山東電網(wǎng)變壓器直流偏磁監(jiān)測平臺

劉同同，王強(qiáng)，高巖

（國網(wǎng)山東省電力公司青島供電公司，山東青島266001）

山東電網(wǎng)變壓器直流偏磁監(jiān)測平臺

劉同同，王強(qiáng)，高巖

（國網(wǎng)山東省電力公司青島供電公司，山東青島266001）

結(jié)合±660kV銀東直流單極大地調(diào)試期間的實(shí)測數(shù)據(jù)，分析山東電網(wǎng)變壓器的直流偏磁情況。在分析山東電網(wǎng)磁暴災(zāi)害風(fēng)險及其潛在的直流偏磁影響基礎(chǔ)上，使用MATLAB仿真軟件計算2015年山東500 kV電網(wǎng)最大運(yùn)行方式均勻電場下的GIC水平，得出具備連接線路數(shù)少、位于電網(wǎng)末端或拐角、連接有長線路等特征的變電站可能成為高危變電站的結(jié)論。提出構(gòu)建變壓器直流偏磁監(jiān)測平臺的思路和框架，詳述該平臺的在線監(jiān)測流程、與外部信息的整合交換、在線計算和預(yù)警功能，為調(diào)控人員評估大電網(wǎng)直流偏磁風(fēng)險、制定調(diào)度應(yīng)急策略提供依據(jù)和支持。

直流偏磁；磁暴災(zāi)害；直流輸電；監(jiān)測預(yù)警；應(yīng)急策略

0 引言

山東電網(wǎng)是典型的受端電網(wǎng)，通過500 kV雙回路四點(diǎn)與華北聯(lián)網(wǎng)，形成了以±660 kV銀東直流深入負(fù)荷中心，“五橫三縱”500 kV電網(wǎng)為省域主網(wǎng)架的格局。目前“特高壓入魯”大力推進(jìn)，未來10年山東電網(wǎng)將以3個特高壓變電站交流落點(diǎn)為主要支撐，4條直流輸電線路深入負(fù)荷中心［1-2］。電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大導(dǎo)致變壓器直流偏磁的潛在風(fēng)險也愈發(fā)增加［3-4］。人員分析應(yīng)對直流偏磁影響的重要需求。山東電網(wǎng)“五橫三縱”500 kV省域主網(wǎng)架、220 kV區(qū)域網(wǎng)架形成了“西電東送，南電北送”的格局，如圖1所示。山東電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、地理緯度和大地電性構(gòu)造

圖1 2015年山東500 kV電網(wǎng)地理接線圖

±660 kV銀東直流單極大地運(yùn)行調(diào)試期間，山東電網(wǎng)發(fā)生多起變壓器噪聲增大、振動增強(qiáng)、中性點(diǎn)直流增大事件，嚴(yán)重威脅著電網(wǎng)的安全運(yùn)行［5］。山東電網(wǎng)未來還規(guī)劃有4條直流輸電線路深入負(fù)荷中心，若考慮各條直流輸電單極大地運(yùn)行方式的“疊加效應(yīng)”，變壓器的直流偏磁影響或更加嚴(yán)重［6-7］，及時準(zhǔn)確地監(jiān)測變壓器中性點(diǎn)的直流電流已成為調(diào)控運(yùn)行等因素導(dǎo)致了其所遭受的磁暴災(zāi)害風(fēng)險加大［8］，安裝變壓器直流偏磁監(jiān)測裝置，開展中性點(diǎn)地磁感應(yīng)電流（簡稱GIC）的監(jiān)測，構(gòu)建變壓器直流偏磁監(jiān)測平臺十分必要。

1 變壓器直流偏磁對電網(wǎng)的影響途徑

變壓器鐵心材料磁化特性為非線性，直流電流入侵產(chǎn)生的直流磁通與交流磁通疊加，使變壓器磁通曲線平移，鐵心產(chǎn)生半波飽和，使鐵心材料的磁導(dǎo)率大幅度減小，產(chǎn)生相同的磁通需要較大的勵磁電流，從而引起變壓器勵磁電流增大且形成正負(fù)半波不對稱、波形畸變的尖頂波［8-9］。

