特高压变电站直流系统配置方案及优化

李露露，赵世芳

（1.国网山东省电力公司超高压公司，山东 济南 250118；2.国网山东省电力公司潍坊供电公司，山东 潍坊 261000）

0 引 言

特高压变电站直流系统的基础是直流输电技术。与传统的交流输电系统相比，该系统具有许多优势。通过直流输电，能够减少输电损耗并提高电能传输效率，特别适用于长距离和大容量的电能传输。特高压变电站直流系统具有较高的稳定性和可靠性，能够更好地适应电网负荷变化和电力供应需求。特高压直流输电系统的基本结构，如图1所示。特高压变电站直流系统的关键组成部分包括换流站和输电线路。其中：换流站负责将交流电能转换为直流电能，实现电能的传输和分配；输电线路负责将直流电能从发电站传输至用户终端，完成电力传输的任务。特高压变电站直流系统应用了直流断路器、电流互感器、电压互感器等设备，能够保证系统的稳定和安全运行[1]。

图1 特高压直流输电系统的基本结构

1 工程概况

H市某1 000 kV特高压变电站具有2组额定容量为3 000 MVA的主变压器，1 000 kV与500 kV出线都为10回，采用一个半断路器接线，配置有混合式气体绝缘封闭组合电器（Hybrid Gas Insulated Switchgear，HGIS）设备，主变低压侧应用110 kV双分支单母线接线。二次设备采用保护下放布置模式，除了设置计算机监控系统站控层并集中布置于主控通信楼，剩余间隔层设备和机电保护设备都布置在配置有1 000 kV配电设备、500 kV配电设备、主变以及110 kV配电设备的继电器室内。此外，按照全站规模，共计设置4个就地继电器室。

2 特高压变电站直流系统配置方案优化方式

2.1 换流技术优化

谐波滤波型换流器是一种拥有特殊设计的直流系统换流器，主要特点是能够有效过滤谐波电流，降低系统的谐波水平。谐波滤波型换流器由多级滤波单元组成，每个滤波单元都包含电感和电容，用于限制和衰减谐波电流。为实现谐波滤波型换流器的最佳性能，在对配置方案进行优化时，需要优化滤波单元的参数，通过系统仿真和试验分析，确定滤波单元的电感和电容数值范围，再通过优化算法和优选方法，确定每个滤波单元的最佳参数取值，从而实现对谐波的有效滤波和衰减。谐波滤波型换流器的滤波器拓扑结构设计对系统性能具有重要影响。在配置方案优化过程中，需要综合考虑滤波单元的串并联组合方式、滤波器的阻抗特性以及滤波器与其他系统元件的匹配关系等因素，设计能够满足系统要求的最佳滤波器拓扑结构。在控制策略优化中，需要考虑谐波电流的检测与监测、滤波器的开关控制和谐波电流的反馈控制等因素，采用合理的设计控制策略，实现对谐波电流的准确控制和滤波效果最优化[2]。

2.2 输电线路布局优化

在原有的输电线路布局方案中，需要在地形复杂的地区进行大量的土建工程，建设成本较高，且直线与弧形的布局需要较长的输电走廊，占地面积较大，对土地资源的占用较为严重，同时无法充分利用地理条件，造成线路长度增加，增加了输电线路损耗。基于该背景，为实现对输电线路布局的优化，可采取以下措施。

（1）基于地貌特征的优化。根据地区的地貌特征，选择合适的线路布局方式，采用跨越方式布置线路，减少对地表的影响，同时提高输电线路的稳定性和安全性。

（2）基于电力需求的优化。根据电力需求的分布情况，合理安排输电线路的布局，在电力需求较高的地区设置多条输电线路，实现电力的分流和均衡供应，从而提高系统的可靠性。

（3）基于输电效率的优化。通过合理选择输电线路的长度和输电方式，减少输电线路的损耗。在配置方案优化中，可采用柔性直流输电技术，降低输电线路的电阻和电抗，提高输电效率。

