電網(wǎng)大停電若干關(guān)鍵技術(shù)的探討

宋 瑋 劉桂林

華北電力大學(xué)電力工程系 河北 保定 071000

0 引言

目前，我國已基本實(shí)現(xiàn)全國聯(lián)網(wǎng)。但大電網(wǎng)有一個(gè)致命的弱點(diǎn)，即某處的故障可能引發(fā)整個(gè)電網(wǎng)失穩(wěn)，造成大面積的停電。電網(wǎng)穩(wěn)定的問題仍是互聯(lián)電網(wǎng)的瓶頸。由于電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性、各種新型輸電技術(shù)的采用和大規(guī)模新能源的集中接入等特點(diǎn)使得我國電網(wǎng)成為世界上最復(fù)雜的電網(wǎng)之一。因此，我國電力系統(tǒng)未來面臨多元風(fēng)險(xiǎn)，亟需推進(jìn)電網(wǎng)安全防御技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用。同屬于發(fā)展中國家的中國與印度，由于國情、網(wǎng)情很相似，因此印度大停電事故［1］所反映出來的技術(shù)層面與管理層面的問題，對于中國電力事業(yè)的發(fā)展具有重要的警示意義和參考價(jià)值。

在全世界范圍內(nèi)，大停電事故時(shí)有發(fā)生，原因也各不相同。從宏觀上講，1）是由作為電力系統(tǒng)的第一道防線繼電保護(hù)拒動(dòng)造成主保護(hù)和后備保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)造成的；當(dāng)系統(tǒng)受到干擾或發(fā)生故障時(shí)，繼電保護(hù)應(yīng)能立即或經(jīng)過一定延時(shí)切除故障。例如此次印度大停電［1］的后備保護(hù)拒動(dòng)、2002年1月發(fā)生的巴西大停電［3］、2005年5月發(fā)生的莫斯科大停電以及2007年4月發(fā)生的哥倫比亞大停電；2）是由運(yùn)行規(guī)程、方案不合理，一些技術(shù)人員能力有限造成的，例如2011年9月韓國大停電；3）是由安全自動(dòng)裝置和失步解列裝置不正確動(dòng)作造成的。從微觀上講，1）無功功率不足導(dǎo)致電壓下降，在過負(fù)荷下繼電保護(hù)可能誤動(dòng)作；2）自由的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)使得負(fù)荷轉(zhuǎn)移而引起失步振蕩，傳統(tǒng)的距離保護(hù)在失步振蕩下誤動(dòng)作，使得系統(tǒng)解列造成大停電；3）網(wǎng)架薄弱易致使系統(tǒng)崩潰并且恢復(fù)緩慢；4）故障切除后運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移中部分輸電元件異常或保護(hù)誤動(dòng)。

雖然我國電力事業(yè)從未出過大停電事故，但不得不承認(rèn)我國的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)還不夠堅(jiān)強(qiáng)和完善，仍存在著一些潛在的危險(xiǎn)點(diǎn)［4］。對此，很有必要就關(guān)乎電網(wǎng)安全的特高壓輸電、新型直流輸電和幾種新型繼電保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入的探討與研究。

1 特高壓輸電存在的問題與分析

特高壓輸電系統(tǒng)的建設(shè)可有效解決我國由此帶來的電力輸送問題，以實(shí)現(xiàn)我國能源的優(yōu)化配置。同時(shí)實(shí)施特高壓輸電是我國資源分布與生產(chǎn)力布局的客觀要求［5-7］，關(guān)乎到我國電網(wǎng)網(wǎng)架的堅(jiān)強(qiáng)性以及抗風(fēng)險(xiǎn)抗沖擊的能力，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮著重要作用，可以有效的減少大停電事故的概率。

1.1 特高壓輸電存在以下幾個(gè)主要問題

首先是輸電網(wǎng)絡(luò)中特高壓輸電電壓等級選擇的問題，在特高壓電壓等級選擇中，空隙絕緣飽和特性是需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)方面，比如我國750kV緊湊型輸電線路最小相間絕緣距離應(yīng)取5～7m；其次電網(wǎng)中還存在雷電穿過轉(zhuǎn)角桿塔的避雷線而擊于導(dǎo)線或桿塔的問題，這將造成線路雷擊跳閘；最后引起絕緣子閃絡(luò)的大氣污染問題，絕緣子閃絡(luò)嚴(yán)重威脅到電網(wǎng)安全運(yùn)行，因而防污閃是保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的一個(gè)重要問題。

