目前，包头地区有500 kV变电站4座（包头北变 电站、春坤山变电站、高新变电站、威俊变电站），总 容量（8×750+2×1200）MVA；220 kV公用变电站16 座，总容量3930 MVA。包头地区电网主要担负包 头市区（青山区、昆区、东河区、高新区）、大用户（包 钢、铝厂、希望铝业、一机厂、二机厂、二〇二、华业 特钢、包钢西矿），白云、石拐2个矿区和九原区、土 右、固阳、达茂4个旗县区的供电任务，是蒙西电网 的负荷中心。

在目前包头地区电网网架的基础上，还将规划建设包头西500 kV变电站，进行500 kV、220 kV线 路切改、换线工作；220 kV张家营—召庙双回线路、 高新—麻池双回线路解环运行，形成以500 kV为主 网架的包头东、南、西、北部4个区域的分区供电电 网结构。在新的网架结构下，需要对发电机能否保 持同步运行的能力进行分析，并针对出现的失稳情 况提出稳控措施，以保证电网的安全、稳定运行。 1 包头电网规划网架结构

包头地区规划电网结构示意图见图 1，地理接线 示意图见图 2。

图 1(Figure 1)

图 1 包头地区规划电网结构示意图

图 2(Figure 2)

图 2 包头地区规划电网地理接线示意图

500 kV线路三相短路故障 500 kV线路三相短路故障时，继电保护动作， 跳开故障线路两端的三相开关，以清除故障。根据 电网实际情况，发生故障后0.1 s清除故障元件^{[1, 2]}。 2.1.2 220 kV线路三相短路故障

220 kV线路发生三相短路故障时，继电保护动 作，跳开故障线路两端的三相开关，故障发生后 0.12 s清除故障元件。 2.1.3 110 kV线路三相短路故障

110 kV线路三相短路故障 110 kV线路上发生三相短路故障时，继电保护 动作，跳开故障线路两端的三相开关，故障发生后 0.15 s清除故障元件。 2.1.4 发电机组失磁故障

发电机组发生励磁绕组直接短路失磁后，3 s切 除失磁机组。 2.2 计算模型 2.2.1 负荷计算模型

负荷模型对于电力系统动态过程的模拟有较 大影响。结合包头地区负荷性质，决定在计算过程 中负荷模型采用静态负荷＋感应马达模型。大部 分变电站内感应电动机比例为60％～80％。铝厂、 铝厂二所变电站由于是电解铝负荷，采用90％恒电 流负荷＋10％感应电动机负荷来模拟。 2.2.2 发电机计算模型

包头地区电网中发电机参数均采用内蒙古调 通中心计算中采用的发电机模型参数，同时考虑励 磁机、原动机及其调速器的动态特性。 2.3 计算工具

采用中国电力科学研究院PSD电力系统软件工 具（PSD Power Tools）完成。 3 暂态稳定性校验 3.1 单回线路三相故障

对包头地区电网规划网架中典型的500 kV/ 220 kV线路进行三相短路故障模拟、分析，校验包 头地区电网的暂态稳定性，并针对出现的失稳情况 提出稳控措施^[3]。对包头地区电网规划网架大负荷 方式进行“N-1”线路三相短路故障校验，其中风电 机组开机容量542.9 MW，全网负荷总量达5492.4 MW（292 MW厂用电），机组平均功率因数0.91，网 架结构如图 2所示。分别对包西—包北、高新—昆 河、高新—张家营、昆河—张家营、民胜—张家营、 包西—昆都仑电厂、兴胜—古城、沙尔沁—古城、达 旗—土右线路两端发生三相短路故障进行模拟。 结果表明，在主保护及开关正确动作时，系统均能 保持稳定，无需采取稳定措施。 3.2 变压器三相短路故障

对包头地区典型的500 kV/220 kV变压器（张家 营1号变压器、麻池变电站1号变压器、高新变1号 变压器、高新变电站3号变压器、召庙变电站1号变 压器、沙河变电站1号变压器、包北变电站1号变压 器、春坤山1号变压器、沙尔沁1号变压器、滨河变1 号变压器）进行三相短路故障模拟、分析，校验包头 电网暂态稳定性。结果表明，在变压器发生三相短 路故障时，主保护及开关正确动作，系统均能保持 稳定，无需采取稳定措施。 3.3 发电机失磁故障

