对河南电网运行的影响分析
李朝晖，
王骅，吴春红，郑晨，王伟
云海os
（国网河南省电力公司电力科学研究院，河南郑州
450052）
作者简介：李朝晖（1971－），男，河南洛阳人，本科，高级工程师，研究方向包括新能源、储能并网运行与控制等。
宝商集团陕西辰济药业有限公司
摘
要：本文分析了高比例新能源接入引起的主变潮流上翻对河南电网运行的影响，
包括变压器、继电保护、电能质量、电网新能源承载力和系统电压5个方面内容。分析结论包括：变压器在不超出其性能参数的情况下，潮流上翻不会对变压器本身造成不良影响；新能源在不同电压等级接入 所引起的潮流上翻对系统保护配置无影响，对按相关规程和实际短路水平整定的保护定值无影响；主变潮流上翻对谐波电压和电压闪变无显著影响；单台主变变潮流上翻对电网总体消纳承载能力影响有限；新能源接入对配网电压影响较大。基于分析结果，提出了相关建议：应推动建立与电网运行承载力相匹配的新能源有序接入；应推动开展储能电站在电网侧及新能源场站侧的建设及其优化调度；应采取措施提高豫西豫北外送断面输电能力。
关键词：新能源；变压器潮流上翻；继电保护；电能质量；新能源承载力；配电网电压中图分类号：TM711
文献标识码：B
文章编号：411441（2020）01－0025－05
0引言
截至2019年3月底，
全省新能源装机1959.7万千瓦，占全省电源装机比例20.7%，其中风电、光伏、生物质装机容量分别为801.1、1070.7、87.9万千瓦；新能源发电量64.8亿千瓦时，占全省发电量比例10.1%，其中风电、光伏、生物质发电量分别为：34、21.9、8.9亿千瓦时。从地区看，安阳地区新能源装机容量超过300
万千瓦，南阳地区新能源装机容量超过200万千瓦，平顶山、三门峡、洛阳、驻马店和商丘新能源装机容量超过100万千瓦。
近年来，河南电网新能源发展成效显著，总体呈现五大快速增长特征：
（1）新能源装机容量快速增长。自2007年我省
首座新能源电厂并网以来，
2008－2015年新能源发展速度相对较缓。2016年集中式光伏电站出现井喷式
发展，2016－2019年平均增速达104%，近四年我省新能源装机容量增长了约14倍。
（2）新能源发电量快速增长。2015－2017年全网新能源、光伏、风电发电量年均增速分别为122%、340%、80%。2019年1－3月，全省风电累计发电量34.0亿千瓦时，是2018年同期的1.8倍；光伏累计发电量21.9亿千瓦时，是2018年同期的1.24倍。
（3）新能源发电出力屡创新高。2019年，河南省
新能源出力四创新高：分别为3月11日的799万千瓦、
3月19日的784万千瓦、4月17日的842万千瓦和11月13日的875万千瓦。2020年4月12日，河南新能源发电首次突破千万千瓦大关，达1048万千瓦，占全网用电负荷30.3%，占全网总发电39.0%。（4）分布式光伏出现井喷式发展。受国家光伏电价政策及光伏扶贫政策推劢，近四年来我省分布式光伏装机增长了近20倍。至2019年底，我省分布式光伏装机容量达到447万千瓦，占全省新能源装机总容量的24%。
（5）分散式风电规划核准装机规模全国领先。2017年12月和2019年8月，河南省发改委先后两次下发分散式风电开发方案，公示了293个总规模658.4万千瓦的分散式风电项目，位居全国各省前列。新能源的快速发展造成了部分地区系统变电站主变潮流上翻，亟需对由此而引起的变压器运行、继电保护、电能质量、消纳承载及无功电压问题进行分析研究。
1
变压器潮流上翻的影响分析
1．1
新能源出力造成系统变压器上翻情况
如果新能源大出力时系统的负荷较轻，
必然会造DOI:10.ki.hnep.2020.s1.008
成部分变电站主变潮流上翻。总体情况，全省18地市中有16个地市存在系统主变上翻情况，上翻主变总数达到171台。其中洛阳地区上翻变压器台数最多，达到32台，安阳地区上翻主变台数占其主变总台数的71%，上翻变压器占比最高，见表1。
表1地市主变上翻情况一览表
序号地区主变上翻台数占各地区主变总台数百分比
1洛阳3240%
2驻马店2633%棒球棍材料
3平顶山1949%
4南阳1856%
5安阳1671%
6三门峡1142%
7许昌1018%
8新乡857%
9濮阳737%
10开封626%
11信阳510%
