銀東直流閉鎖對山東電網(wǎng)影響分析

劉 軍，馬 強，汪 湲

（1.山東電力調(diào)度控制中心，山東 濟南 250001；2.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟南 250001）

0 引言

±660 kV銀東直流輸電工程，西起寧夏自治區(qū)銀川東換流站，東至山東省青島市膠東換流站，全長1333 km。2011年2月完成系統(tǒng)雙極調(diào)試工作，正式投入運行，額定輸送容量4 GW，額定直流電流3030 A，是國家“西電東送”重點工程之一。該工程將寧夏能源基地的優(yōu)質(zhì)電能直送山東沿海負荷中心，推動西部資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟優(yōu)勢，緩解了山東用電緊張狀況，有效促進了全國范圍內(nèi)資源優(yōu)化配置，具有極大的經(jīng)濟、社會效益［1］。

±660 kV銀東直流輸電工程投產(chǎn)后，山東電網(wǎng)成為交直流互聯(lián)的受端電網(wǎng)，結(jié)構(gòu)變化較大。當銀東直流輸電系統(tǒng)在滿額功率向山東電網(wǎng)送電時發(fā)生單極或雙極閉鎖時，潮流的大范圍轉(zhuǎn)移容易引起華北—華中特高壓聯(lián)絡線的傳輸功率超出其穩(wěn)定極限，從而導致華北—華中電網(wǎng)失去同步，引起特高壓聯(lián)絡線解列。同時由于潮流轉(zhuǎn)移和功率缺額，會對山東電網(wǎng)產(chǎn)生較大的系統(tǒng)沖擊，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。通過對2011年8月30日銀東直流極I閉鎖事故案例進行分析，研究探討此次事故對山東電網(wǎng)的影響，總結(jié)交直流互聯(lián)電網(wǎng)的運行經(jīng)驗，針對受端電網(wǎng)提出直流閉鎖事故處理的基本思路。

1 銀東直流閉鎖對山東電網(wǎng)的影響分析

1.1 直流閉鎖原因分析

造成直流閉鎖的主要原因有換流器故障、直流線路故障、直流輔助設(shè)備故障以及臨近交流系統(tǒng)故障等。多數(shù)直流故障發(fā)展到最后均會導致直流閉鎖，當與換流站電氣距離較近的交流系統(tǒng)發(fā)生故障時，也可能引起直流閉鎖。此外，與逆變側(cè)交流系統(tǒng)最后一個斷路器跳開時直流系統(tǒng)安穩(wěn)裝置也會向直流極控系統(tǒng)發(fā)出命令閉鎖直流［2，3，6］。

1.2 銀東直流閉鎖對山東電網(wǎng)動態(tài)特性的影響

直流系統(tǒng)控制裝置的響應速度遠高于交流系統(tǒng)的常規(guī)控制器的響應速度，當閉鎖故障發(fā)生后，交流系統(tǒng)由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子慣性力控制器特性決定了其不能很快地做出響應，這將導致交流系統(tǒng)的動態(tài)性能惡化。

發(fā)電機端交流系統(tǒng)頻率f和機組轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為f＝pn／60（p為極數(shù)）。銀東直流單極或雙極閉鎖故障發(fā)生后，直流系統(tǒng)將迅速使功率停送到山東電網(wǎng)交流系統(tǒng)，造成西北電網(wǎng)有功功率剩余2000 MW或4000 MW，考慮直流線路損耗，山東電網(wǎng)將出現(xiàn)1850 MW或3700 MW有功功率缺額。由于山東電網(wǎng)正常通過500 kV辛聊雙線、黃濱雙線與華北電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，而華北電網(wǎng)通過1000 kV長治—南陽—荊門特高壓示范工程與華中電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，直流閉鎖后華北—華中—山東電網(wǎng)機組需要承擔這部分功率缺額，從而造成發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩升高，在調(diào)速器動作前，原動機的機械功率近似不變，電磁轉(zhuǎn)矩將大于機械轉(zhuǎn)矩，角速度下降，進而引起系統(tǒng)頻率下降。

1.3 銀東直流閉鎖對山東電網(wǎng)潮流分布的影響

銀東直流單極或雙極閉鎖后，主要影響到山東電網(wǎng)以下幾個斷面的潮流分布：一是由500 kV黃濱雙線、辛聊雙線組成的華北—山東聯(lián)絡線斷面。正常運行方式時，華北通過黃濱雙線、辛聊雙線送山東有功負荷3500 MW，控制極限是3800 MW。事故后，華北—山東聯(lián)絡線斷面潮流將大幅度增加，超過3800 MW的穩(wěn)定極限。二是山東主網(wǎng)東送斷面，主要由500 kV鄒棗線、益川雙線、壽油雙線、魯密線、淄濰線組成。事故后，山東主網(wǎng)東送潮流大幅度增加，若東部地區(qū)停機較多或部分東送500 kV聯(lián)絡線停電檢修，可能造成東送潮流超過穩(wěn)定極限。三是青島電網(wǎng)北送斷面，主要由500 kV東瑯雙線和青島地區(qū)相關(guān)220 kV線路組成，直流閉鎖后，若500 kV東瑯雙線掉閘，會導致相關(guān)220 kV線路過載。

