特高壓電網運行與控制研究綜述

馬 坤，葉 鵬,李家玨，韓 月，張 濤

(1.沈陽工程學院電力學院，遼寧 沈陽 110136；2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

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特高壓電網運行與控制研究綜述

馬 坤1，葉 鵬1,李家玨2，韓 月2，張 濤2

(1.沈陽工程學院電力學院，遼寧 沈陽 110136；2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

隨著特高壓工程的開展和推進，大容量特高壓交直流輸電工程不斷增加，給現代電網帶來深刻變化。圍繞特高壓電網運行與控制問題，從電網功率控制與優化、電網穩定性與控制、系統保護與控制、故障分析等方面綜述和分析了特高壓電網的理論研究動態和工程應用技術，提出今后的重點研究方向和技術發展趨勢，為特高壓電網規劃、調度、運行與控制提供理論和技術參考。

功率控制與優化；輸電能力；最優潮流；電磁環網；無功優化；穩定與控制；保護與控制；故障分析

我國能源資源與負荷中心呈逆向分布，特別是重要的水電、煤電基地距離負荷中心較遠，大規模的水能、風能和太陽能等清潔能源有待進一步開發。為實現我國能源資源的優化配置，我國有必要發展特高壓輸電，建設國家堅強智能電網[1-5]。圍繞特高壓輸電，尤其是在交流輸電方面，國際上從19世紀60年代就開展了大量的研究，前蘇聯建成工業實踐性工程，日本建成實證試驗站，美國、意大利和中國也進行了一系列研究，取得了一批重要成果[1]。

隨著特高壓電網的發展以及輸電通道建設的不斷推進，我國電網將發展成為特高壓交直流聯系緊密，一體化特征不斷加強，運行方式多樣的交直流混聯電網[6-7]。我國電網是世界上唯一同時運行的特高壓交直流混聯電網，其運行方式、動態特性將更為復雜，對電網的運行與控制提出了新的挑戰。

本文圍繞特高壓電網運行與控制問題，從電網功率控制與優化、電網穩定性與控制、系統保護與控制、故障分析等方面綜述和分析了特高壓電網的理論研究動態和工程應用技術，提出今后的重點研究方向和技術發展趨勢，為特高壓電網規劃、調度、運行與控制提供理論和技術參考。

1 特高壓交流電網運行與控制

特高壓交流輸電具有輸電容量大、輸送距離遠、損耗低、節省輸電走廊等顯著優勢，而原有輸電線路越來越接近其安全穩定運行極限，為保證特高壓電網正常運行，有必要對影響電網安全穩定運行的因素進行研究。

1.1 特高壓交流電網功率控制和優化

特高壓交流電網大規模功率轉移將會對低一級線路造成突出的過載問題。特高壓互聯電網的頻率穩定與有功平衡，無功的合理分布與電壓的穩定有著直接關系。因此，通過對電網的功率控制和優化，使潮流合理分布對電網的安全、穩定、經濟運行具有重要的現實意義。

交流系統的輸電能力是指在保持系統經濟和穩定運行的條件下，一定距離的輸電線路具有的最大輸送功率。影響特高壓交流輸電的因素具有多樣性，文獻[8]分析了兩端交流系統對交流輸電系統輸電能力和運行特性的影響，提出了兩不同交流系統短路比對輸電能力的影響，短路比越大輸送能力越強。文獻[9]建立了特高壓輸電系統功率傳輸模型，分析了影響輸電能力的因素，提出應在中間開關站加裝SVC、線路串聯電容補償和線路串聯補償加可控串聯電容補償等先進技術來提高特高壓系統的輸電能力。

