国网华北电力调控分中心 罗亚洲，中国电科院有限公司 陈得治等：华北多特高压交直流强耦合大受端电网系统保护方案设计

华北多特高压交直流强耦合大受端电网系统保护方案设计

DOI: 10.7500/AEPS20180529008

罗亚洲，陈得治，李轶群，王青，张剑云，

訾鹏，马世英，刘寅彬，宋云亭，李再华，张晨，李媛媛

“十三五”期间，随着特高压交直流电网快速发展，风电和光伏等新能源大量并网，远距离跨区输送规模持续增长，过渡期电网“强直弱交”矛盾突出，电网安全运行面临较大风险，一是特高压交直流故障对系统的冲击全局化，风险增大；二是电源结构发生深刻变化，电网调节能力下降；三是电力电子化特征凸显，电网稳定形态更加复杂。为确保过渡期大电网安全，国调中心组织南瑞集团有限公司、中国电力科学研究院有限公司等相关科研单位，研究提出了系统保护总体设计方案。系统保护是以有效控制大电网安全运行风险为目标，构建多目标控制、多资源统筹和多时间尺度协调的高可靠性、高安全性大电网安全综合防御体系，以传统电网三道防线为基础，通过巩固第一道防线、加强第二道防线和拓展第三道防线，重点针对冲击能量大、波及范围广的全局性故障，优化控制决策模式，在运行实践中不断拓展原有三道防线的内涵和措施，形成特高压交直流电网新的综合防御体系。

为了使得系统保护具有适应性，在系统保护总体方案基础上，按照不同区域电网特点进行系统保护差异化设计。本文结合华北多特高压交直流强耦合大受端电网的网架格局特点，研究分析了华北电网的安全稳定特性，针对新电网格局下的运行风险，提出了华北系统保护的设防标准及多措施防控技术，设计了华北系统保护的功能配置及实施方案，结合华北实际电网进行了仿真验证，验证了本文所提方案、功能及关键技术的有效性，进而支撑华北系统保护的建设实施。

未来目标年，华北与其他区域电网之间的特高压交直流互联电网结构如图1所示。

图1  华北与其他电网特高压交直流互联网+架示意图

华北和华中电网通过特高压长南线互联，存在两种运行方式：丰水期北送（华中向华北送电）和枯水期南送（华北向华中送电）。受入特高压直流上海庙-临沂（简称上临）、扎鲁特-青州（简称扎青）功率各10 GW、超高压直流银川-山东（简称银东）功率为4 GW；外送特高压直流锡盟-泰州（简称锡泰）、晋北-南京（简称晋南）功率分别为7.5 GW和8 GW。上临、扎青以及银东三条特高压/超高压直流密集馈入受端山东电网，其中，上临、银东两条直流是送端同为西北宁夏的同送同受直流；锡泰、晋南两条特高压直流是受端同为华东江苏电网的同送同受直流。

①单/多馈入特高压直流闭锁故障冲击弱交流通道的运行风险：通过现场实际的调研，山东最多只能组织2.5 GW的切负荷量来应对馈入直流闭锁等故障。随着上临、扎青特高压直流的投入，存在10 GW特高压直流闭锁以及同送同受上临、银东14 GW两直流同时闭锁的风险，在长南线北送5.5 GW典型方式下，防控10 GW特高压直流闭锁对长南线冲击的切负荷量约10 GW，两直流同时闭锁所需切负荷量更大，因此，原2.5 GW的切负荷量已远不能满足防控多特高压直流闭锁对长南线的冲击问题，电网解列并触发低频减载动作的连锁风险加大，需要进一步重点设防。

②多特高压/超高压直流密集馈入的受端电网电压稳定风险：多直流大容量密集馈入，多直流耦合紧密，交流故障易引发多直流出现同时、连续换相失败，直流有功功率短时间发生大幅波动的同时，直流与受端交流系统的无功交换也发生较大波动，多直流有功、无功功率的短时、大幅动态变化对受端系统冲击较大，如受端系统动态无功支撑不足，将无法确保直流的恢复，交直流耦合受端电网电压也将出现问题。防控此问题的措施仍缺乏系统性、全面性，亟需从三道防线角度开展综合防控技术研究。

③多外送特高压直流同时闭锁故障冲击弱交流通道的切机安控量不足风险：多外送直流发生同时闭锁，如采取单直流工程配套切机安控，两条直流安控欠切产生冗余量叠加，冲击长南线导致其越稳定极限，发生暂态失稳，需要优化原单直流工程安控来防范同送同受直流同时闭锁故障。