12商丘422%
13周口39%
14鹤壁227%
15济源220%
16漯河28%
合计171
木马制作以2019年3月19日省网新能源出力创新高时刻为例，全省共有161台主变出现潮流上翻，涉及安阳、鹤壁、濮阳、济源、焦作、新乡、三门峡、洛阳、开封、商丘、许昌、漯河、南阳、平顶山、驻马店、信阳16个地市。其中220千伏变电站有33座57台主变，占公司资产220千伏变电站数量（292座）的11.3%。
全省各地市220千伏主变上翻超过变压器容量40%的共有5台，其中安阳220千伏红旗渠#1主变上翻最大值达到主变额定容量的60%，其它上翻严重的还有安阳220千伏瓦岗#1主变，上翻最大值达到主变额定容量的58%，南阳220千伏宗璞变，上翻最大值达到主变额定容量的55%，宗璞变为典型的由风电大发造成的后夜潮流上翻，2018年以来出现潮流上翻日占94.3%。平顶山王寨变#1、#2主变上翻负载率分别为43.49%和42.45%。
1．2对变压器的影响
变压器按用途分类可分为升压变、降压变、联络变。按绕组形式分为双绕组变压器、三绕组变压器和自耦变压器。尽管变压器类型有所不同，但其原理基本相似，尤其在联络变压器、自耦变压器、换流变压器等在实际使用过程中都有交换功率情况，双向传输功率对变压器的影响与变压器类型基本无关，功率在变压器中可双向传输，不会对变压器本身造成不良影响。
1．3对继电保护的影响
目前，风电场一般以220千伏或110千伏并网，光伏电站一般以110千伏或35千伏并网，分布式光伏一般以10千伏并网。接入电网的常见形式有四种：
（1）直接接入220千伏/110千伏/35千伏变电站高压侧母线；
（2）接入220千伏变电站中压（110千伏）侧母线；
（3）接入220千伏/110千伏/35千伏变电站低压侧（35千伏或10千伏）母线；
（4）同时接入220千伏变电站中压侧（110千伏）和低压侧（35千伏或10千伏）母线。
通过分析各电压等级保护配置要求及其定值整定原则可知，由新能源接入引起的潮流上翻对电网侧保护配置没有影响；当电网侧各保护定值严格按照相关规程和实际电流水平来整定时，潮流上翻对保护定值也没有影响。
1．4对电能质量的影响
选取2019年3月19日安阳、开封、洛阳等地市的33个监测点的数据分析潮流上翻对电压谐波及电压闪变的可能影响。
（1）潮流上翻与非上翻时段电压谐波对比
对所选的33个监测点的谐波电压数据进行分析，主变潮流上翻前后，所选站点谐波电压总畸变率对比情况如图1所示。
可以看出所有站点的谐波电压总畸变率均满足《电能质量－公用电网谐波》（GB/T14549－93）标准规定的限值，所有站点上翻时段的谐波总畸变率与非上翻时段的谐波总畸变率均相差较小，且无统一的规
图1站点谐波电压总畸变率对比
律，说明主变潮流上翻对谐波电压总畸变率无显著影响。
此外，根据安阳红旗变220千伏母线等4个站点的数据详细分析主变潮流上翻对单次谐波造成的可
能影响。单个站点在上翻时段和非上翻时段的2 20次谐波对比如图2所示。各单次谐波在主变潮流上翻时段和非上翻时段均相差较小，且无统一的规律，表明主变潮流上翻对单次谐波含量无显著影响
。
左上：安阳红旗变220千伏母线（上翻60.6%）；左下：濮阳顿丘变#1主变220千伏母线（接有风电，最大上翻17.3%）；右上：开封景文变#1主变220千伏母线（接有光伏，最大上翻17.49%）；右下：濮阳八公桥变110千伏母线（接有光伏，最大上翻13.62%）。
图2单个站点单次谐波分布情况
（2）潮流上翻与非上翻时段电压闪变对比主变潮流上翻前后所选站点的电压短时闪变情
况如图3所示，可以看出主变潮流上翻前后所有站
点的电压闪变值均满足标准限值，所有站点的电压闪变值在主变潮流上翻前后均相差较小，且无统一规律，说明主变潮流上翻对电压闪变无显著影响。
同样选取安阳红旗变220千伏母线等4个站点
详细分析主变潮流上翻对电压闪变造成的可能影
图3站点电压短时闪变情况对比
响，各站点电压短时闪变情况，如图4所示。对比4
个站点上翻时段和非上翻时段电压闪变值变化情况可以看出在主变功率上翻时段电压闪变值无统一的变化规律，说明主变潮流上翻对电压闪变无显著影响
。
左上：安阳红旗变220千伏母线（上翻60.6%）；左下：濮阳顿丘变#1主变220千伏母线（接有风电，
