薛禹勝中國(guó)工程院院士、國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院名譽(yù)院長(zhǎng)
在滿足負(fù)荷對(duì)量與質(zhì)的需求不斷提高的同時(shí)，我國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展還承擔(dān)著建設(shè)資源節(jié)約與環(huán)境友好型社會(huì)的責(zé)任。但受資源、環(huán)保、運(yùn)輸、土地等客觀因素的制約，多年來(lái)，電源與負(fù)荷的空間距離不斷加大，需要輸送的電力也快速增長(zhǎng)，突破了原有電壓等級(jí)的電網(wǎng)傳輸能力。電網(wǎng)發(fā)展方式成為關(guān)鍵，更高電壓的電網(wǎng)成為發(fā)展的必然。隨著同步電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，未來(lái)電網(wǎng)的安全性問(wèn)題也面臨新的挑戰(zhàn)。作為長(zhǎng)期從事電網(wǎng)安全性及控制措施研究的科研單位，中國(guó)電科院與國(guó)網(wǎng)電科院遵循電網(wǎng)發(fā)展的客觀規(guī)律，對(duì)我國(guó)電網(wǎng)的發(fā)展模式及其安全穩(wěn)定性的分析與控制進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究和實(shí)踐。
一、電網(wǎng)互聯(lián)和規(guī)模擴(kuò)大是世界電網(wǎng)發(fā)展的客觀規(guī)律
由于能源資源分布不均，能源構(gòu)成和價(jià)格以及負(fù)荷需求的地區(qū)差異，大電網(wǎng)互聯(lián)不但成為能源安全、環(huán)境安全及電力安全的重要保障，也帶來(lái)多方面的經(jīng)濟(jì)效益，因此一直是各國(guó)電網(wǎng)發(fā)展的客觀規(guī)律。在北美、歐洲、獨(dú)聯(lián)體、巴西、南非、中東等地區(qū)還出現(xiàn)了跨國(guó)互聯(lián)的同步電網(wǎng)。
建國(guó)后，我國(guó)電網(wǎng)的互聯(lián)也經(jīng)歷了從省網(wǎng)到區(qū)域電網(wǎng)，再到跨大區(qū)電網(wǎng)的發(fā)展階段。從上世紀(jì)90年代初開始，我國(guó)全面實(shí)施西電東送、南北互供和全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略工程。截至2005年6月，全國(guó)跨大區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)初步形成，保證了三峽、二灘等大電站的電力消納和安全穩(wěn)定運(yùn)行，取得了大容量輸電、互為備用、調(diào)劑余缺等聯(lián)網(wǎng)效益，對(duì)于緩解長(zhǎng)江三角洲、京津唐和珠江三角洲等地區(qū)電力緊缺局面發(fā)揮了重要作用。
國(guó)內(nèi)外大規(guī)模互聯(lián)電網(wǎng)的發(fā)展歷程一致表明，聯(lián)網(wǎng)除獲得輸電效益外，還取得了共享事故備用和調(diào)峰容量、水火互補(bǔ)、跨流域補(bǔ)償、提高供電可靠性、資源優(yōu)化利用等綜合效益。從而，供電緊張的地區(qū)和國(guó)家可從相鄰電網(wǎng)獲得支援，增強(qiáng)了對(duì)電源、負(fù)荷及電力市場(chǎng)變化的適應(yīng)性。交流同步聯(lián)網(wǎng)方式經(jīng)歷了由初期弱聯(lián)系到結(jié)構(gòu)逐步加強(qiáng)的階段，提高了電網(wǎng)輸送能力和安全穩(wěn)定控制能力。
當(dāng)前我國(guó)正處于電網(wǎng)互聯(lián)發(fā)展的重要時(shí)期，需要通過(guò)開發(fā)西南水電基地、北方煤電基地和可再生能源基地，向東部和中部負(fù)荷中心地區(qū)送電，到2020年，總規(guī)模將達(dá)3.5億千瓦。為滿足如此大規(guī)模電力傳輸?shù)囊螅珖?guó)聯(lián)網(wǎng)的格局必須進(jìn)一步得到加強(qiáng)。
二、構(gòu)建華北—華中—華東特高壓同步電網(wǎng)是滿足安全穩(wěn)定要求的最佳目標(biāo)模式
根據(jù)我國(guó)電網(wǎng)發(fā)展的實(shí)際情況，中國(guó)電科院研究了我國(guó)同步電網(wǎng)發(fā)展的合理模式。華中電網(wǎng)水電比重大，其東部四省能源匱乏；華北電網(wǎng)是純火電系統(tǒng)，該地區(qū)是我國(guó)重要的煤炭基地；華東地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，市場(chǎng)空間大。華北、華中、華東同處電力流受端，具有水火互補(bǔ)、水風(fēng)互補(bǔ)、風(fēng)火互補(bǔ)、豐枯互濟(jì)聯(lián)網(wǎng)效益，它們彼此為鄰，網(wǎng)間距離短、聯(lián)網(wǎng)投資省、安全性好。將“三華”作為一個(gè)整體，統(tǒng)籌規(guī)劃受端電網(wǎng)主網(wǎng)架方案，符合加強(qiáng)受端電網(wǎng)建設(shè)的客觀規(guī)律。根據(jù)不同的技術(shù)條件，篩選出下述三種規(guī)劃方案做技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較：
一是500千伏異步方案，華北、華中、華東電網(wǎng)以500千伏交流為主網(wǎng)架；華北—華中維持特高壓?jiǎn)位鼐€弱聯(lián)系不變，與華東通過(guò)直流異步聯(lián)網(wǎng)。
