雁淮直流短时扰动冲击对山西电网交流断面影响的评估分析

郝 捷，席楚妍，张一帆

（1.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001；2.国网太原供电公司，山西 太原 030001）

0 引言

直流线路电力电子化特征较为明显，直流发生故障时与交流电网的交互影响特性更为复杂，导致系统运行控制更加困难。与传统的直流闭锁故障相比，直流发生换相失败、再启动等短时扰动冲击故障，具有发生概率高、瞬时冲击能量大、故障影响范围广等特点，使电力系统的运行控制难度更大。随着山西直流投运的不断增加,电力系统中交直流系统间的耦合程度越加紧密,相互影响更加密切，量化评估直流与交流多断面间的暂态稳定耦合程度，进而实现自动搜索识别与直流暂态稳定强相关的交流断面，对于提高电力系统安全稳定协调优化控制和在线辅助决策水平都具有重要意义。目前山西电网面临着负荷快速增长、电网结构调整、新能源大规模并网等挑战，已形成从北到南覆盖全省的500 kV电力网络，通过±800 kV雁门关—淮安特高压直流线路（以下简称雁淮直流）向华东电网送电，通过1 000 kV长治—南阳特高压交流线（以下简称长南线）与华中电网相连。雁淮直流与长南线在实际运行过程中存在耦合关系，当二者同时大功率送出时，雁淮直流发生故障会导致长南线存在解列风险，同时引发山西电网失稳。因此，需要快速识别山西电网运行中交直流耦合的恶劣运行工况和关键制约故障形式，为保障山西电网稳定、制定系统运行控制措施奠定基础[1]。

1 山西电网稳定性评估分析

截至2021年底，山西电力行业基本情况是：省调发电装机容量8 583万kW，省调机组平均利用小时3 438 h;公司在运总容量1 080.8万kW，占省调发电机组容量的12.6%；累计完成发电量427.96亿（kW·h），火电发电利用小时4 987 h，比省调平均值高569 h。为了进一步优化供电能力，自2021年以来，国网山西省电力公司持续优化电网网架结构，但在雁淮直流接入山西电网后，山西电网交直流系统间的相互影响关系更加复杂。雁淮直流发生连续换相失败或再启动等短时扰动故障期间，大容量直流送出功率瞬间中断，会对山西电网交流联络线产生巨大的能量冲击，威胁山西电网安全稳定运行[2]。在当前的研究中，针对跨区联络线送电功率峰值的计算分析主要针对的是电网的功率缺额故障，不适用于雁淮直流发生连续换相失败或再启动等短时扰动故障下的山西电网交流联络线波动峰值分析。因此，需要对雁淮直流发生连续换相失败或再启动等短时扰动故障下的山西电网交流联络线波动峰值进行快速评估分析[3]。

雁淮直流发生连续换相失败或再启动故障后，其持续时间与华北—华中两区域联络线的功率振荡周期相比非常短。因此，可以将雁淮直流发生连续换相失败或再启动故障过程中的功率变化视作对电网的功率冲击，即

