抽水蓄能电站接入系统方案研究

唐宝锋，郑紫尧

(国网河北省电力有限公司经济技术研究院，石家庄 050021)

抽水蓄能电站接入系统方案研究

唐宝锋，郑紫尧

(国网河北省电力有限公司经济技术研究院，石家庄 050021)

根据易县抽水蓄能电站的地理位置及电网网架结构，提出3种500 kV接入系统方案和1种220 kV接入系统方案，对各方案从接入点、工程实施难度、电网潮流、短路电流、工程投资等方面进行综合比较，最终确定了易县抽水蓄能电站以2回500 kV出线接入慈云变电站的方案，结合接入系统方案所确定的2回出线规模，通过技术经济比较，确定易县抽水蓄能电站发变组采用联合接线、开关站采用角型接线方案。

抽水蓄能；调峰；接入系统；主接线

1 概述

河北省南部电网(简称“河北南网”)电源结构单一，火电比例高。近些年，伴随外送电源增加和风电规模扩大，使得电网安全稳定运行风险增大。截至2016年底，省调直调装机容量33 476.3 MW，其中火电28 835 MW，占比86.1%；水电1 101.9 MW，占比3.3%；风电1 188.8 MW，占比3.6%；光伏2 146.6 MW，占比6.4%；其他新能源204 MW，占比0.6%。电网负荷峰谷差较大，2016年最大峰谷差12 974 MW，最大峰谷差率44.75%。

抽水蓄能电站是公认的可靠调峰电源[1-2]。抽水蓄能电站在实际运行中具有两大显著的特性：一是它既是发电厂为系统提供峰荷电能，又是用户消纳系统低谷电能，这种调峰填谷的运行方式在减小系统峰谷差时具有双重作用；二是启停迅速，运行灵活、可靠，对负荷的急剧变化能作出快速反应，适合承担系统调频及快速跟踪负荷、备用、无功调节和黑启动等辅助任务。因此，建设抽水蓄能电站，是保障电力系统安全稳定运行的重要措施之一。河北南网水电的调峰能力当前在2 000 MW左右，与实际需求相差较多。为保证河北南网安全稳定运行，迫切需要扩展新的调峰途径，增加抽水蓄能电站这类经济有效的调峰电源。

根据规划，河北南网在2025年前将在保定易县建设1座抽水蓄能电站，规划装机容量为4台300 MW机组。以下根据抽水蓄能电站所处的地理位置及在电网中发挥的作用，介绍了3种500 kV接入系统方案和1种220 kV接入系统方案。对于以上4种接入系统方案，通过对接入点、电压等级、线路路径、潮流、工程造价各方面的综合比较，最终选择了易县抽水蓄能电站通过2回500 kV线路接入慈云变电站的方案。

2 接入系统方案设计

2.1 接入点选择

易县抽水蓄能电站位于河北省保定市易县境内，距保定市76 km，距石家庄市200 km，距北京市120 km。厂址周边主要有保定1 000 kV变电站、慈云500 kV变电站、保北500 kV变电站、易州220 kV变电站、涞阳220 kV变电站等，如图1所示。

图1 易县抽水蓄能电站周边变电站情况

经确认，各站均有间隔供电厂接入。对于相邻较近的易州变电站，根据远景电网分区方案，易州变电站所处电网分区内有西北郊电厂(2台350 MW机组)及蔚县风电(装机容量1 050 MW)，区内电量已经平衡。另外，易州-保北2回线路采用2×LGJ-300导线，极限输送容量为439 MVA。如抽水蓄能电站接入易州变电站，将会造成电力外送容量受限，因此，易州变电站不适宜接入抽水蓄能电站。

对于本工程，系统接入点可在慈云、保定、保北、涞阳变电站中选择。

2.2 接入系统方案

根据易县抽水蓄能蓄能电站的地理位置及在电网中发挥的作用，设计了4种接入系统方案。

方案1：由电站直出2回500 kV线路接入慈云500 kV变电站，线路长约53 km，导线截面LGJ-4×400 mm2。

方案2：由电站直出2回500 kV出线接入保北500 kV变电站，线路长约55 km，导线截面LGJ-4×400 mm2。

方案3：由电站直出2回500 kV线路接入保定1 000 kV变电站500 kV侧东段母线，线路长约51 km，导线截面LGJ-4×400 mm2。

方案4：由电站直出3回220 kV线路，1回接入涞阳220 kV变电站，2回接入慈云500 kV变电站，线路长度分别为54 km及43 km，导线截面LGJ-2×630 mm2。各方案的接入系统示意如图2所示。

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 方案3

(d) 方案4图2 易县抽水蓄能电站接入系统方案

2.3 方案比选

2.3.1 工程实施

经调研，慈云、保北、保定及涞阳变电站均有备用间隔供易县抽水蓄能电站接入。

对于方案1，易县抽水蓄能电站接入慈云变电站的2回500 kV线路需绕行易县县城、望龙山风景区、望龙水库，跨越易水河、高易铁路、京昆高速、廊涿高速、G112国道、S232省道及浑源-安定2条单回500 kV线路，山区地形占比19%。综合比较，该方案不存在施工制约因素，工程总体施工难度较小。

