福州特高压变电站500 kV主接线方案优化

林毅，林章岁，蒋朋博

(福建省电力有限公司电力经济技术研究院，福州市350012)

福州特高压变电站500 kV主接线方案优化

林毅，林章岁，蒋朋博

(福建省电力有限公司电力经济技术研究院，福州市350012)

福州特高压变电站是特高压电网进入福建的首站，其500 kV主接线方案对省内500 kV电网结构和安全稳定有重要影响。根据福州特高压工程的建设规划和福建500 kV电网特点，分别从电网结构、潮流分布、短路电流、经济性等方面对福州特高压变电站500 kV主接线方案进行了分析。福州特高压500 kV电气主接线方案未采用三分之二接线数与主变数匹配的常规方案，而采用东、西送电通道分列的方案。分析结果表明，采用的方案结合福建电网实际情况，有效地加强了沿海输电通道，较其他方案对未来电网潮流方式变化有更好的适应性，并且还具有投资节省、施工周期短、运行维护方便等优点。

特高压;变电站;电气主接线;短路电流;电网规划

0 引言

浙北—福州特高压交流输变电工程包括浙北、福州2个特高压变电站和浙北—福州特高压输电线路［1］，其前期工作目前已获重要进展。作为福建省首座交流特高压变电站，福州特高压变电站500 kV主接线方案对福建500 kV电网结构和安全稳定有着重要的影响，同时也得到了有关方面的关注。

福州特高压变电站在国家特高压电网及福建电网中具有十分重要的作用。目前，福建电网与华东电网间只有2回500 kV线路联络，且受稳定极限制约，最大输送容量仅约1 700 MW，无法满足“十三五”期间沿海大型核电投产以及丰水期省内余电外送的需求。福州特高压变电站既是区外特高压来电的接受点，亦可成为福建北部沿海大型电源的接入点，并将成为东南沿海特高压网架及福建北部500 kV电网的重要支撑点。

迄今为止，我国在特高压变电站电气主接线设计方面已积累了一定的经验，并发表了一系列成果。其主要方法一般是从短路电流、可靠性等对特高压变电站500 kV电气主接线方案进行研究［2-9］。本文则根据福建电网的实际特点，分别从福建电网主网架结构、潮流分布、短路电流、建设投资等多个方面对福州特高压500 kV电气主接线方案进行综合分析，据此提出福州特高压500 kV电气主接线优化方案，为特高压变电站工程优化设计提供参考。

1 福州特高压变电站工程概况

按照工程可研报告，福州特高压变电站远景规划3台3 000 MVA主变，采用18%阻抗主变，1 000 kV出线6回(浙南2回、厦门2回、向东备用2回)，500 kV出线8回。本期工程安装2台主变，架设往浙南2回1 000 kV出线，500 kV出线4回(笠里2回，宁德核电2回)，2020年前架设至三阳变2回线。远景福州特近区500 kV电网地理接线如图1所示［10］。

2 福州特高压站接入后的电网新特点

2.1 系统潮流方式新特点

(1)“北电南送”规模较大。从分区电力平衡来看，北部福州、宁德地区将在相当长时期内保持电力外送，并且外送规模较大;而省内南部地区则为主要负荷区，缺乏电源，需要通过主网架从北部大量输送电力。2012年宁德、南平地区外送最大潮流合计高达2 200 MW以上，宁德核电(本期规模4× 1 000 MW)投产将进一步增加向南部送电的规模。

(2)近中期东部沿海电网输电压力较大。研究表明，未来福建东部仍将是用电快速增长地区，近中期，宁德、福州地区电力盈余很大一部分应送往东部沿海地区。特高压工程的建设有效地解决了大规模外部电力受入的问题，并缓解了南北通道上的送电压力。随着宁德负荷发展，宁德核电的电力输出大部分就近消纳，外送电规模将逐步减少。

(3)向闽西北地区的输电规模尚存在不确定性。由于西部三明、南平地区暂无新建电源计划，需要宁德、福州等地区送入。但闽西北地处山区，其负荷发展较慢。

2.2 福州特高压变电站近区电网短路电流

在福州特高压500 kV母线未分段的情况下，福州特高压附近的500 kV变电站母线三相短路电流如表1所示。

从表1可以看出，随着接入电源的增加和电网发展，福州特高压近区主要变电站500 kV母线三相短路电流逐步逼近断路器遮断值。远景福州特高压站、笠里变电站500 kV母线短路电流均将超过设备遮断容量。