2 銀東直流山東側(cè)安控系統(tǒng)切負荷策略

為防止銀東直流閉鎖導致華北—華中特高壓聯(lián)絡線解列及保證山東電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，山東電網(wǎng)裝設(shè)了銀東直流山東側(cè)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng) （圖1），包括膠東站銀東安控裝置、膠東站山東切負荷主站裝置、38個220 kV變電站的切負荷子站裝置（涉及青島、煙臺、濰坊、淄博、臨沂共5個地區(qū)），裝置采取雙重化配置。山東側(cè)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)切負荷總量為1250 MW，考慮到設(shè)備檢修、負荷同時率等因素，編制的切負荷方案總量約為1750 MW［4］。

膠東站側(cè)主站根據(jù)采集的換流變500 kV側(cè)功率，計算雙極閉鎖后切負荷量X，X等于切負荷系數(shù)K乘以閉鎖前銀東直流輸電落地功率與直流切負荷門檻之差。切負荷門檻值為2600 MW，K為1。 當直流控制保護系統(tǒng)5 s內(nèi)發(fā)來極I和極II的非正常停運信號，直流主站將發(fā)切負荷量XMW。膠東切負荷主站根據(jù)采集的換流變功率判直流雙極運行 （功率在1000 MW以上），拒絕動作；如判雙極停運，則選擇相應變電站發(fā)出切負荷指令［5］。

圖1 銀東直流穩(wěn)控系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)圖

3 銀東直流單極閉鎖事故案例分析

3.1 事故前運行方式

2011年8月30日，山東電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)用電負荷45360 MW，計劃可用出力46857 MW，因當日上午實際負荷比預計（44600 MW）高700 MW，風電出力較計劃少200MW，各發(fā)電廠臨時降出力約1000MW，事故前山東電網(wǎng)旋轉(zhuǎn)備用約1435 MW，事故備用1000 MW，備用較緊張。

3.2 事故發(fā)生及發(fā)展過程

14:45，±660 kV銀東直流極I閉鎖，山東電網(wǎng)減少2000 MW有功功率（未達到銀東直流安控裝置切負荷門檻值2600 MW）。事故造成系統(tǒng)頻率由50.01 Hz降至49.94 Hz（圖2），華北—山東聯(lián)絡線受電功率由3507 MW增加至5137 MW，超過控制極限1337 MW，圖3所示。

3.3 事故處理與恢復過程

事故發(fā)生后，山東省調(diào)當值調(diào)度員立即下令開啟泰山抽水蓄能電站4臺機組發(fā)電（4×250 MW），令山東電網(wǎng)所有發(fā)電廠退出AGC功能手動增加發(fā)電機組出力，調(diào)出全部旋轉(zhuǎn)備用容量。由于采取措施得力，泰山抽水蓄能電站機組迅速并網(wǎng)發(fā)電，各火力發(fā)電機組一次調(diào)頻動作自動增加部分發(fā)電出力，而后各發(fā)電廠值班員手動調(diào)整增加發(fā)電出力，使得華北—山東聯(lián)絡線受電功率在較短的時間內(nèi)降至控制極限3800 MW以內(nèi)，總計越限12 min。同時，由于山東電網(wǎng)已沒有旋轉(zhuǎn)備用和事故備用容量，為防止銀東直流極II在事故處理期間發(fā)生閉鎖，山東省調(diào)通知全省各地調(diào)做好事故拉路準備。

圖2 事故時系統(tǒng)頻率變化

圖3 事故時華北聯(lián)絡線功率變化

15:12，銀川東站（主控站）匯報，銀東直流極I閉鎖原因是膠東站3臺噴淋泵跳閘，備用泵連鎖啟動失敗，極I超溫閉鎖。17:07，膠東站噴淋泵消缺結(jié)束；19:03，銀東直流極 I解鎖，開始恢復正常運行方式。

3.4 事故原因及影響

銀東直流極I閉鎖原因是膠東站3臺噴淋泵跳閘，備用泵連鎖啟動失敗，造成銀東直流極I超溫閉鎖。事故造成山東電網(wǎng)減少2000 MW有功電源，且當日各發(fā)電廠降出力較多，華北—山東聯(lián)絡線送山東有功功率最高達5137 MW，超過控制極限12 min。山東電網(wǎng)旋轉(zhuǎn)備用和事故備用容量嚴重不足，且泰山抽水蓄能電站滿出力發(fā)電（1000 MW）僅能維持3～4 h，若銀東直流極I不能盡快恢復送電，全省各地區(qū)將被迫采取限電措施。

