（电力系统及其自动化专业论文）北京主网电压静态稳定性初步分析与计算.pdf

摘要 随着电网负荷增大和电压等级提高，线路投切、负荷变化等将容易引起 较大的无功功率变化，因此对电网无功和电压的调节、控制能力要求越来越 高.近几年，北京电网的负荷增长非常快，高峰期电网经常满负荷或超负荷 运行，夏季和冬季缺电和供电不足的现象也时有发生。因此， 在这样的背景 下，研究北京电网的电 压稳定性有十分重要的意义。 本文提出了一种基于中国版 b p a程序的静态电 压稳定分析方法，并以北 京2 2 0 k v 及以 上主网 架电网 为 对象，以 灵 敏度指 标和 裕度指 标为标 准， 分 析 了电网的静态电压稳定性，找出了电网的薄弱母线和线路，从而为电网建设 改造、电压监控和无功补偿提供了有价值的建议。 关键词:北京电网，静态电压稳定性，灵敏度指标，裕度指标 abs tract wi t h t h e i n c r e a s i n g o f t h e l o a d a n d e x i s t a n c e o f t h e h i g h e r v o l t a g e s c a l e , t h e r e a c t i v e p o w e r t r a n s f o r m a t i o n c a u s e d b y t h e l i n e s w i t c h i n g a n d l o a d c h a n g i n g i s m o r e a n d m o r e c o m m o n . t h e r e f o r e , t h e a b i l i t y t o r e g u l a t e a n d c o n t r o l t h e v o l t a g e a n d r e a c t i v e p o w e r s h o u l d b e a d v a n c e d . wi t h t h e l o a d s h a r p l y i n c r e a s i n g i n r e c e n t y e a r s , t h e b e i j i n g e l e c t r i c n e t w o r k o f t e n r u n s o v e r - l o a d a n d t h e l a c k o f p o w e r i n s u m m e r a n d w i n t e r s o m e t i m e s a p p e a r s . s o , t h e s t u d y o n t h e b e i j i n g n e t w o r k v o l t a g e s t a b i l i t y m e a n s a l o t i n t h i s c a s e . t h i s p a p e r p r e s e n t s a p r e l i m i n a r y m e t h o d b a s e d o n t h e b p a p r o g r a m t o a n a l y z e t h e s t e a d y s t a t e v o l t a g e s t a b i l i t y o f b e i j i n g m a i n e l e c t r i c n e t w o r k ( v o l t a g e a b o v e 2 2 0 k v ) . t h e s e n s i t i v i t y a n d m a r g i n i n d e x e s a r e i n t r o d u c e d t o e v a l u a t e t h e v o l t a g e s t a b i l i t y . t h a t r e s u l t i s c r i t i c a l t o t h e e l e c t r i c n e t w o r k r e c o n s t r u c t i o n , v o l t a g e mo n i t o r i n g a n d c o n t r o l , r e a c t i v e p o w e r c o m p e n s a t i o n . s u n o i a n g ( e l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e d b y p r o f . z h a n g j i a n h u a k e y wo r d s : b e i j i n g e l e c t r i c n e t w o r k , s t e a d y s t a t e v o l t a g e s t a b i l i t y , s e n s i t i v i t y i n d e x , ma r g i n i n d e x 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 第一章绪论 圣 1 . 