交直流混聯(lián)電網(wǎng)檢修分析

張城偉，朱革新，李山，張晨曦

（國網(wǎng)河南省電力公司直流中心，河南鄭州,450000）

0 引言

基于線電壓換相的特高壓直流輸電技術(shù)具有輸送容量大、功率調(diào)節(jié)能力強、遠距離輸電等特點[1-2]，在跨大區(qū)輸電中扮演重要的角色[3-4]，能有效解決能源基地風、光、火電力大規(guī)模高效率安全外送的問題，為實現(xiàn)“碳達峰+碳中和”兩個愿景目標的實現(xiàn)提供強大助力，我國已經(jīng)成為世界上唯一運維特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)的國家[3]。特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)主要由交流電網(wǎng)、直流線路和特高壓換流站設(shè)備等構(gòu)成，其中特高壓換流站作為交直流混聯(lián)電網(wǎng)的一個節(jié)點可為交直流混聯(lián)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行及豐富大電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的靈活性提供支撐。特高壓換流站運維檢修主要采用以計劃運維檢修為主、故障維修為輔的定期運維檢修策略[5]，換流站內(nèi)設(shè)備重大缺陷大都根據(jù)計劃停電下的定期運維檢修策略開展消缺工作。目前，電力系統(tǒng)運維檢修策略的研究主要集中在輸變電設(shè)備檢修策略優(yōu)化、考慮全壽命管理的運維檢修策略制定與優(yōu)化以及考慮檢修策略的保護系統(tǒng)可用性研究等方面，而有關(guān)交直流混聯(lián)電網(wǎng)運維檢修策略的研究較少。文獻[5]從檢修策略和組網(wǎng)兩個維度下開展智能變電站保護系統(tǒng)可用性研究，基于延遲時間模型建立智能變電站2種檢修策略模型，并通過可靠性框圖方法與蒙特卡洛仿真方法相結(jié)合開展2種檢修策略模型的可靠性仿真；文獻[6]考慮配電設(shè)備種類繁多以及數(shù)量巨大等特點，基于馬爾科夫鏈建立含巡檢率、維修率等參數(shù)的設(shè)備多狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型，求解轉(zhuǎn)移矩陣得到各類檢修參數(shù)對設(shè)備故障率的影響，以檢修參數(shù)為優(yōu)化變量和以配電系統(tǒng)整體最優(yōu)經(jīng)濟為目標構(gòu)建狀態(tài)檢修參數(shù)優(yōu)化模型，并基于遺傳算法對狀態(tài)檢修參數(shù)優(yōu)化模型進行求解，仿真算例驗證了狀態(tài)檢修參數(shù)優(yōu)化模型的有效性；文獻[7]為制定合理的風電場大部件年度檢修方案，以故障停機時間、故障維修費用及檢修成本為目標構(gòu)建風電場大部件年度檢修策略優(yōu)化模型，基于算例驗證提出的年度檢修策略優(yōu)化模型的有效性和正確性；文獻[8]基于潛在故障—功能故障間隔思想將時間延遲理論引入風電機組不定期檢修建模中，開展風電機組部件潛在故障到功能故障的發(fā)展規(guī)律建模研究，根據(jù)模型分析結(jié)果制定與之對應(yīng)的不定期檢修策略；以全壽命周期管理理念為基礎(chǔ)，構(gòu)建設(shè)備狀態(tài)評價和風險評估分析模型，根據(jù)狀態(tài)評價和評估分析結(jié)果制定合理的設(shè)備運維檢修模型。特高壓換流站作為交直流混聯(lián)電網(wǎng)的重要部分，其運維檢修策略的制定對于換流站的年度運維檢修具有重要指導意義。

1 交直流混聯(lián)電網(wǎng)運維檢修風險分析

1.1 運維檢修意義

交直流混聯(lián)電網(wǎng)的主要結(jié)構(gòu)特點和運行特性是：直流占比高、容量大，可控性強，脆弱性和耦合特性。以電力電子器件為核心的電氣設(shè)備大量滲透至電源、輸配電網(wǎng)絡(luò)以及負荷當中，電力電子器件動作速度快，可控性強，這為電網(wǎng)的快速優(yōu)化控制提供了可能性。而影響交直流混聯(lián)電網(wǎng)供電可靠性主要因素有設(shè)備可靠性和定期停電運維檢修。定期停電運維檢修包括保養(yǎng)維護、試驗、運維檢修等，一方面可以消除設(shè)備故障隱患，有利于提升交直流混聯(lián)電網(wǎng)供電可靠性；另一方面，定期停電運維檢修期間需要中斷供電或降低供電系統(tǒng)冗余度，又不利于提升供電可靠性。在電網(wǎng)早期，設(shè)備價值相對較高，而供電可靠性要求相對較低，據(jù)此形成了以設(shè)備為中心的例行停電檢修理念，該理念一直延續(xù)至今。但這一檢修理念側(cè)重于交直流混聯(lián)電網(wǎng)中的設(shè)備安全，忽略了設(shè)備定期停電運維檢修對交直流混聯(lián)電網(wǎng)的影響，缺少定期停電運維檢修與交直流混聯(lián)電網(wǎng)供電可靠性的關(guān)聯(lián)性分析。由于交直流混聯(lián)電網(wǎng)電力設(shè)備所處電壓等級、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備可靠性參數(shù)的不同，造成定期停電運維檢修對交直流混聯(lián)電網(wǎng)供電可靠性的不同影響。至此，運維檢修要從粗放的經(jīng)驗指導模式轉(zhuǎn)變?yōu)榫毜睦碚撝笇Ｊ?，這就需要通過建模，定量分析等手段開展交直流混聯(lián)電網(wǎng)定期停電運維檢修策略分析，以確定合理的設(shè)備運維檢修方式。

