小水电退网对地区电网潮流分布的影响

陈辉，王文烨，熊龙珠，邓杰，姜飞

(1. 国网湖南省电力有限公司张家界供电分公司，湖南张家界427000；2. 长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南长沙410114)

0 引言

水电能源作为我国的第二大电力资源, 具有可再生、无污染等特性。同时在水能资源丰富的地区, 水力发电成为实现地区能源布局优化、能源绿色发展的战略手段[1]。在我国电力发展初期, 小水电的大规模建设与并网运行一定程度上缓解了电力供需矛盾、优化了能源结构, 对于保障电力供应、促进清洁能源发展起到了关键性的作用。

然而, 小水电存在着与主网联系不强、生产自动化水平偏低、调度管理难度大、开发无序等技术与管理难题[2], 对电网安全可靠运行考验较大。同时, 小水电开发引发的下游水量锐减、流域生态环境破坏等生态问题, 使小水电的绿色生态管理面临着严峻考验。充分考虑到当地的环境承载力, 为更好发挥水电的积极作用、保障电网安全可靠运行、保护生态环境, 需要对部分小水电进行整顿退网。本文主要针对某地区小水电退网对当地电网潮流分布及安全稳定的影响进行分析, 为小水电退网后区域电网的发展建设提供参考。

目前, 针对区域电源退网对地区潮流的分析,国内外已经进行了深入研究。文献 [3] 基于PSASP 电力系统仿真软件, 对电压稳定极限及裕度进行了计算, 并对电网潮流与稳定性模块特点进行了总结。文献 [4-5] 基于PSASP 电力系统仿真软件, 对经典算例的电力系统进行了暂态稳定分析, 在系统潮流收敛的情况下, 模拟了线路三相短路故障, 并按照一般的故障时间切除故障, 观察了系统暂态稳定性, 继而进一步计算了故障线路的极限切除时间。文献 [6] 基于PSASP 电力系统仿真软件, 开展了某电厂接入220 kV 电网后的外送安全稳定计算分析, 并提出了外送线路的控制功率。文献 [7] 结合湖南电网的运行特点, 针对湖南电网主网存在的热稳定问题提出了相应解决措施。文献 [8] 分析了黑麋峰电厂投运后, 湖南电网的外送潮流特点及稳定水平。文献 [9] 基于湖南电网丰水期及枯水期典型负荷日的负荷特性与机组、电源组成比例, 分析了机组参与电网调峰的必要性。文献 [10] 基于典型大负荷方式, 对湘西北地区电网的潮流分布和暂态水平进行了分析。但目前关于小水电退网对区域电网的潮流及安全性、稳定性影响的研究仍然欠缺。

为研究地区小水电退网对电网潮流分布的影响, 本文综合考虑区域电网与外部电网是否联络、区域电网内部某一省调管辖的水电厂是否投入等多种实际电网运行场景, 利用PSASP 软件[11-12]搭建某地区220 kV 电网仿真模型, 在当地小水电全停的情况下, 对区域电网的夏季高峰负荷和冬季高峰负荷进行潮流计算[13-15]。对比小水电全开的情况,分析是否满足潮流稳定的最低要求, 基于N-1 安全原则判断220 kV 线路是否可以安全运行。在该地区小水电退网的情况下, 提出地区电网与外部电网进行潮流交换并保证稳定运行的运行建议。

1 地区电网的基本状况和运行特性

截至2019 年2 月, 该地区电网水、火电装机总容量为97.91 万kW, 水电装机容量占总装机容量的87.74%。其中, 省调调度管辖装机容量占水电总装机容量的38.76%, 经220 kV 电压等级并网。地调调度管辖装机容量52.61 万kW, 占水电总装机容量的61.24%, 经110 kV 及以下电压等级并网。此次退出的水电容量占该地区水电总装机容量的53.09%。其中, 该地区220 kV 电压等级网络拓扑结构如图1 所示。

图1 该地区220 kV 电网的拓扑图

图1 中的节点 1 盘山、节点 3 岗市、节点 7 真龙桥为该地区220 kV 电网与外部电网联络的节点,主要负责与外部电网进行功率交换, 其外送通道分别为 L21、L36-Ⅰ、L36-Ⅱ、L57。其余节点为该地区内部的网络节点, 其中节点2 江垭、节点4 立功桥、节点5 胡家坪、节点6 零阳。

该地区稳定控制的要求具体如下: 在正常运行时, 若投入稳控, L36-Ⅰ和L36-Ⅱ送入岗市的潮流可控制在420 MW 内；若稳控退出, L36-Ⅰ和L36-Ⅱ线送入岗市 (零阳) 的潮流可控制在300 MW内。在故障运行时, 若L36-Ⅰ (L36-Ⅱ)线停运, L36-Ⅰ (L36-Ⅱ) 和 L21 线可控制在260 MW 内；若 L21 线停运, L36-Ⅰ和 L36-Ⅱ线送入岗市的潮流可控制在450 MW 内。

