基于PowerWorld的电网潮流计算

，，，，

(1.国网青海省电力公司电力科学研究院，青海 西宁 810000；2.广西大学，广西 南宁 530000；3.国网青海省电力公司经济技术研究院，青海 西宁 810000)

1 引言

电网的合理运行方式应确保整个系统的安全运行和连续供电，最大限度地提高电网稳定水平，防止电网发生稳定破坏事故与大面积停电事故，保证供电可靠性，合理利用资源，严格控制发电能源消耗，降低线路损耗，降低成本，使整个系统在最经济方式下运行。国内外电力系统近十年发生数十起主要大停电事故，这些大停电给社会和经济带来了巨大损失。如2003年美加电网的大停电、英国伦敦大停电、瑞典-丹麦大停电、意大利等[1-6]，给社会造成了巨大的经济损失。大面积停电、严重缺电能够迅速波及整个网络，大城市顷刻间陷入瘫痪，其损失、后果和造成的影响都是难以估量的。在认真回顾这些大停电的时候，可以看到各种原因的大停电造成的后果，能从中汲取经验教训，进一步反思我国电网目前存在的一些问题，这对构建我国大电网安全防御体系，保障电网安全稳定运行具有极其重要的意义。对构建南宁地区电网也有深刻地指导意义。

文献[7]首先介绍 PowerWorld强大的电网分析能力和可视化展示手段，研究基于PowerWorld 结合短期负荷预测和预先制定的运行方式，分析预测电网未来一段时间内的潮流，让调度人员可以在尽可能短的时间里，直观地了解线路未来负载状况和电压水平，以评价运行方式的合理性，形成了基于PowerWorld 的电网潮流预演方法。

本文在总结文献的基础上，以南宁市区电网为研究目标，对南宁市区电网的运行方式进行了分析和总结。用PowerWorld电力系统分析软件，它的核心是一个综合的、强大的潮流计算软件，借助这种仿真手段，可以实时观察电网运行方式发生变化时对应的最新潮流及电网运行状况，真正实现了“所即所得见”。

2 南宁市区电网基本概况

2.1 电网概述

南宁电网是广西电网的重要地区电网。经过近年的努力，南宁电网的供电可靠性得到了较大程度提高，实现了南宁市区220kV电网的南北环网供电，大大改善了南宁市电网的网架结构。随着南宁经济的快速发展，用电的需求不断增加，电网的规模也日益扩大。南宁电网具有用电量大、负荷密度高、安全可靠和用电质量高等特点。实际上，南宁电网的供电可靠性还存在着薄弱环节，电网建设周期长，系统电源供电不足，设备绝缘化率较低，部分变压器残旧。因此，必须从南宁电网城区供电的现状出发，分析电网和设备的薄弱点，找出差距和不足并总结成熟经验。通过对南宁电网的潮流计算和分析，针对实际运行的情况找出南宁市区电网存在的问题，合理的电网构造是保证电网安全、可靠、经济运行的基础，在管理技术、人员、信息化方面提出合理的改进建议。为南宁地区电网的改造和建设科学规划打下坚实基础，突破瓶颈问题，提高应急响应速度，降低故障率及故障修复时间，提高供电可靠性，能够给广大人民提供安全、可靠的电力供应，使得南宁电网建设紧跟城市经济快速发展的步伐。

2.2 设备情况

南宁电网目前有500kV变电站2座，220kV变电站16座，110kV变电站52座，35kV变电站106座。网内输电线路总长度5407公里，配电线路长度17094公里。输电变压器总容量1128万千伏安，配电 变压器总容量163万千伏安。对220kV系统，实现了环网，而110kV系统，也实现了手拉手城市电网结构，双电源供电也在网区大部分110kV变电站得到普及。

2.3 南宁市区电网的潮流计算模型

广西电网是中国南方电网西电东送的中间支持网架，因此依托着西电东送的通道构建了500kV的主网架，包括南宁电网的邕州变、平果变和南宁变等，500kV主网架已全部形成日字型双环网结果。地区电网以220kV构成主网架，存在500/220kV电磁环网结果。目前南宁电网城市形式220kV环网供电。南宁电网规模较大，供电范围广，线路和设备复杂。

由于南宁电网的覆盖广，负荷和线路的情况复杂，在建立南宁市区电网潮流模型时，选取了48个节点的小型网络进行分析。经过简化得到的南宁市区电网潮流计算简化模型如图1所示。其中，220kV系统包括南宁站、石西站、林村站、琅东站、邕州站、青秀站、沙田站和五一站8个变电站，并设置南宁站为平衡节点；在110kV的系统中包含了北湖站、朝阳站、安吉站、衡阳站、五里亭站、江滨站、中尧站、七一站、城东站、凌铁站、南湖站、凤岭站、云景站、津头站、柳沙站、体育站和蒲庙站17个变电站。

