宜昌江南电网清洁能源消纳及外送分析
时间：2023-06-17 18:25:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
王艳阳，丁红声，周 翔，骆卫东，熊会林，童华敏
（1.国网随州供电公司，湖北 随州 441300；
2.国网宜昌供电公司，湖北 宜昌 443002；
3.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002）
目前，在220 kV层面，宜昌电网与荆州电网、荆门电网合环运行，形成鄂西电网主体。宜昌江北电网通过220 kV 远双线、坡爱线与荆门电网联络，通过220 kV 江枝线、枝纪线与荆州江北电网联络。宜昌江南电网通过220 kV楼滋双回线、楼飞线与荆州江南电网联络。宜昌江南电网与江北电网通过220 kV 郭猇双回、点郭线联络［1-3］。
500 kV 安福变电站位于三峡电力外送通道上，在湖北电网乃至整个华中电网都有着极其重要的地位［4-6］。为简化500 kV电网结构，优化其运行方式，降低三峡近区电网短路电流水平，国家电网有限公司于2014年提出实施安福合环工程。随着华润热电厂、鄂渝背靠背、邦普大用户等工程接入，宜昌电网特性发生较大变化，三峡近区短路电流水平需重新研究。安福合环工程边界条件也随之发生变化，一系列电网补强工程成为安福合环的前置条件，主要包含500 kV孱陵站主变扩建、500 kV 宜兴安江对调、新建500 kV 宜都至孱陵线路、500 kV 渔宜线改进朝阳变、新建建始至朝阳500 kV线路、500 kV安福站主变扩建等工程。安福合环方案包括断开220 kV 远双、坡爱、江枝、枝纪、点郭、郭猇双回7根联络线，打开500 kV系统与220 kV系统电磁环网，宜昌江北电网独立成片运行，宜昌江南电网与荆州江南电网合环运行［10-12］。安福合环后，鄂西电网将分为宜昌北片电网、宜昌南-荆州南电网、荆州北-荆门电网三片运行［13］。
该工程对电网结构改动较大，宜昌电网运行特性会发生较大变化，因此提前分析安福合环后电网的运行情况和薄弱环节对于电力系统规划、运行方式安排、用户报装接入等具有参考价值。
宜昌江南电网电源点主要包含隔河岩水电站（220 kV系统装机容量2×300 MW）、高坝洲水电站（装机容量3×84 MW），东阳光火电厂（装机容量2×330 MW），北风垭风电场（100 MW），牛庄风电场（120 MW），500 kV朝阳变（1×100 MVA）以及荆州南的孱陵变，孱陵变下网承担宜昌南部以及荆州南部孱陵周边片区负荷的供电任务［14-16］。
其中，江南电网内通过楼滋-楼飞断面将宜昌南与荆州南连接，通过郭家岗站的点郭-郭猇断面将宜昌南与宜昌北相连［17-19］。在安福合环工程投运前，该两个断面长期存在重载或越限问题，导致江南电网出现供电卡口问题［20-23］，柑楼-郭楼断面以及朝郭-郭楼断面也存在一定的越限问题。出现以上问题的主要原因是郭猇双回线以及楼滋I回楼飞线载流量过小以及柑楼双回同杆架设，造成线路N-1故障时可满足线路安全载流量条件的断面限额过小，无法满足该断面的外送需求［24-27］。以上问题构成江南电网主要的外送制约条件，影响江南电网的清洁能源大规模外送［28］。安福合环后，宜昌南部的电网结构将变为独立部分，具体结构如图1所示。
图1 安福合环后宜昌南部电网结构图Fig.1 Structure of the southern Yichang power grid after Anfu integrated ring operation
3.1 丰大方式
3.1.1 安福合环前丰大方式宜昌南部潮流分析
