保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定的電網(wǎng)構(gòu)建應(yīng)對(duì)策略研究
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覃琴，周勤勇，郭強(qiáng)，秦曉輝
（中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192）
摘要：“十三五”期間，巾國(guó)的特高壓交直流工程躍進(jìn)式發(fā)展、東中部地區(qū)仍是電力負(fù)荷中心、大型能源基地進(jìn)一步西移和北移，這些典型特征使得電網(wǎng)構(gòu)建過(guò)程中的系統(tǒng)安全穩(wěn)定問(wèn)題面臨新的挑戰(zhàn)。針對(duì)中國(guó)現(xiàn)狀電網(wǎng)的安安全定問(wèn)題，吸取現(xiàn)狀電網(wǎng)安全穩(wěn)定經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，剖析電網(wǎng)發(fā)展可能帶來(lái)的安全穩(wěn)定問(wèn)題，統(tǒng)籌考慮送端電源基地與受端負(fù)荷中心、特高壓與500 kV、交流與直流的協(xié)調(diào)關(guān)系，兼顧過(guò)渡期，提出電網(wǎng)構(gòu)建應(yīng)對(duì)策略，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定、
關(guān)鍵詞：電網(wǎng)構(gòu)建：安全穩(wěn)定：特高壓電網(wǎng)：1 000/500 kV協(xié)調(diào)
O引言
與美國(guó)、西歐、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家電力就地平衡為主的特點(diǎn)不同，中同能源資源和消費(fèi)中心逆向分布的基本罔情，決定了能源及電力流動(dòng)具有跨區(qū)域、遠(yuǎn)距離、大規(guī)模的特點(diǎn)，電力輸送呈現(xiàn)“兩電東送、北電南送”的基本格局，形成清晰的受端電網(wǎng)和送端電網(wǎng)。中國(guó)電網(wǎng)構(gòu)建應(yīng)與電力大規(guī)模流動(dòng)的需求相適應(yīng)；應(yīng)按照《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》（簡(jiǎn)稱“導(dǎo)則”）要求，合理分層分區(qū)，分散接入電源，確保安全可靠：應(yīng)在更大范圍內(nèi)形成強(qiáng)聯(lián)系，解決大區(qū)間電力交換受限的瓶頸．充分獲取聯(lián)網(wǎng)效益，實(shí)現(xiàn)大范圍的資源優(yōu)化配置。
"十三五”期間，特高壓交直流工程將迎來(lái)躍進(jìn)式發(fā)展。列入大氣污染防治計(jì)劃的“四交四直”及酒泉 湖南特高壓工程已經(jīng)全部開(kāi)工建設(shè)．預(yù)計(jì)2016-2017年建成投產(chǎn)。后續(xù)“五交八直”、“四交兩直”、 “三交一直”特高壓工程也將分批建設(shè)。預(yù)計(jì)2020年?yáng)|中部12省（包括北京、天津、河北、山東、上海、江蘇、浙江、福建、河南、湖北、湖南、江西）受入電力流總規(guī)模3.1億kW,對(duì)應(yīng)大型電源基地電力裝機(jī)4.2億kW。如此大規(guī)模的電力輸送將給電網(wǎng)構(gòu)建工作增加復(fù)雜性和難度。
本文首先以現(xiàn)狀電網(wǎng)的安全穩(wěn)定問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，吸取安全運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，然后總結(jié)“十三五”期問(wèn)電網(wǎng)發(fā)展的典型特征，并針對(duì)不同特征剖析可能帶來(lái)的安全穩(wěn)定問(wèn)題，包括過(guò)渡期、交直流協(xié)調(diào)、1 000/500 kV協(xié)調(diào)、短路電流超標(biāo)、東中部受電規(guī)模大、大型電源基地送電方式等諸多問(wèn)題，最終提m電網(wǎng)構(gòu)建應(yīng)對(duì)策略，以保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定。
1 現(xiàn)狀電網(wǎng)安全穩(wěn)定問(wèn)題分析
截至2015年年底，除臺(tái)灣外，中國(guó)各電網(wǎng)已實(shí)現(xiàn)交直流互聯(lián)，全國(guó)聯(lián)網(wǎng)格局初步形成。目前，電網(wǎng)整體運(yùn)行安全可靠，但也存在一些安全隱患。
1.1 換相失敗問(wèn)題