对于方案2，易县抽水蓄能电站接入保北变电站的2回500 kV线路需跨越京昆高速、张石高速、荣乌高速、易水河及浑源-安定2条单回500 kV线路、浑源-霸州2条单回500 kV线路，钻越保定-晋北1 000 kV线路，且山区地形较多，约占40%，工程实施难度较大。

对于方案3，保定1 000 kV特高压变电站共有500 kV出线12回，结合远景规划，其6回接入京津唐电网，6回接入河北南网。在接入河北南网的6回线路中，目前已建设2回接入易水变电站，另有2回规划接入慈云变电站(正处于可研阶段)，仅剩余东侧2回线路供易县抽水蓄能电站接入。经线路专业核实，此2回线需要在站端连续跨越至慈云、易水变电站的4回500 kV线路，施工难度较大。并且，在施工过程中可能需要对该4回线路同时停电，对电网造成较大影响。

对于方案4，接入慈云站的2回220 kV线路与方案1的500 kV线路路径类似。接入涞阳变电站的1回220 kV线路需跨越易水河3次，并跨越京昆高速，全线地形为山区、丘陵，分别占约32%和68%。线路总长度在4种方案中最多，工程量最大。

2.3.2 潮流分布

对各接入系统方案，按照易县抽水蓄能电站大负荷发电及低谷抽水2种工况进行潮流计算，潮流分布合理，不存在线路过载情况。在N-1方式下，方案3在保定-慈云断1回线时，另一回线路潮流将达到2 332 MW，接近线路的极限输送功率(2 400 MVA)。因此，如采用方案3作为易县抽水蓄能电站的接入系统方案，需要对保定-慈云500 kV线路采用有效的潮流控制措施，或者采用更大截面导线，如LGJ-4×630 mm2。

2.3.3 短路电流

该地区500 kV网架短路电流水平较高。2025年各变电站的短路电流如表1所示。

表1 2025年短路电流计算结果 kA

短路地点方案1方案2方案3方案4三相短路单相短路三相短路单相短路三相短路单相短路三相短路单相短路易县抽水蓄能500kV母线28.8924.8829.2425.4330.0025.0337.8227.08慈云保定1000kV500kV母线58.3741.8855.4136.2856.2138.7657.1535.89500kV东59.3333.7957.9231.5061.3238.7958.9131.20500kV西53.0226.7452.9126.7153.0426.7352.9726.71保北500kV母线60.2844.3062.9948.7159.7143.7459.9842.99涞阳220kV------31.2423.96

由表1可见，保北变电站在方案2时短路电流为62.99 kA，已经达到遮断电流的极限水平(63 kA)。因此，该地区需要采取必要的限制短路电流措施。

电网解环是降低短路电流最有效的方案。随着特高压在河北南网的落地，河北南网与京津唐电网可更多通过特高压电网联系，500 kV电网解环已经具备条件。若断开慈云-房山2回500 kV线路，慈云、保定、保北500 kV母线短路电流均有不同程度的降低，如表2所示。

表2 2025年慈云-房山线路断开后 短路电流计算结果 kA

短路地点方案1方案2方案3方案4三相短路单相短路三相短路单相短路三相短路单相短路三相短路单相短路易县抽水蓄能500kV母线26.6423.3528.5825.0228.8824.2536.6825.95慈云保定1000kV500kV母线48.3035.0445.3229.4446.1031.9347.0829.03500kV西54.3731.1952.6428.3755.9235.5753.8228.01500kV东52.3826.3952.3326.3852.4226.3952.3526.38保北500kV母线57.0342.4259.3446.2356.2541.6356.6240.66涞阳220kV------30.4123.14

2.3.4 工程投资

4种接入系统方案的系统一次设备配套投资如表3所示。通过对比分析可知，方案1投资总额最少，方案4投资最大。

通过以上在工程施工难度、电网潮流、短路电流水平及工程投资方面的对比，经综合分析比较，方案1工程实施难度较低，潮流分布合理，且工程造价最低，因此选用方案1为本工程的接入系统方案。

表3 各方案接入系统一次部分配套投资比较 万元

方案项目规格规模投资合计方案1易县抽水蓄能-慈云线路4×LGJ-400同塔双回53km21963慈云站间隔500kVHGIS 个156823531方案2易县抽水蓄能-保北线路4×LGJ-400同塔双回55km23485保北站间隔500kVSF6断路器(罐式)2个147225957方案3易县抽水蓄能-保定线路4×LGJ-400同塔双回51km21808保定站间隔500kVGIS2个173823546方案4易县抽水蓄能-慈云线路2×LGJ-630同塔双回54km18421易县抽水蓄能-涞阳线路2×LGJ-630单回路43km7343慈云站间隔220kVGIS2个722涞阳站间隔220kVGIS1个36126847

