電磁環(huán)網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)

電磁環(huán)網(wǎng)簡(jiǎn)介電磁環(huán)網(wǎng)是指不同電壓等級(jí)運(yùn)行的線路.通過變壓器電磁回路的聯(lián)接而構(gòu)成的環(huán)路。一般情況中，往往在高一級(jí)電壓線路投入運(yùn)行初期，由于高一級(jí)電壓網(wǎng)絡(luò)尚未形成或網(wǎng)絡(luò)尚不堅(jiān)強(qiáng)，需要保證輸電能力或?yàn)楸Ｖ匾?fù)荷而運(yùn)行電磁環(huán)網(wǎng)。高低壓電磁環(huán)網(wǎng)中高壓線路斷開引起的負(fù)荷轉(zhuǎn)移很有可能造成事故擴(kuò)大、系統(tǒng)穩(wěn)定破壞。國(guó)內(nèi)220kV/110kV電磁環(huán)網(wǎng)已基本解環(huán)運(yùn)行，但220kV及以上電磁環(huán)網(wǎng)仍大量存在。多年來，學(xué)者和業(yè)界人士已對(duì)電磁環(huán)網(wǎng)開展了大量的分析和探討，指出需重視線路無故障跳線校核等。一般認(rèn)為電磁環(huán)網(wǎng)的缺點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)主要包括：①上級(jí)電網(wǎng)故障后功率轉(zhuǎn)移導(dǎo)致下級(jí)電網(wǎng)過載，其原因是上下級(jí)電網(wǎng)輸電能力的不匹配；②上級(jí)電網(wǎng)故障后阻抗突增引發(fā)暫態(tài)失穩(wěn)甚至系統(tǒng)振蕩，其原因是上下級(jí)電網(wǎng)阻抗的不匹配；③系統(tǒng)短路水平增加，下級(jí)電網(wǎng)短路易超標(biāo)；④網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不清晰，潮流轉(zhuǎn)移特性復(fù)雜，增加了不可控的連鎖故障風(fēng)險(xiǎn)；⑤增加了保護(hù)整定和二三道防線配置的困難。從結(jié)構(gòu)上看，電磁環(huán)網(wǎng)和同一電壓等級(jí)元件構(gòu)成的普通環(huán)網(wǎng)并無本質(zhì)區(qū)別，最大的不同在于：電磁環(huán)網(wǎng)由于上下級(jí)電網(wǎng)阻抗和傳輸容量相差較大導(dǎo)致不均衡特性較為突出。而合理的且能充分發(fā)揮自身能力的電網(wǎng)一般結(jié)構(gòu)特性較為均衡。隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，電磁環(huán)網(wǎng)的形態(tài)愈加豐富和多樣，有必要進(jìn)行系統(tǒng)性分析，采取不同的應(yīng)對(duì)策略。弱環(huán)型與強(qiáng)環(huán)型根據(jù)電磁環(huán)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)弱，電磁環(huán)網(wǎng)可分為以下幾種類型：1）典型弱環(huán)網(wǎng)上、下級(jí)電網(wǎng)均薄弱的為典型弱環(huán)網(wǎng)，該結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定、暫/動(dòng)態(tài)穩(wěn)定較差，上級(jí)電網(wǎng)輸電能力嚴(yán)重受限且不具備解環(huán)條件，與下文弱環(huán)I型的共同點(diǎn)是上級(jí)通道故障后其潮流100%轉(zhuǎn)移至下級(jí)電網(wǎng)。2）弱環(huán)網(wǎng)I型上級(jí)電網(wǎng)薄弱（發(fā)展不完善）而下級(jí)電網(wǎng)相對(duì)堅(jiān)強(qiáng)的可定義為弱環(huán)網(wǎng)I型，其主要問題是上級(jí)電網(wǎng)故障后功率轉(zhuǎn)移可能導(dǎo)致下級(jí)薄弱環(huán)節(jié)元件過載。