電網(wǎng)規劃及運行中N-1準則應用與設備的相關(guān)性問(wèn)題

近年來(lái)，隨著(zhù)電網(wǎng)的不斷壯大，對電網(wǎng)穩定性及設備可靠性的要求越來(lái)越高，電網(wǎng)穩定導則和有關(guān)電網(wǎng)規劃建設的技術(shù)導則對電網(wǎng)安全運行的N-1準則均提出了不同要求。然而，由于規劃、設計、運行及經(jīng)營(yíng)等不同部門(mén)、相關(guān)技術(shù)人員對這一準則的理解和認識不同，供電可靠性與電價(jià)未形成有效的利益互動(dòng)關(guān)系，造成電網(wǎng)規劃建設、生產(chǎn)運行中不可避免地產(chǎn)生先天性安全隱患，對電網(wǎng)的長(cháng)遠發(fā)展也造成了不利影響。因此，有必要澄清對N-1準則的一些錯誤認識，提高電網(wǎng)投資效益和安全性、可靠性，在確保電網(wǎng)可持續發(fā)展的前提下，穩步提高供電可靠性。

1N-1準則的本質(zhì)

按照電網(wǎng)穩定導則有關(guān)定義，N-1準則是指正常運行方式下電力系統中任意一元件(如線(xiàn)路、發(fā)電機、變壓器等)無(wú)故障或因故障斷開(kāi)后，電力系統應能保持穩定運行和正常供電，其他元件不過(guò)負荷，電壓和頻率均在允許范圍內。N-1準則用于單一元件無(wú)故障斷開(kāi)條件下電力系統靜態(tài)安全分析，或單一元件故障斷開(kāi)后的電力系統穩定性分析即動(dòng)態(tài)安全分析。當發(fā)電廠(chǎng)僅有一回送出線(xiàn)路時(shí)，送出線(xiàn)路故障可能導致失去一臺以上發(fā)電機組，此種情況也按N-1原則考慮。

由此可見(jiàn)，N-1準則包含兩層含義：一是保證電網(wǎng)的穩定;二是保證用戶(hù)得到符合質(zhì)量要求的連續供電。從目前情況看，保證電網(wǎng)的穩定由于涉及整個(gè)電網(wǎng)安全，無(wú)論在資金投入、運行方式還是技術(shù)措施上均得到足夠的重視，但在保證用戶(hù)特別是邊遠地區用戶(hù)連續供電方面仍存在認識上的不足，造成局部電網(wǎng)生產(chǎn)運行長(cháng)期處于被動(dòng)局面。

2N-1與系統穩定性要求

電力系統穩定分為靜態(tài)穩定、暫態(tài)穩定、動(dòng)態(tài)穩定、電壓穩定。電力系統中單一元件無(wú)故障斷開(kāi)后，直接影響其靜態(tài)穩定和電壓穩定，使正常輸變電能力受到限制，其中以發(fā)電機組和輸電線(xiàn)路停運較為明顯，尤其是單電源線(xiàn)路或單臺主變壓器供電的變電站，當線(xiàn)路或變壓器停電檢修時(shí)，影響最直接;電力系統中單一元件故障斷開(kāi)后，直接影響其暫態(tài)穩定、動(dòng)態(tài)穩定和電壓穩定，其中以發(fā)電機組故障、母線(xiàn)故障和輸電線(xiàn)路故障較為突出，特別是樞紐變電站母線(xiàn)和網(wǎng)間聯(lián)絡(luò )線(xiàn)路。一般而言，單一元件故障斷開(kāi)后，如果重合閘正常，對穩定及連續供電不會(huì )造成影響，但重合不成功，則可能造成局部區域供電受阻甚至電網(wǎng)穩定破壞。所以，N-1準則與電網(wǎng)結構、運行方式、負荷分布及自動(dòng)化控制裝置配置有較大關(guān)系。當電網(wǎng)規劃、布局相對較合理時(shí)，可在一定程度上彌補網(wǎng)絡(luò )薄弱等不足，當設備選擇、配置較理想時(shí)，也可減少靜態(tài)穩定缺陷。

