近年來，隨著電網的不斷壯大，對電網穩(wěn)定性及設備可靠性的要求越來越高，電網穩(wěn)定導則和有關電網規(guī)劃建設的技術導則對電網安全運行的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，造成電網規(guī)劃建設、生產運行中不可避免地產生先天性安全隱患，對電網的長遠發(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，提高電網投資效益和安全性、可靠性，在確保電網可持續(xù)發(fā)展的前提下，穩(wěn)步提高供電可靠性。% L: H8 S- T1 I' o* ~; z, B
1 N-1準則的本質
按照電網穩(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靜態(tài)安全分析，或單一元件故障斷開后的電力系統穩(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，保證電網的穩(wěn)定由于涉及整個電網安全，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，造成局部電網生產運行長期處于被動局面。1 P5 c! v* E% j% t
2 N-1與系統穩(wěn)定性要求: R# B: ^% Z) ^. w' Z$ E& N
電力系統穩(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間聯絡線路。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穩(wěn)定破壞。所以，N-1準則與電網結構、運行方式、負荷分布及自動化控制裝置配置有較大關系。當電網規(guī)劃、布局相對較合理時，可在一定程度上彌補網絡薄弱等不足，當設備選擇、配置較理想時，也可減少靜態(tài)穩(wěn)定缺陷。
3 N-1的類型及影響
由于N-1準則是按電網元件斷開狀態(tài)研究電網穩(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。- |3 @+ l- R( p8 X0 \, ^; u! f
第一類為計劃性停運，如電網設備的計劃性檢修、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小時到數天，特殊設備如發(fā)電機組會達到數十天，這類停運占電網設備累計停運時間的90%以上。6 `2 d' @8 g6 @: ~6 B5 J
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、變壓器冷卻系統和絕緣油系統等。由于這類停運隨機性較大，難以采取全面有效措施，因此可能對電網安全穩(wěn)定性造成較大影響，是電網運行管理應重點解決的問題。非計劃停運時間一般為數小時到數天，這類停運占電網設備累計停運時間的3%～8%。- u& ~& b* i3 k. c5 H
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?。﹄娋W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）為數分鐘到數小時，當設備故障后發(fā)生嚴重損壞時，其停運時間一般為數天甚至數月，往往對局部區(qū)域正常供電造成嚴重影響，這類停運占電網設備累計停運時間的1%～3%。
4 設備類型與N-1的關系* e+ Z' `: Z; C( u
構成一個完整電網的設備除發(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出N-1＝0，即完全喪失發(fā)電能力。由于電源點和電網布局原因，也可能造成局部輸電網斷面穩(wěn)定問題。 ?$ m+ S: A7 \6 x
4.2 輸電設備
輸電線路，包括電纜是電力傳輸的通道，是構成電網的最重要的單元。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，從經濟上考慮并不可行。④線路設備多數檢修維護工作可實現帶電作業(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。輸電線路多數故障屬于瞬時性故障，以雷擊為最多，一般而言對系統穩(wěn)定和用戶供電不會產生明顯影響。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，多數在數小時內可試送成功。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，由于電網運行方式、保護配置及線路在電網中的重要性不同，線路故障的后果也大相庭徑，從國內外多年的經驗來看，引起電網穩(wěn)定破壞造成大面積停電事故的起始原因多數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，絕大多數變電設備均由專業(yè)化制造廠生產，電網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換代快得多，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、網絡間整體協調要求高；⑤二次設備中保護、自動化設備是電網的最后“屏障”，一旦出現問題，往往造成電網事故擴大，影響巨大。
4.4 配電設備# b7 x7 d/ i$ V U. V. T
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、配電變壓器及配網自動化設備等。由于配電設備均位于電網末端，因此當發(fā)生N-1情況時，不會對電網穩(wěn)定造成影響，考慮配網N-1，重點應放在如何解決對用戶的連續(xù)供電上。配網故障有如下特點：①故障范圍有限。由于配網供電能力和供電半徑限制，配網設備故障后影響的供電范圍較小。②故障類型簡單。農村、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由于配網設備相對簡單，備品備件儲備容易，且部分工作可實現帶電作業(yè)，因此恢復供電的周期較短，一般可在數小時內解決。
5 針對設備特點應用N-1的適用性原則 v/ F8 x( E: N3 E \' E' X
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，由于電力系統屬于資金密集、技術密集型產業(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”能力是不經濟的，也不利于電網的長期發(fā)展。另一方面，參與電網運行的設備越多，電網運行就越復雜，發(fā)生元件故障的次數就越多，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、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準則是確保電網安全、經濟、可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。2 o7 P* J8 Y' P% G) C3 p- Q A
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機組接入電網的位置及電壓等級應兼顧當地負荷及區(qū)域網間互備，避免過于集中，避免大量電力經多級升壓、降壓傳輸，遠離負荷中心的大容量機組宜接入超高壓電網，并保證足夠的傳輸或負荷轉移能力。
由于發(fā)電設備N-1的影響是全網性的，與電網發(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)?；騻溆萌萘肯鄬^小的電網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。' t3 m- Q* r( H% U0 f) Y& ]- @, J% }4 O7 Q
5.2 輸電線路
電網設備中發(fā)生N-1最多的元件就是輸電線路，各個電網運行單位基本上都是以輸電線路故障作為考核電網穩(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穩(wěn)定的條件下應盡量減少電廠出線線路條數，必要時應接入電網不同的變電站點；②網間聯絡線應適當加強，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)域電網應以220 kV環(huán)型電網為主，必要時應構成雙環(huán)網，當負荷進一步加大使220 kV電網逐漸變?yōu)榕潆娋W后，其環(huán)網結構應逐漸轉變?yōu)檩椛浣Y構；④盡量避免形成電磁環(huán)網，已有電磁環(huán)網應通過加強高電壓等級電網而實現解環(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$ g. M' d5 q0 M
由于變電設備是電網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。2 Q n' \' @( s2 {
?。?） 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)定水平對電網安全十分必要，經濟上也是合理的；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間聯絡線時，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。
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