電磁環網

電磁環網亦稱高低壓電磁環網，是指兩組不同電壓等級的線路通過兩端變壓器磁迴路的聯接而並聯運行。高低壓電磁環網中高壓線路斷開引起的負荷轉移很有可能造成事故擴大、系統穩定破壞。

基本介紹

• 中文名：電磁環網
• 外文名：Electromagnetic loop network
• 學科：電力工程
• 領域：能源
• 別稱：高低壓電磁環網
• 危害：造成事故擴大、系統穩定破壞

簡介

國內220kV/110kV電磁環網已基本解環運行，但220kV 及以上電磁環網仍大量存在。多年來，學者和業界人士已對電磁環網開展了大量的分析和探討，指出需重視線路無故障跳線校核等。一般認為電磁環網的缺點和風險主要包括：①上級電網故障後功率轉移導致下級電網過載，其原因是上下級電網輸電能力的不匹配；②上級電網故障後阻抗突增引發暫態失穩甚至系統振盪，其原因是上下級電網阻抗的不匹配；③系統短路水平增加，下級電網短路易超標；④網路結構不清晰，潮流轉移特性複雜，增加了不可控的連鎖故障風險；⑤增加了保護整定和二三道防線配置的困難。

從結構上看，電磁環網和同一電壓等級元件構成的普通環網並無本質區別，最大的不同在於：電磁環網由於上下級電網阻抗和傳輸容量相差較大導致不均衡特性較為突出。而合理的且能充分發揮自身能力的電網一般結構特性較為均衡。隨著電力系統的不斷發展，電磁環網的形態愈加豐富和多樣，有必要進行系統性分析，採取不同的應對策略。

弱環型與強環型

根據電磁環網的結構強弱，電磁環網可分為以下幾種類型：

1）典型弱環網

上、下級電網均薄弱的為典型弱環網，該結構的熱穩定、暫/動態穩定較差，上級電網輸電能力嚴重受限且不具備解環條件，與下文弱環Ⅰ型的共同點是上級通道故障後其潮流100%轉移至下級電網。

2）弱環網Ⅰ型

上級電網薄弱（發展不完善）而下級電網相對堅強的可定義為弱環網Ⅰ型，其主要問題是上級電網故障後功率轉移可能導致下級薄弱環節元件過載。

3）弱環網Ⅱ型

上級電網堅強而下級電網相對薄弱的可定義為弱環網Ⅱ型，上級電網的某一通道故障，潮流主要在上級電網內部轉移，穿越下級電網的潮流較小，且系統阻抗沒有顯著增加，正常方式下運行風險較小，但在上級電網檢修時可能存在典型弱環網的特性。

4）強環網

上、下級電網均堅強的為強環網，其解環的必要性往往源於網路規模偏大或過於複雜時短路水平控制要求和預防不可控的連鎖故障風險，通過解環將電網結構清晰化、解耦化是有益的。

簡單/顯性型與複雜/隱性型電磁環網

簡單型電磁環網上、下輸電通道之間存在直接的電磁耦合關係和明確的並聯結構，一般出現在相鄰上級變電站之間（兩個電磁耦合點），具有明顯的上級主幹輸電通道和下級並聯輸電通道，耦合點及潮流轉移特性較為清晰，如典型弱環網和弱環網Ⅰ型。複雜型電磁環網一般屬於隱性結構，上級通道故障後潮流向上、下多個通道轉移，甚至不存在明顯的上級主幹通道，潮流轉移特性複雜甚至隱蔽，有多個電磁耦合點，屬於非典型電磁環。

雙級型與多級型電磁環網

典型的電磁環網一般涉及兩個電壓等級，500kV電網發展初期出現過500kV/220kV/110kV三級電磁環網，隨著110kV電網的分片開環運行，這種情況基本消失，但是特高壓電網建設過程中又出現了1000kV/500kV/220kV三級電磁環網，增加了電網運行的複雜性和風險。

概述及電磁環網的耦合度指標

作為環網的特例，電磁環網運行分析的重點在於評估主幹輸電元件或通道故障前後的網路阻抗特性變化及其對下級電網的影響。

上級輸電線路/通道可定義為該電磁環網的主幹通道（一般是與下級電網並聯的上級通道中阻抗最小者），耦合度主要取決於主幹通道故障後上、下級電網之間的阻抗差異，也在一定程度上反映了電磁環網的強弱，如典型弱環網和弱環網Ⅰ型的耦合度為100%，屬於典型的強耦合電磁環。

潮流轉移

電磁環網面臨的普遍問題是主幹通道故障後潮流轉移導致下級電網過載。故障前上、下級電網元件潮流方向一致時，故障後下級元件潮流將增大，反之將減少甚至逆轉，可分別定義為順向和逆向潮流方式。針對實際電網的運行風險，以下因素需要重點關註：強耦合、大潮流、低裕度（順向）。

由於上、下級電網的輸電能力可相差3～6倍（如根據線型不同，500 kV 線路約為1600～3500MW，220kV線路約為200～700MW），對於強耦合的弱環網，一般受投資、廊道、站址、環保、短路水平等因素制約，通過增強下級電網來消除對上級電網輸電能力的約束不經濟甚至不可行，優先加強上級電網既能顯著提升輸電能力，也可為環網解環和結構最佳化創造條件。

