楊歡歡，付超，李詩旸，張建新，朱澤翔，邱建，吳為，黃磊，楊榮照，徐光虎，謝宇翔，劉宇明

(1. 中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣州510663；2. 直流輸電技術(shù)國家重點實驗室(南方電網(wǎng)科學(xué)研究院)，廣州510663)

0 引言

我國的能源資源分布極不均衡，二十世紀(jì)初國家提出了西部大開發(fā)戰(zhàn)略，部署了“西電東送”和“北電南送”輸電規(guī)劃，通過高壓交流和直流輸電將西部清潔能源送向東部負(fù)荷中心[1 - 3]。近20年來，南方電網(wǎng)建設(shè)貴州-廣西-廣東的交流通道，交流輸送容量約9.3 GW[4 - 7]；同期建設(shè)了13回西電東送直流輸電工程，直流輸送總?cè)萘繛?9.4 GW[4]；受端電網(wǎng)的外送電力占比約三分之一，實現(xiàn)了國家“西電東送”的戰(zhàn)略目標(biāo)。

文獻(xiàn)[8]從自然災(zāi)害、設(shè)備故障、電網(wǎng)管理模式和網(wǎng)絡(luò)攻擊4個方面分析了近30 a全球大停電事故發(fā)生原因，近些年的大停電事故次數(shù)明顯增多，如2018年以來巴西等多國相繼發(fā)生多起大停電事故，存在著由于穩(wěn)定控制系統(tǒng)不正確動作進(jìn)而引發(fā)的連鎖故障，從而導(dǎo)致大面積停電事故[9]。文獻(xiàn)[10]分析了2015年9月19日錦蘇特高壓直流發(fā)生雙極閉鎖后系統(tǒng)頻率特性，發(fā)現(xiàn)實際頻率響應(yīng)明顯弱于仿真結(jié)果以及經(jīng)驗認(rèn)識，需結(jié)合電網(wǎng)系統(tǒng)性試驗或擾動事件滾動校核和更新仿真模型參數(shù)。

按照電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則規(guī)定，穩(wěn)定控制系統(tǒng)(以下簡稱穩(wěn)控系統(tǒng))為第二級安全穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)[11 - 12]，在系統(tǒng)受到較為嚴(yán)重故障擾動后保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。一般而言，穩(wěn)定措施與控制對象均為基于事件的定制化策略，將隨著電網(wǎng)格局和系統(tǒng)特性不斷發(fā)生變化而變化，需對現(xiàn)場裝置檢驗、策略驗證和系統(tǒng)測試等各個環(huán)節(jié)提出更高的要求。

文獻(xiàn)[13]提到隨著特高壓交直流電網(wǎng)快速發(fā)展，我國電網(wǎng)特性正在經(jīng)歷前所未有的變化，當(dāng)前電網(wǎng)運行控制復(fù)雜程度前所未有，穩(wěn)控裝置設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化程度低，而電網(wǎng)運行高度依賴穩(wěn)控系統(tǒng)，亟需提高穩(wěn)控系統(tǒng)專業(yè)的運行管理水平。文獻(xiàn)[14]提到穩(wěn)控整組動作時間指從判出故障至最終裝置出口動作的時間，是穩(wěn)控系統(tǒng)設(shè)計和制造的重要指標(biāo)，需從系統(tǒng)角度明確的是從故障發(fā)生至控制措施執(zhí)行到位的時間。

隨著穩(wěn)控系統(tǒng)規(guī)模日益龐大，而如何確保實際故障發(fā)生后穩(wěn)控系統(tǒng)能準(zhǔn)確可靠動作一直困擾著調(diào)度運行人員。為此，本文對傳動試驗對象選取原則進(jìn)行研究，以南方電網(wǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)為例設(shè)計了穩(wěn)控系統(tǒng)在實際系統(tǒng)中檢測流程和傳動試驗方案，為穩(wěn)控系統(tǒng)測試提供了科學(xué)性高保真試驗方法，以提升電網(wǎng)抵御嚴(yán)重故障的能力。

1 南方電網(wǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)介紹

1.1 南方電網(wǎng)直流通道穩(wěn)控系統(tǒng)介紹

依據(jù)南方電網(wǎng)目標(biāo)網(wǎng)架規(guī)劃建設(shè)[15]，南方電網(wǎng)規(guī)模和輸電通道容量建設(shè)不斷增大，不同發(fā)展過程中系統(tǒng)穩(wěn)定特性隨之變化，針對不同系統(tǒng)特性下的穩(wěn)定控制措施也需不斷優(yōu)化。截止到2020年底，南方電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)共建設(shè)了13回直流輸電工程，各直流通道分布情況如圖1所示。云南、貴州電網(wǎng)為直流送出地區(qū)，廣東、廣西電網(wǎng)為直流受入地區(qū)，云南電網(wǎng)與南方電網(wǎng)主網(wǎng)為交流異步聯(lián)網(wǎng)運行。

