论文部分内容阅读
【摘 要】 随着能源开发、电能传输以及电力系统的规模不断扩大，采用直流输电的必要性日益被人们认识。直流输电不仅是一种节省能源损耗的输电方式，而且在开发利用边远地区的能源和开发新能源、新发电方式等方面，直流输电技术更是一种有效的手段，必将越来越广泛地得到采用。本文对高压直流输电线路继电保护技术的应用进行了分析。
【关键词】 高压直流；输电线路；继电保护技术；应用分析
一、高压直流输电的重要性
高压电网建设的迫切性高压建设的必要性源于东部持续的电荒。我国的用电需求主要集中在中东部经济发达地区，而能源富集地区则集中在西北部。用电需求和供给发展不平衡，亟需加强跨区域送电能力。
高压直流输电技术是一个适合中国国情的远距离、大容量输电技术。以南方五省区为例，云、贵两省一次能源保有量占90%，但是广东经济总量占67%，全社会用电量是其他四省区总量的1.6倍。这种能源资源与消费市场‘逆向分布’，使西电东送成为优化区域资源配置的必然选择。
十二五期间，国家电网与南方电网分别规划了共约5300亿元的高压直流及高压交流输电。由于高压直流输电主要采取点对点的形式，对电网运行的干扰较小，得到社会各界的支持。据统计，在十二五期间，国家电网和南方电网共计规划了12条±800kV高压直流输电线路。
二、中国高压直流输电的现状
中国能源分布不均衡现象十分严重。据统计，中国已经探明的煤炭储量82%集中在西部地区，可开发的水电资源67.5%集中在西南地区，而到2020年的电力消费75%将集中在中、东部和南部沿海地区。这决定了我国资源优化配置的基本选择是长距离西电东送。因此，高压直流输电以其输送容量大、传输距离长、稳定性好等优势必将在将来的中国以及世界的电力系统中占有重要的一席之地。
中国自1987年第一条高电压直流输电工程——舟山直流输电工程投入运行以来，到如今，已建和在建的直流输电工程有12个。
三、高压直流输电的明显优势
1、从技术性和可靠性看，HVDC具有如下优点：
1）有利于改善交流系统的稳定性
在交流输电系统中，所有连接在电力系统的同步发电机必须保持同步运行。如果采用直流线路连接两个交流系统，由于直流线路没有电抗，所以不存在上述的稳定问题，也就是说直流输电不受输电距离的限制。
2）实现交流系统的非同步联网（输电）
非同步联网可以通过HVDC实现两个交流系统的互联，这样有如下优点：被联电网可保持自己的电能质量（如频率、电压）而独立运行；被联电网之间交换的功率可快速方便地进行控制，有利于运行和管理。
3）相同电压等级下，输送功率更大
4）有功、无功功率快速可控，有利于改善交流系统的运行性能
5）限制交流系统短路容量
直流输电线路连接两个交流系统，直流系统的“定电流控制”能快速将短路电流限制在额定功率附近，短路容量并不因互联而增大。
6）线路故障时的自防护能力强
直流输电在正常情况下能保证稳定输出，在事故情况下可实现紧急支援，因为直流输电可通过可控硅换流器快速调整功率、实现潮流翻转。
2、从经济性看，HVDC具有如下优点：
1）线路造价低
输送同样功率条件下，直流架空线路节省1/3的导线，1/3～1/2的钢材，造价为交流线路的60%～70%。
2）运行损耗小
交流电由于集肤效应导致运流载流子通道狭窄（载流子只在外表面附近做定向运动）、通电截面小因而电阻增加，而电路电阻增加使电能转化为热量而消耗在电路中，这浪费了人力和物力。
此外，高压直流输电给新能源发电的并网提供了一条良好的途径，研究发现轻型直流输电（VSC-HVDC）在海上风力发电并网中应用潜力巨大。
四、高压直流输电线路继电保护技术的应用现状
高压直流输电的早期技术支持主要是换流技术，其在我国于1954年诞生，随后在控制阀、控制特性、系统结构等多个方面都取得了很大的成效。目前我国在高压直流输电线路中，主要应用的换流器主要分为两种：第一是基于半控型器件晶閘管的电流源换流器高压直流输电（CSC-HVDC），其在实际应用中，主要用在远距离和大容量的电能传输上；第二是基于全控型器件（如绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、门极可关断晶闸管（UTO））的电压源换流器高压直流输电（VSC-HVDC，也被称作HVDCLight、HVDCPlu、或HVDCFlexible），其主要用在受端弱系统或者分布式电源接入电网等情况下。经过多年的发展，高压直流输电系统由原来的两端系统，更新到了现在的多端系统；在输电线路方式方面，由原来的海底电缆发展到了现在的架空线与电缆有机配合的方式；不仅如此，目前高压直流输电系统在电压等级和输送功率等多个方面都有很大的进步。高压直流输电系统的更新也带动了继电保护技术的发展，在继电保护技术应用中，应该根据高压直流输电系统的变化及特性，及时的改变其保护方法，从而更高效的适用到不断变化的高压直流输电系统中去。