对包头地区典型的发电机组（包钢燃气1号、2 号机组，河西1号、2号机组，希铝2号、3号、5号机 组，包头三电厂1号机组，达拉特发电厂1号、2号机 组，东华热电厂1号、2号，包头二电厂2号、3号机 组，包头一电厂9号机组）进行失磁故障模拟、分析， 校验包头电网稳定性。结果表明，在发电机发生失 磁故障时，主保护及开关正确动作，系统均能保持 稳定，无需采取稳定措施。 3.4 母线三相短路故障

在包头地区规划电网网架冬季大负荷方式下， 变电站一条母线停电检修、另一母线三相故障，跳 母线上所有出线，部分母线发生三相短路故障；在 主保护及开关正确动作前提条件下，还需要采取相 关稳定措施才能保证系统稳定。以古城变电站母 线三相短路故障为例。古城变电站220 kV母线0 s 发生三相短路故障，0.12 s时故障切除，跳开所有出 线（古城—兴胜双回、古城—沙河双回、古城—沙尔 双回、古城—东华双回），东华热电厂机组脱网运 行，失步切除；包头三电厂、达拉特电厂发电机均失 稳，发电机功角及母线电压如图 3所示；切除包头三 电厂2台发电机，同时联切459 MW负荷，系统恢复稳定运行，如图 4所示。

图 3(Figure 3)

图 3 古城变电站母线三相短路故障时，典型发电机功角 及母线电压变化情况（未采取措施）

图 4(Figure 4)

图 4 古城变电站母线三相短路故障时，典型发电机 功角、母线电压、频率变化情况（采取措施）

在包头地区规划电网网架冬季大负荷方式下， 模拟同塔双回线路三相故障，部分线路“N-2”故 障。结果表明，在主保护及开关正确动作前提条件 下，需要采取相关稳定措施，才能保证系统稳定。 3.5.1 兴城双回线故障

古城—兴胜为双回线路。0 s古城—兴胜单回 线发生三相短路故障，0.12 s切除，同时断开另一回 线路。在此过程中，包头三电厂发电机（2台）、达拉 特发电厂发电机（2台）均失稳，发电机功角及母线 电压如图 5所示；切除包头三电厂2台发电机，同时 联切459 MW负荷，系统恢复稳定运行，如图 6所示。

图 5(Figure 5)

图 5 古城—兴胜双回线路三相短路故障时，典型发电机 功角、母线、频率电压变化曲线（未采取措施）

图 6(Figure 6)

图 6 古城—兴胜双回线路三相短路故障后，典型发电机 功角，母线电压、频率变化曲线（采取措施）

达旗—滨河为双回线路。0 s时达旗—滨河单回线发生三相短路故障，0.12 s切除，同时断开另一 回线路。在此过程中，达拉特发电厂2台发电机失 稳，发电机功角及母线电压如图 7所示。切除达拉 特发电厂2台发电机、同时联切156 MW负荷后，系 统恢复稳定运行，如图 8所示（麻池—兴胜双回线路故障，控制方案同达旗—滨河双回线路故障）。

图 8(Figure 8)

图 8 聚光集热器间跨接管路的连接

经计算，包头地区规划网架中，110~500 kV母 线短路电流水平均在开关遮断范围内，满足安全运 行要求^[4]，500 kV 母线最高短路电流为39 kA，220 kV母线最高短路电流为43 kA，110 kV母线最高短 路电流为25 kA。 5 结论及建议 5.1 结论

通过对包头地区规划网架进行单回线路三相 故障、变压器三相短路故障、发电机失磁故障、母线三相短路故障、同塔双回线路三相故障进行模拟分 析及短路电流计算，得出以下结论。

（1） 在古城220 kV母线发生三相短路故障时， 系统稳定性被破坏。经计算，切除包头三电厂2台 发电机、同时联切459 MW负荷，系统可恢复稳定运 行。

（2） 包头东部电网网架中的兴胜—古城、达旗 —滨河线路分别发生同塔双回线路故障时，系统稳 定性被破坏。经计算，采取切机、同时联切负荷措 施，系统可恢复稳定运行。

（3） 威俊变电站与500 kV主网架的联系比较 薄弱。 5.2 建议

针对规划网架中存在薄弱环节，提出包头东部 电网网架结构的2种改造方案，具体如下。

（1） 方案1：解开达旗—土右线路，土右变电站 接威俊变电站，同时通过220 kV双回接达旗变电站；

（2） 方案2：在现有东部电网网架结构下，增加 达旗—沙尔沁一回220 kV线路；

在兴胜—古城双回、达旗—滨河双回线路分别 跳闸情况下，上述2种方案均能满足系统暂态稳定 性要求。