区域电力系统规划设计及其暂态稳定性分析

区域电力系统规划设计及其暂态稳定性分析摘要近些年来，随着我国经济的持续快速健康发展，电力工业也突飞猛进，电力建设项目在全国遍地开花。因此，做好电力系统的设计规划工作，事关国家的长治久安和人民群众的切身利益，也是我们这些即将走上工作岗位的大学生义不容辞的责任。随着我国各大区域电网公司的组建，在区域电力市场发展的同时，需要加强区域电网的统一调度，运行方式的统一安排和电网的统一管理。包括负荷的统一安排，电厂检修的统一安排，负荷的统一平衡。本文对区域电力系统规划设计及其暂态稳定性分析。关键词：区域电力系统；规划设计；暂态稳定性

Abstractinrecentyears,alongwithourcountryeconomysustained,rapidandhealthydevelopmentoftheelectricpowerindustryisgrowingbyleapsandbounds,powerconstructionprojectsspringingupalloverthecountry.Therefore,doagoodjobinthedesignofthepowersystemplanningisamatterofnationalstabilityandpeople'svitalinterests,isalsoourtheseuniversitystudentsareduty-boundtobegoingtoworksoon.Alongwiththeformationoflargeareapowergridcompanies,atthesametimeofregionalelectricpowermarketdevelopment,needtostrengthentheunityoftheregionalpowergridschedulingandoperationmodeoftheunityoftheunifiedarrangementandpowergridmanagement.Theunityoftheunifiedarrangement,includingloadpowerplantmaintenancearrangement,theunificationoftheloadbalance.Inthispaper,theregionalpowersystemplanninganddesignanditstransientstabilityanalysis.Keywords:regionalpowersystem;Planninganddesign;Transientstability

目录毕业论文（设计） 1区域电力系统规划设计及其暂态稳定性分析 1目录 41引言 52电力系统有功功率平衡和发电厂装机容量的确定 53确定电力网的最佳接线方案 73.1网络方案的初选 73.2确定电力网络的最佳接线方式 84发电厂及变电所电气主接线的确定 174.1电气主接线设计原则 174.2发电厂及变电所的电气主接线确定 185选择发电厂及变电所的主变和高压断路器 195.1主变压器的选择 195.2高压断路器的选择与校验 206提高电力系统暂态稳定性的措施 286.1提高静态稳定性的措施 286.2提高暂态稳定性的措施 297结论 30参考文献 32致谢 33

1引言同时，在区域电网之间建立一个机制来加强计划、协调、沟通和控制，也是亟待考虑的一个重要课题。强制性的电力可靠性标准和规程可以在电力系统控制的基础层面帮助解决计划，协调和沟通系统之间的崩溃。中国实行“厂网分开”以后，必须建立合理的电网投资回报机制，设计合理的输电电价体系，以吸引电网的持续投资。与此同时，为适应电力需求快速增长，电网规划需要有一定的提前性，适度超前以较好地适应发展的需求。随着电力系统规模不断扩大，电网逐渐加强，电力系统中短路电流水平逐年攀升，部分变电站的220kV与500kV母线的短路电流超过50kA，甚至直逼63kA。由于短路电流是电网导体与设备选择、计算的基础数据，短路电流的增大过快己成为电力系统规划、设计、运行面临的重大问题。