特高压交直流混联大电网运行关键技术系列标准解读

2021年10月发布的特高压交直流混联大电网运行关键技术30项国家标准，涵盖仿真建模、安全分析、控制保护、网源协调、新能源调度等关键技术领域，作为首次大批量聚焦特高压交直流混联电网运行控制的系列标准，构建了新形势下电网运行技术标准体系，奠定了我国电力系统转型升级的标准基石。

电力系统是国家经济社会发展的关键基础设施，电力安全事关国家安全。国内外历史经验表明，电力系统稳定破坏风险始终存在，大面积停电事故将严重影响经济社会的正常运转。从世界范围内来看，美国、欧洲、南美、印度、澳大利亚等电网都出现过大停电，这给我国电力安全防控敲响了警钟。党中央、国务院多次对电力安全作出重要指示批示，将电力安全上升到国家安全战略高度，纳入总体国家安全观。

标准化是电力工业发展的基石。从1956年发布独立自主的电力标准开始，我国在电网运行与控制相关技术领域已颁布150多项国家和行业标准，初步形成了电网运行技术标准框架体系，支撑了我国电网的安全稳定运行。在国家能源转型战略驱动下，我国特高压跨区电网快速发展，新能源大规模并网，目前已建成19回特高压交流和20回特高压直流工程，特高压交直流混联大电网逐步形成。新能源装机和直流输电容量分别达到10.5亿和2.2亿千瓦，电力电子设备渗透到各个环节，电源结构和电网格局发生重大改变，电网特性也发生深刻变化，给电力系统安全稳定运行带来全新挑战。主要表现在4个方面：（1）新型故障影响全局化特征显著；（2）电力电子化电力系统调节能力下降；（3）交直流混联电网抗扰动能力恶化；（4）多类型安全稳定形态交织复杂。原有电网运行标准主要基于传统纯交流同步电网制定，难以全面支撑新形势下电网的电力保供、新能源消纳和系统安全运行需要，亟需重构我国电网运行技术标准体系。

紧扣我国在能源电力转型中面临的挑战和主要矛盾，依托国家重点研发计划NQI专项“特高压交直流混联大电网运行关键技术标准研究”，攻克了特高压交直流混联大电网运行控制领域重大技术难题，一次性立项、编制并发布了30项国家标准，涵盖仿真建模、安全分析、控制保护、网源协调、新能源调度等关键技术领域。系列标准提出了设备元件建模、数据管理、数模混合实时仿真技术的规范化要求；完善了电力系统安全稳定校核标准和评价方法，明确了电网在线安全分析技术要求；优化和规范了安全稳定控制措施配置原则和控制装置技术要求；提出了电源涉网性能测试方法与评价指标，完善了新能源资源评估和调度运行管理规范。

电力系统元件设备类型数量多，动态特性复杂、功能耦合紧密，逐一建模不可行，规范化等效建模和数据生成难度大；电网实时仿真对计算速度要求高，设备接口需满足多种控制设备接入的技术要求。为提升仿真的准确度和效率，亟需解决电网重要元件建模、数据模型管理、仿真技术应用的规范化问题。

攻克了新型电力电子设备等关键元件机电暂态建模技术。本系列标准提出了多类型高压直流输电系统的建模技术原则，建立了包含直流输电一次系统、基本控制系统和附加控制系统的数学模型。此外，还提出了同步发电机励磁系统和调速器模型建模技术原则，明确了励磁设备的基本要求、调节器环节特性的辨识方法和标幺值的确定方法，确定了调速器模型的基本结构，并建立了包含原动机、执行机构和控制系统的数学模型。提出了模型参数规范化实测辨识与校核的方法，给出误差评价方法及合理的评价标准，强力支撑了电网仿真计算分析。

提出了大电网仿真运行方式数据生成技术。本系列标准提出了电网设备模型参数和运行方式的数据范围、数据模型，建立了面向交流节点、直流节点描述直流系统相关设备的拓扑模型，构建了描述设备-厂站-电网拓扑连接关系的关联模型。提出了电网设备全生命周期的描述方法，通过电网设备的投产、退役日期描述电网的演变过程，为电网调度运行和电网规划部门统一仿真计算数据奠定基础。

电网设备关联模型

提出了实时数字仿真与试验技术要求。本系列标准攻克了基于高性能计算服务器（HPC）的大规模分网并行解耦技术、实时性及同步性控制技术；提出了直流输电控制保护装置的简化原则以及实时仿真器性能要求；提出了实时仿真、系统试验接口的标准化数据建模方法，制定了仿真试验标准流程，实现了大规模电磁暂态网络并行超实时计算和基于多种闭环试验接口的数字-物理装置硬件在环测试。