3）弱環(huán)網(wǎng)II型上級(jí)電網(wǎng)堅(jiān)強(qiáng)而下級(jí)電網(wǎng)相對(duì)薄弱的可定義為弱環(huán)網(wǎng)II型，上級(jí)電網(wǎng)的某一通道故障，潮流主要在上級(jí)電網(wǎng)內(nèi)部轉(zhuǎn)移，穿越下級(jí)電網(wǎng)的潮流較小，且系統(tǒng)阻抗沒有顯著增加，正常方式下運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較小，但在上級(jí)電網(wǎng)檢修時(shí)可能存在典型弱環(huán)網(wǎng)的特性。4）強(qiáng)環(huán)網(wǎng)上、下級(jí)電網(wǎng)均堅(jiān)強(qiáng)的為強(qiáng)環(huán)網(wǎng)，其解環(huán)的必要性往往源于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模偏大或過于復(fù)雜時(shí)短路水平控制要求和預(yù)防不可控的連鎖故障風(fēng)險(xiǎn)，通過解環(huán)將電網(wǎng)結(jié)構(gòu)清晰化、解耦化是有益的簡(jiǎn)單/顯性型與復(fù)雜/隱性型電磁環(huán)網(wǎng)簡(jiǎn)單型電磁環(huán)網(wǎng)上、下輸電通道之間存在直接的電磁耦合關(guān)系和明確的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，一般出現(xiàn)在相鄰上級(jí)變電站之間（兩個(gè)電磁耦合點(diǎn)），具有明顯的上級(jí)主干輸電通道和下級(jí)并聯(lián)輸電通道，耦合點(diǎn)及潮流轉(zhuǎn)移特性較為清晰，如典型弱環(huán)網(wǎng)和弱環(huán)網(wǎng)I型。復(fù)雜型電磁環(huán)網(wǎng)一般屬于隱性結(jié)構(gòu)，上級(jí)通道故障后潮流向上、下多個(gè)通道轉(zhuǎn)移，甚至不存在明顯的上級(jí)主干通道，潮流轉(zhuǎn)移特性復(fù)雜甚至隱蔽，有多個(gè)電磁耦合點(diǎn)，屬于非典型電磁環(huán)。雙級(jí)型與多級(jí)型電磁環(huán)網(wǎng)典型的電磁環(huán)網(wǎng)一般涉及兩個(gè)電壓等級(jí)，500kV電網(wǎng)發(fā)展初期出現(xiàn)過500kV/220kV/110kV三級(jí)電磁環(huán)網(wǎng)，隨著110kV電網(wǎng)的分片開環(huán)運(yùn)行，這種情況基本消失，但是特高壓電網(wǎng)建設(shè)過程中又出現(xiàn)了1000kV/500kV/220kV三級(jí)電磁環(huán)網(wǎng)，增加了電網(wǎng)運(yùn)行的復(fù)雜性和風(fēng)險(xiǎn)。潮流轉(zhuǎn)移電磁環(huán)網(wǎng)面臨的普遍問題是主干通道故障后潮流轉(zhuǎn)移導(dǎo)致下級(jí)電網(wǎng)過載。故障前上、下級(jí)電網(wǎng)元件潮流方向一致時(shí)，故障后下級(jí)元件潮流將增大，反之將減少甚至逆轉(zhuǎn)，可分別定義為順向和逆向潮流方式。針對(duì)實(shí)際電網(wǎng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，以下因素需要重點(diǎn)關(guān)注：強(qiáng)耦合、大潮流、低裕度（順向）。由于上、下級(jí)電網(wǎng)的輸電能力可相差3?6倍（如根據(jù)線型不同，500kV線路約為1600?3500MW，220kV線路約為200?700MW），對(duì)于強(qiáng)耦合的弱環(huán)網(wǎng)，一般受投資、廊道、站址、環(huán)保、短路水平等因素制約，通過增強(qiáng)下級(jí)電網(wǎng)來消除對(duì)上級(jí)電網(wǎng)輸電能力的約束不經(jīng)濟(jì)甚至不可行，優(yōu)先加強(qiáng)上級(jí)電網(wǎng)既能顯著提升輸電能力，也可為環(huán)網(wǎng)解環(huán)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化創(chuàng)造條件。