變壓器發(fā)生直流偏磁對電網(wǎng)的影響途徑如圖2所示，一方面勵磁電流增大導(dǎo)致變壓器無功功率消耗增加，引起電網(wǎng)電壓跌落和無功波動，勵磁電流波形畸變成尖頂波，產(chǎn)生的大量諧波易導(dǎo)致繼電保護(hù)誤動作和電容器過載威脅電網(wǎng)穩(wěn)定；另一方面變壓器鐵心半波飽和導(dǎo)致漏磁通劇增，損耗溫升增大，噪聲振動增強(qiáng)，影響本體的安全運(yùn)行［9］。直流輸電單極大地運(yùn)行和大電網(wǎng)的磁暴災(zāi)害是導(dǎo)致變壓器發(fā)生直流偏磁的最主要原因。

圖2 直流偏磁對電網(wǎng)影響途徑

2 ±660kV銀東直流引起的變壓器直流偏磁

±660 kV銀東直流雙極額定輸送容量為4 000 MW，額定直流電流3 030 A，線路全長1 335 km。工程建設(shè)初期、事故或檢修狀態(tài)下，允許單極運(yùn)行，此時可輸送一半的額定容量。青島換流站接地極位于膠州境內(nèi)，采用雙環(huán)布置，入地電流為單極額定電流，最大過負(fù)荷電流3 333 A，最大暫態(tài)電流4 242 A［10］。單極大地運(yùn)行時，在入地電流的作用下，極址附近數(shù)十甚至上百公里范圍內(nèi)的大地電位將升高，直流電流在不同位置的變壓器中性點(diǎn)間，通過輸電線路、變壓器繞組、中性線和大地構(gòu)成了低阻的流通通路，如圖3所示。圖4為青島換流站接地極周邊的變電站。

圖3 直流電流流通通路

圖4 膠東換流站接地極周邊的變電站

銀東直流輸電工程于2010年10月28日開始進(jìn)入系統(tǒng)單極運(yùn)行調(diào)試階段，單極滿負(fù)荷運(yùn)行期間，500 kV膠東換流站、嶗山站、大澤站、密州站、日照電廠、黃島電廠、濰坊電廠均反映變壓器振動噪聲明顯增強(qiáng)，單極大地運(yùn)行期間部分主變壓器直流偏磁實(shí)測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 直流偏磁實(shí)測數(shù)據(jù)

由表1的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，銀東直流單極滿負(fù)荷運(yùn)行時，膠東換流站、大澤站、日照電廠、黃島電廠主變中性點(diǎn)均流入了直流電流且出現(xiàn)一定程度的噪聲增大現(xiàn)象。11月8日，日照電廠更是反映3號主變噪聲和振動明顯增強(qiáng)，中性點(diǎn)的直流電流甚至高達(dá)10.8A。11月12日，黃島電廠反映5號主變噪聲和振動明顯增強(qiáng)，隨后銀東直流轉(zhuǎn)金屬回線運(yùn)行方式，日照、黃島電廠等變壓器運(yùn)行正常。16∶00將銀東直流由金屬回線（MR）轉(zhuǎn)單極大地（GR）運(yùn)行方式，實(shí)測日照電廠3號主變中性點(diǎn)直流電流13.9 A，噪聲由78 dB增加到95 dB；黃島電廠5號主變中性點(diǎn)直流電流9.6 A，噪聲由77 dB增加到87 dB。

此次單極大地運(yùn)行雖屬短時間的調(diào)試，但其造成的直流偏磁影響已相當(dāng)明顯。銀東直流投運(yùn)后，未安排雙極不平衡運(yùn)行方式，因此雙極不平衡運(yùn)行深度對變壓器直流偏磁影響的閾值和實(shí)測值還未得知，而單極大地運(yùn)行作為雙極不平衡運(yùn)行的極端形式，考慮最嚴(yán)重情況下變壓器直流偏磁影響，加強(qiáng)監(jiān)測并擴(kuò)大監(jiān)測范圍，形成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)從而構(gòu)建直流偏磁監(jiān)測平臺，完全能夠應(yīng)對直流輸電的直流偏磁影響。

3 山東電網(wǎng)的磁暴災(zāi)害風(fēng)險

3.1 磁暴災(zāi)害對電網(wǎng)的影響機(jī)理

太陽劇烈活動噴射出的高能高速粒子流在行星際中傳播，當(dāng)其沖擊空間電離層電流時與地球磁場發(fā)生相互作用，產(chǎn)生劇烈快速的地磁擾動，稱為“磁暴”［11］。地球作為由大地和海水組成的良導(dǎo)體，在磁場劇烈變化時，會在大地中感應(yīng)出電場，地面感應(yīng)電場作用在地基技術(shù)系統(tǒng)，如大規(guī)模電網(wǎng)、輸油氣管線、通信網(wǎng)絡(luò)、交通信號燈系統(tǒng)等導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)時，不同接地點(diǎn)地面感應(yīng)電勢間的電位差產(chǎn)生感應(yīng)電流，稱為地磁感應(yīng)電流（Geomagnetically Induced Current），簡稱GIC，GIC在電力系統(tǒng)中的流通路徑如圖5所示。

