電網(wǎng)規(guī)劃及運行中N-1準則應用與設備的相關性問題

近年來，隨著電網(wǎng)的不斷壯大，對電網(wǎng)穩(wěn)定性及設備可靠性的要求越來越高，電網(wǎng)穩(wěn)定導則和有關電網(wǎng)規(guī)劃建設的技術導則對電網(wǎng)安全運行的N-1準則均提出了不同要求。然而，由于規(guī)劃、設計、運行及經(jīng)營等不同部門、相關技術人員對這一準則的理解和認識不同，供電可靠性與電價未形成有效的利益互動關系，造成電網(wǎng)規(guī)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(xù)發(fā)展的前提下，穩(wěn)步提高供電可靠性。

1N-1準則的本質

按照電網(wǎng)穩(wěn)定導則有關定義，N-1準則是指正常運行方式下電力系統(tǒng)中任意一元件(如線路、發(fā)電機、變壓器等)無故障或因故障斷開后，電力系統(tǒng)應能保持穩(wěn)定運行和正常供電，其他元件不過負荷，電壓和頻率均在允許范圍內。N-1準則用于單一元件無故障斷開條件下電力系統(tǒng)靜態(tài)安全分析，或單一元件故障斷開后的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析即動態(tài)安全分析。當發(fā)電廠僅有一回送出線路時，送出線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，N-1準則包含兩層含義：一是保證電網(wǎng)的穩(wěn)定;二是保證用戶得到符合質量要求的連續(xù)供電。從目前情況看，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定由于涉及整個電網(wǎng)安全，無論在資金投入、運行方式還是技術措施上均得到足夠的重視，但在保證用戶特別是邊遠地區(qū)用戶連續(xù)供電方面仍存在認識上的不足，造成局部電網(wǎng)生產(chǎn)運行長期處于被動局面。

2N-1與系統(tǒng)穩(wěn)定性要求

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

3N-1的類型及影響

由于N-1準則是按電網(wǎng)元件斷開狀態(tài)研究電網(wǎng)穩(wěn)定性和安全供電問題的，因此有必要對元件N-1的狀態(tài)類型進行劃分歸類，特別對其時效性特點進行進一步的分析。

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

第二類是非計劃停運，因設備運行過程中發(fā)生缺陷或局部故障而造成設備必須臨時停運處理。其特點是與設備類型有密切聯(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、隔離開關導電部分、變壓器冷卻系統(tǒng)和絕緣油系統(tǒng)等。由于這類停運隨機性較大，難以采取全面有效措施，因此可能對電網(wǎng)安全穩(wěn)定性造成較大影響，是電網(wǎng)運行管理應重點解決的問題。非計劃停運時間一般為數(shù)小時到數(shù)天，這類停運占電網(wǎng)設備累計停運時間的3%～8%。

第三類是故障停運，是以斷路器分斷為特征的瞬間或短時過程。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)不會對電網(wǎng)穩(wěn)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(wěn)定造成的影響也是有限的，但可能對局部區(qū)域供電造成嚴重影響。故障停運時間差異較大，瞬間故障為幾百毫秒到幾秒，短時故障(一般永久故障)為數(shù)分鐘到數(shù)小時，當設備故障后發(fā)生嚴重損壞時，其停運時間一般為數(shù)天甚至數(shù)月，往往對局部區(qū)域正常供電造成嚴重影響，這類停運占電網(wǎng)設備累計停運時間的1%～3%。

4設備類型與N-1的關系

構成一個完整電網(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、自動化、監(jiān)控等二次設備。由于各類設備在電網(wǎng)中的地位、作用不同，就形成了各自發(fā)生N-1時的明顯差異，而這些差異往往未得到應有的重視和區(qū)別對待。

4.1發(fā)電設備

這里所說的發(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，就意味著整個機組系統(tǒng)出N-1=0，即完全喪失發(fā)電能力。由于電源點和電網(wǎng)布局原因，也可能造成局部輸電網(wǎng)斷面穩(wěn)定問題。

4.2輸電設備

輸電線路，包括電纜是電力傳輸?shù)耐ǖ?，是構成電網(wǎng)的最重要的單元。從設備自身看，其特點是：①靈活性、主動性大。輸電線路是由電力設計部門設計、施工安裝部門“制造”的設備，每一條線路均有自己的地域特點，改造完善相對方便。②受外界環(huán)境影響大。由于線路設備基本上全部暴露在空氣中，易受風、雨雪、雷電、污穢影響，外力破壞故障多。③相對而言，線路設備故障、缺陷較直觀，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線路設備多數(shù)檢修維護工作可實現(xiàn)帶電作業(yè)，比其他電氣設備有明顯優(yōu)勢。

由于線路設備具有以上特點，當其發(fā)生N-1準則中定義的各種狀況時，其影響是不同的：①瞬時性故障。輸電線路多數(shù)故障屬于瞬時性故障，以雷擊為最多，一般而言對系統(tǒng)穩(wěn)定和用戶供電不會產(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、風偏或污閃引起，這類故障一般為短時故障，多數(shù)在數(shù)小時內可試送成功。③倒塔斷線故障。這是線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到十幾天之間。此外，由于電網(wǎng)運行方式、保護配置及線路在電網(wǎng)中的重要性不同，線路故障的后果也大相庭徑，從國內外多年的經(jīng)驗來看，引起電網(wǎng)穩(wěn)定破壞造成大面積停電事故的起始原因多數(shù)是輸電線路永久故障或線路大面積污閃跳閘。

