李碧君1，黄志龙2，刘福锁1，翟海保2，李兆伟1，李建华2
（1．南瑞集团公司（国网电力科学研究院），江苏南京 211106：2．国家电网公司华东分部，上海 200120）
摘要：直流系统参与安全稳定控制的研究与应用仍局限于属于第一道防线的预防控制和属于第二道防线的紧急控制，挖掘应用直流系统的运行特性和调控能力是提高交直流电网安全稳定水平的熏要技术途径。提出将直流系统具有的紧急功率支援能力作为第三道防线候选控制手段的理念．与常用的低频减载／高频切机等措施协调配合，防止系统崩溃：在监测到电网发生频率低／高异常变化时启动利用直流紧急功率支援功能，从而减少切负荷／机组的控制量，、从整定计算和控制装置两个方面，阐述实现直流紧急功率支援参与第三道防线巾频率异常控制的初步方案。用实际电网的数据仿真分析直流紧急功率支援参与第三道防线取得的有益效果联系第三道防线发挥作用的时机特点和直流系统运行控制特性．讨论将直流紧急功率支援作为第三道防线措施应注意的问题，对丁构筑技术手段更为丰富的电网安全稳定第三道防线．具有重要参考价值。
关键词：直流紧急功率支援：第三道防线：控制措施：低频减载
中图分类号：TM732 DOI: 10.11930/j．1SSI1.1004-9649.2016.06.072.06
0引言
直流输电技术在国际上受到广一泛重视和应用，中国已成为世界上直流输电工程投运最多的国家．挖掘应用直流系统的运行特性和调控能力逐渐成为提高电网安全稳定水平的重要技术途径。
三道防线的理念对确保电网安全稳定运行起着重要作用。迄今，有关直流系统参与安全稳定控制的研究与应用仍局限于属于第一道防线的预防控制和属于第二道防线的紧急控制。
随着中国西电东送、特高压交直流电网的建设．交直流互联电网规模的扩大和直流输电工程的增多．电网客观上要求直流系统在安全稳定控制巾发挥更大的作用，研究将直流系统的作用延拓到第三道防线具有显见的重要价值，然而目前还鲜有文献报道。本文基于三道防线概念、范畴与特点开展研究工作，为构筑技术手段更为丰富的电网安全稳定第三道防线提供参考。
1 基本观点和初步实现方案
1.1 基本观点
依照安全稳定控制技术导则，第三道防线用于应对多重严重故障．其重要任务之一是防止频率崩溃，避免各种可能的发电机跳闸、系统解列等大扰动下因失去部分电源而出现频率严重降低或因失去大负荷而出现频率严重升高。曰前采取的措施有低频自动减负荷和高频切机．对于存在有功缺额的电网通过切负荷减少有功消耗，对于有功功率过剩的电网通过切机减少有功供给。
直流系统具有快速可控输送功率的特点．可以迅速改变其注入交流系统中的功率，在紧急情况下可为交流系统提供紧急功率支援( emergencyDC power support，EDCPS)，与其他的紧急控制措施相比，EDCPS的控制代价小，并且更加快速、可靠。
直流紧急功率支援用于安全稳定第三道防线．基本思路如下。
(1)将直流紧急功率支援与低频减载和高频切机措施配合，作为防止频率崩溃的候选措施，减少切负荷／切机的控制量。
(2)监测到电网发生频率异常变化情况时，向直流控制系统发出紧急提升／回降功率的指令．减少电网中有功功率不平衡程度。
(3)对于通过直流从外部受电的电网（如华东电网），在监测到频率低于某值一段时间、频率下降速率超过某一范围时．向直流控制系统发出紧急提升功率指令，增加有功功率供给：在监测到频率高于某值一段时间、频率上升速率超过某一范围时，向直流控制系统发出紧急回降功率指令．减少有功功率供给。
(4)对于通过直流向外部送电的电网（如西北电网），在监测到频率高于某值一段时间、频率上升速率超过某一范围时，向直流控制系统发出紧急提升功率指令，增加有功功率消耗：在监测到频率低于某值一段时间、频率下降速率超过某一范围时，向直流控制系统发出紧急回降功率指令．减少有功功率消耗。
(5)对于既通过直流从外部受电又通过直流向外部送电的电网（如华中电网），在监测到频率异常变化时，按照频率升／降情况，结合各个直流系统输送人／送jm电力的状态，确定向各个直流控制系统发出相应的紧急回降／提升功率指令．同时调整电网有功功率供给和消耗。