通過(guò)對(duì)2015年“三華”電網(wǎng)仿真計(jì)算分析可以發(fā)現(xiàn)，華東電網(wǎng)共58條500 kV交流線路單永故障后，送華東7條直流同時(shí)換相失敗。74條500 kV交流線路單永故障后，送華東6條直流同時(shí)換相失敗。87條500 kV交流線路單永故障后，送華東5條直流同時(shí)換相失敗。
因受端500 kV線路故障引起直流換相失敗以及線路故障再啟動(dòng)等，對(duì)500 kV電網(wǎng)造成功率沖擊，若超越了500 kV電網(wǎng)承受能力．將帶來(lái)電網(wǎng)安全穩(wěn)定問(wèn)題。
1.2強(qiáng)直弱交問(wèn)題
目前華北與華中兩大電網(wǎng)仍然僅靠1 000 kV長(zhǎng)治一南陽(yáng)一荊rJ單線（長(zhǎng)南線）聯(lián)系，哈密一鄭州特高壓直流（哈鄭直流）投運(yùn)后，使跨區(qū)電網(wǎng)安全穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)一步惡化。
長(zhǎng)南線南送500萬(wàn)kW,哈鄭直流滿功率運(yùn)行方式下．哈鄭直流單極和雙極閉鎖故障，都會(huì)突破長(zhǎng)南線靜穩(wěn)極限，導(dǎo)致電網(wǎng)失穩(wěn)，振蕩解列裝置動(dòng)作后，華中電網(wǎng)有功功率缺額分別達(dá)900萬(wàn)kW和1 300萬(wàn)kW,頻率跌至49.3 Hz和48.5 Hz以下．低頻減載切除991萬(wàn)kW負(fù)荷才能保證電網(wǎng)穩(wěn)定。故障后頻率變化情況如圖1所示。
為防止發(fā)生電網(wǎng)事故，目前只能采取限制哈鄭直流功率與長(zhǎng)南線南送功率之和不超過(guò)650萬(wàn)kW的運(yùn)行方式，導(dǎo)致特高壓交、直流工程的輸電能力不能充分發(fā)揮，另外也造成送端配套電源窩出力。
1.3短路電流問(wèn)題
華北京津唐、華東長(zhǎng)三角、華中三峽近區(qū)及鄂東、鄭州等地區(qū)共有21個(gè)500 kV變電站短路電流超標(biāo)，被迫采取拉停線路、線路出串等16項(xiàng)控制措施，嚴(yán)重削弱電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，影響輸電能力和運(yùn)行靈活性。詳細(xì)情況如表1所示。
2 電網(wǎng)發(fā)展典型特征分析
“十三五”期間是中國(guó)電網(wǎng)發(fā)展的重要階段，電網(wǎng)發(fā)展典型特征主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
2.1 特高壓交直流工程躍進(jìn)式發(fā)展
根據(jù)“十三五”國(guó)家電網(wǎng)規(guī)劃．2020年在現(xiàn)有電網(wǎng)格局基礎(chǔ)上，將形成2個(gè)同步電網(wǎng)。
(1)東部特高壓同步電網(wǎng)。重點(diǎn)圍繞京津冀魯、長(zhǎng)三角、華中東部等負(fù)荷中心形成特高壓環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)建沒(méi)蒙西特高壓電網(wǎng)與華北特高壓電網(wǎng)相連．形成“四縱八橫”的“三華”特高壓同步電網(wǎng)骨干網(wǎng)架：東北地區(qū)建成“三縱三橫”特高壓骨干網(wǎng)架，通過(guò)3個(gè)特高壓通道與“三華”電網(wǎng)相連：內(nèi)蒙古形成統(tǒng)一特高壓電網(wǎng)。
(2)西部特高壓同步電網(wǎng)。圍繞川渝負(fù)荷中心建成西南特高壓交流環(huán)網(wǎng)：完善新疆等地750 kV主網(wǎng)架．形成750 kV與1 000 kV界面清晰的西北同步電網(wǎng)：西北與西南地區(qū)通過(guò)3個(gè)特高壓通道相連。
一大批特高壓交直流工程將陸續(xù)投產(chǎn)建設(shè)。
2.2東中部地區(qū)負(fù)荷持續(xù)增長(zhǎng)
國(guó)家電網(wǎng)公司經(jīng)營(yíng)區(qū)域內(nèi)東中部12省是中國(guó)經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)的地區(qū)。2014年，東中部12省經(jīng)濟(jì)規(guī)模占全國(guó)57%左右，用電量2.8萬(wàn)億kW．h，占全國(guó)用電量的比例為50.6%．占公司經(jīng)營(yíng)區(qū)域用電量的比例高達(dá)63.8%．是中國(guó)用能、用電最集中的地區(qū)。“十三五”期間，高耗能行業(yè)向兩部地區(qū)的轉(zhuǎn)移具有漸進(jìn)性，預(yù)計(jì)2020年?yáng)|中部12省的用電量占全國(guó)、公司經(jīng)營(yíng)區(qū)域的用電比例分別下降到48.9%和61.7%，東中部地區(qū)仍是全國(guó)的電力負(fù)荷中心。