五、继电保护技术在高压直流输电线路中的问题分析
根据我国目前的高压直流输电线路继电保护技术应用现状来看，其存在的问题主要分为两种。第一是从保护原理的方面来考虑，当前的高压直流输电线路继电保护还存在着理论不完备、可靠性差等多方面的问题。在实际运行工作中集中表现在主保护（其主要是指行波暂态量保护和微分欠压保护）的灵敏度不够、整定依据还有所缺乏、故障投入的时间远远不足、需要很高的采样率、没有很好的抗干扰能力等。而在后备保护方面中，差动保护动作速度还不合乎标准，比要求达到的速度要小，并且在低电压保护中，不仅其动作速度很慢，并且整个保护工作还缺少相应的整定依据，从而使其在选择性方面还有所欠缺；第二是从保护配置的方面来考虑，目前的高压直流输电线路继电保护技术的保护种类还很单一，并且其可靠性也不强，一旦发生故障，很难在很短的时间内反应并进行相应的维修工作。 总体来说，直流输电线路与交流输电线路并没有太大的区别，其主要的差别在于能量集中频带不同。但是，目前的高压交流输电线路继电保护已经拥有了可靠性高、采样率低、理论完备等优良特点。所以，高压直流输电线路继电保护技术可以适当的借鉴交流线路保护的先进理论和实践经验，同时充分考虑直流输电系统不同于交流输电系统的特点，从而对高压直流输电线路的继电保护技术进行全面的优化，增强其稳定性和可靠性。在这之中，首先可以考虑借鉴高压交流输电线路，结合高压直流输电的特点，整理总结出一个适合高压直流输电并且对采样率要求低、可靠性高、实用性强的继电保护理论原理；其次根据继电保护原理，设计出一系列可行的保护方案。比如，根据高压直流输电线路区内与区外发生故障时电流突变的差异性，来精确的判定故障发生的方向，然后利用两端保护方向元件来形成高联动性的保护系统。再比如，高压直流输电可以借鉴高压交流输电线路中应用较为广泛的电容电流补偿方法，从而大大增强高压直流输电过程中电流差动保护的灵敏性。还有，高压直流输电可以结合暂态过程中线路两侧低频能量差值的主要特点，从而增强区内故障和故障极的精准快速诊断；最后，还可以根据高压直流输电对于电流突变特性的联动性，解决数据窗、雷电干扰对于继电保护的影响；此外还可以把基于分布参数模型的电容电流补偿方法用在长距离的高压直流输电线路，从而增强高压直流输系统的自身的控制性。
六、增强继电保护技术应用的建议与设想
在高压直流输电线路继电保护中，我们应该充分认识到高压交流输电先进理论和实践的可借鉴性。高压直流输电系统是集控制和保护一体化的系统，其保护主要集中在控制系统闭锁或重启。在高压直流输电继电保护中，因为其线路发生故障时，其暂态过程主要取决于直流系统控制特性，所以说在进行高压直流输电线路继电保护时，应该充分考虑到直流系统的控制特性，从而在此基础上应用其静特性和动特性的保护原理。一般来说，高压直流输电线路在其两侧都有很明确的边界，因此也可以利用这些边界的特点来设计高压直流输电继电保护的原理和方法。此外，相关的技术人员还应该充分认识到高压直流输电系统发生故障时，其暂态过程中经常含有大量的特征頻率信号，因此也可以根据这些特征频率信号来研究继电保护技术的保护原理与策略。高压直流输电系统的继电保护技术有很多的应用方法，在实际运行中，相关技术人员应该根据整个高压主流输电系统的特点，建立多种保护体系，从而进一步增强高压直流输电中继电保护技术的成效性。
结束语
目前，高压直流输电技术在远距离大容量输电、海底电缆输电、两个交流系统的互联、大城市地下输电、减小短路容量、配合新能源输电等方面都得到了广泛的应用。高压直流输电技术符合电力工业发展规律和电网技术的发展方向，在技术上没有不可逾越的障碍，在我国有广阔的应用前景。