隨著特高壓電網的發展，電力系統會形成單個或數個電磁環網，隨之而來的系統穩定性破壞及電壓水平下降等問題將會更加突出。通過對潮流分布和輸電斷面進行評估，文獻[10-12]分析了特高壓電磁環網的解合環原則、開環方案及優化決策。最優潮流問題是特高壓電網運行與控制決策中的重要問題，同時是電網規劃與穩定性分析的重要前提。針對特高壓交流電網的運行，文獻[13-14]提出了求解最優潮流的新算法，提出了考慮暫態穩定和短期電壓穩定的最優潮流模型并采用直接多重打靶法和簡約空間內點法數值優化算法進行求解，文獻[14]提出了免疫遺傳算法與內點法相結合的算法。文獻[15]分析了最優潮流在電力系統中的最新應用。目前對于最優潮流的研究多集中于大規模高壓/高壓交直流混合電網，雖然所得出的結論和優化算法對特高壓交流電網具有很強的適用性，但是可能存在一些不足。因此，為保證特高壓電網安全、可靠、經濟運行，對特高壓交流系統最優潮流的研究是很有必要的。

無功補償是維持電網電壓穩定水平的重要手段，如何快速補償電力系統的無功是特高壓電網運行中亟待解決的重要問題。大容量遠距離特高壓交流輸電系統充電功率大，無功電壓控制相對困難，文獻[16-17]研究了基于經濟壓差無功潮流和保證電壓不越限的特高壓電網無功補償設計和運行方法，提高輸送能力，保證電網的運行安全與經濟性。文獻[18]研究了特高壓交流輸電系統的無功平衡及穩態電壓控制問題并針對特高壓示范工程提出了無功補償及電壓控制方案，包括高抗配置方案、低壓無功補償方案、無功投切策略以及穩態過電壓的控制措施。

1.2 特高壓交流電網穩定性與控制

隨著特高壓電網的發展和有功負荷的增加，電網的開放化和電力市場商業化使得電力系統越來越接近其安全穩定運行極限，經濟性和穩定性相互制約，對電力系統的安全穩定分析與控制提出了新的挑戰。

特高壓電網形成初期，網架結構相對薄弱，針對特高壓電網中出現的線路靜態穩定極限偏低和動態無功補償不足問題，文獻[19]提出采用可控電抗器和新建變電站等提高電網穩定性的措施。特高壓環狀電網結構形成后，功角穩定、電壓穩定、頻率穩定，短路電流和運行靈活性等方面發生劇烈變化。文獻[20]分析了特高壓電網改變情況和變化趨勢，并從提高安全穩定性角度提出了網架發展規劃建議。除建立合理的電網結構，安排合理的運行方式外，為保證特高壓變電站接入系統后電網安全穩定運行，特高壓電網必須配備合理的安全穩定控制系統。文獻[21]深入研究了福州1 000 kV特高壓變電站建成后對福建電網安全穩定性的影響，提出了具體的安全穩定控制措施和安全穩定控制系統配置方案。負荷模型及其參數的選擇對特高壓線路故障后系統暫態穩定性分析具有重要影響，文獻[22]研究了按照規劃特高壓線路接入后負荷模型對地區電網暫態穩定性分析的影響，并且為負荷模型的選擇提出了相關的建議。

1.3 特高壓交流電網保護與控制

保護系統作為維護電力系統安全穩定運行的重要防線，在電力系統中發揮著重要作用。特高壓電網的保護不同于傳統保護，為保證特高壓電網接入系統后安全穩定運行，除了合理的網架結構、運行方式外，還必須配置合理的保護裝置和控制系統。與超高壓輸電線路相比，特高壓電網接入系統后，輸電線路參數發生較大變化，其輸電系統對保護的影響主要是由分布電容引起的，因此對1 000 kV特高壓交流輸電線路的保護與控制提出了更高的要求。

1 000 kV輸電線路阻抗角、故障電流衰減時間、分布電容、振蕩等對保護帶來重要影響，文獻[23]重點分析了特高壓系統保護中的關鍵技術、保護功能及配置問題，指出特高壓系統暫態過程對特高壓輸電線路保護的影響是主要研究的問題。文獻[24]根據特高壓系統網架結構和運行特性，結合我國電網繼電保護配置的具體情況，提出我國特高壓系統保護的局域網設想和配置方案。文獻[25]充分考慮特高壓電網的特點，給出了特高壓線路分布參數模型，介紹了特高壓縱聯保護、距離保護、基于暫態量的保護等特高壓線路保護的研究成果以及國內特高壓主設備保護技術方面的進展。隨著電力電子技術的發展以及新型電子式互感器的研究及應用，特高壓系統保護技術的研究有待進一步發展。