1.2 運維檢修風險分析

1.2.1 正常運行方式下的風險分析

與傳統(tǒng)的特高壓直接接入換流站方式不同，分層接入方式可以緩解交流電網(wǎng)電壓支撐壓力。特高壓分層接入換流站典型接線圖如圖1所示，特高壓分層接入的特殊接線方式將會使交直流混聯(lián)系統(tǒng)潮流方向和耦合關(guān)系復雜、協(xié)調(diào)控制困難；同時，特高壓分層接入換流站也會給交直流混聯(lián)電網(wǎng)的運維檢修帶來較大壓力。正常運行方式下為保證特高壓分層接入換流站后換流站近區(qū)各500kV站點安全穩(wěn)定運行，換流站高端閥組與低端閥組之間母聯(lián)開關(guān)5813和5824均處于分位狀態(tài)。

圖1 特高壓分層接入換流站典型接線圖

1.2.2 計劃停電方式下運維檢修風險分析

在特高壓分層接入的特殊接線方式下，按照傳統(tǒng)停電方式特高壓直流系統(tǒng)保持雙極四閥組運行（母聯(lián)開關(guān)5813和5824均處于分位狀態(tài)），低端閥組所帶200萬千瓦功率僅通過單母聯(lián)開關(guān)送入變電站交流場，經(jīng)單母線和兩回交流線路送出。而該停電方式主要存在“最后斷路器保護動作閉鎖雙極低端閥組”及“500kV交流線路過載跳閘閉鎖雙極低端閥組”兩大安全風險。

以圖1所示變電站500kV#5M、#7M母線停電期間系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)方式為例，運維檢修期間低端閥組僅通過5835單母聯(lián)開關(guān)與變電站相連，作為聯(lián)系換流站與變電站的單一元件，故障跳閘后兩站解列，直流功率無法送出，最終導致最后斷路器跳閘邏輯動作閉鎖雙極低端直流系統(tǒng)。

以圖1所示變電站CⅠ線、DⅡ線停電期間，運維檢修期間低端直流系統(tǒng)功率僅通過變電站兩回交流線路送出，若其中一條線路故障跳閘，單回交流出線由于最大載流量限制，無法消納來自低端閥組的200萬千瓦功率，必將引起線路過載和系統(tǒng)振蕩，導致低端直流系統(tǒng)失去唯一500kV交流送出通道而閉鎖。

2 交直流混聯(lián)電網(wǎng)運維檢修策略分析

在特高壓分層接入的特殊接線方式下，綜合考慮交直流混聯(lián)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行和運維檢修期間安全性兩方面而制定變電站年度運維檢修策略主要包括全站停電、500kV交流線路加裝串抗以及低端直流系統(tǒng)送出通道調(diào)整。

當特高壓變電站年度運維檢修原因而采取全站停電檢修方式時可能引起該地區(qū)電能短缺，難以滿足該地區(qū)電力用戶的用電需求；再者，交直流混聯(lián)電網(wǎng)中特高壓變電站全部停電也會導致交直流混聯(lián)電網(wǎng)應(yīng)對嚴重故障能力和提升新能源關(guān)鍵斷面輸送能力不足，極易引發(fā)電網(wǎng)安全事故。

當交直流混聯(lián)電網(wǎng)特高壓變電站因年度運維檢修原因而采取500kV交流線路加裝故障限流器檢修方式時，雖然可以限制運維檢修過程過程的交流線路短路電流，但是故障限流器的引入會引起交直流混聯(lián)電網(wǎng)運維檢修過程中的廠站及線路繼電保護定值的改變。因此，特高壓變電站年度運維檢修期間采用500kV交流線路加裝故障限流器的運維檢修策略會導致交直流混聯(lián)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的風險增大。

按照變電站傳統(tǒng)停電方式，特高壓直流系統(tǒng)保持雙極四閥組運行（母聯(lián)開關(guān)5813和5824均處于分位狀態(tài)），低端閥組所帶200萬千瓦功率僅通過單母聯(lián)開關(guān)送入變電站交流場，經(jīng)單母線和兩回交流線路送出，該停電運維檢修方式會存在“最后斷路器保護動作閉鎖雙極低端閥組”及“500kV交流線路過載跳閘閉鎖雙極低端閥組”兩大安全風險。為保證整個直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，可對低端直流系統(tǒng)送出通道調(diào)整運維檢修策略。

與其它特高壓變電站年度運維檢修策略相比，低端直流系統(tǒng)送出通道調(diào)整運維檢修策略主要優(yōu)點表現(xiàn)在：

（1）可實現(xiàn)交直流混聯(lián)系統(tǒng)中特高壓換流站與特高壓變電站實現(xiàn)一次系統(tǒng)完全隔離，便于布置現(xiàn)場安全措施，有效降低施工作業(yè)風險，防止發(fā)生人身安全事故；

（2）低端直流系統(tǒng)送出通道調(diào)整策略可以保證特高壓變電站運維檢修期間特高壓換流站輸電通道的正常運行，從而提升交直流混聯(lián)電網(wǎng)應(yīng)對嚴重故障能力和保證可再生能源的消納能力。