1.中国电力科学研究院，100085 北京清河 2.华北电力调度局?00053 北京
1 引言
津唐地区与北京、河北南网、山西等华北西部电网的联系主要靠安北、盘北两条500 kV线路和蓟北220 kV双回线，系统的简单接线示意图如图1所示。由图可见，这一地区形成了500 kV和220 kV的电磁环网。在正常方式下，天津电网将从华北电网接受大量电力以满足本地区负荷的需要，大部分受电功率需从安北、盘北这两回500 kV线路输送。这两条线路如果同时掉闸，能否保证津唐地区电网及与之相邻的北京等地区电网的稳定性，是电力系统生产部门非常关心的问题。
图1 津京唐等地区电网接线示意图
Fig.1 Network connection diagram of JING-JIN-TANG areas
为此，本文就几种运行方式下安北线、盘北线发生同时掉闸故障后的系统稳定性问题进行了分析，并研究了防止系统稳定破坏可以采取的措施，例如，有计划地设置解列点，打开电磁环网等。
2 安北线、盘北线同时掉闸后华北电网的动态行为
安北线、盘北线同时掉闸后华北电网的动态行为，与故障前电力系统的运行方式有密切的关系，特别是与天津电网内部的开机方式、天津断面的潮流分布等因素的关系更加密切。下面主要针对两种潮流方式进行分析。在以下的分析中，定义天津受电断面为安北、盘北两回500 kV线路加上韩汉双回、韩宁单回220 kV线路；津唐受电断面为安北、盘北两回500 kV线路加上北蓟双回220 kV线路。
安北线、盘北线同时掉闸后的稳定计算，发电机采用E″q变化的复杂模型，负荷采用综合负荷静特性模型，恒阻抗和恒功率负荷的比例为0.4∶0.6，计及负荷的频率特性。采用BPA潮流和稳定计算程序进行计算分析。
2.1 两种潮流方式
两种潮流方式的共同点是天津内部(不包括盘山的开机)的旋转备用均不大于2％，天津地区的负荷水平相同。两种潮流方式的主要区别是天津断面的受电功率中，500 kV线路和220 kV线路输送的功率所占比重不同。
在第一种潮流方式中，安北、盘北线输送功率占天津断面受电功率的80％左右。在第二种潮流方式中，安北、盘北线输送功率占天津断面受电功率的54％左右。两种方式下，天津电网其他受电功率则由唐山、秦皇岛和承德地区的机组通过韩汉双回线和韩宁线送入。
(1)第一种潮流方式
天津地区开机2380 MW，如果不包括盘山地区的两台机，天津内部开机1380 MW，出力为1345 MW，天津内部的旋转备用容量占天津地区负荷的1.1%。天津、唐山、秦皇岛和承德地区的负荷分别为3001 MW、1500 MW、432 MW和400 MW，华北全网的负荷为23069 MW。天津及津唐受电断面输送的功率见表1。
表1 第一种潮流方式下天津、津唐断面受电功率(单位：MW，Mvar)
Tab.1 Tianjin and Jin-tang sides acception power (unit:MW，Mvar)
线路及断面名称 送端功率 受端功率 安北线 535.9－j25.9 533.3＋j29.7 盘北线 761.2＋j242.0 754.7＋j275.5 蓟北双回线 －2×(40.4－j41.5) －2×(40.2－j33.1) 韩汉Ⅰ线 131.5＋j65.5 130.4＋j66.2 韩汉Ⅱ线 101.7＋j50.0 100.8＋j53.6 韩宁线 113.6＋j48.9 112.4＋j49.3 天津断面 1643.9＋j432.3 1631.6＋j474.3 津唐断面 1377.9＋j184.9 1368.4＋j239.0
由表1可见，天津断面受电功率为1631.6 MW，占天津地区负荷的50.9%，津-唐断面受电功率为1368.4 MW，占津唐电网负荷水平的24％。在天津受电断面上，500 kV线路输送的有功功率占断面总受电功率的79％。韩汉双回线加韩宁线三回220 kV线路输送的功率占断面受电功率的21％。
计算结果表明，在安北线发生三相短路故障，安北、盘北同时掉闸的情况下，如果不采取任何措施，系统将失去稳定。失稳的主要原因是500 kV安北、盘北线上原有的功率将绕道向220 kV蓟北双回线上转移，大量功率转移的结果会使得蓟北线、韩汉双回线和韩宁线严重过载，电压降增大。而故障后的津唐电网电压支撑能力不够，致使其内部枢纽点的电压逐渐降低，最终发生电压崩溃。伴随着津唐电网电压的降低，津唐电网发电机出力受阻，发电机加速，华北主网机组和津唐电网机组之间的角度拉大，在系统发生电压崩溃的同时，系统的功角稳定破坏。稳定计算结果曲线如图2、3所示。