國(guó)務(wù)院《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》和環(huán)保部等六部委《京津冀及周邊地區(qū)落實(shí)大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃實(shí)施細(xì)則》要求，京津冀、長(zhǎng)三角等區(qū)域除熱電聯(lián)產(chǎn)外，禁止審批新建燃煤發(fā)電項(xiàng)目。
2.3 大型電源基地進(jìn)一步遠(yuǎn)離負(fù)荷中心
中國(guó)北方煤電基地距離華中、華東負(fù)荷巾心800—3 000 km,西南水電基地距離華中、華東負(fù)荷中心1 000～3 000 km,輸送距離相對(duì)較遠(yuǎn)。未來(lái)中國(guó)能源生產(chǎn)重心將進(jìn)一步西移和北移，而需求重心將長(zhǎng)期保持在東巾部地區(qū)，能源流規(guī)模和距離將進(jìn)一步增大，需要發(fā)展遠(yuǎn)距離大容量輸電技術(shù)，擴(kuò)大兩電東送規(guī)模，實(shí)施北電南送工程。
3 電網(wǎng)構(gòu)建應(yīng)對(duì)策略
3.1 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)策略
特高壓交直流工程迎來(lái)躍進(jìn)式大發(fā)展時(shí)期，將給電網(wǎng)安全帶來(lái)重大影響，電網(wǎng)構(gòu)建過(guò)程中需要應(yīng)對(duì)過(guò)渡期、交直流協(xié)調(diào)、1 000/500 kV協(xié)調(diào)等諸多問(wèn)題。
3.1.1過(guò)渡期
在大批特高壓交直流工程陸續(xù)建成投產(chǎn)的過(guò)渡期．系統(tǒng)“強(qiáng)直弱交”特征明顯，將對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定產(chǎn)生威脅．目前“強(qiáng)直弱交”電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，哈鄭直流發(fā)生單、雙極閉鎖故障，都需要切除華中負(fù)荷。為了避免損失負(fù)荷，需要控制哈鄭直流和長(zhǎng)南線的功率。
隨著酒泉 湖南特高壓直流（酒湖直流）的投產(chǎn)，該問(wèn)題將更加嚴(yán)重。哈鄭、酒湖直流任何一回故障．都需要大量切除華中負(fù)荷，造成大面積停電，構(gòu)成嚴(yán)重電網(wǎng)事故。哈鄭、酒湖直流共用同一輸電走廊，兩回直流同時(shí)雙極閉鎖，需要切除華中負(fù)荷1 000萬(wàn)kW以上，電網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)極大。為降低直流故障對(duì)電網(wǎng)安全的影響，只能大幅降低哈鄭、酒湖直流或長(zhǎng)南線輸電功率，特高壓交直流工程的輸電能力不能充分發(fā)揮，勢(shì)必造成巨大投資浪費(fèi)。
西縱(蒙兩晉中一長(zhǎng)治一南陽(yáng)一荊門一長(zhǎng)沙1 000 kV交流通道）、巾縱（張北一北京西一石家莊一東明一駐馬J占-武漢 南昌1 000 kV交流通道）的建設(shè)，將顯著提高系統(tǒng)抵御故障的能力，從根本上解決“強(qiáng)直弱交”帶來(lái)的安全穩(wěn)定問(wèn)題。詳細(xì)情況如表2所示。
因此在大量直流工程投產(chǎn)的同時(shí)．同步建設(shè)特高壓交流工程，形成“強(qiáng)交強(qiáng)直”的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，有利于保障直流的安全穩(wěn)定運(yùn)行和滿功率送出。
各個(gè)特高壓交流工程的投產(chǎn)進(jìn)度不同，對(duì)通道的輸電能力也會(huì)產(chǎn)生較大影響。以大北橫工程(榆橫一晉中一石家莊一濟(jì)南一濰坊1 000 kV交流通道）為例，榆橫、晉巾電源基地的特高壓交流電力通過(guò)該通道送電至華北負(fù)荷中心，通道輸電能力與長(zhǎng)南線、東縱（錫林郭勒盟一北京東一濟(jì)南一棗莊1 000 kV交流通道）、西縱等特高壓交流工程有緊密的耦合關(guān)系．詳細(xì)情況如表3所示。
可以看出．加強(qiáng)外送通道之間的電氣聯(lián)系，大北橫單工程的輸電能力逐步提升．因此盡快形成特高壓主干網(wǎng)架．縮短過(guò)渡期，各特高壓工程之間的聯(lián)網(wǎng)輸電效益將得到顯著發(fā)揮。
3.1.2交直流協(xié)調(diào)
根據(jù)”十三五”國(guó)家電網(wǎng)規(guī)劃．2020年國(guó)家電網(wǎng)（圉網(wǎng)經(jīng)營(yíng)區(qū)）將建成19回特高壓直流工程，特高壓交流線路長(zhǎng)度超過(guò)6萬(wàn)km,將形成大規(guī)模特高壓交直流混合輸電系統(tǒng)，可能引起如下安全穩(wěn)定問(wèn)題。