2.3 继电保护系统优化

传统的配置方案中，保护设备之间的独立性较差，缺乏协调和互动，导致系统故障处理能力有限。同时，继电保护系统对系统故障的灵敏度不足，容易造成误判或延长故障处理时间，且继电保护系统通信速度慢，对系统故障的响应时间较长，无法满足特高压直流系统对实时性的要求。优化配置方案时引入了智能保护装置，可以提高保护设备之间的协调性和互动性。智能保护装置具备自动分析和决策的能力，能够实现保护设备之间的信息共享和联动操作，提高了系统对故障的响应速度和处理能力。在继电保护系统中采用高速通信网络，可以提高保护设备之间的通信速度和数据传输效率。此外，文章采用光纤通信网络代替传统的串行通信方式，能够实现快速、可靠的数据传输，提高系统的实时性和可靠性。通过优化故障检测和定位功能，可提高继电保护系统对系统故障的灵敏度和准确性，并引入高精度的故障检测装置和定位算法，快速、准确地判断故障类型和位置，提高系统的故障处理效率[3]。

2.4 设备与材料优化

基于传统配置方案的电力设备在工作过程中存在较大的电力损耗，导致出现能源浪费和电网负荷增加的情况。材料的制造成本和维护成本较高，增加了系统投资和运营成本。设备和材料的技术水平相对滞后，无法满足特高压直流系统对高效性、智能化以及可持续发展的需求。因此，优化配置方案时，采用高效变压器和高效换流器等设备，可降低能量损耗，同时采用先进的技术和材料，具备更低的电力损耗和更高的能量转换效率，能够提高特高压变电站直流系统的整体能效。应用的先进材料包括高温超导材料和新型绝缘材料等，可以降低系统的制造和运营成本。先进材料具有良好的导电性、绝缘性以及耐高温性能，可以提高系统的可靠性、安全性以及耐久性。采用模块化设计将设备和材料模块化，以便更加灵活地适应系统的需求和扩展条件，简化系统的安装和维护过程，提高设备互换性和系统可拓展性。此外，采用可再生能源材料和环保材料等，可降低系统对环境的影响。可持续材料具有低碳、低污染以及可再生等特点，符合绿色发展和环境保护的要求[4]。

2.5 电压等级选择优化

变电站直流系统通常采用控制负荷和动力负荷合并供电方式。依据相关规定，系统标称电压可以应用110 V或220 V，且各有优缺点。在相同操作功率和相同供电距离的条件下，与采用110 V标称电压相比，采用220 V标称电压的控制电缆电流小一倍，能够减少电缆截面积。尤其是在远距离供电时，电缆截面的减小十分明显。直流系统选择220 V电压，以便为动力负荷提供电能。它的事故照明接线简单，且能够简化切换回路。此外，特高压变电站电磁环境恶劣。与110 V直流电压相比，220 V直流电压具有更高的电磁抗干扰能力[5]。

2.6 直流系统接线方式优化

单极接地方式能够保持系统的电位稳定性，减少电位偏移和不均衡情况的发生。在系统发生故障时，通过监测电流和电压变化，可以快速定位故障点，有利于及时处理和修复故障。与双极接地方式相比，单极接地方式对绝缘要求较低，能够降低系统的绝缘设计难度。双极接地方式能够有效抑制电磁干扰，提高系统的抗干扰能力，减少对系统性能的影响，使两侧极地的电流保持平衡，避免电流偏移和不均衡情况的发生。当系统发生故障时，双极接地方式能够在不影响系统正常运行的前提下维持故障段的电压和电流。根据特高压变电站的具体需求和运行特点，除了综合考虑系统性能，还需考虑接线方式的经济性和可行性，包括成本、施工难度、维护便利性等，从而选择最具经济性和可行性的方案，即选择双极接地方式。实践证明，双极接地方式综合应用效果较好[6]。

2.7 优化后直流负荷统计

优化后直流负荷统计如表1所示。

表1 优化后直流负荷统计

调整优化后，全站直流系统负荷基本平衡，与优化前相比，减少了直流系统备品备件以及试验设备的种类和数量，方便统一管理，同时提高了直流系统运维工作效率，降低了全寿命周期内的运行维护成本。

3 结 论

特高压变电站直流系统具有显著的优势和广阔的应用前景。在能源需求不断增长和电力工程不断发展的背景下，特高压变电站直流系统将在能源领域发挥重要作用，为经济社会发展提供了稳定可靠的电力支持。未来通过不断优化和创新，可以进一步完善特高压变电站直流系统的技术和管理水平，为能源转型和可持续发展贡献一份力量。