而合理规划电网结构是限制短路电流的根本措施，特高压交直流电网的建设对电网规划提出新的要求。2电力系统有功功率平衡和发电厂装机容量的确定所有发电厂发出的有功功率的总和，在任何时刻都等于该系统的总负荷。1）求取系统综合最大发电负荷①系统综合最大用电负荷:式中：为最大负荷同时率，本设计取=0.9；=150+120+90+90+60=510（MW）；=510×0.9=459（MW）②系统综合最大供电负荷：通过系统的最大用电负荷和供电负荷的10%网损率可算出最大供电负荷，其公式为，为网损率,取10%；=459/(1-10%)=510(MW)③系统综合最大发电负荷式中：为厂用电率，本设计中取值为6%=510/(1-6%)=542.55（MW）2）求取系统的有功备用容量∑PR①事故备用：取最大负荷的10%，但不得小于最大一台机组的容量。10%=542.55×0.1=54.26(MW）②负荷备用：取最大负荷的(2～5)%，大系统取小值，小系统取大值，本系统取大值5%=542.55×0.05=27.13(MW）即系统的有功备用容量54.26+27.13=81.39(MW）3）确定电厂的装机容量①系统总装机容量：542.55+81.39=623.94(MW)②水电厂的装机容量：P=-=459-510×0.9×4800/8760=207.49(MW)=P0.5=207.49/0.5=414.98(MW)式中：P———系统有功日负荷曲线的峰头部分0.5———水电厂在枯水期用50%的容量调峰水厂厂用电率为1%；强迫功率32MW；枯水期水厂可发电容量为丰水期的50%。根据任务书所述，最多选定6台TS425/94-28机组，水轮机型号、参数见下表2-2所示：表2-1水轮机型号、参数型号额定功率(MW)额定电压(kV)额定功率因数xdxd´xd＂xqx26×TS425/94-281010.50.801.0700.3050.2190.7490.228③火电厂的装机容量：=623.94-60/0.5=593.94（MW）查《电气工程电气设备手册》，拟建火电厂的容量为50MW机组共10台，25MW机组共4台；汽轮机型号、参数见下表2-1所示：表2-2汽轮机型号、参数型号额定功率(MW)额定电压(kV)额定功率因数xdxd´xd＂x2x04×TQG-25-2256.30.82.1660.2050.1260.1540.08310×QFS-50-25010.50.801.730.2160.1410.1720.06513确定电力网的最佳接线方案3.1网络方案的初选根据地理位置，考虑可能的网络连接方式，对显然不合理的方案予以淘汰，其首要依据为电力系统的供电可靠性，其次可通过满足备用情况的线路长度、高压断路器的数量及调度的灵活性等指标来取舍，最后只保留少数几个方案进行下一步的经济比较。从可靠性角度分，电网接线基本上可以分为无备用网络和有备用网络两大类。无备用网络又可分为单回路放射式和单回路链式；有备用网络又可分为双回路放射式、双回路链式、环网和双回路与环网混合型等。表3-1电力网络方案的初选1供电不可靠，电力网过于复杂且不安全，不宜采用2供电不可靠，所用导线过长过多，经济性差，不宜采用3供电可靠，但所用导线过长，经济性差，不宜采用4供电不可靠，所用导线过长过多，经济性差，不宜采用5供电可靠性高，接线简单，运行方便，可采用6供电可靠性高，投资小，可采用7供电可靠，投资少，但调度复杂，不宜采用8供电可靠，投资少，但故障时会造成某些线路过负荷，不宜采用综上比较：初步选出了方案5与方案6两个比较合理的结线方案3.2确定电力网络的最佳接线方式一般，标准抵偿年限T为6～8年（负荷密度大的地区取最小值；负荷密度小的地区取最大值）。当T大于标准抵偿年限时，应选择投资小而年费用较多的方案；反之，则选择投资多而年费用少的方案。1）计算方案5的总投资①计算方案5的线路总投资a.