(1)交直流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性問(wèn)題。從本質(zhì)上講．電壓不穩(wěn)定是由于電力系統(tǒng)提供的無(wú)功無(wú)法滿足負(fù)荷需求，或通過(guò)遠(yuǎn)距離無(wú)功傳輸導(dǎo)致系統(tǒng)電壓降低到不可接受的水平。在正常運(yùn)行條件下，直流系統(tǒng)消耗的無(wú)功功率主要由換流站內(nèi)濾波器等無(wú)源補(bǔ)償元件提供。當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)，將產(chǎn)生暫態(tài)電壓波動(dòng)，由于運(yùn)行條件的變化，會(huì)引起無(wú)功功率補(bǔ)償出力的變化。這些元件是否能夠提供直流系統(tǒng)所需的無(wú)功功率將直接影響交直流系統(tǒng)間無(wú)功功率交換的大�。畯亩a(chǎn)生了交直流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性問(wèn)題。當(dāng)直流系統(tǒng)逆變站接入弱交流系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)許多問(wèn)題，它們將直接影響交直流系統(tǒng)的運(yùn)行。直流系統(tǒng)在換相過(guò)程中需要吸收大量的無(wú)功．在其他條件不變的情況下，直流輸電功率越大．吸收無(wú)功越多，母線電壓下降也越大。當(dāng)直流輸送功率達(dá)到某值以上時(shí)，再增大直流輸送功率指令，交流母線電壓將大幅下降，直流實(shí)際輸電功率反而減少，甚至系統(tǒng)出現(xiàn)失穩(wěn)�？梢�(jiàn)．直流輸送的功率由于與其相聯(lián)的交流系統(tǒng)的特性而存在上限，該上限由交流系統(tǒng)的短路容量決定。
(2)交直流系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性問(wèn)題。直流系統(tǒng)故障引起輸電功率大幅波動(dòng)將對(duì)直流送端系統(tǒng)和受端系統(tǒng)產(chǎn)生較大沖擊，危及系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。系統(tǒng)需采取合理的控制方案或措施，同時(shí)要考慮各種穩(wěn)定措施和直流恢復(fù)過(guò)程對(duì)受端交流系統(tǒng)產(chǎn)生的影響．在交直流并聯(lián)接入方式下，交流輸電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)要堅(jiān)強(qiáng)．具有大功率輸送能力，且有較高的穩(wěn)定裕度：當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生故障，將轉(zhuǎn)移一定功率至交流送電通道，可以減少送端切機(jī)和受端損失負(fù)荷．但交流線路和變壓器有可能存在過(guò)載問(wèn)題．同時(shí)交流系統(tǒng)電壓因潮流加重而下降，需要維持在合理水平，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行和直流系統(tǒng)正常換相：當(dāng)交流線路出現(xiàn)故障后，可利用直流系統(tǒng)功率提升能力和中長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷能力減小受端系統(tǒng)的負(fù)荷損失．降低系統(tǒng)頻率失穩(wěn)的可能。
以2020年?yáng)|部特高壓同步電網(wǎng)為例，特高壓交流通道在正常方式下的潮流為200～400萬(wàn)kW/回．而輸電能力最高可達(dá)500萬(wàn)kW/回以上，且與直流通道并列運(yùn)行的交流通道密集，完全能夠滿足直流故障后的潮流轉(zhuǎn)移能力，不會(huì)產(chǎn)生線路過(guò)載跳閘引起的頻率穩(wěn)定問(wèn)題。
(3)直流控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響。直流輸電系統(tǒng)的換流器控制變量（直流電壓和電流）可以快速調(diào)節(jié)，從而可以將直流輸電系統(tǒng)作為對(duì)交流輸電系統(tǒng)的一種緊急支援手段。當(dāng)受端交流系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)后．直流系統(tǒng)通過(guò)附加控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)交流系統(tǒng)提供較強(qiáng)的功率支持，可以大幅地提高交流系統(tǒng)的穩(wěn)定極限。