特高压电网运行与控制研究综述

马 坤，叶 鹏,李家珏，韩 月，张 涛

(1.沈阳工程学院电力学院，辽宁 沈阳 110136；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)



特高压电网运行与控制研究综述

马 坤1，叶 鹏1,李家珏2，韩 月2，张 涛2

(1.沈阳工程学院电力学院，辽宁 沈阳 110136；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

随着特高压工程的开展和推进，大容量特高压交直流输电工程不断增加，给现代电网带来深刻变化。围绕特高压电网运行与控制问题，从电网功率控制与优化、电网稳定性与控制、系统保护与控制、故障分析等方面综述和分析了特高压电网的理论研究动态和工程应用技术，提出今后的重点研究方向和技术发展趋势，为特高压电网规划、调度、运行与控制提供理论和技术参考。

功率控制与优化；输电能力；最优潮流；电磁环网；无功优化；稳定与控制；保护与控制；故障分析

我国能源资源与负荷中心呈逆向分布，特别是重要的水电、煤电基地距离负荷中心较远，大规模的水能、风能和太阳能等清洁能源有待进一步开发。为实现我国能源资源的优化配置，我国有必要发展特高压输电，建设国家坚强智能电网[1-5]。围绕特高压输电，尤其是在交流输电方面，国际上从19世纪60年代就开展了大量的研究，前苏联建成工业实践性工程，日本建成实证试验站，美国、意大利和中国也进行了一系列研究，取得了一批重要成果[1]。

随着特高压电网的发展以及输电通道建设的不断推进，我国电网将发展成为特高压交直流联系紧密，一体化特征不断加强，运行方式多样的交直流混联电网[6-7]。我国电网是世界上唯一同时运行的特高压交直流混联电网，其运行方式、动态特性将更为复杂，对电网的运行与控制提出了新的挑战。

本文围绕特高压电网运行与控制问题，从电网功率控制与优化、电网稳定性与控制、系统保护与控制、故障分析等方面综述和分析了特高压电网的理论研究动态和工程应用技术，提出今后的重点研究方向和技术发展趋势，为特高压电网规划、调度、运行与控制提供理论和技术参考。

1 特高压交流电网运行与控制

特高压交流输电具有输电容量大、输送距离远、损耗低、节省输电走廊等显著优势，而原有输电线路越来越接近其安全稳定运行极限，为保证特高压电网正常运行，有必要对影响电网安全稳定运行的因素进行研究。

1.1 特高压交流电网功率控制和优化

特高压交流电网大规模功率转移将会对低一级线路造成突出的过载问题。特高压互联电网的频率稳定与有功平衡，无功的合理分布与电压的稳定有着直接关系。因此，通过对电网的功率控制和优化，使潮流合理分布对电网的安全、稳定、经济运行具有重要的现实意义。

交流系统的输电能力是指在保持系统经济和稳定运行的条件下，一定距离的输电线路具有的最大输送功率。影响特高压交流输电的因素具有多样性，文献[8]分析了两端交流系统对交流输电系统输电能力和运行特性的影响，提出了两不同交流系统短路比对输电能力的影响，短路比越大输送能力越强。文献[9]建立了特高压输电系统功率传输模型，分析了影响输电能力的因素，提出应在中间开关站加装SVC、线路串联电容补偿和线路串联补偿加可控串联电容补偿等先进技术来提高特高压系统的输电能力。

随着特高压电网的发展，电力系统会形成单个或数个电磁环网，随之而来的系统稳定性破坏及电压水平下降等问题将会更加突出。通过对潮流分布和输电断面进行评估，文献[10-12]分析了特高压电磁环网的解合环原则、开环方案及优化决策。最优潮流问题是特高压电网运行与控制决策中的重要问题，同时是电网规划与稳定性分析的重要前提。针对特高压交流电网的运行，文献[13-14]提出了求解最优潮流的新算法，提出了考虑暂态稳定和短期电压稳定的最优潮流模型并采用直接多重打靶法和简约空间内点法数值优化算法进行求解，文献[14]提出了免疫遗传算法与内点法相结合的算法。文献[15]分析了最优潮流在电力系统中的最新应用。目前对于最优潮流的研究多集中于大规模高压/高压交直流混合电网，虽然所得出的结论和优化算法对特高压交流电网具有很强的适用性，但是可能存在一些不足。因此，为保证特高压电网安全、可靠、经济运行，对特高压交流系统最优潮流的研究是很有必要的。