為了我國電力事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，結(jié)合西電東送，南北互供的全國性聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略。必須加強(qiáng)我國特高壓輸變電技術(shù)的開發(fā)和利用。

1.2 特高壓輸電若干關(guān)鍵技術(shù)的分析

關(guān)于我國特高壓輸電技術(shù)研究現(xiàn)狀，可以看出有以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)需要注意，若有不慎則高電壓等級輸電線路可能出現(xiàn)事故，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，甚至造成系統(tǒng)失步從而使得電壓崩潰和系統(tǒng)瓦解，造成電網(wǎng)大停電。現(xiàn)就若干關(guān)鍵技術(shù)［8-9］進(jìn)行深入分析：首先高壓電弧對特高壓輸電的嚴(yán)重影響。由于特高壓線路中恢復(fù)電壓高，所以高壓電弧將會(huì)伴隨在特高壓線路運(yùn)行的過程，造成自動(dòng)重合閘的成功率下降；從另一個(gè)方面講，串聯(lián)電容補(bǔ)償能夠提高特高壓線路的穩(wěn)定性以及輸送容量，所以，亟需把特高壓系統(tǒng)的串聯(lián)補(bǔ)償裝置的技術(shù)和參數(shù)研究清楚。其次是線路的通信干擾。由于通信技術(shù)水平原因，測量結(jié)果一直不是非常準(zhǔn)確，所以研究提高通信干擾測量技術(shù)意義重大；在研究中還發(fā)現(xiàn)天氣對于測量的結(jié)果影響是比較大的，一般晴天會(huì)比雨雪天測量的結(jié)果小8～12dB。最后還有系統(tǒng)中各元件絕緣的配合。為了能夠更好地進(jìn)行特高壓線路的維護(hù)和設(shè)計(jì)，需要清楚設(shè)備的外絕緣以及特高壓線路電極的放電特性，在進(jìn)行特高壓線路防雷的時(shí)候要結(jié)合絕緣配合原則去進(jìn)行，獲得最小安全距離和組合的空氣間隙。

綜上所述對高壓電弧、通信干擾以及絕緣配合技術(shù)的深入研究，尤其是在高海拔地區(qū)，對提高電力系統(tǒng)輸電穩(wěn)定性，維持系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重大的意義。

2 基于換流變壓器的新型直流輸電

新型直流輸電就是采用電壓源換流器的高壓直流輸電技術(shù)。與傳統(tǒng)的高壓直流輸電相比，最大的區(qū)別是其換流器采用IGBT等可關(guān)斷器件，而常規(guī)的高壓直流輸電是使用的晶閘管。新型直流輸電不僅具備常規(guī)直流輸電所有的優(yōu)點(diǎn)，還有很多自身的特殊優(yōu)點(diǎn)［10-11］。這些優(yōu)點(diǎn)如下：可以實(shí)現(xiàn)有功和無功功率的獨(dú)立控制；能向無源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)供電；能四象限運(yùn)行；無需站間通信，便于構(gòu)成并聯(lián)的多端直流輸電系統(tǒng)；開關(guān)頻率較高，低次諧波較少，不需要或只需要很少容量的高次濾波器；可以實(shí)現(xiàn)靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）功能，對接入電網(wǎng)中的無功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?；谝陨咸攸c(diǎn)，柔性直流輸電很適合于可再生能源并網(wǎng)，分布式電源并網(wǎng)、孤島供電、城市電網(wǎng)供電、異步交流電網(wǎng)互聯(lián)等領(lǐng)域。

因此，柔性直流輸電在解決新能源并網(wǎng)發(fā)電、向偏遠(yuǎn)地區(qū)供電、提高電網(wǎng)電能質(zhì)量等問題上得到了廣泛的應(yīng)用，對減少大停電事故的概率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