圖5 GIC在電網(wǎng)中的流通路徑

高電壓、大規(guī)模電網(wǎng)覆蓋區(qū)域廣闊，接地點(diǎn)眾多，GIC通過變壓器繞組，輸電線路與大地構(gòu)成回路。GIC的頻率為0.01～0.000 1 Hz，相對于50 Hz工頻可看做準(zhǔn)直流［12］。當(dāng)GIC流經(jīng)變壓器繞組產(chǎn)生偏置磁通，與交流磁通疊加使變壓器的運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)入鐵磁飽和區(qū)域，導(dǎo)致變壓器發(fā)生直流偏磁。

3.2 磁暴災(zāi)害下潛在的直流偏磁風(fēng)險

磁暴對高電壓、大容量、遠(yuǎn)距離、高緯度、東西向的輸電網(wǎng)影響嚴(yán)重，且具有全網(wǎng)性、范圍廣等特點(diǎn)［13］。山東電網(wǎng)與已經(jīng)遭受磁暴侵襲的廣東、江蘇、浙江電網(wǎng)相比［13-14］，電網(wǎng)覆蓋面積更大，緯度更高。500 kV電網(wǎng)輸電距離長，線路電阻小，呈明顯的東西走向，以及線路沿線地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，具備產(chǎn)生很大GIC的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、大地電性構(gòu)造條件，預(yù)估會產(chǎn)生較嚴(yán)重的電網(wǎng)磁暴災(zāi)害問題。

參考地質(zhì)及相關(guān)資料［15-16］得知山東境內(nèi)地貌復(fù)雜多樣，其沿海地區(qū)較平坦，內(nèi)陸以山丘為主，水面較少，山地丘陵面積占總面積近半。東南部以平原為主體；內(nèi)陸以丘陵、崗地為主；巖石的土壤電導(dǎo)率較小，平原地區(qū)土壤的電導(dǎo)相對較大。取日照地區(qū)的土壤電導(dǎo)率為0.002 S／m，嶗山、淄博變電站位于山區(qū)或丘陵，其土壤電導(dǎo)率較小，取為0.001 5 S／m，其他地區(qū)則根據(jù)結(jié)合大地電磁測深數(shù)據(jù)資料［16-17］，取為0.001 3 S／m。由于省域500 kV電網(wǎng)單位長度電阻遠(yuǎn)小于220 kV及以下電網(wǎng)，再考慮到220 kV及以下電網(wǎng)長度也小于500 kV線路，因此僅對500 kV電網(wǎng)的GIC水平進(jìn)行評估。利用MATLAB仿真軟件建立了500 kV電網(wǎng)最大運(yùn)行方式下的GIC等效模型，選取均勻地面電場（大小為1V／km，方向分別取為正東、正北、東北和東南4種情況）計算了500 kV變電站（電廠）GIC水平。表2為GIC平均絕對值大于10A廠站的GIC平均絕對值。

表2 GIC平均絕對值A(chǔ)

由表2中計算結(jié)果可知，2015年山東500 kV網(wǎng)架下GIC平均絕對值大于10 A的廠站有14座，占500 kV廠站總數(shù)量的34.1%，其中電場強(qiáng)度正東和東北方向時，GIC水平普遍偏大，此時電場強(qiáng)度與輸電線路的走向一致，說明GIC在電網(wǎng)中主要沿著與地面電場一致的方向和電阻最小的路徑流通。結(jié)合圖1可知，GIC值較大的變電站和其他站的連接線路數(shù)不超過3條，說明連接數(shù)較少（≤3）的變電站容易受GIC的侵襲，如濱州、益都、潤澤電和長清。在電網(wǎng)的末端、拐角上流入大地的GIC幅度比較大，如棲霞、鄒縣電廠、棗莊、昆崳，呈現(xiàn)明顯的“拐角效應(yīng)”現(xiàn)象。由于長線路上地面感應(yīng)電勢較大，連接其他長線路的變電站GIC較大，如光州、棲霞和棗莊。

