并联换流器特高压直流输电系统可靠性研究

赵峥，马为民

(国网北京经济技术研究院，北京市102209)

并联换流器特高压直流输电系统可靠性研究

赵峥，马为民

(国网北京经济技术研究院，北京市102209)

特高压直流输电工程输送容量大、送电距离远，其安全、可靠运行具有重要的现实意义。该文建立了并联换流器特高压直流输电系统的“故障树”模型，可以有效计算特高压直流输电系统的强迫能量不可用率和单、双极停运次数等可靠性指标；然后，提出了一种新的反映设备影响系统可靠性的灵敏度指标，可以有效发现钳制系统可靠运行的薄弱环节。最后，基于国家电网公司近10年的直流工程可靠性运行统计数据，对3种并联换流器特高压直流输电系统主接线方案，进行了可靠性指标计算和对比分析，并完成了设备影响系统可靠性指标的灵敏度分析，确定了影响系统强迫能量不可用率和单、双极停运次数的关键环节。结果表明，本研究能够确定可靠性高的并联换流器特高压直流输电系统拓扑结构，可以为提高特高压直流工程的可靠性提供重要的参考信息。

并联换流器；特高压直流输电；可靠性；故障树；灵敏性

0 引 言

特高压直流输电工程具有输送容量大、输电距离长、功率损耗低等优点，可以实现全国范围内的能源优化配置[1-2]。因此，特高压直流输电工程的安全可靠运行显得尤为重要[3-4]，研究特高压直流输电工程的可靠性指标计算方法[5-12]，确定可靠性较高的系统主接线结构，并发现影响系统可靠运行的关键环节具有重要的现实意义。

直流系统的可靠性直接反应直流系统的主接线设计、设备制造水平以及运行等各个环节的综合水平[13]。目前，直流输电可靠性分析方法主要有频率持续时间法[11,14]、混合法[15]和故障树分析法[16]等。文献[11]采用频率持续时间法建立了交直流混合系统可靠性评估模型和算法，但文章更多从交直流系统稳定的角度开展研究，没有明确给出直流输电系统的可靠性指标；文献[15]通过非时序蒙特卡罗法模拟得到直流输电系统各个运行状态的概率，再应用频率和持续时间法计算得到频率和持续时间指标，但在可靠性指标灵敏度分析方面仅研究了设备在2种故障率下的系统不可用率指标，没有全面考虑设备所处的系统条件和设备本身故障率对可靠性指标的影响，也没有开展影响单、双极停运次数的灵敏度研究，难以全面发现钳制系统可靠运行的薄弱环节；文献[16]介绍了故障树分析法的主要适用范围和应用难点，同时指出该方法对图形化、计算机化方面的依赖加大了该方法应用的难度和经济成本，但在进行可靠性分析时，没有全面考虑高压直流输电工程的主要设备，且涉及设备的可靠性原始数据和系统可靠性计算结果与工程实际存在较大偏差。同时，以上文献主要针对单12脉动或串联双12脉动换流器直流输电系统开展可靠性研究。

本文采用故障树分析法首次针对并联换流器特高压直流输电系统进行可靠性分析计算，并借助计算机设备，开发智能的特高压直流输电系统可靠性分析程序。结合国内近10年的高压直流输电工程运行实际情况，对比分析3种并联换流器特高压直流输电系统主接线方案的可靠性指标，确定最优的系统方案；并根据本文提出的新的灵敏度指标分析得出并联换流器特高压直流输电系统各设备对可靠性参数的影响程度，进而可以根据灵敏度指标有针对性地提出改善工程可靠性的具体措施，提高在运、在建和后续设计直流输电工程的可靠性。

1 可靠性计算的分析方法和设备可靠性数据

本节首先通过研究不同的运行方式、设备故障和维护工作等对系统传输能力的影响，针对系统的主接线和控制保护方式建立“故障树”模型，然后在设备可靠性数据的基础上，求解并联换流器特高压直流输电系统的可靠性指标。

