特高壓交直流電網(wǎng)系統(tǒng)保護及其關鍵技術

杜文琦 孫小飛 荊云波

國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司 山東濟南 250000

中國特高壓交直流電網(wǎng)發(fā)展過渡期，電網(wǎng)特性持續(xù)發(fā)生重大變化，傳統(tǒng)的安全穩(wěn)定防御技術和措施難以適應，亟須對電網(wǎng)安全防控體系進行提升。在梳理電網(wǎng)大的特性變化基礎上，分析了適應特高壓交直流電網(wǎng)實踐的“系統(tǒng)保護”的必要性及需求。提出了系統(tǒng)保護的體系設計，包括設計思路、總體構成、具體措施等。

1 構建系統(tǒng)保護的必要性及關鍵問題

1.1 構建系統(tǒng)保護的必要性

傳統(tǒng)的安全穩(wěn)定三道防線體系、控制措施在交流電網(wǎng)發(fā)展的各個階段，為保障電網(wǎng)安全運行發(fā)揮重要作用。隨著電網(wǎng)結構特性不斷變化，傳統(tǒng)單一的穩(wěn)定控制措施、措施量、防御范圍和防御技術在一定程度上滯后于特高壓交直流大電網(wǎng)運行實踐，已難以滿足系統(tǒng)安全防御要求。

（1）現(xiàn)有特高壓交直流電網(wǎng)故障對安全穩(wěn)定控制。量的需求激增。應對嚴重故障的穩(wěn)控系統(tǒng)一般僅針對局部穩(wěn)定問題設防，控制措施量相對較小、措施類型相對單一。特高壓交直流電網(wǎng)單一通道輸電容量很大，例如在同送端同受端多直流輸電格局下，多回直流換相失敗會在數(shù)百毫秒內(nèi)引發(fā)上千萬千瓦的有功波動，對送受端電網(wǎng)均造成嚴重沖擊，原有基于局部穩(wěn)控的設防模式不能滿足嚴重故障后對控制措施量的需求[1]。

（2）特高壓交直流電網(wǎng)連鎖故障問題凸顯。特高壓電網(wǎng)交直流相互耦合、送受端交互影響增強，需要不斷拓展防控措施，應對交直流連鎖故障防御要求。不同送端不同受端輸電格局和穩(wěn)定形態(tài)復雜，現(xiàn)有安全控制體系下措施組織和協(xié)調(diào)難度大，需要重構電網(wǎng)安全防御體系。特高壓交直流電網(wǎng)同送端不同受端、同受端不同送端多直流送電格局同時存在，使得電網(wǎng)薄弱斷面的穩(wěn)定形態(tài)更加復雜，控制措施的需求量大、種類多，防御范圍涵蓋多頻帶、多時間尺度、多控制資源，控制網(wǎng)絡化特征突出，協(xié)調(diào)難度大，突破了原有穩(wěn)控系統(tǒng)局部、分散的配置理念，需要重構新的電網(wǎng)安全綜合防御體系。

1.2 構建系統(tǒng)保護的關鍵問題

（1）大規(guī)模復雜電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的準確評估問題。當前特高壓交直流電力系統(tǒng)與傳統(tǒng)交流系統(tǒng)特征上存在顯著差異：①電源結構上，以風電、光伏為代表的新能源通過多層級變流變壓接入大電網(wǎng)，為維持新能源發(fā)電并網(wǎng)特性的廠站側柔性交流設備廣泛應用；②電網(wǎng)結構上，特高壓交直流、高壓柔性直流、特高壓分層接入等輸電技術廣泛應用，遠距離跨區(qū)輸電格局凸顯；③負荷結構上，電力電子技術在負荷側廣泛應用，新型負荷的頻率、電壓、諧波特性發(fā)生重大變化，如大量負荷呈現(xiàn)反頻率特性。源網(wǎng)荷側結構的重大變化、電力電子設備及其控制系統(tǒng)的大量接入，物理系統(tǒng)的模型和控制規(guī)律更加多樣、復雜。系統(tǒng)中出現(xiàn)了新的擾動形式（如多回直流換相失敗、再啟動等）和穩(wěn)定形態(tài)（如次同步振蕩、超低頻振蕩等），故障的連鎖反應風險加大。