无功补偿是维持电网电压稳定水平的重要手段，如何快速补偿电力系统的无功是特高压电网运行中亟待解决的重要问题。大容量远距离特高压交流输电系统充电功率大，无功电压控制相对困难，文献[16-17]研究了基于经济压差无功潮流和保证电压不越限的特高压电网无功补偿设计和运行方法，提高输送能力，保证电网的运行安全与经济性。文献[18]研究了特高压交流输电系统的无功平衡及稳态电压控制问题并针对特高压示范工程提出了无功补偿及电压控制方案，包括高抗配置方案、低压无功补偿方案、无功投切策略以及稳态过电压的控制措施。

1.2 特高压交流电网稳定性与控制

随着特高压电网的发展和有功负荷的增加，电网的开放化和电力市场商业化使得电力系统越来越接近其安全稳定运行极限，经济性和稳定性相互制约，对电力系统的安全稳定分析与控制提出了新的挑战。

特高压电网形成初期，网架结构相对薄弱，针对特高压电网中出现的线路静态稳定极限偏低和动态无功补偿不足问题，文献[19]提出采用可控电抗器和新建变电站等提高电网稳定性的措施。特高压环状电网结构形成后，功角稳定、电压稳定、频率稳定，短路电流和运行灵活性等方面发生剧烈变化。文献[20]分析了特高压电网改变情况和变化趋势，并从提高安全稳定性角度提出了网架发展规划建议。除建立合理的电网结构，安排合理的运行方式外，为保证特高压变电站接入系统后电网安全稳定运行，特高压电网必须配备合理的安全稳定控制系统。文献[21]深入研究了福州1 000 kV特高压变电站建成后对福建电网安全稳定性的影响，提出了具体的安全稳定控制措施和安全稳定控制系统配置方案。负荷模型及其参数的选择对特高压线路故障后系统暂态稳定性分析具有重要影响，文献[22]研究了按照规划特高压线路接入后负荷模型对地区电网暂态稳定性分析的影响，并且为负荷模型的选择提出了相关的建议。

1.3 特高压交流电网保护与控制

保护系统作为维护电力系统安全稳定运行的重要防线，在电力系统中发挥着重要作用。特高压电网的保护不同于传统保护，为保证特高压电网接入系统后安全稳定运行，除了合理的网架结构、运行方式外，还必须配置合理的保护装置和控制系统。与超高压输电线路相比，特高压电网接入系统后，输电线路参数发生较大变化，其输电系统对保护的影响主要是由分布电容引起的，因此对1 000 kV特高压交流输电线路的保护与控制提出了更高的要求。

1 000 kV输电线路阻抗角、故障电流衰减时间、分布电容、振荡等对保护带来重要影响，文献[23]重点分析了特高压系统保护中的关键技术、保护功能及配置问题，指出特高压系统暂态过程对特高压输电线路保护的影响是主要研究的问题。文献[24]根据特高压系统网架结构和运行特性，结合我国电网继电保护配置的具体情况，提出我国特高压系统保护的局域网设想和配置方案。文献[25]充分考虑特高压电网的特点，给出了特高压线路分布参数模型，介绍了特高压纵联保护、距离保护、基于暂态量的保护等特高压线路保护的研究成果以及国内特高压主设备保护技术方面的进展。随着电力电子技术的发展以及新型电子式互感器的研究及应用，特高压系统保护技术的研究有待进一步发展。

