电网高压规划 精品.doc

1章 绪 论l.1 中国电网的发展现状(1)电力工业快速发展中国电力工业在过去的几十年里发展迅速,装机容量从解放初期1949年的185万kW增长到20XX年底的7.13亿kW，年均装机增长率达到10.8%。全国总发电量也迅速提高,20XX年全国发电量达到3.26万亿kWh,其中火电2.7万亿kWh、水电4867亿kWh、核电626亿kWh。从1996年起,中国电网总装机容量和总发电量均居世界第二1。(2)电网规模逐步扩大为了满足大容量长距离的送电要求,我国电力系统的运行电压等级也在不断提高。1972年建成第一回330kV交流线路,1981年建成第一回500kV交流线路,1989年建成第一回500kV直流线路,20XX年在西北电网建成第一回750kV交流线路。随着电网电压等级的提高,网络规模也在不断扩大,我国已经形成了6个跨省的大型区域电网,即东北电网、华北电网、华中电网、华东电网、西北电网和南方电网,如图1-1所示。图 1-1 全国区域电网基本结构图1.2 中国电网的未来发展和挑战(l)用电需求不断攀升尽管我国电力工业发展迅速,但由于人口众多,到20XX年底,人均装机仅为0.54kW,人均用电量仅为2457kwh,不到世界平均水平的一半,为发达国家的1/6-1/10,因此,电力负荷增长空间巨大。20XX年,全国用电量已经达到1981年的12.53倍,其间用电量的年均增长10.21%,2000-20XX年用电量年均增长13.39%,峰电功率估计增长13-13.5%。根据有关方面的预测,20XX-20XX年中国用电需求仍将保持较快的增长率,20XX-20XX年年均用电增长率在6%以上,20XX-20XX年年均增长率5%4。按照新的更高输电电压等级引入的一般规律,当电网内用电负荷达到现有输电网电压等级引入时的4倍以上时,开始建设更高电压等级的输电工程是经济合理的5。(2)电源建设多元化发展根据现有能源资源赋存条件和负荷增长需求,我国电源开发的基本方针是2:大力开发水电,优化发展煤电,推进核电建设,稳步发展天然气发电,加快新能源发电。预计20XX年,常规水电按最大能力开发可达到2.4亿kW,抽水蓄能达到2000万kW,核电达到4000万kW,气电达到6000万kW,新能源发电达到4100万kW,另有6亿kW依靠煤电提供。今后,煤电和水电在未来能源供应中仍起主导作用,我国将在远离负荷中心的地区规划建设大规模火电发电中心、开发西部大型水电站或梯级水电站群,从粗放型的生产方式向节煤、节水、低排放、环保型发展6。(3)电网结构急需创新我国电力需求的快速增长,为国家电网的发展带来机遇,同时也提出新的挑战,主要体现在7-10：一次能源远离负荷中心,大容量长距离输电势在必行,现有500kV输电线路输送能力有限,不能满足未来发展的要求。现有基于500kV网架的联网系统区域交换能力不足,不能满足能源资源优化配置的需求。土地资源有限,输电走廊越来越紧缺,急需提高单位输电走廊的送电能力。现有500kV电网短路电流超标现象越来越严重,超过了目前断路器的最大遮断能力,对系统安全可靠运行不利。长链形电网结构动态稳定问题突出,在东北、华北、华中电网500kV交流联网结构比较薄弱的情况下,存在低频振荡问题。受端电网存在多直流落点和电压稳定问题。到20XX年,如果西电东送华东电网全部采用直流输电方式,落点华东电网的直流换流站将超过10个,受端电网在严重短路故障的情况下,电力系统因电压低落发生连锁反应的风险较大。可见,以现有的输电方式和输电能力,难以满足国民经济和电力工业发展的需要,难以适应我国未来能源流的变化。