具備連接線路數(shù)少、位于電網(wǎng)末端或拐角、連接長線路等特征的變電站可能成為高危變電站，電場方向?yàn)檎狈较驎r鄒縣電廠GIC最大為23.9 A；電場方向?yàn)檎龞|方向時棗莊站GIC最大，為34.4 A；電場方向?yàn)闁|北方向時，棗莊站GIC最大，為38.1 A；電場方向?yàn)闁|南方向時，密州站GIC最大，為16.1 A。對高危變電站應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測和關(guān)注。

目前為止變壓器繞組中允許流過的直流量還未見明確規(guī)定［18］，但從銀東直流調(diào)試期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)及現(xiàn)象可以看出，11月8日日照電廠3號主變侵入直流電流為10.8A時，其噪聲和振動增強(qiáng)已十分明顯。若山東電網(wǎng)遭受磁暴災(zāi)害侵襲，超過三分之一的500 kV站同時發(fā)生直流偏磁，對主網(wǎng)架的破壞是災(zāi)難性的，而變壓器直流偏磁的“集群效應(yīng)”所引起的保護(hù)誤動、無功補(bǔ)償裝置過載、無功電壓波動乃至崩潰等次生災(zāi)害，將對山東電網(wǎng)造成無法想象的嚴(yán)重后果。

4 直流偏磁監(jiān)測平臺的構(gòu)建思路和框架

4.1 在線監(jiān)測功能

直流輸電或磁暴災(zāi)害造成的變壓器直流偏磁最直接原因是形成了流通中性點(diǎn)的直流（或準(zhǔn)直流）電流，因此變壓器直流監(jiān)測平臺的目標(biāo)監(jiān)測量是中性點(diǎn)直流（或準(zhǔn)直流）電流，如圖6所示流程，當(dāng)直流輸電不平衡運(yùn)行、單極大地運(yùn)行或發(fā)生磁暴災(zāi)害時，直流偏磁監(jiān)測平臺在線采集主變中性點(diǎn)偏磁電流，電力調(diào)控中心監(jiān)控通過該平臺進(jìn)行監(jiān)控，一旦偏磁電流超過設(shè)定的安全閾值，將發(fā)出告警信號提醒調(diào)度員注意，甚至采取緊急措施，如自動降負(fù)荷、跳閘、投切直流裝置等。另外該平臺監(jiān)測的數(shù)據(jù)可為運(yùn)維檢修部評估設(shè)備的健康狀態(tài)，掌握設(shè)備可能遭受的偏磁損傷以及安排狀態(tài)檢修提供了數(shù)據(jù)支撐和參考。

圖6 直流偏磁監(jiān)測平臺在線監(jiān)測流程

4.2在線計算和預(yù)警功能

直流偏磁監(jiān)測平臺的基本設(shè)計思路是“防”，因此應(yīng)具備偏磁電流在線計算和預(yù)估功能，從而實(shí)現(xiàn)決策控制和在線預(yù)警目的［19－20］。

首先進(jìn)行磁暴、電網(wǎng)信息和大地探測數(shù)據(jù)的接入和整合，磁暴及電網(wǎng)信息包括分析計算所需的地磁預(yù)報信息、電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)信息（尤其是直流輸電運(yùn)行方式）、電網(wǎng)地理位置信息、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)信息、電網(wǎng)環(huán)境信息等。大地探測數(shù)據(jù)包括滿足直流輸電單極大地運(yùn)行計算地電位的淺層、局部的大地電阻率和計算電網(wǎng)GIC所需的深層、廣域大地電阻率。不同機(jī)構(gòu)或外部信息系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換關(guān)系如圖7所示。其中天文臺提供周期性預(yù)測空間環(huán)境預(yù)測信息，根據(jù)空間環(huán)境信息可計算地磁暴信息。勘探單位提供不同地理位置不同深度和廣度的大地電阻率、地理緯度、電網(wǎng)設(shè)備地理等信息。電力調(diào)控中心周期性接受來自天文臺的信息，一次性獲得勘探單位的地理信息，從而周期性計算電網(wǎng)GIC，同時電力調(diào)控中心根據(jù)自身掌握的直流輸電運(yùn)行方式和交流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在線計算變壓器中性點(diǎn)直流，為評估電力設(shè)備故障位置、形式及概率提供依據(jù)。

