馬 坤，葉 鵬，郭 帥，張 濤，李家玨，王 超

(1.沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

特高壓交流電網(wǎng)運行與控制研究綜述

馬 坤1，葉 鵬1，郭 帥1，張 濤2，李家玨2，王 超2

(1.沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

隨著特高壓輸電線路的規(guī)劃和建設(shè)增多，特高壓電網(wǎng)已成為現(xiàn)代電網(wǎng)的重要組成部分，并對電網(wǎng)的運行控制帶來了挑戰(zhàn)。對特高壓電網(wǎng)運行與控制的關(guān)鍵技術(shù)進行綜述，圍繞特高壓電網(wǎng)功率控制與優(yōu)化、特高壓電網(wǎng)穩(wěn)定性與控制等方面，對特高壓電網(wǎng)輸電能力、電磁環(huán)網(wǎng)運行與控制、最優(yōu)潮流、無功優(yōu)化與控制、穩(wěn)定性與控制等方面進行了總結(jié)，提出了需要進一步研究和解決的技術(shù)問題。對特高壓交流電網(wǎng)運行與控制方面的發(fā)展方向和技術(shù)趨勢進行了展望，為后續(xù)特高壓電網(wǎng)規(guī)劃、調(diào)度、運行和控制提供了參考。

功率控制；輸電能力；最優(yōu)潮流；電磁環(huán)網(wǎng)；無功優(yōu)化

隨著電力負荷的日益快速增長和大規(guī)模、遠距離、大容量輸電需求的增加，以及發(fā)電技術(shù)和輸電技術(shù)的提高，發(fā)展特高壓也成為電力工業(yè)發(fā)展的必由之路。特高壓輸電和特高壓電網(wǎng)是提高線路輸電能力的主要途徑。美國電力公司(AEP)、美國邦納維爾電力局(BPA)、日本東京電力公司、前蘇聯(lián)、意大利和巴西等國的公司分別建設(shè)了特高壓試驗基地，開展特高壓工程、技術(shù)和設(shè)備方面的研究[1]。中國能源資源和負荷需求的逆向分布及能源結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略性調(diào)整，決定了中國未來的輸電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)必須在送、受端系統(tǒng)以及1 000～3 000 km 的輸電系統(tǒng)上有根本性的突破[2]。國家電網(wǎng)正在建設(shè)由特高壓交流和特高壓直流構(gòu)成的大規(guī)模復(fù)雜特高壓電網(wǎng)，以期解決電源與負荷中心之間大規(guī)模、遠距離、大容量的電力輸送難題，實現(xiàn)資源優(yōu)化配置[3]。電網(wǎng)的發(fā)展逐步呈現(xiàn)出形態(tài)復(fù)雜，而區(qū)域電網(wǎng)間則呈現(xiàn)出相互影響與依賴增強、電網(wǎng)中不確定因素逐漸增加的特點，使電網(wǎng)運行面臨更多且更復(fù)雜的風(fēng)險因素。特高壓大電網(wǎng)建設(shè)既要保證安全性、可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性的運行條件，又要適應(yīng)國家經(jīng)濟社會的發(fā)展。特高壓電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加之特高壓工程建設(shè)和電源核準(zhǔn)中存在的不確定性，一些薄弱環(huán)節(jié)將會給復(fù)雜電網(wǎng)的穩(wěn)定分析、控制和運行帶來了一系列挑戰(zhàn)。

1 特高壓交流電網(wǎng)功率控制與優(yōu)化研究

特高壓工程的建成和投運以及大規(guī)模具有間歇性的可再生能源的接入使原有電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜化，原有輸電線路越來越接近其安全穩(wěn)定運行的極限。因此，從輸電能力、電磁環(huán)網(wǎng)運行、最優(yōu)潮流、無功優(yōu)化與控制等方面研究特高壓電網(wǎng)的功率控制與優(yōu)化對電力系統(tǒng)運行與控制有著重要的意義。