1 论文课题的提出 在现代大电网系统中，随着电力系统联网容量的增大和输电电 压的普遍 提高， 输电功率变化和高压线路投切都将引起很大的无功功率变化，系统对 无功功率和电网电 压的调节、控制能力要求越来越高。在某些紧急情况下， 当电力系统无功储备不足时，会发生电压崩溃而使电力系统瓦解。近 2 0年 来，电压崩溃 ( v o l t a g e c o l l a p s e )事故在大电网中时有发生，历史上比较 大的几次典型电压崩溃事故为: 1 9 7 8 年 1 2 月 1 9日 法国电力系统全国性大停 电;1 9 8 3 年 1 2 月 2 7 日 瑞典电力系统瓦解事故;1 9 8 7 年 7 月2 3 日日 本电网 稳定事故等等。因此电压稳定问题越来越引起人们的广泛关注 u 总结世界范围内 发生的电网安全稳定事故的经验教训，系统的电 压崩溃 往往是由于某条母线或某个区域的电压失稳引起的，然后扩散至整个系统， 导 致系统瓦解。这些最容易引起电压失稳的母线或区域被称为电压稳定的薄 弱母线或薄弱区域。在这些电压稳定的薄弱母线或薄弱区域采取一定的措 施，就可以避免电 压崩溃的发生 y ) 另外， 从国外一些大的电力系统事故的分析来看. 发生电压崩溃的一个主 要原因就是没有适合于本系统的电压稳定性指标，无法预计负荷增长或事故 发生后可能导致的电压不稳定崩溃的程度和范围，难以拟定预防和校正的具 体措施 3 ， 。因此，结合一个具体的系统， 建立一个实用的、能够准确评价当 前系统状况和事故后果的电压稳定性指标系统是十分必要的。 我国现在正在进行大区域电网互联，电网建设在向大电网、超高压、远 距离输电方向 发展， 同时， 现有的电力系统正在承担着越来越重的负荷需要， 发、输电设施使用的强度日 益接近其极限值，因此电网电 压稳定问题的研究 具有重要意义。而北京是我国的政治、经济和文化中心，电网安全稳定运行 问题不仅关系重大，而且可能产生重要的政治影响。近几年，北京经济发展 迅 速，电 网负 荷增 长非常 快， 特别 是高峰 期电 网 往往 满负 荷或 超负 荷运 行， 夏季和冬季缺电和供电不足的现象也时有发生。 因此，在这样的背景下，对北京主电网进行静态电压稳定分析，即: 研 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 究北京电网的电压稳定性，并找出北京主电网电 压稳定的薄弱母线或薄弱区 域，建立适合北京主电网的电 压稳定指标，提出防止电网发生电压不稳定的 控制策略，具有十分重要 的意义。 1 . 2 国内外电压静态稳定研究现状分析 电压稳定是指电力系统受到小的或大的扰动后，系统电压能够保持或恢 复到允许的范围内，不发生电压崩溃的能力 ， ， 。 电压稳定的分析方法可以分成两类， 一类是基于潮流方程的静态分析法， 另一类是基于微分方程的动态分析法。 动态分析法又可进一步分为小扰动分 析法、 暂 态电 压稳定 分析法和 长期电 压稳定 分析法 4 电压静态稳定性是用代数方程描述 ( 即不考虑反映系统动态元件动态特 性的 微分方程) 和分析 系统在小 扰动 下的电 压稳定 性5 电压静态稳定性分析的内容主要有三个方面:一是分析当前系统距离电 压不稳定的距离或电 压稳定裕度有多大;二是分析引发系统发生电压不稳定 的薄弱节点、 薄弱区域;三是分析防止系统发生电压不稳定的控制策略， 包 括关键发电机同。 电压静态稳定性分析方法是基于系统潮流方程的非严格李雅普诺夫意义 下的稳定分析方法，其中比较常用的主要有灵敏度分析方法、雅可比矩阵奇 异值 ( 特征值)分析方法、基子连续潮流计算的裕度指标分析方法。 这些静 态分析方法各有优缺点， 互为补充，其物理本质都是把电力网络输送功率的 极限 状态作为电 压失 稳的临 界点5 最近，国内外研究电压稳定的焦点是:1 、电压不稳定性 ( 崩溃)的 模型 与仿真方法的研究;2 、对电压不稳定性 ( 崩溃) 现象和机理的研究; 3 、解 析工具的研究与系统软件的开发; 4 、防止电压不稳定性 ( 崩溃)措施、规 划与 运行 指南 和在线 实时 安全 性评估 等。 这些问 题， 除早 期前苏 联的 研 究工 作外，近 1 0年来在美欧各国已开展了大量的研究，涉及的方方面面很多， 文献【 6 列出的9 篇文章在一定程度上反映了这方面研究的 现状。 在电压稳定分析工具方面，国内 外已经开发出了专门用于分析电压稳定 的软件，并被一些电力公司采用，取得了比较好的效果，其中较为典型的软 件，国外的有 p s s / e , e u r o s t a g , e x s t a b , e t m s p , v s t a b t l ;国内的有清华 大学采用雅可比 矩阵的特征模态分析法原理编制的v s a p ( v o l t a g e s t a b i l i t y _些 韭 曳 力 冬 学 ( 北 京 ) 硕 士 学 位 论 文 a n a l y s i s p r o g r a m ) 3 ， 文 献 9 采 用v s a p 对1 9 9 5 年 及 1 9 9 6 年 华东电网 运 行 方式，特别针对上海地区，就电力系统电压静态稳定性问题进行了 分析。