如何補(bǔ)強(qiáng)或優(yōu)化上級(jí)電網(wǎng)較強(qiáng)的電磁環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)需具體分析，如：將解環(huán)的環(huán)網(wǎng)顯然不宜再加強(qiáng)下級(jí)聯(lián)絡(luò)斷面；已明確不解環(huán)的環(huán)網(wǎng)則應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)下級(jí)聯(lián)絡(luò)斷面；耦合度較高的環(huán)網(wǎng)仍宜優(yōu)先增強(qiáng)上級(jí)網(wǎng)絡(luò)以解決主要矛盾；耦合度較低的強(qiáng)環(huán)網(wǎng)則應(yīng)重點(diǎn)考慮控制短路水平、簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化潮流分布等。三級(jí)電磁環(huán)網(wǎng)和兩級(jí)電磁環(huán)網(wǎng)的特性并無本質(zhì)不同，但還需考慮以下運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。穩(wěn)定和短路存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的電磁環(huán)網(wǎng)主要是承擔(dān)大功率外送或向末端供電的強(qiáng)耦合型電磁環(huán)網(wǎng)，特別是典型弱環(huán)網(wǎng)。上級(jí)主干通道故障后僅剩下級(jí)輸電通道，系統(tǒng)阻抗為故障前的數(shù)倍（如3?5倍），易導(dǎo)致功角失穩(wěn)；另一方面受端失去主要支撐，易導(dǎo)致電壓失穩(wěn)。當(dāng)上級(jí)電網(wǎng)存在兩個(gè)及以上輸電通道時(shí)，電磁環(huán)網(wǎng)的存在減小了系統(tǒng)整體阻抗，因而并不一定會(huì)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定產(chǎn)生負(fù)面影響，需要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具體分析。影響系統(tǒng)短路水平的主要因素為電源規(guī)模和網(wǎng)絡(luò)阻抗，電磁環(huán)網(wǎng)的存在降低了系統(tǒng)短路阻抗，但未必是影響短路水平的決定性因素：對(duì)于下級(jí)電氣距離較長(zhǎng)、聯(lián)系不夠緊密的電網(wǎng)，電磁解環(huán)抑制系統(tǒng)短路水平的效果一般只有0.5?3.0kA；反之，對(duì)于下級(jí)電氣聯(lián)系非常緊密的電網(wǎng)，電磁解環(huán)抑制系統(tǒng)短路水平的效果可達(dá)3?6kA甚至更高，對(duì)于諸如兩個(gè)500kV站中壓側(cè)短線直連的極端情況，解環(huán)后兩站中壓側(cè)短路電流可下降10kA以上。此外，電磁環(huán)網(wǎng)對(duì)于上級(jí)電網(wǎng)的短路水平影響較小。電磁環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化消除電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的根本措施是實(shí)施電網(wǎng)解環(huán)，比如110kV電網(wǎng)基本為輻射+鏈?zhǔn)焦╇娊Y(jié)構(gòu)。然而，由于超高壓電網(wǎng)輸電容量大，對(duì)安全可靠性要求高，較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)電磁環(huán)網(wǎng)仍將大量存在，但將通過解環(huán)分片使其結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單清晰。原則上一個(gè)分區(qū)內(nèi)至少應(yīng)有三臺(tái)聯(lián)變，且與外區(qū)至少有三回上級(jí)聯(lián)絡(luò)線（確保檢修方式下的供電安全）。