1.1 特高壓交流電網(wǎng)輸電能力和運行特性的研究

交流輸電系統(tǒng)的輸電能力是指在保持經(jīng)濟和穩(wěn)定性合理的情況下，一定距離的輸電線路所具有的最大輸送功率。特高壓的輸電能力受多種因素的影響，文獻[4]提出了交流輸電系統(tǒng)短路比的概念，重點分析了兩端交流系統(tǒng)對交流輸電系統(tǒng)輸電能力和運行特性的影響。文獻[5]通過建立1 000 kV輸電系統(tǒng)功率傳輸模型分析了各電氣參數(shù)對1 000 kV輸電系統(tǒng)輸電能力的影響，研究了能進一步提高1 000 kV 輸電系統(tǒng)遠距離輸電能力的技術(shù)。1 000 kV 特高壓輸電系統(tǒng)輸送能力隨補償度BC的變化如圖1所示。文獻[6]研究了省際電網(wǎng)輸電極限問題，給出了考慮特高壓接入后穩(wěn)定性的輸電能力分析方法與流程，并對電網(wǎng)的穩(wěn)定性進行了校驗。文獻[7]闡述了智能電網(wǎng)背景下提高輸電能力的相關(guān)技術(shù)，但文獻并未從技術(shù)、經(jīng)濟、材料科學(xué)角度對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和輸電能力進行深入研究。文獻[8]結(jié)合電網(wǎng)新技術(shù)、新材料、新方法闡述了影響電網(wǎng)輸電能力的因素，在此基礎(chǔ)上提出了對特高壓電網(wǎng)具有適用性的輸電網(wǎng)絡(luò)方案和提高電網(wǎng)輸送能力的方法。文獻[9]確定了影響輸送能力的主要敏感因素。關(guān)于輸電能力的問題，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的研究，并且具有了實現(xiàn)遠距離大容量輸送電能的成熟技術(shù)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，利用補償裝置間的協(xié)調(diào)配合來提高輸送自然功率的特高壓FACTS技術(shù)有待進一步研究。

1.2 特高壓交流電磁環(huán)網(wǎng)運行與控制的研究

由于電力系統(tǒng)輸電距離和輸送容量不斷增長，為滿足供電負荷的需求，電力系統(tǒng)會形成單個或數(shù)個電磁環(huán)網(wǎng)。隨著特高壓電網(wǎng)的發(fā)展，電磁環(huán)網(wǎng)的

圖1 1 000 kV輸電系統(tǒng)輸電能力隨補償度BC的變化

運行方式產(chǎn)生了諸如系統(tǒng)穩(wěn)定性破壞、系統(tǒng)電壓水平下降等問題。文獻[10]對淮滬特高壓投產(chǎn)后特高壓落點附近1 000/500/220 kV三級電磁環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、潮流分布的關(guān)鍵特點進行了分析，對送受端斷面的結(jié)構(gòu)性制約因素和最大送電水平進行了評估。為滿足電力系統(tǒng)發(fā)展的需要，需要對電磁環(huán)網(wǎng)進行解合環(huán)運行操作，文獻[11-16]分析了電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)原則、開環(huán)流程，確定最優(yōu)開環(huán)方案及開環(huán)后的穩(wěn)定控制措施。文獻[17]分析了電磁環(huán)網(wǎng)運行產(chǎn)生的無功環(huán)流及解合環(huán)運行方案并提出了相應(yīng)的控制措施。文獻[18]對弱電磁環(huán)網(wǎng)運行控制面臨的問題和對策進行了研究。為避免和消除嚴重影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定的電磁環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，文獻[19]提出了一種分階段進行的電磁環(huán)網(wǎng)開環(huán)方案優(yōu)化決策方法。

1.3 特高壓交流電網(wǎng)最優(yōu)潮流的研究

電力系統(tǒng)最優(yōu)潮流是電力系統(tǒng)規(guī)劃、運行、控制和穩(wěn)定性分析的重要前提。電力系統(tǒng)最優(yōu)潮流問題是一個非線性規(guī)劃問題，通過調(diào)整控制手段找到在一定約束條件下電力系統(tǒng)控制變量的最優(yōu)設(shè)定值。電力系統(tǒng)潮流計算是研究電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行的基本電氣運算，而動態(tài)潮流是計算系統(tǒng)存在功率不平衡情況下的穩(wěn)態(tài)潮流，文獻[20]提出了求解動態(tài)潮流的具體思路。文獻[21]在傳統(tǒng)優(yōu)化潮流的基礎(chǔ)上考慮了動態(tài)優(yōu)化調(diào)度中的瓶頸約束，建立了動態(tài)優(yōu)化潮流的數(shù)學(xué)模型及解算方法，針對負荷急劇變化的特點編制了動態(tài)優(yōu)化潮流程序。隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，最優(yōu)潮流問題在電力系統(tǒng)規(guī)劃、運行、控制等領(lǐng)域有著極為重要的意義。文獻[22]從大規(guī)模交直流電網(wǎng)最優(yōu)潮流和穩(wěn)定約束最優(yōu)潮流兩個方向總結(jié)了最優(yōu)潮流的最新應(yīng)用，文獻[23]研究了暫態(tài)穩(wěn)定約束最優(yōu)潮流的能量約束模型和快速計算方法。穩(wěn)定約束最優(yōu)潮流是電力系統(tǒng)運行與控制決策中的重要研究課題，文獻[24-26]提出了求解最優(yōu)潮流的新算法。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和特高壓電網(wǎng)的形成，通過考慮電力系統(tǒng)的動態(tài)特性、安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，選取合理的模型和算法，高效精確求解最優(yōu)潮流的問題有待進一步研究。