参考文献：
[1]《高压直流输电原理与运行》机械工业出版社韩民晓主编
[2]《直流输电基础》，戴熙杰编
[3]《直流输电》，浙江大学直流输电科研组
【关键词】 高压直流；输电线路；继电保护技术；应用分析
一、高压直流输电的重要性
高压电网建设的迫切性高压建设的必要性源于东部持续的电荒。我国的用电需求主要集中在中东部经济发达地区，而能源富集地区则集中在西北部。用电需求和供给发展不平衡，亟需加强跨区域送电能力。
高压直流输电技术是一个适合中国国情的远距离、大容量输电技术。以南方五省区为例，云、贵两省一次能源保有量占90%，但是广东经济总量占67%，全社会用电量是其他四省区总量的1.6倍。这种能源资源与消费市场‘逆向分布’，使西电东送成为优化区域资源配置的必然选择。
十二五期间，国家电网与南方电网分别规划了共约5300亿元的高压直流及高压交流输电。由于高压直流输电主要采取点对点的形式，对电网运行的干扰较小，得到社会各界的支持。据统计，在十二五期间，国家电网和南方电网共计规划了12条±800kV高压直流输电线路。
二、中国高压直流输电的现状
中国能源分布不均衡现象十分严重。据统计，中国已经探明的煤炭储量82%集中在西部地区，可开发的水电资源67.5%集中在西南地区，而到2020年的电力消费75%将集中在中、东部和南部沿海地区。这决定了我国资源优化配置的基本选择是长距离西电东送。因此，高压直流输电以其输送容量大、传输距离长、稳定性好等优势必将在将来的中国以及世界的电力系统中占有重要的一席之地。
中国自1987年第一条高电压直流输电工程——舟山直流输电工程投入运行以来，到如今，已建和在建的直流输电工程有12个。
三、高压直流输电的明显优势
1、从技术性和可靠性看，HVDC具有如下优点：
1）有利于改善交流系统的稳定性
在交流输电系统中，所有连接在电力系统的同步发电机必须保持同步运行。如果采用直流线路连接两个交流系统，由于直流线路没有电抗，所以不存在上述的稳定问题，也就是说直流输电不受输电距离的限制。
2）实现交流系统的非同步联网（输电）
非同步联网可以通过HVDC实现两个交流系统的互联，这样有如下优点：被联电网可保持自己的电能质量（如频率、电压）而独立运行；被联电网之间交换的功率可快速方便地进行控制，有利于运行和管理。
3）相同电压等级下，输送功率更大
4）有功、无功功率快速可控，有利于改善交流系统的运行性能
5）限制交流系统短路容量
直流输电线路连接两个交流系统，直流系统的“定电流控制”能快速将短路电流限制在额定功率附近，短路容量并不因互联而增大。
6）线路故障时的自防护能力强
直流输电在正常情况下能保证稳定输出，在事故情况下可实现紧急支援，因为直流输电可通过可控硅换流器快速调整功率、实现潮流翻转。
2、从经济性看，HVDC具有如下优点：
1）线路造价低
输送同样功率条件下，直流架空线路节省1/3的导线，1/3～1/2的钢材，造价为交流线路的60%～70%。
2）运行损耗小
交流电由于集肤效应导致运流载流子通道狭窄（载流子只在外表面附近做定向运动）、通电截面小因而电阻增加，而电路电阻增加使电能转化为热量而消耗在电路中，这浪费了人力和物力。
此外，高压直流输电给新能源发电的并网提供了一条良好的途径，研究发现轻型直流输电（VSC-HVDC）在海上风力发电并网中应用潜力巨大。
四、高压直流输电线路继电保护技术的应用现状
高压直流输电的早期技术支持主要是换流技术，其在我国于1954年诞生，随后在控制阀、控制特性、系统结构等多个方面都取得了很大的成效。目前我国在高压直流输电线路中，主要应用的换流器主要分为两种：第一是基于半控型器件晶閘管的电流源换流器高压直流输电（CSC-HVDC），其在实际应用中，主要用在远距离和大容量的电能传输上；第二是基于全控型器件（如绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、门极可关断晶闸管（UTO））的电压源换流器高压直流输电（VSC-HVDC，也被称作HVDCLight、HVDCPlu、或HVDCFlexible），其主要用在受端弱系统或者分布式电源接入电网等情况下。经过多年的发展，高压直流输电系统由原来的两端系统，更新到了现在的多端系统；在输电线路方式方面，由原来的海底电缆发展到了现在的架空线与电缆有机配合的方式；不仅如此，目前高压直流输电系统在电压等级和输送功率等多个方面都有很大的进步。高压直流输电系统的更新也带动了继电保护技术的发展，在继电保护技术应用中，应该根据高压直流输电系统的变化及特性，及时的改变其保护方法，从而更高效的适用到不断变化的高压直流输电系统中去。