而當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，如直流單極閉鎖或是直流線路短路故障，可以利用直流系統(tǒng)緊急功率轉(zhuǎn)移功能，瞬時(shí)提高正常極功率水平．在直流過(guò)負(fù)荷能力范圍內(nèi)把多余輸送功率轉(zhuǎn)移到其他落點(diǎn)距離接近的直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)上，減小對(duì)系統(tǒng)的負(fù)面影響。這需要通過(guò)設(shè)置附加控制的方式得以實(shí)現(xiàn)，從而拓展直流系統(tǒng)的控制能力，以提高交流系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。
文獻(xiàn)[8-9]舉例說(shuō)明了利用直流系統(tǒng)特有的控制特性，即基于功率緊急控制或直流功率調(diào)制的交直流協(xié)調(diào)控制策略．可實(shí)現(xiàn)交直流系統(tǒng)相互支援．解決交直流混合輸電系統(tǒng)故障后潮流轉(zhuǎn)移帶來(lái)的頻率和電壓?jiǎn)栴}。
3.1.3 1 000/500 kV協(xié)調(diào)
與其他高一級(jí)電網(wǎng)發(fā)展一樣，隨著1 000 kV電網(wǎng)的發(fā)展．將逐漸形成1 000/500 kV電磁環(huán)網(wǎng)。
從形成過(guò)程來(lái)看，除了覆蓋區(qū)域差別外，1 000/500 kV電磁環(huán)網(wǎng)與500/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)基本一致。500/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)初期出現(xiàn)在省內(nèi)地市間，后期范圍會(huì)進(jìn)一步縮��；1 000/500 kV電磁環(huán)網(wǎng)初期應(yīng)該以省間電磁環(huán)網(wǎng)為主，后期在省內(nèi)區(qū)域出現(xiàn)。
從解環(huán)前后次一級(jí)電壓電網(wǎng)的功能定位來(lái)看，隨著500 kV電網(wǎng)的發(fā)展．220 kV形成分區(qū)供電的格局是必然。從500 kV電網(wǎng)來(lái)看，其輸送距離和輸送能力要強(qiáng)于220 kV．因此500 kV電網(wǎng)在區(qū)域內(nèi)、省域內(nèi)將發(fā)揮一定的輸電功能。未來(lái)1 000 kV電網(wǎng)發(fā)展成熟．500 kV電網(wǎng)仍然在區(qū)域電網(wǎng)范圍內(nèi)發(fā)揮輸電功能．而不是完全轉(zhuǎn)變?yōu)閺膶偬馗邏弘娋W(wǎng)的“配電”功能。因此1 000/500 kV電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)的必要性需要具體問(wèn)題具體分析。
從電磁環(huán)網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定的影響來(lái)看，1 000/500 kV電磁環(huán)網(wǎng)與500/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)基本是一致的，主要存在如下問(wèn)題。
(1)暫穩(wěn)或動(dòng)穩(wěn)問(wèn)題。若電磁環(huán)網(wǎng)中高一級(jí)電壓線路故障斷開(kāi)，聯(lián)絡(luò)線阻抗增大將降低弱聯(lián)系統(tǒng)間的電磁阻尼轉(zhuǎn)矩，聯(lián)絡(luò)線功率增加也會(huì)不同程度地降低整個(gè)系統(tǒng)的暫態(tài)或動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。
(2)短路電流問(wèn)題。電磁環(huán)網(wǎng)條件下，電源的大規(guī)模集中投產(chǎn)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)、負(fù)荷密度的持續(xù)增長(zhǎng)．加快了系統(tǒng)短路阻抗的下降過(guò)程，電磁環(huán)網(wǎng)與短路電流之間的矛盾日益突出。
(3)熱穩(wěn)定問(wèn)題。導(dǎo)致熱穩(wěn)定問(wèn)題的電磁環(huán)網(wǎng)主要分布在具有送受電關(guān)系的聯(lián)絡(luò)線斷面上，這些電磁環(huán)網(wǎng)易出現(xiàn)高壓線路故障時(shí)低壓線路過(guò)載問(wèn)題，若不及時(shí)采取措施，可能發(fā)展為大面積的電網(wǎng)崩潰事故。
