含特/超高壓直流的弱送端電網安全品質評價研究

李靜宇 周明

摘 要： 針對采用柔性直流方法評估含特/超高壓直流的弱送端電網安全無法抵抗系統潮流轉移以及系統功能失衡的動態波動問題，安全穩定評估性能差，提出基于彈性映射的弱送端電網安全品質評估方法。設計了含特/超高壓直流的弱送端電網三道防線安全穩定控制流程，分析弱送端電網彈性力學空間映射、弱送端電網交流支路映射模型以及交流支路的映射彈性勢能的內容，將弱送端電網當成一條“源?網?荷”彈性支路，將廣義彈性系數作為弱送端電網安全性能快速量化評估判據，管理人員對廣義彈性系數曲線實施檢測，則可完成弱送端電網安全狀態的在線評估。實驗結果說明，所提方法能夠實現弱送端電網安全品質的準確評估，確保電網的穩定運行。

關鍵詞： 含特/超高壓直流； 弱送端； 電網安全品質； 廣義彈性系數； 評價； 評估性能

中圖分類號： TN915.853?34； TM721 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）11?0095?05

Research on safety quality evaluation of weak transmission terminal

power grid with EHV/UHV direct current

LI Jingyu， ZHOU Ming

（State Key Laboratory of New Energy Power System， North China Electric Power University， Beijing 102206， China）

Abstract： The flexible DC evaluation method is usually used to evaluate the safety of weak transmission terminal power grid with EHV/UHV direct current， which can′t resist the dynamic fluctuation of system power flow transfer and system function imbalance， and has poor performance for safe and stable evaluation. Therefore， the elastic mapping based safety quality evaluation method of weak transmission terminal power grid is proposed. The three lines of defense safe and stable control process of weak transmission terminal power grid with EHV/UHV direct current was designed. The elastic mechanics space mapping and AC branch mapping model of the weak transmission terminal power grid， and mapping elastic potential energy of the AC branch are analyzed. The weak transmission terminal power grid is deemed as the source?grid?load elasticity branch， and the generalized elastic coefficient is taken as the fast quantitative evaluation criterion of weak terminal power grid safety performance， so the management personnel can detect the generalized elastic coefficient curve， and complete the security state on?line assessment of weak transmission terminal power grid. The experimental results show that the proposed method can accurately evaluate the security quality of the weak transmission terminal power grid， and ensure the stable operation of the power grid.

Keywords： EHV/UHV direct current； weak transmission terminal； power grid safety quality； generalized elastic coefficient； evaluation； evaluation performance

0 引 言

由于我國大規模交直流互聯電力系統不斷發展，產生了較多的大規模能源送端電網。為了滿足能源轉移的需求，直流輸電工程電壓以及輸送容量逐漸提升，輸送距離不斷增加，對直流送、受端系統以及互聯電網的干擾不斷提升 [1]。含特/超高壓直流的弱送端電網向受端電網傳達大功率電能過程中對本地區電網產生電力服務，弱送端電網安全性對總體電力系統具有重要影響作用。以往常采用柔性直流方法評估含特/超高壓直流的弱送端電網安全，但該方法無法抵抗系統潮流轉移以及系統功能失衡的動態波動問題，不能對弱送端電網的電壓情況進行準確分析，安全穩定評估性能差[2]。因此，本文提出基于彈性映射的弱送端電網安全品質評估方法，提高電網安全評估質量，確保復雜電網的順利運行。

1 弱送端電網穩定控制階段過程設計

含特/超高壓直流的弱送端電網三道防線同安全穩定控制的關系，在控制時為了完成緊急控制可使用電源端以及負荷端的控制措施。本文基于交直流送端電網，如果出現直流閉鎖故障時外送功率受到阻礙，則在輸電區域通過多個廠站安控裝置組成穩定的控制系統，完成電源端采取切機的穩定控制[3]，設計的弱送端電網穩定控制過程圖用圖1描述。