图2 发电机的稳定曲线
Fig.2 Stability curve of generators
图3 枢纽点电压的稳定曲线
Fig.3 Stability curve of the important nodes voltage
图3显示出：故障后的第一摇摆周期内，天津电网主要变电站220 kV母线电压最高可以达到0.8 p.u.，第二个摇摆周期之内达到0.9 p.u.，但是第二摇摆周期过后，这些母线的电压降到0.45p.u.以下再也不能恢复，系统电压崩溃。唐山电网的电压水平略高于天津电网的水平，北京电网北寺变电站220 kV母线电压在0.7 p.u.附近波动。但是，华北500 kV主网的电压仍可维持较高的水平，这说明在该方式下，如果安北线、盘北线同时掉闸，受冲击最大的电网是天津电网和唐山电网，这种冲击将波及北京电网部分变电站。
(2)第二种潮流方式
在第二种方式下，天津地区开机2075 MW，不包括盘山一台机。天津内部开机1575 MW，出力为1515 MW。天津内部机组的旋转备用为负荷的1.8%。天津的负荷仍为3001 MW，唐山、秦皇岛、承德地区负荷分别为1200 MW、345 MW和320 MW。天津、津唐断面两端潮流见表2。
表2 第二种潮流方式下天津、津-唐断面受电功率(单位：MW，Mvar)
Tab.2 Tianjin and Jintang sides acception power(unit:MW，Mvar)
线路及断面名称 送端功率 受端功率 安北线 356.7＋j27.7 355.5＋j100.7 盘北线 439.0＋j152.3 436.6＋j223.6 蓟北双回线 2×(122.9＋j66.5) 2×(121.9＋j9.3) 韩汉Ⅰ线 277.7＋j66.5 273.4＋j47.1 韩汉Ⅱ线 215.2＋j52.0 212.0＋j39.8 韩宁线 198.1＋j53.0 194.8＋j43.1 天津断面 1486.7＋j351.5 1472.3＋j453.6 津唐断面 549.9＋j47.0 548.3＋j305.7
由表2可见，天津断面接受送端系统输送的有功功率为1472.3 MW，占天津地区负荷的46％，津唐断面接受的有功功率为550 MW，占津唐等整个受端系统负荷水平的18％。在天津断面上，安北、盘北两条500 kV线路输送的有功功率占该断面上总受电功率的54％。韩汉双回线加韩宁线三回220 kV线路输送的功率占断面受电功率的46％。
计算结果表明，该方式下在安北线安侧发生三相短路故障，安北线、盘北线同时掉闸的情况下，系统的功角可以保持稳定，见图4所示。但故障后天津电网的电压水平仍较低，只能维持在0.8 ～0.9 p.u.之间。同时，安北线、盘北线掉闸后，原有线路上的潮流仍向津唐220 kV系统上转移。潮流转移的结果，使得韩汉双回线和韩宁线的输送功率将超过其各自的热稳定极限。韩汉Ⅰ线、韩汉Ⅱ线和韩宁线的过载率分别达到1.3%、18.1%和1.6%。系统进入一种紧急状态，这在运行中必须引起注意。
图4 发电机及枢纽点电压的稳定曲线
Fig.4 Stability curve of generators and the important nodes voltage
3 防止系统崩溃应采取的措施
由上述计算得出：当天津断面或津唐断面受电功率增大到一定水平，且安北、盘北线输送功率的比重增大时，如果安北、盘北线同时掉闸，津唐电网的电压和功角稳定会同时被破坏。稳定破坏的原因是：网络结构发生了大的变化，故障前500 kV线路输送的潮流过重导致潮流向220 kV系统大量转移；天津地区电网内部发电机的无功和电压调节能力不足，负荷特性、无功补偿装置的特性等对电压稳定性的被破坏也有一定的作用。
实际系统运行时，如果发生类似的严重故障，应采取措施以防止系统稳定性的破坏，尽量减少对用户供电可靠性的影响。针对该故障形态下受端系统失稳的机理，本文从以下几方面对保证系统稳定性的措施进行了研究。