此外．1 000/500 kV系統(tǒng)問(wèn)安全穩(wěn)定控制措施的協(xié)調(diào)問(wèn)題值得關(guān)注。為了保證特高壓電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，在某些嚴(yán)重故障下需要配置安全穩(wěn)定控制措施，而原有的各大區(qū)500 kV電網(wǎng)也存在大量的安全穩(wěn)定控制措施．1 000 kV層面的安全穩(wěn)定控制措施必然需要與500 kV層面的安全穩(wěn)定控制措施之間互相協(xié)調(diào)配合，否則將會(huì)出現(xiàn)控制對(duì)象重疊、安控系統(tǒng)重復(fù)建設(shè)、穩(wěn)控裝置配置復(fù)雜、穩(wěn)控裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)隱患增大等諸多問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致事故范圍擴(kuò)大，甚至引發(fā)大面積停電。
因此需要構(gòu)建一個(gè)分層分區(qū)的多級(jí)協(xié)調(diào)安控體系，既可以充分利用現(xiàn)有的500 kV安控資源，又可以保證2個(gè)層面的安全穩(wěn)定控制措施互相協(xié)調(diào)配合，提高穩(wěn)定控制措施的準(zhǔn)確度和可靠性。總體思路為500 kV的故障仍主要靠500 kV層面安控解決．需要特高壓層面或特高壓相關(guān)電源基地配合切機(jī)的故障則交由特高壓層面安控統(tǒng)一解決：特高壓層面安控系統(tǒng)主站則根據(jù)運(yùn)行方式統(tǒng)一刷新并下發(fā)策略表．再根據(jù)本層面的故障匹配情況和下一級(jí)層面所感知并轉(zhuǎn)交的敏感故障匹配情況進(jìn)行綜合決策并出口。原則上需要2個(gè)層面配合的敏感故障均交由特高壓層面安控統(tǒng)一決策并出口。
3.2 受端電網(wǎng)應(yīng)對(duì)策略
在電網(wǎng)構(gòu)建過(guò)程中．東中部地區(qū)電網(wǎng)表現(xiàn)如下系統(tǒng)特征。
3.2.1 短路電流水平高
目前東中部地區(qū)這類典型的受端電網(wǎng)短路電流超標(biāo)嚴(yán)重，需要采取多項(xiàng)短路電流控制措施。隨著負(fù)荷持續(xù)增長(zhǎng)，該問(wèn)題將日益嚴(yán)峻。假設(shè)在現(xiàn)有網(wǎng)架基礎(chǔ)上．2020年華北一華中、華東電網(wǎng)繼續(xù)發(fā)展500 kV主網(wǎng)架，將出現(xiàn)大面積短路電流超標(biāo)問(wèn)題．69座500 kV變電站短路電流超過(guò)63 kA,占變電站總數(shù)的12.1%：201座變電站超過(guò)50 kA，占變電站總數(shù)的35.2%。500 kV變電站短路電流分布情況如表4所示。
對(duì)于短路電流不滿足要求的廠站，需采取變電站改造、線路出串、安裝串抗、線路轉(zhuǎn)熱備用等4類措施共35項(xiàng)。變電站改造涉及進(jìn)出線間隔調(diào)整、一次同路設(shè)備更換和接地網(wǎng)改造，實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中難以實(shí)施。500 kV短路電流控制措施統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示。
建設(shè)1 000 kV電網(wǎng)．500 kV合理分區(qū)運(yùn)行，可以從根本上解決500 kV短路電流超標(biāo)問(wèn)題。以短路電流超標(biāo)最嚴(yán)重的華東電網(wǎng)為例，華東特高壓交流雙回路環(huán)網(wǎng)建成后，通過(guò)打開(kāi)部分省間1 000/500 kV電磁環(huán)網(wǎng)和500 kV網(wǎng)架優(yōu)化，可以解決大部分500 kV變電站短路電流超標(biāo)問(wèn)題，華東電網(wǎng)僅有6個(gè)500 kV變電站短路電流超標(biāo)。進(jìn)一步在龍王山采取線路出串和臨海一寧海線路轉(zhuǎn)熱備用的措施后．可將短路電流全部控制在63 kA以內(nèi)（見(jiàn)圖2和表6）。
可以看出．控制短路電流的根本解決方法應(yīng)從控制本地裝機(jī)規(guī)模、合理布局和調(diào)整受端電網(wǎng)結(jié)構(gòu)人手。
3.2.2受電規(guī)模大
根據(jù)“十三五”國(guó)家電網(wǎng)規(guī)劃．2020年華北京津冀魯、華東滬蘇浙閩和華中東四省受入電力分別為1.05億kW、1.16億kW和0.84億kW。如此大規(guī)模的受人電力．選擇何種受電形式是由交、直流輸電的基本特性決定的。直流和交流功能定位不同，兩者相輔相成、并行不悖。特高壓交流定位于主網(wǎng)架構(gòu)建和大容量、遠(yuǎn)距離輸電，特高壓直流定位于超遠(yuǎn)距離、超大容量輸電。高壓直流輸電均采用交流電網(wǎng)換相原理，必須有穩(wěn)定的交流電壓才能正常工作，需要依托堅(jiān)強(qiáng)的交流電網(wǎng)才能發(fā)揮作用，兩者需相互補(bǔ)充、相互支撐。
