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摘要：随着特高压交直流输电技术及其联网技术的快速发展、风电和光伏等新能源大量并网、远距离跨区输电规模持续增长，电网格局与电源结构发生重大改变，电网发展过渡期安全稳定特性不断恶化，为解决电网问题，电网安全稳定运行控制新框架、新技术不断涌现，一批大电网安全防御系统开发投运，并按照相关技术规范和导则，形成了不断发展完善的安全稳定三道防线体系，有力保障了电网安全稳定运行。
关键词：特高压；交直流电网；系统保护；关键技术
1构建系统保护的必要性
1.1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。根据国家电网历年来的实际运行或仿真结果，得出交流N-1或N-2故障对于传统电网与特高压交直流电网的冲击。
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。
2总体思路
对于一般性、局部性故障，仍然秉持原有的设防理念和设防措施。在电网一体化特征下，传统基于就地或局部模式的控制理念难以适应，需要在更大范围内统筹考虑。为此，针对冲击能量大、波及范围广的全局性故障，通过构建系统保护进行设防。
围绕上节提到的两方面难题，系统保护的总体设计思路如下：以分区电网为对象，进行差异化设计。在分区范围内，通过在目标、时间和空间三个维度上进行拓展，统筹协调集中与分散的控制模式、区域与局部的控制范围、多重与单一的控制对象，通过降低故障发生概率、全方位感知系统状态，实时立体协调控制，阻断系统连锁反应，防止系统崩溃，支撑复杂严重故障下大系统的安全稳定运行。
3系统保护的关键技术
3.1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。
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3.2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。例如：面对特高压交直流混联格局下的直流多馈入受端电网运行特性变化，需要研究利用直流输电功率快速可控特性，协同直流、抽水蓄能和大规模可中断负荷等措施，解决大功率缺额冲击下的电网频率稳定问题，满足了跨区直流、特高压直流工程快速发展形势下的电网频率稳定控制技术需求。
3.3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。以华东电网为例，宾金、锦苏、复奉三大送华东特高压直流满送时，若同时发生双极闭锁的严重故障，华东电网将产生超过20GW的功率缺额，需要切除超过10GW负荷才能保持系统稳定。大规模粗放切负荷社会难以容忍，且对安全自动装置及分散布置、缺乏协调的三道防线控制措施提出巨大挑战。
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。精准负荷控制技术需根据稳态及暂态不同时间尺度的负荷控制需求，对大范围、大规模的可中断负荷进行统筹管理，对负荷控制对象的控制效果、时机及控制量进行定量分析，给出负荷控制经济性与电网安全性相协调的优化控制，形成完善的精准负荷控制策略和技术方案，降低故障导致的经济损失。根据电网需求，精准负荷控制应实现千万千瓦级、多时间尺度的负荷柔性控制。其中，300ms内的负荷控制，主要解决电网暂态稳定、动态稳定、电压稳定等紧急控制问题；300ms到1s的负荷控制，主要解决系统的频率稳定控制问题；1s到分钟级的负荷控制，主要解决交流断面的热稳问题和电压稳定问题；分钟级以上的负荷控制，主要用于增加系统旋转备用等恢复控制。
4系统保护的实施方案建议
以分区电网为主体，进行电网安全稳定特性分析，确定系统保护设计目标，整合各类控制资源，分别确定感知、决策、控制功能架构，分别形成分区电网系统保护实施方案。在第二道防线建设上，分别建设“集中决策、分散协调”的协控系统，实现严重故障下的紧急控制，快速阻断连锁反应。在特高压直流落点省级电网建设精准负荷控制系统，并有步骤地将该系统纳入所属分区电网的协控系统的统筹范围。按照可扩展性的要求，系统保护提供标准化的功能体系，分为核心功能包与扩展功能包两类。系统保护建设主体部门可根据电网特性和风险，部署核心功能，选择性部署相关扩展功能。
当前，系统保护建设已经纳入国家电网有限公司重大工程实施计划，并且正在开展通信网升级改造和系统保护实验室建设两大支撑计划，后续可根据电网特性的动态变化和新兴技术的不断发展，对系统保护的架构设计、关键技术与实施方案进行滚动研究和发展。
结论
在多年理论研究和工程实践的基础上，中国已经初步建成了世界上规模最大的特高压交直流电网，电网构建过渡期的运行特性和安全风险不断发生变化。基于传统交流系统形成的防御技术和措施已难以满足严重故障下的电网安全防御要求，因此提出了构建适应特高压交直流电网的系统保护的需求，分析了系统保护的总体构成、关键技术及实施方案，为下一步电网的安全稳定防御体系的建设提供了指导。
参考文献：
[1]罗亚洲，陈得治.特高压交直流强耦合大受端电网系统保护方案设计[J].电力系统自动化，2018，42（22）：11-18+68.
[2]张天，龚雁峰.特高压交直流电网输电技术及运行特性综述[J].智慧电力，2018，46（02）：87-92.
论文作者:马惠晟
论文发表刊物:《河南电力》2018年15期
论文发表时间:2019/1/18
标签：电网论文; 系统论文; 负荷论文; 稳定论文; 故障论文; 特高压论文; 交直流论文; 《河南电力》2018年15期论文;