五、继电保护技术在高压直流输电线路中的问题分析
根据我国目前的高压直流输电线路继电保护技术应用现状来看，其存在的问题主要分为两种。第一是从保护原理的方面来考虑，当前的高压直流输电线路继电保护还存在着理论不完备、可靠性差等多方面的问题。在实际运行工作中集中表现在主保护（其主要是指行波暂态量保护和微分欠压保护）的灵敏度不够、整定依据还有所缺乏、故障投入的时间远远不足、需要很高的采样率、没有很好的抗干扰能力等。而在后备保护方面中，差动保护动作速度还不合乎标准，比要求达到的速度要小，并且在低电压保护中，不仅其动作速度很慢，并且整个保护工作还缺少相应的整定依据，从而使其在选择性方面还有所欠缺；第二是从保护配置的方面来考虑，目前的高压直流输电线路继电保护技术的保护种类还很单一，并且其可靠性也不强，一旦发生故障，很难在很短的时间内反应并进行相应的维修工作。 总体来说，直流输电线路与交流输电线路并没有太大的区别，其主要的差别在于能量集中频带不同。但是，目前的高压交流输电线路继电保护已经拥有了可靠性高、采样率低、理论完备等优良特点。所以，高压直流输电线路继电保护技术可以适当的借鉴交流线路保护的先进理论和实践经验，同时充分考虑直流输电系统不同于交流输电系统的特点，从而对高压直流输电线路的继电保护技术进行全面的优化，增强其稳定性和可靠性。在这之中，首先可以考虑借鉴高压交流输电线路，结合高压直流输电的特点，整理总结出一个适合高压直流输电并且对采样率要求低、可靠性高、实用性强的继电保护理论原理；其次根据继电保护原理，设计出一系列可行的保护方案。比如，根据高压直流输电线路区内与区外发生故障时电流突变的差异性，来精确的判定故障发生的方向，然后利用两端保护方向元件来形成高联动性的保护系统。再比如，高压直流输电可以借鉴高压交流输电线路中应用较为广泛的电容电流补偿方法，从而大大增强高压直流输电过程中电流差动保护的灵敏性。还有，高压直流输电可以结合暂态过程中线路两侧低频能量差值的主要特点，从而增强区内故障和故障极的精准快速诊断；最后，还可以根据高压直流输电对于电流突变特性的联动性，解决数据窗、雷电干扰对于继电保护的影响；此外还可以把基于分布参数模型的电容电流补偿方法用在长距离的高压直流输电线路，从而增强高压直流输系统的自身的控制性。
六、增强继电保护技术应用的建议与设想
在高压直流输电线路继电保护中，我们应该充分认识到高压交流输电先进理论和实践的可借鉴性。高压直流输电系统是集控制和保护一体化的系统，其保护主要集中在控制系统闭锁或重启。在高压直流输电继电保护中，因为其线路发生故障时，其暂态过程主要取决于直流系统控制特性，所以说在进行高压直流输电线路继电保护时，应该充分考虑到直流系统的控制特性，从而在此基础上应用其静特性和动特性的保护原理。一般来说，高压直流输电线路在其两侧都有很明确的边界，因此也可以利用这些边界的特点来设计高压直流输电继电保护的原理和方法。此外，相关的技术人员还应该充分认识到高压直流输电系统发生故障时，其暂态过程中经常含有大量的特征頻率信号，因此也可以根据这些特征频率信号来研究继电保护技术的保护原理与策略。高压直流输电系统的继电保护技术有很多的应用方法，在实际运行中，相关技术人员应该根据整个高压主流输电系统的特点，建立多种保护体系，从而进一步增强高压直流输电中继电保护技术的成效性。
结束语
目前，高压直流输电技术在远距离大容量输电、海底电缆输电、两个交流系统的互联、大城市地下输电、减小短路容量、配合新能源输电等方面都得到了广泛的应用。高压直流输电技术符合电力工业发展规律和电网技术的发展方向，在技术上没有不可逾越的障碍，在我国有广阔的应用前景。
参考文献：
[1]《高压直流输电原理与运行》机械工业出版社韩民晓主编
[2]《直流输电基础》，戴熙杰编
[3]《直流输电》，浙江大学直流输电科研组