以2020年華東電網(wǎng)為例，通過(guò)方案比較，分析不同交直流受電比例下系統(tǒng)的安全穩(wěn)定水平。
方案1：外來(lái)電力全部通過(guò)直流通道受入，此時(shí)交、直流受電比例分別為0%、37.9%。
方案2：外來(lái)電力通過(guò)“強(qiáng)交強(qiáng)直”通道受入，此時(shí)交、直流受電比例分別為11.8%、26.1%。
2種方案的安全穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如表7所示。若全部通過(guò)直流受入電力，華東電網(wǎng)有11回特高壓線路和84回500 kV線路三永N-l故障導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)，該方案存在不滿足《導(dǎo)則》的情況。
其中，華東電網(wǎng)導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)的特高壓和500 kV線路主要分布在華東長(zhǎng)三角地區(qū)．需要采取切除大量受端負(fù)荷措施才能使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定。其主要原因是華東長(zhǎng)三角地區(qū)作為典型的多饋入直流受端地區(qū)，直流輸送容量大且落點(diǎn)密集，交流系統(tǒng)的某一故障引起多個(gè)逆變站交流母線電壓同時(shí)下降時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致多個(gè)逆變站同時(shí)發(fā)生換相失敗。
以玉山一石牌500 kV線路發(fā)生三永N-l故障為例，故障后系統(tǒng)電壓跌落，直流逆變站濾波電容提供的無(wú)功大幅減少，從系統(tǒng)側(cè)吸收的無(wú)功增加，導(dǎo)致故障切除后，直流電壓和功率均無(wú)法正�；謴�(fù)，最終系統(tǒng)電壓崩潰，機(jī)組失步。故障過(guò)程中，直流逆變側(cè)交流母線電壓、直流吸收無(wú)功、直流功率以及受端系統(tǒng)機(jī)組功角分別如圖3所示。
可以看出．若全部通過(guò)直流受入，所需直流規(guī)模和容量大，且大部分集中于長(zhǎng)三角地區(qū)，導(dǎo)致直流間相互影響增加。一旦受端交流系統(tǒng)發(fā)生N-l故障，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電壓難以恢復(fù)、多回直流系統(tǒng)持續(xù)換相失敗、交直流系統(tǒng)失穩(wěn)的情況存在，多饋入、大容量直流輸電系統(tǒng)的受端電壓穩(wěn)定問(wèn)題突出，系統(tǒng)面臨大面積停電風(fēng)險(xiǎn)。因此需要構(gòu)建“強(qiáng)交強(qiáng)直”混合電網(wǎng)，通過(guò)特高壓交流和直流2種輸電方式受人大量外來(lái)電力．才能保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行、滿足未來(lái)華東受電規(guī)模的要求。
3.3送端電網(wǎng)應(yīng)對(duì)策略
大型電源基地送電至負(fù)荷巾心的方式主要包括：“點(diǎn)對(duì)網(wǎng)”與“網(wǎng)對(duì)網(wǎng)”『121、特高壓交流通道與特高壓直流通道、500 kV交流通道與特高壓交流通道。
采取何種電壓等級(jí)的輸電通道，主要取決于電源基地外送的電力流規(guī)模，以及與送、受端主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的匹配。特高壓交流輸送能力是500 kV交流的4~5倍．隨著特高壓骨干網(wǎng)架的建設(shè)，特高壓線路的輸電能力將得到充分發(fā)揮，平均每回線路可達(dá)400萬(wàn)kW以上。此外，對(duì)于電壓等級(jí)的選擇不僅要考慮某給定的輸電工程和某一段時(shí)間內(nèi)的傳輸容量，而且要從長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃和戰(zhàn)略的角度全盤來(lái)考慮，最終通過(guò)方案比選確定輸電方式。
以2020年錫林郭勒盟、蒙西、山西、榆橫電源基地送電華北地區(qū)為例．研究分別通過(guò)500 kV交流通道與特高壓交流通道送電后，系統(tǒng)的安全穩(wěn)定水平。500 kV方案和特高壓方案的交流通道網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖4所示。
對(duì)2類方案的安全穩(wěn)定校核結(jié)果如下。
