考虑负荷损失的电网网架结构评价体系研究

王 冠，张青蕾，张思远，何楷文，秦博宇，杜正春

(1.国网陕西省电力有限公司，陕西 西安 710048；2.西安交通大学电气工程学院，陕西 西安 710049)

1 引言

随着现代工业发展，大量先进生产设备投入使用，这些生产设备配置可编程逻辑控制器、变频器等对电能质量有很高要求的器件，属于电网中的敏感负荷。电网中时有发生的电压暂降会影响生产设备的正常工作，严重时可能直接导致设备损坏，给企业造成巨大经济损失[1]。电压暂降给国内的石化、冶金、半导体、制药等行业造成了严重危害，年直接经济损失达到几十亿元[2，3]。企业为了保护生产设备的安全，减少经济损失，配置了大量低压脱扣装置，而大多低压脱扣装置参数设定不合理，在电网发生电压暂降时可能会误动作，引起生产设备失电，造成电网负荷损失[4]。例如2009年6月，广东深圳电网110 kV象围线发生三相短路故障，故障引起了深圳电网大范围电压暂降，导致约1 537 MW的负荷因低压脱扣装置动作而损失[5]；2012年5月，广东东莞电网220 kV东黎甲线发生两相接地短路故障，故障引起的电压暂降造成低压脱扣装置动作，负荷损失达到东莞电网总负荷量的9.03%[6]。因此，在对电压暂降进行评估[7]和治理[8]时，应充分考虑低压脱扣装置的影响。

电压暂降评估是研究减少负荷损失和治理电压暂降的基础。目前，国内外针对电压暂降评估体系的研究已取得一定成果。文献[9]对IEC、IEEE等国际组织给出的电压暂降指标进行了比较，推荐使用统计指标、严重性指标、次数指标和经济损失指标这四种指标来评估电压暂降水平；在此基础上，文献[10]利用蒙特卡洛模拟，分析了电网网架结构调整前后的电压暂降幅值和故障发生次数，能够从电压暂降幅值和频次两个指标评估电网中的母线，判别薄弱母线；文献[11]提出了临界故障点的定位方法，通过电压暂降幅值与传输线故障距离的解析关系，能够精确评估电压暂降的影响范围。

在电压暂降的治理研究中，文献[12]采用随机预估的方法，对比敏感负荷在电网网架结构优化前后接入系统的电压暂降指标，验证了分片多电源开环供电方式减少电压暂降事件的有效性；文献[13]采用故障点法，提出了考虑电网运行方式的电网网架结构评价指标，能够判断发生短路故障造成大范围电压暂降的关键母线，为优化电网网架结构提供依据。上述评估与治理手段主要从供电端评估电压暂降的影响，并未深入研究负荷受电压暂降的影响。

首先，本文将针对电网母线和线路发生的4种短路故障建立各类型电压暂降矩阵。其次，依据低压脱扣装置的整定值，变换电压暂降矩阵的元素，得出反映电压暂降范围和程度的凹陷域矩阵、反映电压暂降对电网负荷影响程度的负荷矩阵。然后，通过对凹陷域矩阵和负荷矩阵内行列信息的处理得到暂降频次等指标，建立考虑负荷损失的电网网架结构评价体系。最后，通过陕西省实际算例验证电网结构评价体系的准确性，并通过对比网架结构调整前后电网网架结构评价体系指标，验证网架结构调整方案的有效性。

2 负荷损失机理分析

低压脱扣装置的动作特性是决定电网负荷损失的关键。文献[14，15]对上海磊跃、浙江阿尔斯通、浙江正泰、江苏国星和江苏凯帆五款市面上常用低压脱扣装置进行了电压暂降试验，总结出低压脱扣装置在电压暂降过程中的动作特性如图1所示。

图1 低压脱扣装置动作特性Fig.1 Action characteristics of low voltage tripping device

图1中，Uset为低压脱扣装置的电压整定值；T1、T2分别为模糊区域与不动作区域、动作区域电压暂降持续时间的边界值。

在电压暂降过程中，低压脱扣装置端的电压若处于图1中的动作区域，则低压脱扣装置一定动作；若处于图1中的不动作区域，则低压脱扣装置一定不动作；若处于图1中的模糊区域，则低压脱扣装置以一定概率动作。

