±500 kV多端柔性直流輸電系統(tǒng)監(jiān)視功能設計

莊衛(wèi)金， 王 艷， 孫名揚， 黃龍達， 于 芳， 張永剛

(中國電力科學研究院南京分院，江蘇 南京 210003)

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±500 kV多端柔性直流輸電系統(tǒng)監(jiān)視功能設計

莊衛(wèi)金， 王 艷， 孫名揚， 黃龍達， 于 芳， 張永剛

(中國電力科學研究院南京分院，江蘇 南京 210003)

柔性直流輸電系統(tǒng)在交直流系統(tǒng)互聯(lián)、大規(guī)模風光并網等方面具有較強的技術優(yōu)勢，隨著高壓大容量多端柔性直流輸電系統(tǒng)的逐步應用和推廣，現(xiàn)有調度主站的監(jiān)控功能已不能滿足其發(fā)展需求。文中詳細分析了華北±500 kV/3000 MW四端環(huán)形柔性直流電網的拓撲結構和關鍵設備特性，面向半橋型模塊化多電平換流器+直流斷路器的組網方式，以換流站無人職守為目標，提出了基于主站調度控制系統(tǒng)的監(jiān)視功能框架，給出了電網建模、信息采集、拓撲分析及智能告警等主要監(jiān)視模塊的功能方案，以支撐對高壓大容量柔性直流電網的監(jiān)視，為后期工程實施提供借鑒。

柔性直流；電網建模；拓撲分析；智能告警

0 引言

柔性直流輸電是構建智能電網的重要裝備，與傳統(tǒng)方式相比，其在交直流系統(tǒng)互聯(lián)、大規(guī)模風光并網等方面具有較強的技術優(yōu)勢，具有交流及常規(guī)直流不具備的向無源電網(孤島)供電、快速獨立控制有功與無功、潮流反轉便捷、運行方式變換靈活等諸多優(yōu)點，是改變大電網格局的戰(zhàn)略選擇[1-3]。國際上已成功應用于風電并網、電網互聯(lián)、孤島和弱電網供電、城市供電等領域，我國也已成功投產廈門±320 kV/1000 MW、舟山±200 kV/1000 MW等多個柔直工程，在直流輸電領域積累了一定的研發(fā)儲備[4-9]。隨著我國新能源的大規(guī)模開發(fā)利用和全球能源互聯(lián)網的建設，高壓大容量多端柔性直流輸電系統(tǒng)將逐步應用和推廣。2020年，中國將建成世界首個±500 kV/3000 MW四端環(huán)形柔性直流輸電系統(tǒng)，并首次實現(xiàn)±500 kV直流斷路器的示范應用。

關于柔性直流輸電系統(tǒng)的運行控制、保護及故障處理，國內外均進行了大量的分析、探索和仿真[10-17]，但對多端柔性直流電網協(xié)同調度進行描述和分析的文獻卻很少，而監(jiān)視作為調度控制的基礎，更是鮮見報道?，F(xiàn)有主站調控系統(tǒng)對于柔性直流電網的處理偏重于滿足電網調度業(yè)務，尚未實現(xiàn)針對柔性直流輸電系統(tǒng)的全面監(jiān)視。隨著電壓等級和輸送容量的升高，±500 kV柔性直流輸電系統(tǒng)在網絡結構和設備特性上將發(fā)生較大的變化，實際運行中將呈現(xiàn)更復雜的運行特點和故障特性，現(xiàn)有主站調控系統(tǒng)難以提供有效的監(jiān)視手段。

本文結合目前柔性直流電網的關鍵技術及未來發(fā)展趨勢，分析了±500 kV多端直流電網的拓撲結構和關鍵設備特性；面向半橋型模塊化多電平換流器(HB-MMC)+直流斷路器的組網方案，提出了基于主站調控系統(tǒng)的監(jiān)視功能架構；從電網建模、信息采集、拓撲分析及智能告警等方面給出了主要監(jiān)視模塊的功能方案，并以典型的直流架空線路故障為例闡述了智能告警模塊的推理邏輯。