1.1 并联换流器特高压直流输电系统“故障树”模型

根据特高压直流输电工程运行经验可知，影响单阀组停运的因素包括换流变单元、换流阀单元、交流滤波器；影响单极停运的因素包括单极控制和保护系统、直流场设备、直流输电线路和辅助设备；影响双极停运的因素包括双极控制和保护系统、双极中性线区域设备。在以上分析的基础上，本文给出了如图1所示的并联换流器特高压直流输电系统可靠性计算的“故障树”模型。在“故障树”模型中，可以根据需要将某个模块分解成多个子模块或者将某几个模块合并成一个模块，也可以对模块的位置进行调整。

在给定直流输电系统各设备故障率和修复时间的条件下，可以结合“故障树”模型计算系统的能量可用率(energy availability， EA)、强迫能量不可用率(forced energy unavailability， FEU)、单极强迫停运次数(monopole forced outage times， MFOT)和双极强迫停运次数(bipole forced outage times， BFOT)等可靠性指标。

1.2 高压直流输电工程设备可靠性数据

参考目前国家电网公司16条直流工程近10年的运行情况[17]和国内外直流工程可靠性研究成果[18]，表1给出了并联换流器特高压直流输电工程各设备的可靠性数据。

图1 并联换流器特高压直流输电系统“故障树”模型Fig.1 Fault tree model of UHVDC power transmission system with parallel converters

换流变压器和平波电抗器等主要设备的平均修复时间主要考虑备用设备的更换时间；直流场设备主要包括平波电抗器、穿墙套管、直流滤波器(DC filter, DCF)、隔离开关、单极中性母线开关和测量装置等，为了对第3节给出的3种主接线方案进行可靠性对比分析，这里单独给出平波电抗器、直流滤波器、NBS开关的故障率和修复时间；双极中性线区域主要包括双极中性线开关、测量装置、避雷器和接地极系统等。另外，并联换流器特高压直流工程的每年计划停运时间按87.6 h考虑。

2 并联换流器特高压直流输电系统可靠性指标的灵敏性分析

以往的系统可靠性指标的灵敏度分析方法只考虑系统中某一设备发生故障造成的影响，而没有考虑设备本身性能对系统可靠性指标的影响程度，即没有更多的关注设备的当前运行状态。事实上，随着电力设备状态监测技术的不断进步，运行人员已经能够连续或者定期地获取运行设备的状态信息，进而分析得出当前状态下的老化信息，而设备在系统中的重要度与设备的运行状态是密不可分的。本节提出了一种新的灵敏度指标对设备的重要度进行评价。

首先以FEU指标为例进行灵敏度公式的推导，得到系统FEU与设备强迫停运率的关系如式(1)所示：

UFE=D1(1-RFO，k)+D2RFO，k= D1+RFO，k(D2-D1)

(1)

式中：UFE为系统强迫能量不可用率；D1表示元件k的强迫停运率为0时系统的强迫能量不可用率；D2表示元件k的强迫停运率为1时系统的强迫能量不可用率；RFO，k为设备强迫停运率。

对式(1)求导可得:

(2)

通过分析可知，元件k的强迫停运率增加后，系统风险值对其本身的灵敏度指标却没有增加，也就是说其重要度没有随着自身强迫停运率的增大得到反映。

为了使系统的某一设备灵敏度指标不但能反应系统中其他设备的运行条件，而且能够反应其当前的自身运行条件，本文在灵敏度指标的基础上乘上设备强迫停运率，构造了设备的重要度评价指标：

(3)

将式(2)代入式(3)得：

SFEU=(D2-D1) × RFO，k

(4)

将式(1)代入式(4)，得到元件k对强迫能量不可用率影响的灵敏度指标：

(5)