所以,大力提高电网的输电能力,是建设坚强国家电网的重要措施,是电网安全稳定的重要保障,是实现更大范围的资源优化配置,构建更加灵活的电力市场交易平台的必要条件,是我国电网实现可持续发展的必由之路。目前我国正在抓紧提高现有500kV输电系统送电能力的工作,例如采用紧凑型输电11、大截面耐热导线12、可控串联补偿13、动态无功补偿14等一系列技术,这种挖潜补缺的意义和作用很大,应该深入开展,但仅依靠这些技术,仍是不足以解决我国电网所面临的问题,更无法满足国家未来发展的需要。因此,具有长距离、大容量和低损耗特点的高压输电技术必将成为适应电力需求持续增长、满足电网长远发展需要、大幅度提高电网输电能力的主要技术15-19。综上所述,无论是从电网发展的一般规律,还是从我国能源资源分布条件和国家经济持续发展需要看,鱼需加快建设电压等级更高!网架结构更强、资源配置规模更大的以高压骨干网架为核心的国家电网,才能满足未来我国电力需求持续增长的需要,促进电网与电源协调发展,推动电力技术创新和电工制造业技术升级,真正实现电力工业的跨越式发展。正是在这种背景下,本文提出了“中国高压电网规划”课题的研究。1.3 国外高压输电技术的发展概况随着电力负荷的日益快速增长和远距离、大容量输电需求的增加,大规模容量电厂的建设,以及高压、超高压输电线路和变电站的数目日益增多,环境问题变得日益突出。为实现规模经济、减小网损、避免输电设备的重复建设,确保电力系统可靠性,使输电线路对环境的影响降至最小,美国、前苏联、日本、意大利和加拿大等国的电力公司或科研机构,于20世纪60年代末或70年代初根据电力发展需要开始进行了高压输电的可行性研究,并在广泛、深入地调查和研究基础上,先后提出了高压输电的发展规划目标或建设了高压输变电工程。1.4 电网规划研究的特点电网规划研究的内容包括网架规划、无功规划、稳定性分析及短路电流分析。后三部分是在网架形成以后进行的。其中，无功规划和稳定性分析主要用于确定线路及变压器以外的一些补充设备，同线路和变压器相比，这些设备的建设费用较少，建设时间也较短；短路电流分析计算一般作为电网规划方案提出后的校验手段，通常不直接用于方案的确定。因此，目前有关电网规划研究的主要方向是网架规划研究。电网规划研究按规划期长短可分为短期规划、远景规划和长期规划三种。短期规划研究主要用于制定较短水平年如5年的网络扩展计划，确定详细的网络结构方案。远景规划研究一般针对一个较长水平年如2030年，它通过对未来各种发展情形的分析，给出根据环境参数进行技术选择的一般原则，长期规划研究介于两者之间，它用于电网年发展规划方案的制定。在这三部分中，长期规划研究起着十分重要的作用。一方面，远景规划研究所作出的技术选择可以通过长期规划网络的实际状态进行修正。另一方面，它又可以指导短期规划研究，确保短期决策与长期电网发展相一致。电网规划的基本原则是指在一定的技术可行性条件下，使电网规划各阶段费用总和最小。在数学上它属于一个复杂的多决策变量、多约束条件优化问题。而且它具有整数性非线性、多目标性、动态性、不确定性等特点。2章 高压输电系统的输送能力分析2.1 引言我国高压输电系统包括1000kV高压交流输电和800kV高压直流输电两种方式,它们各有所长,本身没有排他性,而是互相补充,在电网规划和建设中应注意发挥各自的优势,使两种输电方式各尽所能,相得益彰。关于交直流输电的输送能力分析,国内外很多学者进行过研究,并积累了较丰富的文献资料90-92.其中国外最有代表性的工作是St.Clair于1953年提出的一组经验曲线,这组曲线描述了输送能力与输送距离之间的关系。后来由爱迪生电气研究所和美国电力科学研究院编写的高压线路设计手册皆引用了该曲线93,94。