如何補強或最佳化上級電網較強的電磁環網結構需具體分析，如：將解環的環網顯然不宜再加強下級聯絡斷面；已明確不解環的環網則應適當加強下級聯絡斷面；耦合度較高的環網仍宜優先增強上級網路以解決主要矛盾；耦合度較低的強環網則應重點考慮控制短路水平、簡化網路結構、最佳化潮流分布等。三級電磁環網和兩級電磁環網的特性並無本質不同，但還需考慮以下運行風險。

穩定和短路

存在失穩風險的電磁環網主要是承擔大功率外送或向末端供電的強耦合型電磁環網，特別是典型弱環網。上級主幹通道故障後僅剩下級輸電通道，系統阻抗為故障前的數倍（如3～5倍），易導致功角失穩；另一方面受端失去主要支撐，易導致電壓失穩。當上級電網存在兩個及以上輸電通道時，電磁環網的存在減小了系統整體阻抗，因而並不一定會對系統穩定產生負面影響，需要結合網路結構具體分析。

影響系統短路水平的主要因素為電源規模和網路阻抗，電磁環網的存在降低了系統短路阻抗，但未必是影響短路水平的決定性因素：對於下級電氣距離較長、聯繫不夠緊密的電網，電磁解環抑制系統短路水平的效果一般只有0.5～3.0kA；反之，對於下級電氣聯繫非常緊密的電網，電磁解環抑制系統短路水平的效果可達3～6kA甚至更高，對於諸如兩個500kV站中壓側短線直連的極端情況，解環後兩站中壓側短路電流可下降10kA 以上。此外，電磁環網對於上級電網的短路水平影響較小。

電磁環網的結構最佳化

消除電磁環網運行風險的根本措施是實施電網解環，比如110kV 電網基本為輻射+鏈式供電結構。然而，由於超高壓電網輸電容量大，對安全可靠性要求高，較長時期內電磁環網仍將大量存在，但將通過解環分片使其結構更加簡單清晰。原則上一個分區內至少應有三台聯變，且與外區至少有三回上級聯絡線（確保檢修方式下的供電安全）。

上級兩站直連的（或三站，取決於下級網路的緊密程度和供電範圍）手拉手結構仍是電磁環網，但結構簡單清晰，一般每站有兩台主變為宜（主變過少影響供電能力，過多則中壓側短路水平易超標），可兼顧短路控制和供電能力等各方面的需求，但要求區內聯絡線具備足夠的互供（功率交換）能力。若上級變電站不直連，則不再是電磁環網或是隱性電磁環網。

單站手拉手結構只有一個上級變電站，但出於短路控制要求將其中壓側母線分段運行，在形式上消除了電磁環網，但仍需考慮一台聯變跳閘後下級電網的潮流轉移控制。這種結構往往適用於供電區域相對較小的分區電網，否則可能會出現供電距離過長的情況；且考慮變電站全停風險，其供電可靠性相對較低。

饋供結構是電磁環網徹底打開的形式，不存在電磁耦合，缺點是降低了供電可靠性，特別是母線檢修方式下需足夠備用聯絡線支持以確保供電安全，適用於供電區域和規模較小的分區電網；由於下級變電站之間缺乏互供，可能需要更高的設備冗餘。

實際電網中，饋供結構較為少見，且往往會發展成為其他供電結構。值得推薦的是單站背靠背型手拉手結構，即隨著單站主變的增加，變電站中壓側母線分列運行，每個分站再與其他變電站母線分列運行後的分站形成手拉手結構，這既是出於短路控制的需要，也增加了網路結構調整的靈活性，對電網發展適應性也較好。

電磁環網的潮流轉移控制

1.方式預控措施

實際電磁環網運行的主要問題是潮流轉移和控制。對於非連鎖故障，需控制上級通道故障後下級電網任一元件有功功率不超過安全值。近似認為故障前後的有功轉移特性是線性的，主要由網路結構決定，對於連鎖跳閘（包括故障後採取切線、切變等主動跳閘措施）的潮流控制，線上性假設下，可考慮利用疊加法求取方式預控限額。

由於實際有功潮流的轉移特性並非完全線性，考慮連鎖潮流轉移後計算誤差將逐步擴大，特別是當上級主幹通道潮流變化範圍大且下級元件與上級通道的輸電能力級差過大時可能產生電網安全隱患。針對這種情況，一個折中且實施相對簡便的方法是分檔計算方式預控限額。

對於簡單型電磁環網，潮流轉移特性較易分析；對於複雜型特別是多耦合點的電磁環網，其潮流轉移分析可結合上級通道故障後的潮流主轉移路徑進行：通過聯變（耦合點）的下網功率變化可以分析得出潮流轉移的主要分布，從而找出需重點進行潮流控制的下級電網元件，提高運行控制的效率。

2.基於解耦控制的安全穩定措施

除了切機和切負荷安全穩定措施外，實際運行中為以較小代價實現有效的潮流控制，提出了切線、切變的解列型（過渡性）特殊安全穩定措施，其核心思想是解耦控制，阻斷連鎖，均衡潮流，提升電網的整體穩定性，主要套用於大潮流、強耦合且結構較強的電磁環網中：由於主幹通道故障後下級電網的潮流穿越較大，此時，常規安全穩定措施往往實施困難、效果不佳甚至引發新的穩定問題，而切除潮流轉移的關鍵聯絡元件可以實現或近似實現上、下級電網的解耦或潮流分布的最佳化。