區(qū)域互聯(lián)大電網(wǎng)運(yùn)行控制技術(shù)研究

徐遐齡，李 勇，徐友平，奚江惠

(華中電力調(diào)控分中心，湖北 武漢 430077)

區(qū)域互聯(lián)大電網(wǎng)運(yùn)行控制技術(shù)研究

徐遐齡，李 勇，徐友平，奚江惠

(華中電力調(diào)控分中心，湖北 武漢 430077)

在特高壓工程建設(shè)過渡期，中國電網(wǎng)仍將呈現(xiàn)強(qiáng)直弱交過渡期特點(diǎn)，交直流耦合愈加緊密，連鎖故障影響范圍不斷擴(kuò)大。以華中西南電網(wǎng)為背景，針對(duì)交直流互聯(lián)造成的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和典型事件，提出區(qū)域互聯(lián)大電網(wǎng)運(yùn)行方式預(yù)控技術(shù)，包括：優(yōu)化安控措施、送端電網(wǎng)第三道防線優(yōu)化方案、受端電網(wǎng)相關(guān)線路重合閘時(shí)間調(diào)整等運(yùn)行控制技術(shù)，并成功應(yīng)用于實(shí)際電網(wǎng)，對(duì)"強(qiáng)直弱交"型區(qū)域大電網(wǎng)的運(yùn)行控制起到一定的指導(dǎo)意義。

區(qū)域大電網(wǎng)；強(qiáng)直弱交；特高壓直流輸電；電網(wǎng)第三道防線；線路重合閘

當(dāng)前，隨著特高壓交直流工程的不斷投運(yùn)，中國互聯(lián)電網(wǎng)得到快速發(fā)展[1]。截止2015年底國家電網(wǎng)跨區(qū)通道達(dá)到18條、交換能力達(dá)到59 155 MW，電網(wǎng)大范圍資源優(yōu)化配置能力顯著提升。但跨區(qū)交流和直流工程發(fā)展不均衡，直流通道個(gè)數(shù)、交換能力分別占到總量的94.4%，91.5%，“強(qiáng)直弱交”特征比較明顯。尤其是華中西南交流同步互聯(lián)電網(wǎng)，集中體現(xiàn)了特高壓電網(wǎng)建設(shè)過渡期存在的主要安全風(fēng)險(xiǎn)[2]。

筆者以華中西南電網(wǎng)為研究對(duì)象，結(jié)合運(yùn)行實(shí)際和仿真分析，深入分析強(qiáng)直弱交型區(qū)域互聯(lián)大電網(wǎng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，提出有效應(yīng)對(duì)措施，并成功應(yīng)用于電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行控制。

1 華中西南電網(wǎng)主要特點(diǎn)

1.1 特高壓“強(qiáng)直弱交”矛盾突出

如圖1所示，華中西南交流同步電網(wǎng)位于華北、華東、西北、南方電網(wǎng)的中樞，與華北電網(wǎng)通過1回1 000 kV特高壓交流線路(長南Ⅰ線)聯(lián)系，與華東電網(wǎng)通過3回特高壓直流(復(fù)奉、錦蘇、賓金特高壓直流)、4回超高壓直流(葛南、龍政、宜華、林楓超高壓直流)聯(lián)系，與西北電網(wǎng)通過1回特高壓直流(天中特高壓直流)、1回超高壓直流(德寶直流)和2回背靠背直流(靈寶Ⅰ、Ⅱ直流)聯(lián)系，與南方電網(wǎng)通過1回超高壓直流(江城直流)聯(lián)系。其跨區(qū)交換總能力達(dá)到48 870 MW，直流通道個(gè)數(shù)、交換能力分別占到總量的91.7%，89.8%，“強(qiáng)直弱交”矛盾十分突出，電網(wǎng)運(yùn)行制約因素多，控制難度大。

1.2 特高壓直流“送受并重”