尽管St.Clair曲线得到了非常广泛的应用,但它是建立在大量动模试验和运行经验基础上的,并且是针对60Hz电力系统的。而我国电力系统的额定功率为50Hz,不能直接套用St.Clair曲线,因此,国内学者开展了广泛的研究,其中专著92在国内具有广泛的影响,不但提出了中长距离交流输电系统的输送能力与输送距离的关系曲线,而且通过对交直流系统相互作用特性的分析,研究了直流输电系统的输送功率极限,专著所得出的结论曾被众多学者加以引用95。2.2高压交流输电系统的输送能力分析2.2.1高压交流输电系统的数学模型【92,96】用于输送能力分析的交流输电系统的数学模型如图2-1所示。其中送受端系统分别用相应的正序网络来等值,输电线路采用正序模型。由于高压输电线路在工频下的单位长度电阻与电抗比一般较小(不超过0.1),因此在分析输电线路的输电能力时,忽略电阻不会对分析结果产生太大的影响。图2-1 输电系统数学模型送端系统等值电动 受端系统等值电动势 送端系统等值电抗受端系统等值电抗 送端母线电压 受端母线电压线路中点电压 送端线路电流 受端线路电流送端功率 受端功率 线路长度在假设输电线路无损耗的条件下,描述输电线路基本特性的著名长线方程为： （2-1） （2-2）式中, 为波阻抗, 为相位常数： （2-3） （2-4）式(2-3)和式(2-4)中, 、分别为线路单位长度的电感和电容,为工频角频率,c为光速。2.2.2影响高压交流输电系统输送能力的主要因素高压交流输电系统正常运行的两个基本条件是:（1）输电系统中的主要同步电机稳定地保持同步。（2）输电线路上各点的电压必须保持在额定电压附近。就对线路输送能力的影响而论,上述第一个条件实际上为功角稳定性问题,而第二个条件则是无功控制问题。因此,功角稳定性问题和无功控制问题构成了限制高压交流输电系统输送能力的两个基本因素。通常在电压等级较低的输电系统中(如110kV及以下)需要考虑的发热限制和电阻损耗,在高压交流输电系统中并不对输送能力构成限制。因为在高压输电的情况下,对环境的影响因素,如电晕放电、电场效应和磁场效应等,决定了线路的设计,而由此导致线路热容量将大大超过网络允许的线路输送功率所要求的热容量。而从另一方面考虑,发热限制和电阻损耗实际上是一个导线选择问题,而不属于线路运行问题。2.3小结高压电网的系统特性主要反映在技术特点、输电能力和稳定性三个方面。1000kV交流输电中间可落点,具有电网功能,输电容量大,覆盖范围广,节省架线走廊,有功功率损耗与输送功率的比值小;1000kV交流输电的能力取决与各线路两端的短路容量比和输电线路距离,输电稳定性取决于运行点的功角大小。800kV直流输电中间不落点,可将大量电力直送大负荷中心,输电容量大、输电距离长,节省架线走廊,有功功率损耗与输送功率的比值较大,其输电稳定性取决于受端电网的结构。3章 电网规划方法及发展3.1 电网灵活规划电网灵活规划是指计及各种不确定性因素对规划结果的影响，在满足各种经济性 指标下，给出一个总体上最优的规划方案，即在经济性和可靠性之间寻求一种平衡。电网规划中不确定性因素的多样性及对其不同的处理方法，产生了各种不同的灵活规划方法。3.1.1 随机规划方法随机规划方法是将以往的经验和规律采用统计参数来表示，然后在随机环境中对未来环境和参数采用概率方法进行处理；通过潮流方法得到潮流指标，为随机规划提供数据。由于随机规划方法对不确定性因素的处理需要大量的原始数据，同时其计算量大、所费机时较长等缺陷限制了其应用的广泛性。为弥补这些不足，出现了一些改进的方法，如采用人工神经网络方法、随机动态规划方法等。