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    特高壓交直流電網系統保護及其關鍵技術

    發布時間:2019-01-03

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    0引言

    當前電網格局與電源結構發生重大改變,電網發展過渡期安全穩定特性不斷惡化:①故障對系統的沖擊全局化。特高壓交直流電網中,系統擾動甚至正常設備的操作,都可能會引發多回大容量直流輸電線路換相失敗乃至發生直流閉鎖;②電網調節能力嚴重下降。系統的轉動慣量和等效規模不斷減小,頻率調節能力呈下降趨勢,在大功率缺額的情況下,極易引發頻率越限甚至系統穩定破壞;③電力電子設備的廣泛應用使得系統特性復雜化。電力電子設備及其控制系統呈現出非慣性、高速、離散、剛性等特征,與傳統交流系統相互交織,控制規律及運行特性相互作用,導致系統動態特性復雜。

    當前電網的安全防御體系特別是工程實踐,總體來講主要還是針對傳統交流電網(或者含小規模、小容量直流輸電)設計,隨著特高壓交直流電網和新能源快速發展帶來的電網特性新變化,現有防御技術和措施出現若干不適應性,亟需從“大系統”安全角度出發,在進一步鞏固、完善、拓展三道防線內涵的基礎上,對電力系統運行控制舉措重新審視和提升。

    1 構建系統保護的關鍵問題

    (1) 大規模復雜電力系統安全穩定性的準確評估問題

    當前電力系統源網荷側結構的重大變化、電力電子設備及其控制系統的大量接入,物理系統的模型和控制規律更加多樣、更加復雜。系統中出現了新的擾動形式(例如多回直流換相失敗、再啟動等)和穩定形態(例如次同步振蕩、超低頻振蕩等),故障的連鎖反應風險加大。當前電力系統建模仿真和安全穩定評價體系仍然滯后于電網的發展。系統保護對于嚴重故障形態進行設防,需要明確設防的對象,設防場景下存在的問題及其嚴重程度。因此,對當前電力系統復雜故障下穩定性機理的揭示及安全穩定性的準確評估尤為重要和迫切,這是構建系統保護的關鍵問題。

    (2) 廣域多措施時序協調的控制策略制定問題

    新形態下電網安全防御,需要在數百毫秒內快速抑制數百萬乃至上千萬千瓦有功能量對系統的沖擊。因此,首先需要挖掘現有控制資源潛力、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過程,研究協調有序、優化精準的控制策略。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域影響,因此,廣域多措施時序協調的控制策略制定是構建系統保護的另一關鍵問題。

    2 系統保護的體系設計

    2.1 總體思路

    對于一般性、局部性故障,仍然秉持原有的設防理念和設防措施。在電網一體化特征下,傳統基于就地或局部模式的控制理念難以適應,需要在更大范圍內統籌考慮。為此,針對沖擊能量大、波及范圍廣的全局性故障,通過構建系統保護進行設防??傮w思路如下:以分區電網為對象,進行差異化設計。在分區范圍內,通過在目標、時間和空間三個維度上進行拓展,統籌協調集中與分散的控制模式、區域與局部的控制范圍、多重與單一的控制對象,通過降低故障發生概率、全方位感知系統狀態,實時立體協調控制,阻斷系統故障連鎖反應,防止系統崩潰,支撐復雜嚴重故障下大系統的安全穩定運行。系統保護立體協調控制的內涵如圖1所示。

    2.2 系統保護總體構成

    系統保護仍以傳統交流電網三道防線為基礎,通過鞏固第一道防線、加強第二道防線和拓展第三道防線,擴展有三道防線的內涵和措施,形成特高壓交直流電網新的綜合防御體系。系統保護與傳統三道防線的關系如圖2所示。




    (1)鞏固第一道防線。其目的是降低故障的嚴重程度,從故障發生的源頭抑制故障給電網帶來的擾動沖擊。例如:①應用交直流保護新技術,提升保護性能,快速可靠隔離故障;②應用虛擬化同步技術模擬交流電網自愈特性,抑制擾動沖擊;③轉變對于涉網設備設計、保護和檢測僅從設備自身出發的理念,加強從提升所接入系統安全運行程度出發,提高涉網設備運行可靠性和涉網性能,降低設備故障發生的概率。

