蓝海波，范新桥，张隽，张文朝，杜延菱，赵峰，王赛，吴寻
（1，国网冀北电力有限公司，北京 100053;
2，南京南瑞集团公司，北京 102200;3，华北电力大学，河北保定 071003）
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摘要：随着电网联系越来越紧密，电磁环网带来的短路电流超标问题凸显。合理的电网结构是限制电网短路电流的基础，通过分析总结我国受端电网的典型分区结构，基于电路等值理论构建了单站供电、两站手拉手、三站链式或环网等受端电网典型分区供电模型。对不同分区模型不同位置故障时的短路电流进行理论计算，并通过与实际电网短路电流计算结果进行比较验证了等值模型和计算方法的正确性。兼顾供电可靠性和短路电流水平，并考虑分区内电源接入和站间线路长度，提出500 kV受端电网分区以2～3站的4~6台主变压器为宜，该原则下若分区内仍存在短路电流超标问题则进一步采取线路串抗的限流措施。
关键词：分区供电模型：短路电流；稳定分析；分区原则
0引言
在高电压等级电网发展初期，电磁环网在发挥设备输电能力、保证电源可靠送出以及提高供电可靠性等方面起到了重要作用。随着电网联系
紧密，电磁环网带来的短路电流超标、系统稳定问题等凸显。
目前，国内外限制短路电流的措施主要有电网分层分区运行、母线分列运行、发展更高级电压网络、变压器中性点加小电抗、采用高阻抗变压器、加装串联电抗器、提高断路器遮断容量等。随着网架结构的逐渐加强，在高一级电压发展后打开高低压电磁环网，实现低一级电压电网分区供电是限制电网短路电流，提高安全稳定水平的一项有效措施。
文献[7]从电网规划角度出发，论述了改善电网结构是限制短路电流的直接、有效的方法。文献[8]从220 kV分区电网短路电流控制的角度，探讨了一座500 kV站带一片220 kV分区电网计算模型，并据此进行了短路电流计算和受电能力分析。文献[9]提出了一种用于220 kV电网短路电流预测的方法，给出了短路电流计算模型，该模型仅考虑一个分区有一座500 kV变电站的情况，未对实际电网分区中多座500 kV站带一片的分区模型进行研究等。从现有电网分区供电研究情况看，现有研究大多针对某一实际电网提出改善电网结构的具体措施，但缺乏对多座500 kV站分区供电模型的短路电流理论分析，未提出普适性分区供电原则。
本文通过分析总结我国受端电网的典型分区结构，基于电路等值理论构建了多个典型电网分区供电模型，通过理论计算验证等值建模的准确性并基于所提电网典型分区供电模型，考虑分区内电源接入以及采取线路串抗措施进行短路电流水平计算和静态安全分析，兼顾供电可靠性和短路电流水平，提出了电网分区供电的理论原则。
1 受端电网典型分区结构
为降低短路电流水平，我国电网普遍采用了解开500 kV/220 kV电磁环网的措施，在经济发达、负荷密度高的地区220 kV电网分区运行已经普遍实施，主要有北京、上海、天津、重庆等地。
根据500 kV/220 kV电网分区内500 kV站点的数量，可分为单站分区供电结构、两站手拉手供电结构、三站分区供电结构等。实际电网中具有代表性的分区模式主要是上海、北京电网，上海电网分区主要为单站馈供模式，北京电网主要是两站手拉手和三站分区模式。
为了限制短路电流，上海电网采取分层分区运行的方式，将电网主要分为杨行、黄渡、泗泾、南桥、杨高5个片区，分区内以大容量主力发电厂为中心。上海电网分区结构如图1所示。各分区均为一座500 kV站点带一片220 kV电网，即单站馈供模式。其中，南桥分区、徐行分区内均为2台主变压器（下简称主变），黄渡分区、泗泾分区和杨高分区内均为4台主变。
如图2所示，北京电网分为6个分区，分别为门昌分区、兴房门分区、昌城分区、城顺朝分区、朝顺通分区和通安兴分区。其中，昌城分区为2座500 kV站带一片220 kV电网，门昌分区、城顺朝分区、朝顺通分区、通安兴分区和兴房门均为3座500 kV站带一片220 kV电网。
