也为分区创造了条件。

TFN 500kV变电站建成后，为THC 220kV变电站提供了可靠电源，断开THC—TCS双回220kV线路，实现唐山南、北分区。另一方面，由于 TFN 500kV变电站仅有4回220kV出线，变电站容量没有得到充分利用，因此将TSX—TNH双回线改接为TFN—TNH双回。同时这一改接缓解了唐山西主变供电压力，使潮流分布合理。经过上述改造，中南部将形成TSX—TSD—TFN 220kV供电区。中南部地区分区前后网络结构变化如图3所示。

图2 东南部地区分区前后网络结构变化Fig.2 Network structure change before and after southeast region partition

2.2.2 中南部220kV电网解环方案

中南部地区由 TJJ、TSX、TSD、TFN 这 4个

图3 中南部地区分区前后网络结构变化Fig.3 Network structure change before and after south central region partition

2.2.3 北部220kV电网解环方案

北部地区由TTP、TJJ和TYL这3个500kV站及与承德地区相连的3条220kV线路供电。TJJ扩建2台主变后，其220kV变电站分为甲、乙这2站，2站各带29台变压器，分列运行。TJJ甲站与 TYL变电站构成1个供电区域，TJJ乙站、TTP与承德地区构成1个供电区域，这2片区域之间仅通过TCZ—TZD双回线相连，并且正常运行时其上传输的功率比较少，为2×31.5MW，考虑断开TCZ—TZD双回线。又由于TZD 220kV变电站由原来的7回进出线变成了4回，可靠性有所下降，可以将断开的TKZ—QCG、TZD—QCG单回线搭接，从而形成TKZ—TZD单回线，2站的可靠性增加，并且改造经济、方便。北部地区分区前后网络结构变化如图4所示。

图4 北部地区分区前后网络结构变化Fig.4 Network structure change before and after north region partition

2.3 未来进一步分区的发展方向

北部地区是唐山的重负荷区，负荷可达到3 630MW，占唐山总负荷的1/3。目前北部电网主变负载率较高，难以独立供给本地区负荷。若唐承解环，TJJ变压器 N－1时，另一台变负载率达117%，不具备解环条件。本文暂不考虑断开唐承电磁环网，待TTP主变扩建或在北部新建500kV变电站后可考虑实现。

目前冀北电网已计划在北部新建名为TXB的500kV变电站，考虑接入TJJ和CCD 500kV变电站之间。届时可将唐山北部电网由TTP—TJJ甲—承德电网供给的220kV分区，分为由TTP—TXB变电站和TJJ甲—TXB变电站供给的2个220kV分区。

3 校验

3.1 短路电流

采用分区供电方案后，可有效降低相关变电站的短路电流，2015年分区前后各主要220kV变电站的短路电流水平如表1所示。

可以看出，冀北电网分区供电后，220kV系统短路电流水平大幅度下降。而现阶段冀北电网不具备完善的分区运行的条件，分区后仍有部分电磁环网存在，为了保证分区后系统运行的可靠性和稳定性，对部分线路进行了改接，在降低相关站点短路电流的同时也引起了部分站点短路电流有所上升。采用上述分区方法后唐山原短路电流越限的4个站点短路电流均下降到遮断容量之内，超过开关限值90%的站点由7个变为4个，限流效果显著。对分区后短路电流仍临近超标的站点应采取相应的限流手段，将其短路电流水平控制在合理范围。

3.2 可靠性

本文制定分区方案时充分考虑了供电可靠性，分区内每个有线路改造的220kV变电站均保证其由2个或2个以上站点提供电力支持。各220kV供电分区之间通过500kV供电通道相连，保证了联网输电通道的送电能力，具备一定的相互事故支援的能力。

3.3 安全稳定性校验

文献［9］规定了对解环后系统安全稳定性的要求。其中500，220kV电网(包括500，220kV线路和变电所的主变)满足N－1准则是实现电磁环网解环运行的基本条件之一，是电磁环网是否能够解环运行分析的重点［10］。校验分区后唐山电网内各 500，220kV线路和500kV变压器“N－1”方式下各线路和变压器的负载率是否存在过载现象。对线路和变压器“N－1”和“N－2”故障进行安全稳定校核，在保护正确动作后，主网均可保持稳定。

采取分区供电方案后，各供电分区应尽量包含一定容量的发电机组，以提高动态电压无功支撑的能力，并且满足整个电网的调峰和旋转备用要求［11］。唐山5个分区中除TSD—TAG乙—TLT分区外，其他4个分区均有发电厂接入。TSD—TAG乙—TLT分区各220kV变电站与500kV变电站电气距离均比较近，且电网结构简单。从理论分析和长期运行经验分析，均确定在本供电分区内的母线具有合格的电压水平。

4 结论

(1)结合近期冀北电网计划投产项目，分析2015年冀北电网结构和运行情况，认为有必要解开“唐山、承德、秦皇岛”地区电磁环网，并逐步实现唐山地区220kV电网分区运行。

(2)提出了将唐山地区分为5个220kV供电区域。通过计算和分析电网的电力短路电流、潮流并进行稳定校核，证明分区供电方案的可行性。

(3)分区供电对降低500kV系统的短路电流作用不大，对降低220kV系统短路电流作用比较明显。而现阶段冀北电网不具备完善的分区运行的条件，分区后仍有部分电磁环网的存在。为了保证分区后系统运行的可靠性和稳定性，对部分线路进行了改接，在降低了相关站点短路电流的同时仍有部分站点短路电流临近开关设备限值。总体上分区后，短路电流水平是下降的。对分区后短路电流仍临近超标的站点应采取相应的限流手段，将各供电分区500kV和220kV电网的短路电流水平控制在合理范围内。

(4)电网的规划应与电网的发展相适应。本文提出的分区方案，是根据对2015年冀北电网发展情况的预测制定的。当电网充分发展，分区方案可以进一步优化。最终理想的电网结构应是根据500kV变电站分布对220kV变电站进行优化布置，220kV供电链具有哑铃形的特点，链短、容量大且事故支援能力充足。

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