电网大停电若干关键技术的探讨

宋 玮 刘桂林

华北电力大学电力工程系 河北 保定 071000

0 引言

目前，我国已基本实现全国联网。但大电网有一个致命的弱点，即某处的故障可能引发整个电网失稳，造成大面积的停电。电网稳定的问题仍是互联电网的瓶颈。由于电网规模的扩大、电网结构上的复杂性、各种新型输电技术的采用和大规模新能源的集中接入等特点使得我国电网成为世界上最复杂的电网之一。因此，我国电力系统未来面临多元风险，亟需推进电网安全防御技术的研发与应用。同属于发展中国家的中国与印度，由于国情、网情很相似，因此印度大停电事故［1］所反映出来的技术层面与管理层面的问题，对于中国电力事业的发展具有重要的警示意义和参考价值。

在全世界范围内，大停电事故时有发生，原因也各不相同。从宏观上讲，1）是由作为电力系统的第一道防线继电保护拒动造成主保护和后备保护拒动或误动造成的；当系统受到干扰或发生故障时，继电保护应能立即或经过一定延时切除故障。例如此次印度大停电［1］的后备保护拒动、2002年1月发生的巴西大停电［3］、2005年5月发生的莫斯科大停电以及2007年4月发生的哥伦比亚大停电；2）是由运行规程、方案不合理，一些技术人员能力有限造成的，例如2011年9月韩国大停电；3）是由安全自动装置和失步解列装置不正确动作造成的。从微观上讲，1）无功功率不足导致电压下降，在过负荷下继电保护可能误动作；2）自由的电网结构使得负荷转移而引起失步振荡，传统的距离保护在失步振荡下误动作，使得系统解列造成大停电；3）网架薄弱易致使系统崩溃并且恢复缓慢；4）故障切除后运行状态转移中部分输电元件异常或保护误动。

虽然我国电力事业从未出过大停电事故，但不得不承认我国的电网结构还不够坚强和完善，仍存在着一些潜在的危险点［4］。对此，很有必要就关乎电网安全的特高压输电、新型直流输电和几种新型继电保护的关键技术进行深入的探讨与研究。

1 特高压输电存在的问题与分析

特高压输电系统的建设可有效解决我国由此带来的电力输送问题，以实现我国能源的优化配置。同时实施特高压输电是我国资源分布与生产力布局的客观要求［5-7］，关乎到我国电网网架的坚强性以及抗风险抗冲击的能力，对电网的安全稳定运行发挥着重要作用，可以有效的减少大停电事故的概率。

1.1 特高压输电存在以下几个主要问题

首先是输电网络中特高压输电电压等级选择的问题，在特高压电压等级选择中，空隙绝缘饱和特性是需要重点考虑的一个方面，比如我国750kV紧凑型输电线路最小相间绝缘距离应取5～7m；其次电网中还存在雷电穿过转角杆塔的避雷线而击于导线或杆塔的问题，这将造成线路雷击跳闸；最后引起绝缘子闪络的大气污染问题，绝缘子闪络严重威胁到电网安全运行，因而防污闪是保障电网安全运行的一个重要问题。

为了我国电力事业的进一步发展，结合西电东送，南北互供的全国性联网战略。必须加强我国特高压输变电技术的开发和利用。

1.2 特高压输电若干关键技术的分析

关于我国特高压输电技术研究现状，可以看出有以下几个关键点需要注意，若有不慎则高电压等级输电线路可能出现事故，破坏系统的稳定运行，甚至造成系统失步从而使得电压崩溃和系统瓦解，造成电网大停电。现就若干关键技术［8-9］进行深入分析：首先高压电弧对特高压输电的严重影响。由于特高压线路中恢复电压高，所以高压电弧将会伴随在特高压线路运行的过程，造成自动重合闸的成功率下降；从另一个方面讲，串联电容补偿能够提高特高压线路的稳定性以及输送容量，所以，亟需把特高压系统的串联补偿装置的技术和参数研究清楚。其次是线路的通信干扰。由于通信技术水平原因，测量结果一直不是非常准确，所以研究提高通信干扰测量技术意义重大；在研究中还发现天气对于测量的结果影响是比较大的，一般晴天会比雨雪天测量的结果小8～12dB。最后还有系统中各元件绝缘的配合。为了能够更好地进行特高压线路的维护和设计，需要清楚设备的外绝缘以及特高压线路电极的放电特性，在进行特高压线路防雷的时候要结合绝缘配合原则去进行，获得最小安全距离和组合的空气间隙。