因此，低压脱扣装置的电压整定值直接决定低压脱扣装置的动作特性，当电压暂降的幅值高于低压脱扣装置的电压整定值时，低压脱扣装置不会动作，不造成负荷损失；当电压暂降的幅值低于低压脱扣装置的电压整定值时，低压脱扣装置动作，造成负荷损失。由于高电压等级输电线路(330 kV及以上)短路故障的故障切除时间在100 ms以内，远小于绝大部分低压脱扣装置的最小延迟时间1 s，所以分析输电线路短路故障造成负荷损失时不需要考虑电压暂降持续时间的影响。

电网的负荷损失事故之所以在国内时有发生，是因为用户大量配置了电压整定值设定不合理的低压脱扣装置[16]。用户因缺乏相应的专业知识，设定的电压整定值没有考虑用电设备的实际电压暂降耐受能力，往往设定低压脱扣装置的电压整定值过高，导致电网电压稍有波动就会造成大量负荷损失，而现有的低压脱扣装置大多不具有自动恢复供电功能，需要人工手动操作，导致在电压暂降过程结束后，本应恢复用电的敏感负荷长时间失电。因此，在建立电网网架结构评价体系时，需考虑低压脱扣装置的电压整定值对负荷损失的影响。根据陕西电力用户低压脱扣装置配置情况调研结果显示，大多数用户常用的浙江阿尔斯通、江苏国星、上海磊跃的低压脱扣装置电压整定值设定为0.8 pu、0.7 pu、0.6 pu、0.5 pu、0.4 pu五个档位。

3 考虑负荷损失的电网网架结构评价体系

建立考虑负荷损失的电网网架结构评价体系，可以识别电网网架结构的薄弱环节，判断对敏感负荷影响程度大的关键线路和母线，有利于指导电网的规划和改造。

首先，利用故障点法[17]，假设电网中的各个母线和线路分别发生4种短路故障，计算电网母线的电压暂降幅值，建立反映电网全部母线在故障过程中的电压暂降矩阵U(m)(m=1、2、3、4分别为单相接地短路、两相短路、两相接地短路、三相短路)。

(1)

电网中母线上电压暂降幅值是决定敏感负荷损失与否的关键因素，结合用户设定的低压脱扣装置电压整定值划分电压暂降幅值，整理如下：

(2)

依据式(2)可建立反映电网中电压暂降范围和程度的凹陷域矩阵C(m)。

(3)

(4)

综合考虑母线发生4种短路故障的概率，母线j在电网中发生电压暂降的平均频次Xj为：

(5)

式中，λm为发生m类短路故障的概率。

(6)

式中，a的取值范围为1～5，分别对应设定电压整定值为0.8 pu、0.7 pu、0.6 pu、0.5 pu、0.4 pu低压脱扣装置的五类负荷。

综合考虑母线发生4种短路故障的概率，母线j上a类别的负荷在电网中发生电压暂降的平均频次Xja为：

(7)

(8)

以此可以建立反映电压暂降对电网敏感负荷影响程度的负荷矩阵P(m)为:

(9)

(10)

综合考虑母线发生4种短路故障的概率，母线i上发生故障造成的电网内平均负荷损失量Yi为：

(11)

电网内所有母线发生m类故障引起的电压暂降导致的负荷损失量Z(m)为：

(12)

综合考虑母线发生4种故障引起的电压暂降导致的平均负荷损失量Z为：

(13)

母线j的平均频次Xj数据越大，意味着该母线上的负荷在电网内受母线故障引起的电压暂降越频繁，母线本身越敏感脆弱；母线i的平均负荷损失量Yi数据越大，意味着该母线在发生故障时影响的电网内敏感负荷越多，造成的影响越恶劣；电网的平均负荷损失量Z数据越大，意味着该电网结构下故障时电压暂降影响的敏感负荷越多，造成的影响越严重。