对远景饱和负荷年笠里站500 kV母线三相短路作具体分析，考察其他各变电站对其母线三相短路电流的贡献。笠里变电站500 kV母线三相短路时，短路电流分布如表2所示。

从表2可以看出，笠里站500 kV母线发生三相对地短路时，短路电流主要由福州特高压站提供。因此，为了控制笠里站500 kV母线短路电流，需要对福州特高压500 kV母线进行分段。

3 福州特高压500 kV主接线方案

3.1 电气主接线方案

按照前文分析，福州特高压500 kV母线需预先设计分段方案。根据短路电流计算结果可总结出以下特点:

(1)近期短路电流不大的情况下，分段断路器可以合环运行。

(2)中期(2020年左右)福州特高压2台主变运行时，笠里站500 kV母线三相短路电流达到59.8～60.4 kA。此时福州特高压500 kV母线需分段运行，以控制笠里站短路电流。

(3)远景3台主变投入时，母线必须分段运行以限制短路电流;远景即使1台主变检修，母线也必须分段运行，否则500 kV母线短路电流仍超标。

远景福州特高压500 kV母线分段方式可以采用3台主变分3段运行(1+1+1)或者分2段运行方式(1+2)。计算表明，(1+2)分段方式不会引起短路电流超标，故推荐按照分2段进行考虑。

本文在文献［4］研究成果的基础上，着重对图2所示的2个福州特高压500 kV电气主接线方案进行分析和比较。

方案1中，三阳、宁德核电和向闽西部的备用共6回出线位于西侧分段母线，笠里2回出线位于东侧分段。方案1为设计推荐方案。方案2与主接线方案1的不同之处在于，方案2将东部沿海4回线与至闽西部4回线分列在东西2个分段上，从而避免了方案1单主变带单通道的情况。方案2是本文的优化方案。

3.2 主接线方案对电网结构的影响

电气主接线方案1和方案2中500 kV进出线排列方面的主要区别在于，宁德核电这2回电源线是接西侧分段还是东侧分段。从网架结构上看，2个方案在初期母线合环运行时是没有差别的，但当短路电流增大，特高压变电站500 kV母线需要分段运行时，2个方案分段方式不同将对电网结构造成影响。其中，电气主接线方案1中宁德核电至福州特(由现有的宁德核电至笠里的2回500 kV线路改接而成)线路接入福州特西侧分段，从而加强福建西北部网架，但因福州特东侧分段3号主变带福州特—笠里双回线，在特高压站500 kV母线分段运行的情况下，3号主变若检修或者故障停运，特高压变电站向福州送电(福州特—笠里)双回线需随之停运;尤其是3号主变检修后，宁德至福州之间只剩下2回500 kV线路，东部沿海500 kV网架明显削弱，输电能力减小，不能适应宁德至福州之间输电容量较大的情况。电气主接线方案2中宁德核电双回线接福州特东侧分段，维持了现有的宁德至福州之间沿海双通道、4回500 kV线路结构，东部沿海网架坚强，3号主变停运影响小，宁德至福州之间输电能力较强。显然，电气主接线方案2有利于加强福建东部沿海500 kV网架。

由于2个电气主接线方案所造成的福州特附近500 kV电网结构差异，从而影响了相应的500 kV电网输电能力。2个方案中远期不同方式下500 kV潮流结果对比如表3、4所示。

电气主接线方案1的2020年正常运行方式潮流计算结果如图3所示。从图3可以看出，2020年福州特规模为2台主变，500 kV出线6回，分别至宁德核电、笠里、三阳。正常方式潮流满足要求，但由于方案1宁德核电2回线接至西侧分段，使得宁德地区向南送电通道只有宁德—洋中2回，并且由于该线路单回长期输送能力仅2 022 MW。计算表明，2020年8月大方式若宁德—洋中线路1回停运，单回线潮流分别为1 954～2 128 MW(见表3)。在宁德地区富余电力较多时，将出现N-1过载。可见，方案1对东部沿海“北电南送”适应性较差。

