杜文琦 孫小飛 荊云波

國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司 山東濟(jì)南 250000

中國特高壓交直流電網(wǎng)發(fā)展過渡期，電網(wǎng)特性持續(xù)發(fā)生重大變化，傳統(tǒng)的安全穩(wěn)定防御技術(shù)和措施難以適應(yīng)，亟須對(duì)電網(wǎng)安全防控體系進(jìn)行提升。在梳理電網(wǎng)大的特性變化基礎(chǔ)上，分析了適應(yīng)特高壓交直流電網(wǎng)實(shí)踐的“系統(tǒng)保護(hù)”的必要性及需求。提出了系統(tǒng)保護(hù)的體系設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)思路、總體構(gòu)成、具體措施等。

1 構(gòu)建系統(tǒng)保護(hù)的必要性及關(guān)鍵問題

1.1 構(gòu)建系統(tǒng)保護(hù)的必要性

傳統(tǒng)的安全穩(wěn)定三道防線體系、控制措施在交流電網(wǎng)發(fā)展的各個(gè)階段，為保障電網(wǎng)安全運(yùn)行發(fā)揮重要作用。隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特性不斷變化，傳統(tǒng)單一的穩(wěn)定控制措施、措施量、防御范圍和防御技術(shù)在一定程度上滯后于特高壓交直流大電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)踐，已難以滿足系統(tǒng)安全防御要求。

（1）現(xiàn)有特高壓交直流電網(wǎng)故障對(duì)安全穩(wěn)定控制。量的需求激增。應(yīng)對(duì)嚴(yán)重故障的穩(wěn)控系統(tǒng)一般僅針對(duì)局部穩(wěn)定問題設(shè)防，控制措施量相對(duì)較小、措施類型相對(duì)單一。特高壓交直流電網(wǎng)單一通道輸電容量很大，例如在同送端同受端多直流輸電格局下，多回直流換相失敗會(huì)在數(shù)百毫秒內(nèi)引發(fā)上千萬千瓦的有功波動(dòng)，對(duì)送受端電網(wǎng)均造成嚴(yán)重沖擊，原有基于局部穩(wěn)控的設(shè)防模式不能滿足嚴(yán)重故障后對(duì)控制措施量的需求[1]。

（2）特高壓交直流電網(wǎng)連鎖故障問題凸顯。特高壓電網(wǎng)交直流相互耦合、送受端交互影響增強(qiáng)，需要不斷拓展防控措施，應(yīng)對(duì)交直流連鎖故障防御要求。不同送端不同受端輸電格局和穩(wěn)定形態(tài)復(fù)雜，現(xiàn)有安全控制體系下措施組織和協(xié)調(diào)難度大，需要重構(gòu)電網(wǎng)安全防御體系。特高壓交直流電網(wǎng)同送端不同受端、同受端不同送端多直流送電格局同時(shí)存在，使得電網(wǎng)薄弱斷面的穩(wěn)定形態(tài)更加復(fù)雜，控制措施的需求量大、種類多，防御范圍涵蓋多頻帶、多時(shí)間尺度、多控制資源，控制網(wǎng)絡(luò)化特征突出，協(xié)調(diào)難度大，突破了原有穩(wěn)控系統(tǒng)局部、分散的配置理念，需要重構(gòu)新的電網(wǎng)安全綜合防御體系。

1.2 構(gòu)建系統(tǒng)保護(hù)的關(guān)鍵問題

（1）大規(guī)模復(fù)雜電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的準(zhǔn)確評(píng)估問題。當(dāng)前特高壓交直流電力系統(tǒng)與傳統(tǒng)交流系統(tǒng)特征上存在顯著差異：①電源結(jié)構(gòu)上，以風(fēng)電、光伏為代表的新能源通過多層級(jí)變流變壓接入大電網(wǎng)，為維持新能源發(fā)電并網(wǎng)特性的廠站側(cè)柔性交流設(shè)備廣泛應(yīng)用；②電網(wǎng)結(jié)構(gòu)上，特高壓交直流、高壓柔性直流、特高壓分層接入等輸電技術(shù)廣泛應(yīng)用，遠(yuǎn)距離跨區(qū)輸電格局凸顯；③負(fù)荷結(jié)構(gòu)上，電力電子技術(shù)在負(fù)荷側(cè)廣泛應(yīng)用，新型負(fù)荷的頻率、電壓、諧波特性發(fā)生重大變化，如大量負(fù)荷呈現(xiàn)反頻率特性。源網(wǎng)荷側(cè)結(jié)構(gòu)的重大變化、電力電子設(shè)備及其控制系統(tǒng)的大量接入，物理系統(tǒng)的模型和控制規(guī)律更加多樣、復(fù)雜。系統(tǒng)中出現(xiàn)了新的擾動(dòng)形式（如多回直流換相失敗、再啟動(dòng)等）和穩(wěn)定形態(tài)（如次同步振蕩、超低頻振蕩等），故障的連鎖反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)加大。

