提高500kV電網向北京輸送能力的措施

摘要： 為確保北京電網經濟、可靠地供電，文章從規劃的角度論述了已經使用與即將規劃使用的各種提高電網輸送能力的措施，主要括改善500kV電網結構，加強和擴大以北京電網為中心的受端電網；送端適當互聯；加強北京電網中的無功電源建設；在北京電網中建設電源以提供電壓支撐；采用串聯補償技術和緊湊型線路送電等。并對應用柔性交流輸電(FACTS)技術和縮短保護動作時間以提高電網輸送能力進行了展望。 關鍵詞： 京津唐地區；北京電網；500kV；輸送能力；技術措施；電力系統  　　 0 引言
　　北京500kV電網是京津唐電網的重要組成部分，也是京津唐電網的負荷中心和網架中心。它除承擔為首都供電的任務外，還向相鄰的天津市、河北省部分地區轉送電力，因而在京津唐電網中處于十分重要的地位。作為京津唐電網的負荷中心，北京電網2004年地區 高負荷為9
397MW，約占京津唐電網總負荷的42.67％；2005年8月15日，北京地區 高負荷突破10 000MW，達到10 538MW，創歷史新高。由于北京地區的電源建設受燃料運輸、水資源及環境條件等的制約，因此對北京地區的供電以外部電源為主。外部電源緊密依靠華北電網，實行“西電東電”并重、多方向發展的原則。根據有關規劃部門預測，2010年北京電網 大負荷將達到14
350～16 214MW，2020年將達到2 5545～29 036MW，其外受電比例將達到70％以上。因此，研究提高電網的輸電能力對于保證北京電網的電力需求有著重要意義。

1 提高輸電能力的物理分析

　　輸電線路的潮流輸送可按下式計算
    

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式中，U1和δ1為線路送端的電壓和角度；U2和δ2為線路受端的電壓和角度；XL為線路的阻抗。

　　該式本質上反映出提高線路輸送能力應從保證線路兩端的電壓支撐、增大線路兩端的功角差和減小線路阻抗等方面考慮。

2 從規劃入手提高電網輸電能力

　　北京電網規劃的主要目的之一就是保證北京電網具有足夠的接受電力的能力。幾十年來，在電網規劃設計方面，針對不同的情況適時地調整電網規劃，并提出相應措施，確保北京電網的供電，其主要措施體現在以下方面。

2.1 加強和擴大以北京電網為中心的受端電網

　　在1980年以前，北京電網電力供需基本平衡，由本地電源和北京主干220kV電網來保證北京電網的供電。隨著用電負荷的增加，北京地區原有的電力資源難以維持和支撐其經濟與社會的發展需要，需逐步擴大區外受電規模和受電范圍。1985年，大同電廠通過500kV線路向京津送電，適時地形成了北京220kV雙環網和天津220kV眼鏡形雙環網，并在二市之間建立了京津500kV強聯系，加強和擴大了京津唐受端主干電網，提高了受端主干電網的安全穩定性和接受外部電力的能力。1995年，隨著沙嶺子向北京昌平送電，以及盤山電廠的投產，又適時地形成了北京500kV
C形雙環網，并建立了與天津電網的雙回500kV線路的聯系，還特別新建了盤山至安定的500kV線路，進一步擴大和加強了京津唐受端電網的安全穩定性和接受外部電力的能力。到2005年，隨著山西多回500kV外送線路、托克托遠距離大容量輸電系統的投產，蒙西電網外送規模的擴大，進一步擴大和加強了受端電網，形成了京津唐500kV大環網，并加強了與河北南網的500kV雙回強聯系，從而進一步保證了北京的供電需求和安全。

　　下面以大同二廠至房山的山西電網向北京電網送電線路為例，說明加強北京受端網絡對提高電網輸電能力的影響。大同二廠至房山的線路長度約為300km，在北京500kV電網發展的早期，送電線路為單回，電廠點對網送電至北京電網，單相瞬時接地故障情況下穩定極限約為600MW。對于目前的北京電網，由于其受端網絡已得到加強，如果仍由一個電廠送電至北京，接入點為昌平500kV變電站，且線路長度、機組參數、線路故障類型均參照大同二廠至房山的輸電系統，則其穩定極限可達1
320MW，比原來提高720MW，大大提高了電網的輸電能力。