为对该地区的220 kV 网络进行潮流计算, 统计该地区220 kV 电网中各线路的线型、长度及在环境温度下能承受的最大负载功率等具体参数。若线路负荷的功率超过最大负载功率的80%则视为重载运行, 具体数据见表1。

综合考虑到该地区电网的具体情况, 选取了4月丰水期、7 月夏季高峰期和12 月冬季高峰期三个典型月份的电网运行参数, 借助PSASP 软件,计算了4 月丰水期小水电未退网时与小水电退网后7 月份夏季高峰期和12 月份冬季高峰期的潮流分布。通过对比小水电退网前后的潮流网络变化情况, 来判断小水电退出后是否满足潮流稳定的最低要求, 是否需要投入小水电, 以及220 kV 线路是否满足N-1 原则。

表1 220 kV 线路最大负载功率

2 丰水期电网运行工况

4 月份丰水期, 该地区小水电保持全开的状态, L57 线路正在建设中仍未投运, 此时取电网最小负荷, 定义流出该地区220 kV 母线为正方向,即正值表示该地区往省网输送功率。

在此典型情况下用PSASP 中潮流计算的最优因子法对地区的电网潮流进行计算, 经过15 次迭代, 允许误差为0.000 1, 计算出的潮流分布结果如图2 所示。结果表明, 此时L36-Ⅰ和L36-Ⅱ线送省网的潮流超过了300 MW, 根据该地区稳定控制的要求, 节点6 稳控装置应该处于投入的状态。

图2 该地区220 kV 电网4 月的潮流分布

对该地区220 kV 电网的任一线路进行N-1 校验, 则该地区的其他线路及外送通道具体潮流网络分布的计算结果见表2。

表2 4 月该地区220 kV 电网的N-1 校验潮流

综合表1 各线路在环境温度下能承受的最大负载功率和表2 中的数据可以分析得到: 当外送通道L21 线故障后, L36-Ⅰ、L36-Ⅱ、L26 将会重载运行；外送通道L36-Ⅱ线故障后, L36-Ⅰ线将会满载运行；外送通道L36-Ⅰ线故障后, L36-Ⅱ线将会重载运行。所以在负荷的低谷时期, 在满足用电需求的同时, 合理控制该地区小水电的开机情况,保证线路处于正常的运行状态。L26 线故障后,L21 线将会重载运行, 在满足用电需求的条件下,江垭电厂适当开机以维持安全运行即可。

3 夏季高峰负荷下电网运行工况

7 月夏季高峰期, 此时小水电已经全停, 选取该地区电网7 月最大负荷来计算潮流, 同时定义正方向为省网送入该地区潮流。通过观察真龙桥变未投运和投运两种情况来分析夏季高峰负荷下的运行工况。

3.1 真龙桥未投运

3.1.1 江垭全开

在该地区小水电全停、江垭全开、负荷最大的方式下, 该地区的220 kV 电网的潮流分布如图3所示。

由图3 中的潮流分布情况可以分析得到,L36-Ⅰ和 L36-Ⅱ线送入该地区的潮流将达到300 MW左右, 此时该地区小水电需保持一定的开机平衡, L36-Ⅰ、L36-Ⅱ线的潮流达到稳定运行。

对该地区220 kV 电网的任一线路进行N-1 校验, 则该地区的其他线路及外送通道具体潮流网络分布的计算结果见表3。

图3 夏季高峰真龙桥未投运、江垭全开时的电网潮流

结合表1 中各线路在环境温度下能承受的最大负载功率和表3 中的校验数据可以得到: 当外送通道L36-Ⅰ线故障, L36-Ⅱ线、L24 将会重载运行；当外送通道L36-Ⅱ线故障, L36-Ⅰ线、L24 线将会重载运行；当 L26 线故障, L24 线将会重载运行；当L45 线故障, L56 线将会重载运行。此时该地区小水电应适当开机才能平衡重载线路潮流达到稳定。

当L24 线故障后, L56 线负载达到384.03 MW,线路过载运行, L26 线将会重载运行；L56 线故障之后, L24 线负载达到367.75 MW, 线路过载运行, L45 线将会重载运行。上述两种情况下的任意一线路故障, 另一线路负载都将超出线路稳定运行极限, 此运行方式不满足N-1 安全原则, 需节点4立功桥和节点5 胡家坪小水电至少出力130 MW 才能保证线路稳定运行。

3.1.2 江垭全停

在该地区小水电全停、江垭全停、负荷最大的方式下, 该地区的220 kV 电网潮流分布如图4 所示。

从图4 中的潮流计算结果可以得出, L36-Ⅰ和L36-Ⅱ线送该地区的潮流超出300 MW, 不满足稳定控制要求, 此时需江垭电厂及该地区小水电保持一定出力才能使得L36-I 和L36-II 线潮流才能满足稳定控制。

