趙崢，馬為民

(國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術研究院，北京市102209)

并聯(lián)換流器特高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性研究

趙崢，馬為民

(國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術研究院，北京市102209)

特高壓直流輸電工程輸送容量大、送電距離遠，其安全、可靠運行具有重要的現(xiàn)實意義。該文建立了并聯(lián)換流器特高壓直流輸電系統(tǒng)的“故障樹”模型，可以有效計算特高壓直流輸電系統(tǒng)的強迫能量不可用率和單、雙極停運次數(shù)等可靠性指標；然后，提出了一種新的反映設備影響系統(tǒng)可靠性的靈敏度指標，可以有效發(fā)現(xiàn)鉗制系統(tǒng)可靠運行的薄弱環(huán)節(jié)。最后，基于國家電網(wǎng)公司近10年的直流工程可靠性運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對3種并聯(lián)換流器特高壓直流輸電系統(tǒng)主接線方案，進行了可靠性指標計算和對比分析，并完成了設備影響系統(tǒng)可靠性指標的靈敏度分析，確定了影響系統(tǒng)強迫能量不可用率和單、雙極停運次數(shù)的關鍵環(huán)節(jié)。結果表明，本研究能夠確定可靠性高的并聯(lián)換流器特高壓直流輸電系統(tǒng)拓撲結構，可以為提高特高壓直流工程的可靠性提供重要的參考信息。

并聯(lián)換流器；特高壓直流輸電；可靠性；故障樹；靈敏性

0 引 言

特高壓直流輸電工程具有輸送容量大、輸電距離長、功率損耗低等優(yōu)點，可以實現(xiàn)全國范圍內(nèi)的能源優(yōu)化配置[1-2]。因此，特高壓直流輸電工程的安全可靠運行顯得尤為重要[3-4]，研究特高壓直流輸電工程的可靠性指標計算方法[5-12]，確定可靠性較高的系統(tǒng)主接線結構，并發(fā)現(xiàn)影響系統(tǒng)可靠運行的關鍵環(huán)節(jié)具有重要的現(xiàn)實意義。

直流系統(tǒng)的可靠性直接反應直流系統(tǒng)的主接線設計、設備制造水平以及運行等各個環(huán)節(jié)的綜合水平[13]。目前，直流輸電可靠性分析方法主要有頻率持續(xù)時間法[11,14]、混合法[15]和故障樹分析法[16]等。文獻[11]采用頻率持續(xù)時間法建立了交直流混合系統(tǒng)可靠性評估模型和算法，但文章更多從交直流系統(tǒng)穩(wěn)定的角度開展研究，沒有明確給出直流輸電系統(tǒng)的可靠性指標；文獻[15]通過非時序蒙特卡羅法模擬得到直流輸電系統(tǒng)各個運行狀態(tài)的概率，再應用頻率和持續(xù)時間法計算得到頻率和持續(xù)時間指標，但在可靠性指標靈敏度分析方面僅研究了設備在2種故障率下的系統(tǒng)不可用率指標，沒有全面考慮設備所處的系統(tǒng)條件和設備本身故障率對可靠性指標的影響，也沒有開展影響單、雙極停運次數(shù)的靈敏度研究，難以全面發(fā)現(xiàn)鉗制系統(tǒng)可靠運行的薄弱環(huán)節(jié)；文獻[16]介紹了故障樹分析法的主要適用范圍和應用難點，同時指出該方法對圖形化、計算機化方面的依賴加大了該方法應用的難度和經(jīng)濟成本，但在進行可靠性分析時，沒有全面考慮高壓直流輸電工程的主要設備，且涉及設備的可靠性原始數(shù)據(jù)和系統(tǒng)可靠性計算結果與工程實際存在較大偏差。同時，以上文獻主要針對單12脈動或串聯(lián)雙12脈動換流器直流輸電系統(tǒng)開展可靠性研究。