因为UFE表示设备k在当前状态下(即强迫停运率为RFO，k)的强迫能量不可用率，D1表示设备强迫停运率为0(即完好状态)的条件下系统的强迫能量不可用率，则本式更加准确地描述了设备当前的状态给系统带来的风险增量。

同理，可得元件k对直流输电系统单、双极强迫停运率影响的灵敏度指标，分别为：

(6)

(7)

根据常规的可靠性计算方法和以上理论研究，借助计算机设备编制了并联换流器特高压直流工程可靠性计算程序。

3 3种主接线方案下并联换流器直流输电系统可靠性比较

本节将对文献[19]中描述的3种并联换流器主接线方案从可靠性角度进行详细分析和研究。

方案1采用2个换流器共用平波电抗器、直流滤波器和NBS开关，原理如图2所示；方案2采用2个换流器分别配置平波电抗器，共用直流滤波器和NBS开关等设备，原理如图3所示；方案3采用2个换流器分别配置平波电抗器、直流滤波器和NBS开关，原理如图4所示。

图2 共用平波电抗器、DCF和NBS开关方案Fig.2 Smoothing reactors, DC filters and NBS breakers shared by two parallel converters

图3 分别配置平波电抗器，共用DCF和NBS开关方案Fig.3 Smoothing reactors separately configured, DC filters and NBS breakers shared by two parallel converters

图4 分别配置平波电抗器、DCF和NBS开关方案Fig.4 Smoothing reactors, DC filters and NBS breakers separately configured by two parallel converters

在表1给定的直流工程设备可靠性数据的基础上，利用本研究所编制的并联换流器直流工程可靠性计算程序得到了并联换流器特高压直流输电系统的可靠性指标，具体如表2所示。

表2 并联换流器直流输电工程可靠性指标
Table 2 Reliability indices of UHVDC transmission projects with parallel converters

表2给出了3种方案下并联换流器特高压直流输电系统的可靠性指标。其中3种主接线方案对应的强迫能量不可用率相同，均为0.45%。方案2中，虽然将平波电抗器由极线位置移到了与单个换流器串联的位置，也即是由影响单极停运的设备变成了影响单换流器停运的设备，但平波电抗器的数量也由1组变成了2组，最终并没有导致强迫能量不可用率发生变化；方案3中直流滤波器、NBS开关位置和数量的变化与方案2中平波电抗器位置和数量的变化原理上是相同的，也不会导致强迫能量不可用率发生变化。此外，本文在进行3种方案可靠性比较时，考虑单组平波电抗器、直流滤波器的故障率和修复时间不变。实际中，方案2、方案3将平波电抗器、直流滤波器移到换流器单元情况下，每组平波电抗器、直流滤波器的数量和方案1相比可能是减少的，相应每组的故障率也会下降，方案2和方案3的强迫能量不可用率会降低，即可靠性会提高。计划能量不可用率为1.0%，这主要由年度检修计划确定，根据国内直流输电工程的运行经验，每年的计划检修时间一般要大于1.0%；另外，按照工程容量为10 000 MW，电价为0.25元/(kW·h)计算，将系统的能量不可用率转化为售电损失，大约为3.174亿元/a。由此可以看出,通过合理安排设备的计划检修，最大限度地降低强迫能量不可用率，具有巨大的经济效益。

另外，从方案1到方案3，单、双极停运次数依次降低，其中单极停运次数分别为1.92，1.68和1.56次/(极·a)，双极停运次数分别为0.095，0.094和0.093次/a。这主要是由于平波电抗器、直流滤波器和NBS开关等设备移到换流器单元中后，对单极和双极停运的影响非常小。以平波电抗器为例，只有在另一并联换流单元故障或检修期间，平波电抗器发生故障才会引起单极停运；同样，只有在工程的另一并联换流单元和另一极同时发生故障或检修期间，该平波电抗器发生故障，才会引起双极停运。

