500/220 kV电网的分区研究

吕风磊，李宏仲

(上海电力学院电气工程学院，上海 200090)

500/220 kV电网的分区研究

吕风磊，李宏仲

(上海电力学院电气工程学院，上海 200090)

随着输电网架规模的不断扩大，电网分区已经成为电网发展的必然趋势.介绍了500/220 kV电网的建设过程，强调了进行500/220 kV电网分区研究的必要性，并结合现有研究，将500/220 kV电网分区的研究方法归纳为启发式分区和整体式分区.最后，结合大电网的发展趋势，对分区研究进行了展望.

500/220 kV电网分区;电网结构;分区方法;量化研究

500/220 kV电网分区是在网架建设过程中逐渐出现的，从20世纪80年代末到21世纪初期的500/220 kV电网建设来看，负荷的大规模增长以及社会巨大的电量需求使电网建设的速度过快，并且在电网规划上，对未来电网发展的预测不足，这就直接影响了大电网变电站的建设速度;加之在电网建设体制上，我国早期电网建设的思路重发轻供，电源建设比电网建设要超前，而且受20世纪90年代电网投资体制的影响，500 kV电网的建设比较滞后，220 kV电网建设较快.因此，在500/220 kV电磁环网运行中，出现了由潮流过载带来的大电网事故，短路电流水平不断提升，这对大区域电网的管理和操作控制带来了很大的难度.

目前，500/220 kV电网已经成为我国电力传输网架的核心部分，当输电网出现上述问题时，会对电网的安全可靠运行带来极大的危害.［1］同时我国现阶段的实际情况决定了对输电线路、电气设备不可能进行大规模改造，而只能对现有的网架结构进行优化，因此500/220 kV电网分区成为电网发展的共识.

随着我国电压等级的不断发展，受端电网分区［2-4］势在必行，正如《电力系统安全稳定导则》中明确指出的，“随着高一级电压电网的建设，下级电压电网应逐步实现分层分区，相邻分区之间保持互为备用，应避免和消除严重影响电网安全稳定的不同电压等级的电磁环网”.

本文主要对500/220 kV电网分区的研究方法进行总结和归纳，指出了当前研究的不足，并结合未来网架的发展，对分区的研究思路进行了展望.

1 电网分区研究方法现状

欧美发达国家的网架布局相对合理，电气设备容量大、热稳定性能好，因此对电磁环网问题，尤其对电磁解环分区的研究不多，而是将研究重点更多地集中在电磁环网中电力电子技术的应用上，即通过现代控制技术消除环流控制潮流分布，以提高系统运行的经济性.［5］

近10年来，针对我国电网面临的问题，各地都对500/220 kV电网的分区工作进行了研究和分析，而且对1 000/500 kV电网的分区研究也已经出现.经过整理和汇总，可以将分区的方法分为启发式分区和整体式分区两种.

1.1 启发式分区

依据电力系统的安全稳定准则，理想的电网分区要满足以下几种要求和原则:正常(含计划检修)方式下满足N-1方式校验;既要降低短路电流水平，又要保证供电可靠性;便于安全稳定第三道防线的实施;充分的无功补偿和有效的电压调节.［6-9］结合上述原则，所谓启发式分区，是指通过对电网中的特定线路的开断来计算系统的潮流、短路电流等相关的安全稳定指标，以解决500/220 kV电网的环网等问题.

文献［10］和文献［11］通过计算和分析天津电网的电力平衡关系、短路电流、潮流以及稳定校核，指出了电磁环网运行存在的问题，提出了分区供电方案，将天津220 kV电网划分为东、西、中3个分区;文献［12］针对山西中部电网短路水平急剧增大、厂站设备短路容量超标日益严重、电磁环网问题日趋突出的情况，提出了6种分区方案，并通过简单电气计算对每一种方案进行了评估;文献［13］则主要将短路电流和N-1分析结合起来，进行了福建电网的分区线路的初选;文献［14］列举了几种详细的解环方案，对辽宁电网的断面解环和分区运行进行了探讨;文献［15］通过潮流和短路电流的计算，分析了西南和东部地区解环的条件.

综上所述，500/220 kV分区研究主要针对存在问题的区域，通过个别线路的开断进行分区，这种方式可以快速地解决出现问题的线路，效果明显.但启发式分区缺乏对区域网架结构的研究，分区的各个区域一般是凭经验采用启发式方法逐步形成的，因而这种分区存在一定的局限性，无法保证分区的可扩展性，即有可能使得各分区的短路容量裕度不平衡，有的分区无可扩展的余地.

1.2 整体式分区

整体式分区是指依据每个区域的特点(主要是500 kV变电站个数)进行的整体式分区.根据实际研究情况，可以分成变电站数目式整体分区、基于短路电流的整体式分区和基于拓扑网架的整体式分区3种.

1.2.1 变电站数目式整体分区

文献［16］针对浙江电网220 kV母线分裂方式进行了探讨，提出“独立2+2”和“联合2+2”两种分区模式，并对两种模式进行了比较;文献［17］根据广东省电网特点，结合行政区划和供电网结构，将全省分成8个相对独立的220 kV区域电网，分别为广州、深圳、东莞、佛山及云肇、江中珠、惠州及粤东、粤西、粤北电网，并在以上分区的基础上，再以一个或若干个500 kV变电站作为主要的供电电源，配合本地区内部的发电厂作为辅助电源实施分区供电.