2 特高压直流电网运行与控制

随着我国经济的发展，能源结构和利用模式发生重大变化，环境问题不断恶化，大规模可再生能源的应用成为必然选择。考虑到风电、光伏发电间歇性和不稳定性的特点，部分地区“弃风弃光”问题严重，使得大规模可再生能源并未得到有效利用。特高压直流输电具有输送容量大、输送距离远、中间无落点、无电压支撑等特点。因此，建设特高压直流输电网架是解决新能源并网问题的主要技术方式之一。特高压直流电网控制可实现系统功率灵活调度，保证系统安全、稳定、经济运行。随着特高压直流输电系统的建成投运和新型电力电子器件的大规模应用，无疑给电力系统的运行与控制带来新的难题。

2.1 特高压直流电网功率控制与优化

与交流输电相比，直流输电最大的优势是具有复杂灵活的控制系统，可通过快速、精确调节电流和功率来满足整个交直流系统联合运行的要求。

高压直流输电系统的功率输送能力主要由所联交流系统决定，随着特高压直流系统的出现，多馈入直流系统的相互作用使得系统的功率平衡与控制更为复杂。文献[26]研究了直流系统运行状态变化后，直流间耦合程度以及多馈入短路比的大小对系统输送能力和最大直流功率的影响。未来我国电网将会形成含特高压直流输电系统的多馈入直流输电系统，各直流间复杂的相互作用对多馈入特高压直流输电系统功率输送能力具有重要影响，因此，对含特高压直流的多馈入直流系统的功率稳定与控制需要进一步研究。为减少特高压直流系统故障后送端切机数量和避免向交流通道大规模功率转移。文献[27]提出了利用特高压直流系统暂态和稳态过负荷能力相结合的协调功率控制策略。针对锦屏特高压直流闭锁故障，文献[28]提出了紧急功率支援协调控制策略以及后备安控措施以避免协调控制措施失效导致第三道防线动作。鉴于功率控制体系和控制策略的设计是特高压直流电网规划、运行和发展的基础，文献[29]利用高压直流和交流电网成熟的控制设计思想和实现手段，提出了直流电网分层控制体系方案，为未来在特高压直流电网中构建标准化的控制体系和控制策略提供了参考。

特高压直流换流站无功功率平衡与控制是研究特高压直流输电系统设计的重要组成部分。文献[30-31]研究了换流站无功补偿装置的合理配置与补偿方案选择。特高压直流输电接入系统，换流站运行需要消耗大量的无功功率，文献[32-33]从换流站无功消耗、交流系统无功交换能力、滤波器的投切控制等方面研究了特高压直流输电系统无功补偿及其控制策略，提出了基于交直流系统最大交换无功限制的滤波器投切控制方法和在换流母线上通过无功摄动计算静态电压稳定指标。

2.2 特高压直流电网系统控制

特高压直流电网采用双12脉动换流阀串/并联的接线方式，其换流阀的结构相对较为复杂，为满足特高压直流系统安全稳定运行的要求，需对系统的控制策略进行深入研究。

控制系统是整个特高压直流系统的核心环节，可实现对系统主要设备的监视和控制。文献[34]针对特高压直流控制系统的研究现状，分析了站控系统、极控系统、组控系统等各项功能的工作原理、控制策略、实现方式等多方面内容，并详细阐述了特高压直流控制系统的功能。基于特高压直流工程不平衡运行的工程实践，文献[35]提出了基于电压调节和直流电流测量误差补偿相结合的控制策略。特高压直流分层接入交流电网可有效解决多馈入直流落点负荷中心带来的重大问题，文献[36-37]研究了特高压直流分层接入交流电网方式下的直流控制系统设计,文献[36]指出分层接入的逆变站直流电流、电压及熄弧角控制器应该配置在阀组层并且在串联双阀组的中间配置直流电压测点，交流滤波器需独立配置。文献[37]针对受端两串联阀组接入不同交流电网引起的电压不平衡问题，提出了利用受端串联阀组中间电压测点的双阀组电压平衡控制策略，并给出了与分层结构相适应的直流控制系统整体结构和功能配置。