（2）廣域多措施時序協(xié)調(diào)的控制策略制定問題。當前特高壓交直流電網(wǎng)中即使是單一故障，其嚴重程度也可能很大，加之因常規(guī)機組被大量直流或新能源機組替代，系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)能力被大大削弱，系統(tǒng)抗風險能力嚴重不足。以華東電網(wǎng)某一方式的仿真結果為例，當直流大容量饋入時，若發(fā)生直流雙極閉鎖，電網(wǎng)頻率下跌會觸發(fā)華東電網(wǎng)低頻減載多個輪次動作。

為了快速平息故障下的大擾動沖擊，使得系統(tǒng)保持安全穩(wěn)定，新形態(tài)下的電網(wǎng)安全防御需要在數(shù)百毫秒內(nèi)快速抑制數(shù)百萬乃至上千萬千瓦有功能量對系統(tǒng)的沖擊。局部范圍的控制措施、單一的控制措施類型難以滿足控制需求。因此，首先需要挖掘現(xiàn)有控制資源潛力、研究新型控制資源，拓展可控空間；然后綜合考慮多種約束條件，銜接多時間尺度動態(tài)過程，研究協(xié)調(diào)有序、優(yōu)化精準的控制策略。由于不同類型措施的響應速度、作用范圍、控制量不同，局部范圍的控制還可能導致跨區(qū)域影響，因此，廣域多措施時序協(xié)調(diào)的控制策略制定構建了系統(tǒng)保護的另一關鍵問題。

2 系統(tǒng)保護的關鍵技術

2.1 全景狀態(tài)感知技術

基于廣域信息采集，實現(xiàn)對電網(wǎng)重要元件、控制資源、控制裝置狀態(tài)和行為的全景感知，支持綜合分析評價和集中監(jiān)視告警。同時，為實時決策和協(xié)同控制提供信息支撐，為電網(wǎng)暫態(tài)特性和故障演化途徑分析提供基礎。需要研究系統(tǒng)保護本體運行狀態(tài)、控制策略、可控資源，以及電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定水平全時段監(jiān)視技術，研究多類信息有序存儲及高效共享技術，研究系統(tǒng)保護裝置錄波、相量測量單元（PMU）錄波和故障錄波構成的三位一體全網(wǎng)同步錄波技術。

2.2 實時智能決策及多資源協(xié)同控制技術

基于全景狀態(tài)感知，進行在線故障智能診斷和系統(tǒng)暫態(tài)特征綜合識別，對系統(tǒng)存在的問題定位和甄別，綜合考慮約束條件，結合就地與系統(tǒng)判據(jù)，實現(xiàn)控制分區(qū)、控制對象及控制量多目標實時智能決策。進一步，根據(jù)實時控制資源，進行控制策略協(xié)調(diào)分解，實現(xiàn)源網(wǎng)荷多類控制資源的緊急、有序、協(xié)同控制。需要研究基于故障事件與響應信息的電網(wǎng)擾動場景可靠、快速判別技術，研究適應電網(wǎng)送受端協(xié)調(diào)的多穩(wěn)定約束、多變量混合優(yōu)化技術。

2.3 精準負荷控制技術

傳統(tǒng)的切負荷控制技術，以切除主變壓器和高壓負荷線為主，對用戶影響大，可選擇容量小，實施困難，在目前政策和社會容忍的范圍內(nèi)，傳統(tǒng)的大規(guī)模切負荷已不具備實際應用條件。精準負荷控制技術，將控制對象細分到用戶，根據(jù)負荷特點、用戶意愿進行精確匹配，具有點多面廣、選擇性強、對用戶用電影響小的優(yōu)勢，通過與傳統(tǒng)負荷控制系統(tǒng)協(xié)同作用，可滿足直流換相失敗和閉鎖故障對大量切負荷的客觀要求，是保障過渡期電網(wǎng)安全的最有效手段。

3 結語

隨著電網(wǎng)規(guī)模和源荷側不確定性不斷增大，電網(wǎng)故障形態(tài)與電網(wǎng)運行方式更趨多樣化、復雜化和不確定性，需要加強在線預決策閉環(huán)控制、基于電網(wǎng)響應信息的決策控制等系統(tǒng)保護技術的深化研究和推廣應用。