适应电网与仿真技术发展的交直流电网动态等值

胡涛，朱艺颖，李芳，习工伟，刘翀，王薇薇，董鹏

(中国电力科学研究院，北京市100192)

0 概述

在电力系统研究领域中，动态等值是复杂电力系统计算分析中的一个重要课题。研究这一课题的必要性在于:在电力系统分析中，往往只对某一区域感兴趣，而忽略其他区域，这有助于突出主要矛盾，抓住感兴趣的区域进行详细研究［1］。通过对复杂电力系统进行有效的动态等值，用等值系统的研究取代原系统的研究，在保证必要的精度条件下，可极大地节省人力物力，提高工作效率。

动态等值主要应用于电力系统的机电暂态稳定计算，其等值目的是保证等值前后研究系统在大扰动下的暂态和动态性能基本能够得到保持，常用的动态等值法可以分为3类［2-3］:模态等值、同调等值、估计等值。

模态等值［4-5］是一种基于线性系统分析的方法，其保留待简化系统的起主导作用的特征值，略去次要特征值，从而简化系统阶次。但由于其等值的前提是外部系统的线性化，因此对于扰动过大或靠近等值边界点的故障，会造成较大的误差。

同调等值 是根据发电机在某种确定的干扰下，在一定时间段内的暂态过程中具有相同形式的摇摆这一原则划分同调机群，并在此基础上进行网络的化简和发电机的聚合。在实际应用中，同调等值法比较依赖研究人员的个人经验。

估计等值［8-9］主要应用于外部系统结构和参数不清楚的情况下，需要通过现场实测或在外部系统施加扰动，用参数识别的方法或估计法求取等效系统参数。

上述3类等值方法中，估计等值法主要用于在线应用;而在离线仿真中，同调等值法得到了广泛的实际应用，是目前实际工程中通常采用的一种等值方法。

1 特高压交直流电网的发展

1981年，中国建成第1条 500 kV线路(平顶山—武汉)［10］，开始了以 500 kV输电线为骨干的大区电网建设，500 kV线路逐步成为各地区电网的骨架和跨省跨地区的联络线。

在以500 kV为骨干网架的发展阶段，国内的电网结构主要有以下特征:各省内部逐渐形成500 kV环网，220 kV线路逐步解环运行;各省之间以500 kV线路作为跨区联络线;通过直流远距离输电或背靠背输电，形成了西北电网、华中电网、华北电网、华东电网和东北电网之间的异步联网。在此阶段，直流输电系统数量较少，且直流电压水平和输送容量都较低，以±500 kV电压和3 000 MW功率为主。

这一时期的电网结构如图1所示。图中，大区电网之间通过超高压直流输电系统实现异步联网，大区电网中各省网之间通过500 kV联络线实现连接。

图1 500 kV为骨干网架时的电网结构Fig.1 Grid structure of 500 kV period

2009年1月6日首个1 000 kV晋东南—南阳—荆门特高压交流工程投入运行［11］，自此国家电网进入了以1 000 kV特高压交流为骨干网架的电网建设阶段。

2013年9月25日，皖电东送“淮沪”交流特高压线路投入商业运行，这是“华东特高压环网”中的“南半环”，即淮南—浙北—上海工程，“北半环”即淮南—南京—上海扩建工程目前正在进行中，预计2016年投运。待全部建成后，将在长江三角洲地区形成一个特高压环网。按照电网发展规划，未来将形成一个以1 000 kV交流特高压线路为骨干网架的“华北—华中—华东”三华同步电网，各区电网之间联系紧密，互为支援。

在此阶段，特高压直流输电得到了快速发展，自2010年7月8日国家电网首条特高压向上直流工程投运以来，目前国网公司已经建设了向上、锦苏、哈郑、溪浙等4回特高压直流输电系统，灵绍特高压直流即将于2016年初投运。特高压直流输送电压和输送容量都较高，目前以±800 kV电压及6 000～8 000 MW功率为主。

随着特高压电网的建设，目前国家电网逐步形成了各区域电网或省网互联的特高压交流同步网架，同时系统中包含多个超、特高压直流输电系统，形成了交/直流并列运行和受端直流多馈入的格局［1-3］。

这一时期的电网结构如图2所示，图中较粗线条表示特高压交直流线路。由图2可知，各大区电网之间通过1 000 kV特高压交流联络线及超/特高压直流输电系统形成了一个交直流并列运行的大规模同步电网;且各大区电网内部构建了1 000 kV的骨干网络，省网之间的联系更加紧密，模糊了区内和区外的概念。

图2 1 000 kV为骨干网架时的电网结构(规划)Fig.2 Grid structure of 1 000 kV period(planed)