在12個(gè)跨區(qū)直流通道中，以送出為主的通道9個(gè)、外送能力達(dá)到37 760 MW，且外送落點(diǎn)主要集中在湖北三峽近區(qū)和四川地區(qū)；以受入為主的通道3個(gè)、受電能力6 110 MW，且受電落點(diǎn)主要集中在河南中、西部地區(qū)。尤其是賓金、復(fù)奉、錦蘇三大特高壓直流，落點(diǎn)集中在四川西、南部地區(qū)，外送能力達(dá)到21 600 MW，占到四川豐水期低谷平均負(fù)荷的110%。天中特高壓直流是華中西南電網(wǎng)最大的受入通道，目前實(shí)際輸電能力達(dá)到5 000 MW，占到河南低谷平均負(fù)荷的15.5%。在實(shí)際運(yùn)行中，既要防止外送直流故障導(dǎo)致的大功率盈余問題，也要防止受入直流故障導(dǎo)致的大功率缺額問題。

1.3 水電占比大、豐枯季節(jié)明顯

截止2015年底，華中西南電網(wǎng)水電裝機(jī)達(dá)到128 130 MW，占總裝機(jī)的48%，在豐水期水電大發(fā)方式下，華中西南電網(wǎng)最大外送功率37 760 MW，豐枯季節(jié)十分明顯。尤其是四川水電裝機(jī)較多，占總水電裝機(jī)的46%，在豐水期四川水電外送需求巨大，最大外送功率達(dá)到2 790 MW，占四川豐水期低谷平均負(fù)荷的142%，各跨區(qū)、跨省通道均長期處于滿載或重載的緊繃狀態(tài)，電網(wǎng)調(diào)節(jié)裕度很小，安全風(fēng)險(xiǎn)極大。

圖1 華中西南電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2 強(qiáng)直弱交電網(wǎng)主要安全風(fēng)險(xiǎn)

在強(qiáng)直弱交結(jié)構(gòu)下，較弱的交流聯(lián)絡(luò)線成為電網(wǎng)安全穩(wěn)定的“短板”， 特高壓交流與特高壓直流、超高壓交流、特高壓直流受端交流系統(tǒng)等多重因素耦合，安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)較多，從故障原因分析主要有以下幾類。

2.1 特高壓直流故障

交流輸電系統(tǒng)相比，直流輸電系統(tǒng)由于其輸送距離遠(yuǎn)、一二次設(shè)備及其控制系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，故障概率相對(duì)較高。

特高壓直流由于輸送功率大，直流故障，特別是直流雙極閉鎖等嚴(yán)重故障較常規(guī)直流對(duì)送受端交流系統(tǒng)的沖擊和影響更大[3-4]。①有功不平衡功率大，對(duì)交流系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定影響大；賓金特高壓直流最大輸送功率達(dá)到8 000 MW，雙極閉鎖相當(dāng)于13臺(tái)600 MW級(jí)火電機(jī)組同時(shí)跳閘。②該有功不平衡功率會(huì)在交流系統(tǒng)大范圍竄動(dòng)，并經(jīng)長南Ⅰ線傳播到華北電網(wǎng)，對(duì)沿途交流系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定和熱穩(wěn)定影響大；③直流閉鎖由于無功大量剩余，落點(diǎn)近區(qū)無功不平衡功率大，依據(jù)賓金直流雙極閉鎖的仿真結(jié)論，其近區(qū)500 kV母線電壓瞬時(shí)升高約50 kV，對(duì)特高壓直流落點(diǎn)近區(qū)電壓穩(wěn)定影響大[5]。如賓金直流某次單極故障時(shí)(輸送功率4 000 MW)，在送端造成2 000 MW有功盈余，長南Ⅰ線功率波動(dòng)幅度達(dá)到2 840 MW，如圖2所示。

圖2 賓金直流閉鎖導(dǎo)致的長南線功率波動(dòng)

2.2 直流受端交流系統(tǒng)故障

直流輸電系統(tǒng)的整流、逆變過程需要無功和電壓支撐，受端交流電網(wǎng)由于故障等原因?qū)е聼o功支撐不足或電壓水平降低時(shí)，容易導(dǎo)致直流系統(tǒng)換相失敗。特高壓直流由于輸送功率大，對(duì)交流系統(tǒng)的電壓支撐水平更為敏感。如圖3所示，從2012年實(shí)際運(yùn)行情況看，交流系統(tǒng)故障導(dǎo)致直流換相失敗的主要原因。

圖3 直流換相失敗原因統(tǒng)計(jì)