本文采用故障樹分析法首次針對并聯(lián)換流器特高壓直流輸電系統(tǒng)進行可靠性分析計算，并借助計算機設備，開發(fā)智能的特高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性分析程序。結合國內(nèi)近10年的高壓直流輸電工程運行實際情況，對比分析3種并聯(lián)換流器特高壓直流輸電系統(tǒng)主接線方案的可靠性指標，確定最優(yōu)的系統(tǒng)方案；并根據(jù)本文提出的新的靈敏度指標分析得出并聯(lián)換流器特高壓直流輸電系統(tǒng)各設備對可靠性參數(shù)的影響程度，進而可以根據(jù)靈敏度指標有針對性地提出改善工程可靠性的具體措施，提高在運、在建和后續(xù)設計直流輸電工程的可靠性。

1 可靠性計算的分析方法和設備可靠性數(shù)據(jù)

本節(jié)首先通過研究不同的運行方式、設備故障和維護工作等對系統(tǒng)傳輸能力的影響，針對系統(tǒng)的主接線和控制保護方式建立“故障樹”模型，然后在設備可靠性數(shù)據(jù)的基礎上，求解并聯(lián)換流器特高壓直流輸電系統(tǒng)的可靠性指標。

1.1 并聯(lián)換流器特高壓直流輸電系統(tǒng)“故障樹”模型

根據(jù)特高壓直流輸電工程運行經(jīng)驗可知，影響單閥組停運的因素包括換流變單元、換流閥單元、交流濾波器；影響單極停運的因素包括單極控制和保護系統(tǒng)、直流場設備、直流輸電線路和輔助設備；影響雙極停運的因素包括雙極控制和保護系統(tǒng)、雙極中性線區(qū)域設備。在以上分析的基礎上，本文給出了如圖1所示的并聯(lián)換流器特高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性計算的“故障樹”模型。在“故障樹”模型中，可以根據(jù)需要將某個模塊分解成多個子模塊或者將某幾個模塊合并成一個模塊，也可以對模塊的位置進行調整。

在給定直流輸電系統(tǒng)各設備故障率和修復時間的條件下，可以結合“故障樹”模型計算系統(tǒng)的能量可用率(energy availability， EA)、強迫能量不可用率(forced energy unavailability， FEU)、單極強迫停運次數(shù)(monopole forced outage times， MFOT)和雙極強迫停運次數(shù)(bipole forced outage times， BFOT)等可靠性指標。

1.2 高壓直流輸電工程設備可靠性數(shù)據(jù)

參考目前國家電網(wǎng)公司16條直流工程近10年的運行情況[17]和國內(nèi)外直流工程可靠性研究成果[18]，表1給出了并聯(lián)換流器特高壓直流輸電工程各設備的可靠性數(shù)據(jù)。

圖1 并聯(lián)換流器特高壓直流輸電系統(tǒng)“故障樹”模型Fig.1 Fault tree model of UHVDC power transmission system with parallel converters

換流變壓器和平波電抗器等主要設備的平均修復時間主要考慮備用設備的更換時間；直流場設備主要包括平波電抗器、穿墻套管、直流濾波器(DC filter, DCF)、隔離開關、單極中性母線開關和測量裝置等，為了對第3節(jié)給出的3種主接線方案進行可靠性對比分析，這里單獨給出平波電抗器、直流濾波器、NBS開關的故障率和修復時間；雙極中性線區(qū)域主要包括雙極中性線開關、測量裝置、避雷器和接地極系統(tǒng)等。另外，并聯(lián)換流器特高壓直流工程的每年計劃停運時間按87.6 h考慮。