电气主接线方案1的远景正常运行方式潮流计算结果如图4所示。从图4可以看出，正常方式潮流满足要求，但当福州特高压500 kV东侧分段3号主变故障退出，宁德地区送福州断面减少2回线路时，方案1宁德至洋中双回线每回输送有功接近1 900 MW(见表4);宁德至洋中双回线N-1时，另一回线潮流将达到2 100 MW(见表4)，超过线路输送能力;对于远景正常检修方式(3号主变检修)，由于需要相应停运特高压至笠里的2回500 kV线路，如果宁德至洋中双回线N-1，另一回线潮流将高达3 100 MW以上，远远超出了线路输送能力。因此，方案1难以适应远景南部电源装机减少的情况。

电气主接线方案2的2020年正常方式福州特高压近区潮流如图5所示，正常方式潮流满足要求，N-1情况下线路最大潮流达到1 930 MW(见表4)，未过载。

电气主接线方案2的2020年正常方式福州特高压近区潮流如图6所示，正常方式潮流也满足要求。N-1情况下，线路最大潮流达到1 915 MW(见表4)。远景福州特高压东侧3号主变检修，宁德至洋中双回线停运1回后，另一回线潮流为1 629 MW(见表4)，仍在线路输送极限范围内。

由此可见，方案2维持了宁德至福州之间4回500 kV线路的网架结构，能够较好地适应远景宁德至福州地区之间的输电需要。

综合上述分析，方案2主网架可靠性更高，关键断面未出现N-1过载，对故障以及电网运行方式变化有着更强的适应能力。

3.3 主接线方案对短路电流的影响

福州特高压500 kV电气主接线方案对周边变电站500 kV母线短路电流有影响。本节对比2个方案的短路电流水平，并研究可行的短路电流控制措施。

3.3.12020 年短路电流

2020年福州特高压规模为2台主变、500 kV母线未分段时，分别考虑福州特高压1台主变和2台主变运行的情形，短路电流分析结果如表5所示。

由表5可见:(1)2020年福州特2台主变运行的情况下，正常运行时500 kV母线需要分段以控制笠里站短路电流。(2)此时如果福州特有1台主变检修，则可以将500 kV母线合并运行。

3.3.2 远景短路电流

远景福州特规模为3台主变、500 kV出线8回，考虑到不堵死扩建可能，本文考虑了如下3种情形:

CASE1:福州特3台主变，8回出线。

CASE2:在CASE1基础上扩福州特第4台主变。到未来福州特可能向东扩建主变，福州特东侧分段扩建1台主变。

CASE3:在CASE1基础上，电源接入500 kV东侧。假设远景有4×1 000 MW机组以双回500 kV线路接入福州特东侧分段。

短路电流计算结果如表6所示。

由表可见:3种情况下方案1短路电流均未超过遮断值;方案2福州特东侧分段以及相邻的笠里变500 kV母线短路电流较大，扩建第4号主变时笠里短路电流达到60.78 kA，超过断路器运行阈值。方案1福州特500 kV母线东西分段短路电流分布较均衡。

3.3.3 短路电流控制措施

就福建电网而言，控制500 kV系统短路容量的可选措施有:(1)提高变压器阻抗，特高压变压器高中阻抗比可选用18%～21%，如果选用更高阻抗的变压器，还可进一步降低短路电流。计算表明，如果高中阻抗比由18%上升至20%，对表6增扩4号主变的场景，方案2笠里变短路电流由60.78 kA下降至59.4kA(见表7)。(2)母线分段运行。(3)500 kV电网解环。(4)改变电网结构。(5)加限流设备。根据福建电网实际情况，500 kV电网不具备解环运行的条件，因此可采取提高变压器阻抗或改变电网结构等措施。

3.4 主接线方案经济比较

福州特高压变电站500 kV主接线方案因母线分段开关和配串方案不同，变电站内设备布置、总平尺寸、建设投资等均有所变化。

经分析，在技术方面，对比方案1而言，方案2主要有如下优势:一是500 kV GIS分支母线比方案1减少约800单相·m;二是500 kV GIS分支母线不交叉，安装检修更方便;三是由于方案2的500 kV GIS分支母线无需分层，并行布置，电气总平面纵向尺寸可减少4 m，全站围墙内面积减少约1 064 m2。

