湖北电网消纳蒙鄂特高压直流能力研究

舒东胜，王甜，徐箭，张华坤

(1.湖北省电力公司，武汉市 430000；2.武汉大学电气工程学院，武汉市 430072)



湖北电网消纳蒙鄂特高压直流能力研究

舒东胜1，王甜2，徐箭2，张华坤2

(1.湖北省电力公司，武汉市 430000；2.武汉大学电气工程学院，武汉市 430072)

2017年蒙西至湖北±800 kV特高压直流输电通道建成，将与湖北电网现有交流特高压输电通道一起，形成特高压交直流并联的格局，对湖北电网的结构形态、运行特性变化产生重要影响。以2017年湖北电网丰大运行方式为背景，根据湖北电网规划电力流，利用仿真软件PSASP建立湖北电网网架结构模型。采用连续潮流算法计算求取湖北电网对蒙西特高压直流的消纳极限，并对消纳极限运行方式下的湖北电网进行稳定校核，包括静态安全分析、单一故障及严重故障的暂态稳定校核。

湖北电网；消纳极限；连续潮流算法；稳定校核

0 引 言

“十三五”期间，随着全国电力流规模的加大，华中特高压电网在试验示范工程的基础上不断加强和扩大。为满足蒙西火电及风电大规模外送的需要，建成蒙鄂特高压直流输电工程，在全国特高压电网中具有举足轻重的地位。近年来，随着特高压交、直流工程的推进，全国将逐渐形成多个具有明显大受端特点的交直流互联的大规模电网[1-5]。蒙西风力资源丰富，开发力度近年来持续加大。蒙西至湖北±800 kV特高压直流输电通道作为湖北电网远景目标规划方案，将与湖北电网现有交流特高压输电通道一起，对湖北电网的结构形态、运行特性变化产生重要影响。同时，作为华中电网的枢纽，湖北电网承担着送、受端电网的双重角色。湖北电网与蒙西将建成2回蒙鄂特高压直流输电工程，增加北方火电、风电送出通道，特高压交直流的混合运行，加强了全国电网的网架联系，电网的运行更加复杂[6-7]。蒙鄂特高压直流的接入将对湖北电网的潮流分布以及稳定水平产生重要影响。

蒙西至湖北±800 kV特高压直流输电线路作为蒙西电能大容量外送通道，采用分层接入方式将蒙西电能送入湖北，以缓解湖北省内电力供应不足的现状。同时它也是首条接入湖北电网的特高压直流线路，在基础潮流的运行方式下其输送功率为800万 kW，输送功率较大。因此，计算该线路接入湖北电网后所能传输的最大功率对于提升具有交直流混联运行特性的湖北电网的能力、湖北电网未来的特高压直流工程建设及安全控制措施具有重要意义。随着全国特高压直流技术的广泛应用，交直流互联系统更加普遍，交流系统对于特高压直流的消纳能力的研究将会成为特高压直流技术发展的重要方面。

本文以2017年丰大方式下湖北电网为背景，蒙鄂特高压直流线路采用一回通过交流500 kV，一回通过交流1 000 kV的分层方式接入湖北电网的条件下，求取湖北电网对蒙西特高压直流的消纳极限，并对消纳极限运行方式下的湖北电网进行稳定校核，验证特高压直流线路采用该接入方式的合理性[8]。

1 规划电力流分析

根据“十三五”规划电网方案以及2017年湖北省统调最大负荷3 837万kW水平，省内交流受电功率为1 180万kW，直流受电功率800万kW，受电功率共计1 980万kW。其中包括四川水电受电功率1 020万kW，其中100万kW留在湖北，920万kW转供江西、湖南和安徽；三峡发电2 240万kW，其中直流外送功率1 320万kW，留在湖北400万kW，其他通过交流通道转送湖南、江西和安徽；鄂豫断面受电功率650万kW；蒙西特高压直流接入湖北送电功率为800万kW。2017年丰大方式下湖北电网网架结构如图1所示，研究涉及的主要断面网架电力流见表1。

图1 2017年湖北电网结构(丰大方式)Fig.1 Structure of Hubei power grid in 2017 (during high flow periods)

2 消纳极限分析方法

2.1 计算程序及模型

本文采用中国电力科学研究院“电力系统分析综合程序”(PSASP)，潮流计算方法为最佳乘子法，允许电压标么值下限为0.95 pu，上限为1.15 pu，迭代次数上限为50次。

