電網(wǎng)規(guī)劃及運(yùn)行中N-1準(zhǔn)則應(yīng)用與設(shè)備的相關(guān)性問(wèn)題

近年來(lái)，隨著電網(wǎng)的不斷壯大，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性及設(shè)備可靠性的要求越來(lái)越高，電網(wǎng)穩(wěn)定導(dǎo)則和有關(guān)電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)的技術(shù)導(dǎo)則對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行的N-1準(zhǔn)則均提出了不同要求。然而，由于規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行及經(jīng)營(yíng)等不同部門、相關(guān)技術(shù)人員對(duì)這一準(zhǔn)則的理解和認(rèn)識(shí)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(guī)劃建設(shè)、生產(chǎn)運(yùn)行中不可避免地產(chǎn)生先天性安全隱患，對(duì)電網(wǎng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展也造成了不利影響。因此，有必要澄清對(duì)N-1準(zhǔn)則的一些錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，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(zhǔn)則的本質(zhì)

按照電網(wǎng)穩(wěn)定導(dǎo)則有關(guān)定義，N-1準(zhǔn)則是指正常運(yùn)行方式下電力系統(tǒng)中任意一元件(如線路、發(fā)電機(jī)、變壓器等)無(wú)故障或因故障斷開(kāi)后，電力系統(tǒng)應(yīng)能保持穩(wěn)定運(yùn)行和正常供電，其他元件不過(guò)負(fù)荷，電壓和頻率均在允許范圍內(nèi)。N-1準(zhǔn)則用于單一元件無(wú)故障斷開(kāi)條件下電力系統(tǒng)靜態(tài)安全分析，或單一元件故障斷開(kāi)后的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析即動(dòng)態(tài)安全分析。當(dāng)發(fā)電廠僅有一回送出線路時(shí)，送出線路故障可能導(dǎo)致失去一臺(tái)以上發(fā)電機(jī)組，此種情況也按N-1原則考慮。

由此可見(jiàn)，N-1準(zhǔn)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(zhì)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(gè)電網(wǎng)安全，無(wú)論在資金投入、運(yùn)行方式還是技術(shù)措施上均得到足夠的重視，但在保證用戶特別是邊遠(yuǎn)地區(qū)用戶連續(xù)供電方面仍存在認(rèn)識(shí)上的不足，造成局部電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行長(zhǎng)期處于被動(dòng)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(dòng)態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定。電力系統(tǒng)中單一元件無(wú)故障斷開(kāi)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(jī)組和輸電線路停運(yùn)較為明顯，尤其是單電源線路或單臺(tái)主變壓器供電的變電站，當(dāng)線路或變壓器停電檢修時(shí)，影響最直接;電力系統(tǒng)中單一元件故障斷開(kāi)后，直接影響其暫態(tài)穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定，其中以發(fā)電機(jī)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(luò)線路。一般而言，單一元件故障斷開(kāi)后，如果重合閘正常，對(duì)穩(wěn)定及連續(xù)供電不會(huì)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(zhǔn)則與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式、負(fù)荷分布及自動(dòng)化控制裝置配置有較大關(guān)系。當(dāng)電網(wǎng)規(guī)劃、布局相對(duì)較合理時(shí)，可在一定程度上彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)薄弱等不足，當(dāng)設(shè)備選擇、配置較理想時(shí)，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(zhǔn)則是按電網(wǎng)元件斷開(kāi)狀態(tài)研究電網(wǎng)穩(wěn)定性和安全供電問(wèn)題的，因此有必要對(duì)元件N-1的狀態(tài)類型進(jìn)行劃分歸類，特別對(duì)其時(shí)效性特點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

第一類為計(jì)劃性停運(yùn)，如電網(wǎng)設(shè)備的計(jì)劃性檢修、預(yù)防性試驗(yàn)、季節(jié)性維護(hù)等。其特點(diǎn)是與設(shè)備類型關(guān)系不大，預(yù)先可針對(duì)停運(yùn)設(shè)備及相關(guān)元件、電網(wǎng)運(yùn)行方式、負(fù)荷狀況及環(huán)境因素采取措施，一般不會(huì)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定造成影響，既使可能造成局部區(qū)域限負(fù)荷或供電中斷，其影響范圍是有限的，影響時(shí)間也是可預(yù)知的。計(jì)劃停運(yùn)時(shí)間一般為數(shù)小時(shí)到數(shù)天，特殊設(shè)備如發(fā)電機(jī)組會(huì)達(dá)到數(shù)十天，這類停運(yùn)占電網(wǎng)設(shè)備累計(jì)停運(yùn)時(shí)間的90%以上。