从可靠性的角度分析可知，虽然3种方案的强迫能量不可用率相同，但从单、双极停运次数方面比较，可靠性指标依次提高；从经济性的角度分析，方案2相对于方案1仅增加了1组平波电抗器，增加费用相对较少；但在方案3中同时增加了1组直流滤波器和1套NBS设备，尤其是直流滤波器设备造价昂贵，这种方案是十分不经济的，且相对于方案2来说，可靠性指标提高有限。综合考虑3种方案的可靠性和经济性指标，一般推荐采用方案2作为并联换流器特高压直流系统的主接线方案。表2集中反映了并联换流器特高压直流输电系统的可靠性指标，但仅通过这些指标难以发现钳制直流输电系统可靠运行的薄弱环节。

4 设备对可靠性影响的灵敏度指标分析

以方案1为例，在系统可靠性指标计算的基础上，分析设备对可靠性影响的灵敏度指标，如表3所示。

表3 设备影响并联换流器特高压直流输电系统可靠性的灵敏度指标
Table 3 Sensitivity indices of UHVDC transmission system with parallel converters

由表3可以看出，单极控制和保护系统、换流阀单元、换流变单元以及直流场区域设备(包括穿墙套管、直流滤波器、隔离开关、单极中性母线开关和测量装置)对系统强迫能量不可用率的影响最大；其次是直流输电线路和平波电抗器；影响较小的是交流滤波器、双极控制和保护系统和双极中性线区域设备。

原因分析：(1)由于单极控制和保护系统的环节众多、逻辑复杂，组成元件故障率高，一旦故障将造成单极停运；组成单12脉动换流阀单元和换流变单元的元件(设备)数量多，生产制造难度大，故障发生时一般导致单12脉动阀组停运，且设备更换、维修周期长；直流场区域包含的设备多，发生故障的频率较高。所以，以上因素对可靠性的影响较大。(2)平波电抗器制造技术较为成熟，故障率较低，更换、维修时间相对于换流变和换流阀设备较短；直流输电线路相比其他主设备虽故障率较高，但一般为临时性故障，大部分情况下在较短时间内能够恢复通电，平均修复时间较短。所以，以上因素对强迫能量不可用率的影响相对较小。(3)交流滤波器有备用组，且投切速度较快，多组滤波器同时发生故障的可能性很低；双极中性线区域额定运行电压低，设备的绝缘水平和可靠性水平比较高，发生故障的概率较低；控制保护系统一般按极控制，两极同时发生故障的概率较低，曾发生过因中性线区域设备故障而使双极差动保护动作的情况，目前进一步提高了对中性线区域设备可靠性的要求，并优化了双极保护方案。所以，以上因素对强迫能量不可用率的影响很小。

影响单极停运次数最重要的因素为单极控制和保护系统；其次为直流输电线路、直流场设备和平波电抗器设备；而换流变单元、换流阀单元和交流滤波器对此的影响非常小；双极控制和保护系统和双极中性线区域设备对单极停运次数没有影响。

原因分析：(1)前面已经分析，单极控制和保护系统的故障率较高，最容易造成单极停运；(2)在“故障树”模型中，直流输电线路、直流场设备和平波电抗器设备故障均会直接导致单极停运，且这些区域设备的故障率较高，对单极停运次数均有一定的影响；(3)换流变单元、换流阀单元和交流滤波器发生故障将导致单12脉动阀组停运，而2个12脉动阀组由于以上因素同时发生故障造成单极停运的概率极低，所以对单极停运次数几乎没有影响；(4)双极控制和保护系统和双极中性线区域设备发生故障将直接导致双极停运，对单极停运次数没有影响。

双极控制和保护系统和双极中性线区域设备发生故障将最容易导致双极停运；其他因素导致双极停运的概率很小。

原因分析：(1)前面已经分析，双极控制和保护系统和双极中性线区域设备发生故障将直接导致双极停运，对双极停运次数的影响最大。(2)其他设备如直流输电线路、直流场设备和平波电抗器设备需要正、负两极同时发生故障才会出现双极停运，而对于换流变和换流阀单元只有4个12脉动阀组同时发生故障才会导致双极停运，发生的可能性很小。