1 柔性直流電網結構及設備特性分析

2020年建成的華北±500 kV/3000 MW四端環(huán)形柔性直流電網規(guī)劃方案如圖1所示。因張家口市康?？h光伏資源豐富，張北縣風電資源豐富，承德市豐寧縣水資源豐富，而延慶及北京市存在負荷需求，考慮在康保、張北、豐寧、延慶(或昌平)四地選點，組成環(huán)形直流電網，實現(xiàn)風、光、水互補與清潔能源匯集消納。

圖1 ±500 kV/3000 MW四端環(huán)形柔性直流電網規(guī)劃方案Fig.1 Planning scheme for ±500 kV/3000 MW four-terminal looped VSC-HVDC grid

當風電和光伏大發(fā)時，除滿足受端負荷外的多余電力送往豐寧站抽水蓄能，當風電和光伏低谷時，豐寧站放水發(fā)電通過直流電網滿足受端負荷的需求。圖1中多條直流線路間互為冗余，實現(xiàn)了多電源供電和多落點受電，為多種形式可再生能源發(fā)電的互聯(lián)和送出消納提供了高效傳輸平臺。

目前，多數柔性直流輸電系統(tǒng)采用半橋型模塊化多電平換流器(HB-MMC)，其缺陷在于，即使換流器閉鎖后依然無法清除直流故障。為此，國家電網公司正在開展±500 kV直流斷路器樣機開發(fā)，試圖通過加裝直流斷路器開斷故障電流，實現(xiàn)故障清除。華北±500 kV直流電網采用“HB-MMC+直流斷路器”組網方式的接線示意圖如圖2所示。在4個換流站出口和4條直流線路兩端共配置12套直流斷路器，AC1-AC4為連接各換流站的交流系統(tǒng)，T12，T24，T43，T31 為連接各換流站的直流輸電線路。

圖2 HB-MMC+直流斷路器組網方式示意圖Fig.2 Schematic diagram of the grid configuration with HB-MMC and DC breaker

各換流站主要參數如表1所示。直流線路額定電壓為±500 kV,交流側母線額定電壓為500 kV。考慮到輸電距離、電壓等級以及由此帶來的成本問題，直流輸電線路采用架空線。

表1 換流站參數Table 1 Parameters of converter stations

對于高壓直流斷路器的選擇，主要存在機械式、電力電子器件式和混合式3種類型。就目前研發(fā)現(xiàn)狀看，混合式直流斷路器具有較好的應用前景。傳統(tǒng)機械式直流斷路器受分斷速度的影響，難以滿足直流系統(tǒng)快速分斷故障電流的要求。而純電力電子器件式直流斷路器由于需要較多器件串聯(lián)，通態(tài)損耗大、成本高。近年來，ABB和ALSTOM及國網智能電網研究院先后成功研制出滿足開斷時間和開斷容量要求的混合式直流斷路器。

2 監(jiān)視功能設計

目前，換流站主要采用有人值班，將來也要實現(xiàn)無人值班，通過主站實現(xiàn)直流線路、直流斷路器、換流器等設備的集中監(jiān)控。本文所述±500 kV柔性直流電網跨越河北和北京，屬于華北電網區(qū)域，建成投運后將由華北調控中心監(jiān)視控制。

由于華北電網區(qū)域尚未投運任何柔性直流輸電系統(tǒng)，主站調控系統(tǒng)處理柔性直流電網信息的功能較為薄弱，在現(xiàn)有模型結構上無法直接實現(xiàn)對柔性直流輸電設備的建模，不支持對柔性直流換流站信號和量測的監(jiān)視以及對柔性直流電網的拓撲分析，更無法根據柔性直流輸電系統(tǒng)的異常、故障信息實現(xiàn)智能告警。