3 抽水蓄能电站主接线方案

3.1 主接线方案

易县抽水蓄能电站在电网中主要承担调峰填谷等任务，工况变化频繁，基于上述运行方式及电站分期开发等特点，要求电气主接线能适应本电站的运行特点，选择满足可靠性设计要求及运行工况改变，操作方便、灵活，并力求降低投资的接线方案作为本电站的电气主接线。

3.1.1 发电机变压器组接线

发电电动机与主变压器的组合可采用单元接线、联合单元接线、扩大单元接线，如图3所示。

(a) 方案1 (b)方案2 (c) 方案3图3 发电电动机与主变压器接线方式

方案1采用单元接线方式，接线简单、明了，设备的布置清晰，运行的可靠性较其他两方案高。但该组合方式高压出线需4回，不满足本工程2回500 kV进线方案。

方案2采用联合单元接线。该方案同样具备接线简单、设备的布置清晰的特点，发电电动机的投运操作灵活、简单。500 kV进线回路数可减少到2回，简化了开关站的接线和布置，节省开关站的土建和电气设备投资。

方案3采用扩大单元接线。该方案接线和设备的布置相对复杂，该方案进线回路数为2回，简化500 kV侧的接线，主变压器台数可减少2台，但厂用及起动电源的可靠性较前2个方案差。为减小发电电动机回路的短路电流，变压器需采用低压双分裂绕组的变压器。

综上所述，方案1(单元接线)技术可靠性高，但投资较高；方案3(扩大单元接线)技术可靠性稍差，投资也较高。综合技术经济条件，电站的发电电动机主变压器的组合方式采用方案2(联合单元接线)。

3.1.2 开关站主接线

易县抽水蓄能电站开关站主接线可采用3/2接线、双母线及角型接线3种方式。表4对各方案进行了经济技术比较。

表4 主接线方案经济技术比较

项目3/2断路器接线双母线接线角型接线运行方式任一设备故障不影响供电检修任一母线隔离开关,需停运相连出线和母线任一设备故障不影响供电可靠性高低高断路器数量/只654造价/万元521443453476

3/2接线供电可靠性高，但多应用于进出线较多，需组多串的工程。工程进出线仅4回，组成2串回路，需配置6台断路器，投资较高。双母线接线时，主变压器进线断路器故障时将造成2台机组停机，可靠性较低。角型接线的可靠性与3/2接线相同，运行灵活，且经济性适中，是工程的首选方案。

另外，DL/T 5186-2004《水力发电厂机电设计规范》第5.2.5条3款规定“GIS配电装置，当进出线回路数少时，可采用角型，当进出线回路数较多时，可采用双母线、双母线分段等接线，但均不设旁路母线。进出线达8回及以及上，可选用3/2或4/3断路器接线。”该工程终期规模为2回进线、2回出线，应选用角型接线做为抽水蓄能电站的主接线方案。

4 结束语

对易县抽水蓄能电站的接入系统方案进行了详细论证。通过工程实施难度、电网潮流、短路计算、工程造价的综合对比分析，最终选择了易县抽水蓄能电站经2回500 kV线路接入慈云变电站的方案。结合接入系统方案，对易县抽水蓄能电站的主接线方案提出建议，经经济技术比较，发变组采用联合单元接线方式，开关站采用角型接线方式。

[1] 朱建国．电力系统中抽水蓄能电站调峰作用的研究[J]．能源与节能，2014，(7)：12-13．

[2] 宋 豪，宋曙光，王 超，等．抽水蓄能电站对山东电网风电接纳能力的影响[J]．山东大学学报，2011，41(5)：138-142．

[3] 傅 旭，谷 子．陕西镇安抽水蓄能电站接入系统方案研究[J]．智能电网，2017，5(1)：99-106．

[4] 蔡 黎，陈凌云．抽水蓄能电站接入系统研究[J]．中国电力，2013，46(1)：81-85．

Study on Scheme of Pumped Storage Power Station Connecting to Power Grid

Tang Baofeng,Zheng Ziyao

(State Grid Hebei Economic Research Institute,Shijiazhuang 050021,China)

According to the geographical position and grid structure of Yi'xian Pumped Storage Power Station,three schemes of connecting to power grid in 500 kV and one scheme of connecting to power grid in 220 kV are put forward.After the comprehensive comparison of each scheme from the point of access,the difficulty of the project,power flow, short-circuit current and project investment,the final scheme is determined that connecting to Ci'yun substation by two 500 kV lines.Combined with determined scheme of two lines scale,through technical and economic comparison,the joint connection of the generator and transformer group of Yixian Pumped Storage Power Station is determined,and the switch station adopts angle type connection.

pumped storage power station;peak load;connecting system;main connection

2017-09-01

唐宝锋(1980-)，男，高级工程师，主要从事电力系统继电保护、电力仿真分析等工作。

TM774

B

1001-9898(2017)06-0001-04

本文责任编辑：齐胜涛