3.1 控制断面输送功率
控制天津断面或津唐断面的受电功率，是为了当在安北线、盘北线同时掉闸后，减少潮流从500 kV系统向220 kV系统转移的数量，防止津唐地区的稳定被破坏。
计算结果表明，在盘山开两台机的条件下，天津断面输送功率为1385 MW,津唐断面输送功率为1259 MW，安北、盘北线同时掉闸后系统能保持稳定。其中安北线输送功率为423.8 MW，盘北线输送功率为729.5 MW，韩汉及韩宁三回线输送功率分别为84 MW、65 MW和82 MW，蓟北双回线输送功率为－2×53 MW。安北线和盘北线总输送功率为1153.3 MW，占天津断面输送功率的83.3%，比表1中安北线和盘北线总输送功率1297 MW减少144 MW。
3.2 遥切蓟北双回线措施
在安北线、盘北线同时掉闸后，采取遥切蓟北线措施，切断华北主网与津唐电网的联系，以阻止系统潮流大范围的转移，防止因系统事故扩大而影响华北主网的稳定性。
对于第一种潮流方式，在安北、盘北线同时掉闸后，如采取延时0.3 s遥切蓟北双回线的措施，送端系统和受端系统可以分别保持稳定。但是津唐地区的有功功率缺额为1378 MW，占津唐地区负荷水平的24％左右，津唐系统最低频率将低于48.25 Hz。低周减载动作可切除负荷1194.2 MW，低周减载动作情况见表3。
表3 遥切北蓟线系统低周减载动作情况表
Tab.3 The amount of low frequency reducing load
when Beisi to Jixian lines are broken remotely
地区 切负荷量/MW 动作轮次 天津 683.2 4 唐山 304.5 4 承德 113.6 4 秦皇岛 87.7 4 廊坊 5.3 4
低周减载动作后，安定、蓟县220 kV电压可恢复到0.95 p.u.左右，吴庄、天津北郊、韩汉220 kV母线电压恢复到0.87 p.u.以上。受端机组的频率稳定在49.3 Hz以上。进一步计算得出：遥切北蓟双回线的临界延时切除时间可以达到1.0 s。
3.3 天津地区集中切负荷措施
如果安北线、盘北线同时掉闸后采取集中切负荷措施，迅速切除天津地区部分负荷，减少天津电网的功率不平衡量，同时也减少故障后潮流大范围转移的数量，也可保证系统的稳定。计算时，假定切负荷时间按安北线、盘北线掉闸后延时0.3 s考虑。
计算结果表明，天津地区至少切除630 MW左右的负荷，系统才能保持稳定。计算时安排的切负荷地点在天津北郊、白庙、新开河和吴庄等变电站，蓟县220 kV母线电压可以恢复到0.85 p.u.以上。
如果集中切负荷延时0.2 s，只需切除449 MW的负荷就可以保证系统稳定；如果集中切负荷延时增大到0.4 s，则需切除792 MW的负荷，系统方能保持稳定。
3.4 采用低电压自动切负荷措施
采取低电压自动切负荷措施，由装置根据低电压持续的时间自动切除相应的负荷，是一种解决电压稳定性问题的有效措施。但是，采用低电压切负荷措施目前还不象低周切负荷那样有一套成熟的理论，仍处在不断的研究之中。
参照国外文献上有关低电压切负荷的一些基本思路，对于津唐电网安北线、盘北线同时掉闸后的电压稳定问题采用低电压切负荷措施进行了初步的分析。在整定低电压切负荷方案时，低电压定值暂按一轮考虑，考虑了两种不同的低电压定值情况，低电压切负荷动作延时在1 s以上，所安排的切负荷量也采用不同的比例进行比较。表4中列出了所研究的低电压切负荷方案。对于不同的整定方案，稳定计算结果见表5。
表4 华北电网低压减载整定表
Tab.4 The value of Reducing load of Huabei electric
network Under the low voltage condition
整定方案 电压/p.u 延时/s 断路器动作时间/s 切负荷比例/% 1 0.85 1.3 0.2 10.0 2 0.85 1.3 0.2 20.0 3 0.85 1.3 0.2 30.0 4 0.8 1.3 0.2 20.0 5 0.8 1.1 0.2 20.0 6 0.8 1.3 0.2 30.0
表5 安北、盘北线同时掉闸后系统低压减载动作情况表
Tab.5 The