综上分析，提出华北系统保护的设防标准：

1）设防标准1：单/多馈入特高压直流闭锁故障冲击弱交流通道导致的暂稳、频率问题；

2）设防标准2：密集多馈入特高压/超高压直流换相失败及与受端耦合作用引发的电压问题；

3）设防标准3：同送同受的多外送特高压直流同时闭锁故障冲击弱交流通道导致的暂稳、频率问题。

基于系统保护顶层设计原则与思想，针对华北多特高压交直流耦合的大区失步、高低频及受端电网电压稳定等运行风险，提出华北系统保护的功能配置方案。

巩固第一道防线功能配置方案包括：

优化电网发展规划：加强网架结构。

优化继电保护动态特性：缩短失灵保护动作时间或采用站域失灵保护。

优化自动调节与控制性能：网源协调监测（调速、励磁等）。

优化运行方式：交直流功率预控、控制开机方式。

加强第二道防线功能配置方案包括：

多资源协控系统：针对馈入的同送同受多直流同时故障冲击大、安控代价过大等不足，设计协控系统，实现抽蓄切泵、多直流调制、切负荷等多种控制资源的协调控制，增强电网安全运行可靠性。

外送直流安控系统优化策略：优化单直流工程安控，针对外送的同送同受多直流同时闭锁后单直流安控欠切的冗余量冲击长南线导致的长南线解列问题。

拓展第三道防线功能配置方案包括：

低频、低压减载等第三道防线的优化：进行第三道防线对于新电网格局的适应性分析，并进行方案的优化调整。

以如下主要功能的实施为例来研究构建华北系统保护的实施方案。

梳理华北电网多种可控资源，建立协控系统资源池，包括直流功率紧急调制、抽蓄切泵、精准切负荷以及常规切负荷，其中，直流提升/回降功率为直流额定功率的±10%；精准切负荷为150万千瓦；抽蓄切泵为427万千瓦；常规切负荷为100万千瓦。

协控系统的主要功能：当发生单馈入特高压直流闭锁或者多馈入同送同受直流同时闭锁故障，针对冲击长南断面导致其越稳定极限，及长南线解列后的频率问题，利用可控资源，通过交直流、多直流集中协调控制，按控制资源性能设定控制优先级，采取切泵、调制直流、精准切负荷、常规切负荷的次序实施安控，减缓直流闭锁产生的不平衡能量，在维持系统稳定的同时，减小了切负荷量，降低了系统的控制代价。

图2  协控系统基本实施架构

采用站域失灵保护实施方案，加速失灵保护动作时间，使开关失灵和死区故障切除时间由0.4 s加快为0.2 s，降低密集多馈入直流发生连续、同时换相失败的风险，减缓直流换相失败与受端交互耦合出现的电压问题，提升受端稳定性。

应对两回同送直流同时闭锁导致长南线解列问题的关键是控制总的盈余功率，安控切机量与直流闭锁损失功率量越接近，盈余功率就越小，对长南线的冲击越小，因此，提出外送直流系统安控切机的优化策略：

锡泰直流：考虑锡泰直流送端稳定能力不足，安控切机量遵循“切平”原则（安控切机量≈直流闭锁损失功率量），锡泰直流系统盈余功率基本为0；

晋南直流：控制晋南直流系统盈余功率+长南线南送功率之和不超过6000 MW。

研究成果为华北系统保护建设提供了依据，通过系统保护的实施，可增强华北抵御特高压直流故障冲击的能力，提升特高压直流输电能力，促进西北、东北清洁能源跨区输送与消纳：

1）针对华北强直弱交的安全稳定问题提出了华北系统保护的设防标准，从巩固第一道防线、加强第二道防线和拓展第三道防线角度，构建了华北系统保护的功能配置方案。

2）提出了多资源协控系统的实施方案，建立了协控系统实施的基本架构，针对特高压直流闭锁冲击长南断面导致的长南线越稳定极限及长南解列后的频率问题，实施切泵、调制直流、精准切负荷、常规切负荷等多可控资源的协调控制，可有效减缓直流闭锁产生的不平衡能量，在维持系统稳定的同时，降低了系统的控制代价。

3）通过站域失灵保护优化实施方案来加速失灵保护的动作时间，减缓了多直流换相失败对受端电网的冲击；针对防控多外送直流同时闭锁对长南线的冲击，提出了外送直流切机安控系统的协调优化策略。

文中所提方案、策略等随着特高压工程的建设实施，根据边界条件的变化，亟待开展滚动研究，以切实支撑生产实际。同时，文中多馈入分层特高压直流与受端交流耦合分析与控制等机理与规律等内容尚需开展深入研究。