圖1 南方電網(wǎng)直流輸電通道示意圖Fig.1 Illustration diagram of HVDC ties in CSG

直流輸電通道的主要穩(wěn)定問題為，云南送出直流閉鎖故障后不平衡功率導(dǎo)致的送受端電網(wǎng)頻率越限問題，貴州送出直流閉鎖后直流功率轉(zhuǎn)移至交流通道導(dǎo)致的交流通道樞紐站電壓低、線路過載問題，直流換流站近區(qū)交流故障導(dǎo)致的機組功角失穩(wěn)、元件過載問題。

針對以上穩(wěn)定問題，南方電網(wǎng)所有直流工程均配置了直流穩(wěn)控系統(tǒng)，詳細(xì)情況如表1所示。主要穩(wěn)定控制功能為直流極閉鎖送端切除機組、受端切除負(fù)荷，送端交流線路故障切除機組，受端交流線路故障閉鎖或限制直流功率等。

表1 南方電網(wǎng)直流工程安全穩(wěn)定控制配置情況Tab.1 Deployment of stability control systems associated to HVDC projects in CSG

1.2 南方電網(wǎng)交流通道穩(wěn)控系統(tǒng)建設(shè)

南方電網(wǎng)西電東送交流通道主要為貴州-廣西-廣東的500 kV交流通道，主要交流通道分布情況如圖2所示。目前貴州電網(wǎng)與廣西電網(wǎng)為5回500 kV交流線聯(lián)系，廣西電網(wǎng)與廣東電網(wǎng)為8回500 kV交流線聯(lián)系。

圖2 南方電網(wǎng)西電東送交流輸電通道示意圖Fig.2 Illustration diagram of HVAC ties in CSG

根據(jù)南方電網(wǎng)運行方式安排[16 - 17]，貴州至廣西有5回交流輸電通道，廣西至廣東有8回交流輸電通道。主要穩(wěn)定問題為交流通道雙回線路故障后送出端機組功角失穩(wěn)、平行斷面線路過載、通道上樞紐站電壓低等，針對上述穩(wěn)定問題均配置了交流通道區(qū)域穩(wěn)控系統(tǒng)，主要穩(wěn)定控制為切除送出地區(qū)機組或者回降近區(qū)直流功率等措施。

2 穩(wěn)控系統(tǒng)高保真試驗方法

2.1 穩(wěn)控系統(tǒng)運行檢測流程

為確保投運穩(wěn)控系統(tǒng)功能正確、可靠，符合穩(wěn)定控制策略的設(shè)計預(yù)期，本文依照南方電網(wǎng)對穩(wěn)控系統(tǒng)構(gòu)建及實施要求[17]，針對主網(wǎng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的運行檢測提出了4步檢測方法，其設(shè)計流程如圖3所示。

當(dāng)穩(wěn)控系統(tǒng)構(gòu)建和穩(wěn)控策略表設(shè)計完成后，以上4步檢測方法流程如下。

第1步：穩(wěn)控裝置出廠靜態(tài)試驗，主要根據(jù)策略設(shè)計功能、程序邏輯和硬件基礎(chǔ)功能進(jìn)行系統(tǒng)性檢驗。

第2步：穩(wěn)控系統(tǒng)實時仿真動態(tài)試驗，針對穩(wěn)控系統(tǒng)和與其強相關(guān)的控制系統(tǒng)(如直流控制保護(hù)系統(tǒng))的信息交互、故障后一二次系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，檢驗穩(wěn)定控制策略及程序合理性。

圖3 穩(wěn)控系統(tǒng)運行檢測流程圖Fig.3 Admittance testing procedure of stability control system

第3步：穩(wěn)控系統(tǒng)現(xiàn)場聯(lián)合測試，在與一次系統(tǒng)安全隔離環(huán)境下，對實際穩(wěn)控裝置之間、穩(wěn)控系統(tǒng)與其他系統(tǒng)裝置之間的接口和通信進(jìn)行測試，對策略功能進(jìn)行跨站協(xié)同驗證，對現(xiàn)場運行、檢修及相關(guān)安自專業(yè)人員進(jìn)行培訓(xùn)，實現(xiàn)新物理裝置及其配套運行管理的無縫嵌入。

