现代电网运行技术(电磁环网)

第四章 电磁环网的运行与控制
第四章 电磁环网的运行与控制
而在输电线路中，一般以输送有功功率为 主，无功功率是分层分区进行平衡的，正 常情况下输送的有功功率一般远大于循环 功率的有功功率，因此出现有功环流现象 较少，主要是无功环流，表象特征是电磁 环网中出现无功功率沿同一方向（顺时针 或逆时针方向）周而复始的环流。
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1、 高低压电磁环网在一定阶段的利弊分析 如图：神大线与神万线组成的电磁环网
这个电磁环网是合环好还是开环好，要从稳 定性和安全性来分析。
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1）稳定性 合环时，当潮流由神头送往大同电厂方向的 情况下，神大与神万线的综合送电暂态极 限为600MW。
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一、电磁环网的发展过程 实际上，电磁环网是电网发展过程中的产 物，当电网规模只有110kV运行时，为了提 高输送功率，建设220kV线路，在220kV还 没形成坚强网络之前，与110kV网络形成电 磁环网，随着传输功率的增加，电磁环网对 系统运行的弊病逐渐显露出来，在一定的条 件下开断电磁环网。
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但随着500kV的线路在几个大区电网中的 建设，由于各种因素，新的500/220kV电磁 环网在近一些年来又不断形成。虽然大家一 致认为500/220kV电磁环网最终必须打开， 但究竟应当具备什么条件才需打开，还没有 见到有明确的说法，因而影响了这个问题的 及时解决。迄今似已取得共识，但也有一个 过程。
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由于500kV线路没有形成坚强的网络，必须 组成220/500kV电磁环网运行。
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广义的讲，凡是不同电压等级的网络相连，都可能 出现电磁环网，根据电力系统110kV、220kV、330kV、 500kV网络出现和不断完善的历史情况来分析，出现电 磁环网的条件可以归纳为： 1) 区域网内部出现了高一级电压的网络（神大）； 2) 相连的区域之间出现了高一级电压的网间联络线 （大房Ⅱ）。
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事例： 1984年，华北电网各联络线为220kV电网
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1985年华北电网500kV大房Ⅱ线和500kV 神大线投入，形成了220/500kV神大—神万 线电磁环网、220/500kV大房Ⅰ--大房Ⅱ电磁 环网和电磁大环网。如图：
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在我国电力系统中，电磁环网的运行对电力系统 的安全运行带来了安全隐患。早在1981年7月的 全国电网稳定会议上。在水利电力部生产司 《1970~1981年全国稳定破坏事故》报告中，统 计了11年间由于220/110kV高低压电磁环网造成 的电力系统事故占到了26%。因此会议大声疾呼， 应打开高低压电磁环网运行，之后各地区陆续开 断了这些电压等级的电磁环网。1981年我国制定 了《电力系统安全稳定导则》。
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1、高低压电磁环网对系统造成的不利影 响 为了充分说明打开电磁环网运行更为有利 的论点。首先需要对线路的传输能力作全面 地分析。影响线路传输能力的因素有二，即 通过线路导线的热稳定电流和线路可能传输 的有功功率。
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(1)导线的热稳定电流 这是线路传输容 量的一个绝对限制条件。通过导线的最大电 流必须低于其热稳定的最大值。 在实际运行中，为了充分利用导线的热 稳定传输能力，特别对于供电电压高一级的 线路，往往按外界温度，较为精确的规定允 许的最大电流传输能力，在负荷高峰期传送 较大的电力，这是一些电网常见的做法。
护和稳定措施配置比非环网要复杂得多，配合的
难度较大。保护和安全自动装置的复杂化和不配
合，一般是事故直接或扩大的原因。
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(2)从经济运行上着眼，在许多情况下断开 环网有可能获得明显的经济运行效益。在 某些环网中，因为开环运行不存在环流问 题，可能输电损失比合环运行时要小（合 环有环流时），从而可提高输电效率。
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当电力系统一个新的更高的电压等级问世 的早期，网络在结构上不可能做到非常坚强， 而是一步步完善、加强并日趋合理的。在这 个完善、强化的过程中，为了获取较大的网 络传输功率，以合理利用廉价资源，满足用 户最大用电的要求等，电力系统大多出现一 个或多个电磁环网运行。
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循环功率为：
Sc
~
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当变压器变比不匹配时，网络中将产生循环 功率，可将 近似表示为：
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可以看出，循环功率既有有功功率又有无 功功率，由于电抗远大于电阻，循环功率 中无功部分远大于有功部分。当循环功率 的值较大，正常输送功率和循环功率两部 分功率分量的叠加后，可能造成电磁环网 中功率流动方向相同（顺时针或逆时针方 向），则称电磁环网中出现功率环流现象。
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有功功率损耗由两部分组成，其中一部分就 是由无功功率的流动造成的，其产生的有 功功率损耗与输送的无功功率的平方成正 比。
可见，无功环流同样会产生一定的有功功 率损耗，为电网的经济运行带来不利的影 响。
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刘家峡-炳灵电磁环网存在无功环流潮流图
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(4)短路电流增加 由于电磁环网综合阻抗较低，随着电网的扩大，
电磁环网带来的短路电流问题日益突出，使高低压
电磁环网中低一级电压母线短路电流急剧增加，甚
至超过开关最大遮断容量。
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依照上述四方面的特性，不难对高低压电磁 环网运行做出如下的明确结论： (1)从系统安全着眼，不宜采用高低压环网 运行方式。 而开环运行的可取之处有：
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(2) 线路的稳定传输功率 系统间的输电线路所传输的有功功率不得超