2 并聯(lián)換流器特高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性指標的靈敏性分析

以往的系統(tǒng)可靠性指標的靈敏度分析方法只考慮系統(tǒng)中某一設備發(fā)生故障造成的影響，而沒有考慮設備本身性能對系統(tǒng)可靠性指標的影響程度，即沒有更多的關注設備的當前運行狀態(tài)。事實上，隨著電力設備狀態(tài)監(jiān)測技術的不斷進步，運行人員已經(jīng)能夠連續(xù)或者定期地獲取運行設備的狀態(tài)信息，進而分析得出當前狀態(tài)下的老化信息，而設備在系統(tǒng)中的重要度與設備的運行狀態(tài)是密不可分的。本節(jié)提出了一種新的靈敏度指標對設備的重要度進行評價。

首先以FEU指標為例進行靈敏度公式的推導，得到系統(tǒng)FEU與設備強迫停運率的關系如式(1)所示：

UFE=D1(1-RFO，k)+D2RFO，k= D1+RFO，k(D2-D1)

(1)

式中：UFE為系統(tǒng)強迫能量不可用率；D1表示元件k的強迫停運率為0時系統(tǒng)的強迫能量不可用率；D2表示元件k的強迫停運率為1時系統(tǒng)的強迫能量不可用率；RFO，k為設備強迫停運率。

對式(1)求導可得:

(2)

通過分析可知，元件k的強迫停運率增加后，系統(tǒng)風險值對其本身的靈敏度指標卻沒有增加，也就是說其重要度沒有隨著自身強迫停運率的增大得到反映。

為了使系統(tǒng)的某一設備靈敏度指標不但能反應系統(tǒng)中其他設備的運行條件，而且能夠反應其當前的自身運行條件，本文在靈敏度指標的基礎上乘上設備強迫停運率，構造了設備的重要度評價指標：

(3)

將式(2)代入式(3)得：

SFEU=(D2-D1) × RFO，k

(4)

將式(1)代入式(4)，得到元件k對強迫能量不可用率影響的靈敏度指標：

(5)

因為UFE表示設備k在當前狀態(tài)下(即強迫停運率為RFO，k)的強迫能量不可用率，D1表示設備強迫停運率為0(即完好狀態(tài))的條件下系統(tǒng)的強迫能量不可用率，則本式更加準確地描述了設備當前的狀態(tài)給系統(tǒng)帶來的風險增量。

同理，可得元件k對直流輸電系統(tǒng)單、雙極強迫停運率影響的靈敏度指標，分別為：

(6)

(7)

根據(jù)常規(guī)的可靠性計算方法和以上理論研究，借助計算機設備編制了并聯(lián)換流器特高壓直流工程可靠性計算程序。

3 3種主接線方案下并聯(lián)換流器直流輸電系統(tǒng)可靠性比較

本節(jié)將對文獻[19]中描述的3種并聯(lián)換流器主接線方案從可靠性角度進行詳細分析和研究。

方案1采用2個換流器共用平波電抗器、直流濾波器和NBS開關，原理如圖2所示；方案2采用2個換流器分別配置平波電抗器，共用直流濾波器和NBS開關等設備，原理如圖3所示；方案3采用2個換流器分別配置平波電抗器、直流濾波器和NBS開關，原理如圖4所示。

圖2 共用平波電抗器、DCF和NBS開關方案Fig.2 Smoothing reactors, DC filters and NBS breakers shared by two parallel converters

圖3 分別配置平波電抗器，共用DCF和NBS開關方案Fig.3 Smoothing reactors separately configured, DC filters and NBS breakers shared by two parallel converters

圖4 分別配置平波電抗器、DCF和NBS開關方案Fig.4 Smoothing reactors, DC filters and NBS breakers separately configured by two parallel converters

在表1給定的直流工程設備可靠性數(shù)據(jù)的基礎上，利用本研究所編制的并聯(lián)換流器直流工程可靠性計算程序得到了并聯(lián)換流器特高壓直流輸電系統(tǒng)的可靠性指標，具體如表2所示。

表2 并聯(lián)換流器直流輸電工程可靠性指標
Table 2 Reliability indices of UHVDC transmission projects with parallel converters