第4步：穩(wěn)控系統(tǒng)高保真?zhèn)鲃釉囼?，前?步檢驗的對象主要是穩(wěn)控系統(tǒng)本身，觀察、測試范圍始終限于二次系統(tǒng)。本步驟在實際運行中測試穩(wěn)控系統(tǒng)功能，從系統(tǒng)狀態(tài)感知到命令執(zhí)行、消息傳報的整個信息鏈上驗證所有一、二次設(shè)備的正確行為?？紤]到第4步試驗行為涉及到實際電網(wǎng)運行狀態(tài)，試驗結(jié)果也將影響著電網(wǎng)運行，需對試驗方案、選取原則、試驗步驟進(jìn)行重點分析。

2.2 穩(wěn)控系統(tǒng)高保真?zhèn)鲃釉囼灧桨冈O(shè)計

2.2.1 穩(wěn)控系統(tǒng)實際動作情況分析

以2020年為例，南方電網(wǎng)發(fā)生了楚穗、新東、興安等直流雙極閉鎖故障，配套穩(wěn)控系統(tǒng)策略均正確動作響應(yīng)，具體情況如表2所示。穩(wěn)控系統(tǒng)不能正確動作也是事故擴(kuò)大發(fā)展的重要原因，如文獻(xiàn)[9]中提及的巴西大停電事故中，通過對事件中穩(wěn)控系統(tǒng)拒動進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果表明在大功率閉鎖事件中若穩(wěn)控拒動易導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)或者大面積停電事故的嚴(yán)重后果。

為了保證穩(wěn)控系統(tǒng)在受嚴(yán)重擾動故障后能夠正確可靠動作，針對重要區(qū)域穩(wěn)控系統(tǒng)開展實際系統(tǒng)的高保真?zhèn)鲃釉囼?，需科學(xué)地提出試驗范圍、設(shè)計方案、試驗方法等原則。

表2 2020年南方電網(wǎng)發(fā)生的直流雙極閉鎖事件表Tab.2 Events of bi-polar blocking in CSG in 2020

2.2.2 試驗對象選取原則研究

南方電網(wǎng)一直以來非常重視系統(tǒng)性試驗效果，如網(wǎng)架特性發(fā)生重大變化時設(shè)計系統(tǒng)性試驗進(jìn)行高保真驗證[18 - 19]。為此，本節(jié)針對南方電網(wǎng)主網(wǎng)層面上重要區(qū)域穩(wěn)控系統(tǒng)傳動試驗對象選取原則進(jìn)行研究，選取原則上考慮網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變化、系統(tǒng)穩(wěn)定風(fēng)險、社會影響等方面，主要原則結(jié)果如表3所示。符合以上原則的，但年度內(nèi)已發(fā)生過事件事故并觸發(fā)穩(wěn)控策略正確動作過，不再考慮該穩(wěn)控系統(tǒng)作為試驗對象。

表3 穩(wěn)控系統(tǒng)試驗對象選取原則Tab.3 Criteria for choosing testing stability systems

2.2.3 試驗方案設(shè)計原則研究

穩(wěn)控系統(tǒng)傳動試驗方案設(shè)計原則從系統(tǒng)安全、試驗責(zé)任、操作步驟、高保真等方面進(jìn)行原則研究，主要結(jié)果如表4所示。從4個維度進(jìn)行原則考慮，以系統(tǒng)安全風(fēng)險可控為前提條件，對每個試驗步驟應(yīng)明確行為主體和簡化試驗操作，盡可能真實地模擬試驗穩(wěn)控系統(tǒng)所設(shè)防的預(yù)想故障。

表4 高保真?zhèn)鲃釉囼灧桨冈O(shè)計原則Tab.4 Test scheme design criteria for HWFTs

2.2.4 傳動試驗方法及步驟

根據(jù)穩(wěn)控系統(tǒng)傳動的試驗對象選取、方案設(shè)計原則，從試驗方法選擇、控制對象、試驗步驟及風(fēng)險評估4個方面進(jìn)行傳動試驗方法研究，主要試驗步驟如圖4所示。針對需傳動的策略功能確定試驗范圍和系統(tǒng)邊界條件，如直流閉鎖容量、控制范圍等；在此基礎(chǔ)上選擇試驗方法和確定控制對象；形成試驗步驟，并針對試驗成功或失敗的系統(tǒng)穩(wěn)定影響及風(fēng)險預(yù)案，最后根據(jù)試驗結(jié)果形成試驗分析報告。

