特高壓變電站直流系統配置方案及優化

李露露，趙世芳

（1.國網山東省電力公司超高壓公司，山東 濟南 250118；2.國網山東省電力公司濰坊供電公司，山東 濰坊 261000）

0 引 言

特高壓變電站直流系統的基礎是直流輸電技術。與傳統的交流輸電系統相比，該系統具有許多優勢。通過直流輸電，能夠減少輸電損耗并提高電能傳輸效率，特別適用于長距離和大容量的電能傳輸。特高壓變電站直流系統具有較高的穩定性和可靠性，能夠更好地適應電網負荷變化和電力供應需求。特高壓直流輸電系統的基本結構，如圖1所示。特高壓變電站直流系統的關鍵組成部分包括換流站和輸電線路。其中：換流站負責將交流電能轉換為直流電能，實現電能的傳輸和分配；輸電線路負責將直流電能從發電站傳輸至用戶終端，完成電力傳輸的任務。特高壓變電站直流系統應用了直流斷路器、電流互感器、電壓互感器等設備，能夠保證系統的穩定和安全運行[1]。

圖1 特高壓直流輸電系統的基本結構

1 工程概況

H市某1 000 kV特高壓變電站具有2組額定容量為3 000 MVA的主變壓器，1 000 kV與500 kV出線都為10回，采用一個半斷路器接線，配置有混合式氣體絕緣封閉組合電器（Hybrid Gas Insulated Switchgear，HGIS）設備，主變低壓側應用110 kV雙分支單母線接線。二次設備采用保護下放布置模式，除了設置計算機監控系統站控層并集中布置于主控通信樓，剩余間隔層設備和機電保護設備都布置在配置有1 000 kV配電設備、500 kV配電設備、主變以及110 kV配電設備的繼電器室內。此外，按照全站規模，共計設置4個就地繼電器室。

2 特高壓變電站直流系統配置方案優化方式

2.1 換流技術優化

諧波濾波型換流器是一種擁有特殊設計的直流系統換流器，主要特點是能夠有效過濾諧波電流，降低系統的諧波水平。諧波濾波型換流器由多級濾波單元組成，每個濾波單元都包含電感和電容，用于限制和衰減諧波電流。為實現諧波濾波型換流器的最佳性能，在對配置方案進行優化時，需要優化濾波單元的參數，通過系統仿真和試驗分析，確定濾波單元的電感和電容數值范圍，再通過優化算法和優選方法，確定每個濾波單元的最佳參數取值，從而實現對諧波的有效濾波和衰減。諧波濾波型換流器的濾波器拓撲結構設計對系統性能具有重要影響。在配置方案優化過程中，需要綜合考慮濾波單元的串并聯組合方式、濾波器的阻抗特性以及濾波器與其他系統元件的匹配關系等因素，設計能夠滿足系統要求的最佳濾波器拓撲結構。在控制策略優化中，需要考慮諧波電流的檢測與監測、濾波器的開關控制和諧波電流的反饋控制等因素，采用合理的設計控制策略，實現對諧波電流的準確控制和濾波效果最優化[2]。

2.2 輸電線路布局優化

在原有的輸電線路布局方案中，需要在地形復雜的地區進行大量的土建工程，建設成本較高，且直線與弧形的布局需要較長的輸電走廊，占地面積較大，對土地資源的占用較為嚴重，同時無法充分利用地理條件，造成線路長度增加，增加了輸電線路損耗。基于該背景，為實現對輸電線路布局的優化，可采取以下措施。

（1）基于地貌特征的優化。根據地區的地貌特征，選擇合適的線路布局方式，采用跨越方式布置線路，減少對地表的影響，同時提高輸電線路的穩定性和安全性。

（2）基于電力需求的優化。根據電力需求的分布情況，合理安排輸電線路的布局，在電力需求較高的地區設置多條輸電線路，實現電力的分流和均衡供應，從而提高系統的可靠性。

（3）基于輸電效率的優化。通過合理選擇輸電線路的長度和輸電方式，減少輸電線路的損耗。在配置方案優化中，可采用柔性直流輸電技術，降低輸電線路的電阻和電抗，提高輸電效率。