(6)综合考虑直流系统最大可提升量／最大可回降量和可控制量的粗粒度特点，以及直流紧急功率支援的限制因素，按优先采用直流紧急功率支援的原则，与低频减载和高频切机定值协同整定，确定直流紧急功率支援的各轮次启动频率、延时和控制量．
直流紧急功率支援用于第三道防线．是为了抑制频率快速下降／上升，区别于为了减小频率波动幅度的直流频率调制功能，通常前者的控制量比较大，启动次数较少，而后者控制量小．但可能频繁动作。另外，针对发生的频率异常变化情况，由监测到的频率异常响应触发，初衷是防止频率崩溃，区别于第二道防线针对特定故障的紧急控制，由故障事件触发，立足点是应对故障后可能存在的暂态安全稳定问题。
1.2初步方案
为了实现直流紧急功率支援用于第三道防线的工程应用，需要从整定计算和控制装置2个方面开展研究工作。
1.2.1 整定计算
目前防止频率崩溃的控制措施有低频切负荷和高频切机。考虑直流紧急功率支援作为措施．进行整定计算时，应将直流紧急功率支援给予优先的顺序，直流紧急功率提升／回降先于切机、切负荷动作，在其控制量不够或匹配程度不适应时．才实施切机、切负荷。这是因为综合权衡控制代价、控制性能和控制后恢复正常运行的简易性．以及控制措施对参与方的不良影响程度，直流系统调控要优于切机和切负荷这2类措施。因此，对于解决低频问题，建议直流紧急功率支援安排对应低频减载基本轮的前几轮；对于解决高频问题，建议直流紧急功率支援动作条件先于首轮高频切机．
对于直流一紧急功率支援的启动频率、动作延时和频率级差，如果简化处理，针对低频问题可与低频减载定值相同，针对高频问题可与高频切机方案对应。
在满足综合直流过载能力／直流最小输送功率、直流最大可提升量／直流最大可回降量的约束条件下，直流紧急功率支援的有功功率控制量可以根据需要设置，这是其与低频减载和高频切机方案计算的区别之一。由于紧急功率支援的直流输送功率变化有响应时间，而切机、切负荷的有功功率变化是瞬时完成的，在进行整定计算确定控制量时，要注意不同控制措施采取相同控制量的控制效果的差异。
防止频率崩溃控制措施的整定计算有2类：基于单机带集中负荷模型的简化计算和基于详细模型的动态时域仿真计算。对于直流紧急功率支援参与的频率控制措施整定计算，以基于详细模型进行时域仿真计算为宜，原因是：(1)直流紧急功率支援的有功功率变化响应特性对频率变化特性有一定影响；(2)相比较于低频切负荷和高频切机，直流紧急功率支援的控制量较大，可能引起直流落点附近的电压水平和潮流分布的较大变化．以及交直流之间的相互影响。选取包括反映直流系统输送功率状态等特征在内的典型方式，针对包括直流系统故障在内的预想严重故障集，进行包含直流紧急支援措施在内的动态时域仿真．以频率偏移可接受性为约束，评估控制效果，从而确定各个阶段／轮次需要的控制量。在进行各个阶
段／轮次的控制量计算时，首先界定当时直流紧急功率支援可用的控制对象及其控制量范围．确定合适的直流紧急功率支援方案，再根据需要分析计算低频减载／高频切机等其他措施的控制量。
1.2.2控制装置
为将直流紧急功率支援用于频率紧急控制．需要对常规频率紧急控制装置进行改进，并建立其与直流极控系统的信息交互路径。
目前挂网运行的频率紧急控制装置测量安装处的母线电压、频率及其变化率，在电力系统由于有功缺额引起频率下降时，装置自动根据频率降低值和频率变化速率，通过发出跳闸命令切除部分电力用户负荷，使系统的发电出力与负荷趋于平衡；在地区电网由于有功功率过剩引起频率上升时，装置自动根据频率升高值和频率变化速率，通过发出跳闸命令自动切除电厂的部分机组，减少电网中有功功率不平衡量。
借鉴稳控系统与直流极控系统接口及协调控制的工程应用成果，对频率紧急控制装置进行以下改进，使其成为实现直流紧急功率支援用于第三道防线的频率紧急控制装置。
(1)频率紧急控制装置增加输入信息：包括直流极控系统的直流极闭锁信号、直流电流可调制信号、直流最大可提升量、直流最大可回降量、直流可提升或回降信号和直流单极最大运行功率。