圖4 傳動試驗方法及步驟流程圖Fig.4 Section flow chat of test scheme

3 穩(wěn)控系統(tǒng)傳動試驗案例設(shè)計

在2020年南方電網(wǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)傳動試驗案例設(shè)計中，根據(jù)表3中對象選取原則1，楚穗、普僑、新東、牛從直流容量均超過5 000 MW[20 - 21]，需選擇開展傳動試驗，同時楚穗、新東已實際發(fā)生過雙極閉鎖事件，因此選擇普僑、牛從直流開展傳動試驗。試驗方法選擇上采用人工按下?lián)Q流站主控室ESOF按鈕的方式真實閉鎖直流，控制對象選取上被切機組開機需大于投運功率和避開機組振動區(qū)，試驗方案設(shè)計見表5所示。

表5 2020年穩(wěn)控系統(tǒng)高保真?zhèn)鲃釉囼烅椖勘?原則1)Tab.5 List of HWFTs for stability systems in 2020 (chosen by Criterion One)

根據(jù)表3中對象選取原則2，昆柳龍、祿高肇多端直流穩(wěn)控系統(tǒng)均為2020年新建工程，工程建設(shè)期間近區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定特性變化顯著[22 - 23]，結(jié)合新建工程實際建設(shè)情況，分別選擇兩端模式和三端模式下的穩(wěn)控傳動試驗。試驗方法為：直流故障采用人工按下?lián)Q流站主控室ESOF按鈕閉鎖直流，交流故障通過預(yù)設(shè)試驗定值的方法進(jìn)行模擬線路跳閘，不實際跳閘運行線路；試驗控制對象優(yōu)先選取切泵負(fù)荷，同時考慮切負(fù)荷的社會影響，在負(fù)荷執(zhí)行站切除模擬線路開關(guān)，試驗中僅跳開空載線路開關(guān)，試驗方案設(shè)計如表6所示。

根據(jù)試驗對象選取原則3，貴州交流北通道存在雙線跳閘后系統(tǒng)功角失穩(wěn)問題；根據(jù)選取原則4，牛從直流受端穩(wěn)控系統(tǒng)需切除廣州地區(qū)負(fù)荷。試驗方法為：試驗中交流線路跳閘會破壞系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，考慮通過預(yù)設(shè)試驗定值的方法進(jìn)行模擬線路跳閘，不實際跳閘運行線路；試驗控制對象采取在負(fù)荷執(zhí)行站切除模擬線路開關(guān)，不實切用戶真實負(fù)荷，具體試驗方案設(shè)計如表7所示。

表6 2020年穩(wěn)控系統(tǒng)高保真?zhèn)鲃釉囼烅椖勘?原則2)Tab.6 List of HWFTs for stability systems in 2020 (chosen by Criterion Two)

表7 2020年穩(wěn)控系統(tǒng)高保真?zhèn)鲃釉囼烅椖勘?原則3和4)Tab.7 List of HWFTs for stability systems in 2020 (chosen by Criterion Three and Four)

通過以上對2020年南方電網(wǎng)主網(wǎng)層面穩(wěn)控系統(tǒng)傳動試驗方案設(shè)計，主要包括直流閉鎖切機、交流故障切機或回降直流、三端直流切機切負(fù)荷等8項傳動試驗。在試驗期間的系統(tǒng)條件選取上，適當(dāng)調(diào)高系統(tǒng)備用容量，如直流閉鎖試驗前，調(diào)整送端頻率在50 Hz以下、受端頻率在50 Hz以上，選擇在負(fù)荷運行較為平穩(wěn)期間進(jìn)行試驗，并提前準(zhǔn)備試驗失敗的應(yīng)急處置預(yù)案；在試驗時間選取上，一般結(jié)合一次系統(tǒng)的檢修計劃進(jìn)行時間安排，如普僑直流需停電檢修，可通過手動閉鎖直流傳動試驗使得直流停運；試驗數(shù)據(jù)分析選取上，為滿足系統(tǒng)響應(yīng)全過程分析要求，在試驗期間要求各站穩(wěn)控裝置進(jìn)行GPS對時，對直流控保系統(tǒng)、樞紐站、電廠等收集動作報文和錄波數(shù)據(jù)。

4 傳動試驗實際結(jié)果分析

4.1 穩(wěn)控系統(tǒng)傳動試驗過程分析

根據(jù)第3節(jié)設(shè)置的試驗項目分別開展8項穩(wěn)控系統(tǒng)的傳動試驗，驗證了一次、二次系統(tǒng)均能正確執(zhí)行相關(guān)穩(wěn)控策略。穩(wěn)控系統(tǒng)傳動過程以試驗項目8為例進(jìn)行說明，主要過程如圖5所示，2020年6月23日18時17分06秒750毫秒(絕對時間)，在從西換流站模擬從門雙線跳閘，并以此作為相對時間0 ms的試驗開始時間。

