特高压直流输电对交流电网的影响及点估计法的应用研究

李美云董明王佳男苏震

摘要：近年来我国尤其是沿海经济发达地区用电需求增长很大，但是我国能源丰富地区大都在西部，这种能源和负荷分布不平衡的局面促使我国实行“西电东送”工程，因此，大力开发西南水电，采用特高压直流将电能输送到沿海经济发达地区势在必行。本文就对特高压直流输电对交流电网的影响及点估计法的应用展开分析和探讨。

关键词：特高压直流输电；交流电网；影响；点估计法

引言

目前特高压直流输电系统的运行情况表明，高压直流输电系统的运行方式对交流电网和中性点直接接地变压器都有一定的影响，特高压直流输电工程尤为严重。多个特高压直流输电系统投运后，这些影响将进一步加大，因此结合NF电网的实际情况研究分析高压直流输电系统对交流电网的影响，并采取点估计法。

1特高压直流输电对电网的影响

1.1特高压直流与系统风险

NF电网在“十五”期间形成了“六交三直”交直流并联运行的“西电东送”通道，多回直流同时馈入受端电网，交直流系统相互影响问题比较突出。“十一五”末期，随着YG特高压直流双极投产，NF电网远距离大容量的直流输电特点更为显著，表现出强直弱交的特性。“十二五”末期，NF电网形成“八交八直”西电东送主网架，总体来说电网抵御简单事故的能力更强，但与大容量直流相关的系统风险加大。目前系统面临的一些主要风险如下：

（1）直流输电大功率运行闭锁。YG、NZT特高压直流额定功率运行时，双极闭锁将导致系统暂态失稳，保持系统稳定需要采取切机切负荷等安稳措施。稳控措施涉及站点多，如YG特高压直流双极闭锁涉及到50多个厂站稳控装置，任一控制站装置拒动，均可能导致主网稳定破坏，这时即使失步解列装置均可靠解列，受端电网低频、低压减载装置也将大量动作，最严重情况下可能切除30%的广东电网负荷，导致特大电力安全事故。大电网安全运行严重依赖于二次控制系统，对切机、切负荷、失步解列、低压低频减载等第2道、第3道防线的可靠性提出了更高的要求。

（2）交叉跨越多回线路同时故障

大容量直流输电线路之间的交叉跨越、以及与关键交流线路之间的交叉跨越，可能在交叉跨越点发生导致多回直流同时闭锁与交流线路跳闸等多重故障，构成电网安全重大风险点。YG特高压直流投产后，交叉跨越点的数量增加约80%，两渡直流(NZT、溪洛渡)投产后，交叉跨越点的数量又增加约80%。

（3）受端负荷中心区域交流系统出现故障时，保护或开关拒动可能导致多回直流持续换相失败或闭锁NF电网多回大容量直流密集落点受端电网，交流系统的故障可能导致多回直流同时换相失败，交流线路保护或开关拒动，导致交流故障不能及时清除，可能造成多回直流持续换相失败，甚至导致直流闭锁。

1.2防范大容量特高压直流引发系统风险的措施

NF电网为防范特高压、大容量直流输电引发系统性风险，采取了有效措施：

（1）优化直流落点，合理选择单回(通道)特高压直流规模

NF电网考虑将特高压直流输电分散落点，单回(通道)最大规模选择为500万kW，目的是减小大容量直流闭锁后潮流转移到交流通道引起的潮流和电压波动，合理控制受端电网多直流有效短路比。广东电网2015年多直流有效短路比最低2.6左右，随着直流增多，到2020年多直流有效短路比最低可能降至1.8左右。若单回直流规模提高，则会进一步降低多直流有效短路比，增加对受端系统电压稳定水平的影响。

（2）优化西电东送电网结构

NF电网明确了“十三五”西电东送以直流输电为主的技术路线，逐步形成云南电网与南网主网异步联网的电网发展思路。随着观音岩直流和鲁西背靠背直流工程建成，形成云南外送电力通过直流输电的格局。云南电网与南网主网异步联网避免了云南送出的大容量直流闭锁后大规模潮流大范围转移至交流通道的问题，南网主网的暂态稳定水平得到大幅度提高，从而显著改善NF电网的安全稳定特性。

（3）提高受端电网的动态无功补偿能力

对于多回直流集中馈入的受端电网，特别是对于重负荷站点和直流落点密集地区，维持一定的无功电压支撑能力，对保持电压稳定水平十分必要。

此外，采取优化直流VDCL措施、合理安排电源开机、优化发电机高压侧控制技术、加装动态无功补偿装置可增加电网动态无功支撑能力，显著提升局部电压稳定特性。为增强直流换相失败后恢复能力，可考虑在直流输电逆变站近区的负荷中心安装快速无功补偿装置。目前已在广东电网500kV东莞、北郊、水乡、木棉4个变电站各装设了1套±200MVASTATCOM，运行情况良好。

NF电网还采取优化保护配合措施，防止交流系统发生故障可能因配合不当导致直流保护动作闭锁直流，将直流100Hz保护跳闸段延时由700ms调整至3s。NF电网特别注重对关键线路和开关设备的特巡特维，深入查找直流系统故障原因，加强第3道防线建设，这些措施有效降低了大容量直流输电的运行风险。

2点估计法在变电站接地电阻计算中的应用

变电站的接地电阻的测量具有一定的不确定性，本文以变电站接地电阻的计算为例，将点估计法应用其中，进行概率分析计算并发现其中的统计规律。

2.1计算模型及计算结果

在接地电阻的确定性计算中，一般取各层土壤的电阻率平均值进行计算，土壤电阻率的准确性直接影响接地电阻计算的准确性。影响土壤电阻率测定准确性的因素很多，首先，在土壤电阻率测定时由于温度、干湿、方法、测点等因素都具有不确定性，测定值与实际情况可能存在偏差；其次，使用等软件提供的土壤模型，不管是水平分层模型、垂直分层模型还是分块模型，都不可能完全真实地模拟实际情况。对此，可以采用概率方法，根据各层土壤电阻率的分布情况，进行概率分析计算，找出其中的统计规律。

接地网为网状结构，边长为200米，网格间距为20米。土壤分层及电阻率如表1所示。

因本模型中共有个随机变量，在釆用两点估计法计算时，仅需构造6组估计点，运用公式得到各估计点的值和权重系数。

对于每个估计点，保持其他两层土壤的土壤电阻率值为期望值，得到组估计点数据，运用CDEGS软件计算，得到对应的6组接地电阻仿真结果。

2.2计算结果比较与分析

两点估计法与500次蒙特卡罗法的计算结果非常相近，各阶矩的相对误差均在10-3%左右，均值的相对误差仅为0.00159%，标准差的相对误差仅为0.562%，但两种方法的计算量相差悬殊，运用两点估计法只需要6次计算，而蒙特卡罗法则需要成百上千次计算。

基于点估计法的变电站接地电阻计算能给出具有概率意义的结果，使计算结果相较确定性计算更具实际意义和参考意义；与蒙特卡罗法的计算结果进行比较，证明了点估计法具有高计算精度和高计算效率等特点，且可与软件结合进行概率计算应用。

结语

特高压直流输电技术成熟，运行稳定，发挥了巨大的经济、环境和社会效益，有力支撑了西电东送战略。在继续发展特高压直流技术及应用的同时，要更加注重防范大容量特高压直流引发的系统性风险，结合电网特性采取有效防控措施。