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国家电网有限公司陈国平等:特高压交直流电网系统保护及其关键技术

北极星输配电网  来源:电力系统自动化  作者:陈国平 李明节 许涛  2018/12/10 9:11:50  我要投稿  

北极星输配电网讯:0引言

当前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:①故障对系统的冲击全局化。特高压交直流电网中,系统扰动甚至正常设备的操作,都可能会引发多回大容量直流输电线路换相失败乃至发生直流闭锁;②电网调节能力严重下降。系统的转动惯量和等效规模不断减小,频率调节能力呈下降趋势,在大功率缺额的情况下,极易引发频率越限甚至系统稳定破坏;③电力电子设备的广泛应用使得系统特性复杂化。电力电子设备及其控制系统呈现出非惯性、高速、离散、刚性等特征,与传统交流系统相互交织,控制规律及运行特性相互作用,导致系统动态特性复杂。

当前电网的安全防御体系特别是工程实践,总体来讲主要还是针对传统交流电网(或者含小规模、小容量直流输电)设计,随着特高压交直流电网和新能源快速发展带来的电网特性新变化,现有防御技术和措施出现若干不适应性,亟需从“大系统”安全角度出发,在进一步巩固、完善、拓展三道防线内涵的基础上,对电力系统运行控制举措重新审视和提升。

(来源:电力系统自动化  ID:AEPS-1977)

1 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

当前电力系统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、更加复杂。系统中出现了新的扰动形式(例如多回直流换相失败、再启动等)和稳定形态(例如次同步振荡、超低频振荡等),故障的连锁反应风险加大。当前电力系统建模仿真和安全稳定评价体系仍然滞后于电网的发展。系统保护对于严重故障形态进行设防,需要明确设防的对象,设防场景下存在的问题及其严重程度。因此,对当前电力系统复杂故障下稳定性机理的揭示及安全稳定性的准确评估尤为重要和迫切,这是构建系统保护的关键问题。

(2) 广域多措施时序协调的控制策略制定问题

新形态下电网安全防御,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。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是构建系统保护的另一关键问题。

2 系统保护的体系设计

2.1 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。总体思路如下: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,阻断系统故障连锁反应,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。系统保护立体协调控制的内涵如图1所示。

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图1系统保护的三个维度

2.2 系统保护总体构成

系统保护仍以传统交流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,扩展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。系统保护与传统三道防线的关系如图2所示。

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图2系统保护总体构成

(1)巩固第一道防线。其目的是降低故障的严重程度,从故障发生的源头抑制故障给电网带来的扰动冲击。例如:①应用交直流保护新技术,提升保护性能,快速可靠隔离故障;②应用虚拟化同步技术模拟交流电网自愈特性,抑制扰动冲击;③转变对于涉网设备设计、保护和检测仅从设备自身出发的理念,加强从提升所接入系统安全运行程度出发,提高涉网设备运行可靠性和涉网性能,降低设备故障发生的概率。

(2)加强第二道防线。当发生对系统安全稳定运行影响较大的严重故障时,则协同大范围、多电压等级源网荷各类控制资源和新型控制手段,实现基于事件触发或结合响应驱动的主动紧急控制,阻断系统连锁反应,防止系统失稳。具体而言,面向特高压交直流一次骨干电网,在智能电网调度技术支持系统(D5000)稳态监测与调控体系之外,平行构建控制功能相对独立的实时、紧急、闭环控制体系,实现对电网所有重要元件的全景状态感知、各种可控资源的多维协同控制,如图3所示。

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图3系统保护在第二道防线的体现

(3)拓展第三道防线。其内涵包括:①拓展控制资源类型(例如抽水蓄能机组、直流输电系统等),将更多的控制设备纳入到基于电气量越限检测的就地分散控制;②结合故障事件和响应信息,实施基于事件触发的紧急控制模式下控制量不足时基于响应信息的追加控制等。

3 系统保护的关键技术

按照系统保护体系设计,系统保护涵盖了三道防线全过程。关键技术众多。基础类支撑技术包括全景状态感知技术、实时智能决策及多资源广域协同控制技术、安全可靠的系统保护专网技术等;面向实际工程的适用技术包括:精准负荷控制技术、新能源厂站馈线或单机精益化控制技术、自适应重合闸及站域保护技术、在线预决策闭环控制技术等;前瞻性技术包含大功率储能支撑电网安全稳定运行的并网控制等多项技术。以下简单介绍其中三项技术的需求及内容。

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。需研究系统保护本体全时段监视技术,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、PMU录波和故障录波构成的三位一体全网同步录波技术。系统保护全景状态感知要素、结构如图4所示。

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图4全景状态感知

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,并实现源网荷多类控制资源的紧急、有序、协同控制。需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。源网荷多资源综合优化协调控制示意如图5所示。

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图5源网荷多资源协调控制

3.3 精准负荷控制技术

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研究大范围大规模的可中断负荷进行统筹管理技术,控制效果、时机及控制量的定量分析和优化控制技术等。

4 结语

电网构建过渡期,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。

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。

主要作者介绍

陈国平,博士,教授级高级工程师,主要研究方向:电力系统调度运行与控制技术及管理。

李明节,博士,教授级高级工程师,主要研究方向:电力系统调度运行与控制技术及管理。

许涛,博士,教授级高级工程师,主要研究方向:电力系统调度、运行与控制。

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