(1)短路電流方面，500 kV方案下，超過(guò)50 kA、60 kA、63 kA的母線個(gè)數(shù)分別為84、26、8．占總數(shù)的比例分別為54%、170/0、5%。其中，超過(guò)63 kA的母線均分布在新增500 kV外送通道的落點(diǎn)附近。若進(jìn)一步采取短路電流限制措施，仍有6座變電站短路電流超過(guò)63 kA。與特高壓方案相比．500 kV方案的短路電流水平更高，且特高壓方案的短路電流均能控制在63 kA以內(nèi)。
(2)靜態(tài)安全分析方面，500 kV方案不能滿足靜態(tài)安全要求。“N-l”方式下超熱穩(wěn)線路共10條．基本分布在新增500 kV外送通道的落點(diǎn)附近。特高壓方案完全能夠滿足靜態(tài)安全要求。
(3)暫態(tài)穩(wěn)定性方面，2類方案均能滿足《導(dǎo)則》規(guī)定的第一級(jí)安全穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。
可以看出．為了滿足電源基地電力外送．500kV方案由于通道輸電能力限制，需要在現(xiàn)有500kV網(wǎng)架基礎(chǔ)上．新增多條500 kV通道．導(dǎo)致通道落點(diǎn)附近的變電站短路電流超標(biāo)嚴(yán)重，新增通道過(guò)于集中．引起通道受入電力疏散困難，靜態(tài)N-l方式下超熱穩(wěn)現(xiàn)象突出。而特高壓方案在各方面均優(yōu)于500 kV方案．能夠滿足系統(tǒng)安全穩(wěn)定要求。
除了送電方式，還應(yīng)注意送電落點(diǎn)的影響。對(duì)于大容量電源，送電系統(tǒng)落點(diǎn)過(guò)于集巾，功率潮流對(duì)受端網(wǎng)系統(tǒng)影響較大，當(dāng)送電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，對(duì)受端網(wǎng)局部系統(tǒng)沖擊大，容易引起系統(tǒng)失穩(wěn)。兇而，送電系統(tǒng)要適當(dāng)分散接入受端系統(tǒng)。送電系統(tǒng)落點(diǎn)位置短路容量大，送電系統(tǒng)承受故障能力強(qiáng)，發(fā)生故障時(shí)穩(wěn)定性相對(duì)較好。落點(diǎn)位置短路容量�。碗娤到y(tǒng)承受故障能力差，發(fā)生故障時(shí)穩(wěn)定性相對(duì)較弱，在失穩(wěn)情況下需切除的電源容量較大。因而，對(duì)于不同落點(diǎn)的送電系統(tǒng)，即使送電規(guī)模和送電距離相同，其穩(wěn)定性也可能有比較大的差別．對(duì)于具體的送電系統(tǒng)，必須具體分析。總的來(lái)說(shuō)，應(yīng)選擇使送電系統(tǒng)穩(wěn)定性更強(qiáng)的落點(diǎn)，以提高送電系統(tǒng)穩(wěn)定性。
4結(jié)論
“十三五”期間，特高壓交直流工程發(fā)展迅猛，能源基地與東中部負(fù)荷中心的輸電距離、電力流規(guī)模進(jìn)一步增大．電網(wǎng)構(gòu)建過(guò)程中需采取如下應(yīng)對(duì)策略，以保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。
(1)盡快形成“強(qiáng)交強(qiáng)直”的特高壓主下網(wǎng)架．縮短過(guò)渡期，可保障直流的安全穩(wěn)定運(yùn)行和滿功率送出，充分發(fā)揮各特高壓工程之間的聯(lián)網(wǎng)輸電效益。
(2)利用直流系統(tǒng)特有的控制特性，可解決交直流混合輸電系統(tǒng)可能引起的頻率和電壓?jiǎn)栴}，實(shí)現(xiàn)特高壓交直流協(xié)調(diào)發(fā)展。
(3)綜合評(píng)估1 000/500 kV的覆蓋范圍、功能定位和解環(huán)時(shí)機(jī)，構(gòu)建分層分區(qū)的多級(jí)協(xié)調(diào)安控體系．確保1 000/500 kV協(xié)調(diào)發(fā)展。
(4)通過(guò)控制本地裝機(jī)規(guī)模，優(yōu)化受端電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，合理分層分區(qū)，可從根本上解決東中部負(fù)荷中心的短路電流超標(biāo)問(wèn)題。
(5)基于交、直流輸電的基本特性和功能定位．通過(guò)特高壓交流和直流兩種輸電方式受入外來(lái)電力，才能滿足未來(lái)東中部地區(qū)大規(guī)模受電需求。
(6)根據(jù)大型電源基地與受電負(fù)荷中心的自身特點(diǎn)，合理配置“點(diǎn)對(duì)網(wǎng)”與“網(wǎng)對(duì)網(wǎng)”、交流與直流、500 kV與特高壓等多種送電方式，優(yōu)選送電落點(diǎn)，注重遠(yuǎn)近結(jié)合與長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃。
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