文 献 5 采用电 压静态稳定分析综合指标开发了静态电压稳定分析系统，并在 华中 电网 中 得到了 应用。 除 此以 外， 我国 的云 南电网 101 、 天津电网 i q 、山 东 电网u 2 1黑龙江电网 1 3 1 、 福建电网 1 4 1 等都进行了各自电网的电 压稳定性分析 工作。 在电压稳定指标方面，国内外很多电力公司己经采用裕度指标或者将裕 度指标和状态指标相结合进行实际系统的电压稳定分析。例如，东京电力公 司 ( t e p c o ) 采用曲 线拟 合方 法【1 5 1拟合p -v曲 线， 从 而获得 有功 裕度，以 便 监视系统 的电 压稳定 状况。 法国国 家电 力控 制中心 采 用线 性拟 合法 16 计算p -v曲线和有功裕度加拿大 e p r i 将裕度指标和状态指标相结合，开发了 采用静态 方法分 析电 压稳定的 综合 程序 v s t a b (1 7 ， 该软 件采 用潮流不 收 敛 作为到达电 压崩溃点的判据。 我国电 力科学 研究院同 样采用线性拟合 法(1 s 计算 p -v曲线和功率裕度。 1 . 3 论文工作介绍 木论文完成的主要工作有: ( 1 )北京电网2 2 0 k v及 5 5 0 k v主干网的原始数据的收集、 整理与校验。 具 体包括:线路、变压器的原始数据的收集、整理与校验:标么值的归 算; 2 2 0 k v 及5 5 0 k v主 千网 的网 络图 及等值 接线图的 绘画 等. ( 2 ) 熟悉并运用中国电科院开发的中国版 b p a 程序，进行了北京电网 2 2 0 k v及 5 5 0 k v主千网的潮流计算。 具体包括: 按照 b p a的数据格式， 对主千网的线路、变压器、发电机等各条数据卡的填充、北京电网 2 2 0 k v及5 5 0 k v主千网的潮流计算等。 ( 3 ) 根据潮流计算结果， 运用 b p a编程语言， 结合灵敏度指标和裕度指标， 对北京电网的静态电压稳定性进行了分析。具体包括:线路灵敏度、 节点灵敏度、 损耗灵敏度等灵敏度计算， 电 压裕度指标的计算， p -v , q -v曲 线的绘制，失去发电功率和切除发电机，n -1 校验计算等。 ( 4 ) 根据电 压稳定的分析结果， 找出了电网的电压薄弱点， 需要经济合理进行 无功补偿的节点，并提出了 增强系统电 压稳定性的建议等。 华北电力大学( 北京a 士学位论文 第二章基于 b p a程序 的静态 电压稳定分析思路 中文版 b p a程序可方便的进行系统潮流计算，但是并不能直接对系统进 行电压稳定性分析。本文提出了一种基于 b p a 程序的静态电压稳定分析思 路， 即: 采用b p a程序进行系统的潮流计算， 同时结合电压静态分析综合指 标 ( 灵敏度指标和裕度指标) ，利用 b p a编程语言对系统的潮流计算结果进 行分析， 最后利用其开放的数据接口， 用 m a t l a b 编程语言使其计算结果图形 化。作为本课题研究、使用的主要工具，本章首先对电 力科学研究院开发的 b p a程序进行简要介绍。 2 . 1 b p a 潮流计算程序简介， ， 由电 力科学研究院系统所开发的潮流程序是从美国 b p a ( b o n n e v i ll e p o w e r a d m in i s t r a t io n ) 引 进的 . 目 前的 中国 版b p a m流 程序 是在1 9 9 0 版b p a 程序的基础上经不断的完善和开发而形成的。 已经在国内生产、 运行、 规划、 科研及大学等单位得到广泛应用。 2 . 1 . 1潮流程序容量 ( 1 ) 2 5 0 0 个节点，其中包括用于网络化简的 6 0 0 个节点。 ( 2 ) 4 7 5 0 条 支路， 其中 包括2 5 0 台 带负 荷调 压 ( l t c ) 变压器， 5 0 台 移 相器 。 ( 3 ) 1 5 条两端 直流线 路和7 0 条多 端直流 线路。 ( 4 ) 6 0 个功率 交换区 域， 所有的 区域 共可 包含 1 5 0 个分区， 各区 域 之间 可有5 0 0 条功率交换联络线。 2 . 1 . 2潮流程序主要功能 ( 1 )计算方法 程序中可以使用的计算方法有:p -q 分解法、牛顿一拉夫逊法和改进的 牛顿一拉夫逊法。 采用 p -q 分解法和牛顿一拉夫逊法相结合， 可以提高潮流计算的收敛性 能，程序通常先采用 p -q分解法进行初始迭代，然后再转入牛顿一拉夫逊 _ 4 . 法求解潮流 。 改进的牛顿一拉夫逊法适用于求解低压配电网、具有串补的网络和经网 络化简后的等值系统的潮流。 采用该算法有助于克服由 于网络r / x 比值大而 收敛性差的困难。 ( 2 )自 动电压控制 多种类型的发电 机节点电压控制。除一般的p q , p v 及缓冲节点外， 还具 有发电机远方控制高压等级母线电压等多种控制节点类型。 ( 3 )负荷静特性模型 可以模拟由 恒定功率、恒定电流和恒定阻抗构成的静态综合负荷模型， 用来模拟电压变化对负荷的影响。 