配置電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)(簡稱穩(wěn)控系統(tǒng))，采取緊急控制措施，是應對特高壓直流故障大功率沖擊帶來的電網(wǎng)穩(wěn)定問題的重要手段。自2010年以來，復奉、錦蘇、賓金等數(shù)個±800kV特高壓直流先后建成投產(chǎn)，每個直流工程均配套實施了穩(wěn)控系統(tǒng)，以確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。根據(jù)實際運行和控制需要，調(diào)度部門、科研機構(gòu)和設備廠商在提高特高壓直流配套穩(wěn)控系統(tǒng)可靠性方面進行了大量研究和工程實踐，成效顯著。但現(xiàn)有研究大多針對具體工程采取“量體裁衣”式的定制，對于特高壓直流穩(wěn)控系統(tǒng)的標準化和典型設計研究較少。隨著直流輸電距離和容量的不斷增加，建設速度的加快，研究特高壓直流輸電配套安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的典型設計方案，對于相關穩(wěn)控系統(tǒng)的設計實施具有重要指導與借鑒意義。
一、架構(gòu)設計
1.直流送端穩(wěn)控系統(tǒng)架構(gòu)
系統(tǒng)主要解決在直流故障后因功率過剩而導致的頻率穩(wěn)定問題，以及大功率沖擊導致的交流電網(wǎng)功角穩(wěn)定問題，利用故障聯(lián)切配套電源機組等措施，在確保電網(wǎng)穩(wěn)定的同時有效提高斷面輸電能力。按照分層分區(qū)控制的設計原則，并綜合考慮系統(tǒng)的可靠性和靈活性，配置控制主站，設置部分交流網(wǎng)內(nèi)控制子站，相關的電廠作為切機執(zhí)行站。
通常情況下，特高壓直流有相對固定的配套電源，故障時應優(yōu)先切除該部分機組，僅當切機容量可能不足時，才在送端電網(wǎng)內(nèi)配置少量的其他切機執(zhí)行站。直流配套電源由控制主站直接控制，而送端交流電網(wǎng)內(nèi)部的其他電源，則由控制主站發(fā)送命令至相關控制子站，再由其進行協(xié)調(diào)控制。這樣的設計的優(yōu)點在于：
多數(shù)情況下，緊急控制僅涉及到直流主站和配套電源，中間環(huán)節(jié)少，控制更可靠；
當配套電源可控量不足時，可由控制子站結(jié)合送端交流電網(wǎng)的實際情況，進行優(yōu)化控制；
當送端交流故障時，可方便實現(xiàn)快速回降直流功率，以維持送端電網(wǎng)內(nèi)的功率平衡。
2.直流受端配套穩(wěn)控系統(tǒng)架構(gòu)
與送端電網(wǎng)的穩(wěn)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大體相同，主要由安裝在逆變側(cè)換流站的控制主站、交流電網(wǎng)內(nèi)的控制子站和配套切負荷執(zhí)行站構(gòu)成。當特高壓直流故障時，受端電網(wǎng)將產(chǎn)生功率較大缺額和潮流大范圍轉(zhuǎn)移，可能導致電網(wǎng)出現(xiàn)頻率過低、部分線路潮流倒向或嚴重過負荷等問題，利用第二道防線的直流故障聯(lián)切負荷、交流故障緊急回降直流等措施，輔以第三道防線的軌跡驅(qū)動切負荷(TDLS)控制，確保受端電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。
目前，直流故障聯(lián)切負荷主要采用集中控制方式，通常利用布置在110kV及以上電壓等級變電站的穩(wěn)控裝置直接切除高電壓等級的線路或主變。當控制站點不多、控制容量相對集中時，為簡化設計，提高系統(tǒng)可靠性，切負荷執(zhí)行站可直接與控制主站通信。若切負荷容量較大、涉及面較廣，則可按照供電區(qū)域設置切負荷控制子站，負責與主站通信并實現(xiàn)對該區(qū)域負荷的狀態(tài)監(jiān)視與控制。受端網(wǎng)內(nèi)的其他控制子站負責交流元件故障檢測、直流功率緊急控制的策略判斷等。
二、接口
直流故障形態(tài)較多，暫態(tài)過程復雜，單純依靠穩(wěn)控裝置難以準確而又快速的識別故障，須通過與直流控制保護之間的接口交換信息，實現(xiàn)對直流的狀態(tài)監(jiān)視、故障識別及緊急控制。根據(jù)工程實施的不同階段，并隨著電網(wǎng)實際需求的變化和技術(shù)的進步，穩(wěn)控裝置與直流控制保護的接口先后有三種方式。