2.3 特高压直流电网稳定与控制

随着特高压直流接入系统，直流系统的规模不断扩大，其稳定性机理以及改进控制策略的分析备受关注。

文献[38]重点评述了非线性变结构控制、非线性自适应控制、非线性鲁棒控制等控制理论在HVDC控制系统中的应用和多馈入直流系统的协调控制，其分析方法和控制策略对特高压直流输电系统稳定性分析与控制具有重要的指导意义。文献[39]深入分析了模糊控制和神经网络控制的基本结构和原理，针对其中的不足之处提出了应用pi-sigma模糊神经网络附加控制来提高特高压直流输电系统暂态稳定性。文献[40]分析了多回直流输电系统中直流线路故障、直流功率提升和切机措施下系统暂态稳定性。大容量特高压直流功率馈入受端电网的稳定性问题一直是研究的热点。文献[41-44]分析了特高压直流接入对地区电网稳定性的影响，包括单重和多重故障、外受电比例、系统强度变化、大扰动、动态电压稳定等方面。

3 特高压交直流电网运行与控制

随着特高压工程的开展和推进，全国将形成具有多直流馈入的大规模电网，运行特性及其动态特性分析极具复杂性，深入研究交直流互联电网的相互作用机理、功率稳定与控制、故障分析、仿真分析以及协调控制等问题，切实提高特高压交直流互联系统的安全稳定运行能力是一项急需解决的战略性问题。

3.1 特高压交直流互联系统功率稳定与控制

特高压直流系统输送功率和受电能力受所联交流系统强度的限制，特高压直流利用特高压交流分配功率，直流故障后导致大规模潮流转移，都将对特高压交直流互联系统的稳定运行造成影响，因此，受电能力的研究越来越成为电网调度部门关注的问题。

我国特高压直流接入方式可能会影响功率的分配转移，并且会对系统的安全稳定运行造成影响。文献[45]引入直流权重因子结合网络损耗建立了特高压直流分层接入方式下直流落点稳定性指标和特高压直流落点选择的目标函数，有效解决了特高压直流分层接入方式下落点选择问题，为特高压直流输电功率大规模转移和系统的安全稳定运行提供了有效技术手段。文献[46]从特高压直流的落点、交流网架和动态无功补偿的位置等方面研究了受端电网的直流接入能力，提出了直流落点优化、动态无功补偿优化及网架优化方法，建立了可用于实际电网规划的受端电网整体分析方法和流程。文献[47]基于±1 100 kV特高压直流分层接入受端多个交流系统，在换流站逆变侧采用换流器附加功率-电压控制，通过控制换流器触发角实现对输送功率的独立调节，同时提出了最优功率比的概念以减少换流器在紧急功率控制过程中发生换相失败的可能，从而发挥分层接入方式下潮流分布可控的优势。

3.2 特高压交直流互联系统故障与控制

随着多直流馈入受端电网，特高压交直流线路间呈现耦合紧密、动态特性复杂等特征。当特高压直流系统出现故障时，可能出现功率传输突然阻断及潮流大规模转移；特高压交流系统出现故障时，可能引起特高压直流换相失败以及相继换相失败。因此，研究故障后的特高压交直流相互作用机理及相应的控制保护措施对电网的安全稳定运行具有重要意义。