最大上翻17.3%）；右上：开封景文变#1主变220千伏母线（接有光伏，最大上翻17.49%）；右下：濮阳八公桥变110千伏母线（接有光伏，最大上翻13.62%）。
图4
单个站点电压闪变情况
1．5
对电网新能源承载力的影响
（1）标准规定
行业标准《分布式电源接入电网承载力评估导则》
（DL /T 2041－2019）对于电网承载能力评估的等级划分相关条款规定：
1）电网承载力评估等级应根据计算分析结果，分区分层确定。评估等级由低到高可分为绿、黄、红；
2）确定评估等级时，应局部服从总体，下一级电网评估等级低于上一级电网时，评估等级应以上一
级电网为准；
3）评估区域短路电流、电压偏差或谐波校核不通过，其相应的评估等级应为红；
4）评估区域因分布式电源导致向220千伏及以上电网反送电，该区域评估等级应为红。
（2）变压器上翻情况分析
当前变压器上翻负载率均在80%以下，除向220千伏电网反送电的53台变属于红区域外，其它均属于承载力评估的黄区域。
平顶山王寨变、南阳鹿鸣变、驻马店齐海变以及新乡愚公桥变，主变上翻负载率较高，当一台变压器故障或检修时，可能存在另一台主变上翻超过变压器容量的情况。上述变电站再接入新能源电站时，需经过详细论证。
其它上翻负载率较高单台变压器的变电站，在新接入新能源场站时，需考虑其附近的拟接入场站及分布式电源，经过论证后才可接入。如：南阳宗璞变容量12万千瓦，110千伏层面已接入2座风电场，分别为：泉山风电场：通过110千伏泉叶线－宗叶线并入宗璞系统，装机容量95.5兆瓦，目前已经全部装机完毕，最大出力可达70兆瓦，最大发电效率73%；启源风电场：通过110千伏启宗线并入宗璞系统，装机容量50兆瓦，预计2019年底装机完毕。宗璞主变已无消纳能力。在宗璞变附近还有已审批的
龙山西风电4万千瓦，分散式风电1万千瓦。
（3）上翻主变连接关系分析
以上翻主变数量较多的洛阳地区为例，该地区有数量众多的35千伏站潮流上翻，根据电网接线分析，其中7台属于220千伏曙光变供电范围，此外，110千伏凤山变也属曙光变下级变电站，总体上翻负载率并不高。
以变压器上翻数量占比较高的安阳地区为例，新能源造成上翻变压器主要集中在220千伏红旗渠变、汤阴变及瓦岗变供电范围。
（4）消纳分析
“十三五”期间，河南电网新能源运行面临的主要挑战是局部区域的消纳问题。豫西三门峡地区、豫北安濮鹤地区并网新能源容量合计501万千瓦（已占省网总容量近1/3），仍有超276万千瓦已核准风电待2019－2020年并网。考虑三门峡恒康铝业（17万千瓦负荷）和安阳林丰铝业（38万千瓦负荷）停产搬迁等因素影响，上述地区现有条件下已不具备再接纳更多新能源的能力，区域电网新能源送出存在极大压力。
当前上翻负载率较高的变压器主要集中在安阳、洛阳、南阳、平顶山、新乡几个地区，根据各地区电
网新能源消纳分析的结果分析，除安阳地区需重点关注外，其它地区暂时不存在区域性的消纳问题。根据负荷情况，安鹤濮－焦新断面南送方式下，安鹤濮电网冬季最小负荷空间为170万千瓦，按照2018年风电最大瞬时出力为风电装机容量的63%推算，安鹤濮电网最大可接纳风电容量为270万千瓦，接近已核准风电容量，电网新能源运行承载力不足，弃风风险日益严重。
1．6对系统电压的影响
安阳220千伏红旗渠站、平顶山220千伏王寨站主变潮流反转情况较为突出。
红旗渠站潮流反转发生于7时 18时，有功潮流由下灌50兆瓦转变为上翻100兆瓦，最后下灌60兆瓦；主变无功由下灌2兆乏转变为下灌15兆乏，最后下灌约2兆乏；无功潮流方向未变化，无功波动约15兆乏；220千伏母线电压由232.9千伏最低降至231.4千伏，电压波动约1.5千伏。
王寨站潮流反转发生于7时 17时，有功潮流由下灌50兆瓦转变为上翻50兆瓦，最后下灌50兆瓦；主变无功由下灌15兆乏转变为下灌25兆乏，最后下灌约10兆乏；无功潮流方向未变化，无功波动约15兆乏；220千伏母线电压由232.3千伏最低降至231.2千伏，电压波动约1.1千伏。
上述两座变电站在有功潮流翻转期间无功、电压变化趋势相似，无功潮流均未反翻转，220千伏母线电压波动较小，约1.1 1.5千伏。
220千伏红旗渠站配电网络共计接入5座新能源场站，总容量188兆瓦。红旗渠站配网系统新能源装机容量较大，造成红旗渠主变潮流上翻现象较为显著。基于2019年春季河南电网计算数据，增加红旗渠站110千伏及以下配电网、新能源机组，模拟新能源不同出力水平下红旗渠主变潮流上翻工况。共模拟四种潮流方式：