2 基于彈性映射的弱送端電網安全品質評估方法

對含特/超高壓直流的弱送端電網進行三道防線的安全穩定控制后，采用基于彈性映射的弱送端電網安全品質評估方法分析弱送端電網靜態安全性，確保電網的順利運行。

2.1 基于彈性映射的含特/超高壓直流的弱送端電網等值

2.1.1 弱送端電網彈性力學空間映射

含特/超高壓直流的弱送端電網線路中有用功[PL]傳遞能量導致節點兩端出現差別[δij]，類似于向彈簧施加壓力[F]，產生形變[x]。因此弱送端電網支路功角特征可以模仿彈簧形變的過程，該映射過程可表示為：

[F?PLx?δij] （1）

將弱送端電網等效成縱向受力的彈性網絡，既保留電網的拓撲結構又突出了電網的功角特征[4]。

2.1.2 弱送端電網交流支路映射模型

忽略弱送端電網中的電阻，將支路兩端節點設為[i]，[j]，兩端節點電壓為[Ui]，[Ui]存在相角差，電網中電抗用[XL]表示，該支路的有用功為：

[PL=UiUjXLsinδij] （2）

當有用功發生變化時，其1階增量方程表示為：

[ΔPL=UiUjXLcosδijΔδij+UjXLsinδijΔUi+UiXLsinδijΔUj] （3）

弱送端電網的彈性系數[KL]表示為：

[KL=ΔPLΔδij] （4）

即：

[KL=UiUjXLcosδij+UjΔUi+UiΔUjδijXLsinδij] （5）

根據上述公式計算出弱送端電網支路中電網兩端的相位角和支路的彈性系數。

2.1.3 弱送端電網支路的映射彈性勢能

彈性勢能的表達式為：

[EL=Fdx] （6）

根據映射作用，電網中支路的彈性勢能與彈簧的彈性勢能可以類比[5]，得到弱送端電網支路L的彈性勢能：

[EL=PLdδij] （7）

將式（2）代入式（7）中得出：

[EL=PLtanδij2] （8）

又因為弱送端電網線路和彈簧的彈性系數也存在映射關系，則線路[L]的映射彈性系數為：

[KL=dPLdδij] （9）

對式（2）進行變換，可得到：

[PL=KLtanδij] （10）

若[δij]的值非常小，也可將弱送端電網支路映射彈性勢能表示為：

[EL=P2L2KL] （11）

弱送端電網支路傳輸的全部能量為：

[Wij=Im（IijdUij）=ImPL+jQLUijjejδij（ejδijdUij+jUijejδijdδij）=ImPLUijdUij-QLdδij+jPLdδij+QLUijdUij=PLδij+QLUijdUij]

式中：[Wij]用于描述該弱送端電網傳輸能量總和；[Iij]為該支路的電流；[Uij]為節點兩端的電壓差；[Uij]和[δij]為弱送端電網支路兩端的電壓差幅值和相角。

假設弱送端電網中有用功在輸送過程中沒有損失[6]，對式（12）進行簡化，可得：

[Wij=Im（IijdUij）=PLδij+QLUijdUij=PLδij] （13）

對于方向相同的支路，弱送端電網中輸出的總彈性勢能為：

[ELΣ=i=1nPtopitanθtopi2-j=1nPbotjtanθbotj2] （14）

式中：[Ptopi]和[θtopi]分別表示弱送端電網中對應節點的有功和相位；[Pbotj]和[θbotj]分別表示負荷母線對應的有功負荷和相位。

2.2 弱送端電網等值模型和安全品質判斷依據

2.2.1 弱送端電網等值模型

將所有發電機的頂點視作頂端節點，將含特/超高壓直流的弱送端網絡視為彈性網絡，因為彈性網絡中每條支路中都受到一個縱向的作用力，用“源”表示弱送端電網中的發電機，“網”表示電網線路，“荷”表示電網中所有負荷節點。因此也將含特/超高壓直流的弱電網絡等同為“源?網?荷”模型[7]。