1.2.2 基于短路电流的整体式分区

基于短路电流进行分区是指利用短路电流的计算模型，结合短路电流的限制，计算一带一型、二带一型的网架结构最大的带负荷能力，从而进行整体性的分区研究.文献［18］和文献［19］利用典型的分区短路模型，以变电站和电厂的容量为参考，从分区的供电能力方面进行了探讨;文献［20］从短路电流的分区模型入手，结合变压器的供电能力，对500/220 kV分区的受电能力进行了定量分析.这些文献归纳出了一带一型、二带一型的网架结构，如图1所示，但缺少对此类N带一型网架结构的深入研究，也缺乏对电网结构的量化研究.

图1 两种网架结构

1.2.3 基于拓扑网架的整体式分区

基于拓扑网架的整体性分区，是指结合数学优化的思想和算法，利用网架的拓扑结构进行线路的整体性分区.文献［21］利用TABU搜索算法，以电气信息为分区的约束条件，对电网进行了整体划分;文献［22］和文献［23］提出了一种基于网络社团结构特性量化分析的电磁环网分区方法:根据枢纽变电站分布情况及网络拓扑结构特性，应用GN分裂算法将电磁环网运行方式下的低电压等级网络划分成若干分区，依据电力网络分裂过程中各个分区被划分出来的先后顺序形成电磁环网分区方案集合，并利用社团结构模块度指标来衡量电磁环网的分区质量;文献［24］利用复杂网络理论，建立了小世界模型和无标度模型，对电力系统进行故障模拟，从而定性分析出电网中线路和节点的脆弱性，［25］以期为解环分区提供更精细的分析.基于数学优化方法进行分区研究，这为研究分区提供了新思路，但其未从电网结构上进行分区分析，同时基于数学算法的分区研究，还需要密切结合电气信息，加强研究方法的实用性.

2 电网分区研究存在的问题及未来的研究重点

2.1 电网分区研究存在的问题

综上所述，当前电网分区研究存在以下几个问题:

(1)500/220 kV分区研究主要针对存在问题的区域，通过个别线路的开断进行分区，缺乏深入电网结构的整体性分区研究;

(2)缺少对当前分区研究的归纳总结，没有得到具有适用性的典型分区模型，不能为电网分区提供有价值的参考;

(3)电网结构缺乏实用性和指导性的量化评价，［26］现阶段对电网结构的研究只是停留在拓扑形态上，缺乏结合电气信息，对电网结构进行理论［27-30］的量化研究.

2.2 未来的研究重点

根据电网中长期规划，大电网发展主要存在两个思路，即柔性输电技术应用和特高压网架的建设.针对这两个方向，结合500/220 kV分区研究的不足，未来电网分区应注重以下几个方面的研究.

(1)针对500/220 kV分区研究的不足，结合近年来的大电网事故，应深入500/220 kV分区电网结构电气特性的研究，对500/220 kV电网分区进行细致的模型研究及量化电网结构的研究.

(2)特高压电网的接入，将使我国电网出现1 000/500 kV电磁环网，甚至可能出现1 000/ 500/220 kV多级电磁环网，会对系统的安全稳定运行带来严重的隐患.因此，借鉴500/220 kV电网分区的经验和教训，在特高压接入后，应加强对下一级电网进行分区的研究.

(3)结合柔性输电技术，针对目前短路电流的问题，应限制短路电流，改善电网结构.

(4)利用新方法进行大电网的拓展研究.针对大电网故障的幂律特性，应利用复杂网络理论对电网的自组织特性进行研究，建立小世界模型和无标度模型，对电力系统进行故障模拟，从而定性分析出电网中线路和节点的脆弱性，为解环分区提供更精细的分析;在交通网络研究中，已经广泛应用分形理论来研究空间形态和分布格局的问题，通过分形维数来表征交通网络覆盖特征和结构，以及衡量交通网络的连通性、功能完善度和分布均匀度，解释交通发展和演化规律.由于交通网络与电网网架在几何形态上有一定的相似性，因此可以尝试将分形理论应用到电力系统网架研究中.

3 结语

对500/220 kV电网分区进行研究，需要深入到电力系统安全稳定的层面，进行更加细致、全面的探讨和分析，以期为未来的500/220 kV电网或特高压电网建设提供更具价值的参考和指导.

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(编辑 胡小萍)

Research of 500/220 kV Power Grid Partition

LÜ Fenglei，LI Hongzhong
(School of Electrical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai200090，China)

With the continuous expansion of the power grid，the 500/220 kV grid partition has become an inevitable trend of the power grid development.The process of the power grid construction is introduced，and the necessity of 500/220 kV power grid partition is presented.According to the correlation study，the research methods of power grid partition are summarized as partial partition and integral partition.Finally，the future exploration on the power grid partition is prospected.

500/220 kV power grid partition;power grid structure;partition methods; quantitative research

TM712

A

1006-4729(2015)03-0233-04

10.3969/j.issn.1006-4729.2015.03.008

2014-09-09

吕风磊(1987-)，男，在读硕士，山东东营人.主要研究方向为电力系统安全与稳定.E-mail: tracysl07@Yeah.net.

上海绿色能源并网工程技术研究中心资助项目(13DZ2251900).