    (2)加強第二道防線。當發生對系統安全穩定運行影響較大的嚴重故障時,則協同大范圍、多電壓等級源網荷各類控制資源和新型控制手段,實現基于事件觸發或結合響應驅動的主動緊急控制,阻斷系統連鎖反應,防止系統失穩。具體而言,面向特高壓交直流一次骨干電網,在智能電網調度技術支持系統(D5000)穩態監測與調控體系之外,平行構建控制功能相對獨立的實時、緊急、閉環控制體系,實現對電網所有重要元件的全景狀態感知、各種可控資源的多維協同控制,如圖3所示。










    (3)拓展第三道防線。其內涵包括:①拓展控制資源類型(例如抽水蓄能機組、直流輸電系統等),將更多的控制設備納入到基于電氣量越限檢測的就地分散控制;②結合故障事件和響應信息,實施基于事件觸發的緊急控制模式下控制量不足時基于響應信息的追加控制等。

    3 系統保護的關鍵技術

    按照系統保護體系設計,系統保護涵蓋了三道防線全過程。關鍵技術眾多?;A類支撐技術包括全景狀態感知技術、實時智能決策及多資源廣域協同控制技術、安全可靠的系統保護專網技術等;面向實際工程的適用技術包括:精準負荷控制技術、新能源廠站饋線或單機精益化控制技術、自適應重合閘及站域保護技術、在線預決策閉環控制技術等;前瞻性技術包含大功率儲能支撐電網安全穩定運行的并網控制等多項技術。以下簡單介紹其中三項技術的需求及內容。

    3.1 全景狀態感知技術

    基于廣域信息采集,實現對電網重要元件、控制資源、控制裝置狀態和行為的全景感知,支持綜合分析評價和集中監視告警。同時,為實時決策和協同控制提供信息支撐,為電網暫態特性和故障演化途徑分析提供基礎。需研究系統保護本體全時段監視技術,研究多類信息有序存儲及高效共享技術,研究系統保護裝置錄波、PMU錄波和故障錄波構成的三位一體全網同步錄波技術。系統保護全景狀態感知要素、結構如圖4所示。

    3.2 實時智能決策及多資源協同控制技術

    基于全景狀態感知,進行故障智能診斷和系統暫態特征綜合識別,對系統存在的問題定位和甄別,綜合考慮約束條件,結合就地與系統判據,實現控制分區、控制對象及控制量多目標實時智能決策,并實現源網荷多類控制資源的緊急、有序、協同控制。需研究基于故障事件與響應信息的電網擾動場景可靠、快速判別技術,研究適應電網送受端協調的多穩定約束、多變量混合優化技術。源網荷多資源綜合優化協調控制示意如圖5所示。


    3.3 精準負荷控制技術

    精準負荷控制技術,將控制對象細分到用戶,根據負荷特點、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勢,通過與傳統負荷控制系統協同作用,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,是保障過渡期電網安全的最有效手段。精準負荷控制技術需研究大范圍大規模的可中斷負荷進行統籌管理技術,控制效果、時機及控制量的定量分析和優化控制技術等。

    4 結語

    電網構建過渡期,運行特性和安全風險不斷發生變化?;趥鹘y交流系統形成的防御技術和措施已難以滿足嚴重故障下的電網安全防御要求,因此提出了構建適應特高壓交直流電網的系統保護的需求,分析了系統保護的總體構成、關鍵技術及實施方案,為下一步電網的安全穩定防御體系的建設提供了指導。

    當前,系統保護建設已經納入國家電網有限公司重大工程實施計劃,并且正在開展通信網升級改造和系統保護實驗室建設兩大支撐計劃,后續可根據電網特性的動態變化和新興技術的不斷發展,對系統保護的架構設計、關鍵技術與實施方案進行滾動研究和發展。

    主要作者介紹

    陳國平,博士,教授級高級工程師,主要研究方向:電力系統調度運行與控制技術及管理。

    李明節,博士,教授級高級工程師,主要研究方向:電力系統調度運行與控制技術及管理。

    許濤,博士,教授級高級工程師,主要研究方向:電力系統調度、運行與控制。電力系統自動化










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