3N-1的類(lèi)型及影響

由于N-1準則是按電網(wǎng)元件斷開(kāi)狀態(tài)研究電網(wǎng)穩定性和安全供電問(wèn)題的，因此有必要對元件N-1的狀態(tài)類(lèi)型進(jìn)行劃分歸類(lèi)，特別對其時(shí)效性特點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

第一類(lèi)為計劃性停運，如電網(wǎng)設備的計劃性檢修、預防性試驗、季節性維護等。其特點(diǎn)是與設備類(lèi)型關(guān)系不大，預先可針對停運設備及相關(guān)元件、電網(wǎng)運行方式、負荷狀況及環(huán)境因素采取措施，一般不會(huì )對電網(wǎng)穩定造成影響，既使可能造成局部區域限負荷或供電中斷，其影響范圍是有限的，影響時(shí)間也是可預知的。計劃停運時(shí)間一般為數小時(shí)到數天，特殊設備如發(fā)電機組會(huì )達到數十天，這類(lèi)停運占電網(wǎng)設備累計停運時(shí)間的90%以上。

第二類(lèi)是非計劃停運，因設備運行過(guò)程中發(fā)生缺陷或局部故障而造成設備必須臨時(shí)停運處理。其特點(diǎn)是與設備類(lèi)型有密切聯(lián)系，如發(fā)電機組的熱機及輔機部分，變電設備的斷路器機構、隔離開(kāi)關(guān)導電部分、變壓器冷卻系統和絕緣油系統等。由于這類(lèi)停運隨機性較大，難以采取全面有效措施，因此可能對電網(wǎng)安全穩定性造成較大影響，是電網(wǎng)運行管理應重點(diǎn)解決的問(wèn)題。非計劃停運時(shí)間一般為數小時(shí)到數天，這類(lèi)停運占電網(wǎng)設備累計停運時(shí)間的3%～8%。

第三類(lèi)是故障停運，是以斷路器分斷為特征的瞬間或短時(shí)過(guò)程。由于在正常運行方式下已對機組出力、電網(wǎng)潮流、電壓等采取了措施，因此，通常情況下，瞬間故障(故障后可重合成功)不會(huì )對電網(wǎng)穩定造成明顯影響;單一永久故障(故障后未重合或重合失敗)對電網(wǎng)穩定造成的影響也是有限的，但可能對局部區域供電造成嚴重影響。故障停運時(shí)間差異較大，瞬間故障為幾百毫秒到幾秒，短時(shí)故障(一般永久故障)為數分鐘到數小時(shí)，當設備故障后發(fā)生嚴重損壞時(shí)，其停運時(shí)間一般為數天甚至數月，往往對局部區域正常供電造成嚴重影響，這類(lèi)停運占電網(wǎng)設備累計停運時(shí)間的1%～3%。

4設備類(lèi)型與N-1的關(guān)系

構成一個(gè)完整電網(wǎng)的設備除發(fā)電、輸電、變電、配電一次設備外，還有保護、計量、通信、自動(dòng)化、監控等二次設備。由于各類(lèi)設備在電網(wǎng)中的地位、作用不同，就形成了各自發(fā)生N-1時(shí)的明顯差異，而這些差異往往未得到應有的重視和區別對待。

4.1發(fā)電設備

這里所說(shuō)的發(fā)電設備指鍋爐、汽輪機、發(fā)電機、升壓變壓器及發(fā)電輔機設備。由于發(fā)電生產(chǎn)的特殊性，除老式母管制小機組及部分輔機外，四大發(fā)電設備中任一設備發(fā)生N-1狀況，就意味著(zhù)整個(gè)機組系統出N-1=0，即完全喪失發(fā)電能力。由于電源點(diǎn)和電網(wǎng)布局原因，也可能造成局部輸電網(wǎng)斷面穩定問(wèn)題。