4 算例分析

本节将评估陕西省某地区在夏季大运行方式下的电网网架结构，并结合该地区实际发生短路故障导致敏感负荷损失的数据为例进行算例分析，验证电网网架结构评价体系的准确性。

4.1 陕西省电网结构评价体系

4.1.1 电网结构和事故数据

该地区有330 kV变电站20座，330 kV线路19条，110 kV变电站21座，总负荷8 062 MW，以某次实际发生的330 kV线路两相接地短路故障为例，调研整理六座变电站负荷损失量汇总见表1。

表1 变电站负荷损失量Tab.1 Load loss of substations

实际调研该地区低压脱扣装置情况得到：负荷分为3个类别：未安装低压脱扣装置、安装带延时低压脱扣装置和安装不带延时低压脱扣装置。其中，安装不带延时低压脱扣装置是导致负荷损失的关键因素，这类敏感负荷设定电压整定值为0.8 pu、0.7 pu、0.6 pu、0.5 pu、0.4 pu这5类。所以将负荷总计分为7个类别，以变电站A为例，用户的分类及其比例汇总见表2(用户类别表示方式为：{电压整定值})。

表2 负荷分类及负荷量Tab.2 Classification and proportion of load

4.1.2 评价体系的建立及验证

首先，根据陕西某地区电网数据，使用PSASP软件搭建该地区电网仿真模型，结合实际330 kV线路两相接地短路故障数据，仿真该地区在电压暂降过程中的电压跌落情况，构建电压暂降矩阵U(m)，并结合各变电站用户负荷的低压脱扣装置配置情况，构建反映电压暂降对电网敏感负荷影响程度的负荷矩阵P(m)。

为了验证电网网架结构评价体系的准确性，将实际调研整理的A、B、C、D、E、F六个变电站负荷损失数据与计算得出的数据对比，结果见表3。

表3 变电站负荷损失计算值与实际值的对比Tab.3 Comparison between calculated value and actual value of load loss in six substations

表3结果表明电网网架结构评价体系的精度较高，仿真计算得到的负荷损失量比实际值稍大，分析原因是在使用PSASP软件仿真两相接地短路故障时，设定的接入阻抗为零，而实际短路故障接入阻抗不为零，导致仿真计算的电网电压暂降更为严重，负荷损失更多。

4.1.3 评价体系指标计算

通过电网网架结构评价体系对该地区电网进行评估，计算该地区21条110 kV母线Xj指标(单相接地短路发生概率为65%；两相短路发生概率为10%；两相接地短路发生概率为20%；三相短路发生概率为5%[18])。

表4 110 kV母线电压暂降平均频次指标Tab.4 Average frequency index of voltage sag for 110 kV buses

在评估的21条110 kV母线中，母线1、2、10、11、12、14、17、18、20共计9条母线遭受电压暂降的平均频次均达到了20次，这些母线频繁遭受电压暂降的影响，是电网中的薄弱母线，而母线9遭受电压暂降的平均频次最小，为3.60，在电网中最不容易遭受电压暂降影响。接入敏感负荷应尽量避开薄弱母线，选择电压暂降频次小的母线。

计算该地区20条330 kV母线和19条330 kV线路的Yi指标，整理见表5、表6。

表5 330 kV母线短路故障造成平均负荷损失量指标Tab.5 Index of average load loss caused by 330 kV bus fault

表6 330 kV线路短路故障影响平均敏感负荷量指标Tab.6 Index of average load loss caused by 330 kV line fault

在评估的20条330 kV母线中，母线6、11、12、14、15、16造成500 MW以上负荷损失，其中母线6造成的负荷损失最多，达到714.11 MW，是电网中关键母线；在评估的19条330 kV线路中，只有线路16和线路18造成的负荷损失超过500 MW，分别为519.58 MW和522.11 MW，是电网中关键线路。通过计算母线和线路的Yi指标，能够识别出电网中发生短路故障时造成负荷损失大的关键母线和关键线路，从而帮助电力运行人员提高工作效率，有的放矢地加强母线和线路的检修维护工作，减少发生故障的概率。对于造成负荷损失特别严重的线路，在经济因素允许的条件下，可采取更换架空线路为电缆的方式降低故障概率，提高电网供电可靠性。