2.2 送端電網適當互聯

　　總結國內外電力系統運行經驗，網絡發生多重性事故雖然概率很小，但后果卻很嚴重，往往會造成大面積停電，甚至全系統瓦解。網絡設計應注意從網絡結構上盡量避免或減少發生功率大轉移的問題，在增加投資不多的前提下，應采用送端電廠之間及向同一方向輸電的幾組送電線路之間不聯接的方案。但由于有時相鄰的送端電廠相聯，可以提高送電能力而節省大量投資，而功率大轉移的問題可采取送端電廠間的聯絡線解列或切機等自動控制措施來解決，因此在經過詳細論證的情況下也是可行的。大同二廠、神頭一廠、神頭二廠均屬于山西境內的電廠，他們通過輸電通道向北京和河北南網送電，在電網建設規劃中，詳細論證了大同二廠、神頭一廠、神頭二廠互相聯接及其與山西電網互聯的必要性。大同二廠向京津唐系統供電的穩定極限計算結果見表1所示。

表1 大同二廠向京津唐系統供電的穩定極限計算結果

線 路 名 稱
電壓/kV
長度/km
送 端 網 絡 結 構
故 障 型 式
穩定極限/MW

大同—房山單回
500
300
與山西省220kV網不聯
單相瞬時故障
600

大同—房山單回
500
300
通過聯絡變壓器與山西220kV網相聯
單相瞬時故障
910

大同—房山雙回
500
300
與神頭電廠不聯
單相永久性故障
1 260

大同—房山雙回

神頭—徐水雙回
500

500
300

300
有大同至神頭500kV聯絡線路110km

有大同至神頭500kV聯絡線路110km
單相永久性故障

單相永久性故障
4 080

4 080

　　由表1可以看出，若沒有大同至神頭的聯絡線路，大同二廠向京津唐系統輸送2 000MW電力需要3回線路；神頭地區以孤立電廠向東輸送2 000MW電力也需要3回線路。建設大同至神頭的聯絡線路并與山西省電網相聯后，可使向東輸送4000MW電力所需的線路回數由6回減至4回，節約資金可觀。

　　上述計算和論證是在華北電網發展初期進行的。根據目前華北電網2015年目標網架規劃，以線路三相永久性故障校驗系統穩定，故障切除時間為100ms。經過計算可以得知，在大同—房山線加串聯補償的情況下，大同—房山雙回與神頭—保北雙回線路的穩定極限為4
100MW；當增加侯村—石北雙回后，6回線路的送電極限為6 440MW，與單獨增加2回線路的送出電力相比提高的輸送容量并不大。

　　因此，根據對山西電網向京津唐電網送電的特定網絡的研究可知，輸電系統在送端適當互聯可以提高輸送能力，但是送端過分互聯對提高輸送能力的作用不大。

2.3 加強北京電網無功電源建設

　　無功功率不能遠距離輸送。無功問題不僅是一地區內的問題，同時也是一區域性的問題。為了保證系統在各種運行方式下無功功率的平衡，尤其在受電比例較高的北京電網中，為了避免發生在大負荷、輸電線路輸送潮流較大的情況下出現嚴重故障時發電機和輸電系統不能夠滿足負荷的無功需求，不能支撐系統大量無功損耗而造成系統電壓迅速下降，導致局部或全局性電壓崩潰，必須在北京電網負荷中心地區配置足夠的無功補償設備，以保證其有足夠的調節能力與調節幅度。

　　外網到北京電網有6條長距離500kV送電線路(大同—房山雙回、沙嶺子—昌平雙回、托克托—渾源—安定雙回)，每條輸電線路的平均長度在250km以上，線路負荷一般小于線路波阻抗功率的1.5倍，當采取各種措施提高電網輸送能力后，外網500kV線路的輸送功率可超過其自然功率，達到1
300MW。華北電網常用的LGJ-400×4型500kV線路的電抗率為0.275Ω/km，則長度為250km的線路電抗為68.75Ω，當輸送波阻抗功率（這里按照1
000MW考慮）時每條線路的電流為1 050A。如果雙回線中開斷1條線路，則將使線路的無功損耗由1 364Mvar上升到1 636Mvar，增加272Mvar；如果6回路中失去1個通道，則將使線路的無功損耗由1
364Mvar上升到2 045Mvar，增加681Mvar。采取各種措施提高電網的輸電能力后，每條線路的輸送功率可達1 300MW，線路的電流為1
365A，6條輸電線路消耗的無功為2 306Mvar。如果開斷1條線路，則將使所有線路的無功損耗由2 306Mvar上升到2 766Mvar，增加460Mvar；如果失去1個通道，則所有線路的無功損耗由2306Mvar上升到3457Mvar，增加1151Mvar。如果考慮線路開斷后負荷中心側電壓降低將增加線路的無功損耗，降低線路電容提供的無功功率等因素，則系統的情況將更加惡化，在嚴重故障形態下很容易發生電壓崩潰事故。因此，在北京電網建設充足的無功電源（如1
200Mvar），并且具有強大的調節能力，對于提高電網的輸電能力是十分必要的。