3.5 事故處理主要環(huán)節(jié)分析

事故發(fā)生前，由于當日各發(fā)電廠降出力較多，山東省調(diào)在上午11：00時向華北網(wǎng)調(diào)申請臨時電力支援600 MW，緩解了山東電網(wǎng)備用緊張情況，對于下午銀東直流極I閉鎖的處理起到了很大作用，若無這600 MW臨時支援電力，此次事故將造成山東省調(diào)被迫在全省限電拉路，這也證明了大區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)之間相互備用調(diào)劑和事故支援的巨大作用。事故發(fā)生后，省調(diào)當值調(diào)度員反映迅速，判斷準確，立即采取各種有效措施調(diào)整聯(lián)絡線ACE，短時間內(nèi)將華北—山東聯(lián)絡線受電功率調(diào)整至控制極限內(nèi)，消除了電網(wǎng)風險，避免了山東電網(wǎng)大面積停電事故的發(fā)生。另外，泰山抽水蓄能電站及各發(fā)電廠嚴格迅速執(zhí)行調(diào)度指令，快速增加發(fā)電出力，對事故的妥善處理起到了關(guān)鍵作用。

3.6 事故暴露的問題及改進措施

通過此次事故發(fā)現(xiàn)，山東電網(wǎng)部分發(fā)電廠對發(fā)電設(shè)備及電煤質(zhì)量管理存在問題，臨時降出力較多，造成電網(wǎng)實際備用容量比計劃備用容量減少較大，增加了電網(wǎng)運行風險。同時，由于風電未納入調(diào)度計劃，其出力變化較大，對電網(wǎng)調(diào)整和備用容量管理也造成不利影響。

為防止銀東直流閉鎖等大電源事故發(fā)生時山東電網(wǎng)備用容量不足面臨限電風險，電網(wǎng)調(diào)度部門應加強對發(fā)電廠發(fā)電出力管理，督促電廠采取措施，如架設(shè)干煤棚以防止連續(xù)陰雨天造成電煤濕度大機組降出力等，保證機組安全穩(wěn)定運行及發(fā)電出力可靠調(diào)用。同時，調(diào)度部門的新能源技術(shù)支持系統(tǒng)應盡快投入運行，將風電納入日電力平衡，減少風電出力變化對電網(wǎng)運行的影響。

4 結(jié)語

±660 kV銀東直流雙極投運給山東送來了清潔電力，在山東電網(wǎng)東部提供了一個強有力的電源支撐點，對保證山東電力可靠供應作用巨大。但由于山東電網(wǎng)是受端電網(wǎng)，銀東直流單極或雙極閉鎖會造成山東電網(wǎng)瞬間失去一個大電源，對山東電網(wǎng)乃至華北電網(wǎng)產(chǎn)生較大影響，是電網(wǎng)調(diào)度運行工作面臨的新的挑戰(zhàn)。為保證山東電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，建議采取如下措施。

1）調(diào)度計劃部門做好全省用電負荷預測工作，合理安排發(fā)電機組開停計劃，保證電網(wǎng)有充足的旋轉(zhuǎn)備用和事故備用容量。

2）調(diào)度人員應密切關(guān)注電網(wǎng)實時備用情況，做好事故預想。若備用不足應及時采取措施，如申請華北電網(wǎng)電力支援或開啟備用發(fā)電機組。

3）加強安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的運行管理，確保事故情況下可靠動作。

4）調(diào)度人員應加強對銀東直流單極或雙極閉鎖的分析，制定詳細事故處理預案，并加強演練。

5）加強發(fā)電側(cè)管理，特別是發(fā)電機組臨時降出力和風電發(fā)電計劃的管理。

6）事故發(fā)生時調(diào)度人員要迅速果斷采取有力措施，及時消除電網(wǎng)斷面過載或超穩(wěn)定極限的情況，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

［1］劉振亞.特高壓電網(wǎng)［M］.北京：中國電力出版社，2005.

［2］郭啟偉.±660 kV銀東直流系統(tǒng)動態(tài)特性研究［M］.北京：中國電力出版社，2012.

［3］白巖，陳輝祥，王仲鴻.直流雙極閉鎖故障下提高暫態(tài)電壓穩(wěn)定性策略探討［J］.電力系統(tǒng)自動化，2006，30（15）：93－96.

［4］劉曉明，劉玉田,邱夕兆．±660 kV銀東直流閉鎖后的緊急切負荷決策［J］．電力自動化設(shè)備，2012，30（4）：96－99．

［5］高守義，房光華.±660 kV銀東直流輸電山東側(cè)安全穩(wěn)定控制策略［J］．電力系統(tǒng)自動化，2012，36（4）：100－103.

［6］王亞楠，束洪光．直流閉鎖故障對2015年云廣交直流混聯(lián)輸電系統(tǒng)影響的研究［J］．科學技術(shù)與工程，2011，11（7）：1448－1451．