樊福而
湖南电力调度通信局，湖南省长沙市410007
1 前言
大电网互联是电网发展的趋势，也是国家电力主管部门追求的目标之一，因为联网可以更有效地发挥大电网的优势，取得更大的经济效益。然而互联大电网也有其复杂的问题需要研讨和处理，诸如稳定（含低频振荡）问题、无功电压、频率潮流控制等都是比较突出的问题，需要认真研讨，并采取妥当的措施，以使互联的大系统能安全稳定运行，从而确保各项预期效益的实现。本文将就互联电网频率潮流的问题进行一些讨论。
2 互联电网的静态频率特性及运行特点
互联电网的静态频率特性依然取决于系统负荷的频率静特性和系统发电机的静特性。这一特性可表示［1］为
 （1）
式中 ρ表示系统旋转备用，在数值上等于系统总开机容量与总开机出力之比；ΔP为系统负荷变化量，是发电机出力与负荷变化量的代数和，但发电机出力增量取正，负荷增量取负；KG为系统发电机等值频率调节系数；KL为系统负荷的频率调节系数。
如果系统无旋转备用，则式（1）有更简单的形式
 （2）
设想有一互联的系统如图1所示，它由A、B两个大电网组成，每一大电网各有4个子系统，各子系统的联系方式、负荷水平（横线之下数字）及联络线交换功率（单位均为MW）均示于图中，A、B联网后的系统总负荷水平为40000MW。对于这样一个互联的大系统，可以利用公式（1）和（2），考虑系统无旋转备用、有1％旋转备用和有3％旋转备用3种工况，分别计算出系统的静态频率特性，见表1。其中，设KL＝2，并经计算，当系统有1％旋转备用时，（ρKG＋KL）＝4．3，当系统有3％旋转备用时，（ρKG＋KL）＝8．4。
图1 某互联大系统结构示意图
从表中数字可以看出：①对互联的大系统来说，由于其负荷基数很大，所以一定量的负荷变化（例如1台大机组跳闸），相应的频率偏移很小。当系统有旋转备用时，则一定量的负荷变化所引起的频率偏移将更小。这就是说，当系统越来越大时，系统运行频率会显得越来越平稳。
表1 某互联系统静态频率特性
（2）由于频率的变化量与负荷变化量及旋转备用有关，所以，一定频率的变化量对应的系统负荷的变化会有一个很大的范围，例如，相对于图1系统，0．25Hz的频率偏移，可能是由于系统失去400、600或者1200MW的大电源产生的。这不仅说明大系统频率特性之复杂，而且也说明大系统频率调整之困难。因为当系统出现某一频率偏移时，难以确定系统出现的功率缺额到底有多大以及应该采取的调整对策。
3 互联系统联络线潮流与频率变化的关系
众所周知，当系统负荷有变化时，系统频率也将随之变化，系统出力与负荷将在新的频率下重新达到平衡。但是，在大系统中，负荷的变化总是发生在局部系统，而频率的变化却是在整个系统范围内发生的，即当系统某处的负荷发生了变化，则系统任一负荷点的频率都将有一个偏移，这一频率偏移（无论多么小）总会改变负荷，这就是所谓负荷的频率效应。正是由于系统所有负荷微量变化的总和与局部系统负荷的变化量相当，才有系统在新的运行频率下出力与负荷的平衡。由于这种平衡是全系统负荷共同作用的结果，因此这负荷的重新分布必定会引起电网潮流的变化，线路潮流的变化有些可能觉察不出来，但有些线路潮流却会发生明显变化，其中区域之间联络线潮流会发生最大的变化，因为它集中了一个或几个区域负荷的频率效应。再者，既然这种潮流的变化是频率的负荷效应形成的，那么它就与负荷水平有关，区域之间的联络线所联系的两侧负荷水平之比基本决定了因负荷变化所引起该线路潮流变化的幅度。例如，图1中A系统与B系统负荷水平相近，则无论A或B哪一个系统的负荷发生了变化，均约有负荷变化量的一半会叠加到A3至B3的
联线上。表2是在图1的基础上，设想了几种故障方式所得出的有关联络线潮流的变化量。
表2 不同故障方式下各子系统联络线潮流变化量
注：＋号表示在潮流的方向上增加负荷；－号表示在潮流的方向上减少负荷。