4.2 网架结构调整后评价体系指标计算

4.2.1 电网结构调整

事故发生在负荷中心区域，6个330 kV变电站相互联系十分紧密。当故障发生时，形成多个环网，且变电站之间的电气距离较近，导致电压暂降幅值大、波及范围广，最终导致大面积负荷损失。为避免类似事故再次导致负荷损失，电网运行管理人员在满足各项要求的基础上进行网架结构调整，如图2所示，断开变电站C和变电站D之间的330 kV三回线，断开变电站D和变电站A之间的330 kV双回线，连接变电站A和变电站C之间的330 kV交流线，实现了A、B、C、D、E、F变电站的解环。根据网架结构评价体系，分析该网架结构调整方案在减少负荷损失量上的有效性。

图2 网架结构调整图Fig.2 Adjustment of grid structure

4.2.2 网架结构调整后指标对比

通过电网网架结构评价体系计算调整后电网的各项指标进行对比。首先，计算110 kV母线电压暂降平均频次指标并对比，具体见表7。

表7 网架结构调整前后110 kV母线电压暂降平均频次指标对比Tab.7 Comparison of average frequency index of voltage sag of 110 kV bus after grid structure adjustment

结果显示网架结构调整后，20条110 kV母线中有19条母线的Xj指标减小，只有1条母线的Xj指标不变。尤其关注的9条有功负荷大的母线中，除了母线3的Xj减小比例较小，为1.78%，其他8条母线的Xj指标减小比例都超过了10%。有功负荷最大的母线13的Xj指标由25.05减小为7.70，减小比例为69.26%，验证了330 kV变电站解环的网架结构调整方案能够有效降低电网中有功负荷受电压暂降影响的频次。

其次，计算330 kV母线和线路故障影响电网平均敏感负荷指标并对比，具体见表8、表9。

表8 网架结构调整前后330 kV母线故障造成电网平均负荷损失量指标对比Tab.8 Comparison of index of average load loss caused by 330 kV bus after grid structure adjustment

表9 网架结构调整前后330 kV线路故障影响电网平均敏感负荷量指标对比Tab.9 Comparison of index of average load loss caused by 330 kV line after grid structure adjustment

表8、表9的结果显示网架结构调整后，20条330 kV母线中有13条母线的Yi指标减小，7条母线的Yi指标增大。19条330 kV线路中有14条线路的Yi指标减小，5条线路的Yi指标增大。电网母线和线路短路故障造成的平均敏感负荷量Z指标由16 115减小为13 178，减小程度为18.23%，验证了该网架结构调整方案能够有效减少电压暂降造成的负荷损失量。

这种断开变电站之间交流线，实现6个330 kV变电站解环运行的网架结构调整方案本质上是降低了电网的互联程度，从而减小电压暂降导致的负荷损失。通过对比母线和线路的Yi指标以及电网的Z指标，能够判断出电网在不同网架结构下负荷受电压暂降影响的程度。从而帮助电力运行人员选择出合适的电网结构调整方案来应对日益严重的电压暂降问题。

5 结论

本文提出基于低压脱扣装置电压整定值，建立考虑负荷损失的电网网架结构评价体系的方法。通过计算电网网架结构评价体系的各项指标，能够在准确得到电网发生短路故障后的电压暂降水平和负荷损失情况的基础上，识别出电网中频繁遭受电压暂降影响的薄弱母线和发生短路故障时造成敏感负荷损失大的关键母线和关键线路。并且通过对比各种网架结构下电网的各项指标，能够比较电网网架结构调整方案在应对电压暂降造成负荷损失问题上的优劣，帮助电力运行人员进行电网网架结构的调整和优化。但本文没有考虑低压脱扣装置模糊区域动作特性对负荷损失的影响，需要进一步深入分析。