2 电网分区等值模型
2.1 电网典型分区供电等值模型构建
根据电路等值理论对典型电网分区结构进行等值建模，为了简化分析，将待研究分区作为内部系统，待研究分区以外的电网作为外部系统，外部系统采用恒定电压源与内阻抗串联的形式进行等值。
以下主要对单站馈供分区结构、两站手拉手分区结构和3站分区结构进行等值建模，并进行短路电流水平计算和误差分析以验证模型的准确性。不同类型分区等值模型如图3所示。
2.2等值模型验证与误差分析
选取与所提等值模型对应的实际电网分区供电结构，对500 kV站点220 kV母线短路电流进行理论计算，并与实际短路电流计算结果进行对比以验证所建立分区等值模型及计算方法的正确性。
选择唐山实际电网中的3个典型分区，分别为太平一姜家分区、唐西一丰南一安各分区、太平一姜家一唐西北分区。3个实际分区与前述等值模型对应关系如表1所示。
实际电网分区结构与理论模型存在细微差别，如实际太平一姜家营分区内有电厂接入，利用等值模型中计算电厂提供的短路电流时采用叠加原理。如表2所示，列出了分区模型220 kV站三相短路电流理论计算结果，以及对应的实际电网220 kV站三相短路电流结果。
从计算结果看，理论计算结果和实际结果的误差基本在2 kA以内，最大相对误差约为5%。从短路电流理论计算结果和实际值的误差看，基本能够验证所提等值模型和计算方法是准确和有效的。
3分区内主变台数确定原则
3.1 分区内主变台数上限确定原则
3.1.1 短路电流水平分析
根据受端电网实际情况，主变容量主要考虑750 MV-A和1 200 MV -A 2种，短路阻抗标么值U%取18%，站间220 kV线路长度取30—50 km。对单站馈供分区模型、两站手拉手分区模型和三站分区模型不同位置的短路电流水平进行计算，计算过程暂不计电厂接入的影响。对于单站馈供模型，当主变容量分别为750 MV-A和l 200 MV-A时，不同台数主变、不同外部系统等值短路电抗（500 kV侧短路时外部系统注入电流不同）情况下主变高压侧提供的三相短路电流水平如表3所示。
从表3计算结果可知，不同台数和不同容量的主变并列运行时，主变高压侧下注的三相短路电流均未超过50 kA。
对于两站分区、三站分区模型，不同主变容量和不同220 kV线路长度下，220 kV母线三相短路电流如表4所示。其中，500 kV侧短路电流按50 kA考虑。此外，当500 kV侧短路电流为40 kA和60 kA时，220 kV母线三相短路电流比500 kV侧短路电流为50 kA时分别降低和提高1～2 kA。
考虑到220 kV母线断路器额定遮断电流一般为50 kA,从结果看存在短路电流超过开关额定遮断电流的情况。对于3站6台主变分区模型，当主变容量全部为1 200 MVA,线路长度小于等于40 km情况下，存在最大三相短路电流超标问题，其他2站和3站分区模型均不存在短路电流超标情况。
考虑到电网分区内一定容量电源接人情况下，可得三相短路电流在50 kA以内时分区主变台数配置最好不超6台。当500 kV站主变台数为2台时，一般2~3站构成一个分区。
3.1.2分区内电源接入的影响
为保证供电可靠性，不但要2~3站构成一个分区，而且分区内最好有一定容量的电源接入。为简化分析，电源提供的短路电流采取叠加定理进行计算，且认为电源直接接到220 kV母线短路点处。
发电机用E”和X一”等值，假定接入220 kV电网的发电机容量为Ls。；，升压变压器短路电抗百分比为Uk%（基于自身容量），分区内发电厂分别通过两回LGJ-2 x400型导线接入500 kV变电站的220 kV侧，线路电抗标么值取XL=0.06/km，线路长度为L，系统基准容量为SB。电厂通过220 kV线路提供的三相短路电流/(;220和短路容量SC22U分别如式(1)和式(2)所示。