4.2輸電設備

輸電線(xiàn)路，包括電纜是電力傳輸的通道，是構成電網(wǎng)的最重要的單元。從設備自身看，其特點(diǎn)是：①靈活性、主動(dòng)性大。輸電線(xiàn)路是由電力設計部門(mén)設計、施工安裝部門(mén)“制造”的設備，每一條線(xiàn)路均有自己的地域特點(diǎn)，改造完善相對方便。②受外界環(huán)境影響大。由于線(xiàn)路設備基本上全部暴露在空氣中，易受風(fēng)、雨雪、雷電、污穢影響，外力破壞故障多。③相對而言，線(xiàn)路設備故障、缺陷較直觀(guān)，易于被運行人員掌握，但要完全杜絕故障，從經(jīng)濟上考慮并不可行。④線(xiàn)路設備多數檢修維護工作可實(shí)現帶電作業(yè)，比其他電氣設備有明顯優(yōu)勢。

由于線(xiàn)路設備具有以上特點(diǎn)，當其發(fā)生N-1準則中定義的各種狀況時(shí)，其影響是不同的：①瞬時(shí)性故障。輸電線(xiàn)路多數故障屬于瞬時(shí)性故障，以雷擊為最多，一般而言對系統穩定和用戶(hù)供電不會(huì )產(chǎn)生明顯影響。②永久性故障，即造成重合閘不成功的故障。多由外力破壞、風(fēng)偏或污閃引起，這類(lèi)故障一般為短時(shí)故障，多數在數小時(shí)內可試送成功。③倒塔斷線(xiàn)故障。這是線(xiàn)路故障最嚴重的情況，由于環(huán)境及地域的不同，其恢復供電周期一般在十幾小時(shí)到十幾天之間。此外，由于電網(wǎng)運行方式、保護配置及線(xiàn)路在電網(wǎng)中的重要性不同，線(xiàn)路故障的后果也大相庭徑，從國內外多年的經(jīng)驗來(lái)看，引起電網(wǎng)穩定破壞造成大面積停電事故的起始原因多數是輸電線(xiàn)路永久故障或線(xiàn)路大面積污閃跳閘。

4.3變電設備

變電設備包括高壓一次設備和直流、保護等二次設備。變電一次設備有以下特點(diǎn)：①設備種類(lèi)繁多，按作用類(lèi)型分有變壓器類(lèi)、開(kāi)關(guān)類(lèi)、測量變換類(lèi)、補償類(lèi)及絕緣支撐類(lèi)，其中心是電力變壓器;②設備“既成性”強，絕大多數變電設備均由專(zhuān)業(yè)化制造廠(chǎng)生產(chǎn)，電網(wǎng)運行單位難以完全掌握設備全部細節，備品配件儲備困難;③檢修工藝要求高，檢修周期限制嚴格，對檢修現場(chǎng)要求高;④設備內部狀況不直觀(guān)，難以準確掌握設備狀態(tài)，設備缺陷的預知性處理仍處于探索階段;⑤由于空間限制，難以開(kāi)展帶電作業(yè);⑥設備故障后恢復供電周期較長(cháng)，部分設備在現場(chǎng)不具備修復條件，必須返廠(chǎng)，故障修復費用高;⑦由于變電站性質(zhì)決定了變電設備故障或停電檢修往往直接影響本區域正常供電，社會(huì )影響較大。

二次設備有以下特點(diǎn)：①設備元件基本上工作在低電壓、小電流條件下，易受到變電站電磁場(chǎng)干擾和影響;②與一次設備各單元互相關(guān)聯(lián)性強，邏輯關(guān)系復雜，易造成誤動(dòng)、拒動(dòng);③二次設備隨技術(shù)發(fā)展其變化較一次設備更新?lián)Q代快得多，不同廠(chǎng)家元件互換性差，備品配件種類(lèi)繁多，給維護、改造帶來(lái)諸多困難;④二次設備不僅在本變電站內關(guān)聯(lián)配合，還要在變電站間配合，涉及的運行管理單位多，對信息通道、網(wǎng)絡(luò )間整體協(xié)調要求高;⑤二次設備中保護、自動(dòng)化設備是電網(wǎng)的最后“屏障”，一旦出現問(wèn)題，往往造成電網(wǎng)事故擴大，影響巨大。