互 2 . 1 . 3程序输入输出模式简介 输入 基本程序控制语句 网络数据 老库文件 一- 一卜 - -i 卜 一一-卜 输出 _ 、_ 、 _ ，_ _ 一 mat计算程i ! -1 i - -ii卜 新库文件 结果输出打印文件 绘图文件 表2 -1 潮流程序输入输出 框图 具体说明如下: 输入部分: ( 1 ) 程序控制语句 用来指定作业及工程名字，指定计算中所要采用的程序功能， 指定输入 输出文件的选择等等。 ( 2 ) 网络数据 包括节点数据和支路数据，数据记录格式见下。 ( 3 ) 老库文件 由潮流作业生成的二进制文件，含有完整的网络数据和潮流解。 输 出部分: ( 1 ) 新库文件 由潮流作业生成的二进制文件 ，含有完整的网络数据和潮流解。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 ( 2 ) 结果输出打印文件 ( 3 ) 绘图文件 2 . 1 . 4潮流程序数据编辑界面 潮流程序的数据编辑界面如图2 -1 所示。 在图中可以看出， b p a 潮流程序数据是以 行为单位的， 每一行数据， 称为 一个卡片。因此，数据输入的过程，就是对各种卡片填充的过程。 b p a 潮流程 序主要的 数据卡 片分为四 类: ( 1 ) 区域控制数据卡，主要指定区域交换功率等。 ( 2 ) 节点数据卡，主要包括交流节点卡、直流节点卡等。 ( 3 ) 支路数据卡，主要包括变压器卡，线路卡等。 ( 4 )其他 卡片， 主要 包括修改 卡， 删除 卡等。 - 各个卡片格式的具体说明可参照【 9 e 2 . 1 . 5潮流程序的计算结果输出 潮 流 程 序 的 计 算 结 果 输 出 界 面 如 图2 - 2 所 示。 在 该 图 中 ， 潮 流 程 序 的 计 算 结 果 输 出 是 依 次 以 各 个 标 志 性 节 点 为 单 位 献 如 在 输 出 列 表 中 的 最 左 边 一 列 的 b u s l , b u s t , b u s a ， 等 就 是 这 种 标 志性 节点。 相 邻标志 性节点 之间的 数 据， 就是 线路的 潮 流计算 结果。 例如: 在 标志 性节点 “ b u s l ” 下面， 有三行 数据 “ b u s a , b u s b , g e n l , 这三 行 数 据 分 别 意 味 着 三 条 线 路 ， 即 : 线 路。 b u s l 一 b u s a , 线 路。 b u s l 一 b u s b , 线 斗 b u s t - g e 价 。 在 每 行 数 据 电可 以 很 清 楚 的 看 到 这 条 线 路 的 功 串 流 动了 线路 上的 功率 损耗以 及线 路两端补 偿的 无功 容量。 兰些皇垄查堂g ! 塞2 堡主堂垡笙奎 一( 2 ) 结果输出打印文件 ( 3 ) 绘图文件 2 1 4 潮流程序数据编辑界面 潮流程序的数据编辑界面如图2 1 所示。 在图中可以看出，b p a 潮流程序数据是以行为单位的，每一行数据，称为 一个卡片。因此，数据输入的过程，就是对各种卡片填充的过程。 b p a 潮流程序主要的数据卡片分为四类： ( 1 ) 区域控制数据卡，主要指定区域交换功率等。 ( 2 ) 节点数据卡，主要包括交流节点卡、直流节点卡等。 ( 3 ) 支路数据卡，主要包括变压器卡，线路卡等。 ( 4 ) j 其他卡片，主要包括修改卡，删除卡等。 各个卡片格式的具体说明可参照 9 。 | ：_ _ | 一 2 1 5 潮流程序的计算结果输出 潮流程序的计算结果输出界面如图2 2 所示。 在该图中，潮流程序的计算结果输出是依次以各个标志性节点为单位 的，如在输出列表中的最左边一列的“b u s l ”、“b u s 2 ”、“b u s a ”等就是这种 标志性节点。相邻标志性节点之间的数据，就是线路的潮流计算结果。例如： 在标志性节点“b u s l ”下面，有三行数据“b u s a ”、“b u s b ”、“g e m ”，这三 行数据分别意味着三条线路，即：线路“b u s l 一b u s a ”、线路“b u s l b u s b ”、 线路 b u m g e m ”。在每行数据中，可以很清楚的看到这条线路的功率流 动，线路上的功率损耗以及线路两端补偿的无功容量。 竺! ! 皇之丕兰g ! 塞2 堡主兰堡堕塞： 图2 1 潮流程序数据编辑界面 些苎兰皇垄奎兰g ! 塞! 堡主堂焦笙壅 图2 - - 2 潮流程序计算结果输出界面 2 2b p a 编程语言“们 潮流程序可以很方便地为用户提供诸如线路的功率流动，线路上的功率 损耗以及线路两端补偿的无功容量等参数，但是并不能对计算结果直接进行 电压稳定等方面的详细的分析。 为了弥补这个缺憾，b p a 提供了开放的数据接口和编程语言，可以对潮流 计算结果进行二次开发，以期达到对电网分析的目的。 b p a 的编程语言( 高级程序控制语句) 共分为三级。 一级控制语句，主要用于控制潮流计算的开始与结束、定义潮流文件名 华北电力大学f | e 京1 硕士学位论文 和工程名。 = 级控制语句，主要用于指定潮流作业输入输出文件名和输出文件选择、 指定基准功率，指定潮流计算的算法等。 ， 三级控制语句，从属于二级控制语句，用来进一步指定二级控制语句所 要求的各种功能。 具体的语法和编程指令等请参考【9 】。 本次计算应用的控制语旬，主要是为了计算节点、线路、电网损耗的灵 敏度，计算q v 曲线、p v 曲线等数据，失去发电功率和切除发电机，n 一1 校验计算等等。 2 3m a t ia b 编程语言口帕 m a t l a b 是m a t h w o r k s 公司于1 9 8 2 年推出的一套高性能的数值计算和可视 化软件，它集数值分析、矩阵计算、信号处理和图形显示于一体，构成了一 个方便的、界面友好的用户环境。 b i a t l a b 最重要的特点是易扩展性，它允许用户自己建立完成指定功能的 k 文件，从而构成适合于个别领域的工具箱。对于一个从事特定领域工作的 工程师j 不仅可以利用m a t l a b 所提供的函数及基本工具箱函数，而且可以 方便地构造出专用函数1 ，从而大大扩展了m a t l a b 的应用范围。 由乎本次计算所用的b p a 程序只能计算q v 随线、p v 曲线等数据，并 不能直接绘画出这些曲线。因此，为了形象化的输出这些曲线，就需要利用 s p a 开放的数据接口，在计算结果分析中，利用m a t l a b 编程语言，绘画出需 要的曲线。 例如，本次课题在进行电压稳定裕度指标计算时，便使用了m a t l a b 编程 语言，根据b p a 编程语言得到的q v 曲线、p v 瞌线等数据，绘画出了所 需的q v 曲线、p v 曲线。 华 北电 力 大 学 ( 北 京 ) 硕 士 学 位 论 文_ _ _ 和工程名。 二 级 控 制 语 句， 主 要 用 于 指 定 潮 流 作 业 输 入 输出 文 件 名 和 输出 文 件 选 择、 指定基准功率， 指定潮流计算的算法等。 三级控制语 句，从属于二级控制语句，用来进一步指定二级控制语句所 要求的各种功能。 具体的 语法和编 程指令等请 参考【 9 1 . 本 次 计 算 应 用 的 控 制 语 句 ， 主 要 是 为 了 计 算 节 点 、 线 路 、 电 网 损 耗 的 灵 敏 度， 计算q - v曲 线 、 p - v曲 线 等 数据， 失去 发电 功率 和 切 除 发电 机， n 一 1 校 验 计 算 等 等。 _ 2 . 3 m a t l a b 编程语言， m a t l a b 是m a t h w o r k s 公 司于1 9 8 2 年 推出 的 一套高性 能的 数值计 算和可 视 化玖忏，它果亚值分a t 、 .、x p d 甘异、1 言 亏nj e fi u m i t, 显不了一体， n ro b j 一 个方便的、 界 面友好的 用户 环境。 m a t l a b 最 重 要 的 特 点 是 易 扩 展 性， : 它 允 许 用 户自 己 建 立 完 成 指 定 功 能 的 m 文 件 ， 从 而 构 成 适 合 于 个 别 领 域 的 工 具 箱 对 于 一 个 从 事 特 定 领 域 工 作 的 工程师，不仅可以利用 m a t l a b所提供的函数及基本工具箱函数，而且可以 方便地构造出专用函数， 从而大大扩展了” a t l a b 的 应用范围. 由 子本次计算所用的b p a 程序只能计算q - v 曲 线、 p - v 曲 线等数据， 并 不能直接绘画出 这些曲 线。因 此，为了 形象化的 输出 这些曲 线， 就需要利 用 s p a 开放的数据接口， 在计算结果分析中， 利用m a t l a b 编程语言， 绘画出 需 要的曲线。 例如， 本次课题在进行电压稳定裕度指标计算时， 便使用了m a t l a b 编程 语言， 根据b p a 编程语言得到的q - v 曲 线、 p - v 曲 线等数据， 绘画出了 所 需的q -v曲线、p -v曲线。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 第三章北京主网发展和稳定水平分析 北 京 主 网 及 负 荷 的 现 状 和 发 展 北 京 主 电 网 现 状 2t 33. 入西七口 北京电 网 是京 津唐电网的 重要 组成部分， 除承 担为 首都 供电 的 任务， 还 向相 邻的 河北省 部分 地区转 送电 力， 在京津 唐电 网中 处 于十 分重要的 地 位。 - 截止2 0 0 0 年 底， 北 京电 网共 有装 机4 4 1 2 .5 4 m w e _ 2 0 0 0 年 北京地区 最大供电 负 荷6 7 2 8 m w， 用电 量3 2 1 4 4 g w .h e 到 2 0 0 0 年底，北京电网已有5 0 0 k v变电 所四座，即房山 ( 1 x 7 5 0 +1 x 8 0 1 ) mv a，昌平 ( 3 x8 0 1 ) mv a，安定 ( 2 x8 0 1 ) mv a，顺义 ( 2 x7 5 0 ) m v a ， 变电总容量7 0 5 6 m v a o 2 2 0 k v变电所2 9 座， 其中局属 2 2 0 k v变电 所 2 6 座，2 2 0 k v变电总容量达到 1 1 6 2 0 m v a o _ 目 前，北京电网主要通过 5 0 0 k v丰万顺线、大房双回线，分别与内蒙西 部电网和山西电网相连，接受 “ 西电东送”电力，内部 5 0 0 k v电网已经形成 了以昌平、 顺义、安定、 房山4 个 5 0 0 k v变电所为中心的5 0 0 k v环网， 在很 大程度上改善了北京地区的用电紧张状况和供 电可靠性 。 