上級(jí)兩站直連的（或三站，取決于下級(jí)網(wǎng)絡(luò)的緊密程度和供電范圍）手拉手結(jié)構(gòu)仍是電磁環(huán)網(wǎng)，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清晰，一般每站有兩臺(tái)主變?yōu)橐耍ㄖ髯冞^少影響供電能力，過多則中壓側(cè)短路水平易超標(biāo)），可兼顧短路控制和供電能力等各方面的需求，但要求區(qū)內(nèi)聯(lián)絡(luò)線具備足夠的互供（功率交換）能力。若上級(jí)變電站不直連，則不再是電磁環(huán)網(wǎng)或是隱性電磁環(huán)網(wǎng)。單站手拉手結(jié)構(gòu)只有一個(gè)上級(jí)變電站，但出于短路控制要求將其中壓側(cè)母線分段運(yùn)行，在形式上消除了電磁環(huán)網(wǎng)，但仍需考慮一臺(tái)聯(lián)變跳閘后下級(jí)電網(wǎng)的潮流轉(zhuǎn)移控制。這種結(jié)構(gòu)往往適用于供電區(qū)域相對(duì)較小的分區(qū)電網(wǎng)，否則可能會(huì)出現(xiàn)供電距離過長(zhǎng)的情況；且考慮變電站全停風(fēng)險(xiǎn)，其供電可靠性相對(duì)較低。饋供結(jié)構(gòu)是電磁環(huán)網(wǎng)徹底打開的形式，不存在電磁耦合，缺點(diǎn)是降低了供電可靠性，特別是母線檢修方式下需足夠備用聯(lián)絡(luò)線支持以確保供電安全，適用于供電區(qū)域和規(guī)模較小的分區(qū)電網(wǎng)；由于下級(jí)變電站之間缺乏互供，可能需要更高的設(shè)備冗余。實(shí)際電網(wǎng)中，饋供結(jié)構(gòu)較為少見，且往往會(huì)發(fā)展成為其他供電結(jié)構(gòu)。值得推薦的是單站背靠背型手拉手結(jié)構(gòu)，即隨著單站主變的增加，變電站中壓側(cè)母線分列運(yùn)行，每個(gè)分站再與其他變電站母線分列運(yùn)行后的分站形成手拉手結(jié)構(gòu)，這既是出于短路控制的需要，也增加了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)整的靈活性，對(duì)電網(wǎng)發(fā)展適應(yīng)性也較好。電磁環(huán)網(wǎng)的潮流轉(zhuǎn)移控制方式預(yù)控措施實(shí)際電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行的主要問題是潮流轉(zhuǎn)移和控制。對(duì)于非連鎖故障，需控制上級(jí)通道故障后下級(jí)電網(wǎng)任一元件有功功率不超過安全值。近似認(rèn)為故障前后的有功轉(zhuǎn)移特性是線性的，主要由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)決定，對(duì)于連鎖跳閘（包括故障后采取切線、切變等主動(dòng)跳閘措施）的潮流控制，在線性假設(shè)下，可考慮利用疊加法求取方式預(yù)控限額。由于實(shí)際有功潮流的轉(zhuǎn)移特性并非完全線性，考慮連鎖潮流轉(zhuǎn)移后計(jì)算誤差將逐步擴(kuò)大，特別是當(dāng)上級(jí)主干通道潮流變化范圍大且下級(jí)元件與上級(jí)通道的輸電能力級(jí)差過大時(shí)可能產(chǎn)生電網(wǎng)安全隱患。針對(duì)這種情況，一個(gè)折中且實(shí)施相對(duì)簡(jiǎn)便的方法是分檔計(jì)算方式預(yù)控限額。對(duì)于簡(jiǎn)單型電磁環(huán)網(wǎng)，潮流轉(zhuǎn)移特性較易分析；對(duì)于復(fù)雜型特別是多耦合點(diǎn)的電磁環(huán)網(wǎng)，其潮流轉(zhuǎn)移分析可結(jié)合上級(jí)通道故障后的潮流主轉(zhuǎn)移路徑進(jìn)行：通過聯(lián)變（耦合點(diǎn)）的下網(wǎng)功率變化可以分析得出潮流轉(zhuǎn)移的主要分布，從而找出需重點(diǎn)進(jìn)行潮流控制的下級(jí)電網(wǎng)元件，提高運(yùn)行控制的效率?；诮怦羁刂频陌踩€(wěn)定措施除了切機(jī)和切負(fù)荷安全穩(wěn)定措施外，實(shí)際運(yùn)行中為以較小代價(jià)實(shí)現(xiàn)有效的潮流控制，