第二類是非計(jì)劃停運(yùn)，因設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生缺陷或局部故障而造成設(shè)備必須臨時(shí)停運(yùn)處理。其特點(diǎn)是與設(shè)備類型有密切聯(lián)系，如發(fā)電機(jī)組的熱機(jī)及輔機(jī)部分，變電設(shè)備的斷路器機(jī)構(gòu)、隔離開(kāi)關(guān)導(dǎo)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(yùn)隨機(jī)性較大，難以采取全面有效措施，因此可能對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定性造成較大影響，是電網(wǎng)運(yùn)行管理應(yīng)重點(diǎn)解決的問(wèn)題。非計(jì)劃停運(yùn)時(shí)間一般為數(shù)小時(shí)到數(shù)天，這類停運(yùn)占電網(wǎng)設(shè)備累計(jì)停運(yùn)時(shí)間的3%～8%。

第三類是故障停運(yùn)，是以斷路器分?jǐn)酁樘卣鞯乃查g或短時(shí)過(guò)程。由于在正常運(yùn)行方式下已對(duì)機(jī)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(duì)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(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定造成的影響也是有限的，但可能對(duì)局部區(qū)域供電造成嚴(yán)重影響。故障停運(yùn)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(shù)分鐘到數(shù)小時(shí)，當(dāng)設(shè)備故障后發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞時(shí)，其停運(yùn)時(shí)間一般為數(shù)天甚至數(shù)月，往往對(duì)局部區(qū)域正常供電造成嚴(yán)重影響，這類停運(yùn)占電網(wǎng)設(shè)備累計(jì)停運(yùn)時(shí)間的1%～3%。

4設(shè)備類型與N-1的關(guān)系

構(gòu)成一個(gè)完整電網(wǎng)的設(shè)備除發(fā)電、輸電、變電、配電一次設(shè)備外，還有保護(hù)、計(jì)量、通信、自動(dòng)化、監(jiān)控等二次設(shè)備。由于各類設(shè)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(yīng)有的重視和區(qū)別對(duì)待。

4.1發(fā)電設(shè)備

這里所說(shuō)的發(fā)電設(shè)備指鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、升壓變壓器及發(fā)電輔機(jī)設(shè)備。由于發(fā)電生產(chǎn)的特殊性，除老式母管制小機(jī)組及部分輔機(jī)外，四大發(fā)電設(shè)備中任一設(shè)備發(fā)生N-1狀況，就意味著整個(gè)機(jī)組系統(tǒng)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(wěn)定問(wèn)題。

4.2輸電設(shè)備

輸電線路，包括電纜是電力傳輸?shù)耐ǖ?，是?gòu)成電網(wǎng)的最重要的單元。從設(shè)備自身看，其特點(diǎn)是：①靈活性、主動(dòng)性大。輸電線路是由電力設(shè)計(jì)部門設(shè)計(jì)、施工安裝部門“制造”的設(shè)備，每一條線路均有自己的地域特點(diǎn)，改造完善相對(duì)方便。②受外界環(huán)境影響大。由于線路設(shè)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(duì)而言，線路設(shè)備故障、缺陷較直觀，易于被運(yùn)行人員掌握，但要完全杜絕故障，從經(jīng)濟(jì)上考慮并不可行。④線路設(shè)備多數(shù)檢修維護(hù)工作可實(shí)現(xiàn)帶電作業(yè)，比其他電氣設(shè)備有明顯優(yōu)勢(shì)。

由于線路設(shè)備具有以上特點(diǎn)，當(dāng)其發(fā)生N-1準(zhǔn)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。輸電線路多數(shù)故障屬于瞬時(shí)性故障，以雷擊為最多，一般而言對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定和用戶供電不會(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，這類故障一般為短時(shí)故障，多數(shù)在數(shù)小時(shí)內(nèi)可試送成功。③倒塔斷線故障。這是線路故障最嚴(yán)重的情況，由于環(huán)境及地域的不同，其恢復(fù)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(yùn)行方式、保護(hù)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(guó)內(nèi)外多年的經(jīng)驗(yàn)來(lái)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(shè)備