综上所述对高压电弧、通信干扰以及绝缘配合技术的深入研究，尤其是在高海拔地区，对提高电力系统输电稳定性，维持系统的安全运行具有重大的意义。

2 基于换流变压器的新型直流输电

新型直流输电就是采用电压源换流器的高压直流输电技术。与传统的高压直流输电相比，最大的区别是其换流器采用IGBT等可关断器件，而常规的高压直流输电是使用的晶闸管。新型直流输电不仅具备常规直流输电所有的优点，还有很多自身的特殊优点［10-11］。这些优点如下：可以实现有功和无功功率的独立控制；能向无源网络系统供电；能四象限运行；无需站间通信，便于构成并联的多端直流输电系统；开关频率较高，低次谐波较少，不需要或只需要很少容量的高次滤波器；可以实现静止同步补偿器（STATCOM）功能，对接入电网中的无功功率进行动态补偿。基于以上特点，柔性直流输电很适合于可再生能源并网，分布式电源并网、孤岛供电、城市电网供电、异步交流电网互联等领域。

因此，柔性直流输电在解决新能源并网发电、向偏远地区供电、提高电网电能质量等问题上得到了广泛的应用，对减少大停电事故的概率具有重要的现实意义。

模拟逆变运行状态时，只需把稳态模型中换流器各阀值反向即可。对图1所示的经典稳态模型深入研究不难发现，经典模型存在有一些不足，虽然这些不足可以通过修改滤波器参数进行改善，但未从根本上解决谐波与无功功率对换流变压器的影响等问题。并且，直流线路经整流桥回馈的交流电流均要通过换流变压器的原副边绕组。其中谐波和无功功率将会在变压器的绕组与铁芯中增大发热、噪声和振动，此外换流变压器一个副边采用Y-Δ接线，为了保证换流桥上相电抗相等，在理想情况下环流变压器的两副边漏抗应该相等，这即要求副边Y-Δ接线的匝比为1不是整数，工程上无法达到理想精确，这必然会导致换流桥上下桥间的误差。

图1 直流输电经典稳态模型（整流运行）

为了解决经典稳态模型在直流输电中的不足，提出了基于换流变压器的新型输电模型［12-13］，该模型如下图2所示。新型的直流输电模型改变了换流变压器的接线方式，两副边均采用Y-Δ接线，这样就使得换流桥上下两桥的相电抗相等，只要副边采用相同的匝数，在理论上即可做到理想精确，减小了误差。并且在Δ接线组引出抽头接配套的有源滤波器。无源滤波器中的电阻与电容对信号有抑制作用，并且会带来时间延迟；而采用有源滤波器不仅性能好、速度快，还能得到更理想的频率特性，从而对谐波和无功功率在源头上加以抑制和部分补偿。由于环流变压器阀侧特征谐波次数中的5、7、11次特征谐波含量较为严重，为了消除主要次谐波对换流变压器的不良影响，我们可以通过调整有源滤波器的参数实现。

当然，随着技术的进步和发展，我们也可以采用在新型换流变压器接线时，利用耦合绕组的谐波安匝平衡来进行滤波。我们还可以自己设计滤波器进行滤波，如要保留基波，滤除和抑制一些谐波，我们设计非递归型滤波器，其系统函数为