表2給出了3種方案下并聯(lián)換流器特高壓直流輸電系統(tǒng)的可靠性指標。其中3種主接線方案對應的強迫能量不可用率相同，均為0.45%。方案2中，雖然將平波電抗器由極線位置移到了與單個換流器串聯(lián)的位置，也即是由影響單極停運的設備變成了影響單換流器停運的設備，但平波電抗器的數(shù)量也由1組變成了2組，最終并沒有導致強迫能量不可用率發(fā)生變化；方案3中直流濾波器、NBS開關位置和數(shù)量的變化與方案2中平波電抗器位置和數(shù)量的變化原理上是相同的，也不會導致強迫能量不可用率發(fā)生變化。此外，本文在進行3種方案可靠性比較時，考慮單組平波電抗器、直流濾波器的故障率和修復時間不變。實際中，方案2、方案3將平波電抗器、直流濾波器移到換流器單元情況下，每組平波電抗器、直流濾波器的數(shù)量和方案1相比可能是減少的，相應每組的故障率也會下降，方案2和方案3的強迫能量不可用率會降低，即可靠性會提高。計劃能量不可用率為1.0%，這主要由年度檢修計劃確定，根據(jù)國內(nèi)直流輸電工程的運行經(jīng)驗，每年的計劃檢修時間一般要大于1.0%；另外，按照工程容量為10 000 MW，電價為0.25元/(kW·h)計算，將系統(tǒng)的能量不可用率轉化為售電損失，大約為3.174億元/a。由此可以看出,通過合理安排設備的計劃檢修，最大限度地降低強迫能量不可用率，具有巨大的經(jīng)濟效益。

另外，從方案1到方案3，單、雙極停運次數(shù)依次降低，其中單極停運次數(shù)分別為1.92，1.68和1.56次/(極·a)，雙極停運次數(shù)分別為0.095，0.094和0.093次/a。這主要是由于平波電抗器、直流濾波器和NBS開關等設備移到換流器單元中后，對單極和雙極停運的影響非常小。以平波電抗器為例，只有在另一并聯(lián)換流單元故障或檢修期間，平波電抗器發(fā)生故障才會引起單極停運；同樣，只有在工程的另一并聯(lián)換流單元和另一極同時發(fā)生故障或檢修期間，該平波電抗器發(fā)生故障，才會引起雙極停運。

從可靠性的角度分析可知，雖然3種方案的強迫能量不可用率相同，但從單、雙極停運次數(shù)方面比較，可靠性指標依次提高；從經(jīng)濟性的角度分析，方案2相對于方案1僅增加了1組平波電抗器，增加費用相對較少；但在方案3中同時增加了1組直流濾波器和1套NBS設備，尤其是直流濾波器設備造價昂貴，這種方案是十分不經(jīng)濟的，且相對于方案2來說，可靠性指標提高有限。綜合考慮3種方案的可靠性和經(jīng)濟性指標，一般推薦采用方案2作為并聯(lián)換流器特高壓直流系統(tǒng)的主接線方案。表2集中反映了并聯(lián)換流器特高壓直流輸電系統(tǒng)的可靠性指標，但僅通過這些指標難以發(fā)現(xiàn)鉗制直流輸電系統(tǒng)可靠運行的薄弱環(huán)節(jié)。

4 設備對可靠性影響的靈敏度指標分析

以方案1為例，在系統(tǒng)可靠性指標計算的基礎上，分析設備對可靠性影響的靈敏度指標，如表3所示。

表3 設備影響并聯(lián)換流器特高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性的靈敏度指標
Table 3 Sensitivity indices of UHVDC transmission system with parallel converters

由表3可以看出，單極控制和保護系統(tǒng)、換流閥單元、換流變單元以及直流場區(qū)域設備(包括穿墻套管、直流濾波器、隔離開關、單極中性母線開關和測量裝置)對系統(tǒng)強迫能量不可用率的影響最大；其次是直流輸電線路和平波電抗器；影響較小的是交流濾波器、雙極控制和保護系統(tǒng)和雙極中性線區(qū)域設備。