變電設(shè)備包括高壓一次設(shè)備和直流、保護(hù)等二次設(shè)備。變電一次設(shè)備有以下特點(diǎn)：①設(shè)備種類繁多，按作用類型分有變壓器類、開(kāi)關(guān)類、測(cè)量變換類、補(bǔ)償類及絕緣支撐類，其中心是電力變壓器;②設(shè)備“既成性”強(qiáng)，絕大多數(shù)變電設(shè)備均由專業(yè)化制造廠生產(chǎn)，電網(wǎng)運(yùn)行單位難以完全掌握設(shè)備全部細(xì)節(jié)，備品配件儲(chǔ)備困難;③檢修工藝要求高，檢修周期限制嚴(yán)格，對(duì)檢修現(xiàn)場(chǎng)要求高;④設(shè)備內(nèi)部狀況不直觀，難以準(zhǔn)確掌握設(shè)備狀態(tài)，設(shè)備缺陷的預(yù)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(shè)備故障后恢復(fù)供電周期較長(zhǎng)，部分設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)不具備修復(fù)條件，必須返廠，故障修復(fù)費(fèi)用高;⑦由于變電站性質(zhì)決定了變電設(shè)備故障或停電檢修往往直接影響本區(qū)域正常供電，社會(huì)影響較大。

二次設(shè)備有以下特點(diǎn)：①設(shè)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(shè)備各單元互相關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，邏輯關(guān)系復(fù)雜，易造成誤動(dòng)、拒動(dòng);③二次設(shè)備隨技術(shù)發(fā)展其變化較一次設(shè)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(hù)、改造帶來(lái)諸多困難;④二次設(shè)備不僅在本變電站內(nèi)關(guān)聯(lián)配合，還要在變電站間配合，涉及的運(yùn)行管理單位多，對(duì)信息通道、網(wǎng)絡(luò)間整體協(xié)調(diào)要求高;⑤二次設(shè)備中保護(hù)、自動(dòng)化設(shè)備是電網(wǎng)的最后“屏障”，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，往往造成電網(wǎng)事故擴(kuò)大，影響巨大。

4.4配電設(shè)備

配電設(shè)備包括城市變電站低壓側(cè)設(shè)備、開(kāi)閉所開(kāi)關(guān)類設(shè)備、配電線路、中壓電纜、配電變壓器及配網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備等。由于配電設(shè)備均位于電網(wǎng)末端，因此當(dāng)發(fā)生N-1情況時(shí)，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定造成影響，考慮配網(wǎng)N-1，重點(diǎn)應(yīng)放在如何解決對(duì)用戶的連續(xù)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(shè)備故障后影響的供電范圍較小。②故障類型簡(jiǎn)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(duì)而言瞬間故障居多。而城市配電線路故障主要以對(duì)樹(shù)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(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，備品備件儲(chǔ)備容易，且部分工作可實(shí)現(xiàn)帶電作業(yè)，因此恢復(fù)供電的周期較短，一般可在數(shù)小時(shí)內(nèi)解決。

5針對(duì)設(shè)備特點(diǎn)應(yīng)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(tǒng)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(qiáng)調(diào)足夠的“備份”或“后備”能力是不經(jīng)濟(jì)的，也不利于電網(wǎng)的長(zhǎng)期發(fā)展。另一方面，參與電網(wǎng)運(yùn)行的設(shè)備越多，電網(wǎng)運(yùn)行就越復(fù)雜，發(fā)生元件故障的次數(shù)就越多，從某種意義上說(shuō)穩(wěn)定性、可靠性反而會(huì)降低。所以，針對(duì)電網(wǎng)、設(shè)備特點(diǎn)，特別是局部區(qū)域連續(xù)供電要求，靈活應(yīng)用N-1準(zhǔn)則是確保電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

5.1發(fā)電設(shè)備

從以上分析可以看出，解決發(fā)電設(shè)備N-1問(wèn)題應(yīng)處理好以下幾方面問(wèn)題：①電網(wǎng)中應(yīng)有足夠的備用發(fā)電容量，旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組有較好的自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)性能，各類型機(jī)組群備用容量與裝機(jī)容量相匹配;②做好區(qū)域電網(wǎng)負(fù)荷平衡，電源點(diǎn)與負(fù)荷中心布局合理，電源點(diǎn)建設(shè)與負(fù)荷發(fā)展相匹配，盡量避免大量電力的長(zhǎng)距離傳輸;③機(jī)組接入電網(wǎng)的位置及電壓等級(jí)應(yīng)兼顧當(dāng)?shù)刎?fù)荷及區(qū)域網(wǎng)間互備，避免過(guò)于集中，避免大量電力經(jīng)多級(jí)升壓、降壓傳輸，遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的大容量機(jī)組宜接入超高壓電網(wǎng)，并保證足夠的傳輸或負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力。