表1 湖北省网架电力流

Table 1 Power flow of Hubei power grid 万kW

湖北省内100 MW及以上机组采用Ed″和Eq″变化模型，并考虑励磁调节器和原动机及调速系统；100 MW及以下机组按Eq′恒定模型。负荷接在220 kV变电站的110 kV母线上，负荷采用感应电动机和恒定阻抗模型，其中恒定阻抗所占比例为35%。

2.2 消纳极限计算方法

在计算消纳极限时，本文采用连续潮流算法。与常规的潮流计算相比，连续潮流方法的优点在于能充分考虑系统的非线性以及参数对系统静态电压稳定性的影响，提供比常规潮流更丰富的信息。当求得参数的临界值时，也就得到了系统的消纳极限[9]。目前，连续潮流算法已广泛应用于大规模输电网极限传输能力的计算中[10-12]。

2.2.1 连续潮流算法的基本原理

系统潮流方程中的物理量分为给定量和待求量两类，如果给定量发生变化，则潮流结果也将随之改变，故将系统中某些特殊的物理量作为可变参数引入潮流方程，便构成了含参变量的潮流方程。系统潮流方程参数化为如下形式：

f(x,λ)=0

(1)

式中：f为潮流方程的一般形式；x为表征系统的状态量；λ为系统中感兴趣的可变参数。

当式(1)中的参数λ连续改变时，用连续潮流算法可以跟踪系统状态的变化，从而得到系统的定常解曲线，在该曲线上的任意点满足参数化潮流方程。显然，参数的改变是有极限的，当参数改变到邻近其极限值时，潮流方程的雅可比矩阵将出现病态，对应于数学上的鞍结分岔点。

计算可变参数临界值是连续潮流的主要应用[13]。图2为系统某母线的电压随参数变化的曲线，其中λcr为可变参数λ的临界值。计算需选取一个已知的初始解点A(x0,λ0)和预测步长Δλ，以求取下一个曲线上的点，直到求出曲线上可变参数λ的临界值λcr对应的点B为止。

图2 连续潮流算法示意图Fig.2 Schematic diagram of CPF algorithm

2.2.2 湖北电网消纳蒙西特高压直流能力的计算方法

选取蒙西特高压直流与湖北电网这一功率传输通道上初始传送功率P0为800万kW，计算得到连续潮流算法的初始解点(x0,P0)，然后在线路上逐渐增加有功功率，求解一系列的潮流，检查在此潮流下的约束条件，直到功率突破某个极限导致不满足约束条件，则此时的功率就是功率传输极限。计算消纳极限的流程如图3所示。

图3 计算消纳极限流程图Fig.3 Flow chart of transfer limit calculation

根据电力系统安全稳定标准，传输功率极限计算的约束条件和基本步骤如下：

(1)求解初始运行条件下的潮流(P0=800万kW)；

(2)逐次增加送电通道的传输容量，步长为ΔP=50万kW，增加断面传输容量的方法采用增加特高压直流传输的电流，同时调整湖北省内开机，以保证所增加的传输容量全部由湖北电网消纳；

(3)计算分析改变传输容量之后的潮流及稳定性，约束限制条件设置为新增加断面传输容量之后的系统满足静态安全稳定性、暂态稳定性；

(4)若改变后系统稳定，且满足约束条件则继续增加断面传输容量；

(5)若传输容量改变后系统突破稳定极限或不满足约束条件则减少断面；

(6)重复计算，直到得到保证系统稳定的最大传输容量Pm。

3 消纳极限计算及稳定校核

3.1 消纳极限计算

根据2.2节所述消纳极限计算方法，在2017年湖北电网丰大运行方式下，采用连续潮流算法，调整开机，增加蒙西特高压直流传输功率，同时减少湖北省内开机。以蒙鄂特高压直流增加功率与湖北省内关机总量相等和优先减少鄂东开机为原则，在调整蒙鄂特高压直流传输功率值为某个确定的值时，多次调整省内开机，形成多种开关机方式。只要有一种开关机方式下，所有约束条件都能满足，则继续增加蒙鄂特高压直流传输功率，直到在蒙鄂特高压直流功率增加到某一值时，湖北省内开关机如何调整均不能完全满足安全稳定条件，则此时的直流传输功率超出了传输极限，蒙鄂特高压直流传输功率极限为之前的输送功率调整值。

