特高压直流运行风险评估技术研究及应用

特高压直流运行风险评估技术研究及应用

张中华

国网山西省电力公司超高压变电分公司   山西太原  030000

摘要：目前特高压直流研究集中于特性分析和自身运行控制领域。在风险评估方面主要侧重于电网运行风险整体评估，针对特高压直流运行风险未提出综合性解决方案。本文立足于特高压互联电网的调度运行实践，从各个方面构建了一套特高压直流运行风险评估整体方案，全面评估直流运行风险，并在相关调度机构部署。

关键词：特高压直流；运行风险评估；复杂严重故障

引言

特高压直流输送容量大、外部运行环境复杂、一二次设备繁多，一旦故障将对送受端同步交流电网造成较大影响，实时运行中亟需研究构建特高压直流运行风险评估技术。构建了特高压直流运行风险评估总体框架，描述了直流一二次设备建模情况，提出了针对特高压直流运行特点的在线分析关键技术，最后给出了直流闭锁、再启动和换相失败、多馈入短路比等核心分析模块。相关成果已在相关调度机构部署，保障了特高压互联电网的安全运行[1]。

1特高压直流技术的优点

（1）直流输电架空线路只需要正负两极导线，杆塔结构简单，线路走廊窄，造价低，损耗小。输送能力强，±800kV直流特高压的输电能力是±500kV直流输电能力的2.1倍。

（2）直流线路无电容电流，沿线的电压分布均匀，不需装设并联电抗器。

（3）直流电缆线路耐受电压高、输送容量大、输电密度高、损耗小、寿命长，且输送距离不受电容电流限制[2]。远距离跨海送电和地下电缆送电大多采用直流电缆线路。

（4）直流输电输送的有功和换流器吸收的无功均可方便快速地控制，可利用这种快速通知改善交流系统的运行性能。

2基础建模

2.1一次设备建模

一次设备建模合理与否，直接影响稳态分析和暂态过程仿真，在不同类型暂态分析中，所需考虑元件类型及对该元件数学模型精细程度等不尽相同。一次设备在线建模通常以离线建模作为基础，但需反映实际运行需求。本节仅以分层接入的特高压直流输电系统为例作简要说明[3]。

分层接入特高压直流输电系统是指送端或受端换流站高低端换流变交流出口分别接入不同电压等级的电网，以减小交流系统故障对直流输电系统另一侧的冲击，现阶段，一般在受端侧将高/低端换流器接入不同电压等级的交流电网。在设备建模中，应支持分层接入特高压直流输电系统运行方式自动识别，具备换相失败、再启动、闭锁等故障的仿真功能，实现直流功率转带、直流功率调制、直流频率控制等功能模拟。

2.2二次设备动作策略模拟

系统保护、失步解列装置、频率电压紧急控制装置等是保障大电网安全稳定运行的重要手段。为准确评估特高压直流运行风险，需要对二次设备动作策略进行模块化建模。实际应用中，一般采用运行方式描述语言对其动作策略进行标准化建模，通过结构解析、结构语法树、表达式解析、表达式语法树以及执行单元实现策略的自动匹配与功能的准确模拟。

2.3稳定限额电子化解析

特高压交直流互联电网送受端、上下级电网高度耦合，系统稳定规定愈趋复杂，需要将断面限额实现电子化解析以判断直流故障后断面是否越限。首先需将稳定规定中采用自然语言描述规则解析为计算机可处理的判定逻辑，然后通过设备库获取电网实时运行信息，扫描所有断面、断面所有规则和规则所有条件的方式智能生成各输电断面限额。

2.4稳控装置在线监测与管理

当前电网稳控装置的建设重点在于稳定控制策略的实现，而对装置的状态监视、方式维护、策略共享、动作分析等缺乏有效的支撑手段，需要建设稳控装置在线监测与管理模块。

首先在厂站端实现站内稳控装置的接入，然后厂站或其他调控中心通过调度数据网与国家电力调度控制中心（国调中心）调度控制系统进行数据通信，实现稳控装置的信息交互，并在调度端建设稳控装置在线监测与管理功能。