图1 南宁市区电网潮流计算简化模型

3 基本参数

3.1 变压器参数

(1)双绕组变压器参数和数学模型

①阻抗

(1)

式中：RT—变压器高低压绕组的总电阻(Ω)；

Pk—变压器的短路损耗(kW)；

SN—变压器的额定容量(MVA)；

UN—变压器的额定电压(kV)。

电力系统计算中，可近似认为变压器的短路电压百分值UK%与变压器的电抗有如下关系：

(2)

式中：XT—变压器高低压绕组的总电抗(Ω)；

UK%—变压器短路电压百分值；

SN—变压器的额定容量(MVA)；

UN—变压器的额定电压(kV)。

②导纳

变压器的励磁支路有两种表达方式，即以阻抗表示和以导纳表示。以导纳表示在电力系统计算中常用。其关系如下：

(3)

式中：GT—变压器的电导(S)；

SN—变压器的空载损耗(kW)；

UN—变压器的额定电压(kV)。

变压器空载电流中流经电钠的部分Ib占很大比重，从而，它和空载电流在数值上接近相等，可以用I0代替Ib求取变压器电钠:

(4)

式中：BT—变压器的电纳(S)；

I0%—变压器空载电流百分值。

(2)三绕组变压器的参数和数学建模

根据“按同一电流密度选择各绕组导线截面积”的变压器设计原则，可得另一个100%容量绕组的电阻等于这两个绕组之一的电阻；另一个50%容量绕组的电阻等于这两个绕组之一电阻的两倍，公式如下：

(5)

RT(50%)=2RT(100%)

(6)

3.2 线路的基本参数

线路参数是描述线路电磁状态的物理量。电力线路的参数有四个：电阻R、电抗X、电导G和电纳B。线路的参数，如阻抗、导纳都是沿线路长度均匀分布的，经过分析和计算，对于频率为50Hz长度不超过300km的架空电力线路和长度不超过50～100km的电缆线路，用集中参数代替匀布参数，所引起的误差甚小，可以满足工程计算中所要求的精确度。其中R、X、B分别表示全线每相的总电阻、电抗、电纳，当长度为L(km)时：

R=r1l(Ω)

X=x1l(Ω)

B=b1l(S)

(7)

(1)电阻(r，Ω/km)

导线的直流电阻可按下式计算：

(8)

式中：ρ—导线的电阻率Ω·mm2/km

在交流电路中，由于集肤效应和邻近效应的影响，交流电阻比直流电阻要大，而且导线的长度与截面积也有出入，导线材料的电阻率要选用略为增大的计算值。

(2)电抗(x，Ω/km)

三相导线单位长度的电抗：

(9)

式中：x1—导线单位长度的电抗(Ω/km);

r—导线的半径(mm或cm);

μr—导线材料的相对导磁系数，对铜、铝，μr=1;

f—交流电频(Hz);

(3)电导(g，S(西门子)/km)

当线路实际电压高于电晕临界电压时，可以通过实测的方法求取电导。

(10)

式中：ΔPg—三相电晕损耗总功率，kW/km;

U—线电压值，kV。

(4)电钠(b，S/km)

三相导线的相与相及相与地之间有分布电容，当线路上具有三相对称的交流电压时，这些电容形成相应的电钠。分裂导线线路的电纳:

(11)

3.3 线路的标幺值参数

根据简化等值电路，作出连接线路及其基本参数，并计算以SB=100MVA，UB=UN为基准的标幺值等值参数。截止2010年底部分线路，南宁电网中，输电线路总长度达3032.08km，线路情况较为复杂，型号多样，同时，由于Powerworld电力系统分析软件使用范围的限制，所以对部分变电站进行了适当的取舍，对南宁市区220kV和110kV电网运行方式的分析中的主要线路参数表。

3.4 变压器的标幺值参数

选取的50个节点中，取220kV等级以上变电站的变压器。其中有七个变电站，分别为琅东站、林村站、石西站、科园站、五一站、沙田站和青秀站。构造的实例中主要分析220kV和110kV变电站，所以选取220kV变电站的中压侧参数。其参数用标幺值表示。表1为南宁电网220kV变压器参数表。

表1 南宁电网220kV变压器参数表

4 南宁市区电网的运行分析

在分析南宁电网的潮流时，利用PowerWorld Simulator的功能，解决静态安全和电压无功补偿的问题。由于南宁电网的覆盖广，负荷和线路的情况复杂，在建立南宁市区电网潮流模型时，选取了48个节点的小型网络进行分析。其中，220kV系统包括南宁站、石西站、林村站、琅东站、邕州站、青秀站、沙田站和五一站，并设置南宁站为平衡节点。在110kV的系统中包含了北湖站、朝阳站、安吉站、衡阳站、五里亭站、江滨站、中尧站、七一站、城东站、凌铁站、南湖站、凤岭站、云景站、津头站、柳沙站、体育站和蒲庙站17个变电站。经过简化得到的南宁市区电网潮流的计算模型如图1。南宁市区外部进行了等值网络计算，发电机和等值负荷功率如下：