4.4配電設備

配電設備包括城市變電站低壓側設備、開(kāi)閉所開(kāi)關(guān)類(lèi)設備、配電線(xiàn)路、中壓電纜、配電變壓器及配網(wǎng)自動(dòng)化設備等。由于配電設備均位于電網(wǎng)末端，因此當發(fā)生N-1情況時(shí)，不會(huì )對電網(wǎng)穩定造成影響，考慮配網(wǎng)N-1，重點(diǎn)應放在如何解決對用戶(hù)的連續供電上。配網(wǎng)故障有如下特點(diǎn)：①故障范圍有限。由于配網(wǎng)供電能力和供電半徑限制，配網(wǎng)設備故障后影響的供電范圍較小。②故障類(lèi)型簡(jiǎn)單。農村、城鎮及市郊配電線(xiàn)路故障以雷擊短路和外力破壞為主，相對而言瞬間故障居多。而城市配電線(xiàn)路故障主要以對樹(shù)木放電等外力破壞類(lèi)型為主，多數是永久性故障。中壓電纜故障基本上為電纜頭爆炸等工藝缺陷型故障。③由于配網(wǎng)設備相對簡(jiǎn)單，備品備件儲備容易，且部分工作可實(shí)現帶電作業(yè)，因此恢復供電的周期較短，一般可在數小時(shí)內解決。

5針對設備特點(diǎn)應用N-1的適用性原則

從一般概念出發(fā)，解決N-1問(wèn)題的最簡(jiǎn)單辦法就是增加“備份”或“后備”。然而，由于電力系統屬于資金密集、技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，在供電可靠性與電價(jià)間未形成有效的利益互動(dòng)關(guān)系的前提下，過(guò)分強調足夠的“備份”或“后備”能力是不經(jīng)濟的，也不利于電網(wǎng)的長(cháng)期發(fā)展。另一方面，參與電網(wǎng)運行的設備越多，電網(wǎng)運行就越復雜，發(fā)生元件故障的次數就越多，從某種意義上說(shuō)穩定性、可靠性反而會(huì )降低。所以，針對電網(wǎng)、設備特點(diǎn)，特別是局部區域連續供電要求，靈活應用N-1準則是確保電網(wǎng)安全、經(jīng)濟、可持續發(fā)展的有效途徑。

5.1發(fā)電設備

從以上分析可以看出，解決發(fā)電設備N(xiāo)-1問(wèn)題應處理好以下幾方面問(wèn)題：①電網(wǎng)中應有足夠的備用發(fā)電容量，旋轉備用機組有較好的自動(dòng)控制和調節性能，各類(lèi)型機組群備用容量與裝機容量相匹配;②做好區域電網(wǎng)負荷平衡，電源點(diǎn)與負荷中心布局合理，電源點(diǎn)建設與負荷發(fā)展相匹配，盡量避免大量電力的長(cháng)距離傳輸;③機組接入電網(wǎng)的位置及電壓等級應兼顧當地負荷及區域網(wǎng)間互備，避免過(guò)于集中，避免大量電力經(jīng)多級升壓、降壓傳輸，遠離負荷中心的大容量機組宜接入超高壓電網(wǎng)，并保證足夠的傳輸或負荷轉移能力。

由于發(fā)電設備N(xiāo)-1的影響是全網(wǎng)性的，與電網(wǎng)發(fā)電總容量、機組單機容量有密切關(guān)系。因此，從安全可靠性角度出發(fā)，規?；騻溆萌萘肯鄬^小的電網(wǎng)不宜配置單機容量過(guò)大的機組，以免因靜態(tài)穩定儲備容量不足造成穩定惡化或出力限制。