（1）新能源机组低出力，主变潮流大下灌；
（2）新能源机组出力增加，红旗渠主变潮流结零，未增加配电网无功补偿；
（3）新能源机组最大出力，红旗渠主变潮流大上翻，未增加配网无功补偿；
（4）新能源机组最大出力，红旗渠主变潮流大上翻，增表2潮流仿真结果加配网无功补偿20%。
四种方式如表2所示。
表2潮流防真结果
方式
新能
源出
力
（MW）
主变潮流
（MW/MVar）
220
千伏
母线
电压
（kV）
110
千伏
配网
电压
（kV）
配网
无功
损耗
（MVar）
主变
无功
损耗
（MVar）
12867+j22229.6116.3 116.9 1.69 4.22 2942+j29229.9116.3 116.613.210.73 3188－89+j57229.0112.6 113.058.4210.1 4188－90+j16230.3117.8 118.853.51 6.86
由上述方式潮流可知：
（1）配网系统新能源机组出力增加、导致红旗渠主变有功潮流上翻过程中，主变无功潮流流向不变，主变有功、无功潮流反向；
（2）配网系统新能源机组出力增加，配网系统无功损耗急剧增加，主变下灌无功增加；主网220千伏母线电压略下降，110千伏配网系统电压降低程度相对较大；
（3）新能源机组出力增加对配网电压影响较大，新能源机组出力大幅变化时，地调AVC应正确动作，保障配网系统电压。
2分析结论
对变压器而言，变压器在不超出其性能参数的情况下，功率可以双向流动，不会对变压器本身造成不良影响；按照变压器运行规程要求，在对变压器功率流向进行调整时，各侧系统电压超出相应变压器绕组额定电压要限制在一定范围内。
对继电保护而言，风电场、光伏电站、分布式光伏接入不同电压等级的系统，若引起潮流上翻的情况，对系统保护配置没有影响。系统各保护定值若严格按照《3－110kV电网继电保护装置运行整定规程》（DL/T584－2007）、《220kV－750kV电网继电保护装置运行整定规程》（DL/T559－2007）和实际短路电流水平来进行整定，当潮流出现上翻的情况，对保护定值也没有影响。
对电能质量而言，在主变潮流上翻时间段内和非上翻时间段内单次谐波电压以及电压总谐波畸变率相差较小，且无统一变化规律，说明主变潮流上翻对谐波电压无显著影响。在主变潮流上翻时间段内和非上翻时间段内电压短时闪变值相差较小，且无统一变化规律，说明主变潮流上翻对电压闪变无显著影响。
对电网新能源承载力而言，单台主变变潮流上翻对电网总体消纳承载能力影响有限，需在新能源项目接入阶段做好分析。当前消纳问题较为突出的豫西三门峡地区、豫北安濮鹤地区，区域电网新能源送出存在极大压力。
对系统电压而言，主变有功上翻后，无功潮流方向不会相应反转。新能源大功率运行时配网损耗激增，主变下灌无功增加，造成主网220千伏母线电压略下降；110千伏配网系统无功电压支撑能力弱，配网电压降低程度相对较大。新能源机组出力增加对配网电压影响较大，新能源机组出力大幅变化时，地调AVC应正确动作，保障配网系统电压。
3相关建议
（1）推动建立与电网运行承载力相匹配的新能源有序接入
根据十八个地市负荷增长情况和新能源资源分布状况，细化各地区新能源接入规模预计和电网网架结构变化，明确各地区新能源消纳空间，将新能源规划与电网实际消纳能力相结合，推进政府部门主导下制定省内新能源接入的“红黄绿”区域，引导新能源项目有序接入，优化新能源开发布局，保障全额消纳。
机>钢管扩口机（2）推动开展储能电站在电网侧及新能源场站侧的建设及其优化调度
在新能源造成变压器上翻严重的地区，推动储能电站在电网侧及电源侧的建设，辅助新能源消纳，同时优化分布式储能电站调度，充分发挥储能电站削峰填谷、调峰调频作用，发挥储能装置响应快速的优点，减小新能源波动对电网运行的影响，提高电网安全稳定运行水平。
（3）采取措施提高豫西豫北外送断面输电能力
深化线路载流量精细化核算成果应用，充分发挥线路不同环境温度下载流能力，提升关键断面线路输送能力；加快落实部分区域增设安稳装置、推动豫西豫北外送断面补强进入储备，持续拓展局部区域新能源消纳空间，确保省内新能源快速发展中的全额消纳。
收稿日期：2020－05－06