北京市区2 2 0 k v电网主网架结构紧凑，以8 座 2 2 0 k v枢纽变电所即:清 河、孙河 、北寺、老君堂 、南苑、芦城、吕村和聂各庄为中心形成双环网运 行。同时， 在环绕北京的双回2 2 0 k v环网基础上，建成了深入市区的草桥、 左安门、 太阳宫、 八里庄、 知春里等2 2 0 k v变电 所，使市区供电能力有了较 大提高。 2 0 0 0 年北京2 2 0 k v电网现状见图3 -1 . 华北电 力大学( 北京 倾 士学位论文 图3 一1 2 0 0 0 年北京 2 2 0 k v电网现状 3 . 1 . 2北 京地区 负荷 现状与发 展2 11 北京电网的电 力负荷是华北电网的重要组成部分和负荷中心， 来自内蒙、 张家口 和山 西的电力分别通过丰镇一万全一顺义、沙岭子至昌 平双回、大同 至房山双回等 5 0 0 k v线路直接向北京负荷中心输送电力。目 前华北电网“ 西 电东送”潮流很重，已 接近系统暂态稳定极限。 ( 1 ) 1 9 9 0 年 至2 0 0 1 年北京市负 荷增 长情况 作为 我国重要 的政治、 文化与国 际 交往中 心， 随着改革 开放的逐 步深入 和国民经济的不断发展，北京市的经济发生了 较大的飞跃，电力负荷也有了 较 大幅 度的 增长。 年供电 量 从1 9 9 1 年的1 7 5 .8 4 亿k w h到2 0 0 0 年的3 2 1 .4 4 亿k w h ， 年 供电 量 平均以7 .7 2 % 的 增长速 度逐 年增加， 十 年期间 其年 供电 量 增加了0 . 9 5 倍。目前北京市用电量及负荷约占京津唐电网的4 0 %左右. 北京 1 9 9 1 年至 1 9 9 9年供电负荷平均增长率为 1 0 . 5 4 ，其中 1 9 9 1 年一 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 1 9 9 5 年期间，最大负荷平均增长率为 1 0 . 4 5 %; 1 9 9 6 -2 0 0 0 年期间，最大负 荷平均增长率为 1 0 . 6 5 %. 北京地区负荷特性随着季节的变化呈现较强的变化规律。一般说来，由 于夏季空调负荷、 冬季取暖负荷的需要，冬夏两季的高峰负荷、低谷负荷分 别大于同一年度的春秋两季的高峰及低谷负荷;另外，夏季高峰负荷多发生 在 1 1 点左右，冬季日 高峰负荷多发生在 1 9 点左右，而春季、秋季的日 高峰 负荷随气温的高低、白 昼时间的长短可发生在 1 1 点或 1 9 点左右。 ( 2 ) 北京 地区 负荷 预测 2 0 0 0 年，北京地区最高供电负荷为 6 7 2 8 m w ，根据近十年来北京地区负荷 发展速度及对今后的发展预测，预测北京地区 2 0 0 5年最高供电负荷达到 1 0 5 0 o m w , 2 0 0 8 年最高供电负荷达到 1 3 3 0 0 m w , “ 十五”期间负荷的年平均增 长率为 5 . 1 9 %0 夸 3 . 2北京电网的一次事故及简要分析 一 1 .9 9 6 年1 月 1 9 日 ， 由 于一 名汽 车吊 车 司机 违章作 业， 误碰 石景山 热电 厂 室 八 里 庄 变 电 站 的 2 2 0 k v 石 八 双 回 线 ， 造 成 双 回 线 掉 闸 ， 从 而 引 发 了 一 连 串 - 的 掉闸。当 时 北京 第二热电 厂 加高 井电 厂 共发电 2 0 o m w ， 这一 地区负 荷合 计 约 4 4 5 m w o高井电厂分母线运行，形成了八里庄经 1 1 0 k v 高八线、高君线电 磁环网运行。当石八 1 , 2 号线掉闸后，潮流转移使得 1 1 0 k v高君线严重过 一命， 造 成 导 线 。 垂 力 口 无使 弓 子 ， 熔 化 断 线 ， 断 点 对 横 担 放 电 造 成 接 地 掉 im最 终 造 成 了 小 系 统 内 频 率 、 电 压 的 急 剧 下 降 。 通 过 一 系 列 低 频 、 低 压 减 一巍 w 的 动 柞 护 包 括 第 二 热 电 广 机 组 在 内 的 ，.1、系 统 全 部 停 电 。 这 次 事 故 对 北 景 畜 响 较 大 ， 使 北 京 地 区 一 个 2 2 0 k v 变 电 站 、 一 个 电 厂 、 七 个 ， 1 0 k 、 变 电 站 湘十个3 5 k v 变电 站全停 ， 二 个1 1 0 k v 变电 站和一 个3 5 k v 变电 站部分 停电。 荃 部 停 电 负 荷 约 3 60m w 0_ 车 节 从 . 1 ， 1 9 ” 事 故 中 可 以 看 出 ， 由 于 2 2 0 k v 负 荷 点 之 间 的 联 系 薄 弱 ， 在 2 2 0 0 一写1 1 0 k v 电 磁 环 网 运 行 且 当 2 2 0 k 、 系 统 出 现 故 障 时 ， 1 l o k v 系 统 无 法 起 到 支 撑 作 用 。 