原因分析：(1)由于單極控制和保護系統(tǒng)的環(huán)節(jié)眾多、邏輯復雜，組成元件故障率高，一旦故障將造成單極停運；組成單12脈動換流閥單元和換流變單元的元件(設備)數(shù)量多，生產(chǎn)制造難度大，故障發(fā)生時一般導致單12脈動閥組停運，且設備更換、維修周期長；直流場區(qū)域包含的設備多，發(fā)生故障的頻率較高。所以，以上因素對可靠性的影響較大。(2)平波電抗器制造技術較為成熟，故障率較低，更換、維修時間相對于換流變和換流閥設備較短；直流輸電線路相比其他主設備雖故障率較高，但一般為臨時性故障，大部分情況下在較短時間內(nèi)能夠恢復通電，平均修復時間較短。所以，以上因素對強迫能量不可用率的影響相對較小。(3)交流濾波器有備用組，且投切速度較快，多組濾波器同時發(fā)生故障的可能性很低；雙極中性線區(qū)域額定運行電壓低，設備的絕緣水平和可靠性水平比較高，發(fā)生故障的概率較低；控制保護系統(tǒng)一般按極控制，兩極同時發(fā)生故障的概率較低，曾發(fā)生過因中性線區(qū)域設備故障而使雙極差動保護動作的情況，目前進一步提高了對中性線區(qū)域設備可靠性的要求，并優(yōu)化了雙極保護方案。所以，以上因素對強迫能量不可用率的影響很小。

影響單極停運次數(shù)最重要的因素為單極控制和保護系統(tǒng)；其次為直流輸電線路、直流場設備和平波電抗器設備；而換流變單元、換流閥單元和交流濾波器對此的影響非常小；雙極控制和保護系統(tǒng)和雙極中性線區(qū)域設備對單極停運次數(shù)沒有影響。

原因分析：(1)前面已經(jīng)分析，單極控制和保護系統(tǒng)的故障率較高，最容易造成單極停運；(2)在“故障樹”模型中，直流輸電線路、直流場設備和平波電抗器設備故障均會直接導致單極停運，且這些區(qū)域設備的故障率較高，對單極停運次數(shù)均有一定的影響；(3)換流變單元、換流閥單元和交流濾波器發(fā)生故障將導致單12脈動閥組停運，而2個12脈動閥組由于以上因素同時發(fā)生故障造成單極停運的概率極低，所以對單極停運次數(shù)幾乎沒有影響；(4)雙極控制和保護系統(tǒng)和雙極中性線區(qū)域設備發(fā)生故障將直接導致雙極停運，對單極停運次數(shù)沒有影響。

雙極控制和保護系統(tǒng)和雙極中性線區(qū)域設備發(fā)生故障將最容易導致雙極停運；其他因素導致雙極停運的概率很小。

原因分析：(1)前面已經(jīng)分析，雙極控制和保護系統(tǒng)和雙極中性線區(qū)域設備發(fā)生故障將直接導致雙極停運，對雙極停運次數(shù)的影響最大。(2)其他設備如直流輸電線路、直流場設備和平波電抗器設備需要正、負兩極同時發(fā)生故障才會出現(xiàn)雙極停運，而對于換流變和換流閥單元只有4個12脈動閥組同時發(fā)生故障才會導致雙極停運，發(fā)生的可能性很小。

5 結 論

(1)本研究通過故障樹分析方法計算得出了并聯(lián)換流器特高壓直流輸電系統(tǒng)的強迫能量不可用率、單極停運次數(shù)和雙極停運次數(shù)等可靠性指標。這些指標可以直觀地反映出在運、在建和后續(xù)設計直流工程的可靠性水平。