在经济方面，方案2较方案1节省投资约1 042.3万元［11］(见表8)。

4 结论

(1)本文分别从电网结构、潮流分布、短路电流控制、经济性等方面对福州特高压站500 kV电气主接线方案进行了综合分析。经分析认为，特高压变电站500 kV电气主接线对电网结构、潮流以及短路电流有重要影响。

(2)本文方案1宁德核电接入福州特高压500 kV西段母线，虽然加强了闽西北网架，降低了福州地区短路电流，然而在福州特高压500 kV母线分段运行期间，该方案削弱了宁德向沿海南部的输电能力，对未来可能出现的宁德地区向沿海南部大规模送电的适应性较差。

(3)兼顾未来地区发展的不确定性，本文方案2较其他方案对未来电网方式变化有更好的适应性，技术优势明显，经济性也较优。综合各方面分析，本文建议方案2作为福州特高压变电站500 kV电气主接线方案。

［1］［著者不详］.国家电网总体规划设计［R］.2009版.北京:国家电网公司，2010.

［2］王葵，尹成竹，沙智明.济南特高压变电站500 kV主接线方案［J］.电力建设，2010，31(10):43-49.

［3］邵松涛，葛斌，周海鹏.淮南1 000 kV特高压变电站电气主接线研究［J］.华东电力，2011，39(6):41-45.

［4］［著者不详］.浙北—福州特高压交流工程可行性研究:福州1 000 kV变电站接入系统设计［R］.上海:华东电力设计院，2012.

［5］郭相国，沈珊珊.南昌特高压工程建设必要性及接入系统研究［J］.中国电力，2010，43(8):40-44.

［6］刘建坤，胡亚山，赵静波，等.特高压接入对江苏电网的影响展望［J］.江苏电机工程，2010，29(1):1-3.

［7］应林志，王建全.负荷模型对特高压接入浙江电网暂态稳定分析的影响［J］.华东电力，2011，39(1):121-124.

［8］王昊，王展，陈斌.苏州1 000 kV特高压变电站500 kV电气主接线方案技术经济分析［J］.电力建设，2013，34(4):43-46.

［9］李勇，黄宝莹，鲁宗相，等.基于电网协调发展的特高压变电站电气主接线设计原则［J］.电力建设，2011，31(1):27-33.

［10］［著者不详］.福建省“十二五”主网架滚动规划报告［R］.福州:福建省电力有限公司电力经济技术研究院，2012.

［11］林毅.福州特高压变电站500 kV电气主接线方案优化论证［R］.福州:福建省电力有限公司电力经济技术研究院，2013.

(编辑:魏希辉)

Scheme Optimization of 500 kV Main Electrical Connection in Fuzhou UHV Substation

LIN Yi，LIN Zhangsui，JIANG Pengbo
(Fujian Electric Power Economic Research Institute，Fuzhou 350012，China)

As the first station of UHV power grid in Fujian，the 500 kV main connection scheme of Fuzhou UHV substation affects the steady and security of local power grid.According to the construction schedule of Fuzhou UHV substation and the characters of Fujian 500 kV power grid，this paper analyzed the 500 kV main electrical connection of Fuzhou UHV substation，from the aspects of network structure，power flow distribution，short-circuit current，economical efficiency and so on.Instead of traditional scheme in which the number of transformer matches the number of 3/2 unit，the recommended scheme for 500 kV main connection of Fuzhou UHV substation is setting up east and west transmission channel respectively.The analysis results show that the recommended scheme combines the actual situation of Fujian power grid，and can efficiently enhance the power transmit thoroughfare of coastal area.The recommended scheme has a better adaptability to the change of future power flow distribution than other schemes，also has the advantages of investment saving，short construction period，convenient operation and maintenance，etc.

UHV;substation;main electrical connection;short circuit current;power grid planning

TM 645

A

1000－7229(2014)01－0024－06

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.01.005［HT］

国家电网公司科技项目(521300130CSH)。

2013-08-10

2013-09-26

林毅(1985)，男，博士，工程师，主要从事电网规划以及电力系统最优潮流计算方面的研究，E-mail:liny-02@163.com;

林章岁(1964)，男，硕士，高级工程师，长期从事电网规划设计工作;

蒋朋博(1974)，女，硕士，高级工程师，长期从事电网规划设计相关工作。