本文針對上述情況，提出了面向±500 kV四端環(huán)形直流輸電系統(tǒng)的監(jiān)視功能框架，如圖3所示。實現(xiàn)柔性直流電網運行狀態(tài)及換流器、直流斷路器、直流線路等關鍵直流輸電設備運行狀態(tài)的實時監(jiān)視，以及直流輸電設備異常或故障的智能告警，適應將來的±500 kV柔性直流電網與交流混合電網調度及換流站集中監(jiān)控要求。首先主站在現(xiàn)有的模型基礎上擴展建模范圍，對柔性直流輸電系統(tǒng)進行建模；其次主站在現(xiàn)有的數據采集基礎上擴展采集范圍，通過調度數據網與各個換流站互聯(lián)，采集站內交流系統(tǒng)、直流系統(tǒng)的各類運行信息；最后主站對實時運行信息進行處理和分析，實現(xiàn)柔性直流輸電系統(tǒng)的實時監(jiān)視，并對異常和故障情況主動推送告警。

圖3 柔性直流輸電監(jiān)視功能框架Fig.3 Schematic diagram of monitoring functions for VSC-HVDC

2.1 柔直電網建模

華北主站調控系統(tǒng)現(xiàn)有的模型結構能夠滿足常規(guī)電網的SCADA、潮流計算、DSA等調度運行的需要。現(xiàn)有調控系統(tǒng)模型結構設計主要滿足當前業(yè)務需求，直流建模范圍有限，主要對換流器和直流線路進行了建模，描述粒度也比較粗，難以適應將來±500 kV柔性直流輸電系統(tǒng)的實時監(jiān)控要求。為此，需要對調控主站的電網模型進行升級改造，在交流系統(tǒng)及常規(guī)直流系統(tǒng)模型的基礎上擴充柔性直流特性，實現(xiàn)對柔性直流輸電系統(tǒng)的全面描述。

(1) 直流設備模型方面。每類設備對應一張表，在換流器表和直流線路表基礎上增加換流閥表、直流線段表、直流斷路器表、直流隔離開關表、直流接地刀閘表、直流接地極表、平波電抗器表、直流阻波器表、直流濾波器表、直流電壓互感器及直流電流互感器等，并根據各類設備的屬性及監(jiān)視分析業(yè)務需求設計相應的表結構。

(2) 直流設備監(jiān)控信號方面。在保護信號表中增加換流器相關保護動作信號、直流線路相關保護動作信號以及其他的告警或故障信號等。

(3) 根據±500 kV柔性直流輸電系統(tǒng)的具體需求，對其他相關表進行相應修改。

2.2 監(jiān)視信息采集

與傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)不同，柔性直流系統(tǒng)采用可關斷器件IGBT代替?zhèn)鹘y(tǒng)晶閘管，站內無需設置大量濾波及無功補償裝置，直流場正負極同時運行，不設置接地極和中性母線?？紤]到電網結構、設備特性、運行方式及控制策略等方面的不同，主站調控系統(tǒng)應采集以下幾方面信息：直流場信息、交流場信息、設備狀態(tài)信息、運行控制命令信號。

2.2.1 直流場信息

(1) 運行方式。(2) 有功功率。(3) 6個橋臂電容電壓和6個橋臂電流。(4) 換流站與交流系統(tǒng)交換的有功、無功功率及其升降速率。(5) 直流單元雙極直流電壓、直流電流、直流功率。(6) 直流單元雙極直流諧波電流和諧波電壓。(7) 換流變壓器直流側電壓、電流。(8) 換流閥中各IGBT器件的通斷信號。(9) 直流場中各直流斷路器、隔離開關、接地刀閘位置接點。(10) 直流斷路器中電力電子設備狀態(tài)。(11) 直流系統(tǒng)的重要保護動作信號，如換流閥主保護動作信號、雙極主保護動作信號、換流閥及VBE的告警或故障信號等。