1.4 特高壓交流電網(wǎng)無功優(yōu)化與控制的研究

為了維持線路兩端電壓水平，兩端系統(tǒng)必須具有足夠大的無功功率，無功補償作為維持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定水平的重要手段，補償不及時將會對電力系統(tǒng)造成嚴重影響，如何快速補償電力系統(tǒng)中的無功負荷成為亟待解決的重要問題。文獻[27-28]分析了無功補償?shù)谋匾砸约盁o功補償技術(shù)的發(fā)展方向。特高壓輸電線路在輕載和重載時會顯現(xiàn)不同的特性，輸電線路的無功損耗隨電能輸送有很大的有功變動，同時電容效應(yīng)產(chǎn)生很大的充電功率，特高壓輸電線路給變電站無功補償、電壓控制帶來困難。文獻[29，30]介紹了特高壓電網(wǎng)的無功補償設(shè)計和運行方法。文獻[31]提出了采用65%的固定高壓電抗器加30%的可調(diào)節(jié)高壓電抗器的特高壓輸電系統(tǒng)的無功補償改進方法。文獻[32，33]介紹了特高壓變電站無功補償裝置及其無功補償容量的確定方法。文獻[34]分析了無功補償設(shè)備投切策略、穩(wěn)態(tài)過電壓措施、應(yīng)用可控高抗調(diào)壓等電壓控制需要考慮的技術(shù)問題，提出了特高壓試驗示范工程無功補償電壓控制方案。

電力系統(tǒng)無功優(yōu)化問題是電網(wǎng)經(jīng)濟調(diào)度的一種重要手段，以保證電力系統(tǒng)電壓質(zhì)量為前提，利用無功補償來改變?nèi)W(wǎng)潮流，使系統(tǒng)的有功損失和無功補償費用最小，對保證電能質(zhì)量、減小網(wǎng)損具有重要意義。文獻[35-39]簡要介紹了無功優(yōu)化的各種算法。針對特高壓接入系統(tǒng)使系統(tǒng)的穩(wěn)定控制更加復(fù)雜，對電力系統(tǒng)的無功優(yōu)化要求越來越高，尋求最佳的無功補償方法成為亟待解決的重要問題。電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展和日趨復(fù)雜化對無功的優(yōu)化提出了新的考驗，在新的電力系統(tǒng)環(huán)境下的無功優(yōu)化問題值得思考。

2 特高壓交流電網(wǎng)的穩(wěn)定性與控制

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和區(qū)域性負荷的增長，遠距離大容量輸電日益普遍，隨之而來的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性問題越來越突出。國內(nèi)外對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題做了大量研究，甚至在某些方面實現(xiàn)了在線安全穩(wěn)定評估及決策分析，同時能對電網(wǎng)中存在的潛在問題提出安全性措施，有效指導(dǎo)了電力系統(tǒng)的調(diào)度決策和安全穩(wěn)定運行。雖然解決了很多技術(shù)上的難題，但是隨著特高壓電網(wǎng)的接入、電力電子器件以及新的控制技術(shù)的應(yīng)用，仍有大量的工作要做，必須要考慮特高壓接入后各種控制措施良好配合等方面的研究。

2.1 特高壓交流電網(wǎng)的功角穩(wěn)定與控制

電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機保持同步運行的能力，可以細分為靜態(tài)穩(wěn)定、小干擾動態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、大干擾動態(tài)穩(wěn)定。隨著電能需求的增加和電力系統(tǒng)的規(guī)模擴大，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題越來越突出，在典型故障下面臨暫態(tài)功角失穩(wěn)的風(fēng)險。文獻[40]針對暫態(tài)功角失穩(wěn)風(fēng)險問題提出了基于典型故障集的電力系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定近似判別方法，設(shè)計了風(fēng)險評估流程并且為提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性提出了新的研究思路。文獻[41-43]分析了小擾動穩(wěn)定及低頻振蕩的研究現(xiàn)狀和分析方法，提出了抑制低頻振蕩的方法和新的控制思路?；趶?fù)雜網(wǎng)絡(luò)的同步化控制理論，文獻[44]提出了一種用于暫態(tài)功角穩(wěn)定的切機控制策略計算方法。目前，所有研究都集中在交直流混合系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性與控制策略研究上，針對特高壓交流電網(wǎng)的功角穩(wěn)定性與控制策略仍需進一步研究。