特高压交直流系统故障分析是进行系统分析和制定控制保护策略的重要前提。特高压交直流系统间耦合紧密，联锁反应风险度高，面临多重工程技术问题，文献[48]结合高压直流的实际运行经验及控制保护情况研究了交直流输电的典型故障及其保护问题，包括换流设备故障、交直流系统故障等方面，对系统内的故障起到了科学预测、合理规避的效果，为特高压交直流系统的故障与保护提供了技术支撑。换相失败故障是特高压直流输电系统中最常见的故障[49]，若控制不当还会引发相继换相失败，最终导致特高压直流闭锁故障。文献[50]通过讨论特高压直流换相失败机理、交流系统故障引起的换相失败，仿真分析了与换相失败相关的控制保护策略和对受端系统暂态稳定性的影响。文献[51]通过理论公式推导了交流故障特征量对特高压直流换相过程的影响，通过仿真分析寻找特高压交流故障引起特高压直流换相失败的规律，从相继换相失败和交流故障引起换相失败两方面对含云广特高压直流的多馈入受端电网的复杂性和特殊性进行了研究。对于特高压交直流互联系统故障分析，国内外专家学者已经进行了大量研究，其中一些工程技术问题已经得到很好的解决。通过采取相应的控制措施及其控制参数优化方法以减少故障以及换相失败的发生是值得关注的课题。

4 展望

本文围绕特高压电网运行与控制问题，从电网功率控制与优化、电网稳定性与控制、系统保护与控制、故障分析与控制等方面详细分析了国内外的研究现状，并指出了今后的重点研究方向和趋势，为电力系统规划、调度、运行与控制优化提供了理论研究基础和技术层面支持。

在总结国内特高压工程研究以及实践经验的基础上，我国在特高压工程建设、设备制造、运行实践上取得了大量的研究成果，但是在态势感知、有效分析、科学预测、合理规避等方面未得到有效解决，为此仍有大量的工作要做，尤其值得关注的问题有以下几个方面。

a.大规模特高压交直流互联给系统特性带来深刻变化，特高压交直流电网的动态特性更加复杂。特高压交直流电网间的相互作用特性以及与下一等级电网间的相互作用特性有待进一步研究。

b.含特高压直流的多回直流馈入受端电网的交直流功率相互支援，直流调制，直流紧急功率控制以及交直流协调控制实现方法以及多目标优化协调控制方法有待进一步研究，为现有电网控制与保护技术提供良好补充。

c.特高压交直流电网发生多重复杂故障时，为满足系统联网方式和故障后系统频率的快速恢复，特高压交直流电网的低频减载控制策略以及方案优化设计有待进一步研究。

d.针对含特高压直流的特高压交直流复杂电网，在交直流互济过程中的无功优化与无功配置的问题上需进行深入研究，并提出合理的优化控制策略和手段。

e.大规模交直流互联给电力系统运行特性带来深刻变化，对电力系统的仿真提出了更高的要求。利用全新的仿真技术，结合电网实际，建立大规模特高压交直流互联系统机电-电磁暂态仿真平台，准确把握交直流互联系统机理以及系统运行特性，跟踪特高压交直流工程建设进度以及新的设备和技术的应用，在提高建模精度、扩大仿真规模、提高仿真效率等方面需进一步研究。

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Research on Operating and Control of the UHV Power Grid

MA Kun1,YE Peng1,LI Jiajue2,HAN Yue2,ZHANG Tao2

(1.Shenyang College of Engineering,Institute of Electric Power，Shenyang，Liaoning 110136,China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China)

With the development of UHV projects, the large capacity of UHVAC and UHVDC transmission projects have been increasing continuously.It has brought profound changes to modern power grid. Focusing on issues of control and operation in UHV power grid, the trends of theoretical research and the technology of engineering application of UHV power grid are summarized.It includes aspects of power flow control and optimization, the stability and control of the power grid, system protection and control, fault analysis and so on. The key points of research direction and the trends of technology development are put forward to provide theoretical and technical reference for the planning, dispatching, operation and control of the UHV power grid.

power flow control and optimization; transfer capability; optimal power flow; the electro-magnetic ring; reactive power flow optimization; stability and control; protection and control; fault analysis

国网辽宁省电力有限公司科信技术服务项目(LNDL2016-01FPT-GC-KX(GK)-JSFW)

TM732

A

1004-7913(2017)06-0054-06

马 坤(1989),男,硕士,研究方向为特高压交直流输电系统运行与控制。

2017-03-20)