2.2.2 交流場信息

(1) 換流變壓器交流側有功功率、無功功率、電壓、頻率、電流。(2) 換流變壓器零序電流、閥側電流。(3) 換流變壓器油溫、繞組溫度。(4) 交流場相關500 kV線路有功功率、無功功率、電壓、電流。(5) 交流場相關500 kV線路斷路器、隔離開關、接地刀閘常開接地和常閉接點。(6) 站外電源有功功率、無功功率、電流。(7) 站用電系統(tǒng)的電壓、電流、有功。(8) 所有電量計費系統(tǒng)的測量和統(tǒng)計值，以及站內所有能量表計信號。(9) 交流系統(tǒng)的重要保護動作信號，保護類型有交流過電壓保護、欠電壓保護，以及頻率異常保護。

2.2.3 設備狀態(tài)信號

(1) 控制位置，遠方遙控或換流站主控室/就地控制。(2) 交流控制方式，有功控制模式和直流電壓控制方式和系統(tǒng)保護的投切狀態(tài)，以及多重化系統(tǒng)中主、備通道的狀態(tài)和切換。(3) 換流器系統(tǒng),包括換流閥和閥廳。① 溫度和濕度顯示；② 防火探測、保護和告警顯示;③ 空調系統(tǒng)監(jiān)視告警;④ 閥廳避雷器的動作次數。(4) 閥冷卻系統(tǒng)。① 主備冷卻系統(tǒng)的運行工況；② 進、出口水溫、流量和漏水監(jiān)視；③ 泵的運行工況；④ 閥冷控制系統(tǒng)設備狀態(tài)和切換；⑤ 水電導率的監(jiān)測信號；⑥ 其他所需的監(jiān)視信號。(5) 各控制/保護/站控和監(jiān)視屏柜內的溫度監(jiān)視。(6) 聯(lián)結變壓器及其他變壓器。① 油溫、油位；② 繞組溫度；③ 分接頭檔位；④ 其他所需的監(jiān)視信號。(7) 遠動通信設備。① 遠動主、備通道的運行狀況；② 遠動工作站的工作狀態(tài)。(8) 交流場設備。① 線路斷路器、隔離刀閘及接地刀閘的投切狀態(tài)；② 站用變及主/備站用電系統(tǒng)的投運狀態(tài)。(9) 站間通信系統(tǒng)。直流控制系統(tǒng)主、備通道的運行狀況。(10) 交直流控制保護系統(tǒng)。① 交直流控制保護系統(tǒng)主機的運行狀態(tài)；② 系統(tǒng)故障狀態(tài)、告警信號。(11) 其他輔助系統(tǒng)。① 蓄電池、硅整流充電器的投運狀態(tài)；② UPS及其旁路電源投運狀態(tài)；③ 空調系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

2.2.4 運行控制信號

(1) 所有運行操作命令的發(fā)出、執(zhí)行、完成或中斷信號。(2) 防止誤操作的確認、糾錯等監(jiān)控信號。

2.3 拓撲分析

華北±500 kV直流系統(tǒng)中主要包含換流變壓器、HB-MMC式換流器、架空輸電線路、直流斷路器、平波電抗器、直流濾波器、交流濾波器、無功補償設備、避雷器等，電網結構和設備特性較常規(guī)電網存在較大不同。

現(xiàn)有柔性直流輸電系統(tǒng)中，除換流器、直流開關外，其余設備可參考交流設備進行拓撲分析。直流開關受其滅弧能力的限制，目前在實用中通常只用于回路方式的轉換，不考慮其狀態(tài)變化帶來的拓撲變化。但本文所述直流輸電系統(tǒng)基于“HB-MMC+直流斷路器”的組網方式，需根據直流斷路器的設備特性，考慮其狀態(tài)變化所帶來的網絡拓撲的變化。

換流器設備作為直流系統(tǒng)的核心元件，其作用包括換流、開斷、與運行系統(tǒng)配合實現(xiàn)運行控制。同時換流器和換流變共同起到交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)之間的橋梁作用，通過創(chuàng)建換流器設備和直流設備的關聯(lián)、換流變與交流設備的關聯(lián)，換流器與換流變之間的關聯(lián)從而實現(xiàn)對直流系統(tǒng)帶電及連通性分析。換流器拓撲信息包括換流器交流側連接點號、直流側連接點號，直流部分應包含直流線路斷路器的連接點號。