模擬逆變運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，只需把穩(wěn)態(tài)模型中換流器各閥值反向即可。對圖1所示的經(jīng)典穩(wěn)態(tài)模型深入研究不難發(fā)現(xiàn)，經(jīng)典模型存在有一些不足，雖然這些不足可以通過修改濾波器參數(shù)進(jìn)行改善，但未從根本上解決諧波與無功功率對換流變壓器的影響等問題。并且，直流線路經(jīng)整流橋回饋的交流電流均要通過換流變壓器的原副邊繞組。其中諧波和無功功率將會(huì)在變壓器的繞組與鐵芯中增大發(fā)熱、噪聲和振動(dòng)，此外換流變壓器一個(gè)副邊采用Y-Δ接線，為了保證換流橋上相電抗相等，在理想情況下環(huán)流變壓器的兩副邊漏抗應(yīng)該相等，這即要求副邊Y-Δ接線的匝比為1不是整數(shù)，工程上無法達(dá)到理想精確，這必然會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流橋上下橋間的誤差。

圖1 直流輸電經(jīng)典穩(wěn)態(tài)模型（整流運(yùn)行）

為了解決經(jīng)典穩(wěn)態(tài)模型在直流輸電中的不足，提出了基于換流變壓器的新型輸電模型［12-13］，該模型如下圖2所示。新型的直流輸電模型改變了換流變壓器的接線方式，兩副邊均采用Y-Δ接線，這樣就使得換流橋上下兩橋的相電抗相等，只要副邊采用相同的匝數(shù)，在理論上即可做到理想精確，減小了誤差。并且在Δ接線組引出抽頭接配套的有源濾波器。無源濾波器中的電阻與電容對信號有抑制作用，并且會(huì)帶來時(shí)間延遲；而采用有源濾波器不僅性能好、速度快，還能得到更理想的頻率特性，從而對諧波和無功功率在源頭上加以抑制和部分補(bǔ)償。由于環(huán)流變壓器閥側(cè)特征諧波次數(shù)中的5、7、11次特征諧波含量較為嚴(yán)重，為了消除主要次諧波對換流變壓器的不良影響，我們可以通過調(diào)整有源濾波器的參數(shù)實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)然，隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，我們也可以采用在新型換流變壓器接線時(shí)，利用耦合繞組的諧波安匝平衡來進(jìn)行濾波。我們還可以自己設(shè)計(jì)濾波器進(jìn)行濾波，如要保留基波，濾除和抑制一些諧波，我們設(shè)計(jì)非遞歸型濾波器，其系統(tǒng)函數(shù)為

圖2 新型直流輸電穩(wěn)態(tài)模型（整流運(yùn)行）

3 自適應(yīng)繼電保護(hù)和幾種新型保護(hù)

常規(guī)繼電保護(hù)是按最嚴(yán)重的運(yùn)行條件確定保護(hù)整定值的，雖然可以保證電力系統(tǒng)各種運(yùn)行方式下發(fā)生故障時(shí)，繼電保護(hù)都能夠正確動(dòng)作，但有以下幾個(gè)缺點(diǎn)［14-15］：

1）按該條件確定的繼電保護(hù)整定值，對其他運(yùn)行方式來講不一定是最佳的整定值；

2）在電力系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下發(fā)生最不利的故障時(shí)，繼電保護(hù)系統(tǒng)的性能可能會(huì)嚴(yán)重變壞甚至發(fā)生拒動(dòng)現(xiàn)象；

3）分支系數(shù)的引入，造成動(dòng)作值計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)誤差；

4）計(jì)算分支系數(shù)時(shí)未全面考慮分布電源運(yùn)行方式的變化，導(dǎo)致分支系數(shù)本身存在誤差。這些缺點(diǎn)不但限制了電力線路的傳輸容量和電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，而且降低了電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。微機(jī)保護(hù)的發(fā)展使得實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)繼電保護(hù)系統(tǒng)已成為可能。

所謂的自適應(yīng)繼電保護(hù)是指能夠在線修改運(yùn)行方式的變化信息，以獲得最佳保護(hù)性能的繼電保護(hù)系統(tǒng)。大電網(wǎng)自適應(yīng)繼電保護(hù)系統(tǒng)的研究主要存在三個(gè)問題［16-19］：

1）尚未從安全自動(dòng)控制的角度來研究繼電保護(hù)系統(tǒng)與電力系統(tǒng)之間的相互關(guān)系，導(dǎo)致自適應(yīng)繼電保護(hù)系統(tǒng)至今與能量管理系統(tǒng)無緣；