3.1.2 模糊规划方法模糊规划方法在进行规划之前必须对各种数据、专家经验和语言规则等资料进行模糊化处理，对输入输出之间的关系通过模糊规则来描述近年来为了缓解问题求解的难度及确定模糊隶属函数表达式的困难，尝试采用人工神经网络方法，取得了良好的效果。此外，将模糊集理论与专家系统、决策支持系统结合起来，以及利用模糊集理论改进传统规划方法的柔性和强壮性，也被证明是行之有效的。3.1.3 灰色规划方法灰色系统理论的核心是灰色动态建模，简记为GM ，其思想是直接将时间序列转化为微分方程，从而建立系统的发展变化的动态模型。目前在店里系统灵活规划中采用的动态模型是灰色预测模型GM（1，1），即只有一个变量、一阶的GM模型。目前在电力系统规划中对灰色方法已经得到了初步应用，但是灰色方法由于对灰色处理不够缜密，并且缺乏严格的数学理论支持，还有待进一步改进和完善。3.1.4 遗传算法遗传算法的主要思想是：通过列出或随机产生一组待选规划方案作为祖先，编码成一个个“染色体”，评价其中各方案的好坏，并通过杂交、变异等多次作用，产生出具有更好品质的子代、孙代，直到取得最优的结果。遗传算法具有多路径搜索、隐并行性、随机操作等特点，同时他对数据的要求低，基本上不要搜索空间的知识或其他辅助信息；它采用概率变迁规则来指导搜索方向，使其具有明确的搜索方向，提高了算法的鲁棒性。但是它存在计算速度慢、容易收敛到局部最优点等缺陷和不足，目前对此也进行了一些改进和研究。3.1.5 进化规划进化规划不需要对变量进行编码和解码，更适合连续优化问题采用进化规划进行电网灵活规划时，在所要考虑的电网中列出所有的待选线路，计算出最为合理的潮流分布，去掉潮流小于某一阈值的支路后得到的网络方案即为所求的最优方案，其处理的是支路潮流这一连续变量。进化规划与遗传算法的主要区别是：进化规划采用控制参数而不是它们的编码；进化规划每代的选择过程是变异和竞争，而遗传算法是复制变异和杂交。但缺点是计算量大，计算时间比较长。3.1.6 Tabu搜索法Tabu搜索方法是一种高效的用于解决组合优化问题的启发式搜索算法，其基本思想是通过记录搜索历史，从中获得知识并利用其来指导后续的搜索方向以避开局部最优解。其最大的特点是状态的转移具有“上山”性，即从状态x转移到x*时，并不要求f（x*）U10.9UnUn为电压互感器额定一次线电压，1.1和0.9是允许的一次电压波动范围，即10% Un。4）二次电压：电压互感器二次电压，应根据使用情况，按下表选用所需的二次额定电压。电压互感器二次额定电压选择表绕 组主 二 次 绕 组附 加 二 次 绕 组高压侧接入方式接于线电压上接于相电压上用于中性点接地用于中性点不接地二次额定电压（V）100100/100100/35.4.2电流互感器的选择根据电力工程电气设计手册1一次部分P71电流互感器的配置原则：凡装有断路器的回路均应装设电流互感器，其数量应满足测量仪表、保护和自动装置要求。 在未设断路器的下列地点也应装设电流互感器，发电机和变压器的中性点、出口。 对直接接地系统，一般按三相配置。对非直接接地系统，依具体要求按两相或三相配置。 1）型式：电流互感器的型式应根据使用环境条件和产品情况选择。对于620KV屋内配电装置，可采用瓷绝缘结构或树脂浇注绝缘结构的电流互感器，对于35KV及以上配电装置，一般用油浸箱式绝缘结构的独立式电流互感器，有条件时，应尽量釆用套管式电流互感器。 2）参数选择：电流互感器的二次侧额定电流有5A和1A两种，一般弱电系统用1A，强电系统用5A，当配电装置距离控制室较远时，亦可考虑用1A。a 一次额定电流的选择：当电流互感器用于测量时，其一次额定电流应尽量选择的比回路中正常工作电流大1/3左右，以保证测量仪表有最佳工作，并在过负荷时，使仪表有适当的指示。电力变压器中性点电流互感器的一次额定电流应