输电丨110kV电网合环潮流分析研究

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0 引言

目前国内绝大部分220kV/110kV电磁环网采取开环运行的方式[1-2]，当电网设备检修进行不停电转移负荷时，常常需要涉及110kV站的短时合环操作。在进行合环之前，运行人员如果不能充分预估和分析合环后110kV线路潮流情况，合环操作后很可能会引起设备过载或保护跳闸，影响电网安全运行并带来经济损失。因此，合环操作前对合环功率进行分析计算，对操作人员准确判断合环后110kV线路潮流是否存在过载风险，以判断合环的合理性具有重要意义[3-4]。

近年来，一些学者在电网合环方面进行了大量研究。文献[5]考虑到系统等值阻抗是影响合环的一个重要因素，分析了110kV系统合环潮流与电压幅值、相角和等值阻抗之间的关系，并结合地区电网的特点提出了根据设备限额求解功角闭锁量的方法。文献[6]考虑了电网结构和参数一定条件下，合环后潮流与节点负荷和变压器变比有一定关系，利用分布系数法计算自然功率的分布计算合环潮流，并应用于锡山电网合环。文献[7]利用叠加原理对10kV合环配电网络进行分解，将合环潮流求解转化为纯辐射状的潮流计算，减小了合环潮流的计算难度与误差等。110kV电网合环功率不但与上游220kV站电压相角差、系统等值阻抗有关，还与合环点两侧负荷有关。从相关研究看，目前综合考虑上游220kV站母线电压相角差、合环点两侧的等效阻抗以及节点负荷的110kV合环功率理论研究还几乎没有。

鉴于此，本文主要通过建立110kV合环模型，从理论上对合环模型的合环功率进行计算，并分析影响合环功率的上游220kV站母线电压相角差、合环点两侧的等效阻抗等因素。最后，利用乌鲁木齐地区实际电网110kV站合环仿真计算结果，对合环模型理论分析结果进行了验证。

1 合环模型理论计算

1.1 合环功率计算

图1 110kV站内合环电路模型

图1为110kV站合环电路模型的典型结构，其中：

U合环为合环点电压；

I合环和P合环分别为合环点流过的电流和有功功率；

U1、U2分别为合环点上游的220kV站母线电压；

Z1、Z2分别为220kV站母线到合环110kV站母线的等值阻抗；

S1、S2分别为合环点两侧所带等效负荷。

根据功率平衡原理，图1中110kV合环点的注入功率等于流出的功率。因此可得式（1）方程：

根据欧姆定律，得到如式（2）所示的方程：

联立式（1）和式（2），可得方程式（3）：

经计算解得U合环：

根据基尔霍夫电压、电流定律，可得式（5）所示方程：

根据复功率计算式得：

可得：

则合环电流I合环如式（8）所示：

由式（8）可见，合环电流由Izs和Iuz部分组成，Izs和Iuz分别如式（9）和式（10）所示： 

根据有功功率计算式，可得式（11）所示的合环功率：

式中：为U合环和I合环的相角差。

因此，合环功率由式（12）和式（13）所示的Pzs和Puz两部分组成：

式中：α为合环电压与电流Izs相角差；

β为合环电压与电流Iuz的相角差。

1.2 合环功率影响因素分析

根据式（12）和式（13）的合环功率计算结果可以看出，合环功率中第一部分主要由合环开关两侧的等效阻抗与节点负荷乘积的差值有关，而第二部分主要由合环点两侧上游220kV站母线电压U1与U2之差决定。

当合环点两侧的等效阻抗与节点负荷的乘积比较接近，即时，
也就接近于0。此时，合环功率主要由合环点两侧上游220kV站的母线电压相角差决定。

当合环开关两侧的等效阻抗与节点负荷乘积的差值不为零，即存在时，合环功率的计算需综合考虑合环点两侧上游220kV站母线电压的相角差、两侧的等效阻抗与负荷。

2 110kV合环算例分析

为验证前述110kV合环模型计算分析结果的准确性，本文以新疆乌鲁木齐电网2015年夏大方式为例进行110kV合环分析。如下图所示，列出了米泉220kV站及其近区部分110kV站接线图。其中，粗实线为220kV线路，细实线为110kV线路。