由于發(fā)電設(shè)備N-1的影響是全網(wǎng)性的，與電網(wǎng)發(fā)電總?cè)萘?、機(jī)組單機(jī)容量有密切關(guān)系。因此，從安全可靠性角度出發(fā)，規(guī)?；騻溆萌萘肯鄬?duì)較小的電網(wǎng)不宜配置單機(jī)容量過(guò)大的機(jī)組，以免因靜態(tài)穩(wěn)定儲(chǔ)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(shè)備中發(fā)生N-1最多的元件就是輸電線路，各個(gè)電網(wǎng)運(yùn)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(diǎn)?？紤]到N-1準(zhǔn)則的時(shí)效性、設(shè)備特性及故障發(fā)生概率關(guān)系，解決輸電線路N-1問(wèn)題應(yīng)處理好以下幾方面問(wèn)題：①發(fā)電廠電源線路應(yīng)與其裝機(jī)容量匹配，在采取措施后可保證電網(wǎng)穩(wěn)定的條件下應(yīng)盡量減少電廠出線線路條數(shù)，必要時(shí)應(yīng)接入電網(wǎng)不同的變電站點(diǎn);②網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)線應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)，包括其傳輸能力(電壓等級(jí)、導(dǎo) 體截面、線路長(zhǎng)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(qū)、林區(qū));③區(qū)域電網(wǎng)應(yīng)以220 kV環(huán)型電網(wǎng)為主，必要時(shí)應(yīng)構(gòu)成雙環(huán)網(wǎng)，當(dāng)負(fù)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(jié)構(gòu)應(yīng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛浣Y(jié)構(gòu);④盡量避免形成電磁環(huán)網(wǎng)，已有電磁環(huán)網(wǎng)應(yīng)通過(guò)加強(qiáng)高電壓等級(jí)電網(wǎng)而實(shí)現(xiàn)解環(huán);⑤終端負(fù)荷站電源線路因最大負(fù)荷限制可采用雙電源、兩站三線或雙“T”結(jié)構(gòu)，但每一回線路應(yīng)具備足夠的過(guò)負(fù)荷能力(適當(dāng)增大導(dǎo)線截面);⑥當(dāng)線路通道狀況較差時(shí)，不宜采用同塔雙回或多回線路結(jié)構(gòu);⑦伸入市區(qū)終端變電站的線路應(yīng)盡可能使雙電源一次建成，若為電纜線路時(shí)可采用線路變壓器單元接線。

5.3變電設(shè)備

由于變電設(shè)備是電網(wǎng)計(jì)劃及非計(jì)劃停運(yùn)的主要部分，且變電設(shè)備發(fā)生故障后停運(yùn)時(shí)間長(zhǎng)，修復(fù)費(fèi)用高，因此在考慮變電設(shè)備N-1準(zhǔn)則時(shí)，應(yīng)按變電站地位、供電可靠性要求及設(shè)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(fù)荷，因此母線結(jié)構(gòu)和性能對(duì)穩(wěn)定和安全影響巨大：① 500 kV變電站在電網(wǎng)中長(zhǎng)期處于樞紐位置，其500 kV側(cè)母線采用雙母線一個(gè)半斷路器接線并適當(dāng)提高絕緣水平和動(dòng)、熱穩(wěn)定水平對(duì)電網(wǎng)安全十分必要，經(jīng)濟(jì)上也是合理的;其220 kV側(cè)母線采用雙母線(雙母線分段)與其樞紐地位相適應(yīng)，但應(yīng)注意進(jìn)出線布局及與運(yùn)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(shè)備;② 220 kV樞紐或環(huán)網(wǎng)變電站220 kV側(cè)母線一般應(yīng)采用雙母線，當(dāng)其進(jìn)出線中有較多網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)線時(shí)，宜設(shè)旁母;

220 kV終端變電站220 kV側(cè)母線結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)化，一般應(yīng)采用單母線或內(nèi)橋接線，當(dāng)線路較短或采用電纜線路時(shí)，可取消母線采用線路變壓器單元接線;220 kV變電站110 kV側(cè)母線應(yīng)采用雙母線，并盡可能提高絕緣水平及采用高可靠性開(kāi)關(guān)設(shè)備;③ 110 kV變電站110 kV側(cè)母線應(yīng)根據(jù)其電源線路特點(diǎn)分別采用單母線、單母分段或內(nèi)(外)橋接線;其35 kV側(cè)、10 kV側(cè)一般應(yīng)采用單母分段接線，但對(duì)于開(kāi)關(guān)柜中的母線必須采取加強(qiáng)絕緣措施。