假定发电机容量为300 MW,功率因数为0.85，X，：取0.2，XT取0.18，经30 km双回线路接入220 kV母线。经计算，该发电机注入220 kV母线的短路电流标么值为0.85，有名值为2.1 kA,此时一台发电机提供的短路容量S(;220为850 MVA。
以三站链式巾间站点短路和三站环网分区模型为例，站间线路长度取40 km,分区允许接入的最大机组容量计算结果如表5所示，
3.1.3 串联电抗器限制短路电流效果分析
限流电抗器的本质是通过增大系统联系阻抗，降低电网的紧密程度，从而减少变电站母线某些分支的短路电流，在系统中串联电抗器接入方式主要有母线联络方式和线路端接入方式，适应性最佳的配置方法是在线路上配置串联电抗器。
以表5短路电流超过50 kA的i站链式分区模型为例，在其中两站之间的220 kV线路分别加装7 Q和10 Q串抗，站间线路长度为40 km。装设串抗前后220 kV母线三相短路电流变化情况如表6所示。
从计算结果可见，220 kV线路装设串抗对限制短路电流水平有一定的效果。短路电流超过50 kA的三站分区模型采取线路串抗措施后，短路电流均能够控制在合理范围内。采用线路串抗措施运行方式简单，串抗技术成熟，应用也较广泛。因此，为兼顾短路电流水平和可靠性，对于受端电网，可以考虑线路串联电抗器的措施，虽然不能从根本上解决电网短路电流超标问题，但措施较为灵活方便，又不失供电可靠性，可以作为限制短路电流的主要辅助手段。
3.2分区内主变台数下限确定原则
500 kV和220 kV电网满足N-1准则是实现电磁环网解环运行，分区供电的基本条件之一。考虑到前述不同台数和不同容量的主变并列运行时的短路电流水平，得出分区内主变台数一般不超过6台，下面主要分析少于6台主变时分区内主变检修方式N-1下剩余主变负载率情况。
当分区内容载比为2时，在主变检修方式N-1情况下主变负载率随着主变台数增加而减小，分区内4台主变时，主变检修方式N-l情况下剩余主变存在满载问题，在无其他措施情况下分区内主变台数不宜少于4台。因此，考虑主变检修方式N-1下剩余主变的过载问题，分区内主变台数配置宜大于等于4台。综上，分区内以2~3座500 kV站4～6台主变为宜。
但在一些实际电网巾，存在4~5座甚至更多500 kV站点为一分区的情况，此时分区内主变台数大于6台，且有一定容量的电源接入，但分区内短路电流水平并不超标。出现这种情况的原因主要在于，相对于上海、北京等典型密集型受端电网，这些电网分区内220 kV站点之间线路距离较长，线路电抗相对较大，使得分区内尽管有多座500 kV站和一定容量的电源接入短路电流也不超标。
本文分区原则主要考虑了500 kV、220 kV站点之间线路距离不是很长(30—50 km)的城市受端电网，且分区内电源接入容量不是很大的情况。若实际电网中站间220 kV线路长度较短或者电源接入容量较大时，为兼顾供电可靠性和短路电流水平，可采取线路串联电抗器措施，并仍以2~3站4~6台主变为一个电网分区。
4结论
根据实际电网分区结构，构建了单个500 kV站馈供、两站和三站等典型的电网分区等值模型。考虑站间线路长度、站内主变容量和台数、接入电源容量不同对短路电流的影响，以及线路串抗措施的限流效果，提出受端电网分区的理论原则。
(1)针对电网不同分区模型，考虑站内主变容量和台数不同、站间线路长度不同，以及分区内一定容量电源接人情况下，分区主变台数配置上限以6台为宜：考虑主变检修方式N-1时剩余主变的过载问题，分区内主变台数配置宜大于等于4台。500 kV站多为两台主变，因此考虑供电可靠性情况下，以2~3站4~6台主变构成一个电网分区。
(2)随着分区内主变台数增加和站间220 kV线路长度的减小，以2~3站4~6台主变为一个电网分区时出现短路电流超标问题后，为兼顾供电可靠性和短路电流水平，可进一步采取线路串联电抗器的限流措施。
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