谢 栋， 严 正， 林 一， 俞旭峰， 俞国勤

(1.电力传输与功率变换控制教育部重点实验室， 上海交通大学电气工程系， 上海 200240；2.上海市电力公司技术与发展中心， 上海 200025； 3.上海市电力公司， 上海 200122)

节能调度对大受端电网电压稳定影响评估①

谢 栋1， 严 正1， 林 一2， 俞旭峰3， 俞国勤2

(1.电力传输与功率变换控制教育部重点实验室， 上海交通大学电气工程系， 上海 200240；2.上海市电力公司技术与发展中心， 上海 200025； 3.上海市电力公司， 上海 200122)

：随着电网的不断发展，逐步推行节能调度已是大势所趋，因此预先分析节能调度对上海电网安全稳定的影响具有重要的指导意义。文中在上海现行电网基础上，从节能调度数学模型入手，针对上海电网是个大受端电网的特点，从N-1校核、静态电压稳定、暂态电压稳定等方面，研究分析节能调度对上海电网电压稳定的影响，找到上海电网实施节能调度后电网的薄弱区域以及可能会引起暂态电压失稳的故障方式及对策。研究结果可为节能调度在上海电网的开展以及如何确保上海电网的安全稳定运行提供一定的参考价值。

节能调度； 大受端； 静态电压稳定； 暂态电压稳定

2007年8月，国务院办公厅转发了国家发展改革委、环保总局、电监会及能源办联合发出《节能发电调度办法(试行)》(国办发〔2007〕53号)[1]，明确提出改革现行调度方式，开展节能发电调度。节能调度是电力行业实现节能减排的重要措施之一，它要求在电力系统安全稳定运行和连续供电的基础上，最大限度地减少资源的消耗和污染物的排放，它对于推动国民经济又好又快发展，具有重要的现实意义。目前，节能调度处于试行阶段，各省市开展了大量的研究，其实施细节、调度方法、配套措施等都是研究的热点[2]，但是目前对于节能调度的研究绝大部分停留在政策的解读[3～6]和经济性的研究[7～9]上，对于节能调度后电网能否安全稳定运行等问题并没有太多的研究。然而，从安全性的角度研究节能调度，从而为其提供措施和建议，是转向节能调度时迫切需要面对和回答的问题。

上海电网位于华东电网的末端，是一个典型的大受端交流系统，截至2008年末，受电比例高达36.5%，而且交直流系统的相互影响、负荷的持续增长都给电网的安全性带来严重威胁。那么，在上海开展节能调度势必会面临其他省市所未曾面临的安全性问题，电压稳定是最为严峻的问题之一。因此，本文首先简单叙述了适于上海电网大受端系统的节能调度数学模型及求解方法，然后依次从N-1校核、静态电压稳定、暂态电压稳定等几个方面研究了节能经济调度对上海电网大受端运行方式下的电压安全稳定问题，并给出了建议和措施。

1 节能调度数学模型

1.1 数学模型

节能日前调度是一个最优化问题，即在一定的约束条件下，确定某些控制变量的合理取值，使所选定的目标达到最优。本文选用直流模型，此处主要考虑火电机组，目标函数为总的煤耗量最小。目标函数如下：

(1)

尽管优化目标随着电力工业模式的变化而有所不同，但机组组合所要考虑的约束条件是基本相同，有如下约束条件。

1)系统节点功率平衡约束

(2)

2)旋转备用约束

(3)

3)机组最大、最小出力约束

(4)

4)机组增、减出力速率约束

当机组增出力时：

(5)

当机组减出力时：

(6)

5)线路传输容量约束

(7)

其中：i=1，…，N；t=1，…，T。

1.2 模型求解

节能日前调度问题是一类包含离散变量(如机组启停状态)和连续变量(如机组有功出力)的高维、离散、非凸的动态混合整数非线性优化问题，本文采用基于内点法的混合整数规划法求解。