換流器開斷的狀態(tài)由閉鎖狀態(tài)表征。可按照采集遙信信號的方式采集閉鎖信號。該信號與普通遙信信號的區(qū)別在于閉鎖時為拓撲中斷，反之為拓撲連通。

2.4 智能告警

統(tǒng)計表明，線路故障占直流輸電系統(tǒng)故障的50%[18]。架空線的使用使直流故障概率大大增加，常見類型為單極接地故障和極間短路故障。與交流電網相比，直流電網“低阻尼”的特點使其故障電流發(fā)展更快、故障影響范圍更廣。調度運行人員及時、準確掌握故障情況能夠為故障處理贏得寶貴的時間。

面向±500 kV直流電網的智能告警功能框架(如圖4所示)，以電網模型為基礎，從實時監(jiān)控應用(SCADA)獲取電網實時潮流數據、保護動作信息及開關變位SOE，基于這些數據源實現(xiàn)設備狀態(tài)的在線監(jiān)測，并在此基礎上，基于故障推理知識庫，實現(xiàn)±500 kV直流電網的設備故障智能告警。

圖4 直流電網智能告警功能框架Fig.4 Schematic diagram of intelligent alarming

故障推理知識庫的創(chuàng)建流程如圖5所示。首先根據±500 kV四端環(huán)形柔性直流電網的特點，建立按設備類型劃分的最大故障集；然后分析各類設備可能的故障演變過程，確定設備故障的起始及所有中間狀態(tài)，并通過開關、保護及潮流數據進行表示；最后將設備狀態(tài)按故障演變過程有序組合，形成基于故障演變過程的故障軌跡，以Fault=(State, Trajectory, Probability)表示，其中Fault代表具體故障類型，State為包含該類設備所有可能狀態(tài)的狀態(tài)集，Trajectory為通過設備狀態(tài)描述的故障軌跡，Probability為該故障實際發(fā)生的概率。

圖5 故障分析推理知識庫創(chuàng)建流程示意圖Fig.5 Flow chat of fault reference rule creation

故障發(fā)生后，主站調控系統(tǒng)收到的事件序列可能與真實故障情況并不完全一致，容易導致智能告警誤判或漏判，而上文故障推理規(guī)則所引入的Probability參數，能夠幫助智能告警實現(xiàn)高概率故障推理規(guī)則的自動修正，極大增強調控中心同景還原真實故障場景的能力。

下面以典型的直流線路單極接地故障為例闡述智能告警模塊的故障辨識流程。與電纜線路不同，架空線路的故障可能是瞬時性的，因此在發(fā)生線路故障時，除了考慮直流斷路器快速清除故障以外，還要考慮故障線路的重啟流程，故障保護動作流程如圖6所示。

圖6 直流線路故障保護動作流程Fig.6 Protection process of DC line fault

(1)t1：故障發(fā)生；

(2)t1-t2：保護檢測到故障，并跳開斷路器；

(3)t2-t3：線路去游離，重合閘保護動作；

(4)t3-t4：斷路器在t3重合，如果重合成功，則系統(tǒng)經過一定時間的暫態(tài)過程恢復運行；如果重合不成功，則系統(tǒng)再次跳開故障線路斷路器；

(5)t4-t5：線路再次去游離，重合閘保護動作；

(6)t5-t6：斷路器在t5重合，如果重合成功，則系統(tǒng)經過一定時間的暫態(tài)過程恢復運行；如果重合不成功，則系統(tǒng)再次跳開故障線路斷路器。

通常在斷路器跳開后，故障線路需要一定時間的去游離以恢復絕緣，而各換流器將通過其他直流線路形成新的潮流分布。一定時間后，故障線路斷路器重合閘，一旦故障清除，則系統(tǒng)重新恢復正常潮流，如果故障未清除，則斷路器再次跳開以隔離故障。按照直流輸電系統(tǒng)的重啟流程，這一過程在永久性故障時會持續(xù)兩到三次。

