现代电网运行技术(电磁环网)

NorthChinaElectricPowerUniversity电气与电子工程学院

现代电网运行技术第四章电磁环网的运行与控制

电磁环网：不同电压等级组成的网络，通过两端变压器磁回路的联接而形成的环网。对于同一电压等级的网络，由于没有磁的联系，因此不叫电磁环网，而叫电力环网。

典型电磁环网示意图第四章电磁环网的运行与控制造成电磁环网运行的原因各不相同，有的源于规划，有的是由于管理体制，有的只是在高一级电压等级出现后未形成坚强网架时出现，而有的则是习惯而已。电磁环网形成的客观原因，首先是由于电力系统发展和传输负荷增大，在同一地区出现了新的高一级电压的输电线路。一般地说，在国际上，新的一级电压大都为原有最高级电压的比约一倍或以上。如220/400、220/500等。在我国为：220/500、220/330、110/220等。第四章电磁环网的运行与控制当电力系统一个新的更高的电压等级问世的早期，网络在结构上不可能做到非常坚强，而是一步步完善、加强并日趋合理的。在这个完善、强化的过程中，为了获取较大的网络传输功率，以合理利用廉价资源，满足用户最大用电的要求等，电力系统大多出现一个或多个电磁环网运行。第四章电磁环网的运行与控制事例：1984年，华北电网各联络线为220kV电网第四章电磁环网的运行与控制1985年华北电网500kV大房Ⅱ线和500kV神大线投入，形成了220/500kV神大—神万线电磁环网、220/500kV大房Ⅰ--大房Ⅱ电磁环网和电磁大环网。如图：第四章电磁环网的运行与控制在我国电力系统中，电磁环网的运行对电力系统的安全运行带来了安全隐患。早在1981年7月的全国电网稳定会议上。在水利电力部生产司《1970~1981年全国稳定破坏事故》报告中，统计了11年间由于220/110kV高低压电磁环网造成的电力系统事故占到了26%。因此会议大声疾呼，应打开高低压电磁环网运行，之后各地区陆续开断了这些电压等级的电磁环网。1981年我国制定了《电力系统安全稳定导则》。第四章电磁环网的运行与控制但随着500kV的线路在几个大区电网中的建设，由于各种因素，新的500/220kV电磁环网在近一些年来又不断形成。虽然大家一致认为500/220kV电磁环网最终必须打开，但究竟应当具备什么条件才需打开，还没有见到有明确的说法，因而影响了这个问题的及时解决。迄今似已取得共识，但也有一个过程。第四章电磁环网的运行与控制一、电磁环网的发展过程实际上，电磁环网是电网发展过程中的产物，当电网规模只有110kV运行时，为了提高输送功率，建设220kV线路，在220kV还没形成坚强网络之前，与110kV网络形成电磁环网，随着传输功率的增加，电磁环网对系统运行的弊病逐渐显露出来，在一定的条件下开断电磁环网。第四章电磁环网的运行与控制电网结构发展及其运行方式变化第四章电磁环网的运行与控制随着电网的发展，省网间开始联网，500kV网络逐步建设起来，在这个时期中，500kV输电线成了省网之间的重要联络线，加强了网间联系，担负起了大量的输电任务。但是，在500kV网络未形成系统的主网架之前，不能完全替代220kV网络来联系整个系统。第四章电磁环网的运行与控制然而，仍起着主网架作用的220kV网络，却越来越不能满足电力工业的要求。如果没有500kV网络，就会出现电源侧大量窝电，负荷侧大量限电的严重局面。同样，如果没有220kV网络，也不能满足电力送出的要求。因此，在这个阶段500kV与220kV网络是相互依存的，缺了哪个也不行。在这种情况下，500kV与220kV组成的电磁环网就产生了。第四章电磁环网的运行与控制由于500kV线路没有形成坚强的网络，必须组成220/500kV电磁环网运行。第四章电磁环网的运行与控制

广义的讲，凡是不同电压等级的网络相连，都可能出现电磁环网，根据电力系统110kV、220kV、330kV、500kV网络出现和不断完善的历史情况来分析，出现电磁环网的条件可以归纳为：1)区域网内部出现了高一级电压的网络（神大）；2)相连的区域之间出现了高一级电压的网间联络线（大房Ⅱ）。第四章电磁环网的运行与控制