1.3 负荷经济分配

节能日前调度可分为确定启停机组和负荷经济分配(ED)两个子问题。二者紧密相联，确定的启停机组必须满足能实现负荷经济分配，而后者又能进一步优化目标函数，只有在两个问题都得到解决时，整个问题才算求解完成。在不考虑网络约束时， ED可用等耗量原则近似处理，由于ED的实质是最优潮流，可用内点法求解。

2 节能调度后潮流分析

2.1 节能调度后电网状况

本文对2009年8月12日21:00:00-2009年8月13日21:00:00这一夏季高峰时段进行96点的节能调度分析，选用该天最高负荷这一时间断面做节能调度后的电压稳定评估。该天的最高负荷为23654.4 MW，节能调度后网内机组出力14096 MW，网外受电9558.4 MW。节能调度后，煤耗量较大的小机组出力有了一定的减小(石洞口发电厂3#机组)，甚至有些小机组给关停(吴泾热电厂3#机组、杨树浦发电厂的22#机组)煤耗量较小的大机组出力有了明显的增加(石洞口燃机电厂2#机组)，许多大机组都处于满出力或接近满出力运行(外高桥第二发电厂7#机组)。

2.2N-1校核

对实施节能调度后的上海电网进行N-1校核，得到以下结论：

1)电压越限节点主要集中在黄渡、泗泾、南桥和顾路分区。其中，黄渡、泗泾、南桥分区的越限节点集中在500 kV网架，且越电压下限(0.95p.u.)；顾路分区的越限节点集中在220 kV及以下网架，且越电压上限(1.052p.u.)。

2)断开南桥-汾湖单线(5902)，会引起黄渡站、南桥站、泗泾站500 kV节点越下限，是一个较为严重的故障，原因是黄渡、南桥、泗泾分区都是负荷中心，受联络线的影响较大。

3)无输电线路潮流越限情况发生。

3 节能调度对静态电压稳定性的影响

本节校核节能调度前后各种正常和检修方式下上海500 kV电网薄弱点静态电压稳定水平，分析节能调度对上海电网静态电压稳定性的影响。

3.1 正常运行方式

上海西部电网的黄渡、泗泾分区，除泗泾分区的吴泾二厂，基本上属于纯降压受电电网，且降压负荷较大，片内既缺乏有功电源，也缺乏无功电源，属于上海500 kV电网的电压薄弱点。表1是500 kV黄渡站静态稳定水平情况表，图1是500 kV黄渡站的PV曲线比较图。

表1 500 kV黄渡站静态电压稳定水平表Tab.1 Static voltage stability level of500 kV Huangdu Station

注：节能调度后(1)代表不考虑机组起停；节能调度后(2)代表考虑机组起停。

图1 节能调度前后500 kV黄渡站的PV曲线比较Fig.1 Comparison of PV curves of 500 kV Huangdustation for pre-and post-ECBD

2009年上海电网通过三个交流通道从华东主网受电，与系统联系较为紧密；同时上海地域较小，网内500 kV线路较短，各500 kV变电站联系也较为紧密，因此即使是电压较为薄弱的西部电网黄渡站，其静态电压稳定水平也能满足规程要求。节能调度后，静态电压稳定裕度Kv%和有功的静态稳定极限比节能调度前略有提高，且Kv%均超过10%；是否考虑机组起停对结果没有较大的影响。

3.2N-1运行方式

对节能调度后，系统可能会出现的某些关键主变和交流线路检修的N-1运行方式下的静态电压稳定问题进行了研究。研究结果发现对系统影响较大的均是500 kV变电站1台主变退出运行的情况。表2是节能调度后，考虑机组起停的情况下，500 kV泗泾站正常运行和影响最大的N-1运行这两种方式下的静态电压稳定水平对比表。

表2 500 kV泗泾站静态电压稳定水平表Tab.2 Static voltage stability level of500 kV Sijing Station