(2)频率紧急控制装置输出信息：包括向直流极控系统输出提升或回降直流功率控制量的调制直流信息，采用传统的分档开关量信号，或采用比较新颖的连续数字量信号。
(3)频率紧急控制装置动作判据：增加对直流极运行状态、直流可提升或回降状态和可调控范围的分析评估，确认直流系统具备要求的紧急功率支援调控能力时才发出相应的控制命令。
2实际电网仿真效果分析
以2015年华东电网为例，分析直流紧急功率支援用于第三道防线的控制效果。
由于大电网频率的时空分布特性，故障后动态过程中不同地点的频率响应略有差别。以宾金直流双极闭锁（±800 kV，容量8 000 MW），同时浙江南部若干大容量机组无故障跳闸，导致华东电网损失功率17 000 MW为例，其频率响应曲线如图1所示。浙江舟山、温州等片区负荷优先达到低频减载动作定值，其次为福建厦门等分区负荷达到低频减载动作定值，最后为安徽、上海、江苏部分分区负荷达到低频减载动作定值。
华东电网频率响应特性决定了故障后华东电网不同地区的低频减载负荷有不同的动作时序。
2.1 直流紧急功率支援减少低频切负荷量
不同功率缺额时采用不同直流调制策略场景下控制效果如表1所示。
在17 000 MW功率缺额下，采用EDCPS后，大大降低了华东电网事故后的低频减载量。主要是由于该功率缺额下，低频减载第一轮接近临界动作，在浙江、福建部分负荷低频减载少量动作及EDCPS动作后，系统频率有所改善，恢复至低频减载动作阈值之上，从而防止了其他地区负荷低频减载第一轮的继续动作。而在功率缺额20 000 MW方式时，采用EDCPS后，低频减载量基本无变化，这主要是由于功率缺额量较大，EDCPS提升的功率量不足以将系统频率提升至低频减载动作阈值附近，频率持续低于低频减载第一轮动作阈值，导致第一轮全部动作。
但总体可以看出，EDCPS用于第三道防线后，在减少事故后低频减载量或在系统稳态恢复频率方面起到了积极的效果，可以想见：若故障前直流功率有较大的提升空间，或者系统功率缺额不是太大，则EDCPS在严重故障后保障系统频率安全方面必然可以发挥更大的作用。此外，仿真表明．EDCPS的动作定值需要结合实际电网特性，与低频减载动作定值开展协调优化。
2.2直流紧急功率支援与切负荷控制量相同，控制效果有差异
以华东电网功率缺额7 200 MW故障场景为例（不考虑调速器，使低频减载可以在较小的功率缺额下动作），故障下低频减载动作一轮，切负荷4 600 MW,若相同时刻考虑紧急提升直流功率4 600 MW（未考虑投响应补偿电容）后系统控制效果如表2和图2~3所示。其原因是：直流紧急功率支援时，系统并未损失负荷，是通过增加有功出力降低系统不平衡率；相比切负荷，直流紧急功率支援加重了系统的潮流，会造成系统的电压较低，根据负荷的电压响应特性，电压降低会造成系统的等效负荷降低，对于因有功出力不足而导致的频率下降问题，这有助于系统频率的恢复。
3应注意的问题
直流紧急功率支援用于第三道防线的控制措施．在第二道防线动作之后，此时通常电网结构已经比较薄弱和运行工况处于异常状态；与常规的低频减载和高频切机措施比较，直流紧急功率支援的控制量比较大。在研究分析直流紧急功率支援用于第三道防线时要考虑这些背景，侧重从直流系统自身的紧急支援能力和电网对直流紧急支援的承受能力2个方面加以关注，对于多直流送出和受电的电网还要特别注意紧急支援策略在多直流系统之间的协调。另外，直流紧急功率支援用于第三道防线的控制措施是在通过直流互联异步电网之间的功率交换紧急调整，需要相关的异步电网在技术和经济管理方面进行协调。
3.1 直流系统自身的紧急支援能力下降
直流紧急支援功率已经成为第二道防线安全稳定紧急控制的重要措施之一，在频率异常触发第三道防线的频率紧急控制装置动作时，有可能直流紧急功率提升／回降已经动作，受调节响应时间特性和调控能力的约束，直流系统再次紧急支援功率的能力可能会下降。
交流电网运行工况对直流紧急支援能力有很大影响，直流系统的运行状态依赖于直流系统两端换流站所在交流母线的电压，在大扰动情况下．如果换流站交流母线电压恶化，会影响直流系统在紧急功率支援时的运行状态；如果在两端换流站交流母线电压较低时，由于直流系统本身运行状态受换流站交流母线电压的影响，会导致直流系统实际输送功率达不到紧急功率支援的整定值。