首先确定各段线路的电压等级我国各级电压传输能力统计表3-2表3-2各级电压架空线路与输送容量、输送距离的关系输电电压（kV）输送容量（MW）传输距离（kM）0.380.1及以下0.6及以下30.1～1.01～360.1～1.24～15100.2～2.06～20352～1020～5011010～5050～100220100～500100～300330200～1000200～600500600～1500400～1000根据上表可选各线路电压等级分别见表3-3表3-3各线路电压等级项目线路H1S1H2S3S4H5最大负荷（MW）413.94263.94120909060距离（km）181.11100.5082.46100106.3042.43电压等级（kV）220220220220220220H：火电厂S：水电厂b.计算导线截面积及型号火电厂到变电所1、2、5与水电厂到变电所1、3、4均采用双回线路，当其中一回发生故障时，另一回应能承担变电所最大负荷的70%供电。为了保证架空线路必要的安全机械强度，对于跨越铁路，通航河流、运河、公路、通信线路和居民区的线路，其导线截面不得小于35mm，所选导线都符合要求。ⅱ>按电晕校验导线截面积电力设计手册规定：电压等级为220kV的输电线路，导线最小直径不小于21.4mm不必验算电晕，所选导线都符合要求。ⅲ>按发热校验导线截面积表3-9各种型号导线长期运行时能通过的最大电流值型号LGJ-150LGJ-185LGJ-240LGJ-300LGJQ-400载流量445A515A610A700A845A根据公式=可得=======故所选导线都符合要求。②计算变压器总投资方案6的变压器总投资计算方法与结果同方案5一致，即：变压器总投资为2897.98万元。③计算方案6的一次性投资一次性投资=线路总投资+变压器总投资=47825.85+2897.98=50723.83（万元）2）计算方案6的年总运行费年运行费用包括折旧费、小修费、维护管理费、电能损耗费。其中折旧费、小修费、维护管理费之和约占线路总投资的7%与变压器总投资的13%，电网全年的电能损耗可通过最大负荷损耗时间法计算电网全年的电量损耗，电能损耗计算公式为，其中损耗小时数可由线路传输的最大年利用小时数和线路传输功率因数查得；计算系统设备的运行维护管理费、小修费、折旧费￥1￥1=47825.857%+2897.9813%=3724.55（万元）计算电网全年的电能损耗费用￥2a.利用电能损耗计算公式计算线路中的全年能量损耗：50.66(kW·h)22.86(kW·h)10.37(kW·h)4.25(kW·h)4.33(kW·h)4.60(kW·h)10.37(kW·h)故，线路中线路全年能量损耗为107.44kW·hb.计算变压器的全年能量损耗：变压器全年能量损耗的计算方法与结果同方案5一致，故变压器全年能量损耗为11.90kW·h系统的总电能量损耗=+=(107.44+11.90)=119.34(kW·h)电网全年的电能损耗费用（0.5元/度）￥2=0.5=59670000（元）电网总年运行费用=5967+3724.55=9691.55（万元）综合：方案6一次性投资为50723.83万元方案6总年运行费为9691.55万元在本设计中，方案5的工程投资小于方案6的工程投资：=50723.83-50532.58=191.25(万元)而方案5的年运行费用也小于方案6的年运行费用：=9691.55-8787.16=904.39（万元）本设计中方案5的总投资和年运行费都小于方案6。方案5不仅技术可行，经济上也比较合理，因此不需要抵偿年限来判断。最终选取方案5最为本区域网络的最佳接线方案。4发电厂及变电所电气主接线的确定4.1电气主接线设计原则电气主接线是由电气设备通过连接线，按其功能要求组成接受和分配电能的电路，成为传输强电流、高电压的网络，故又称为一次接线或电气主系统。对主接线的基本要求，概括地说应包括可靠性、灵活性和经济性三方面。本设计主要进行技术比较，经济性只作定性论证。技术比较是根据发电厂及变电所的容量、规模、运行方式、电压等级、负荷性质、回路数及其在系统中的作用等进行全面的分析论证。