从表2中可以看到，节能调度后，影响最大的N-1运行方式下，泗泾站的电压静稳裕度Kv%超过8%，也满足规程的要求。

4 节能调度对暂态电压稳定性的影响

在电力系统发生故障等大扰动后，伴随着系统处理事故过程中发电机之间的相对摇摆，负荷母线电压发生波动，导致暂态电压不稳定或者暂态电压跌落。本节将研究节能调度后暂态电压稳定问题。

4.1 交流系统故障

上海电网交流系统第一级标准故障对系统暂态电压稳定的影响，主要考虑如下两种对系统安全稳定性有较大影响的第一级标准故障进行考核：

1) 500 kV双回线三相永久性故障断开不重合；

2)大容量机组跳闸故障。

研究结果表明，节能调度后，上海电网几乎所有的500 kV线路发生三相短路都会引起2个逆变站同时发生换相失败，但如果能在0.1 s内将故障切除，则直流系统都能快速脱离换相失败，经500 ms左右系统均能恢复到原来的输送功率。说明节能调度后，上海电网有较强的稳定性。

此外，上海电网内发生大容量机组跳闸事故，系统也能保持较好稳定性。图2是外高桥三厂2×1000 MW机组1 s时发生跳闸故障，上海电网500 kV网架主要节点电压变化曲线以及石洞口二厂2#机组发出的有功无功变化曲线。从图中可以看到，上海电网内部切除大容量机组事故后，上海电网500 kV电压降至0.95p.u.左右，电压变化幅度约为-1.3%。在暂态过程中电网电压有微小波动。为维持故障后电网功率的平衡，上海电网网内其他大容量机组(比如石洞口二厂2#机组)所发出的功率都有不同程度的振荡，其中在动态过程中，有功功率变化不大，仅仅在故障发生后0.3 s左右有个大幅度的功率增额，随后恢复到故障前水平。但为平衡大容量机组跳闸所导致的无功缺额，网内其他机组发出的无功功率有明显的增加。

(a) 500 kV节点电压变化曲线

(b) 石洞口二厂2#机组发出的有功无功曲线图2 外高桥三厂2×1000 MW机组1 s跳闸相关曲线Fig.2 Curves when two 1000 MW units tripped

4.2 直流系统故障

直流系统闭锁故障尤其是多回直流同时发生闭锁故障，将导致系统内大规模潮流的转移，可能引起系统内局部母线出现低电压，在严重的情况下，可能会导致系统失稳。

节能调度后，上海电网的总负荷为23654.4 MW，华新、南桥直流双极闭锁功率占总负荷的比例分别为4.57%和11.43%。研究结果表明，上海电网任一换流站发生双极闭锁时，将引起整个上海电网500 kV网架电压水平有所下降，但整个暂态过程中电压均高于0.9p.u.，系统能保持暂态稳定。期间，上海与区外500 kV联络线的输送潮流增大，外高桥、石洞口发电机发出的无功有功均有所增加。上海换流站双极闭锁后，上海电网将瞬时缺失1120～2800 MW的有功功率，这部分功率大多需要通过与华东的联络线通道送入上海，其余少量由上海电网的发电机组旋转备用发出。直流故障后，总体呈现无功损耗增加、系统电压普遍降低，为维持故障状态的无功平衡，在动态过程中发电机的励磁电压上升，发出的无功功率增加，并尽量维持机端电压不变。图3是华新换流站发生双极闭锁时，上海电网500 kV网架主要节点电压变化曲线。

图3 华新直流双极闭锁时500kV节点电压曲线Fig.3 Voltage curves of 500kV buses whenHuaxin bipolar block

4.3 交直流系统复故障

当一回或者两回直流同时发生双极闭锁，由于潮流转移，上海500 kV网架交流线路及省际联络线可能会出现潮流重载，甚至过载，如果此时部分交流线路跳开，是否会引起上海电网的暂态电压稳定的问题，这是关系到上海电网安全稳定运行的重大问题。本节考虑系统极端运行情况下系统的暂态电压稳定性问题。研究结果发现：