其中，ΔPYH（t）表示雁淮直流换相失败过程中的功率变化量；ΔEYH（t）表示雁淮直流发生换相失败过程中的冲击功率。

因此，雁淮直流发生连续换相失败或再启动故障过程中的冲击功率为

其中，PYH（t）为雁淮直流发生换相失败过程中的功率；PYH（0）为雁淮直流发生换相失败前的初始功率。

雁淮直流发生连续换相失败或再启动故障的持续时间τ为

由此可得

根据山西电网—华中电网两区域联络线长南线功率变化量ΔPCN，构建其功率冲击时的线性化方程模型为

其中，M1为华北电网发电机组惯性常数之和；M2为华中电网发电机组惯性常数之和；D为阻尼系数；KS为同步转矩系数

因此，山西电网—华中电网两区域联络线长南线功率波动最大值为

其中，ωn为区域电网间发生振荡的自然振荡频率；ε为阻尼比。

山西电网—华中电网两区域联络线长南线功率峰值为

其中，PCN0为长南线初始功率。

所述峰值功率转移比为

通过上述计算，可快速分析雁淮直流发生故障后，山西电网交流联络线功率波动峰值。

2 山西电网交直流耦合稳定水平评估分析

基于直流短时扰动冲击量化指标的电网稳定性评估方法，可在特高压直流线路发生阶跃故障时，通过量化冲击功率，计算分析电网交流联络线的功率波动，更加快速准确地评估电力系统稳定水平。采用山西电网实际运行数据和典型运行方式，对基于直流短时扰动冲击量化指标的电网稳定性评估方法进行有效性验证，考虑雁淮直流大功率送出、长南线南送运行方式，分析雁淮直流发生连续换相失败、再启动故障时长南线的波动峰值，并快速评估受雁淮直流连续换相失败、再启动等短时扰动冲击约束的山西电网薄弱交流断面长南线暂稳极限[4]。

在雁淮直流送电功率为500万kW、600万kW，长南线南送功率为100万kW、200万kW方式下，雁淮直流发生连续换相失败、再启动故障后不采取措施，对山西电网与华中电网的联络线——长南线进行波动峰值计算，计算结果如表1所示。

表1 雁淮直流短时扰动冲击长南线功率波动峰值评估值

长南线送电功率的静稳极限值为710万kW，雁淮直流发生短时扰动冲击故障引发长南线功率波动峰值的估算值为116.8万kW。由此可得到该方式下长南线送电功率的暂稳极限估算值为593.2万kW（暂稳极限=静稳极限710万kW-波动峰值116.8万kW）。

3 仿真验证

采用山西电网实际模型对上述方法进行仿真验证，通过电力系统分析计算PSD-BPA程序，建立山西电网实际网架仿真模型。基于雁淮直流送电功率为500万kW、600万kW，长南线南送功率为100万kW、200万kW方式，对雁淮直流发生连续换相失败、再启动故障后进行计算，分析山西电网与华中电网的联络线——长南线的波动峰值，计算结果如表2所示，雁淮直流送电功率600万kW、长南线南送功率200万kW仿真波形如图1所示。该方式下长南线送电功率的暂稳极限仿真值为598.5万kW。

表2 雁淮直流短时扰动冲击长南线功率波动峰值仿真值

图1 雁淮直流送电功率600万kW、长南线南送功率200万kW换相失败波形图

通过山西电网实际仿真模型仿真验证，经过对比分析，能够发现该方法计算误差小于5%，为评估交直流并列运行情况下山西电网薄弱环节和安全稳定水平奠定了理论基础，通过采用上述方法不依赖于数字仿真，可以快速评估交流薄弱断面的稳定水平，具体情况如表3、表4所示。

表3 雁淮直流短时扰动冲击长南线功率波动峰值评估值与仿真值对比

表4 雁淮直流短时扰动冲击长南线暂稳极限评估值与仿真值对比

依据上述评估结果可知，雁淮直流发生短时扰动冲击对长南线两侧系统保持稳定运行具有一定影响。在实际运行中，需合理控制雁淮直流或长南线送电功率，避免直流短时扰动冲击引发长南线功率波动过大导致稳定破坏的情况发生，保障山西电网安全稳定运行[5]。

4 结束语

随着±800 kV雁淮特高压直流线路投产，山西电网形成了大容量直流送出系统，电网运行特性发生了深刻变化。特高压直流线路具有较为明显的电力电子化特征，发生直流故障时与交流电网的交互影响复杂，与传统的直流线路闭锁故障相比，连续换相失败、再启动等直流短时扰动概率高、冲击大、影响范围广，导致电网运行控制更加困难，已成为影响山西电网安全稳定运行的主要因素。基于直流短时扰动冲击量化指标的电网稳定性评估方法，针对山西电网现状，可快速评估直流故障下的功率波动峰值，识别山西电网的恶劣运行方式，保障了山西电网的稳定运行，全面提高了山西电网的安全水平。