一般从以下几个方面进行分析：⑴供电的可靠性；⑵运行的灵活性；⑶检修与维护的方便性；⑷接线与继电保护的简化；4.2发电厂及变电所的电气主接线确定⑴QFS-50-2汽轮机，发电机出口电压为10.5KV，且没有发电机机压负荷，可直接采用发电机–变压器单元接线方式升到220kV，其适用范围为只有一台变压器和一回线路时；当发电厂内不设高压配电装置、直接将电能送至系统枢纽变电所时。由于本系统为区域小系统，火厂主接线方式得从供电的可靠性考虑，且为了能灵活地适应系统各种运行方式调度和潮流变化的需要，所以220kV采用双母线接线；⑵TQG-25-2汽轮机，发电机出口电压为6.3KV，由于本系统的最大机组容量为50MW，考虑到供电的可靠性，扩建的灵活性，向双母线左右任何方向扩建，均不会影响两组母线的电源和负荷自由组合分配，在施工中也不会造成原有回路停电，虽出线回路少，但220kV最终采用双母线接线。⑴6台TS425/94-28的水轮机，分别采用发电机–双绕组变压器单元接线方式升到220kV，这种单元接线简单，开关设备少，避免了由于额定电流或短路电流过大时，使得选择出口断路器时，受到制造条件等原因造成的困难；220kV采用双母线接线。考虑到#1～#5个变电所的高压侧母线较为重要，分析供电的可靠性，扩建的灵活性，可考虑用双母线，本系统的各回路负荷可以任意分配到某一组母线，且其中一条母线故障后，可迅速恢复供电，符合本区域系统要求，又由于变电所的高压侧均采用了可靠性高的六氟化硫（）断路器，其检修周期长，故不设旁路设施，最终变电所高压侧母线选取双母线接线。综上所述，本设计系统的高压侧母线均采用双母线接线，高压侧均采用了可靠性高的六氟化硫（）断路器，其检修周期长，均不设旁路设施。图4-1电气主接线图5选择发电厂及变电所的主变和高压断路器5.1主变压器的选择发电机与主变压器为单元连接时，主变压器的额定容量可按发电机的额定容量扣除本机组的厂用负荷后，留有10%裕度来确定；⑴QFS-50-2发电机采用的变压器T1，容量为：61.88(MV·A)T1选用SSP3-75000/220TH型号的双绕组变压器，具体参数详见表5-1⑵TQG-25-2发电机采用双绕组变压器T2:30.94(MV·A)选用SFP7-40000/220型号的双绕组变压器，具体参数详见设计说明书表5-1然后结合低压侧和高压侧的电压，可以查阅设计手册选择发电厂的主变的型号，选型如下：表5-1火电厂主变压器型号、参数名称型号额定电压(kV)阻抗电压()负载损耗(kW)空载损耗(kW)空载电流(%)T1SSP3-75000/220TH242±2×2.5%∕10.513.8534279.61.3T2SFP7-40000/220242±2×2.5%∕6.312175521.1⑴TS425/94-28发电机采用变压器T3:13.48(MV·A)选用SFP7-40000/220型号的双绕组变压器，具体参数详见设计说明书表5-2表5-2水电厂主变压器型号、参数名称型号额定电压(kV)阻抗电压()负载损耗(kW)空载损耗(kW)空载电流(%)T3SFP7-40000/220242±2×2.5%∕10.512175521.1表5-3各个变电器的型号及各个实验参数变压器型号额定容量高压低压（kW）（kW）%%#1SF-120000/22012000022081.25%38.51306000.511.2#2SF-120000/22012000022081.25%38.51306000.511.2#3SF-90000/2209000022081.25%38.5642760.710.5#4SF-90000/2209000022081.25%38.5642760.710.5#5SF-50000/2205000022081.25%38.5451750.710.55.2高压断路器的选择与校验计算各断路器回路的最大持续工作电流。然后按断路器所处的电网的额定电压和额定电流来选择断路器：，式中：，——断路器的额定电压和额定电流；——断路器安装处的网络额定电压；——断路器回路的最大持续工作电流。以断路器回路的最大持续工作电流、额定电压来选取，其中最大持续工作电流可以取负荷最重的一个回路的电流1）火电厂220kV侧高压断路器：①QFS-50-2型发电机出口断路器的最大持续工作电流为：==172.22(A)经过比较，确定172.22A=220kV初步选取为LW2-220型号断路器、GW4-220型号隔离开关，详细参数见表5-4、5-5。