基于等值模型的220kV电网合理供电模式研究

基于等值模型的220kV电网合理供电模式研究

陶芬

（湖北省电力勘测设计院有限公司湖北武汉430040）

摘要：随着城市发展，城市电网供电能力不足与短路电流限制困难的矛盾日益突出，给城市电网健康发展与安全稳定运行带来了严峻的挑战。为了科学合理地规划城市220kV电网结构，本文基于分区基本原则，建立典型分区电网计算模型，以分区220kV母线短路电流不越限为基本原则，研究各种典型分区供电模式的500kV主变规模合理配置，结合各典型分区合理机组容量配置，提出各典型分区供电模式的最大供电能力，并综合电网实际建设场景提出了不同场景下适用的220kV电网合理供电模式。

关键词：城市电网；分区原则；供电模式；短路电流；供电能力

0引言

一方面，随着城市负荷发展，城市电网500kV及220kV变电站布点日益密集，输电线路平均长度逐渐变短，城市输电网短路电流超标问题日趋严重；另一方面，城市电力设施建设受土地资源、环境保护等诸多因素制约，电力设施布局与实施均面临较大困难。城市电网供电能力不足与短路电流限制困难的矛盾日益突出，给城市电网健康发展与安全稳定运行带来了挑战。

已有研究成果：文献[1]探讨了以一个500kV变电站带一片的220kV分区电网的变压器配置原则及其与地区电源配置的关系。文献[2]以220kV电网分区的主变压器负载率均匀为目标函数，建立了220kV电网分区优化模型，但未考虑分区的供电能力因素。文献[3]通过分析总结我国受端电网的典型分区结构，提出500kV受端电网分区以2~3站的4~6台主变压器为宜。本文将分区短路电流约束、最大供电能力、220kV电网供电模式及电网实际建设场景等要素综合考虑，提出了不同场景下适用的220kV电网合理供电模式。

1220kV电网分区基本原则及理论模型

1.1220kV电网分区基本原则

目前，为降低220kV电网短路电流水平，在经济发达、负荷密度高的地区220kV电网分区运行已经普遍实施[4]。我国发达地区电网规划主管部门在分区500kV变电容量布局、分区220kV电力平衡、分区短路电流限制、分区220kV电网结构、分区无功电压调节、分区如何划分、分区间支援、以及分区的近远期适应性等方面均作出了相应的规定，对220kV电网分区原则达成了基本共识：（1）500kV电源充足可靠。（2）电力供需平衡。（3）220kV网架结构坚强。（4）分区方案应能有效控制电网的短路电流水平，并留有一定的裕度。（5）分区之间具备一定的相互支援能力。（6）各供电分区应尽量具备一定容量的发电机组，以提高动态电压无功支撑的能力。（7）供电分区的划分应以控制分区交换潮流，限制短路容量等标准为主要依据，并尽量兼顾各地区供电局的供电范围。（8）电网规划应包含电网分层分区规划，对各规划水平年的电网进行合理分区，不同发展阶段的电网分区方案能够前后合理衔接。但各发达地区在分区内500kV电源点组织、分区间联络备用能力的强弱方面还存在一定差异性。

1.2220kV电网分区理论模型

基于上述分区基本原则，分区内电力供需应平衡且满足电源点N-1可靠供电需求。接入220kV电压等级的机组单机容量一般在60万千瓦级及以下，而500kV单台主变容量一般在75万kVA及以上，因此，电源点N-1约束以单台主变故障考虑。

分区方案应能有效控制电网的短路电流水平，并留有一定的裕度。一个220kV电网分区内提供短路电流的主要是500kV变压器和接入220kV电网的主力机组，且一般而言500kV主变的220kV母线是分区内短路电流控制节点。

假定分区内每台主变提供的短路电流为，j=1，2，3，…，i-1，i；每台机组提供的短路电流为，n=1，2，3，…，m-1，m；不计分区电网中转移阻抗的影响，短路电流约束可以公式（1.2-2）表示：

-----（1.2-2）

其中，为220kV电网开关遮断容量，一般取50kA。

2典型分区电网计算模型

依据分区内500kV变电站座数，分区模型可分为单站分区供电模式、两站手拉手分区供电模式和三站分区供电模式。国内发达地区如上海电网主要为单站馈供模式，北京电网主要为两站手拉手和三站手拉手分区模式。

根据电路等值理论对上述三种典型电网分区模式进行等值建模，为了简化分析，将待研究分区作为内部系统，待研究分区以外的电网作为外部系统，外部系统采用恒定电压源与内阻抗串联的形式进行等值。正常运行时，各分区220kV电网相互独立，220kV联络线开断备用，各分区通过500kV主变与系统保持联络与功率交换。

2.1单站分区供电模式

2.1.1单站分区辐射供电模式

单座500kV站点内3至4台主变并列运行，辐射供电一片220kV电网，单站分区辐射供电模式计算模型详见图2.1-1。

图2.1-1单站分区辐射供电模式计算模型

2.1-2单站分区手拉手供电模式

单座500kV站点内3至4台主变并列运行，其220kV母线分段，220kV电网经220kV母线形成手拉手联络，单站分区手拉手供电模式计算模型详见图2.1-2。

图2.1-2单站分区手拉手供电模式计算模型

2.2两站分区手拉手供电模式

两座500kV站点，每座站各2台500kV主变并列运行，两座500kV站点通过500kV线路连接（联络线阻抗以，共同供电一片220kV电网（两座500kV变电站220kV母线通过220kV电网联络，等值阻抗以表示），两站分区手拉手供电模式计算模型详见图2.2-1。