电磁环网在电网中是普遍存在的，大多数电力系统在自身的发展过程中都出现过电磁环网。所以，电磁环网是电力系统发展过程中出现－消亡－再出现－再消亡不断循环的一种现象。第四章电磁环网的运行与控制二、开合高低压电磁环网分析高低压电磁环网极易发生稳定破坏事故。据不完全统计，1970～1980年的11年中发生了与此有关的稳定破环事故40次。1981～1987年仍发生了13次。1988～1990年发生了2次。电磁环网虽是电网结构问题，但往往也是运行管理问题。

第四章电磁环网的运行与控制当系统开始出现高一级电压电网时，往往可能与原有的低一级电压电网短时间地构成高低压电磁环网。

随着高一级电压网架结构的加强，输送功率逐渐加重，出现高一级电压线路开断引起的功率转移使低一级电压线路过负荷或引起稳定性破坏或短路电流超过开关设备的开断电流等等，高低压电磁环网运行方式给电网的运行带来严重的事故隐患时，低一级电压电网应尽快解列分片运行。第四章电磁环网的运行与控制1、高低压电磁环网对系统造成的不利影响为了充分说明打开电磁环网运行更为有利的论点。首先需要对线路的传输能力作全面地分析。影响线路传输能力的因素有二，即通过线路导线的热稳定电流和线路可能传输的有功功率。第四章电磁环网的运行与控制(1)导线的热稳定电流这是线路传输容量的一个绝对限制条件。通过导线的最大电流必须低于其热稳定的最大值。在实际运行中，为了充分利用导线的热稳定传输能力，特别对于供电电压高一级的线路，往往按外界温度，较为精确的规定允许的最大电流传输能力，在负荷高峰期传送较大的电力，这是一些电网常见的做法。

如果采用高低压电磁环网方式运行，就必须保证在任何事故后情况下，通过低一级输电线路的电流低于其热稳定电流。如果上述条件不能满足，用高低压电磁环网供电而又带重负荷时，当高一级电压线路断开后，所有原来带的全部负荷将通过低一级电压线路(虽然可能不止一回)送出，就难免出现超过导线热稳定电流的问题。第四章电磁环网的运行与控制第四章电磁环网的运行与控制第四章电磁环网的运行与控制(2)线路的稳定传输功率系统间的输电线路所传输的有功功率不得超过电力系统稳定所允许的极值，这又是一条限制。第四章电磁环网的运行与控制在一般的电网条件下，作为限制条件的是静态稳定和暂态稳定极限传输功率。为具体确定某一条线路的稳定传输功率，需要作相应的计算分析。一般，为了满足静态稳定要求，线路正常运行时传输的有功功率不宜大于0.8~0.85Pmax（静稳极限）；而为了满足暂态稳定要求，有时不能大于0.7~0.75Pmax。第四章电磁环网的运行与控制