②TQG-25-2型发电机出口断路器的最大持续工作电流为：==86.11(A)经过比较，确定86.11A=220kV初步选取为LW2-220型号断路器、GW4-220型号隔离开关，详细参数见表5-4、5-5。2）水电厂220kV高压侧断路器：TS425/94-28型发电机出口断路器的最大持续工作电流为：==34.44(A)经过比较，确定34.44A=220kV初步选取为LW2-220型号断路器、GW4-220型号隔离开关，详细参数见表5-4、5-5。3）变电所高压侧断路器的选择#1变电所：==321.48(A)#2变电所：==257.18(A)#3变电所：==192.89(A)#4变电所：==192.89(A)#5变电所：==128.59(A)根据各高压母线侧的、及断路器安装的要求，查电气设备手册，变电所220kV高压侧断路器初步全都选取为LW2-220型号断路器，其具体参数见表5-4、5-5。表5-4断路器的额定参数断路器型号断路器（LW2-220）额定电压220kV额定电流2500A表5-5隔离开关的额定参数隔离开关型号隔离开关（GW4-220）额定电压220kV额定电流2500AⅠ.短路电流的计算最终选定的网络方案后，分别对火电厂高压（220kV），水电厂高压（220kV），以及各个变电所的高压侧母线进行三相短路电流计算。短路计算时，忽略线路、变压器电阻以及负荷的影响，其步骤为:根据电气主接线画出等值电路图（见图5-1）；选统一功率基准值SB，令电压基准值UB=Uav，求各元件的电抗标么值；确定短路计算点；采用星—网变换法，求出各电源点到对各短路计算点的转移电抗和计算电抗；⑤由计算曲线查出各电源供给短路电流的标么值；计算出各短路计算点的三相短路起始次暂态电流I″、短路冲击电流；2秒及4秒时的短路电流周期分量有效值；填制短路电流计算结果表（见表5-6）。图5-1短路计算等值电路图(一)各元件电抗标幺值的计算发电机：变压器：线路：取基准容量：基准电压：火电厂发电机G1-G9的电抗标幺值：火电厂发电机G10-G14、的电抗标幺值：水电厂发电机G15-G20的电抗标幺值：火电厂所用双绕组变压器T1的电抗标幺值：0.185火电厂所用双绕组变压器T2各绕组的电抗标幺值为：水电厂所用双绕组变压器T3的电抗标幺值：=0.300各回线路的电抗标幺值：火电厂→#2：火电厂→#5：火电厂→#1：水电厂→#1：水电厂→#3：水电厂→#4：(二)点（火电厂220kV母线）短路电流计算由等值电路图1化简可得等值电路2，见图5-2所示图5-2等值电路20.0530.2390.036+0.040=0.0760.457由等值电路2化简成等值电路3，可得电源点到短路点的短路电抗。图5-3等值电路30.076+0.457=0.5330.043a.火电厂供给的短路电流计算电抗：查汽轮机计算曲线，次暂态(0s)短路电流标幺值为：；2s短路电流标幺值为：；4s短路电流标幺值为：；因此：次暂态短路电流的有名值为=3.368×=6.34(kA)2s短路电流的有名值=2.360×=4.44(kA)4s短路电流的有名值=2.316×=4.36(kA)短路冲击电流：16.14(kA)b.水电厂供给的短路电流计算电抗：查水轮机计算曲线，次暂态(0s)短路电流标幺值为：；2s短路电流标幺值为：；4s短路电流标幺值为：；因此：次暂态短路电流的有名值为=2.767×=0.52(kA)2s短路电流的有名值=2.6×=0.49(kA)4s短路电流的有名值=2.728×=0.51(kA)短路冲击电流：1.32(kA)c.各电源供给的短路电流汇总表各电源供给的短路电流汇总表见表5-6表5-6火电厂220kV母线（K1点）短路电流计算结果汇总表(单位：kA)电源0s短路电流2s短路电流4s短路电流冲击电流火电厂（575MW）6.344.444.3616.14水电厂（60MW）0.520.490.511.32总和6.864.934.8717.46短路电流热效应==104.61(三)点（水电厂220kV母线）短路电流计算由等值电路图1化简可得等值电路4。