直流側(cè)單極接地故障下，配置聯(lián)接變壓器時，交直流系統(tǒng)接地點相互獨立，交流系統(tǒng)電壓和電流幾乎不受影響；不配置聯(lián)接變壓器時，交直流系統(tǒng)共用接地點，單極接地時交流母線對地電壓也將出現(xiàn)持續(xù)直流分量而產(chǎn)生過電壓，對交流系統(tǒng)設備絕緣造成較大影響。直流雙極短路時，系統(tǒng)中將出現(xiàn)很大的故障電流，電流通過換流閥中的反并聯(lián)二極管傳到交流側(cè)，從而對交流系統(tǒng)造成影響。
1.純開關量接口
是指穩(wěn)控裝置與直流控保之間僅以開關量接點方式進行信息交互，主要傳輸直流運行模式、直流非正常停運、緊急提升/回降直流（分檔）等信息，如圖2實線部分所示。該接口方式的優(yōu)點是邏輯簡單、易實現(xiàn)，缺點是交互信息少、僅能分檔控制、抗干擾能力不強。
綜合考慮系統(tǒng)的可靠性和安全性，該接口方式的典型設計原則為：開關量信號應經(jīng)功率不小于5W的光耦繼電器隔離，以提高抗干擾能力；啟動接點和動作接點應配置在不同的模件上，避免由于單一模件損壞而導致的誤動；啟動接點和動作接點可分別采用“二取一”并聯(lián)方式接入，避免單一模件損壞而導致的拒動。
2.“開關量+模擬量”接口
是指在“純開關量接口”的基礎上，穩(wěn)控裝置的“開關量”分檔控制命令，變?yōu)榱恕澳M量”無極控制。這里的“模擬量”是指工業(yè)控制系統(tǒng)中常用來傳輸非電物理量(如溫度、壓力、角度等)的4～20mA電流信號，如圖2虛線部分所示。
該接口的典型設計除了考慮與開關量類似的問題外，還應設計模擬量回路的異常監(jiān)視功能，考慮開關量和模擬量之間的時序配合關系，避免誤調(diào)、過調(diào)和欠調(diào)。該方式可滿足在直流孤島運行等情況下的精確控制要求，但由于交互信息仍然較少，無法實現(xiàn)直流功率回降故障的控制等更復雜策略。
3光纖數(shù)字接口
是指穩(wěn)控裝置與直流控保通過光纖接口交互數(shù)字信息。相對于前兩種接口方式而言，本接口方式具有可靠性高、傳輸信息量大，抗干擾能力強等優(yōu)點，可有效避免由于出口模件損壞、二次回路異常等情況下的裝置不正確動作。根據(jù)工程經(jīng)驗，并結(jié)合穩(wěn)控裝置與直流控制保護系統(tǒng)的實際情況，典型接口設計建議采用IEC60044-8通信規(guī)約，傳輸速率為5Mbit/s，采用曼徹斯特編碼，傳輸介質(zhì)為多模光纖。
三、故障判據(jù)
1.交流元件故障判據(jù)
傳統(tǒng)穩(wěn)控裝置判斷交流元件的故障，通常分為故障跳閘和無故障跳閘兩類。按照常規(guī)穩(wěn)控工程的典型設計，故障跳閘一般采用電氣量結(jié)合保護動作信號的判據(jù)，無故障跳閘則采用純電氣量的判據(jù)。若采用傳統(tǒng)無故障判據(jù)，在直流線路故障后重啟、直流閉鎖等情況下，近區(qū)交流電網(wǎng)的線路可能會因潮流的突然轉(zhuǎn)移而誤判為跳閘，導致穩(wěn)控裝置誤動作。為了防止上述情況發(fā)生，直流配套穩(wěn)控系統(tǒng)的交流元件故障典型設計應引入相關斷路器位置信號或者增加電氣量輔助判據(jù)。
2.直流元件故障判據(jù)
直流穩(wěn)控系統(tǒng)的主要策略觸發(fā)條件是直流極/閥組閉鎖故障，國內(nèi)目前大多采用“換流變電氣量+非正常停運信號”的判據(jù)快速可靠識別故障，判斷邏輯與交流元件跳閘故障相似。
3.直流功率損失量判據(jù)
直流故障前后總損失的功率是穩(wěn)控系統(tǒng)執(zhí)行控制策略的重要依據(jù)。直流故障暫態(tài)過程復雜，若由穩(wěn)控裝置計算事故前功率與事故后的穩(wěn)態(tài)功率差，事故前后的時間窗口Δt難以確定。實踐表明：Δt過短(最初設計為30ms)，可能會誤判健全換流器的轉(zhuǎn)帶；而延長Δt，即便是增加至300ms，在某些運行工況下，仍然會出現(xiàn)誤判為轉(zhuǎn)帶失?。ㄈ鐖D3）或誤判為轉(zhuǎn)帶成功（如圖4）的情況。經(jīng)過大量實驗數(shù)據(jù)分析，若要確保在所有故障工況下裝置均不會誤判，則Δt至少需延長至500ms以上，無法滿足電網(wǎng)的穩(wěn)定控制需求。