由表2中可以看出：①任何一子系统负荷发生变化，都将影响到所有联网线潮流的变化（这种变化与联络线两侧负荷水平的对比有直接关系）。因此，任一子系统要想单独改变某特定联络线的潮流是很困难的，因为它必然会影响到别的联络线潮流的变化。②带有一定负荷的联网线的跳闸对某些联网线潮流的变化有更大的影响，因为带负荷的联网线跳闸（特别是大负荷的联网线跳闸）不仅因其负荷变化大，而且还会改变联网线两侧负荷水平的对比由原来的11改变为51，从而使A3至B3线路潮流突增量由1／2的负荷变化量变成5／6的负荷变化量。
上面的讨论并没有考虑系统的旋转备用，如果系统或某一子系统有旋转备用，则系统因负荷变化而造成的负荷转移将会更复杂一些。因为在系统或任一子系统有旋转备用的情况下，旋转备用首先影响系统的频率偏移；其次，依据公式（1）。旋转备用将通过ρKG影响本区域的频率效应负荷，ρKG越大（意味着旋转备用越多），则频率的效应负荷越多，而且比没有旋转备用时大得多。此时，若负荷的变化发生在别的子系统，则本区域将会有更多的频率效应负荷要转移出去，这样，连接本区域的联网线将可能流过大得多的负荷；而如果负荷的变化发生在本区域，则因本区域已有较多的频率效应负荷用来弥补本区域负荷变化造成的功率缺额，从外系统流过来的负荷就要小一些，即此时与本区域相连的联网线负荷的变动就要小得多。因此，当系统的旋转备用分布不均匀时，系统负荷的变化引起联网线潮流的变化将有可能大得多，也将复杂得多。
互联的大系统有数以百计的机组在运行，任一台机组增减出力或甩负荷，均会造成系统负荷的变化；互联的大系统有成百个220kV变电站，它们的供电负荷随时在变化着；互联的大系统由于电网覆盖范围辽阔，既有与时空相关的特点的变化负荷，也有由于跨流域而形成的有特色变化的负荷。所有这一切将使互联大系统的负荷变化呈现极其复杂的局面，虽有一定规律，但大部分是随机性的，这预示着互联大系统有更频繁、幅度更大的负荷变化［2］。这些负荷的变化，虽然不会对系统运行频率的稳定性有多大的影响，但依据前面的分析，却会对联网潮流的变化产生重大影响。互联大系统联网线的潮流变化将会是非常频繁和幅度很大的。这种联网线潮流的变化因其频繁和幅度大，已不是现有调度运行手段所能控制的，只能任其变化，因此，这就需要联网线有相当大的输电能力（含联网枢纽点的集散能力），以适应潮流变化的要求，避免对系统稳定运行的影响，或者采用直流输电，以隔离互联两大电网之间的相互影响。根据前面的分析，在图1所示的系统中，互联两大电网之间联络线潮流的变化幅度可以从100MW到600MW。当前，只有500kV交流线路才具有这种送电能力。
4 互联大电网联络线潮流的调整
如前所说，互联电网中的任一子系统增减出力，均会造成全系统所有联络线潮流的变化，这是由于某一子系统增减出力会产生整个系统的频移，该频移又使全系统的负荷产生频率效应的缘故。但是如果一条联网线相邻两侧电网同时进行一个加出力，另一个减出力，而且加、减的幅度一样大的操作，则整个系统就会因系统无出力的变化而没有频率的偏移，也就没有负荷的频率效应，因而就不会有广泛的联络线潮流的变化，此时，潮流的变化只在进行了出力调整的两个子系统之间发生。例如，欲使A3至B3之间线路增加100MW负荷，若只令A3网增加100MW出力，则此时因负荷的频率效应，A3至B3的线路负荷只会增另48MW，别的联网线也有大小不等的潮流变化；与此同时，若使B3系统减少100MW出力，则A3至B3的线路潮流又会增加52MW，而别的联网线潮流的变化与A3网加100MW所引起的变化在数值上一样大，只是方向相反。这样，当A3网与B3网同时进行一加一减的调整出力时，就会使这两网的联络线潮流变化达到预计值（48＋52＝100MW），而别的联网线的潮流会因一加一减调整出力造成的影响互相抵消而没有变化。这就达到了调整特定线路的潮流，而不影响别的联网线潮流的目的。这种一加一减协调进行的线路潮流调整方式，可以称为无频移调整法。其特点是，待调整潮流的联络线两侧电网要同时进行出力增减，其增减的幅度均等于联络预计增减的数量。值得注意的是，采用这种调整方法调整联网线的潮流时，只会改变参与调整出力的两网之间的相关联络线的潮流，与别的线路无关；当然，如参与调整的两网相距遥远，例如图1中的A2与B2参与协同调整，则也会使A2与B2之间所有联网线潮流发生同样大的变化，非A2、B2之间的联网线（如A2至A1，B2至B4等）的潮流就不会有变化。因此，如不想把调整线路潮流的影响面扩大，则线路潮流的调整应限定在指定联络线相邻两侧电网内进行。