如表1所示，華東電網(wǎng)由于500 kV主網(wǎng)架強(qiáng)、饋入直流多、落點(diǎn)集中，相較其他區(qū)域電網(wǎng)，其交流系統(tǒng)故障更容易導(dǎo)致一回或多回跨區(qū)直流換相失敗。最嚴(yán)重情況下，一條500 kV線路單相故障導(dǎo)致了4個(gè)直流系統(tǒng)同時(shí)換相失敗。

表1 華東地區(qū)直流換相失敗次數(shù)統(tǒng)計(jì)

注：2010年，林楓直流未投產(chǎn)。

直流輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗后，將導(dǎo)致送端產(chǎn)生較大不平衡功率，對(duì)送端交流系統(tǒng)的影響與直流系統(tǒng)自身故障類似，會(huì)在送端交流系統(tǒng)大規(guī)模轉(zhuǎn)移，并威脅送端電網(wǎng)安全穩(wěn)定。

2.3 500 kV交流系統(tǒng)故障

在川渝聯(lián)絡(luò)線大功率送重慶(計(jì)算值4 000 MW)、長南Ⅰ線大功率(計(jì)算值4 000～5 000 MW)送華中運(yùn)行方式下，仿真計(jì)算表明，華中西南電網(wǎng)穩(wěn)定水平最低，四川省內(nèi)桃鄉(xiāng)、尖山、東坡、洪溝近區(qū)500 kV系統(tǒng)N-1故障、洪板雙線N-2故障時(shí)，長南Ⅰ線存在失步解列風(fēng)險(xiǎn)。

從分析結(jié)論來看，四川故障導(dǎo)致華北-華中聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)失穩(wěn)主要是暫態(tài)功角失穩(wěn)問題[6-8]。對(duì)于同步運(yùn)行的互聯(lián)大系統(tǒng)來說，區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)存在多個(gè)集群，擾動(dòng)后系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定存在多種情況。系統(tǒng)的失穩(wěn)模式主要受網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式的影響，與擾動(dòng)沖擊大小、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、初始運(yùn)行方式均有關(guān)系[9]。

2.4 交直流故障影響仿真對(duì)比

三大特高壓直流同時(shí)換相失敗2次與四川桃鄉(xiāng)主變N-1故障時(shí)，長南Ⅰ線兩端功角差波動(dòng)曲線對(duì)比如圖4所示。

圖4 長南Ⅰ線兩端功角差波動(dòng)

復(fù)奉、錦蘇、賓金三大特高壓直流滿送方式下，華東電網(wǎng)一回500 kV交流線路單永故障引起的三大直流同時(shí)相繼換相失敗(考慮重合不成功的兩次沖擊)和一回特高壓直流本身的再啟動(dòng)故障，所造成的川渝聯(lián)絡(luò)線及特高壓長南Ⅰ線功率波動(dòng)情況如表2所示。

表2 2類故障沖擊下長南Ⅰ線和渝鄂聯(lián)絡(luò)線波動(dòng)量

在復(fù)奉、錦蘇、賓金三大特高壓直流21 600 MW滿功率送華東運(yùn)行方式下的仿真分析表明，上述多種故障原因中，多回直流同時(shí)換相失敗或再啟動(dòng)故障對(duì)跨區(qū)(跨省)斷面產(chǎn)生的暫態(tài)沖擊最為嚴(yán)重。在四川電網(wǎng)豐水期特高壓直流、川渝聯(lián)絡(luò)線均滿功率輸送時(shí)，多回直流同時(shí)換相失敗或再啟動(dòng)故障會(huì)對(duì)送端交流電網(wǎng)產(chǎn)生5 000～7 500 MW的沖擊功率，造成西南、華中電網(wǎng)及華北電網(wǎng)機(jī)群間暫態(tài)功角失穩(wěn)，甚至失步解列。

3 運(yùn)行控制措施

在當(dāng)前特高壓“強(qiáng)直弱交”格局下，影響互聯(lián)電網(wǎng)安全穩(wěn)定的因素多、范圍廣，且相互耦合，其控制措施也要從更大地域、更長時(shí)間尺度采取全過程綜合防控措施。