由于低一级电压线路电抗比高一级电压线路电抗大的多。正常两侧系统间的联络阻抗将略小于高压线路的阻抗。而一旦高压线路因故障断开，系统间的联络阻抗将突然显著的增大(突变为两端变压器阻抗与低压线路阻抗之和)，因而极易超过该联络线的暂态稳定极限，引起两侧系统间的振荡，严重情况下使系统失去稳定。造成事故扩大。第四章电磁环网的运行与控制第四章电磁环网的运行与控制(3)系统电压降低高一级电压线路的自然传输功率远大于低一级电压线路的自然功率传输功率（550kV为1000MW，220kV为130MW），高一级电压线路线路断开后，引起的功率转移使低一级电压线路的传输功率突升，而线路电感上的无功损耗与电流（功率）的平方成正比，低一级电压线路将损耗过多的无功功率而引起电压严重降低，严重情况下可能造成系统电压失去稳定。第四章电磁环网的运行与控制(4)短路电流增加由于电磁环网综合阻抗较低，随着电网的扩大，电磁环网带来的短路电流问题日益突出，使高低压电磁环网中低一级电压母线短路电流急剧增加，甚至超过开关最大遮断容量。第四章电磁环网的运行与控制依照上述四方面的特性，不难对高低压电磁环网运行做出如下的明确结论：(1)从系统安全着眼，不宜采用高低压环网运行方式。而开环运行的可取之处有：第四章电磁环网的运行与控制a.稳定易于控制。在开环网络中发生干扰，往往切除故障元件，再辅以有效的事故处理手段，即可平息事态发展。在环网中如果发生故障，不少情况下切除故障元件后，将引起功率转移，使非故障元件功率越限而导致稳定破坏。第四章电磁环网的运行与控制b.潮流控制方便。开环运行时，调整送端电源的有功(或功角)和无功(或电压)即能达到调整潮流的目的。合环时，潮流在环网内自然分布，控制困难，往往发生环网中的元件通过功率有的满载甚至过载，有的闲置。第四章电磁环网的运行与控制c.限制短路容量。电磁环网开环运行，是限制短路容量的重要手段。合环运行，因综合阻抗往往较小，短路容量比较大。短路容量大的母线，是那些出线较多，并且电源出线集中的母线。这些母线发生故障，往往是触发电力系统大事故的元凶。第四章电磁环网的运行与控制d.简化继电保护和安全自动装置。环网的继电保护和稳定措施配置比非环网要复杂得多，配合的难度较大。保护和安全自动装置的复杂化和不配合，一般是事故直接或扩大的原因。第四章电磁环网的运行与控制(2)从经济运行上着眼，在许多情况下断开环网有可能获得明显的经济运行效益。在某些环网中，因为开环运行不存在环流问题，可能输电损失比合环运行时要小（合环有环流时），从而可提高输电效率。第四章电磁环网的运行与控制循环功率为：

第四章电磁环网的运行与控制当变压器变比不匹配时，网络中将产生循环功率，可将近似表示为：

第四章电磁环网的运行与控制可以看出，循环功率既有有功功率又有无功功率，由于电抗远大于电阻，循环功率中无功部分远大于有功部分。当循环功率的值较大，正常输送功率和循环功率两部分功率分量的叠加后，可能造成电磁环网中功率流动方向相同（顺时针或逆时针方向），则称电磁环网中出现功率环流现象。第四章电磁环网的运行与控制第四章电磁环网的运行与控制而在输电线路中，一般以输送有功功率为主，无功功率是分层分区进行平衡的，正常情况下输送的有功功率一般远大于循环功率的有功功率，因此出现有功环流现象较少，主要是无功环流，表象特征是电磁环网中出现无功功率沿同一方向（顺时针或逆时针方向）周而复始的环流。第四章电磁环网的运行与控制第四章电磁环网的运行与控制有功功率损耗由两部分组成，其中一部分就是由无功功率的流动造成的，其产生的有功功率损耗与输送的无功功率的平方成正比。

可见，无功环流同样会产生一定的有功功率损耗，为电网的经济运行带来不利的影响。第四章电磁环网的运行与控制刘家峡-炳灵电磁环网存在无功环流潮流图第四章电磁环网的运行与控制调整炳灵变两台变压器分接头档位，刘家峡-炳灵电磁环网消除无功环流后潮流图

第四章电磁环网的运行与控制合环运行分析：在电力系统的实际运行中，并非一切电磁环网运行方式对系统稳定运行都是不利的，相反，在有些情况下，也许在一段时间内在充分利用资源、提高输电可靠性、降低输电损失等方面电磁环网运行比开环运行更利大于弊，因此，要结合实际情况具体分析第四章电磁环网的运行与控制1、高低压电磁环网在一定阶段的利弊分析如图：神大线与神万线组成的电磁环网这个电磁环网是合环好还是开环好，要从稳定性和安全性来分析。第四章电磁环网的运行与控制1）稳定性合环时，当潮流由神头送往大同电厂方向的情况下，神大与神万线的综合送电暂态极限为600MW。第四章电磁环网的运行与控制若断开220kV神万线，使电磁环网开环运行，表面上看500kV神大线是强联系，不应受神万线开断的影响。但是，计算结果表明，此时神大线的送电暂态稳定极限只有200MW，比合环时的送电极限小的多。第四章电磁环网的运行与控制为什么开环会比合环送电极限低，稳定性差呢？从系统结构来看，京津唐、山西、石邯联网后，构成一个电磁大环网，神大线与神万线组成的电磁环网串联在大电磁环网中，是大电磁环网的一个组成部分。正常情况下，神头电厂的电力经500kV大房双回线送到京津唐。