5 结 论

(1)本研究通过故障树分析方法计算得出了并联换流器特高压直流输电系统的强迫能量不可用率、单极停运次数和双极停运次数等可靠性指标。这些指标可以直观地反映出在运、在建和后续设计直流工程的可靠性水平。

(2)本文对3种可能的并联换流器特高压直流输电系统主接线方案进行了对比分析，3种主接线方案下的强迫能量不可用率相同，但单、双极停运次数依次降低，方案1可靠性指标最低，方案3可靠性指标最高。此外，3种主接线方案的经济性依次变差。综合考虑3种方案的可靠性和经济性指标，一般推荐采用方案2作为并联换流器特高压直流系统的主接线方案。

(3)通过各设备(因素)对强迫能量不可用率影响的灵敏度指标分析可知：造成系统强迫能量不可用率的主要因素为单极控制和保护系统、换流阀单元、换流变单元以及直流场区域设备。优化控制保护的逻辑设计，提高控制保护主机、屏柜等元件可靠性，增强换流阀、换流变压器和直流场区域设备的设计裕度，对提高系统的能量可用率具有重要作用。

(4)通过各设备(因素)对停运率影响的灵敏度指标分析可知：影响单极停运次数的主要因素为单极控制和保护系统，影响双极停运次数的主要因素为双极控制、保护系统和双极中性线区域设备。这进一步证明了控制保护系统对直流输电系统的重要性，其不仅是影响能量可用率的主要因素，也是导致系统停运的最主要因素。另一方面，为了降低双极停运次数，减少直流输电系统对电网的冲击水平，加强双极中性线区域设备的可靠性也十分必要。

综上所述，本文对不同主接线方案并联换流器特高压直流输电系统进行了可靠性对比分析，确定了可靠、经济的主接线方案；并通过可靠性指标的灵敏度分析，能够准确发现钳制系统可靠运行的薄弱环节，通过有针对性地提高相关因素(设备)的可靠性，可以最大程度提高直流输电系统的可靠性。本文对提高特高压直流输电工程的运行可靠性具有重要的现实意义。

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赵峥 (1986)，男，工学硕士，工程师，主要从事高压直流输电工程系统可靠性、过电压与绝缘配合和换流变压器方面的研究工作；

马为民(1966)，男，博士，高级工程师，主要从事高压直流输电工程咨询和成套设计相关研究工作。

(编辑 张小飞)

Reliability Research for UHVDC Transmission System with Parallel Converters

ZHAO Zheng, MA Weimin

(State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China)

The safety and reliability operation of UHVDC projects, which are characterized by large transmission capacity and long working distance, has vital practical significance.This paper establishes a fault-tree model of UHVDC system with parallel converters, which can help to calculate the forced energy unavailability, monopole forced outage times and bipole forced outage times of UHVDC projects effectively.Then, this paper proposes several sensitivity indices which show the impact of every equipment on the reliability of UHVDC system, thus to effectively find the weak points of the project.Finally, based on the statistical data of the reliability of HVDC projects of SGCC (State Grid Corporation of China) in the past 10 years, this paper calculates and compares the reliability indices for the main wiring schemes of three different kinds of UHVDC system with parallel converters.Moreover, this paper completes the sensitivity analysis on the reliability index of system affected by equipments, and finds the key links which affect the forced energy unavailability, monopole forced outage times and bipole forced outage times.The results show that this research can determine the topology of high-reliability UHVDC system with parallel converters, and provide important reference information for the reliability improvement of UHVDC projects.

parallel converter; UHVDC transmission; reliability; fault tree; sensitivity

国家电网公司科技项目(多换流器并联特高压直流输电工程的关键技术研究)

TM 723

A

1000-7229(2016)09-0086-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.09.012

2016-05-06