计算表明，当蒙西特高压直流线路的传输容量达到1 400万kW时，系统潮流分布、重要母线电压水平、主变下网均在较为合理的水平上，静态安全分析校核通过，系统能够保持暂态稳定性。当蒙西特高压直流线路传输容量继续增加达到1 450万kW时，系统静态安全分析不能通过，不满足电网安全稳定标准。此时计算超过约束极限，可以得到突破约束极限上一个运行条件下的断面传输功率为极限传输功率，即为1 400万kW。

3.2 消纳极限运行方式下的稳定校核[14-15]

3.2.1 消纳极限运行方式下的湖北电网基本特征

湖北电网2017年丰大极限运行方式下，湖北省电网通过蒙西特高压直流、特高压交流以及500 kV交流线路，接受川渝水电以及北方火电，同时向湖南、江西、华东供电。荆门、武汉特高压电网通过潮流计算得到湖北电网与周边省间500 kV及以上联络线，省内500 kV及以上联络线、主变均无过载现象，系统能够保证稳定运行。湖北电网省间联络线在基础和极限运行方式下的潮流如表2所示。

表2 湖北电网省间联络线潮流

Table 2 Power flow of tie-lines in Hubei power grid 万kW

由表2可以看出，在蒙西特高压输送极限功率的条件下，湖北电网各省间断面潮流与基础潮流下相比发生了变化，但省间断面潮流总和基本保持不变，即保证了蒙西特高压直流线路增加的传输功率全部由湖北电网消纳。另外，万县—荆门特高压联络线每回线路潮流达到324万kW，交流通道上的负载较重，若系统发生严重故障导致潮流大规模转移，如特高压直流线路发生闭锁，则该交流线路上的潮流可能超过其热稳极限，给系统的安全稳定造成威胁。

3.2.2 静态稳定性分析

以省间、省内500 kV及以上交流线路、特高压直流线路、特高压主变为研究对象，在所分析电网的基础潮流下，开断某500 kV及以上单回线路，直流线路设置为单极运行，考察所研究线路的潮流是否超过热稳极限值，以及特高压主变是否过载。表3以潮流较重的省间1 000 kV联络线和蒙西特高压直流线路为例来说明在消纳极限运行方式下湖北电网的静态稳定性。

湖北电网2017年丰大极限运行方式下，对省间、省内500 kV及以上线路进行“N-1”静态安全稳定性校核，从表2中可以看出在极限运行方式下，线路

表3 部分线路静态安全分析结果

Table 3 Static security analysis results of part transmission lines 万kW

潮流加重，万县—荆门线路一回线路“N-1”之后，另一条线路潮流达到526万kW，潮流较重，九盘—龙泉一回线断开后另一回线功率达到175万kW，接近热稳极限180万kW。除此之外，其他的潮流均不重，能满足要求。总体看来，系统中的线路能够通过静态安全稳定校核，不会超过热稳极限值。

3.2.3 暂态稳定性分析

以省间、省内500 kV及以上交流线路、直流线路、特高压主变为研究对象，在所分析电网的基础潮流下，进行单一故障及严重故障时暂态稳定计算。单一故障设置为某一回线路1 s时刻三相永久性接地短路故障，故障发生在线路2%处，1.09 s本侧保护跳开，1.1 s对侧保护跳开；对于直流线路，则是设置为1 s单极闭锁故障。严重故障设置为故障后跳双回线路，直流线路设置为1 s双极闭锁故障。稳定判据为系统内主要机组间的最大相对角度小于180°，且电压和功角的振荡趋势为减幅振荡；系统内中枢点电压低于0.75标幺值的时间不超过1 s；联络线功率震荡呈衰减趋势。严重故障时，系统发生失稳，但是在采取切机、切负荷等安全稳定措施后系统恢复稳定状态，也应视为系统稳定。

(1)单一故障暂态安全分析。

稳定计算结果表明：2017年湖北电网极限运行方式下，湖北电网省内及省间1 000 kV特高压线路，500 kV交流联络线路，交流特高压站主变，直流500 kV接入线路、直流800 kV接入线路发生三相永久性短路故障，湖北省内7条直流线路发生单极闭锁故障时，系统均能保持稳定，满足稳定导则要求[16]。