2.3 繼電保護系統優化

傳統的配置方案中，保護設備之間的獨立性較差，缺乏協調和互動，導致系統故障處理能力有限。同時，繼電保護系統對系統故障的靈敏度不足，容易造成誤判或延長故障處理時間，且繼電保護系統通信速度慢，對系統故障的響應時間較長，無法滿足特高壓直流系統對實時性的要求。優化配置方案時引入了智能保護裝置，可以提高保護設備之間的協調性和互動性。智能保護裝置具備自動分析和決策的能力，能夠實現保護設備之間的信息共享和聯動操作，提高了系統對故障的響應速度和處理能力。在繼電保護系統中采用高速通信網絡，可以提高保護設備之間的通信速度和數據傳輸效率。此外，文章采用光纖通信網絡代替傳統的串行通信方式，能夠實現快速、可靠的數據傳輸，提高系統的實時性和可靠性。通過優化故障檢測和定位功能，可提高繼電保護系統對系統故障的靈敏度和準確性，并引入高精度的故障檢測裝置和定位算法，快速、準確地判斷故障類型和位置，提高系統的故障處理效率[3]。

2.4 設備與材料優化

基于傳統配置方案的電力設備在工作過程中存在較大的電力損耗，導致出現能源浪費和電網負荷增加的情況。材料的制造成本和維護成本較高，增加了系統投資和運營成本。設備和材料的技術水平相對滯后，無法滿足特高壓直流系統對高效性、智能化以及可持續發展的需求。因此，優化配置方案時，采用高效變壓器和高效換流器等設備，可降低能量損耗，同時采用先進的技術和材料，具備更低的電力損耗和更高的能量轉換效率，能夠提高特高壓變電站直流系統的整體能效。應用的先進材料包括高溫超導材料和新型絕緣材料等，可以降低系統的制造和運營成本。先進材料具有良好的導電性、絕緣性以及耐高溫性能，可以提高系統的可靠性、安全性以及耐久性。采用模塊化設計將設備和材料模塊化，以便更加靈活地適應系統的需求和擴展條件，簡化系統的安裝和維護過程，提高設備互換性和系統可拓展性。此外，采用可再生能源材料和環保材料等，可降低系統對環境的影響。可持續材料具有低碳、低污染以及可再生等特點，符合綠色發展和環境保護的要求[4]。

2.5 電壓等級選擇優化

變電站直流系統通常采用控制負荷和動力負荷合并供電方式。依據相關規定，系統標稱電壓可以應用110 V或220 V，且各有優缺點。在相同操作功率和相同供電距離的條件下，與采用110 V標稱電壓相比，采用220 V標稱電壓的控制電纜電流小一倍，能夠減少電纜截面積。尤其是在遠距離供電時，電纜截面的減小十分明顯。直流系統選擇220 V電壓，以便為動力負荷提供電能。它的事故照明接線簡單，且能夠簡化切換回路。此外，特高壓變電站電磁環境惡劣。與110 V直流電壓相比，220 V直流電壓具有更高的電磁抗干擾能力[5]。

2.6 直流系統接線方式優化

單極接地方式能夠保持系統的電位穩定性，減少電位偏移和不均衡情況的發生。在系統發生故障時，通過監測電流和電壓變化，可以快速定位故障點，有利于及時處理和修復故障。與雙極接地方式相比，單極接地方式對絕緣要求較低，能夠降低系統的絕緣設計難度。雙極接地方式能夠有效抑制電磁干擾，提高系統的抗干擾能力，減少對系統性能的影響，使兩側極地的電流保持平衡，避免電流偏移和不均衡情況的發生。當系統發生故障時，雙極接地方式能夠在不影響系統正常運行的前提下維持故障段的電壓和電流。根據特高壓變電站的具體需求和運行特點，除了綜合考慮系統性能，還需考慮接線方式的經濟性和可行性，包括成本、施工難度、維護便利性等，從而選擇最具經濟性和可行性的方案，即選擇雙極接地方式。實踐證明，雙極接地方式綜合應用效果較好[6]。

2.7 優化后直流負荷統計

優化后直流負荷統計如表1所示。

表1 優化后直流負荷統計

調整優化后，全站直流系統負荷基本平衡，與優化前相比，減少了直流系統備品備件以及試驗設備的種類和數量，方便統一管理，同時提高了直流系統運維工作效率，降低了全壽命周期內的運行維護成本。

3 結 論

特高壓變電站直流系統具有顯著的優勢和廣闊的應用前景。在能源需求不斷增長和電力工程不斷發展的背景下，特高壓變電站直流系統將在能源領域發揮重要作用，為經濟社會發展提供了穩定可靠的電力支持。未來通過不斷優化和創新，可以進一步完善特高壓變電站直流系統的技術和管理水平，為能源轉型和可持續發展貢獻一份力量。