3.1 電網(wǎng)運(yùn)行方式預(yù)控

由于在部分運(yùn)行方式下，四川個(gè)別地區(qū)(尖山、桃鄉(xiāng)、洪溝站近區(qū)等)N-1故障會(huì)導(dǎo)致特高壓長南線或渝鄂斷面解列，需要在運(yùn)行方式安排中采取預(yù)控措施。①在跨區(qū)方式上，不安排西南、華北同時(shí)大功率送華中的方式；②在川渝、渝鄂等通道上保持一定的安全裕度，防止嚴(yán)重故障情況下上述斷面因穩(wěn)定破壞而解列。

3.2 配置和優(yōu)化安全控制措施

針對(duì)賓金、復(fù)奉、錦蘇三大特高壓直流閉鎖可能產(chǎn)生的大量功率盈余，以及天中特高壓直流閉鎖可能產(chǎn)生的大量功率缺額，在四川、河南電網(wǎng)分別配置了切機(jī)、切負(fù)荷裝置和調(diào)制直流安全控制措施，功率盈余配備切機(jī)安控措施，當(dāng)直流發(fā)生故障時(shí)其控保系統(tǒng)發(fā)出閉鎖信號(hào)啟動(dòng)直流閉鎖，80～90 ms安控裝置動(dòng)作切機(jī)；功率缺額配備調(diào)制直流和切負(fù)荷措施，其措施量均與直流輸送功率匹配，以減少直流故障對(duì)送端交流系統(tǒng)的功率沖擊。

針對(duì)賓金、復(fù)奉、錦蘇三大特高壓直流換相失敗對(duì)送端交流系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，根據(jù)換相失敗的形式和交流系統(tǒng)能夠承受的擾動(dòng)能力配置切機(jī)安控裝置、優(yōu)化直流控保邏輯。

目前，特高壓直流雙極運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行功率大于200萬kW·h只允許原壓啟動(dòng)2次，若一極線路故障，立即閉鎖另一極線路故障重啟功能5 s，期間如果另一極線路發(fā)生故障，立即閉鎖該極。同時(shí)，在檢測到兩個(gè)特高壓直流同時(shí)發(fā)生換相失敗，則由安控裝置根據(jù)直流輸送功率直接采取切機(jī)措施。

3.3 優(yōu)化送端電網(wǎng)第三道防線

當(dāng)前，賓金、復(fù)奉、錦蘇特高壓直流安全外送主要依靠安控切機(jī)裝置，若直流閉鎖安控裝置拒動(dòng)，西南電網(wǎng)將相對(duì)華中、華北電網(wǎng)失步，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率大幅過高，長南Ⅰ線也可能由于潮流大幅變化、中樞點(diǎn)電壓過低解列[10]。

西南電網(wǎng)原有6輪高頻切機(jī)策略，切機(jī)后頻率仍將達(dá)到51.7 Hz，超過川渝機(jī)組超速保護(hù)定值(OPC，51.5 Hz)，可能引起機(jī)組超速保護(hù)反復(fù)動(dòng)作，導(dǎo)致重慶機(jī)組相對(duì)于四川失穩(wěn)，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)[11]。針對(duì)以上不合理之處，再考慮直流再啟動(dòng)成功、避免每輪次過切機(jī)組導(dǎo)致低頻減載動(dòng)作、優(yōu)先切除直流送出機(jī)組等因素優(yōu)化四川電網(wǎng)高頻切機(jī)優(yōu)化方案如表3所示，每輪此延時(shí)0.5 s，累計(jì)切機(jī)量達(dá)967.05萬kW[12-13]。

表3 四川電網(wǎng)高頻切機(jī)優(yōu)化方案

通過對(duì)四川電網(wǎng)不同運(yùn)行方式的仿真計(jì)算結(jié)論表明，四川電網(wǎng)功率盈余分別為37%，22%和 12%情況，頻率恢復(fù)如圖5所示，可以滿足頻率恢復(fù)要求，高頻切機(jī)方案適應(yīng)性較好。