过电力系统稳定所允许的极值，这又是一 条限制。
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在一般的电网条件下，作为限制条件的是静 态稳定和暂态稳定极限传输功率。为具体 确定某一条线路的稳定传输功率，需要作 相应的计算分析。一般，为了满足静态稳 定要求，线路正常运行时传输的有功功率 不宜大于0.8~0.85Pmax（静稳极限）；而 为了满足暂态稳定要求，有时不能大于 0.7~0.75Pmax。
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电磁环网在电网中是普遍存在的，大多 数电力系统在自身的发展过程中都出现过 电磁环网。 所以，电磁环网是电力系统发展过程中 出现－消亡－再出现－再消亡不断循环的 一种现象。
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二、开合高低压电磁环网分析 高低压电磁环网极易发生稳定破坏事故。据 不完全统计，1970～1980年的11年中发生 了与此有关的稳定破环事故40次。1981～ 1987年仍发生了13次。1988～1990年发生 了2次。电磁环网虽是电网结构问题，但往 往也是运行管理问题。
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c.限制短路容量。电磁环网开环运行，是限 制短路容量的重要手段。合环运行，因综 合阻抗往往较小，短路容量比较大。短路 容量大的母线，是那些出线较多，并且电 源出线集中的母线。这些母线发生故障， 往往是触发电力系统大事故的元凶。
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d.简化继电保护和安全自动装置。环网的继电保
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电网结构 发展及其 运行方式 变化
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随着电网的发展，省网间开始联网， 500kV网络逐步建设起来，在这个时期中， 500kV输电线成了省网之间的重要联络线， 加强了网间联系，担负起了大量的输电任务。 但是，在500kV网络未形成系统的主网架之 前，不能完全替代220kV网络来联系整个系 统。
电气与电子工程学院
现代电网运行技术
North China Electric Power University
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电磁环网：不同电压 等级组成的网络，通过 两端变压器磁回路的联 接而形成的环网。 对于同一电压等级的 网络，由于没有磁的联 系，因此不叫电磁环网， 而叫电力环网。
典型电磁环网示意图
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造成电磁环网运行的原因各不相同，有的源于规 划，有的是由于管理体制，有的只是在高一级电压 等级出现后未形成坚强网架时出现，而有的则是习 惯而已。 电磁环网形成的客观原因，首先是由于电力系统 发展和传输负荷增大，在同一地区出现了新的高一 级电压的输电线路。一般地说，在国际上，新的一 级电压大都为原有最高级电压的比约一倍或以上。 如220/400、220/500等。在我国为：220/500、 220/330、110/220等。
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调整炳灵变两台变压器分接头档位 ，刘家峡-炳灵电磁环网 消除无功环流后潮流图
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合环运行分析： 在电力系统的实际运行中，并非一切电磁环 网运行方式对系统稳定运行都是不利的， 相反，在有些情况下，也许在一段时间内 在充分利用资源、提高输电可靠性、降低 输电损失等方面电磁环网运行比开环运行 更利大于弊，因此，要结合实际情况具体 分析
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a.稳定易于控制。在开环网络中发生干扰， 往往切除故障元件，再辅以有效的事故处 理手段，即可平息事态发展。在环网中如 果发生故障，不少情况下切除故障元件后， 将引起功率转移，使非故障元件功率越限 而导致稳定破坏。
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b.潮流控制方便。开环运行时，调整送端电 源的有功 (或功角 )和无功 (或电压 )即能达 到调整潮流的目的。合环时，潮流在环网 内自然分布，控制困难，往往发生环网中 的元件通过功率有的满载甚至过载，有的 闲置。
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如果采用高低压电磁环网方式运行，就必 须保证在任何事故后情况下，通过低一级输 电线路的电流低于其热稳定电流。 如果上述条件不能满足，用高低压电磁环 网供电而又带重负荷时，当高一级电压线路 断开后，所有原来带的全部负荷将通过低一 级电压线路(虽然可能不止一回) 送出，就难 免出现超过导线热稳定电流的问题。
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当系统开始出现高一级电压电网时，往往可能与 原有的低一级电压电网短时间地构成高低压电磁环 网。 随着高一级电压网架结构的加强，输送功率逐 渐加重，出现高一级电压线路开断引起的功率转移 使低一级电压线路过负荷或引起稳定性破坏或短路 电流超过开关设备的开断电流等等，高低压电磁环 网运行方式给电网的运行带来严重的事故隐患时， 低一级电压电网应尽快解列分片运行。
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然而，仍起着主网架作用的220kV网络，却越 来越不能满足电力工业的要求。如果没有500kV网 络，就会出现电源侧大量窝电，负荷侧大量限电的 严重局面。同样，如果没有220kV网络，也不能满 足电力送出的要求。因此，在这个阶段500kV与 220kV网络是相互依存的，缺了哪个也不行。在这 种情况下，500kV与220kV组成的电磁环网就产生 了。
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(3)系统电压降低 高一级电压线路的自然传输功率远大于低一级电 压线路的自然功率传输功率（550kV为1000MW， 220kV为130MW），高一级电压线路线路断开后， 引起的功率转移使低一级电压线路的传输功率突升， 而线路电感上的无功损耗与电流（功率）的平方成 正比，低一级电压线路将损耗过多的无功功率而引 起电压严重降低，严重情况下可能造成系统电压失 去稳定。
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由于低一级电压线路电抗比高一级电压线 路电抗大的多。正常两侧系统间的联络阻抗将 略小于高压线路的阻抗。而一旦高压线路因故 障断开，系统间的联络阻抗将突然显著的增大 (突变为两端变压器阻抗与低压线路阻抗之和)， 因而极易超过该联络线的暂态稳定极限，引起 两侧系统间的振荡，严重情况下使系统失去稳 定。造成事故扩大。