(2)严重故障暂态安全分析。

稳定计算结果表明：2017年湖北电网极限运行方式下，对湖北电网省内及省间1 000 kV特高压线路，500 kV交流联络线路，交流特高压站主变，直流500 kV接入线路、直流800 kV接入线路进行严重故障暂态稳定校核，万县—荆门线路潮流较重，线路发生三相接地短路时系统会发生暂稳失稳，在安稳装置动作切除送端部分机组时，系统能够恢复稳定，而其余考察线路均能在故障后恢复稳定，满足稳定导则要求。图4、5所示为万县到荆门“N-2”故障前后川二滩01号—鄂三峡左01号的功角曲线和荆门特高压母线电压曲线。

图4 故障前后川二滩01号—鄂三峡左01号的功角Fig.4 Angle curves of Chuangertan#01- Esanxiazuo#01 before and after line fault

图5 故障前后荆门特高压母线电压Fig.5 UHV bus voltage before and after line fault

4 结 论

2017年蒙西特高压直流线路以一回通过交流500 kV，一回通过交流1 000 kV的方式接入湖北电网后，对湖北电网内部及省间断面潮流分布及稳定水平均产生了重要影响。本文在2017湖北电网丰大运行方式下，采用连续潮流算法，计算得到湖北电网消纳蒙西特高压直流的极限功率为1400万kW，即两回直流线路分别输送700万kW，并在蒙西特高压直流线路输送极限潮流的条件下，对湖北电网进行了稳定校核。计算分析结果表明，所考察线路均能够通过静态安全稳定校核，不会超过热稳极限值；单一故障暂态稳定校核均能通过，无失稳现象；对所考察线路进行严重故障暂态稳定校核可知，除一回线路严重故障情况下，系统发生失稳，采取切机操作后，系统恢复稳定，其余线路均无失稳现象，能够保证电网的暂态稳定性。对湖北电网消纳蒙西特高压极限功率的求取及稳定校核验证了特高压直流线路采用该接入方式的合理性，为进一步电网规划和未来经济运行提供参考。

[1] 胡艳梅，吴俊勇，李芳，等.±800 kV哈郑特高压直流控制方式对河南电网电压稳定性影响研究[J].电力系统保护与控制，2013，41(21)：147-153.Hu Yanmei，Wu Junyong，Li Fang，et al.Impacts of DC system control mode for ±800 kV Ha-zheng UHVDC on voltage stability of Henan power grid[J].Power System Protection and Control，2013，41(21)：147-153.

[2] 华文，徐政，丁理杰.特高压直流输电对四川电网的影响[J].华东电力，2011，39(12)：2007-2011.Hua Wen，Xu Zheng，Ding Lijie.Impacts of UHVDC transmission on sichuan power grid[J].East China Electric Power，2011，39(12)：2007-2011.

[3] 卫鹏，周前，汪成根，等.±800 kV锦苏特高压直流双极闭锁对江苏电网受端系统稳定性的影响[J].电力建设，2013，34(10)：1-5.Wei Peng，Zhou Qian，Wang Chenggen，et al.Impact of bipolar blocking in ±800 kV Jinsu UHVDC power transmission system on stability of jiangsu grid’s receiving-end system[J].Electric Power Construction, 2013, 34(10): 1-5.

[4] 傅玉洁，沈扬，丁健，等.±800 kV重庆特高压直流换流站操作过电压机理及仿真[J].电力建设，2013，34(9)：48-54.Fu Yujie, Shen Yang, Ding Jian, et al.Switching overvoltage mechanism and simulation of ± 800 kV chongqing UHVDC converter station[J].Electric Power Construction, 2013, 34(9): 48-54.

[5] 谢惠藩，王海军，陈潜.云广特高压直流对南方电网稳定性影响[J].电力系统及其自动化学报，2010，22(6)：130-137.Xie Huifan , Wang Haijun , Chen Qian.Influence of Yun-Guang UHVDC transmission system on power system stability of CSG[J].Proceedings of the CSU-EPSA，2010，22(6)：130-137.

[6] 赵杰.高压直流输电的前沿技术[J].中国电力，2005，38(10)：1-6.Zhao Jie.HVDC transmission technologies at the frontier[J].Electric Power，2005，38(10)：1-6.

[7] 刘泽洪，高理迎，余军.±800 kV特高压直流输电技术研究[J].电力建设，2007，28(10)：17-23.Liu Zehong，Gao Liying，Yu Jun.Study on ±800 kV UHV DC transmission technology[J].Electric Power Construction，2007，28(10)：17-23.