稳控装置在线监测与管理模块主要实现运行监测、策略管理和数据应用等功能。运行监视方面，可对稳控装置的投退状态、运行方式、可用措施量、通信通道、动作策略等信息进行实时监视，发生故障后可实时召唤稳控装置动作信息，辅助开展故障分析；策略管理方面，可实现稳控定值远程下发、安控措施量充裕度评估、稳控策略在线校核等功能；数据应用方面，可通过消息总线、服务总线、进程调用等为其他高级应用提供稳控装置实时策略信息。

3特高压直流电实践方法

3.1融冰接线方式

融冰接线方式适用于比较特殊的条件，可根据工程的设计要求将两极的高端换流器进行并联，在首端施加较大的直流电流，通过升温达到融冰的目的，但是就同一线路而言，导线直流融冰和地线的直流融冰是存在差异的，主要由于导线的电阻要小于地线的电阻，所以融冰的电流小，电压较高。        

3.2提高受端电网的动态无功补偿

在多回直流集中馈入受端电网，尤其是直流落点密集并且站点负荷较重的地区，想要维持一定的稳定电压就必须要保证无功电压的支撑能力，因此可采取合理安排电源开机、加装动态无功补偿装置、优化直流VDCL方法、优化发动机高压侧控制技术等方法来增加电网的动态无功支撑能力，大力的提高部分电压的稳定性。通过在直流输电逆变站附近的负荷中心加装无功补偿设备还能增强直流换相失败后的恢复能力，目前国内已有许多地区进行实践，并且取得了较好的效果。        

3.3大电网的仿真技术

传统仿真程序具有一定的局限性，无法满足交直流系统风险分析研究的要求，因此具有高精度模拟直流换相的电磁暂态仿真能够很好的解决这一问题。该仿真平台通过闭环连接控制保护装置，在保证了直流输电换相过程的真实性和控制保护动态的响应功能的同时，还能准确的显示出电网系统所有区间机群的功能稳定性，以满足实际的需求。同时近些年科研人员还在开发电磁机电相结合的仿真平台，并初步应用于直流输电的故障分析工作当中。虽然抵御故障的能力不断的提升，但是随着特高压电网规模不断的加大，电网交流直流之间的相互影响也在增加，使得多重故障的影响范围和拒不连锁效应增加，使得特高压电网的稳定性降低，因此又采用了基于输电设计阶段、运行阶段、反事故措施的仿真技术机制，通过对工程建设投运、系统软件升级、软件修改、保护逻辑优化等手段，有效的提高了特高压直流输电的稳定性。

5结束语

针对特高压直流故障对送受端电网影响，本文从基础建模理论、关键技术研究、核心评估功能、具体应用实践出发，提出了一套适用于特高压直流运行风险评估的完整方案。随着直流输电技术的发展和电网认知水平的深入，特高压直流运行风险评估功能仍需不断完善，主要涉及但不限于:

（1）构建系统转动惯量评估功能。深入分析系统转动惯量对新能源高占比、直流多馈入电网频率稳定的影响，建立系统转动惯量定量评估体系。

（2）完善新能源建模及仿真水平。结合新能源涉网标准完善和高/低电压故障穿越期间的控制功能优化，完善新能源动态模型，进一步提升在线仿真能力。

（3）开展在线机电-电磁暂态混合仿真研究。提升对诸如特高压直流换相过程及与直流控制系统性能密切相关的交流扰动等故障仿真精度。

参考文献

[1]武霁阳.高压直流线路行波保护新原理研究[D].华南理工大学，2016.

[2]屠竞哲，张健，刘明松，等.风火打捆直流外送系统直流故障引发风机脱网的问题研究[J].电网技术，2015，39（12）:3333-3338.

[3]王晶芳，王智冬，李新年，等.含特高压直流的多馈入交直流系统动态特性仿真[J].电力系统自动化，2007，31（11）:97-102.