(2)本文對3種可能的并聯(lián)換流器特高壓直流輸電系統(tǒng)主接線方案進行了對比分析，3種主接線方案下的強迫能量不可用率相同，但單、雙極停運次數(shù)依次降低，方案1可靠性指標最低，方案3可靠性指標最高。此外，3種主接線方案的經(jīng)濟性依次變差。綜合考慮3種方案的可靠性和經(jīng)濟性指標，一般推薦采用方案2作為并聯(lián)換流器特高壓直流系統(tǒng)的主接線方案。

(3)通過各設備(因素)對強迫能量不可用率影響的靈敏度指標分析可知：造成系統(tǒng)強迫能量不可用率的主要因素為單極控制和保護系統(tǒng)、換流閥單元、換流變單元以及直流場區(qū)域設備。優(yōu)化控制保護的邏輯設計，提高控制保護主機、屏柜等元件可靠性，增強換流閥、換流變壓器和直流場區(qū)域設備的設計裕度，對提高系統(tǒng)的能量可用率具有重要作用。

(4)通過各設備(因素)對停運率影響的靈敏度指標分析可知：影響單極停運次數(shù)的主要因素為單極控制和保護系統(tǒng)，影響雙極停運次數(shù)的主要因素為雙極控制、保護系統(tǒng)和雙極中性線區(qū)域設備。這進一步證明了控制保護系統(tǒng)對直流輸電系統(tǒng)的重要性，其不僅是影響能量可用率的主要因素，也是導致系統(tǒng)停運的最主要因素。另一方面，為了降低雙極停運次數(shù)，減少直流輸電系統(tǒng)對電網(wǎng)的沖擊水平，加強雙極中性線區(qū)域設備的可靠性也十分必要。

綜上所述，本文對不同主接線方案并聯(lián)換流器特高壓直流輸電系統(tǒng)進行了可靠性對比分析，確定了可靠、經(jīng)濟的主接線方案；并通過可靠性指標的靈敏度分析，能夠準確發(fā)現(xiàn)鉗制系統(tǒng)可靠運行的薄弱環(huán)節(jié)，通過有針對性地提高相關因素(設備)的可靠性，可以最大程度提高直流輸電系統(tǒng)的可靠性。本文對提高特高壓直流輸電工程的運行可靠性具有重要的現(xiàn)實意義。

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趙崢 (1986)，男，工學碩士，工程師，主要從事高壓直流輸電工程系統(tǒng)可靠性、過電壓與絕緣配合和換流變壓器方面的研究工作；

馬為民(1966)，男，博士，高級工程師，主要從事高壓直流輸電工程咨詢和成套設計相關研究工作。

(編輯 張小飛)

Reliability Research for UHVDC Transmission System with Parallel Converters

ZHAO Zheng, MA Weimin

(State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China)

The safety and reliability operation of UHVDC projects, which are characterized by large transmission capacity and long working distance, has vital practical significance.This paper establishes a fault-tree model of UHVDC system with parallel converters, which can help to calculate the forced energy unavailability, monopole forced outage times and bipole forced outage times of UHVDC projects effectively.Then, this paper proposes several sensitivity indices which show the impact of every equipment on the reliability of UHVDC system, thus to effectively find the weak points of the project.Finally, based on the statistical data of the reliability of HVDC projects of SGCC (State Grid Corporation of China) in the past 10 years, this paper calculates and compares the reliability indices for the main wiring schemes of three different kinds of UHVDC system with parallel converters.Moreover, this paper completes the sensitivity analysis on the reliability index of system affected by equipments, and finds the key links which affect the forced energy unavailability, monopole forced outage times and bipole forced outage times.The results show that this research can determine the topology of high-reliability UHVDC system with parallel converters, and provide important reference information for the reliability improvement of UHVDC projects.

parallel converter; UHVDC transmission; reliability; fault tree; sensitivity

國家電網(wǎng)公司科技項目(多換流器并聯(lián)特高壓直流輸電工程的關鍵技術研究)

TM 723

A

1000-7229(2016)09-0086-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.09.012

2016-05-06