3.2 电网的承受能力
电网的承受能力要从2个方面加以关注：一是直流紧急支援功率调制动态过程对电网安全稳定性的影响，避免因直流紧急功率支援引发次生事故；二是直流紧急支援功率调制结束后的电网稳态运行工况能够长期运行，确保调度运行人员有充裕时间恢复电网正常运行。
直流紧急功率支援快速改变直流传输功率．对交流电网和其他直流系统也是一种扰动，可能会对已经比较脆弱的电网造成威胁。例如，在电压安全稳定方面，可能引起换流装置吸收的无功功率快速、大幅度变化，易导致交直流电压快速变化和振荡，诱发电压稳定问题，特别是受端电网，由于大多是负荷中心区域，当所在交流系统无法提供充足的无功功率支撑时，将不可避免地影响交直流系统的电压稳定水平。
直流紧急功率支援的控制量比较大，可能引起局部潮流流向改变、某些线路与断面潮流加重以及母线电压水平下降。对于直流紧急功率支援．既要功率能够安全地汇集整流侧换流站，又要使逆变侧换流站增加的功率能够落地，安全地疏散与输送到负荷中心。因此，要关注直流紧急功率支援动态过程结束后能够满足潮流约束和不逾越交流线路功率限制与关键潮流断面限额，这时可暂不考虑后续故障的影响。
3.3 多直流系统紧急功率支援的协调
对于多回直流系统，协凋利用多回直流系统的紧急功率支援能力，能达到切负荷／切机量小和控制后安全稳定水平高的更好效果。控制量在多直流系统之间的合理分配是协调的一个重要方面，综合考虑的因素包括：(1)满足直流系统运行和电网承受能力约束的各直流系统允许的紧急功率支援能力，继而与直流系统当前运行方式（输送功率）关联．得到各直流系统紧急支援可调容量范围；(2)基于详细模型的时域仿真分析得到低频／高频各个轮次需要的有功控制量，各个直流及其组合的紧急功率支援可调容量与各个轮次需要控制量的匹配情况。紧急功率支援动态过程中多直流系统之间的协调是另一个不能忽视的方面，与第二
道防线中多直流紧急功率支援协调类似，已有很多研究成果可借鉴，在此不再赘述。
3.4直流互联异步电网之间的协调
一般通过直流互联的异步电网属于不同的区域电网．是相对独立的主体。为了实现直流紧急功率支援用于第三道防线的控制措施，相关的异步电网在技术和经济方面要进行协调。在技术方面．要根据各个异步电网的特性，协商确定可用于第三道防线的直流紧急功率调整量范围和调节特性，包括最大功率提升量及其响应速度和最大同降量及其响应速度，不能因为帮助其他电网减少第三道防线切机／切负荷控制量，而影响自身电网的正常运行。在经济方面，直流紧急功率支援用于第三道防线控制措施的受益方（第三道防线切机／切负荷控制量减少的电网）应向受损方（受到直流紧急功率调整不良影响的电网）提供经济补偿。经济补偿机制可参照提供机组备用和可中断负荷等辅助服务的模式，由固定和可变两部分构成。
固定部分在年度辅助服务交易计划中根据调整容量和调节特性确定，在交易计划年度内不论是否启用．都需要支付；可变部分根据实际发生的直流紧急功率调整启用情况及其电量变化情况，计算需要支付的补偿费用。
4结语
在安全稳定防御中，直流输电具有的快速灵活调控特性应发挥更大的作用，本文提出直流紧急功率支援用于第三道防线的构想，对开展该领域的研究和工程应用探索工作有重要参考价值。
研究表明，直流紧急功率支援参与第三道防线的频率紧急控制，能够有效减少切负荷／切机控制量，从而提高电网安全稳定运行的经济性水平，以及电网对电源侧和负荷侧的友好性。
为了实现直流紧急功率支援用于第==道防线的工程应用，在整定计算和控制装置2个方面都要进行改进。在整定计算方面，需要研究计及直流紧急功率支援能力的第三道防线整定方法，实现第三道防线增加直流紧急功率支援措施后的定值优化整定计算：在控制装置方面，需要研究开发第三道防线安全稳定控制装置与直流控制系统的接口，实现与其准确、可靠的通信，获取直流系统的运行状态，并将需要的控制量发送给直流控制系统。因此，迫切需要深入开展相关研究。