2 新条件下的等值原则

在500 kV骨干网架发展阶段，由于各网省电网之间仅通过几回500 kV线路互联，其电气联系并不紧密;且由于直流输送容量较小，这个时期的交直流相互作用并不太强烈。因此这一时期的等值研究，通常只需做区外等值即可:如假定浙江电网为研究区域，则仅需保留浙江省内主要网架结构，以及浙江与江苏、安徽、上海、福建4省之间的500 kV联络线，而把江苏、安徽、上海、福建电网作为区外电网等值消去即可。

如此实现的等值简化电网，对地区电网内部的研究具有较高的准确度。在早期各网省调通常即采用这种方式，将区外电网进行化简，实现各自辖区内电网的仿真研究应用。

当电网发展至目前的特高压交直流并列运行格局，原有的区外等值方法不再适用。首先，通过特高压交流联络线将各区电网连接为一个大的同步电网，各区之间电气联系紧密，某个地区电网发生的故障，可能影响到其他地理距离较远的地区，难以对区内和区外进行明显区分，因此可能需要保留整个大区的主要网架结构;而由于直流输送容量的提高，直流输电系统对交流故障的响应特性对于交直流混联电网的安全稳定具有重要的影响，因此直流换流站附近的交流网架亦需要较详细地保留，以使得直流输电系统在电网故障时能够正确响应，该需求在华东直流多落点地区尤为突出。

由此，从交流网架和直流输电系统研究等两个方面，都提出了对等值电网保留区域规模扩大的需求。而过大的保留区域，又违背了等值研究的初衷，或在实际工程应用中可能难以实现，因此，需要研究新形势下的等值研究方法。

对于电网的仿真，目前机电暂态程序已经可以做到3万节点以上规模，且常用的电脑配置已经可以满足快速仿真的要求，从仿真效率和仿真准确度2个方面综合考虑，已无需对原始网络进行等值化简。

现有的等值应用，主要用于电磁暂态实时仿真。在电磁暂态仿真中，可以详细模拟直流输电系统的响应特性，对电网暂态条件下交直流系统的相互影响进行更深入的研究;此外，为了外接物理直流控制保护装置，或其他用于交直流混联电网的新型控制装置，需要一个实时运行的电磁暂态交直流电网模型。目前所有的全数字实时仿真装置从设计之初，包括RTDS、HYPERSIM和ADPSS等，均不能达到极大规模电网的纯电磁暂态仿真应用，因而必须对原始网络进行等值化简。

全数字实时仿真装置的仿真规模受到仿真平台的硬件规模及硬件性能制约，其仿真规模将随着硬件规模的扩充及硬件性能的提高而增大。以

为例，其仿真能力随着其所基于高性能服务器SGI的性能提升而提升(SGI是美国硅图公司的简称，同时也是其所生产的高性能服务器的名称，是世界上最优秀的高性能服务器之一)。如电力系统数模混合仿真中心第2期工程购买的Altix4700型号SGI，其每个CPU配置为双核，而第3期工程购买的SGI-UV2000，其每块 CPU配置达到8核，且由于CPU主频以及通信速度的提高，经实验室仿真测试，每个CPU的仿真能力达到了Altix4700每个CPU仿真能力的8倍左右。

因此，随着硬件技术的发展，基于新型SGI的HYPERSIM全数字实时仿真平台与之前相比，具备了对更大规模电网的仿真能力，可以从一定程度上适应目前大规模交直流同步混联电网的实时仿真需求，其他全数字实时仿真装置也具有相类似的发展趋势。从充分发挥全数字实时仿真装置仿真能力，并尽可能准确地保留原始电网暂态特性角度出发，可以根据实际仿真能力放宽对等值规模的要求。

综上所述，根据新时期的电网结构特点并结合近年全数字实时仿真装置的仿真能力，本文提出新条件下等值研究的基本原则，如下所述:

(1)保留1 000 kV交流骨干网架，使得系统的主要电气特性得以保留。

(2)保留系统中主要的直流输电系统，特别是直流比较密集的华东多馈入地区或送端电气距离相距较近的直流输电系统。

(3)保留直接接入1 000 kV网架的发电机组，以及保留区域中直接接入500 kV网架的主力机组;对330，220 kV及以下电压等级的发电机组进行等值合并。

(4)对于华东直流多馈入地区、华中或西北的直流送端站密集地区，需要保留直流换流站所连接电压等级的交流网架结构。通常对于西北电网，主要指的是750 kV交流网架;对于华北、华中、华东电网，则指的是500 kV交流网架。

