特高压交直流电网系统保护及其关键技术

杜文琦 孙小飞 荆云波

国网山东省电力公司检修公司 山东济南 250000

中国特高压交直流电网发展过渡期，电网特性持续发生重大变化，传统的安全稳定防御技术和措施难以适应，亟须对电网安全防控体系进行提升。在梳理电网大的特性变化基础上，分析了适应特高压交直流电网实践的“系统保护”的必要性及需求。提出了系统保护的体系设计，包括设计思路、总体构成、具体措施等。

1 构建系统保护的必要性及关键问题

1.1 构建系统保护的必要性

传统的安全稳定三道防线体系、控制措施在交流电网发展的各个阶段，为保障电网安全运行发挥重要作用。随着电网结构特性不断变化，传统单一的稳定控制措施、措施量、防御范围和防御技术在一定程度上滞后于特高压交直流大电网运行实践，已难以满足系统安全防御要求。

（1）现有特高压交直流电网故障对安全稳定控制。量的需求激增。应对严重故障的稳控系统一般仅针对局部稳定问题设防，控制措施量相对较小、措施类型相对单一。特高压交直流电网单一通道输电容量很大，例如在同送端同受端多直流输电格局下，多回直流换相失败会在数百毫秒内引发上千万千瓦的有功波动，对送受端电网均造成严重冲击，原有基于局部稳控的设防模式不能满足严重故障后对控制措施量的需求[1]。

（2）特高压交直流电网连锁故障问题凸显。特高压电网交直流相互耦合、送受端交互影响增强，需要不断拓展防控措施，应对交直流连锁故障防御要求。不同送端不同受端输电格局和稳定形态复杂，现有安全控制体系下措施组织和协调难度大，需要重构电网安全防御体系。特高压交直流电网同送端不同受端、同受端不同送端多直流送电格局同时存在，使得电网薄弱断面的稳定形态更加复杂，控制措施的需求量大、种类多，防御范围涵盖多频带、多时间尺度、多控制资源，控制网络化特征突出，协调难度大，突破了原有稳控系统局部、分散的配置理念，需要重构新的电网安全综合防御体系。

1.2 构建系统保护的关键问题

（1）大规模复杂电力系统安全稳定性的准确评估问题。当前特高压交直流电力系统与传统交流系统特征上存在显著差异：①电源结构上，以风电、光伏为代表的新能源通过多层级变流变压接入大电网，为维持新能源发电并网特性的厂站侧柔性交流设备广泛应用；②电网结构上，特高压交直流、高压柔性直流、特高压分层接入等输电技术广泛应用，远距离跨区输电格局凸显；③负荷结构上，电力电子技术在负荷侧广泛应用，新型负荷的频率、电压、谐波特性发生重大变化，如大量负荷呈现反频率特性。源网荷侧结构的重大变化、电力电子设备及其控制系统的大量接入，物理系统的模型和控制规律更加多样、复杂。系统中出现了新的扰动形式（如多回直流换相失败、再启动等）和稳定形态（如次同步振荡、超低频振荡等），故障的连锁反应风险加大。

（2）广域多措施时序协调的控制策略制定问题。当前特高压交直流电网中即使是单一故障，其严重程度也可能很大，加之因常规机组被大量直流或新能源机组替代，系统动态调节能力被大大削弱，系统抗风险能力严重不足。以华东电网某一方式的仿真结果为例，当直流大容量馈入时，若发生直流双极闭锁，电网频率下跌会触发华东电网低频减载多个轮次动作。

为了快速平息故障下的大扰动冲击，使得系统保持安全稳定，新形态下的电网安全防御需要在数百毫秒内快速抑制数百万乃至上千万千瓦有功能量对系统的冲击。局部范围的控制措施、单一的控制措施类型难以满足控制需求。因此，首先需要挖掘现有控制资源潜力、研究新型控制资源，拓展可控空间；然后综合考虑多种约束条件，衔接多时间尺度动态过程，研究协调有序、优化精准的控制策略。由于不同类型措施的响应速度、作用范围、控制量不同，局部范围的控制还可能导致跨区域影响，因此，广域多措施时序协调的控制策略制定构建了系统保护的另一关键问题。

2 系统保护的关键技术

2.1 全景状态感知技术

基于广域信息采集，实现对电网重要元件、控制资源、控制装置状态和行为的全景感知，支持综合分析评价和集中监视告警。同时，为实时决策和协同控制提供信息支撑，为电网暂态特性和故障演化途径分析提供基础。需要研究系统保护本体运行状态、控制策略、可控资源，以及电网动态稳定水平全时段监视技术，研究多类信息有序存储及高效共享技术，研究系统保护装置录波、相量测量单元（PMU）录波和故障录波构成的三位一体全网同步录波技术。

2.2 实时智能决策及多资源协同控制技术

基于全景状态感知，进行在线故障智能诊断和系统暂态特征综合识别，对系统存在的问题定位和甄别，综合考虑约束条件，结合就地与系统判据，实现控制分区、控制对象及控制量多目标实时智能决策。进一步，根据实时控制资源，进行控制策略协调分解，实现源网荷多类控制资源的紧急、有序、协同控制。需要研究基于故障事件与响应信息的电网扰动场景可靠、快速判别技术，研究适应电网送受端协调的多稳定约束、多变量混合优化技术。

2.3 精准负荷控制技术

传统的切负荷控制技术，以切除主变压器和高压负荷线为主，对用户影响大，可选择容量小，实施困难，在目前政策和社会容忍的范围内，传统的大规模切负荷已不具备实际应用条件。精准负荷控制技术，将控制对象细分到用户，根据负荷特点、用户意愿进行精确匹配，具有点多面广、选择性强、对用户用电影响小的优势，通过与传统负荷控制系统协同作用，可满足直流换相失败和闭锁故障对大量切负荷的客观要求，是保障过渡期电网安全的最有效手段。

3 结语

随着电网规模和源荷侧不确定性不断增大，电网故障形态与电网运行方式更趋多样化、复杂化和不确定性，需要加强在线预决策闭环控制、基于电网响应信息的决策控制等系统保护技术的深化研究和推广应用。