2.2 特高壓交流電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性與控制

頻率穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)發(fā)生有功功率擾動后，系統(tǒng)頻率能夠保持或恢復(fù)到允許的范圍內(nèi)，不發(fā)生頻率崩潰的能力[45]。基于兩機系統(tǒng)模型及WAMS實測數(shù)據(jù)，文獻[46]分析了電網(wǎng)總?cè)萘康淖兓⑴袛喑鲚斔凸β首兓菍?dǎo)致特高壓聯(lián)絡(luò)線固有振蕩頻率變化的主要原因。電網(wǎng)受電能力主要受電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響,隨著大受端電網(wǎng)的形成,大受端電網(wǎng)安全穩(wěn)定問題需進一步深入研究。通過對大受端電網(wǎng)頻率安全穩(wěn)定評估的必要性進行分析,文獻[47]提出了大受端電網(wǎng)頻率安全穩(wěn)定評估采用的模型和分析方法，總結(jié)了受端電網(wǎng)頻率安全穩(wěn)定分析中應(yīng)注意的問題?；谀壳邦l率穩(wěn)定研究中存在的不足，文獻[48]提出了一種電力系統(tǒng)頻率失穩(wěn)風(fēng)險評估方法，推導(dǎo)了計及旋轉(zhuǎn)備用的頻率動態(tài)特性，建立了考慮低頻減載作用的頻率穩(wěn)定分析模型和考慮發(fā)電方式、網(wǎng)絡(luò)拓撲和負荷水平的隨機模型。國內(nèi)外研究人員對功角穩(wěn)定與電壓穩(wěn)定關(guān)注較多，其中某些領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)在線分析控制，而電網(wǎng)頻率動態(tài)特性及其控制一直是電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中的一個薄弱環(huán)節(jié)，特高壓交流系統(tǒng)中頻率穩(wěn)定性及控制策略有待深入研究。

2.3 特高壓交流電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性與控制

電壓穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到小的或大的擾動后，系統(tǒng)電壓能夠保持或恢復(fù)到允許的范圍內(nèi)，不發(fā)生電壓失穩(wěn)的能力[49]。電力系統(tǒng)越來越朝極限運行方式發(fā)展，其中電源競價上網(wǎng)機制和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱等因素給系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性帶來了巨大挑戰(zhàn)，文獻[50，53]闡述了電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的研究現(xiàn)狀、理論和研究方法，分析了電壓穩(wěn)定的薄弱環(huán)節(jié)和薄弱區(qū)域，研究了防止系統(tǒng)電壓失穩(wěn)的控制策略和電力系統(tǒng)優(yōu)化理論。由于大干擾電壓失穩(wěn)機理的理論和研究方法不完善以及電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓失穩(wěn)與功角特性存在聯(lián)系，如何快速準(zhǔn)確判斷電力系統(tǒng)暫態(tài)電壓失穩(wěn)是電力系統(tǒng)需要解決的一個難題，文獻[51-52]重點分析了幾個比較嚴重故障下的特高壓電網(wǎng)大干擾電壓穩(wěn)定性問題，并提出了相應(yīng)的安全穩(wěn)定控制策略。特高壓交流系統(tǒng)的電壓特性是調(diào)度運行控制關(guān)注的重點，文獻[54]通過分析特高壓聯(lián)絡(luò)線潮流和電壓大幅波動的影響因素，總結(jié)了特高壓系統(tǒng)無功和電壓控制策略。