圖7 調(diào)控中心與外部信息的整合交換

其次進(jìn)行電網(wǎng)GIC預(yù)測與評估、直流輸電地電流在線計算。給出大地電磁場變化與電網(wǎng)GIC之間的系列模型和定量分析算法，采用地磁預(yù)報信息定量計算地面感應(yīng)電勢（ESP），并構(gòu)建電網(wǎng)GIC研究的大地電磁和巖石圈電性結(jié)構(gòu)資料庫，建立用于計算電網(wǎng)GIC的大地電阻率模型，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)GIC的預(yù)測與評估。對于直流輸電各種運(yùn)行方式下，建立用于計算地電位的大地電阻率模型，與地面電網(wǎng)進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)變壓器中性點(diǎn)直流電流的在線計算和預(yù)估，如圖8所示。

圖8 偏磁電流在線計算和預(yù)估功能流程

最后調(diào)控中心主網(wǎng)監(jiān)控啟動狀態(tài)告警，對預(yù)測的中性點(diǎn)偏磁電流超過安全閾值或電網(wǎng)設(shè)備已出現(xiàn)危險狀態(tài)的情況進(jìn)行告警，包括語音警報、推畫面，切換視頻窗口等形式，從而為調(diào)控人員提前掌握電網(wǎng)的偏磁風(fēng)險提供了依據(jù)。另外，在外部“災(zāi)害源”不變的情況下，交流電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對偏磁電流水平的影響也大相徑庭，狀態(tài)告警還包括交流系統(tǒng)運(yùn)行方式告警，對容易遭受“直流侵入”的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行提示，從而為調(diào)控人員科學(xué)安排檢修計劃、合理調(diào)整運(yùn)行方式規(guī)避風(fēng)險提供了有力支撐。

5 結(jié)語

中性點(diǎn)偏磁電流的在線監(jiān)測、計算和預(yù)測是進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)評價和大電網(wǎng)直流偏磁風(fēng)險評估的基礎(chǔ)，結(jié)合銀東直流調(diào)試期間變壓器直流偏磁影響及山東電網(wǎng)的磁暴災(zāi)害風(fēng)險，評估了山東500 kV電網(wǎng)最大運(yùn)行方式均勻電場下的GIC水平，得出了具備連接線路數(shù)少、位于電網(wǎng)末端或拐角、連接有長線路等特征的變電站可能成為高危變電站的結(jié)論，提出了構(gòu)建變壓器直流偏磁監(jiān)測平臺的建議，并給出了該平臺在線監(jiān)測、計算和預(yù)警功能的思路框架，為評估大電網(wǎng)的磁暴災(zāi)害風(fēng)險和直流輸電的直流偏磁影響提供手段，為深入研究磁暴災(zāi)害對電網(wǎng)的影響機(jī)理及磁暴災(zāi)害的預(yù)測預(yù)警提供監(jiān)測數(shù)據(jù)支持，同時為調(diào)控人員監(jiān)控電網(wǎng)運(yùn)行、制定調(diào)度應(yīng)急策略提供參考。

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［20］綦魯波，劉同同，趙會亮，等.基于陸、海、空、天四維一體大電力系統(tǒng)互聯(lián)構(gòu)想［J］.山東電力技術(shù)，2015，42（3），34-38.

DC Bias Monitoring Platform of Transformers in Shandong Power Grid

LIU Tongtong，Wang Qiang，GAO Yan
（State Grid Qingdao Power Supply Company，Qingdao 266001，China）

An research is done on DC bias influence of transformers in Shandong power grid by means of analyzing fieldacquired data during debugging of ground return operation mode for HVDC of Yinchuan to Shandong rated±660 kV.Based on the analysis for geomagnetic storm disaster of Shandong grid and its potential influence of DC bias,the GIC level of 500 kV power grid in Shandong is preliminarily calculated in the maximum operation by use of the uniform electric field with MATLAB simulation software.Conclusion is reached that high risk substations have characteristics of less numbers of connection lines, located at the end or corner of the power grid,long connecting lines.Ideas and frameworks for monitoring platform of DC bias are proposed.On-line monitoring process,integration and exchange of information with external environment,on-line calculating and early-warning functions are also given.The contents will offer great help for dispatch and control staff in assessing DC bias risk of large gird and formulation emergency strategy.

DC bias；geomagnetic storm disaster；HVDC；monitoring and early warning；emergency strategy

TM732；TM722

A

1007－9904（2015）06－0006－06

2015-03-24

劉同同（1985），男，工程師，從事地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行及電力系統(tǒng)安全運(yùn)行與災(zāi)害防治工作；

王強(qiáng)（1981），男，工程師，從事地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行工作；

高巖（1986），男，工程師，從事地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行工作。