图4 夏季高峰真龙桥未投运、江垭全停时的电网潮流

3.2 真龙桥投运

在该地区小水电全停、江垭全停、负荷最大的方式下, 该地区的电网潮流如图5 所示。

图5 夏季高峰真龙桥投运、江垭全停时的电网潮流

从图5 中的潮流计算结果可以得到, 在该状态下的220 kV 线路满足线路稳定运行要求。

对该地区220 kV 电网的任一线路进行N-1 校验, 则该地区的其他线路及外送通道的具体潮流网络分布的计算结果见表4。

结合表1 各线路能承受的最大负载功率和表4数据可得: 外送通道L36-Ⅰ线故障, L36-Ⅱ线将重载运行；外送通道L36-Ⅱ线故障, L36-Ⅰ线接近满载运行；外送通道 L57 线故障, L36-Ⅰ和L36-Ⅱ线、L56 线将重载运行。

在江垭全停的方式下, 该地区线路运行工况已满足线路运行要求, 故不再对江垭全开的情况进行分析。

表4 夏季高峰真龙桥投运、江垭电厂全停的N-1 校验潮流

4 冬季高峰负荷下电网运行工况

12 月冬季高峰期, 此时小水电已经全停, 选取该地区电网12 月最大负荷来计算潮流, 同时定义正方向为省网送入该地区潮流。通过真龙桥未投运和投运两种情况分析冬季高峰负荷下的运行工况。

4.1 真龙桥未投运

分析该地区小水电全停、江垭全开、负荷最大的方式下, 该地区的电网潮流如图6 所示。

图6 冬季高峰真龙桥未投运、江垭全开时的电网潮流

根据图6 中的潮流计算结果可以得到, 在该状态下的220 kV 线路满足线路稳定运行要求。

对该地区220 kV 电网的任一线路进行N-1 校验, 则该地区的其他线路及外送通的具体潮流网络计算结果见表5。

结合表1 各线路在环境温度下能承受的最大负载功率和表5 的数据可得: 当L24 线故障后, L56线负载达到338.16 MW；L56 线故障后, L24 线负载达到326.82 MW。这两种情况, 任意一条线路跳闸, 另一条线路负载都将超线路稳定运行极限, 此方式不满足N-1 原则。

表5 冬季高峰真龙桥未投运、江垭电厂全开的N-1 校验潮流

4.2 真龙桥投运

在该地区小水电全停、江垭全开、负荷最大的方式下, 该地区的220 kV 电网潮流如图7 所示。

图7 冬季高峰真龙桥投运、江垭全开时的电网潮流

图7 中的潮流计算结果表明, 在该状态下的220 kV 线路满足线路稳定运行要求。

在小水电全停、负荷最大方式下的电网潮流基础上, 对电网的任意一条线路进行N-1 校验后,220 kV 电网及小水电全开时外送通道的潮流计算见表6。

结合表1 各线路能承受的最大负载功率和表6的数据可得: 当 L57 线故障, L36-Ⅰ、L36-Ⅱ、L56 线将会重载运行。此时可以由节点4 的电厂提供出力来平衡重载线路的潮流。

表6 冬季高峰真龙桥投运、江垭电厂全开的N-1 校验潮流

5 结论

该地区电网处在4 月丰水期时, 此时小水电满负荷运行, 经验证, 该地区小水电上网的外送通道不会超过线路在环境温度下能承受的最大负载功率。

电网处于7 月夏季负荷高峰时, 若真龙桥未投运: ①选取江垭电厂全开、该电网负荷最高及小水电全停的方式下, 在L24 线或L56 线发生故障情况下, 需胡家坪+立功桥小水电至少出力130 MW 才能保证线路稳定运行, 按照小水电关停的时间来看, 将存在20.4 MW 的负荷缺口；②江垭电厂全停时, L36-Ⅰ线和L36-Ⅱ线送入该地区潮流将达477.47 MW, 超断面控制功率, 不满足稳定运行要求, 需要江垭电厂保持一定出力才能平衡L36-Ⅰ线和L36-Ⅱ线从省网送入该地区的潮流。若真龙桥投运, 电网潮流稳定能满足要求。

电网处于12 月冬季高峰时, 若真龙桥投运,将加强与省网的联系, 电网潮流稳定均能满足要求。若真龙桥未投运, 在线路L24 或L56 故障情况下, 需立功桥变的上网电厂满负荷运行及胡家坪+立功桥下网负荷至少14 MW 才能满足线路稳定运行要求。

综上所述, 该地区电网断面情况对江垭电厂及小水电出力依赖性较大；220 kV 真龙桥变的投运,增加了与省网外部通道的联系, 地区电网网架结构将得到加强；加快220 kV 立功桥的主变扩建工程,对后续胡家坪负荷切改进立功桥, 合理分配供电区域的负荷有着重要意义。