根據廣域測量系統能夠求出導入節點的功率和相位角，由式（14）計算出大電網映射的總彈性勢能：

[ELΣ=2arctanELΣPLΣbot] （15）

再利用式（8）求出含特/高壓直流的弱送端電網的等效電網相位差：

[δeq=2arctanELΣPLΣbot] （16）

與式（4）進行類比，得到等效弱送端電網的靜態安全廣義彈性系數：

[Kbs=ΔPbotΔδeq] （17）

2.2.2 弱送端電網安全品質評價

彈性系統的穩定性是相對平衡狀態來定義的，若某時刻的平衡狀態發生小幅度變化時，彈性系統能自動恢復到原來的狀態，平衡狀態變化較大，彈性系統則不會恢復到原來的狀態[8]。只要弱送端電網支路彈簧的彈性系數大于零，說明該弱送端電網處于安全運行模式。若該弱送端電網中的每條支路都處于安全運行模式，則說明該電網是安全的。

因此可以得出含特/超高壓直流的弱送端電網靜態安全的評判標準：弱送端電網受到小幅度干擾后，不存在動態的失衡問題。弱送端電網的靜態安全評價與彈力系統的靜態安全評價類似，由此，將弱送端電網映射到彈力系統，將各支路當作彈簧支路，證明彈簧支路大于零，就能得出弱送端電網中支路的穩定安全狀態[9]。

[Kbs]可以等效為電網中支路的彈性系數，由上文分析得到弱送端電網靜態安全功角的穩定判斷依據為：

[Kbs=ΔPLΔδeq=1XL（UiUjcosδij+ΔUjUiΔδijsinδij）>0] （18）

綜上所述，含特/超高壓直流的弱送端電網的等效支路“源?網?荷”的靜態安全評價流程，如圖2所示。

3 實驗分析

3.1 某地區電網中的應用分析

實驗以某地區為實例，采用本文提出的基于彈性映射的弱送端電網安全品質進行仿真實驗，該地區存在210臺發電機、1 300個節點，其中600個負荷節點，1 780條支路，支路中等效電網總的勢能為[ELΣ]（單位：pu），相位差為[δeq]，廣義彈性系數[Kbs]均可由本文方法的公式計算得出。該地區電網的基本信息用表1描述。

實驗將BPA作為仿真平臺，采用本文方法分析該區域弱送端電網的安全品質，該區域全網機組響應方式設置提升步長是0.243。多臺發電機通過提升原始功率輸出自身負荷比例[10]，對該地區弱送端電網中各節點等效參數實施跟蹤，獲取本文方法的運算結果，用表2描述。

為了更好地表達出彈性系數曲線隨負荷提升而形成的波動趨勢，實驗獲取該地區的等效電網廣義彈性系數曲線，如圖3所示。分析圖中的[Kbs]，通過該曲線的波動趨勢完成該地區弱送端電網安全性的準確檢測。分析圖3可得，隨著該地區電網負荷的逐漸增加，等效電網廣義彈性系數曲線[Kbs]逐漸降低直至為0，該情況達到電壓崩潰點，說明該地區弱送端電網處于靜態安全的狀態下，廣義彈性系數始終高于0，如果電網處于穩定極限時，廣義彈性系數會靠近0，說明采用本文方法評估弱電端電網安全品質是可行的。

3.2 呼遼直流安全穩定分析

實驗采用本文方法對呼遼直流安全穩定進行分析，在含特/超高壓直流運行狀態下，伊敏電廠一、二期工程 500 kV母線同伊敏三期母線相聯，呼遼直流弱送端電網的電力向遼寧電網以及主網輸送。實驗檢測的中直流弱送端電網呼遼直流雙極的運行功率是3 000 MW。實驗檢測伊馮[N?2]故障以及伊換[N?2]故障發生時本文方法控制下電網運行的穩定情況。

3.2.1 伊馮[N?2]故障分析

當伊馮雙回線路外送功率為2 100 MW時，實驗檢測獲取伊馮線發生[N?2]故障后，聯切伊敏一、二期4臺機組，在本文方法的控制下，弱送端電網孤島系統可保持穩定，頻率偏差合格，如圖4所示。

3.2.2 伊換[N?2]故障分析

當伊敏三期至換流站雙回線潮流功率是800 MW，伊馮斷面外送功率為2 500 MW時，實驗檢測當伊換線產生[N?2]故障后，通過本文方法實施安全控制后，可確保送端孤島系統的穩定性，使得直流負極功率以及正極功率波動保持穩定，如圖5所示。

4 結 論

本文提出基于彈性映射的弱送端電網安全品質評估方法，將弱送端電網看成一條“源?網?荷”彈性支路，管理人員對弱送端電網廣義彈性系數曲線實施檢測，實現電網安全狀態的在線評估。

參考文獻

[1] 王華偉，韓民曉，張健，等.送端弱系統對特高壓直流工程調試和運行的影響[J].中國電力，2014，47（10）：47?51.