(5)通常情况下，对330，220 kV及以下电压等级的交流网络进行等值化简。

从上述原则可以看出，针对新时期的电网结构特点，提出的等值研究方法由传统的区外等值，发展为根据电压等级决定的分层式区内等值。此处提到的区内等值，指的是在某研究区域内部，高电压等级电网得到保留，而低电压等级电网被等值消去。根据此等值原则实现的等值电网，其规模将会大于传统方法实现的等值电网，匹配近年来仿真能力得到大幅提高的全数字实时仿真装置，在工程实际应用上是可行的。

3 华东电网等值研究应用

华东电网包括华东地区的上海、江苏、安徽、浙江和福建四省一市。目前，华东电网已建成华东特高压环网的南半环(淮南—浙北—上海)，以及特高压环网南延线(浙北—浙中—浙南—福州)，并通过7回超/特高压直流输电系统与华北—华中电网异步联网。7回馈入华东直流在上海、江苏形成了直流多馈入系统，相互之间电气联系紧密，在交流系统故障时交互作用较强。

华东电网结构如图3所示，其中较粗线条为1 000 kV交流线路，较细线条为500 kV交流线路，直流输电系统用名称进行标注。馈入华东电网的直流输电系统如表1所示。

为了对华东直流多馈入地区的交直流电网暂态稳定特性进行实时仿真研究，本文采用上节所述原则对华东电网进行了等值简化，提出的详细等值研究方案如下:

图3 2015水平年华东电网结构Fig.3 Structure of 2015 East China power grid

表1 落点华东直流列表Table 1 HVDC systems feeding into East China power grid

(1)由于上海电网规模相对较小，直流馈入比较密集，原始网架全部保留，与BPA中的网架一致，不予等值化简;

(2)江苏、浙江、安徽、福建4省保留全部500 kV站及1 000 kV站网架，包括全部主变及出线;

(3)对江苏、浙江、安徽、福建4省的220 kV及以下电压等级网架进行等值化简，等值电网中保留了部分220 kV主要联络线;

(4)对江苏、浙江、安徽、福建、上海四省一市的所有发电机进行等值合并，主要按照相同电厂相同类型发电机组进行合并，接入220 kV网架的电厂可适当进行合并;

(5)保留全部7回馈入华东超/特高压直流输电系统，其中特高压直流3回，常规直流4回。

采用同调等值法对华东原网进行等值计算，等值前后的电网规模对比如表2所示。由表2可以看到，等值后的系统规模约为原网的1/3。

表2 等值前后电网规模比较Table 2 Grid scale comparison between before and after equivalence

图4和图5所示为苏北电网等值前后比较图，可以看到，等值工作基本消去了220 kV及以下低电压等级。

对等值前后的潮流结果进行对比，部分对比结果如表3、表4所示。由表3和表4可知，等值后的电网很好地保证了原网潮流基本不变。

图4 等值前苏北电网Fig.4 North-Jiangsu grid before equivalence

图5 等值后苏北电网Fig.5 North Jiangsu grid after equivalence

表3 等值前后线路功率比较Table 3 Comparison of line power before and after equivalence

表4 等值前后母线电压比较Table 4 Comparison of bus voltage before and after equivalence

图6至图9所示为华东电网等值前后的暂态特性比较。故障1为在浙江电网与江苏电网之间的瓶窑—武南500 kV联络线武南侧发生三相永久短路故障;故障2为在上海电网与江苏电网之间的徐行—太仓500 kV联络线徐行侧发生三相永久短路故障。

图6 故障1时皖南—浙北线路有功功率对比Fig.6 Comparison of Wannan-Zhebei active power under fault 1

图7 故障1时皖南站母线电压对比Fig.7 Comparison of Wannan station bus voltage under fault 1

图8 故障2时皖南—浙北线路有功功率对比Fig.8 Comparison of Wannan-Zhebei active power under fault 2

图9 故障2时皖南站母线电压对比Fig.9 Comparison of Wannan station bus voltage under fault 2

从故障仿真结果波形看，等值电网很好地保留了原网的暂态及动态特性。

4 结论

随着特高压交直流电网的建设，同步电网规模日益扩大，各区域电网之间联系愈加紧密。对于新的以1 000 kV特高压交流线路为骨干网架，同时系统中包含多回特高压直流输电系统的电网结构，等值研究难以对区内电网和区外电网进行划分。

随着全数字实时仿真装置仿真能力的提高，能够仿真的电网规模也随之扩大，放宽了对等值研究的规模要求。

综合以上条件，本文提出了新形势下等值研究的区内等值等基本原则，并在2015水平年华东电网的等值研究上得到应用。对2015水平年华东电网等值研究的结果表明，采用该等值原则，可以有效地缩减仿真电网规模，并很好地保证等值化简后的电网潮流及暂态特性。

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