2.4 在北京電網中建設電源以提供電壓支撐

　　電網中電壓的 強有力的支撐者是電源，括發電機、調相機以及同步電動機（抽水蓄能電廠中的水泵水輪機，其抽水和發電工況均可提供電壓支撐）。電容電抗器，括靜止無功補償裝置（SVC）等可以提供或吸納電網無功功率以調節本節點的電壓，但是必須在有電壓支撐的系統中才能正常發揮作用。

　　2020年以后，北京電網中外送電所占比例將超過70％，此時在北京電網及輸電通道附近建設主力電廠不單是可滿足就地供應負荷的需要，而且還可以在暫態和后暫態過程中提供動態無功和電壓支撐，提高系統的有源無功備用，從而提高電網的輸送能力與系統穩定性。

2.5 應用串聯補償技術和緊湊型線路

　　北京電網接受的主要是西電東送的電力，如山西電網的電力、蒙西電網的電力和托克托電廠點對網直送的電力等，它們均采用長距離超高壓輸電線路輸送。由于輸電線路感抗較大，因而限制了線路的輸電能力。串聯補償的原理是利用串聯電容器的容抗抵消掉部分線路感抗，這樣就相當于縮短了線路的電氣距離，從而達到提高系統穩定極限和輸電能力的目的。目前，在大同—房山的500kV線路、豐鎮—萬全—順義的500kV線路上，均采用了串聯補償裝置（補償度分別為35%或45%）以提高輸電能力。

　　緊湊型線路是通過對導線排列的變化來達到改變線路正序電抗的目的。緊湊型線路的正序電抗僅為常規線路的70％～80％，這相當于在常規線路上加裝了補償度約為20％的串聯補償裝置，因而線路自然功率不僅可提高約30％，而且還可以節約線路走廊。目前，上都電廠向京津唐電網的送電線路和北京500kV環網上的昌平—房山線采用的都是緊湊型線路。

3 采用新技術和新設備的展望

　　除了采取上述措施以提高電網輸送能力外，目前正在研究通過其他新技術、新設備和新的計算標準來提高電網的輸送能力和電網的穩定性，主要括靈活交流輸電（FACTS）技術的應用和縮短故障切除時間等方法。

3.1 FACTS技術的應用

　　傳統的電力調節措施，由于機械開關動作時間長、響應速度慢，無法適應在暫態過程中快速靈活連續調節電力潮流、阻尼系統振蕩的要求。FACTS技術是20世紀80年代后期出現的新技術，它將電力電子技術與現代控制技術相結合，以實現對電力系統電壓、線路阻抗、相位角、功率潮流的連續調節與控制，從而提高輸電線路輸送能力和電力系統穩定性水平，降低輸電損耗。

　　北京電網作為受端電網，需要從遠方大量受電，通過在北京電網中的適當地點安裝SVC、靜止無功發生器(STATCOM)等以控制線路電壓，在送電線路通道上采用可控串聯電容補償器(TCSC)、靜態同步串聯補償器（SSSC）等以降低線路阻抗，安裝統一潮流控制器（UPFC）、線間潮流控制器（IPFC）等以改變功角等FACTS裝置將可以較大幅度地提高線路的輸送能力。

3.2 縮短保護切除時間

　　對500kV輸電系統進行穩定計算時，一般將近故障點側的故障切除時間選為80ms或100ms，遠故障點側的故障切除時間選為100ms。這些時間均在《電力系統安全穩定計算暫行規定》的范圍內，并且具有一定的裕度。

　　在北京電網的輸電通道上普遍采用的是SF6斷路器，根據統計，目前大多數SF6斷路器制造廠均能夠做到使500kV斷路器的全開斷時間小于或等于40ms。隨著光纖通道的普遍應用，當線路的2套全線速動保護均采用光纖保護時，近端保護動作時間可以取為10～15ms，遠端保護動作時間可以取為28～35ms。

　　另外，根據對國內某些地區500kV線路故障切除時間的統計，并且考慮一定裕度，北京電網500kV輸電線路近故障點側的故障切除時間可以取為55ms（斷路器動作時間40ms，保護動作時間15
ms），遠故障點側的故障切除時間可以取為75ms（斷路器動作時間40ms，保護動作時間35 ms）。經過計算，如果采用上述故障切除時間，則豐鎮—萬全—順義、大同—房山輸電通道的極限輸送容量可以提高150～300MW，可節約投資7
300～10 600萬元。

4 結束語

　　北京電網是華北電網和京津唐電網的重要受端電網和負荷中心，為了提高500kV電網的輸送能力，保證向北京供電，需要從規劃階段起重視加強電網結構、合理布局電源、增加無功電源，以及采用緊湊型輸電線、TCSC，縮短除切除故障時間等新技術措施，可以較明顯取得成效。

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