(1)220kV系统

南宁站等值电源功率为：623.8MW,等值负荷为 11.0MW；

林村站等值电源功率为：164.8MW,等值负荷为 11.9MW；

琅东站等值电源功率为：304.8MW,等值负荷为0MW；

邕州站等值电源功率为：147.7MW,等值负荷为 0MW；

沙田站等值电源功率为： 69.0MW,等值负荷为 0MW。

(2)110kV系统

石西站等值负荷为：27.8MW；

林村站等值负荷为：46.0MW；

琅东站等值负荷为：128.3MW；

青秀站等值负荷为：14.0MW；

沙田站等值负荷为：147.2MW；

五一站等值负荷为：141.2MW；

科园站等值负荷为：41.0MW。

据南宁电网的数据，利用PowerWorld软件绘制出了南宁市区电网48节点的潮流图，其中南宁站设为平衡节点，实例概况如图2所示。在做外部等值参数时，以流入220kV变电站侧的线路等值为电源，流出节点的线路等值为负荷。并且由于T型分支线路较多，支路的长度不能确定，对一些电缆线路参数也进行了取舍，所以在线路参数计算部分采取了合理性的修改。

对南宁市区电网运行状况的潮流进行分析，如表2所示，其中有功负荷为1304.70MW，无功负荷为286.10Mvar，发电机总出力为1309.97MW，总有功网络损耗为5.17MW。

图2 南宁市区电网实例概况

表2 系统整体运行情况统计

南宁市区外部进行了等值网络计算，发电机和等值负荷功率如下：

(1)220kV系统

南宁站等值电源功率为：623.8MW,等值负荷为 11.0MW；林村站等值电源功率为：164.8MW,等值负荷为11.9MW；琅东站等值电源功率为：304.8MW,等值负荷为0MW；邕州站等值电源功率为：147.7MW,等值负荷为0MW；沙田站等值电源功率为：69.0MW,等值负荷为0MW。

(2)110kV系统

石西站等值负荷为：27.8MW；林村站等值负荷为：46.0MW；琅东站等值负荷为：128.3MW；青秀站等值负荷为：14.0MW；沙田站等值负荷为：147.2MW；五一站等值负荷为：141.2MW；科园站等值负荷为：41.0MW。

(3)冬季负载

大部分较为正常，其中，220kV线路和110kV线路负载都较轻。另外，从计算结果可以看出，沙田1#、2#主变负载较重，均在70%以上，其余各站主变供电压力不大。

5 结论分析

电力系统运行方式的确定，是对于根据运行要求来确定合适的网络结构和电源运行方式，该电力系统运行中的工程问题，须采用计算机的潮流计算作分析。最后，得出如下结论：

(1)南宁市区电网正常运行方式下，线路和220kV降压变压器无重载、过载现象，母线电压值也在允许的范围之内，冬季市区电网整体负荷较轻，但仍需对部分主变和线路加强监控，对南宁市区电网运行的薄弱环节进行深入分析，合理安排负荷，保证南宁电网的安全稳定运行。

(2)由于Powerworld本身的局限性，本文选取了南宁市区电网48个节点进行建模分析，因为110kV线路基本为T型接线所以对线路的参数进行了一定的估算处理，其结果必然会带来误差。另外，本文只对2011年南宁市区冬季电网运行方式进行分析，其他季节未作分析。倘若能分析一年四季的潮流模型，就可以更加全面的研究南宁电网。

(3)从一些历年参考文献可以发现，广西网区存在的主要问题是500kV主变压器容量不足，正常运行时只要500kV南宁变电站一台主变压器跳闸，就会造成南宁变电站另一台主变压器过载。

(4)南宁市郊大部分35kV变电站供电范围大多为单电源，设备较老旧，供电可靠性较低，停电检修方式安排困难。所以可以进一步研究35kV变电站停电检修方案计划制定，具有较大的实际意义。

(5)制定迎峰度夏方案及故障处理预案，合理安排夏季负荷高峰时的电网运行方式。针对重过载设备制定用电计划及错避峰方案负荷高峰时段，应避免安排沙田站220kV线路计划检修，加强巡逻监视。

(6)通过对南宁市区电网的分析结合南宁市区的具体地理位置和气候特点，电网的安全稳定仍存在薄弱环节，特别应注重夏季的高峰负荷期，提前做好电网计算分析以及风险预警及事故应急处理方案。为运行方式、检修方式安排人员提供合理的指导，以及电网危险点预控分析提供帮助和参考，减少因为电力元件故障所带来的故障和损失，使电网得到改善。