图5-4等值电路40.0530.2390.036+0.040=0.0760.457等值电路图4进一步化简，最终化简成等值电路图5。图5-5等值电路50.119a.火电厂供给的短路电流计算电抗：查汽轮机计算曲线，次暂态0s短路电流标幺值为：；2s短路电流标幺值为：；4s短路电流标幺值为：；因此：次暂态短路电流的有名值为=1.153×=2.17(kA)2s短路电流的有名值=1.279×=2.41(kA)4s短路电流的有名值=1.279×=2.41(kA)短路冲击电流：5.52(kA)b.水电厂供给的短路电流计算电抗：查水轮机计算曲线，次暂态（0s）短路电流标幺值为：；2s短路电流标幺值为：；4s短路电流标幺值为：；因此：次暂态短路电流的有名值为=3.159×=0.59(kA)6提高电力系统暂态稳定性的措施静态稳定性与暂态稳定性的关系：静态稳定程度高的系统，暂态稳定性能一般来说也要好一些。若一个系统在正常运行都不能保持其稳定性，就更难保障受到大的干扰之后的稳定性——暂态稳定性。6.1提高静态稳定性的措施发电机采用自动调节励磁装置采用励磁装置，可以实现*，意味着采用更为有效的励磁调节器，还可以使发电机的等值电抗比Xd‘更小。*,意味着对系统稳定性不起作用；上述两种情况相当于缩短了发电机和系统之间的“电气距离”。2）减小线路电抗提高静稳定极限（对与无限大系统的系统，静稳极限），可以提高稳定程度。而减小线路电抗（等效于），可以提高静稳定极限。减小线路电抗的方法有：*采用扩径导线；*采用分裂导线；3）提高线路额定电压等级4）采用串联电容器补偿串联电容器补偿的程度，用补偿度来衡量。补偿度：。补偿后：发电机送到系统的，可以增大稳定极限功率。但是，同时引发其他问题：*阻尼功率系数D为负；*引起系统自发性低频振荡；*容易使发电机产生自励磁；增大短路电流等；5）改善系统结构；增加输电线路回路：减少线路电抗，从而降低XΣ。加强线路两端各自系统内部联系：系统内部联系越紧密，其电抗越小，如双回路（紧密系统）与单回路（不紧密系统）比较电抗小。接入中间系统、在输电线路中间的降压变电所装设同期调相机：每一段上传输的功率极限由于电抗下降而增大；另外通过维持中间点电压较高水平，因而提高极限传输功率。6.2提高暂态稳定性的措施快速切除故障采用自动重合闸装置：对应两种情况：=1\*GB3①若系统发生瞬时故障，则可以通过自动化重合闸恢复到原来状态（电磁功率最大）；=2\*GB3②若为永久性故障，会使系统再次重合到故障上，对系统冲击较大。强行励磁：提高电磁功率，以增加减速面积。串联电容器的强行补偿指故障时对健全线路强制提高补偿度的措施。补偿的方法：如双回路运行，两组电容器组均投入。切除一条输电线后，线路感抗从Xl/2→Xl，Xl为健全线路的电抗，由于电抗的下降，使切除故障线路后的电磁功率下降，加速面积增大，为减少加速面积，应通过减少健全线路的电抗来实现，即使在它上面串联电容器，同时切除一组，使其容抗从Xc/2→Xc。采用电气制动指当系统中发生故障后迅速接入电阻以消耗发电机的有功功率（增大电磁功率），从而减少功率差额。因为制动电阻在故障瞬时投入，因而使故障后P-δ曲线PII向上向左偏移。欠制动：投入后减少的加速面积不足；过制动：故障发生后，由于制动电阻的投入，加速面积很小，因而没有失步；但是切除故障后，由于制动电阻同时被切除，因而PIII曲线不受制动电阻的影响。当在PII曲线较低位置切除故障时，仍可能出现与PT-PIII较大数值的较大的减速面积，因而仍可能在第二周波失稳。变压器中性点经小电阻接地不对称接地短路故障时，产生零序电流。变压器中性点通过小电阻接地，则零序电流在中性点电阻上产生功率损耗，这部分功率消耗了一部分发电机的电磁功率，因而减小了转子的不平衡功率，有利于系统的暂态稳定。减少原动机输出的机械功率由于转子运动切除故障后，减小作用在转子上的剩余功率，增大减速面积。减小原动机输出功率的措施有，以下两种措施对应的均为在切除故障的同时采取的措施。*采用快速的自动调速系统或快速关闭进汽门，电磁功率不变，但是由于调速