根據(jù)實際工程運行經(jīng)驗，按照直流運行模式具備轉(zhuǎn)帶能力的換流器，在故障時均能成功實現(xiàn)功率轉(zhuǎn)帶?；诖耍疚奶岢鼋Y(jié)合直流運行模式的直流功率損失量“預估”計算方法和典型設計原則，并通過大量RTDS仿真實驗和現(xiàn)在實際故障檢驗，驗證了其正確性和實用性。
特高壓直流換流器故障后的功率轉(zhuǎn)帶判斷原則：同極的兩個換流器之間，在定功率控制模式和雙極功率控制模式下，具有相互功率轉(zhuǎn)帶能力；不同極換流器之間，僅在雙極功率控制模式下，具有相互功率轉(zhuǎn)帶能力；在定電流控制模式下，換流器之間不具備功率轉(zhuǎn)帶能力。
此外，當發(fā)生在雙極功率不平衡保護、接地極過流保護動作等情況下，直流功率可能快速大量回降，也會對電網(wǎng)穩(wěn)定運行帶來威脅，需采取控制措施。在具備數(shù)字光纖通信的條件下，直流控制保護系統(tǒng)可把當前的各換流器最大可傳輸?shù)墓β?、直流快速回降的功率等信息發(fā)送給穩(wěn)控裝置，再由穩(wěn)控裝置結(jié)合一定的輔助判據(jù)綜合決策，可提高控制的快速性、準確性和適應性。
四、控制策略
我國直流輸電穩(wěn)控系統(tǒng)，經(jīng)過十多年的發(fā)展積累了豐富的工程經(jīng)驗，在控制策略的制定方面也日趨完善。特高壓直流穩(wěn)控系統(tǒng)的控制策略與常規(guī)穩(wěn)控系統(tǒng)的控制策略類似，由故障元件、故障類型、斷面功率和控制措施等元素組成，并以策略表形式體現(xiàn)。
隨著多個特高壓交直流輸電通道的建成投產(chǎn)，控制策略的設計和制定面臨新的要求，尤其體現(xiàn)在多個穩(wěn)控系統(tǒng)和控制策略間的協(xié)調(diào)控制方面。以復奉直流、賓金直流為例，為了解決兩大特高壓直流送出的穩(wěn)定問題，在復龍換流站、宜賓換流站、溪洛渡電廠等8個廠站配置了安全穩(wěn)定控制裝置，如圖5所示。經(jīng)計算，兩大直流故障后均可能會切除向左、向右以及溪左三個電廠的機組，兩個穩(wěn)控系統(tǒng)之間的控制措施有重疊。若按傳統(tǒng)的思路制定策略和實施方案，兩套穩(wěn)控系統(tǒng)間無信息交互和協(xié)調(diào)，當出現(xiàn)兩大直流同時雙極閉鎖的極端故障時，某些機組會同時被兩個主站發(fā)來的命令切除，從而導致控制措施量不足。
對于上述情況，需對兩套穩(wěn)控系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)控制。將其中一個主站(復龍站)設置為協(xié)調(diào)控制主站，負責協(xié)調(diào)兩大直流同時故障等極端情況下的全局優(yōu)化控制。當宜賓站判出需采取切機控制措施時，在向電廠發(fā)送切機命令的同時，同步將切機信息發(fā)送至復龍站，由復龍站穩(wěn)控裝置進行協(xié)調(diào)控制。
此外，對于送端的切機控制策略，典型設計建議按照固定順序“依次切機，達到需切容量為止”的原則，可避免在控制主站采用主輔運行模式，簡化系統(tǒng)設計，提高可靠性。
五、總結(jié)
穩(wěn)控系統(tǒng)的合理構(gòu)架設計、穩(wěn)控裝置與直流控制保護系統(tǒng)之間的可靠接口設計、以及直流故障判據(jù)及控制策略的優(yōu)化設計是確保特高壓直流配套穩(wěn)控系統(tǒng)可靠運行的重要前提。本文研究提出的特高壓直流穩(wěn)控系統(tǒng)典型設計方案，已在四川送出的三大特高壓直流(復奉/錦蘇/賓金)進行了實際工程應用，系統(tǒng)運行狀態(tài)良好，多次正確動作，保障了電網(wǎng)穩(wěn)定運行。典型設計方案對于后續(xù)的特高壓直流穩(wěn)定系統(tǒng)的設計和實施具有重要參考和借鑒意義。此外，多直流同時故障閉鎖或換相失敗的穩(wěn)控策略及實施方案，以及如何減少穩(wěn)控裝置對于直流控制保護系統(tǒng)的依賴性，將是特高壓直流穩(wěn)定系統(tǒng)后續(xù)的研究方向和重點。
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