基于HPC的大规模分网并行解耦技术

传统电网安全稳定分析仅考虑交直流单一故障，对新能源脱网、直流换相失败等新型故障扰动形态、次/超同步振荡等新型安全稳定问题的考虑不足，亟需规范大容量直流、大规模新能源接入背景下大电网安全分析技术要求；同时，为满足大电网对不断提升精益化调控水平的需求，需要填补在线安全分析技术方面的标准空白。

提出了适用多类新型问题的电力系统安全稳定计算分析技术。本系列标准揭示了我国电力系统规模不断扩大、电力电子元件占比持续增加过程中出现的新型故障扰动形态和安全稳定问题，明确了电压稳定、次/超同步振荡等稳定判据和计算方法，建立了涵盖微秒级电磁暂态至分钟级中长期过程的安全稳定计算分析体系，指导了世界首个100%清洁能源经青海-河南特高压直流外送工程、张北-雄安特高压交流外送工程等40余项国家级联网工程安全稳定计算分析。

提出了电力系统在线安全分析多源异构数据处理和可视化技术。本系列标准提出了对离线制定的稳控策略、安全稳定规定等非结构化信息的在线快速建模及解析技术要求，打通了长期存在的数据应用壁垒，为在线安全分析奠定数据基础。此外，还提出了故障预警信息的生成、传输和共享方法，规范了关联设备、地理和气象信息的电网运行风险可视化技术要求。从数据生成和结果分析两方面同步提升了在线安全分析计算准确性、可信度和可观性。

提出了适用电力系统运行风险全过程评估的在线安全分析技术。本系列标准构建了电网运行风险指标体系，提出了涵盖事前风险评估（未来态趋势分析）、事中协同处置（实时态在线预警）以及事后措施评价（研究态故障反演）的在线安全分析技术；规范了在线安全分析与运行控制辅助决策应用功能，明确了调度运行安全校核的功能组成、数据要求、计算要素和计算标准。以上要求进一步提升了电网运行风险的预想、预判和预处理能力。

在线安全分析功能体系架构示意图

原有安全稳定控制技术、稳控装置的原理判据难以满足交直流混联大电网的要求，断路器失灵动作时间较长，控保装置智能化运维程度低，整定计算数据格式不统一，亟需提升装备水平及运行分析、定值计算能力，夯实“三道防线”安全稳定运行基础。

提出了提升电力系统承受大扰动能力的安全稳定控制技术。本系列标准提出了应对新能源脱网、直流换相失败等新型故障形态的协调控制技术，优化了失步/快速解列、低频/低压减载、高频切机等三道防线的控制策略，构建了大面积停电后网架重构实施方案，实现了国家电网500kV及以上站点稳定控制系统覆盖率达到40%，有力保障了我国特高压交直流电网安全稳定运行，有效防范了大容量特高压直流和大规模新能源集群故障扰动引发大面积停电的风险。

提出了适应交直流混联的保护和稳控装置功能配置及判据优化方法。本系列标准提出了站域失灵（死区）保护原理及延时优化算法，提出了应对CT拖尾的解决措施及故障选串措施，大幅缩减失灵保护动作时间，提升断路器失灵、死区故障的快速切除能力。提出了稳控系统元件投停、元件跳闸、元件过载、装置启动等功能判据，解决了现有稳控装置种类繁多、功能复杂，各环节差异较大，提高了稳定控制装置规范化水平。

稳控装置配置方式

提出了保护和稳控装置智能化诊断及标准化建模技术。本系列标准提出了在线监视、故障预警、状态评估、智能诊断、风险预估等规范化技术方案，攻克了基于CIM技术的整定计算规范化对象建模技术，明确了在线监视与分析系统及整定计算软件的功能要求、信息交互要求，支撑装置的运行分析及整定计算，全面提升运行决策智能化水平。

新能源的随机性、波动性对电力系统的调节能力提出了新的要求，原有核电、新能源、储能基本不参与系统调频，火电深度调峰对一次调频能力和PSS参数整定影响不确定；机组涉网保护配合不协调，扰动下可能存在误动风险造成事故扩大。亟待规范电源一次调频性能、PSS整定技术以及涉网保护协调原则。

提出了新型工况和新型电源的一次调频性能指标及试验要求。本系列标准提出了火电机组深度调峰、水电机组高占比等特定工况下的常规电源一次调频性能要求；根据各类电源性能特点，提出了考虑设备本体约束条件的核电机组、新能源场站、储能电站的一次调频性能指标及试验要求。指导并促进并网电源涉网性能改造及试验验证，提升了电网频率稳定的抗扰动能力。

风电场站一次调频曲线

提出了适应火电深度调峰的PSS参数整定试验技术。针对高比例新能源接入后火电机组长期低负荷运行工况，提出将PSS动态试验工况由80%额定功率降低至不低于60%额定功率，以及适应火电机组深度调峰工况下的PSS自动投入要求；提出了基于无功电流补偿环节（电压调差环节）对励磁系统无补偿特性影响的PSS参数整定试验方法。