2 特高壓直流電網運行與控制

隨著我國經濟的發展，能源結構和利用模式發生重大變化，環境問題不斷惡化，大規模可再生能源的應用成為必然選擇。考慮到風電、光伏發電間歇性和不穩定性的特點，部分地區“棄風棄光”問題嚴重，使得大規模可再生能源并未得到有效利用。特高壓直流輸電具有輸送容量大、輸送距離遠、中間無落點、無電壓支撐等特點。因此，建設特高壓直流輸電網架是解決新能源并網問題的主要技術方式之一。特高壓直流電網控制可實現系統功率靈活調度，保證系統安全、穩定、經濟運行。隨著特高壓直流輸電系統的建成投運和新型電力電子器件的大規模應用，無疑給電力系統的運行與控制帶來新的難題。

2.1 特高壓直流電網功率控制與優化

與交流輸電相比，直流輸電最大的優勢是具有復雜靈活的控制系統，可通過快速、精確調節電流和功率來滿足整個交直流系統聯合運行的要求。

高壓直流輸電系統的功率輸送能力主要由所聯交流系統決定，隨著特高壓直流系統的出現，多饋入直流系統的相互作用使得系統的功率平衡與控制更為復雜。文獻[26]研究了直流系統運行狀態變化后，直流間耦合程度以及多饋入短路比的大小對系統輸送能力和最大直流功率的影響。未來我國電網將會形成含特高壓直流輸電系統的多饋入直流輸電系統，各直流間復雜的相互作用對多饋入特高壓直流輸電系統功率輸送能力具有重要影響，因此，對含特高壓直流的多饋入直流系統的功率穩定與控制需要進一步研究。為減少特高壓直流系統故障后送端切機數量和避免向交流通道大規模功率轉移。文獻[27]提出了利用特高壓直流系統暫態和穩態過負荷能力相結合的協調功率控制策略。針對錦屏特高壓直流閉鎖故障，文獻[28]提出了緊急功率支援協調控制策略以及后備安控措施以避免協調控制措施失效導致第三道防線動作。鑒于功率控制體系和控制策略的設計是特高壓直流電網規劃、運行和發展的基礎，文獻[29]利用高壓直流和交流電網成熟的控制設計思想和實現手段，提出了直流電網分層控制體系方案，為未來在特高壓直流電網中構建標準化的控制體系和控制策略提供了參考。

特高壓直流換流站無功功率平衡與控制是研究特高壓直流輸電系統設計的重要組成部分。文獻[30-31]研究了換流站無功補償裝置的合理配置與補償方案選擇。特高壓直流輸電接入系統，換流站運行需要消耗大量的無功功率，文獻[32-33]從換流站無功消耗、交流系統無功交換能力、濾波器的投切控制等方面研究了特高壓直流輸電系統無功補償及其控制策略，提出了基于交直流系統最大交換無功限制的濾波器投切控制方法和在換流母線上通過無功攝動計算靜態電壓穩定指標。

2.2 特高壓直流電網系統控制

特高壓直流電網采用雙12脈動換流閥串/并聯的接線方式，其換流閥的結構相對較為復雜，為滿足特高壓直流系統安全穩定運行的要求，需對系統的控制策略進行深入研究。

控制系統是整個特高壓直流系統的核心環節，可實現對系統主要設備的監視和控制。文獻[34]針對特高壓直流控制系統的研究現狀，分析了站控系統、極控系統、組控系統等各項功能的工作原理、控制策略、實現方式等多方面內容，并詳細闡述了特高壓直流控制系統的功能。基于特高壓直流工程不平衡運行的工程實踐，文獻[35]提出了基于電壓調節和直流電流測量誤差補償相結合的控制策略。特高壓直流分層接入交流電網可有效解決多饋入直流落點負荷中心帶來的重大問題，文獻[36-37]研究了特高壓直流分層接入交流電網方式下的直流控制系統設計,文獻[36]指出分層接入的逆變站直流電流、電壓及熄弧角控制器應該配置在閥組層并且在串聯雙閥組的中間配置直流電壓測點，交流濾波器需獨立配置。文獻[37]針對受端兩串聯閥組接入不同交流電網引起的電壓不平衡問題，提出了利用受端串聯閥組中間電壓測點的雙閥組電壓平衡控制策略，并給出了與分層結構相適應的直流控制系統整體結構和功能配置。