安福合环前，丰大方式下宜昌南部电厂全开机状态，500 kV主变及重要断面潮流分布如下：朝阳主变下网334 MW，柑楼-郭楼断面有功达569 MW（断面限额550 MW，越限1.03 倍），楼滋双回功率467 MW（限额390 MW，越限1.2 倍），楼滋-楼飞断面功率达647 MW（限额470 MW，越限1.38 倍），其余断面及线路均未越限［29-31］。在此情况下，若东阳光只开单机，则柑楼-郭楼断面功率达到788 MW，楼滋-楼飞断面达到536 MW（越限14%），即东阳光开单机时虽减轻楼滋-楼飞断面的越限程度，但却进一步加重柑楼-郭楼断面的断面功率，基于此，丰大方式下需采取稳定措施，控制朝阳变主变下网功率12%+孱飞线联控断面潮流不超过280 MW。
丰水期水电大发时，楼滋-楼飞断面为宜昌江南电网电力外送的主要瓶颈，断面限额制约条件为：楼子河1号母线故障时楼飞线与楼滋I回同跳，分析楼子河变站内接线方式，采取江楼子河变1号母线从楼滋I回与楼香线之间分段时（即1 号母线改为分段母线，1 号A 接楼滋I 回线、1 号B 母线接楼飞、柑楼I 回、1 号变、东楼I回、郭楼I回），楼滋-楼飞断面的制约条件由1号母线故障变为2号母线故障，断面限额由470 MW提升至535 MW，可知楼子河1 号母线分段方案对楼滋-楼飞断面稳定限额有一定提升作用。
宜昌地区丰水期实际水电发电能力不能达到预期，按枯水年实际开机方式进行计算，汛期反枯开机方式下，即葛二江出力70%，隔河岩全停，高坝洲全停，云台荒出力30%，北风垭出力30%时，朝阳变主变下网与坡爱（掇送坡）联控断面潮流331 MW，限额220 MW，越限50%，据此预计枯水年宜昌电网供电能力约2 715 MW（含东阳光不含杨家湾），其中宜昌江北2 086 MW，宜昌江南629 MW。
3.1.2 安福合环后丰大方式宜昌南部潮流分析
宜昌江南、江北分片后，南部水电向北的疏散通道（点郭-郭猇断面）中断，宜昌江南外送卡口进一步加剧。宜昌水电外送分为三级断面：第一级断面是朝郭-郭楼断面，该断面为长阳水电外送断面；
第二级断面是朝阳-柑楼-郭楼断面，该断面为宜昌南水电、风电外送断面；
第三级断面是朝阳-楼滋-楼飞断面，该断面为宜昌南电力外送断面。
安福合环后，宜昌安福变投运及宜荆荆电网分片后，由于江南-江北通道断开，原有北送潮流涌向南部电网，宜昌南和荆州南之间联络线楼滋双回-楼飞断面以及柑楼-郭楼断面潮流明显加重。安福合环配套工程也包含楼滋、楼飞线的增容改造，新的楼滋I、II回及楼飞线载流量增大，楼滋I 回线载流量由原来的845 A 变为1 461 A、楼滋II 回载流量由1 200 A 变为2 188 A、楼飞线载流量由845 A 变为1 124 A，因此楼滋-楼飞断面限额预计将由原来的470 MW 增加到850 MW。另外原有的朝郭-郭楼断面由于江南江北开环，郭家岗处原有的北送通道消失，因此朝郭-郭楼转移比增大，使得该断面限额由安福合环前的600 MW下降至500 MW。
在此情况下，宜昌南至荆州南输电通道楼滋-楼飞断面潮流增加约180 MW，柑楼-郭楼断面功率可达近770 MW、越限超过40%（限额550 MW），楼滋-楼飞断面功率可达840 MW（限额850 MW 的99%），朝郭-郭楼断面功率可达440 MW（限额500 MW 的88%）。若需控制柑楼-郭楼断面不越限，需要保证宜昌江南地区所有水电、风电发电之和不超过480 MW。若东阳光开单机，楼滋-楼飞断面功率降至670 MW，柑楼-郭楼断面功率将增至920 MW、越限67%。在东阳光开双机的情况下，一级断面不存在卡口问题；
受柑楼-郭楼断面稳定限额为750 MW，外送需求约730 MW，几乎满额运行。三级断面外送需求为800 MW，而其外送能力为810 MW，也几乎满额运行。