5.2輸電線(xiàn)路

電網(wǎng)設備中發(fā)生N-1最多的元件就是輸電線(xiàn)路，各個(gè)電網(wǎng)運行單位基本上都是以輸電線(xiàn)路故障作為考核電網(wǎng)穩定性的出發(fā)點(diǎn)?？紤]到N-1準則的時(shí)效性、設備特性及故障發(fā)生概率關(guān)系，解決輸電線(xiàn)路N-1問(wèn)題應處理好以下幾方面問(wèn)題：①發(fā)電廠(chǎng)電源線(xiàn)路應與其裝機容量匹配，在采取措施后可保證電網(wǎng)穩定的條件下應盡量減少電廠(chǎng)出線(xiàn)線(xiàn)路條數，必要時(shí)應接入電網(wǎng)不同的變電站點(diǎn);②網(wǎng)間聯(lián)絡(luò )線(xiàn)應適當加強，包括其傳輸能力(電壓等級、導 體截面、線(xiàn)路長(cháng)度)、絕緣水平(防雷、防污閃)及通道質(zhì)量(防洪、防覆冰、避開(kāi)采空區、林區);③區域電網(wǎng)應以220 kV環(huán)型電網(wǎng)為主，必要時(shí)應構成雙環(huán)網(wǎng)，當負荷進(jìn)一步加大使220 kV電網(wǎng)逐漸變?yōu)榕潆娋W(wǎng)后，其環(huán)網(wǎng)結構應逐漸轉變?yōu)檩椛浣Y構;④盡量避免形成電磁環(huán)網(wǎng)，已有電磁環(huán)網(wǎng)應通過(guò)加強高電壓等級電網(wǎng)而實(shí)現解環(huán);⑤終端負荷站電源線(xiàn)路因最大負荷限制可采用雙電源、兩站三線(xiàn)或雙“T”結構，但每一回線(xiàn)路應具備足夠的過(guò)負荷能力(適當增大導線(xiàn)截面);⑥當線(xiàn)路通道狀況較差時(shí)，不宜采用同塔雙回或多回線(xiàn)路結構;⑦伸入市區終端變電站的線(xiàn)路應盡可能使雙電源一次建成，若為電纜線(xiàn)路時(shí)可采用線(xiàn)路變壓器單元接線(xiàn)。

5.3變電設備

由于變電設備是電網(wǎng)計劃及非計劃停運的主要部分，且變電設備發(fā)生故障后停運時(shí)間長(cháng)，修復費用高，因此在考慮變電設備N(xiāo)-1準則時(shí)，應按變電站地位、供電可靠性要求及設備制造水平綜合采取措施。

(1) 變電站母線(xiàn)故障往往造成全站停電或大量甩負荷，因此母線(xiàn)結構和性能對穩定和安全影響巨大：① 500 kV變電站在電網(wǎng)中長(cháng)期處于樞紐位置，其500 kV側母線(xiàn)采用雙母線(xiàn)一個(gè)半斷路器接線(xiàn)并適當提高絕緣水平和動(dòng)、熱穩定水平對電網(wǎng)安全十分必要，經(jīng)濟上也是合理的;其220 kV側母線(xiàn)采用雙母線(xiàn)(雙母線(xiàn)分段)與其樞紐地位相適應，但應注意進(jìn)出線(xiàn)布局及與運行方式匹配問(wèn)題，并盡可能提高絕緣水平及采用高可靠性開(kāi)關(guān)設備;② 220 kV樞紐或環(huán)網(wǎng)變電站220 kV側母線(xiàn)一般應采用雙母線(xiàn)，當其進(jìn)出線(xiàn)中有較多網(wǎng)間聯(lián)絡(luò )線(xiàn)時(shí)，宜設旁母;

220 kV終端變電站220 kV側母線(xiàn)結構應盡量簡(jiǎn)化，一般應采用單母線(xiàn)或內橋接線(xiàn)，當線(xiàn)路較短或采用電纜線(xiàn)路時(shí)，可取消母線(xiàn)采用線(xiàn)路變壓器單元接線(xiàn);220 kV變電站110 kV側母線(xiàn)應采用雙母線(xiàn)，并盡可能提高絕緣水平及采用高可靠性開(kāi)關(guān)設備;③ 110 kV變電站110 kV側母線(xiàn)應根據其電源線(xiàn)路特點(diǎn)分別采用單母線(xiàn)、單母分段或內(外)橋接線(xiàn);其35 kV側、10 kV側一般應采用單母分段接線(xiàn)，但對于開(kāi)關(guān)柜中的母線(xiàn)必須采取加強絕緣措施。