圖5 試驗項目8的命令傳遞過程圖Fig.5 Command passing in test No.8

1.6 傳動試驗的動作行為分析

在實際傳動試驗中考慮到故障擾動對系統(tǒng)風(fēng)險，一般情況下對系統(tǒng)穩(wěn)定影響較小，本文試驗過程中各站點的動作行為及響應(yīng)情況進(jìn)行重點分析?？紤]項目8的控制對象中有直流降功率和切負(fù)荷措施，動作行為情況更加全面，下文將對項目8的動作行為進(jìn)行具體分析。

直流控保動作行為：25 ms后(相對時間)直流控保收到功率限制命令，在執(zhí)行回降直流時需將直流功率由5 600 MW降到4 500 MW，直流回降速率設(shè)置為1 000 MW/s，從直流功率動作至回降到目標(biāo)值的時間為1 131 ms，在整組時間1 168 ms后達(dá)到直流功率限制目標(biāo)，動作時間如圖6所示。

圖6 試驗項目8的直流控制動作時間圖Fig.6 Action sequence of HVDC control system in test No.8

切負(fù)荷動作行為：10 ms后(相對時間)木棉站收到雙線跳閘命令，210 ms后(相對時間)木棉站滿足電壓防誤定值(設(shè)置為200 ms)后發(fā)出聯(lián)切負(fù)荷命令至永福站。218 ms后(相對時間)永福站收到木棉站的一輪切負(fù)荷命令，280 ms后(相對時間)被切線路開關(guān)由合位變?yōu)榉治?，動作時間可如圖7所示。

圖7 試驗項目8的切負(fù)荷控制動作時間圖Fig.7 Action sequence of load shedding control in test No.8

試驗項目8的主要站點穩(wěn)控裝置詳細(xì)動作情況見表8所示。

本文設(shè)計的8項穩(wěn)控系統(tǒng)傳動試驗的主要試驗結(jié)果如表9所示，各項目的傳動試驗結(jié)果表明，試驗涉及的穩(wěn)控系統(tǒng)動作行為均與預(yù)想結(jié)果一致，試驗達(dá)到預(yù)期效果。

表8 試驗8的各站點穩(wěn)控裝置動作時間表Tab.8 Action/reaction time in test No. 8

通過對各試驗項目中的穩(wěn)控系統(tǒng)動作時間進(jìn)行相對比較，對各切機、切負(fù)荷執(zhí)行站的動作響應(yīng)時間進(jìn)行統(tǒng)計分析。在兩端直流極閉鎖試驗中，如項目1、項目2等，整組動作完成時間范圍在91～125 ms；在三端直流極閉鎖試驗中，如項目4、項目6，整組動作完成時間范圍在150～180 ms ；在交流故障試驗中采用試驗定值方法模擬線路跳閘，如項目7整組動作完成時間96 ms，項目8中在執(zhí)行回降直流功率完成時間較長。

根據(jù)以上分析結(jié)果得知，在兩端直流閉鎖試驗中，由于直流送受端功率信息完全對稱，通過送受端換流站的穩(wěn)控裝置采集的故障信息較完備，判別故障時間相對較快；而三端直流閉鎖試驗中，僅通過送受端換流站的穩(wěn)控裝置來判別直流損失功率比較困難，需依賴直流控制保護(hù)系統(tǒng)傳遞直流目標(biāo)功率等信息后再進(jìn)行綜合判別，故直流判別功率損失時間較兩端穩(wěn)控系統(tǒng)增加約50 ms；在線路故障試驗中，采用試驗定值模擬觸發(fā)穩(wěn)控策略，由于一次系統(tǒng)無故障動作過程，整組動作時間相對較快。

表9 穩(wěn)控系統(tǒng)高保真?zhèn)鲃釉囼烅椖拷Y(jié)果分析表Tab.9 Results analysis list of HWFTs

5 結(jié)語

本文基于南方電網(wǎng)主網(wǎng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)高保真?zhèn)鲃釉囼炐枨?，提出了試驗項目范圍的選取原則，對不同類型安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的傳動試驗方案進(jìn)行設(shè)計，檢驗了穩(wěn)定控制策略、程序合理性以及一次/二次系統(tǒng)響應(yīng)正確性。

近十年來南方電網(wǎng)主網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的動作正確率為100%，形成為一道強有力的安全防線。通過每年的高保真?zhèn)鲃釉囼?，提高了安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)運行的可靠性，為國內(nèi)外安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的功能及策略設(shè)計提供了分析手段和依據(jù)，為保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行提供了技術(shù)支撐。