2）尚未利用電力系統(tǒng)固有的分布性來構(gòu)成分布式自適應(yīng)繼電保護(hù)系統(tǒng)；

3）獲得自適應(yīng)繼電保護(hù)系統(tǒng)的在線整定值往往滿足不了要求，而且不能人工干預(yù)繼電保護(hù)的整定計(jì)算過程。

在電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由于常規(guī)繼電保護(hù)和電力系統(tǒng)構(gòu)成的是一種開環(huán)斷續(xù)控制流，在常規(guī)繼電保護(hù)系統(tǒng)前應(yīng)引入一個(gè)能夠根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)變化信息在線修改常規(guī)繼電保護(hù)系統(tǒng)整定值的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，作為控制環(huán)節(jié)，使繼電保護(hù)系統(tǒng)的整定值能隨著電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的變化而自動(dòng)改變，從而可以獲得最佳的動(dòng)作特性，即自適應(yīng)繼電保護(hù)系統(tǒng)和電力系統(tǒng)構(gòu)成的是一種閉環(huán)斷續(xù)控制系統(tǒng)，如下圖3所示：

圖3 閉環(huán)斷續(xù)控制系統(tǒng)

通過以上介紹和分析，可以給出如下結(jié)論和建議：

1）繼電保護(hù)系統(tǒng)是電力系統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，控制方式為斷續(xù)控制。常規(guī)繼電保護(hù)系統(tǒng)與電力系統(tǒng)之間構(gòu)成的開環(huán)斷續(xù)控制系統(tǒng)控制性能較差，自適應(yīng)繼電保護(hù)系統(tǒng)與電力系統(tǒng)之間構(gòu)成的是一種控制性能優(yōu)良的閉環(huán)斷續(xù)控制系統(tǒng)。為在電力系統(tǒng)故障時(shí)，實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)的最好控制，應(yīng)將自適應(yīng)繼電保護(hù)系統(tǒng)融入SCADA系統(tǒng)中，作為EMS的一部分。

2）通過數(shù)據(jù)通道將這些分布式自適應(yīng)控制器與分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成分布式自適應(yīng)系統(tǒng)。這種硬件結(jié)構(gòu)可用于各類繼電保護(hù)裝置的自適應(yīng)繼電保護(hù)系統(tǒng)。

3）自適應(yīng)繼電保護(hù)與能量管理系統(tǒng)的結(jié)合以及在線整定動(dòng)作值的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在今后相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，電力系統(tǒng)中仍會(huì)有大量的電磁式和固態(tài)模擬式繼電保護(hù)裝置存在。因此，自適應(yīng)繼電保護(hù)與非自適應(yīng)繼電保護(hù)共存的局面不可避免，如何處理好自適應(yīng)繼電保護(hù)與非自適應(yīng)繼電保護(hù)之間的相互配合問題，是進(jìn)一步研究的一個(gè)方向。

4 結(jié)論

本文談到的幾種新型輸電方式，對有效的改善系統(tǒng)的無功，維持安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。我國建設(shè)的特高壓已經(jīng)達(dá)到了直流±800kV和交流1000kV，電網(wǎng)運(yùn)行在這么高的電壓等級下，故障對電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成的影響將是沖擊性的。對其若干關(guān)鍵技術(shù)，提出了一些有建設(shè)性的建議。除此之外，還對基于環(huán)流變壓器的新型直流輸電原理技術(shù)和柔性直流輸電等新型的直流輸電技術(shù)進(jìn)行了分析探討；它們不但能夠提高輸電效率，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對無功的獨(dú)立控制，這是傳統(tǒng)輸電技術(shù)所不具備的。

繼電保護(hù)是在電網(wǎng)運(yùn)行出現(xiàn)異?；虬l(fā)生故障時(shí)，快速切除故障使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行的重要措施之一。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，繼電保護(hù)拒動(dòng)則會(huì)造成故障不能及時(shí)切除，使得故障在電網(wǎng)中蔓延開來，影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行，甚至?xí)鹣到y(tǒng)的解列，電網(wǎng)瓦解，造成大區(qū)域的停電事故。如果繼電保護(hù)在故障時(shí)誤動(dòng)，例如印度大停電，則會(huì)在故障發(fā)生時(shí)，使得停電范圍擴(kuò)大，進(jìn)而引起其他網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)動(dòng)作，引發(fā)大停電事故。

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