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：①設備種類繁多，按作用類型分有變壓器類、開關類、測量變換類、補償類及絕緣支撐類，其中心是電力變壓器;②設備“既成性”強，絕大多數(shù)變電設備均由專業(yè)化制造廠生產(chǎn)，電網(wǎng)運行單位難以完全掌握設備全部細節(jié)，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(xiàn)場要求高;④設備內部狀況不直觀，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，難以開展帶電作業(yè);⑥設備故障后恢復供電周期較長，部分設備在現(xiàn)場不具備修復條件，必須返廠，故障修復費用高;⑦由于變電站性質決定了變電設備故障或停電檢修往往直接影響本區(qū)域正常供電，社會影響較大。

二次設備有以下特點：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干擾和影響;②與一次設備各單元互相關聯(lián)性強，邏輯關系復雜，易造成誤動、拒動;③二次設備隨技術發(fā)展其變化較一次設備更新?lián)Q代快得多，不同廠家元件互換性差，備品配件種類繁多，給維護、改造帶來諸多困難;④二次設備不僅在本變電站內關聯(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)絡間整體協(xié)調要求高;⑤二次設備中保護、自動化設備是電網(wǎng)的最后“屏障”，一旦出現(xiàn)問題，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、開閉所開關類設備、配電線路、中壓電纜、配電變壓器及配網(wǎng)自動化設備等。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，不會對電網(wǎng)穩(wěn)定造成影響，考慮配網(wǎng)N-1，重點應放在如何解決對用戶的連續(xù)供電上。配網(wǎng)故障有如下特點：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故障類型簡單。農(nóng)村、城鎮(zhèn)及市郊配電線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。而城市配電線路故障主要以對樹木放電等外力破壞類型為主，多數(shù)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)設備相對簡單，備品備件儲備容易，且部分工作可實現(xiàn)帶電作業(yè)，因此恢復供電的周期較短，一般可在數(shù)小時內解決。

5針對設備特點應用N-1的適用性原則

從一般概念出發(fā)，解決N-1問題的最簡單辦法就是增加“備份”或“后備”。然而，由于電力系統(tǒng)屬于資金密集、技術密集型產(chǎn)業(yè)，在供電可靠性與電價間未形成有效的利益互動關系的前提下，過分強調足夠的“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(shù)就越多，從某種意義上說穩(wěn)定性、可靠性反而會降低。所以，針對電網(wǎng)、設備特點，特別是局部區(qū)域連續(xù)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(xù)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-1問題應處理好以下幾方面問題：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控制和調節(jié)性能，各類型機組群備用容量與裝機容量相匹配;②做好區(qū)域電網(wǎng)負荷平衡，電源點與負荷中心布局合理，電源點建設與負荷發(fā)展相匹配，盡量避免大量電力的長距離傳輸;③機組接入電網(wǎng)的位置及電壓等級應兼顧當?shù)刎摵杉皡^(qū)域網(wǎng)間互備，避免過于集中，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-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系。因此，從安全可靠性角度出發(fā)，規(guī)模或備用容量相對較小的電網(wǎng)不宜配置單機容量過大的機組，以免因靜態(tài)穩(wěn)定儲備容量不足造成穩(wěn)定惡化或出力限制。

5.2輸電線路

電網(wǎng)設備中發(fā)生N-1最多的元件就是輸電線路，各個電網(wǎng)運行單位基本上都是以輸電線路故障作為考核電網(wǎng)穩(wěn)定性的出發(fā)點?？紤]到N-1準則的時效性、設備特性及故障發(fā)生概率關系，解決輸電線路N-1問題應處理好以下幾方面問題：①發(fā)電廠電源線路應與其裝機容量匹配，在采取措施后可保證電網(wǎng)穩(wěn)定的條件下應盡量減少電廠出線線路條數(shù)，必要時應接入電網(wǎng)不同的變電站點;②網(wǎng)間聯(lián)絡線應適當加強，包括其傳輸能力(電壓等級、導 體截面、線路長度)、絕緣水平(防雷、防污閃)及通道質量(防洪、防覆冰、避開采空區(qū)、林區(qū));③區(qū)域電網(wǎng)應以220 kV環(huán)型電網(wǎng)為主，必要時應構成雙環(huán)網(wǎng)，當負荷進一步加大使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)應通過加強高電壓等級電網(wǎng)而實現(xiàn)解環(huán);⑤終端負荷站電源線路因最大負荷限制可采用雙電源、兩站三線或雙“T”結構，但每一回線路應具備足夠的過負荷能力(適當增大導線截面);⑥當線路通道狀況較差時，不宜采用同塔雙回或多回線路結構;⑦伸入市區(qū)終端變電站的線路應盡可能使雙電源一次建成，若為電纜線路時可采用線路變壓器單元接線。

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)生故障后停運時間長，修復費用高，因此在考慮變電設備N-1準則時，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) 變電站母線故障往往造成全站停電或大量甩負荷，因此母線結構和性能對穩(wěn)定和安全影響巨大：① 500 kV變電站在電網(wǎng)中長期處于樞紐位置，其500 kV側母線采用雙母線一個半斷路器接線并適當提高絕緣水平和動、熱穩(wěn)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側母線采用雙母線(雙母線分段)與其樞紐地位相適應，但應注意進出線布局及與運行方式匹配問題，并盡可能提高絕緣水平及采用高可靠性開關設備;② 220 kV樞紐或環(huán)網(wǎng)變電站220 kV側母線一般應采用雙母線，當其進出線中有較多網(wǎng)間聯(lián)絡線時，宜設旁母;

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