智能告警利用圖7所示的推理邏輯實時判斷直流線路狀態(tài)，并分析線路狀態(tài)的變化軌跡。在此類故障中，故障演變狀態(tài)集State={狀態(tài)1，狀態(tài)2，狀態(tài)01，狀態(tài)02，狀態(tài)11}，在永久性故障下，故障軌跡Trajectory={狀態(tài)01→狀態(tài)1→狀態(tài)11→狀態(tài)2→狀態(tài)1→狀態(tài)02}；在瞬時性故障下，故障軌跡Trajectory={狀態(tài)01→狀態(tài)1→狀態(tài)11→狀態(tài)2}。當智能告警根據開關變位、保護信號及電網潮流變化情況判出上述故障軌跡時，向監(jiān)控人員發(fā)送對應類型的直流線路故障告警。

圖7 基于設備狀態(tài)演變過程的故障推理邏輯Fig.7 Logical analysis of DC line fault based on equipment state evolution

3 結語

隨著廈門、舟山等柔性工程相繼投產應用，主站調控系統(tǒng)逐步具備了對柔直電網的監(jiān)視能力，然而隨著電壓等級和輸送容量的不斷提高，網絡結構和設備特性不斷發(fā)生變化，需要不斷完善主站調控系統(tǒng)的監(jiān)視功能。本文分析了華北±500 kV/3000 MW四端環(huán)形柔性直流電網的拓撲結構及設備特性，面向HB-MMC型換流器+直流斷路器的組網方式，提出基于主站調控系統(tǒng)的監(jiān)視功能總體框架，以及穩(wěn)態(tài)建模、信息采集、拓撲分析及智能告警等關鍵環(huán)節(jié)功能方案，有助于提升主站調控系統(tǒng)對高壓大容量柔直電網的監(jiān)視能力。

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(編輯 徐林菊)

MonitoringSolutions for a ±500 kV Multi-terminal VSC-HVDC Transmission System

ZHUANG Weijin, WANG Yan, SUN Mingyang, HUANG Longda, YU Fang, ZHANG Yonggang

(China Electric Power Research Institute(Nanjing), Nanjing 210003, China)

VSC-HVDC(voltage sourced converter based HVDC) transmission system has technical advantages in the AC and DC system interconnection, large-scale clean energy grid integration. With the application and promotion of the the high-voltage high-capacity multi-terminal VSC-HVDC transmission system, the master station monitoring function is hard to meet their development need. This paper analyzes the topology structure and key equipment features of ±500 kV/3000 MW four-terminal flexible DC power network. In the objective of unmanned converter stations, a monitoring functional framework based on existing monitoring functions of smart grid dispatching and control system (SGDCS) is proposed. Based on the most promising VSC-HVDC grid configuration of half bridge sub-module based modular multilevel converter (HB-MMC) + DC breaker, this paper presents the function schemes for 4 important monitoring modules, grid modeling, data acquisition, topology analysis and intelligent alarming. The proposed monitoring functions would be helpful for the project implementation in the future.

VSC-HVDC; grid modeling; topology analysis; intelligent alarming

2017-01-02；

2017-02-15

國家電網公司科技項目(±500 kV柔性直流電網調度技術研究)

TM734

A

2096-3203(2017)03-0038-07

莊衛(wèi)金

莊衛(wèi)金(1978 —)，男，江蘇南京人，高級工程師，研究方向為電網調度自動化；

王 艷(1977 —)，女，江蘇南京人，高級工程師，研究方向為電網運行實時監(jiān)控與通信；

孫名揚(1979 —)，男，江蘇南京人，高級工程師，研究方向為電網調度自動化;

黃龍達(1978 —),男，江蘇南京人，高級工程師，研究方向為電力市場運營及平臺技術;

于 芳(1985 —),女，江蘇南京人，工程師，研究方向為電網調度自動化;

張永剛(1983 —),男，江蘇南京人，工程師，研究方向為電網運行實時監(jiān)控和電能質量。