電力系統(tǒng)電壓控制的目標(biāo)是實現(xiàn)電網(wǎng)電壓安全、維持電壓質(zhì)量和經(jīng)濟運行。電力系統(tǒng)電壓控制問題涵蓋了電壓穩(wěn)定分析、無功電壓的優(yōu)化計算和閉環(huán)控制等諸多領(lǐng)域，控制策略的求解難度較大。自動電壓控制(AVC)技術(shù)近年來得到了國內(nèi)外科研和技術(shù)人員的重視，特高壓接入電網(wǎng)中，不同的區(qū)域往往有不同的電壓控制要求,而且還存在控制設(shè)備多樣性、無功電壓非線性強等特點。文獻[55-58]分析了電力系統(tǒng)自動電壓控制的研究重點、控制策略及其研究方法。文獻[59]分析了特高壓系統(tǒng)電壓變化的原因，以及特高壓與500 kV系統(tǒng)無功電壓特性的差異，提出了特高壓聯(lián)絡(luò)線電壓控制措施。文獻[60]在文獻[55]提出的三維協(xié)調(diào)的電壓控制技術(shù)思想的指導(dǎo)下，通過分析華中電網(wǎng)無功電壓調(diào)控的特點和難點，設(shè)計了適用于華中電網(wǎng)的協(xié)調(diào)電壓控制方案。文獻[61]綜述了電力系統(tǒng)無功電壓調(diào)控配合的研究現(xiàn)狀，建立了電力系統(tǒng)無功均衡適配調(diào)度模型，提出了無功電壓調(diào)控配合研究的關(guān)鍵問題。

3 結(jié) 語

特高壓電網(wǎng)憑借其獨特的優(yōu)勢在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中占有舉足輕重的地位。特高壓輸電作為實現(xiàn)電網(wǎng)緊密互聯(lián)和區(qū)域性新能源并網(wǎng)消納的最具潛力輸電方式，建設(shè)以特高壓為骨干，各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅強電網(wǎng)是能源發(fā)展的必然選擇也是未來中國電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。為了提高電網(wǎng)輸送能力和受電能力，提高新能源并網(wǎng)和消納能力，提高電網(wǎng)運行的安全性和經(jīng)濟性，在特高壓電網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)、運行和控制上需進一步深入研究。

1)規(guī)劃中的特高壓直流輸電和多端直流輸電相關(guān)技術(shù)需要特高壓交流電網(wǎng)提供堅強的網(wǎng)架支撐，含交、直流特高壓的復(fù)雜電網(wǎng)的動態(tài)特性，運行方式，穩(wěn)定性分析、預(yù)測及控制策略等方面需進一步研究。

2)隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，先進的通信、信息和故障檢測等方面的技術(shù)為特高壓電網(wǎng)的安全運行和控制保護提供了必要支撐，使系統(tǒng)監(jiān)控與調(diào)度智能化、決策多樣化。能量管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的自動化、準(zhǔn)確化有待進一步研究。

3)電力電子器件和電力電子技術(shù)的發(fā)展促進了SVC、SVG、STATCOM等器件的應(yīng)用和發(fā)展，基于這些新的技術(shù)對電力系統(tǒng)無功優(yōu)化調(diào)控的影響，利用新的控制方法和新的控制器協(xié)調(diào)各地區(qū)調(diào)節(jié)電壓、無功優(yōu)化、提高電壓穩(wěn)定性等方面需加強研究。

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(責(zé)任編輯 佟金鍇 校對 魏靜敏)

Research Overview of the UHVAC Power Grid Operating and Control

MA Kun1,YE Peng1,GUO Shuai1,ZHANG Tao2,LI Jia-jue2,WANG Chao2

(1.School of Electrical Power Engineering,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136;2.Liaoning Electric PowerResearch Institute,State Grid Liaoning Electric Power Supply Co.,Ltd.,Shenyang 110006,Liaoning Province)

With the increase of the UHV transmission line plan and construction,UHV power grid has become an important part of modern grid and brings much more challenges to the modern grid operation and control.The key technologies of the UHV power grid control and operation were outlined and summarized in this paper.Focusing on the aspects of the power flow control and optimization as well as the stability and control of the UHV power grid,the transfer capability,the operation of the electro-magnetic ring,the optimization of the reactive power flow,the research of the stability and control were also summarized and outlined in this paper.The technical problems which needed to be studied and solved were put forward.Besides,in order to provide reference for the planning,dispatching,operating and control of the UHV power grid,the technology trend and future direction in the aspects of operating and control about the UHVAC power grid were pointed out.

Power flow control and optimization;Transfer capability;Optimal power flow;Electro-magnetic ring;Reactive power flow optimization;Stability

2016-06-01

國網(wǎng)遼寧公司科信技術(shù)服務(wù)項目(LNDL2016-01FPT-GC-KX(GK)-JSFW)

馬 坤(1989-)，男，河北保定人，碩士研究生。

作者簡介： 葉 鵬(1974-)，男，吉林吉林人，教授，碩士生導(dǎo)師，博士，主要從事電力系統(tǒng)運行與控制方面的研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.01.008

TM72

A

1673-1603(2017)01-0037-06