2.3 特高壓直流電網穩定與控制

隨著特高壓直流接入系統，直流系統的規模不斷擴大，其穩定性機理以及改進控制策略的分析備受關注。

文獻[38]重點評述了非線性變結構控制、非線性自適應控制、非線性魯棒控制等控制理論在HVDC控制系統中的應用和多饋入直流系統的協調控制，其分析方法和控制策略對特高壓直流輸電系統穩定性分析與控制具有重要的指導意義。文獻[39]深入分析了模糊控制和神經網絡控制的基本結構和原理，針對其中的不足之處提出了應用pi-sigma模糊神經網絡附加控制來提高特高壓直流輸電系統暫態穩定性。文獻[40]分析了多回直流輸電系統中直流線路故障、直流功率提升和切機措施下系統暫態穩定性。大容量特高壓直流功率饋入受端電網的穩定性問題一直是研究的熱點。文獻[41-44]分析了特高壓直流接入對地區電網穩定性的影響，包括單重和多重故障、外受電比例、系統強度變化、大擾動、動態電壓穩定等方面。

3 特高壓交直流電網運行與控制

隨著特高壓工程的開展和推進，全國將形成具有多直流饋入的大規模電網，運行特性及其動態特性分析極具復雜性，深入研究交直流互聯電網的相互作用機理、功率穩定與控制、故障分析、仿真分析以及協調控制等問題，切實提高特高壓交直流互聯系統的安全穩定運行能力是一項急需解決的戰略性問題。

3.1 特高壓交直流互聯系統功率穩定與控制

特高壓直流系統輸送功率和受電能力受所聯交流系統強度的限制，特高壓直流利用特高壓交流分配功率，直流故障后導致大規模潮流轉移，都將對特高壓交直流互聯系統的穩定運行造成影響，因此，受電能力的研究越來越成為電網調度部門關注的問題。

我國特高壓直流接入方式可能會影響功率的分配轉移，并且會對系統的安全穩定運行造成影響。文獻[45]引入直流權重因子結合網絡損耗建立了特高壓直流分層接入方式下直流落點穩定性指標和特高壓直流落點選擇的目標函數，有效解決了特高壓直流分層接入方式下落點選擇問題，為特高壓直流輸電功率大規模轉移和系統的安全穩定運行提供了有效技術手段。文獻[46]從特高壓直流的落點、交流網架和動態無功補償的位置等方面研究了受端電網的直流接入能力，提出了直流落點優化、動態無功補償優化及網架優化方法，建立了可用于實際電網規劃的受端電網整體分析方法和流程。文獻[47]基于±1 100 kV特高壓直流分層接入受端多個交流系統，在換流站逆變側采用換流器附加功率-電壓控制，通過控制換流器觸發角實現對輸送功率的獨立調節，同時提出了最優功率比的概念以減少換流器在緊急功率控制過程中發生換相失敗的可能，從而發揮分層接入方式下潮流分布可控的優勢。

3.2 特高壓交直流互聯系統故障與控制

隨著多直流饋入受端電網，特高壓交直流線路間呈現耦合緊密、動態特性復雜等特征。當特高壓直流系統出現故障時，可能出現功率傳輸突然阻斷及潮流大規模轉移；特高壓交流系統出現故障時，可能引起特高壓直流換相失敗以及相繼換相失敗。因此，研究故障后的特高壓交直流相互作用機理及相應的控制保護措施對電網的安全穩定運行具有重要意義。