圖5 不同功率盈余下四川電網(wǎng)頻率變化曲線

為防止長南Ⅰ線由于潮流轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的低壓解列裝置誤動(dòng)，將低壓解列功能定位調(diào)整為“后備解列措施”，下調(diào)長南線和渝鄂聯(lián)絡(luò)線低壓解列功能的靈敏度，由失步快解裝置承擔(dān)速動(dòng)解列功能。

3.4 調(diào)整受端電網(wǎng)相關(guān)交流線路重合閘時(shí)間

針對(duì)受端電網(wǎng)交流系統(tǒng)故障可能導(dǎo)致跨區(qū)直流換相失敗、威脅送端電網(wǎng)安全的問題，在跨區(qū)直流系統(tǒng)輸送功率不變的情況下，通過延長受端故障線路重合閘間隔時(shí)間，延長2次換相失敗的間隔時(shí)間，能有效抑制2次沖擊累加波動(dòng)量，可減少直流換相失敗對(duì)送端交流電網(wǎng)的沖擊。

分析結(jié)論表明，隨著受端華東電網(wǎng)線路重合閘時(shí)間延長，送端華中西南電網(wǎng)相關(guān)交流斷面如川渝、渝鄂聯(lián)絡(luò)線潮流波動(dòng)幅值遞減。同時(shí)，長南Ⅰ線兩端的功角差幅值遞減，如圖6中所示。

圖6 不同線路重合閘延時(shí)下長南線功角波動(dòng)曲線

綜合考慮交流線路故障對(duì)受端華東電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響、保護(hù)間極差配合等因素的影響，采取調(diào)整受端電網(wǎng)部分交流線路的重合閘時(shí)間，由目前的0.7 s增加至1.3 s。

4 結(jié)語

特高壓電網(wǎng)建設(shè)過渡期是電網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)高發(fā)期，在“強(qiáng)直弱交”格局下，由于跨區(qū)交流聯(lián)系弱，交流系統(tǒng)、跨區(qū)直流、跨區(qū)直流受端交流系統(tǒng)等因素均與跨區(qū)交流線路相互耦合、相互影響，使得電網(wǎng)運(yùn)行制約因素多、運(yùn)行控制復(fù)雜、安全風(fēng)險(xiǎn)大。

筆者結(jié)合運(yùn)行實(shí)際和大量仿真分析結(jié)論，分析了特高壓建設(shè)過渡期的強(qiáng)直弱交型大電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，提出了相應(yīng)的運(yùn)行控制措施。上述措施已經(jīng)應(yīng)用于電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)際，如各種交直流系統(tǒng)故障的成功應(yīng)對(duì)，西南水電的大規(guī)模安全外送，全國互聯(lián)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定等，證明了上述措施的有效性。

但當(dāng)前特高壓跨區(qū)交流系統(tǒng)依然非常薄弱，跨區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)安全對(duì)安控裝置依賴程度高，安控措施量依然很大，安控拒動(dòng)、誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)巨大，應(yīng)盡快加強(qiáng)特高壓跨區(qū)交流電網(wǎng)建設(shè)，從根本上改變特高壓強(qiáng)直弱交格局，夯實(shí)電網(wǎng)安全穩(wěn)定的物質(zhì)基礎(chǔ)。

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Research on operation control technology of regional interconnected power grid

XU Xia-ling, LI Yong, XU You-ping, XI Jiang-hui

(Central China Power Dispatching and Communication Center, Wuhan 430077, China)

In the transition period of UHV construction in China, power grid presents strong DC-weak AC characteristics, and AC-DC coupling is more closely, which cause the influences of cascading failure expanded widely. Aiming at operation risk caused by AD-DC interconnection in Central and Southwest China Power Grid, this paper proposed the operation control technologies of regional interconnected power grid, including: preventive operation control scheme, optimal stability control measurement and third line of defense scheme, adjusting the reclosing time of the related lines. The proposed operation control technologies were successfully applied in actual power grid, which has certain guiding significance to regional interconnected power grid.

large-scale regional power grid; strong DC-weak AC; ultra-high voltage direct current (UHVDC); Third line of defense scheme; line reclose

2016-04-19

國家自然科學(xué)基金(70871074)

徐遐齡(1980—)，女，博士，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制、智能電網(wǎng)等研究;E-mail：xuxialing@foxmail.com

TM732

A

1673-9140(2016)04-0175-06