提出了多类型电源涉网保护协调配合技术原则。提出了电源涉网保护协调配合与分轮次动作参数整定原则，规范了多类型并网电源的涉网保护启动条件与动作逻辑，提出了新能源场站电压穿越、频率异常等涉网性能和保护技术要求，提升电源抗扰动能力的同时可有效避免保护误动跳机，增强了电源对电网的支撑能力。

新能源资源及发电功率预测、场站并网控制是新能源消纳及稳定支撑的重要基础。目前新能源资源及功率预测存在预见期短、精度不足等问题，场站控制拓扑冗余、时序匹配差、响应延迟长，亟需从功能要求、方法策略、技术指标等方面加以规范。

提出了基于单机信息法的新能源理论发电功率评估方法。本系列标准提出了基于图像识别技术的异常数据识别方法，构建了新能源机组实际功率曲线的自动拟合模型，提出了基于单机信息法的新能源机组理论发电功率计算方法。提出了考虑新能源机组运行状态的受限电量评估方法，构建了考虑状态异常和电量平衡的弃电量统计模型，首次实现了新能源场站场内弃电和场外弃电的准确评估，将评估偏差由3%以上降至1%左右。

基于图像识别技术的异常数据识别方法

提出了多时间尺度新能源功率预测技术。本系列标准提出了新能源功率预测系统的数据采集类型及方式，攻克了数值天气预报的长时间尺度预测技术，建立了满足预测时长要求的数值天气预报模式；提出了基于深度学习算法的长时间尺度预测，建立了不同天气类型的适应性优化模型，在保障预测精度的前提下可获得未来10天的预测结果，形成了覆盖中期、短期，超短期的新能源功率预测技术体系。

构建了新能源场站功率控制系统技术体系。本系列标准提出了有功功率控制、一次调频控制及无功电压控制等新能源场站功率控制的功能要求，提出了多种功率控制功能协调运行的技术要求、系统架构和功率控制策略，规范了新能源场站功率控制技术要求和性能指标的综合验证及评价方法，指导35kV及以上电压等级并网的新能源场站设计选型和控制运行。

本系列标准围绕我国特高压交直流混联电网安全稳定运行需要，针对电网仿真、计算分析、控制保护、网源协调、新能源调度等关键技术领域，开展了深入调研、分析与研究，研究成果主要包括以下几项。

（1）提出了重要元件建模和数据描述方法，攻克了大规模分网并行解耦仿真技术，规范了特高压交直流电网仿真技术要求，提升了仿真的科学性和准确性。

（2）提出了电力电子设备新型故障和稳定形态计算分析方法，建立了安全稳定离线/在线计算分析技术规范，提高了对电网运行风险的认知和防控能力。

（3）提出了严重故障下继电保护和安全稳定控制优化技术，构建了安全自动装置功能要求、策略判据和定值整定技术标准体系，指导了电网安全防御系统构建。

（4）提出了并网电源调节性能指标及涉网保护协调技术，规范了网源协调技术要求，指导了电源涉网性能改造和试验验证，提高了电源对电网的支撑和调节能力。

（5）首次提出并明确了新能源发电能力及弃电量评估方法和新能源功率预测及调度运行控制技术要求，提高了新能源功率预测和理论功率评估水平。

基于上述研究成果，编制了GB/T 40580-2021《高压直流输电系统机电暂态仿真建模技术导则》、GB/T 40587-2021《电力系统安全稳定控制系统技术规范》、GB/T 40615-2021《电力系统电压稳定评价导则》、GB/T 40585-2021《电网运行风险监测、评估及可视化技术规范》、GB/T 40591-2021《电力系统稳定器整定试验导则》、GB/T 40607-2021《调度侧风电或光伏功率预测系统技术要求》等30项国家标准。成果促进了我国电网运行技术进步，完善了我国特高压电网和大规模新能源运行标准体系，强力支撑我国大电网安全稳定运行，促进我国新能源的规模化高效利用，进一步提升我国在相关技术领域的国际影响力和话语权。

系列标准的发布实施，有效弥补现有标准存在的不适应或缺失等问题，进一步完善了我国大电网运行与控制技术标准体系，满足大容量直流和大规模新能源接入后提高电网仿真精度和效率、强化电网安全稳定防御能力、提升电网状态的快速感知能力、促进新能源精细化控制和充分消纳的需求，可指导未来特高压电网的规划、设计和运行控制，为我国电力系统向以新能源为主体的新型电力系统的安全过渡保驾护航、促进其可持续发展，为落实“一带一路”倡议和“碳中和、碳达峰”能源发展目标提供技术支撑。(作者单位系中国电力科学研究院有限公司)

来源 |《标准科学——国家电网技术标准创新实践》2024年增刊

作者 | 张健 龚浩岳

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