特高壓交直流系統故障分析是進行系統分析和制定控制保護策略的重要前提。特高壓交直流系統間耦合緊密，聯鎖反應風險度高，面臨多重工程技術問題，文獻[48]結合高壓直流的實際運行經驗及控制保護情況研究了交直流輸電的典型故障及其保護問題，包括換流設備故障、交直流系統故障等方面，對系統內的故障起到了科學預測、合理規避的效果，為特高壓交直流系統的故障與保護提供了技術支撐。換相失敗故障是特高壓直流輸電系統中最常見的故障[49]，若控制不當還會引發相繼換相失敗，最終導致特高壓直流閉鎖故障。文獻[50]通過討論特高壓直流換相失敗機理、交流系統故障引起的換相失敗，仿真分析了與換相失敗相關的控制保護策略和對受端系統暫態穩定性的影響。文獻[51]通過理論公式推導了交流故障特征量對特高壓直流換相過程的影響，通過仿真分析尋找特高壓交流故障引起特高壓直流換相失敗的規律，從相繼換相失敗和交流故障引起換相失敗兩方面對含云廣特高壓直流的多饋入受端電網的復雜性和特殊性進行了研究。對于特高壓交直流互聯系統故障分析，國內外專家學者已經進行了大量研究，其中一些工程技術問題已經得到很好的解決。通過采取相應的控制措施及其控制參數優化方法以減少故障以及換相失敗的發生是值得關注的課題。

4 展望

本文圍繞特高壓電網運行與控制問題，從電網功率控制與優化、電網穩定性與控制、系統保護與控制、故障分析與控制等方面詳細分析了國內外的研究現狀，并指出了今后的重點研究方向和趨勢，為電力系統規劃、調度、運行與控制優化提供了理論研究基礎和技術層面支持。

在總結國內特高壓工程研究以及實踐經驗的基礎上，我國在特高壓工程建設、設備制造、運行實踐上取得了大量的研究成果，但是在態勢感知、有效分析、科學預測、合理規避等方面未得到有效解決，為此仍有大量的工作要做，尤其值得關注的問題有以下幾個方面。

a.大規模特高壓交直流互聯給系統特性帶來深刻變化，特高壓交直流電網的動態特性更加復雜。特高壓交直流電網間的相互作用特性以及與下一等級電網間的相互作用特性有待進一步研究。

b.含特高壓直流的多回直流饋入受端電網的交直流功率相互支援，直流調制，直流緊急功率控制以及交直流協調控制實現方法以及多目標優化協調控制方法有待進一步研究，為現有電網控制與保護技術提供良好補充。

c.特高壓交直流電網發生多重復雜故障時，為滿足系統聯網方式和故障后系統頻率的快速恢復，特高壓交直流電網的低頻減載控制策略以及方案優化設計有待進一步研究。

d.針對含特高壓直流的特高壓交直流復雜電網，在交直流互濟過程中的無功優化與無功配置的問題上需進行深入研究，并提出合理的優化控制策略和手段。

e.大規模交直流互聯給電力系統運行特性帶來深刻變化，對電力系統的仿真提出了更高的要求。利用全新的仿真技術，結合電網實際，建立大規模特高壓交直流互聯系統機電-電磁暫態仿真平臺，準確把握交直流互聯系統機理以及系統運行特性，跟蹤特高壓交直流工程建設進度以及新的設備和技術的應用，在提高建模精度、擴大仿真規模、提高仿真效率等方面需進一步研究。

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Research on Operating and Control of the UHV Power Grid

MA Kun1,YE Peng1,LI Jiajue2,HAN Yue2,ZHANG Tao2

(1.Shenyang College of Engineering,Institute of Electric Power，Shenyang，Liaoning 110136,China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China)

With the development of UHV projects, the large capacity of UHVAC and UHVDC transmission projects have been increasing continuously.It has brought profound changes to modern power grid. Focusing on issues of control and operation in UHV power grid, the trends of theoretical research and the technology of engineering application of UHV power grid are summarized.It includes aspects of power flow control and optimization, the stability and control of the power grid, system protection and control, fault analysis and so on. The key points of research direction and the trends of technology development are put forward to provide theoretical and technical reference for the planning, dispatching, operation and control of the UHV power grid.

power flow control and optimization; transfer capability; optimal power flow; the electro-magnetic ring; reactive power flow optimization; stability and control; protection and control; fault analysis

國網遼寧省電力有限公司科信技術服務項目(LNDL2016-01FPT-GC-KX(GK)-JSFW)

TM732

A

1004-7913(2017)06-0054-06

馬 坤(1989),男,碩士,研究方向為特高壓交直流輸電系統運行與控制。

2017-03-20)