1)华新、南桥两回直流双极闭锁，汾湖-南桥跳单线，系统动态稳定，故障切除后黄渡站中长期电压水平为0.920 p.u.。

2)华新直流双极闭锁、汾湖-南桥跳双线，系统出现动态不稳，故障切除后黄渡站中长期电压水平为0.899 p.u.。

3)华新、南桥两回直流双极闭锁，昆太-徐行跳双线，系统出现动态不稳，故障切除后黄渡站中长期电压水平为0.890 p.u.。

4)华新、南桥两回直流双极闭锁，汾湖-南桥跳双线，系统出现动态不稳，故障切除后黄渡站中长期电压水平为0.892 p.u.，泗泾站为0.865 p.u.，南桥站为0.875 p.u.。

由以上结论可知，汾湖-南桥省际联络线关系到整个上海电网的安全稳定运行，是一条关键线路，特别是当两回直流同时发生闭锁时，跳开汾湖-南桥线，会引起动态电压不稳。黄渡站、泗泾站、南桥站是整个上海电网的薄弱区域，需安装动态无功补偿装置提高其暂态稳定性。

5 结论

本文研究了节能调度对上海大受端交流系统电压稳定的影响，得到以下结论：

1)节能调度后，N-1运行方式下，可能会出现节点电压越限(主要在黄渡、泗泾、顾路等分区)，但无支路潮流越限情况发生。

2)节能调度后，正常运行方式下，静态电压稳定裕度和有功裕度均比节能调度前有略微提高，符合安全稳定规程的要求。对系统影响最大的N-1运行方式均为500 kV变电站1台主变退出运行，静稳裕度也满足规程要求。

3)节能调度后，单一交流系统故障或直流系统闭锁，上海电网均能保持暂态电压稳定，但是当发生交直流系统复故障时，可能会发生失稳。

[1] 国务院办公厅. 国务院办公厅关于转发发展改革委等部门《节能发电调度办法(试行)》的通知[EB/OL].http://www.gov.cn/gongban/comtent/2007/content_744115.htm, 2007.

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AssessmentonInfluenceofEnergy-conservationBasedDispatchonVoltageStabilityofLargeReceiving-EndGrid

XIE Dong1， YAN Zheng1， LIN Yi2， YU Xu-feng3， YU Guo-qin2

(1.Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion, Ministry of Education, Department of Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2.Technology and Development Center of SMEPC, Shanghai 200025, China;3.Shanghai Electric Power Company, Shanghai 200122, China)

With the development of power grid, the energy-conservation based dispatch (ECBD) has become an irresistible trend; therefore, it's very meaningful to analyze the impacts due to the ECBD on the security and stability of Shanghai power grid. In this paper, the ECBD model is presented and applied to the Shanghai power grid. According to the fact that Shanghai power grid is a large receiving-end system, this paper studies the impact of ECBD on Shanghai power grid from several aspects, such asN-1 check, static voltage stability and transient voltage stability and so on. In addition, this paper also finds out the weak areas in Shanghai power grid after ECBD, and the faults which may cause transient voltage instability. The results are very useful for the implementation of ECBD in Shanghai power grid and ensuring the security and stability of Shanghai power grid.

energy-conservation based dispatch(ECBD)； large receiving-end； static voltage stability； transient voltage stability

2009-10-12

2009-11-12

TM72

A

1003-8930(2011)02-0045-05

谢 栋(1984-)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统稳定分析、高性能计算。Email:xiedong1984@sjtu.edu.cn

严 正(1964-)，男，教授，博士生导师，研究方向为电力系统优化运行、电力系统稳定分析、电力市场。Email:yanz@sjtu.edu.cn

林 一(1969-)，男，硕士，高级工程师，研究方向为电力系统运行分析。Email:epyqliu@scut.edu.cn