一 些 负 荷 站 虽 然 采 取 双 路 电 源 ， 但 均 来自 一 个 电 源点 ， 当 这 个 电 源 发生故障时， 使这些负荷站没有后备电源，这就显示出网络结构上的不合理 华北甩刀大字( 北京) 坝士字位论又 圣 3 . 3北京电网稳定水平现状和存在的主要问题 正常运行方式及正常检修方式下 ，在控制极限之 内运行并有快速保护条 件下， 京津唐电网5 0 0 k v及2 2 0 k v 任一回线发生三相短路时系统稳定; 2 2 0 k v 母线发生三相短路时系统稳定;2 2 0 k v同杆并架双回线三相短路跳闸时系统 稳定。正常方式下，北京环网5 0 0 k v双回线跳闸时系统稳定，但有过负荷问 题 。正常方式一般潮流情况下，北京与天津之间 5 0 0 k v双回线跳 闸时系统稳 定 1 。 北京地区发电容量相对较少。 在负荷高峰时刻，华北电网负荷最集中的 北京地区， 可调火电机组全开满发电， 从外部受电 量仍约占地区负荷的 6 0 % , 受资源和环保等因素制约， 北京地区不可能建很多大的发电厂，以 满足自 身 负荷的需要，未来几年中随着负荷增长，供需矛盾更加突出。而且，随着负 荷的增加和负荷特性的变化，北京电网自 身平衡能力更加削弱，电网无功电 压支撑将有进一步恶化的趋势。 因此， 北京电网的电压稳定问题会逐渐突出. 另外，北京电网中，一些线路潮流较重 ( 如北京的2 2 0 k v昌清双回线、 吕芦线) ，一些变电 站内的变压器容载比较高 ( 如5 0 0 k v房山站、安定站) ， 这 些元 件故障 后将引 起 相关元 件过负荷 较多。 i 1 因 此， 结合 北京电网 ， 找出 那些对系统稳定起关键作用的节点和母线 ( 薄弱母线) ，具有十分重要的意 义。 华北电 力大学( 北京) 硕十学位论文 第四章基于 b p a的北京主 电网电压稳定性分析 本章将结合北京主网具体实际情况，根据新导则规定的电压稳定标准综 合指标，利用 b p a程序对北京 2 2 0 k v以上电网进行静态 电压稳定性分析。 夸 4 . 1分析计算具体内容和工作步骤 本次课题分析计算的具体内容和工作步骤如下所示: ( 1 )分析 2 2 0 k v及以上北京主电网，包括绘制电网的等值接线图，对电 网的拓扑图进行分析，并结合电网的运行方式，初步拟订出计算计 一 划。 ( 2 )在有了初步的计算计划后，就要对全网进行参数的核对审查、计算 归算等等。由于并没有准确的网络 ( 变压器和线路) 标么值数据，而只能拿 到部分的变压器和线路的最原始数据。因此，需要对变压器和线路的数据， 进行数据采集与核对、标么值的归算等等，这几乎占去了本课题的一半的时 间。 ( 3 )在有了电网的拓扑图和网络参数数据后，结合电网的运行方式，就 可以 对 2 2 0 k v 及以上主网进行潮流计算。 ( 4 )有了潮流计算结果，就可以使用 b p a编程语言对其进行分析。本课 题采用的是静态电 压稳定分析综合指标 ( 即灵敏度指标和裕度指标) 。 ( 5 )最后，结合静态电压稳定分析综合指标，就可以对 2 2 0 k v及以上主 网进行电 压稳定的评估，找出电网的薄弱点和薄弱区域等，进而提出改进建 议。 本章将详细阐述以 上各个步骤，下一章将对北京 2 2 0 k v及以 上主网作出 计算结果的分析与结论 。 夸 4 . 2 北京主网分析计算的电网结构 2 0 0 0 年北京 2 2 0 k v电网现状见图3 -1 . 与功角稳定不同，电压稳定主要研究的是负荷区域的稳定。同时，本次 课题主要研究的是北京2 2 0 k v 及以上的电网。 基于这两点， 参照图 3 -1 。可 以绘制 出北京 2 2 0 k v 主 网的等值 接线图，如下所示: 华北电 力大学( 北京) 硕士学位论文 吕平5 加顺 义 5 0 0 吕平2 2 0 t 三陵 6 顺 义 2 2 0 韧尸瞥沪 !，一祖，/ 怀柔 太降 1 宫 西沙屯 高 n h 背 孙阿 聂各庄 二h f d 4 x 11 春 嫩 之 门久 沟 西宜 门 八 坐庄 东北郊 高 井朝阳门 / 吕村 西大望 1 府井 竹翻白l一一 四台心|口月jl卜小尸-卜 一 芦城 长裕 街 棘村何 草桥 官 苑 左 安 丁 1 /、 / ， /j/ l y f c . 老 刁 唁 堂 大兴 河一电占日尸!1|卜|ee乡，产! 清一刀1.入甲甲比仗上击巴印 房山2 2 0 安定 2 2 4 房 山 5 的安定5 0 0 图4 一1北京主网 等值接线图 对该等值图进行统计，得到 2 2 0 k v母线 2 9个，5 0 0 k v 母线 节点 1 1 个，图中 2 2 0 k v以上节点共计 4 4个。 2 2 0 k v 为了计算方便， 把该接线图分成了4 个区域， 顺时针依次为 a , b , c 和d a 互 4 . 3 北京主网分析计算的网络数据 由于本次电网分析计算所用的变压器、线路和节点的数据，并不是已经 归算好的b p a格式的网络数据，而需要从最原始的数据手册和现场中收集， 因此，数据收集、整理、归算的过程占去了 课题的很多时间。 