图2.2-1两站分区手拉手供电模式计算模型

2.3三站分区供电模式

2.3-1三站分区链式供电模式

3座500kV站点，每座站各2台500kV主变并列运行，3座500kV站点220kV母线依次通过220kV网络形成链式结构，三站分区链式供电模式计算模型详见图2.3-1。

图2.3-1三站分区链式供电模式计算模型

2.3-2三站分区环网供电模式

3座500kV站点，每座站各2台500kV主变并列运行，3座500kV站点220kV母线通过220kV网络两两相连形成环形结构，三站分区环网供电模式计算模型详见图2.3-2。

图2.3-2三站分区环网供电模式计算模型

3典型分区电网短路电流研究

3.1系统经500kV变压器提供的短路电流

500kV变压器容量取四种典型值75万kVA、100万kVA、120万kVA、150万kVA，为简化计算，不同容量变压器高-中短路阻抗相应取典型值，详见表3.1-1。

表3.1-1不同容量主变高-中短路阻抗典型值

500kV母线短路电流取典型值30kA、40kA、50kA、60kA，计算可得不同的500kV母线短路水平及不同的500kV变压器规模，系统通过500kV变压器向220kV母线注入的短路电流。

3.1-1单站分区辐射供电模式

a.主变台数越多，500kV电网通过500kV主变对220kV短路电流的影响越大；

b.一个500kV变电站其主变台数一定时，随着500kV母线短路电流增加，500kV电网经主变向220kV电网注入的短路电流增加趋势趋于平缓；

c.500kV电网短路电流一定时，随主变台数的增加，增加一台500kV主变对220kV短路电流引起的增量呈递减趋势。考虑对500kV电网发展的适应性，单站辐射供电模式最多可容纳500kV主变台数为4台。

3.1-2单站分区手拉手供电模式

单站分区手拉手供电模式，考虑220kV网络的联络阻抗后，系统经变压器注入220kV母线的短路电流呈减小趋势，且500kV母线短路电流越高，220kV母线短路电流减小越明显。

考虑500kV变电站供电半径约10km时，单站手拉手分区供电模式最多可以容纳6台500kV主变。

3.1-3两站分区手拉手供电模式

两站手拉手与单站手拉手分区供电模式相比，分区经500kV主变与系统多点联络，同等条件下（供电半径相同、500kV短路电流水平相同），系统经变压器注入220kV母线的短路电流呈增加趋势。随着500kV母线短路电流升高，220kV母线短路电流增幅趋缓。

两站手拉手分区供电模式下，500kV短路电流水平相同时，供电半径越大，即220kV联络线路越长，系统经变压器注入220kV母线的短路电流越小，且500kV短路电流水平越高，220kV联络线路长度对220kV母线的短路电流的影响越明显。

3.1-4三站分区供电模式

1）三站分区链式供电模式

220kV母线短路电流计算结果详见表3.1-5。

表3.1-5系统经500kV变压器注入220kV电网短路电流（kA）

备注：500kV变电站供电半径按10、25km考虑，220kV联络线长度分别为20、50km。

2）三站分区环网供电模式

三站分区链式或环网供电模式适用于负荷密度相对较低、供电半径较大的地区，且随着500kV短路电流增加，系统经主变向220kV电网注入的短路电流增加较为显著。三站分区模式仅适合于电网发展过渡期，应用场景受限。

3.2机组提供的短路电流

接入220kV电网的电源机组装机容量一般为30万kW、60万kW、90万kW、120万kW，分别经1回至4回导线截面为的线路、每回线路长度均考虑30km接入电网。计算不同规模电源机组提供给系统的短路电流，计算结果详见表3.2-1。

表3.2-1不同规模机组提供给系统的短路电流

4典型分区网供电能力研究

4.1单站分区辐射供电模式

适用于城市中心区，不考虑机组接入，主变配置3台至4台（单台主变容量考虑100、120、150万kVA三种），且500kV主变故障时考虑其他非故障主变1.2倍过载能力，分区最大供电能力为240～540万kW。

4.2单站分区手拉手供电模式

适用于城市次中心区，可考虑机组接入，考虑500kV变电站合理配置4台主变（单台主变容量考虑100、120、150万kVA三种，500kV变压器考虑1.2倍过载能力），500kV变电站合理供电半径约10km。

单站分区手拉手供电模式理论最大供电能力在510万kW至780万kW之间。实际电网中受电厂建设条件制约，考虑分区内合理机组容量配置（60万kW～150万kW），则单站分区手拉手模式最大供电能力在420万kW至690万kW之间。

4.3两站分区手拉手供电模式

适用于城市远中心区，考虑机组接入，考虑500kV变电站合理配置4台主变（单台主变容量考虑100、120kVA两种，500kV变压器考虑1.2倍过载能力），500kV变电站合理供电半径约25km。分区最大供电能力计算结果详见表4.3-1。两站分区手拉手供电模式（含机组）最大供电能力在450万kW至612万kW之间。

5结论

本文结合电网实际建设场景，提出了不同场景下适用的220kV电网合理供电模式：

当500kV电网短路电流水平高、负荷密度大、供电半径小时，适宜采用500kV变电站单站分区手拉手供电或者单站分区辐射供电模式。结合电网实际建设场景，单站分区辐射供电模式适宜于城市最中心区，单站分区手拉手供电模式适宜于城市次中心区。两站手拉手分区供电模式适宜于500kV短路电流水平较高，负荷密度相对较低的场景，适宜于城市远城区电网。

作者简介：

陶芬（1982–），女，高级工程师，研究方向为电力系统规划与系统一次设计