第四章电磁环网的运行与控制如果采用断开神万线为正常方式，则当神大线故障跳开后，大环网被打开，神头电厂大量的的过剩功率经石邯电网送往京津唐，形成了潮流大转移，而且这一路的阻抗比较大，这就很容易使神头电厂发电厂转子加速失步，造成神头电厂机组与系统失步。如果正常运行方式下神万线是合环的，则神大线跳开后大环网不解开，神头电厂稳定性高的多。第四章电磁环网的运行与控制

2）安全性如果神大、神万线合环运行，神万和神大线任一回线故障跳开，大环网都保持着合环方式，再遇到其它元件故障，将大大减少系统解列的可能性。第四章电磁环网的运行与控制综上所述，神大与神万线合环时系统的安全稳定性较高。但是，合环也带来了一个事故后过负荷的问题，即当神大线潮流较大时，神大线跳闸后会引起神万线严重过负荷。为此，在神头电厂装设了神大线跳闸联切神头电厂机组的自动装置，可以根据需要联切一台或数台机组。第四章电磁环网的运行与控制经过以上全面考虑之后，认为合环比开环好，所以确定正常方式为神大与神万线合环方式，但要配合相应的安全措施，保证系统安全、稳定运行。第四章电磁环网的运行与控制2、高低压电磁环网运行时控制短路电流的措施当电磁环网合环运行较开环运行从安全性和稳定性方面都有益时，由于合环运行综合阻抗往往较小，可能造成短路容量增大，对于此种情况，应采取以下措施进行控制:第四章电磁环网的运行与控制1、发电厂采用高阻抗升压变压器一般，短路容量大的母线是那些出线较多，并且电源出线集中的母线，在考虑发电机阻抗不变的情况下，要想从源头上限制短路电流，提高发电机组升压变压器阻抗是一种有效的方法。2、提高联络变高中压阻抗高压枢纽变电站联络变中压侧母线的短路电流中，相当大的部分是来自变压器高压侧的短路电流，它受高压母线短路电流水平、高压变压器参数及数量控制，因而提高变压器高中压阻抗可以有效降低系统的短路电流。

第四章电磁环网的运行与控制3、串联电抗器（故障电流限制器FCL）在高压线路上加装限流电抗器是限制短路电流的一种新方法。理想的故障限流器应具有如下主要特性:(1)正常运行时装置呈现零阻抗或低阻抗,故障发生后呈现高阻抗;(2)发生故障后,在极短时间内动作,限制短路后的第一个峰值电流;(3)正常运行时有功损耗很小;(4)限制后的电流不影响继电保护等设备的正确动作;(5)装置具有高的可靠性,能自动复位和多次连续动作;(6)设备占用空间小,成本及运行费用低。第四章电磁环网的运行与控制随着FACTS技术的发展,晶闸管保护的串联补偿设备(TPSC)已在500kV电网投运,这使得基于TPSC的FCL在超高压电网的应用成为可能。华东电网已计划于2009年底前在500kV瓶窑站投入FCL示范应用。第四章电磁环网的运行与控制故障限流器由TPSC和与之阻抗值相同的串联电抗器组成。正常状态下,串联在电网中的限流器阻抗为零,不对系统的潮流分布、无功和电压产生影响。系统发生故障时,晶闸管导通,电容器被旁路,只有电抗器串联在系统中,故障电流抑制器提供的电抗值由零跃升至X,故障电流因而得到有效地抑制。当故障消除后,电容器可以很快重新投入,提高了大干扰后系统的稳定性。第四章电磁环网的运行与控制4、直流背靠背直流系统的其中一个优点是隔断直流系统两侧的交流短路电流，因此在系统中采用直流背靠背连接方式，可以有效降低系统短路电流。但这会大大增加系统的建设投资。第四章电磁环网的运行与控制结论：电磁环网是电网发展过程中的产物，其对电网安全运行的利害关系是相对的，不是绝对的。在电网发展的不同阶段，电磁环网的利害关系是不同的，所以对