WANG Huawei， HAN Minxiao， ZHANG Jian， et al. Impacts of weak AC system on the commissioning and operation of UHVDC transmission project [J]. China power， 2014， 47（10）： 47?51.

[2] 吳萍，徐式蘊，趙兵，等.面向風火打捆的特高壓直流輸電工程弱送端強直弱交耦合特性研究[J].電力自動化設備，2016，36（1）：60?66.

WU Ping， XU Shiyun， ZHAO Bing， et al. Research of weak sending?end coupling characteristics for bundled wind?thermal power transmission of UHVDC project [J]. Electric power automation equipment， 2016， 36（1）： 60?66.

[3] 程春田，勵剛，程雄，等.大規模特高壓直流水電消納問題及應用實踐[J].中國電機工程學報，2015，35（3）：549?560.

CHENG Chuntian， LI Gang， CHENG Xiong， et al. Large scale hydropower consumptive problem and application model of high voltage DC [J]. Proceedings of the CSEE， 2015， 35（3）： 549?560.

[4] 張強，張新燕，王維慶，等.哈鄭風火打捆特高壓直流外送電壓穩定性分析[J].可再生能源，2016，34（3）：375?380.

ZHANG Qiang， ZHANG Xinyan， WANG Weiqing， et al. Hazheng hot bunding UHVDC sending voltage stability [J]. Renewable energy， 2016， 34（3）： 375?380.

[5] 覃琴，周勤勇，郭強，等.保障系統安全穩定的電網構建應對策略研究[J].中國電力，2016，49（3）：51?58.

QIN Qin， ZHOU Qinyong， GUO Qiang， et al. Research on the security and stability of the power grid construction response strategy [J]. China power， 2016， 49（3）： 51?58.

[6] 李明節.大規模特高壓交直流混聯電網特性分析與運行控制[J].電網技術，2016，40（4）：985?991.

LI Mingjie. Hybrid power grid operation characteristics analysis and control large?scale special high?voltage AC and DC [J]. Power system technology， 2016， 40（4）： 985?991.

[7] 陳赟，陳得治，馬世英，等.風光火打捆高壓直流外送下送端電網高頻切機方案適應性研究[J].現代電力，2016，33（4）：87?94.

CHEN Yun， CHEN Dezhi， MA Shiying， et al. Adaptability of the high frequency cutting scheme of the wind and fire bundled HVDC transmission network [J]. Modern electric power， 2016， 33（4）： 87?94.

[8] 徐式蘊，吳萍，趙兵，等.提升風火打捆哈鄭特高壓直流風電消納能力的安全穩定控制措施研究[J].電工技術學報，2015，30（13）：92?99.

XU Shiyun， WU Ping， ZHAO Bing， et al. Study on the security and stability control strategy enhancing the wind power consuming ability of the wind?thermal power combining Hazheng UHVDC system [J]. Transaction of China electrotechnical society， 2015， 30（13）： 92?99.

[9] 李朝順，張正茂，康激揚.大直流弱送端系統安全穩定控制策略[J].電網技術，2014，38（1）：28?32.

LI Zhaoshun， ZHANG Zhengmao， KANG Jiyang. The low DC sending system security and stability control strategy [J]. Power system technology， 2014， 38（1）： 28?32.

[10] 鐘顯，樊艷芳，王一波，等.含高密度風電、交直流送端電網直流閉鎖故障穩控方案研究[J].電力系統保護與控制，2015，43（13）：130?138.

ZHONG Xian， FAN Yanfang， WANG Yibo， et al. Research on stability control scheme of DC blocking fault with high?density wind power and AC/DC transmission terminal [J]. Power system protection and control， 2015， 43（13）： 130?138.