图2 新型直流输电稳态模型（整流运行）

3 自适应继电保护和几种新型保护

常规继电保护是按最严重的运行条件确定保护整定值的，虽然可以保证电力系统各种运行方式下发生故障时，继电保护都能够正确动作，但有以下几个缺点［14-15］：

1）按该条件确定的继电保护整定值，对其他运行方式来讲不一定是最佳的整定值；

2）在电力系统最小运行方式下发生最不利的故障时，继电保护系统的性能可能会严重变坏甚至发生拒动现象；

3）分支系数的引入，造成动作值计算结果出现误差；

4）计算分支系数时未全面考虑分布电源运行方式的变化，导致分支系数本身存在误差。这些缺点不但限制了电力线路的传输容量和电网运行的稳定性，而且降低了电网运行的稳定性。微机保护的发展使得实现自适应继电保护系统已成为可能。

所谓的自适应继电保护是指能够在线修改运行方式的变化信息，以获得最佳保护性能的继电保护系统。大电网自适应继电保护系统的研究主要存在三个问题［16-19］：

1）尚未从安全自动控制的角度来研究继电保护系统与电力系统之间的相互关系，导致自适应继电保护系统至今与能量管理系统无缘；

2）尚未利用电力系统固有的分布性来构成分布式自适应继电保护系统；

3）获得自适应继电保护系统的在线整定值往往满足不了要求，而且不能人工干预继电保护的整定计算过程。

在电力系统运行时，由于常规继电保护和电力系统构成的是一种开环断续控制流，在常规继电保护系统前应引入一个能够根据电力系统运行状态变化信息在线修改常规继电保护系统整定值的计算机系统，作为控制环节，使继电保护系统的整定值能随着电力系统运行状态的变化而自动改变，从而可以获得最佳的动作特性，即自适应继电保护系统和电力系统构成的是一种闭环断续控制系统，如下图3所示：

图3 闭环断续控制系统

通过以上介绍和分析，可以给出如下结论和建议：

1）继电保护系统是电力系统的自动控制系统，控制方式为断续控制。常规继电保护系统与电力系统之间构成的开环断续控制系统控制性能较差，自适应继电保护系统与电力系统之间构成的是一种控制性能优良的闭环断续控制系统。为在电力系统故障时，实现对电力系统的最好控制，应将自适应继电保护系统融入SCADA系统中，作为EMS的一部分。

2）通过数据通道将这些分布式自适应控制器与分布式计算机系统有机结合，构成分布式自适应系统。这种硬件结构可用于各类继电保护装置的自适应继电保护系统。

3）自适应继电保护与能量管理系统的结合以及在线整定动作值的研究具有重要的现实意义。在今后相当长的一段时间内，电力系统中仍会有大量的电磁式和固态模拟式继电保护装置存在。因此，自适应继电保护与非自适应继电保护共存的局面不可避免，如何处理好自适应继电保护与非自适应继电保护之间的相互配合问题，是进一步研究的一个方向。

4 结论

本文谈到的几种新型输电方式，对有效的改善系统的无功，维持安全稳定运行具有重要的意义。我国建设的特高压已经达到了直流±800kV和交流1000kV，电网运行在这么高的电压等级下，故障对电网的安全运行造成的影响将是冲击性的。对其若干关键技术，提出了一些有建设性的建议。除此之外，还对基于环流变压器的新型直流输电原理技术和柔性直流输电等新型的直流输电技术进行了分析探讨；它们不但能够提高输电效率，而且能够实现对无功的独立控制，这是传统输电技术所不具备的。

继电保护是在电网运行出现异常或发生故障时，快速切除故障使系统恢复稳定运行的重要措施之一。当系统发生故障时，继电保护拒动则会造成故障不能及时切除，使得故障在电网中蔓延开来，影响电网的安全运行，甚至会引起系统的解列，电网瓦解，造成大区域的停电事故。如果继电保护在故障时误动，例如印度大停电，则会在故障发生时，使得停电范围扩大，进而引起其他网络的继电保护动作，引发大停电事故。

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