5 互联大电网并网条件的讨论
大家熟知的电源并网的三大条件是：①相序相同，②电压相等，③频率相等。关于相序相同的条件在实际中容易满足，电压相等的条件也不算太难，因为电压毕竟受局部的影响大一些，只要调整得当，满足这一条件亦属容易。最难的就是频率相等这个条件，即使允许两网在一定的频差下并网，也得预先确定一个大致的范围。因为目前尚无现成的资料可供借鉴。这里提出一个利用系统的频率效应原理并以限制并网后线路负荷作依据进而推导出待并两网频差的方法。因为根据前面的讨论，一定的频差意味着一定量的负荷频率效应，频差越大，并网后并网线路的潮流也越大，要使此潮流不超过某一数值，就必须对并网前两网的频差进行限制。现设具有频差为Δf的两网并列成功，则并网后系统频率将比并网前的某网低，但比另一网的要高，于是原来频率较高的系统就会由于频率降低而少吸收某一负荷ΔP，而原来的频率较低的系统因频率的上升而会多吸收一些负荷，这些多吸收的负荷正是从并网线路流过来的另一网少吸收的负荷。这就是说，通过限制并网后联网线的负荷，也就限制了待并两网的频差。
仍以图1所示网络为例，设A系统与B系统在并网成功后由A系统向B系统输电PAB，则并网前A系统的频率比B系统高Δf，这就是待求的频差。又设A、B两系统的负荷水平相近（如有备用，两系统的旋转备用也相同），则并网后A系统频率的下降与B系统频率的上升一样多，即ΔfA＝ΔfB，且ΔfA＝Δf／2，代入式（2）得
设KA＝2，PA＝20000MW，ΔPA＝PAB＝100MW，fA＝50（Hz），于是得
Δf＝（2／2）×（100／20000）×50＝0．25Hz
此即为待并两网均无旋转备用时并网前所允许的频差。
现假设待并两网均有3％的旋转备用，则经计算，KA＝8．4，设其它条件与上述一样，于是
Δf＝（2／8．4）×（100／20000）×50＝0．061Hz
此结果说明，如待并两网有旋转备用时，将使待并网所允许的频差大大缩小。当待并两网均有3％的旋转备用时，其允许并网频差只有0．061Hz。在实际运行中，待并电网或多或少总有些旋转备用，因此，大型电网的并网应严格控制并网前的频差。对图1所示两大电网的并列操作，如加上电压不能调整到相等以及其他不利因素的影响，则两网并网操作所允许的频差应在0．05Hz以内。
6 结语
大电网互联之后，系统的运行频率将更加平稳，即一般的负荷波动所产生的频率变化很小。但这里有两个问题：一是很难估计此频率变化到底是多大的负荷变化产生的；二是即使很小的频率变化也可能使联网线的潮流产生很大的变化，特别是大电网之间的联络线潮流的变化更大。
本文介绍的无频移的潮流调整法，适用于网间联网线潮流的调整。当然，对系统随机负荷的波动所引起的联网线潮流的变化，理论上亦可用此方法进行平抑，但限于目前的系统调控手段，要做到这样，恐怕是比较困难的。
互联大系统的并网条件恐怕最难满足的是频差的限制，这里提出的依据系统负荷水平（考虑有否旋转备用）、联网线负荷限制等来推求并网频差的算式，可供从事此项工作的同行参考。当互联的电网任一网的负荷水平均在20000MW左右时，建议并网前的频差控制在0．05Hz以下为好。
参考文献：
［1］ 东北电业管理局调度局．电力系统运行操作和计算［M］．北京：水利电力出版社，1977．
［2］ 波尔特诺伊，拉比诺维奇（张金城，郑美特译）．电力系统稳定性的控制［M］．北京：电力工业出版社，1982．
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