通过各种开机方式组合，发现若需控制柑楼-郭楼和楼滋-楼飞断面均不越限，则江南地区至多只能将高坝洲和隔河岩各开1 台机，其余机组全开方式下运行（其中东阳光机组必须全开机），否则将有越限风险，且柑楼-郭楼断面越限最为严重。受此断面制约，江南地区丰水期水火风电满发时无法全部外送，存在一定的外送制约。
3.2 丰小方式
3.2.1 安福合环前丰小方式宜昌南部潮流分析
由于清洁能源全开机情况下会导致远双线过载，结合实际运行情况，丰小方式下初始开机方式定为高坝洲关2机、风电均按额定功率的一半发电。润昌热电猇亭侧开机200 MW、润昌热电安福侧关机、东阳光开单机。
丰小方式下，宜昌220 kV层面水电外送需求超过1 200 MW，卡口进一步加剧。宜昌水电满发，润昌、东阳光开单机，长郭双回断面（长送郭）功率660 MW（限额650 MW，越限2%），柑楼-郭楼断面（柑送楼、郭送楼）功率654 MW（限额550 MW，越限19%），楼滋-楼飞断面（楼送滋、楼送飞）功率506 MW（限额470 MW，越限8%），朝阳变上网329 MW（限额250 MW，越限32%）。
而在2022年秋汛方式下（即丰小方式下火电尽量少出力）预计宜昌各220 kV变电站总下网功率1 487 MW（其中长阳-60 MW、陈家冲-90 MW、五峰-180 MW、小雁溪-106 MW），隔河岩、高坝洲满发，北风垭出力100 MW、东阳光开单机（330 MW）。此时，长郭双回断面功率660 MW（越限2%）、楼滋-楼飞断面功率为459 MW（负载98%）、柑楼-郭楼断面功率为607 MW（越限10%），朝阳变上网252 MW（越限1%）。
2023 年丰小方式下，远双线将会过载运行，坡爱线与车桔线的潮流较大，存在断面过载运行风险。对目前开机方式进一步优化，在长阳上网60 MW、陈家冲上网90 MW、五峰上网180 MW、小雁溪106 MW，水电满发（葛二江、隔河岩、高坝洲），风电出力50%（北风垭50 MW、云台荒50 MW），润昌仅开安福侧机（200 MW）、东阳光开单机（330 MW）、沙市电厂开单机（150 MW）、牌楼热电开单机（160 MW）、南郡电厂和荆门6号机全停时，宜昌南部长郭双回断面功率654 MW（越限1%）、楼滋-楼飞断面功率为449 MW（负载96%）、柑楼-郭楼断面功率为598 MW（越限9%），朝阳变上网254 MW（越限2%），可见优化开机方式后可解决过载问题，但仍存在过载风险。
3.2.2 安福合环后丰小方式宜昌南部潮流分析
安福合环后丰小方式下，朝阳变上网功率超过400 MW（限额250 MW，越限60%），孱陵变上网164 MW，朝郭-郭楼断面功率可达630 MW（越限26%），柑楼-郭楼断面功率可达690 MW（越限25%），楼滋-楼飞断面功率为540 MW。若需将朝阳变上网功率降至250 MW 及所有断面不越限，则隔河岩220 kV 侧与长阳上网不超过530 MW，且所有风电、水电（包括五峰上网）需不超过860 MW，且东阳光开单机。第一级断面的外送需求为635 MW，其外送能力为500 MW，缺口超过100 MW；
对于第二级断面，若考虑朝阳变上网约束，其外送需求为1 130 MW，外送能力为800 MW，缺口超过300 MW；
对于第三级断面，若考虑朝阳变上网约束，其外送需求为980 MW，外送能力为650 MW（依据2022 年国网湖北省电力有限公司公司第二版稳控规定），卡口约350 MW。
3.3 枯大方式
3.3.1 安福合环前枯大方式宜昌南部潮流分析