[8] 刘振亚，秦晓辉，赵良，等.特高压直流分层接入方式在多馈入直流电网的应用研究[J].中国电机工程学报，2013，33(10)：1-7.Liu Zhenya，Qin Xiaohui，Zhao Liang，et al.Study on the application of UHVDC Hierarchical connection mode to multi-infeed HVDC system[J].Proceedings of the CSEE，2013，33(10)：1-7.

[9] 张伯明，陈寿孙.高等电力网络分析[M].北京：清华大学出版社，1996.

[10] 陈静，李华强，刘慧.基于连续潮流法的交直流系统可利用传输能力的计算[J].电力系统保护与控制，2010，38(16)：1-5.Chen Jing，Li Huaqiang，Liu Hui.Caculation of available transfer capability for AC/DC power system [J].Power System Protection and Control，2010，38(16)：1-5.

[11] 刘焕志，李扬，陈霄.基于连续潮流的输电网可用输电能力计算[J].电力自动化设备，2003，23(12)：5-8.Liu Huanzhi，Li Yang，Chen Xiao.Available transfer capability calculation based on continual power flow for transmission network[J].Electric Power Automation Equipment，2003，23(12)：5-8.

[12] 陈国通，吴杰康，张宏亮，等.基于连续潮流算法的可传输容量计算[J].电力学报，2007，22(2)：154-158.Chen Guotong，Wu Jiekang，Zhang Hongliang，et al.Continuous power flow method for available transfer capability computation[J].Journal of Electric Power，2007，22(2)：154-158.

[13] 赵晋泉，张伯明.连续潮流及其在电力系统静态稳定分析中的应用[J].电力系统自动化，2005，29(11)：91-97.Zhao Jinquan，Zhang Boming.Summarization of continuation power flow and its applications in static stability analysis of power system[J].Automation of Electric Power Systems，2005，29(11)：91-97.

[14] 张晋华，蒋卫平，印永华，等.特高压规划电网安全稳定性研究[J].中国电机工程学报，2008，28(22)：64-68.Zhang Jinhua，Jiang Weiping，Yin Yonghua，et al.Security and stability study on planned ultra high voltage power grid[J].Proceedings of the CSEE，2008，28(22)：64-68.

[15] 舒印彪，张文亮，周孝信，等.特高压同步电网安全性评估[J].中国电机工程学报，2007，27(34)：1-6.Shu Yinbiao，Zhang Wenliang，Zhou Xiaoxin，et al.Security evaluation of UHV synchronized power grid[J].Proceedings of the CSEE，2007，27(34)：1-6.

[16] DL755—2001电力系统安全稳定导则[S].北京：中国电力科学研究院，2001.

(编辑：张媛媛)

Accommodating Power Ability of UHVDC Transmission Lines from Mengxi to Hubei Province

SHU Dongsheng1，WANG Tian2，XU jian2，ZHANG Huakun2

(1.Hubei electric power company, Wuhan 430000, China;2.School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

±800 kV Mengxi-Hubei UHVDC transmission lines will be built in 2017, which will have formed a UHADC parallel power system with the existing UHVAC transmission lines in Hubei province.It will have a great influence on the structure and operation characteristics of Hubei power grid.Based on the operation during high flow periods and planning capacity of power delivering of Hubei power grid in 2017, the network structure model was set up with using PSASP software.The continuation power flow (CPF) algorithm was used to calculate the power transfer limit of Mengxi-Hubei UHVDC transmission lines.The stability of Hubei power grid was verified with the Mengxi-Hubei UHVDC transmitting limit power, which included static security analysis, transient stability check of single and serious fault.

Hubei power grid; power transfer limit; continuation power flow algorithm; stability check

TM 74

A

1000-7229(2015)03-0059-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.03.010

2014-11-15

2015-01-07

舒东胜(1975)，男，高级工程师，主要从事电网规划方面的研究工作；

王甜(1990)，女，硕士研究生，主要从事电力系统运行与控制方面的研究工作；

徐箭(1980)，男，博士，副教授，主要研究方向为电力系统电压稳定分析与控制、大规模风电接入后的电力系统运行与控制；

张华坤(1990),男，硕士研究生，主要从事电力系统运行与控制方面的研究工作。