b p a程序中， 线路的模型是对称的n型支路 1 9 ) 2 2 ，即 5n 国 心 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 r一 电阻 ， ( 0 m m 2/ k m ) , x一电抗， r二 丑l , ( l 一 线路 长 度(k m ) , p 一导 线 材料的 电 阻 率 s -导 线的 额定 截 面 积 ( m m ) , n 为 导 线分 裂 根 数 ) x = 卿1 4 4 5 1 8 压+ r . 0 . 01 57 ( l 一线路长度( k m ) , d m 一几何均距 ( m m或c m ) , r . 一 导 线 等 值半 径 ( m m 或c m ) , “ 一 线 路 对 地 电 纳 ， b = l 尝. 10-6 1 g r . q n 为导线分裂根数) ( l 一 线路 长 度 ( k m ) . d m 和r. 9 同 上 ) 变压器的模型是两绕组变压器，三绕组变压器先按常规方法化 为两台两 绕组 变压器后 再应用 此模型。 1 9 两 绕组变压 器模型 如下: 2 2 1 r t x t .， _. _ _ . _ r ， _ ， ， _p . u?_一 ，。 。 。，。 二 ，、 r t 一田钢t o 引)8 i j w双 甩p l l . ,入 : ，二 士 二 六， ， ( r k - c r :k r r i n vrto r n i u u w 厅 ( k w) , s n一变压器的 额定容量( m v a ) , u n 一变压器的 额定电 压( k v ) ) x t 一漏抗 ，x t =u , % u 异 1 0 0 5 份k % 一变压器的 短路电压百分值，s n , u n 的 表示意义同上) 标么值、有名值、基准值之间应有如下关系: 标么值 = 有名值 ( 5 2 s- k v k a- mv f 1 等 ) 基准值 ( 与相应有名值单位相同) 电网 各节点的命名规则是: 对于5 0 0 k v节点， 第一位是该节点的电 压等级， 第二位是该节点的 名字， 后 面三位是基准电 压。如:5 昌平 5 2 5 0 对于 2 2 0 k v节点， 第一位是该节点的电压等级， 第二位是该节点所处的区域， 后面几位是该节点的名字和基准电压。 如: 2 a 清河 2 3 0 a 在本次计算中，功率的基准值取为1 0 0 0 m v a ，电压的 基准值取为2 2 0 k v o 4 . 4北京主网潮流计算过程 在得到了北京主电网的线路、变压器数据后，统计各个节点 ( p v , p q ) 以及相应节点的功率后 ，结合电网的运行方式，就可对全网进行潮流计算。 华北电力大学( 北京) 硕士学何论文 r 一电阻，r ：卫l ，( l - - 线路长度( k m ) ，p 一导线材料的电阻率 fq m i l l 2 k m ) ，s ，一导线的额定截面积( m m 2 ) ，n 为导线分裂根数) x 一电抗，x ：l ( o 1 4 4 5 1 9 生+ 竺坠旦) ，( l 一线路长度( k m ) ，d m - - 胴蛳 ，埘 仃 ( m m 或c m ) ，r 如一导线等值半径( m m 或c m ) ，n 为导线分裂根数) b 一线路对地电纳，b ：l z 娑t 1 0 ， ( l 一线路长度( k m ) ，d m 和r e q 同上) l g 丝 变压器的模型是两绕组变压器，三绕组变压器先按常规方法化为两台两 绕组变压器后再应用此模型。【1 9 】两绕组变压器模型如下： 2 2 1 _ 二 一 r tx t r t 一由铜损引起的等效电阻，碍一蔫器蚤， ( p k 一变压器的短路损耗 ( k w ) ，s n 一变压器的额定容量( m q ，u n 一变压器的额定电压( k v ) ) x t 一漏抗，x t = 筹， ( u k 一变压器的短路电压百分值s n 、u n 的 表示意义同上) 标么值、有名值、基准值之间应有如下关系： ，。有名值( q s k v 翩m i a 等) 标么值2 画酲可骄匾荐驻潭丽 电网各节点的命名规则是： 对于5 0 0 k v 节点，第一位是该节点的电压等级，第二位是该节点的名字，后 面三位是基准电压。如：5 昌平5 2 5 。 对于2 2 0 k v 节点，第一位是该节点的电压等级，第二位是该节点所处的区域， 后面几位是该节点的名字和基准电压。如： 2 a 清河2 3 0 。 在本次计算中，功率的基准值取为1 0 0 0 m v a ，电压的基准值取为2 2 0 k v 。 4 4 北京主网潮流计算过程 在得到了北京主电网的线路、变压器数据后，统计各个节点( p v 、p q ) 以及相应节点的功率后，结合电网的运行方式，就可对全网进行潮流计算。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 使用b p a 程序进行潮流计算的过程，主要就是对b p a 的t d a t 文件进 行编辑的过程。即填充节点卡、线路卡、变压器卡以及基