（2）廣域多措施時(shí)序協(xié)調(diào)的控制策略制定問題。當(dāng)前特高壓交直流電網(wǎng)中即使是單一故障，其嚴(yán)重程度也可能很大，加之因常規(guī)機(jī)組被大量直流或新能源機(jī)組替代，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力被大大削弱，系統(tǒng)抗風(fēng)險(xiǎn)能力嚴(yán)重不足。以華東電網(wǎng)某一方式的仿真結(jié)果為例，當(dāng)直流大容量饋入時(shí)，若發(fā)生直流雙極閉鎖，電網(wǎng)頻率下跌會(huì)觸發(fā)華東電網(wǎng)低頻減載多個(gè)輪次動(dòng)作。

為了快速平息故障下的大擾動(dòng)沖擊，使得系統(tǒng)保持安全穩(wěn)定，新形態(tài)下的電網(wǎng)安全防御需要在數(shù)百毫秒內(nèi)快速抑制數(shù)百萬乃至上千萬千瓦有功能量對(duì)系統(tǒng)的沖擊。局部范圍的控制措施、單一的控制措施類型難以滿足控制需求。因此，首先需要挖掘現(xiàn)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(shí)間尺度動(dòng)態(tài)過程，研究協(xié)調(diào)有序、優(yōu)化精準(zhǔn)的控制策略。由于不同類型措施的響應(yīng)速度、作用范圍、控制量不同，局部范圍的控制還可能導(dǎo)致跨區(qū)域影響，因此，廣域多措施時(shí)序協(xié)調(diào)的控制策略制定構(gòu)建了系統(tǒng)保護(hù)的另一關(guān)鍵問題。

2 系統(tǒng)保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 全景狀態(tài)感知技術(shù)

基于廣域信息采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)重要元件、控制資源、控制裝置狀態(tài)和行為的全景感知，支持綜合分析評(píng)價(jià)和集中監(jiān)視告警。同時(shí)，為實(shí)時(shí)決策和協(xié)同控制提供信息支撐，為電網(wǎng)暫態(tài)特性和故障演化途徑分析提供基礎(chǔ)。需要研究系統(tǒng)保護(hù)本體運(yùn)行狀態(tài)、控制策略、可控資源，以及電網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定水平全時(shí)段監(jiān)視技術(shù)，研究多類信息有序存儲(chǔ)及高效共享技術(shù)，研究系統(tǒng)保護(hù)裝置錄波、相量測量單元（PMU）錄波和故障錄波構(gòu)成的三位一體全網(wǎng)同步錄波技術(shù)。

2.2 實(shí)時(shí)智能決策及多資源協(xié)同控制技術(shù)

基于全景狀態(tài)感知，進(jìn)行在線故障智能診斷和系統(tǒng)暫態(tài)特征綜合識(shí)別，對(duì)系統(tǒng)存在的問題定位和甄別，綜合考慮約束條件，結(jié)合就地與系統(tǒng)判據(jù)，實(shí)現(xiàn)控制分區(qū)、控制對(duì)象及控制量多目標(biāo)實(shí)時(shí)智能決策。進(jìn)一步，根據(jù)實(shí)時(shí)控制資源，進(jìn)行控制策略協(xié)調(diào)分解，實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷多類控制資源的緊急、有序、協(xié)同控制。需要研究基于故障事件與響應(yīng)信息的電網(wǎng)擾動(dòng)場景可靠、快速判別技術(shù)，研究適應(yīng)電網(wǎng)送受端協(xié)調(diào)的多穩(wěn)定約束、多變量混合優(yōu)化技術(shù)。

2.3 精準(zhǔn)負(fù)荷控制技術(shù)

傳統(tǒng)的切負(fù)荷控制技術(shù)，以切除主變壓器和高壓負(fù)荷線為主，對(duì)用戶影響大，可選擇容量小，實(shí)施困難，在目前政策和社會(huì)容忍的范圍內(nèi)，傳統(tǒng)的大規(guī)模切負(fù)荷已不具備實(shí)際應(yīng)用條件。精準(zhǔn)負(fù)荷控制技術(shù)，將控制對(duì)象細(xì)分到用戶，根據(jù)負(fù)荷特點(diǎn)、用戶意愿進(jìn)行精確匹配，具有點(diǎn)多面廣、選擇性強(qiáng)、對(duì)用戶用電影響小的優(yōu)勢，通過與傳統(tǒng)負(fù)荷控制系統(tǒng)協(xié)同作用，可滿足直流換相失敗和閉鎖故障對(duì)大量切負(fù)荷的客觀要求，是保障過渡期電網(wǎng)安全的最有效手段。

3 結(jié)語

隨著電網(wǎng)規(guī)模和源荷側(cè)不確定性不斷增大，電網(wǎng)故障形態(tài)與電網(wǎng)運(yùn)行方式更趨多樣化、復(fù)雜化和不確定性，需要加強(qiáng)在線預(yù)決策閉環(huán)控制、基于電網(wǎng)響應(yīng)信息的決策控制等系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)的深化研究和推廣應(yīng)用。