枯水期，宜昌水电出力受限，为保证宜荆荆电网供电能力，对火电出力要求高，枯大方式下，葛二江出力566 MW、隔河岩/高坝洲均开单机、宜荆荆220 kV其他火电全开时，朝阳变下网342 MW，在此开机方式下若朝阳变故障，其下网功率的22%转坡爱线（掇送坡功率达226 MW，过载3%），14%转远双线（双送远），受此断面制约，宜昌地区枯大期间供电能力约为2 990 MW，而2019年枯大预测负荷为3 018 MW，因此存在一定缺电风险。楼滋I、II回加楼飞断面（楼送滋、楼送飞）功率达到465 MW，负载率高达99%。
3.3.2 安福合环后枯大方式宜昌南部潮流分析
安福合环之后枯大方式下，宜昌南部东阳光全开，北风垭全开，各断面均未越限，其中楼滋-楼飞断面潮流449 MW（限额850 MW），柑楼-郭楼断面潮流300 MW（限额550 MW），朝阳变下网408 MW。朝阳变主变故障及220 kV 母线故障均不会造成其他线路或断面越限。
通过对安福合环宜荆荆分片后的江南地区暂态稳定故障进行分析，设置故障模式为宜昌江南电网内各500 kV变电站及220 kV母线故障、各220 kV发电厂母线故障，若故障时间从1 s 开始，母线上故障点所在出线本侧及对侧开关1.12 s 切除故障动作成功，即不发生开关拒动的情况下，江南地区不稳定情况主要有以下4种：
1）220 kV 五峰变、北风垭风电场、牛庄风电场通过朝峰线与主网联络，朝阳变220 kV 4号母线故障，将导致朝峰线失压，北风垭、牛庄风电场电压崩溃，失去外送通道，如图2所示。
图2 朝阳4号母线故障Fig.2 Chaoyang No.4 bus fault
2）高坝洲3 号母线故障，高坝洲1 号、2 号、3 号机 组均失稳，如图3所示。
图3 高坝洲3号母线故障Fig.3 Gaobazhou No.3 bus fault
3）楼子河母线故障，楼子河110 kV母线电压恢复 缓慢，如图4所示。
图4 楼子河1号母线、2号母线故障Fig.4 Louzihe No.1 bus and No.2 bus fault
4）五峰2 号母线故障，五峰110 kV 电压崩溃，北风垭电压越限，如图5所示。
图5 五峰2号母线故障Fig.5 Wufeng No.2 bus fault
若在500 kV主变故障、500 kV变电站220 kV母线及出线、220 kV发电厂母线故障时，设置故障模式为：1 s 发生故障，1.12 s 本侧开关拒动而对侧动作，1.35 s启动母线失灵保护动作切除母线上所有出线，可能产生如表1所示暂稳问题。
表1 江南电网500 kV主变、220 kV母线及出线故障开关拒动扫描结果Table 1 Jiangnan Area 500 kV main substation,220 kV busbar and outlet fault switch rejection scan results
综上所述，可得出以下结论：
1）安福合环前宜昌江南电网清洁能源外送主要卡口为楼滋-楼飞断面，柑楼-郭楼断面略有越限，安福合环后宜昌江南电网清洁能源主要靠荆州江南电网联络线与朝阳变主变送出，柑楼-郭楼断面潮流将进一步加重，成为制约电力外送主要瓶颈。
2）楼滋-楼飞断面增容后，稳定限额大幅提高。东阳光电厂开停机与这个重要断面关联性较强，东阳光关机时楼滋-楼飞不会越限，但柑楼-郭楼断面越限严重。因此综合各种开机方式得出，丰大方式下需要控制东阳光机组开单机方式，并调节隔河岩及高坝洲机组单机运行以抵消断面潮流，保证不越限。
3）安福合环后，丰小方式朝阳变主变上网功率越限严重，朝郭-郭楼断面以及柑楼-郭楼断面也存在越限问题，因此建议朝阳变主变尽快实施增容工程，以彻底解决清洁能源外送卡口问题。
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