图2 米泉站近区网架结构

下面，以110kV神新乌东站合环为例进行简要分析。如下图所示，列出了110kV神新乌东站合环模型。

图3 米泉合环电路模型

正常方式下，米泉220kV I母线电压U1=，米泉220kV II母线电压U2=。系统基准值SB取100MVA时，米泉220kV站母线到合环点即110kV神新乌东站母线的等值阻抗标幺值分别为Z1=0.00231+j0.07259，Z2=0.00213+j0.07067。合环点两侧所带负荷标幺值分别为S1=1.85-j1.785、S2=0.972-j0.06。

根据110kV合环功率计算过程，将U1、U2、Z1、Z2、S1和S2代入合环功率计算式，可得合环功率P合环=200MW，仿真所得合环功率P合环=197MW。从计算结果看，根据模型计算得到的合环功率与仿真所得结果基本一致，说明本文110kV合环功率计算结果是准确的。

    为进一步验证110kV合环功率模型计算结果，根据乌鲁木齐110kV电网合环点所处电网分区等特征，将乌鲁木齐110kV站母线合环分为以下几种情况：

（1）跨区110kV站合环。合环110kV站分别属于电网的两个不同分区内的站点。

（2）区内110kV站合环。合环110kV站均属于同一电网分区，且合环点两侧站所带负荷与等效阻抗的乘积值相差较小。

（3）区内合环其他情况。合环110kV站均属于同一分区，但合环点两侧站所带负荷与等效阻抗的乘积值相差较大。

如下表所示，限于篇幅只列出了不同合环情况下，部分110kV站的合环功率及合环点上游220kV站母线电压的相角差的计算结果。

表1  部分110kV站合环功率计算结果

跨区合环
110kV合环点	两侧220kV母线	电压相角差/°	合环功率/MW
幸福	八户梁	3.6	132
红一电
南湖	三宫	5.8	127.6
苇二电
南门	八户梁	3.6	128.5
红一电
区内合环
110kV合环点	两侧220kV母线	电压相角差/°	合环功率/MW
学府	宝钢	0.4	69.4
头屯
铁西	头屯	0.9	38.3
昌吉
六道	老满城	0.6	53.9
三宫
区内合环其它情况
110kV合环点	两侧220kV母线	电压相角差/°	合环功率/MW
长安	老满城	2.1	81.2
红一电
公园	老满城	2.1	92.3
红一电
仓房	老满城	2.1	96.5
红一电

根据不同合环情况下110kV站的合环功率，以及合环点上游220kV站母线电压相角差等大量计算结果，可以看出：

（1）跨区合环点两侧220kV站母线电压相角差一般在1°-9°范围内，从合环后的线路功率看，合环功率与合环前的电压相角差没有明确的规律性关系，在电压相角差不是很大时，合环后也有部分110kV线路存在较为严重的过载问题。但从计算结果看，跨区合环时过载一般较为严重。

（2）区内合环情况下，合环点两侧220kV站母线电压相角差一般在1°以内，合环后两侧220kV母线均向110kV合环点输送功率，一般不存在向对侧的潮流转移，这种情况下110kV线路潮流一般也不存在过载问题。

（3）对于区内合环其它情况，合环前合环点两侧220kV站母线电压相角差在1.7°-2.1°范围时，合环后部分110kV线路出现过载。

根据110kV合环功率计算结果，合环前220kV站母线电压相角差对合环功率有一定影响，但合环点两侧负荷分布不均使两侧等效阻抗差异较大是影响合环功率的最主要因素。

3 结论

    通过建立110kV电网合环电路等值模型，从理论上对电网合环模型的合环功率进行计算分析，研究结果表明110kV合环功率主要取决于上游220kV站母线电压相角差、合环点两侧等效阻抗与负荷乘积的差值。当合环点两侧的等效阻抗与负荷乘积比较接近时，合环功率主要由上游220kV站母线电压相角差决定；当合环点两侧的等效阻抗与负荷乘积相差较大时，需综合考虑220kV站母线电压相角差、两侧的等效阻抗与负荷乘积之差确定合环功率。最后，通过对乌鲁木齐地区实际110kV电网合环进行仿真计算，验证了合环模型理论分析结果的准确性，从而也证明了合环理论分析结果能够对110kV电网合环提供一定的技术参考和指导。

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