二是特高壓異步方案，華北、華中、華東分別采用特高壓交流構(gòu)建主網(wǎng)架，華北—華中與華東之間通過(guò)直流異步聯(lián)網(wǎng)。
三是特高壓同步方案，華北、華中、華東通過(guò)特高壓交流構(gòu)建主網(wǎng)架，形成“三華”同步電網(wǎng)。
上述三個(gè)方案與西北和東北送端電網(wǎng)之間都通過(guò)直流異步聯(lián)網(wǎng)。
安全穩(wěn)定分析結(jié)果表明，“三華”500千伏異步方案中，短路電流大面積超標(biāo)。若采用降低短路電流的措施，將破壞電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，只是權(quán)宜之計(jì)，不能徹底解決電網(wǎng)發(fā)展帶來(lái)的短路電流增長(zhǎng)問(wèn)題。此外，華東、華中共有超過(guò)100條交流線路，即使安裝SVC/STATCOM，也無(wú)法解決“N-1”故障下的電壓崩潰問(wèn)題，不滿足《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》（以下簡(jiǎn)稱“導(dǎo)則”）的第一級(jí)安全穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。大規(guī)模電力通過(guò)直流送入東中部負(fù)荷中心，形成典型的"強(qiáng)直弱交"電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，無(wú)論交流系統(tǒng)還是直流系統(tǒng)發(fā)生故障，都可能引發(fā)大范圍潮流轉(zhuǎn)移和電壓崩潰等連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致大面積停電。
“三華”特高壓異步方案可以解決前一方案的短路電流大面積超標(biāo)問(wèn)題及直流故障后交流系統(tǒng)功率轉(zhuǎn)移能力不足的問(wèn)題。
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存在的主要問(wèn)題是饋入華東電網(wǎng)的直流規(guī)模超過(guò)交流電網(wǎng)承受能力。交流線路發(fā)生“N-1”短路故障引起的電壓穩(wěn)定問(wèn)題仍然突出。即使大量加裝SVC/STATCOM，也不能完全滿足“導(dǎo)則”中“N-1”相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，發(fā)生大面積停電的風(fēng)險(xiǎn)仍然較高。
“三華”特高壓同步方案形成“強(qiáng)交強(qiáng)直”的輸電格局，與異步方案相比，大幅度提高了東中部地區(qū)接受區(qū)外電力的能力。既解決了制約電網(wǎng)發(fā)展的短路電流增長(zhǎng)問(wèn)題，又解決了東中部地區(qū)多直流饋入引起的嚴(yán)重的電壓不穩(wěn)定問(wèn)題，可以滿足“導(dǎo)則”規(guī)定的規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。該方案的電網(wǎng)安全穩(wěn)定性、運(yùn)行可靠性和抵御事故的能力可以保障我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展所需的電力供給。
為滿足未來(lái)“三華”受電需求，遠(yuǎn)距離大容量輸送是必需的。未來(lái)電網(wǎng)將出現(xiàn)大規(guī)模交直流并列運(yùn)行和受端電網(wǎng)直流集中饋入的兩大特征，這給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。未來(lái)電網(wǎng)中通道必須具有足夠的潮流轉(zhuǎn)移能力，受端具有足夠的電壓支撐能力才能保障電網(wǎng)的安全。以500千伏電網(wǎng)為骨干，則與需要的電力輸送能力相去甚遠(yuǎn)，絕不可取；發(fā)展特高壓異步方案只能解決潮流轉(zhuǎn)移問(wèn)題而無(wú)法解決受端電壓支撐問(wèn)題。發(fā)展 “三華”特高壓同步電網(wǎng)則能最終徹底解決困難。
三、大規(guī)模特高壓同步電網(wǎng)的安全性可以得到保障
大電網(wǎng)承受擾動(dòng)的能力比小電網(wǎng)顯著增強(qiáng)。同步電網(wǎng)具有受到擾
動(dòng)后維持系統(tǒng)同步運(yùn)行的能力；同步電網(wǎng)規(guī)模越大，同樣規(guī)模的擾動(dòng)帶來(lái)的波動(dòng)就越小。由足夠強(qiáng)大的輸電系統(tǒng)連接的大規(guī)模同步電網(wǎng)，可以加強(qiáng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。
大電網(wǎng)事故過(guò)程是可以有效控制的。從國(guó)外電網(wǎng)近年來(lái)發(fā)生大面積停電的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和機(jī)理看，大面積停電事故的發(fā)生，都是由于對(duì)單一事故處理不當(dāng)而引發(fā)的。電網(wǎng)崩潰往往是在大電網(wǎng)安全充裕度下降的情況下，由一系列相繼故障誘發(fā)并演變而來(lái)。這些事故可以通過(guò)我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的技術(shù)有效控制，包括先進(jìn)的規(guī)劃及分析技術(shù)，完善的停電防御框架設(shè)計(jì)，優(yōu)化的控制決策支持，電網(wǎng)穩(wěn)定性與充裕性的提高，從而切斷惡性連鎖反應(yīng)鏈將系統(tǒng)導(dǎo)向良性的恢復(fù)過(guò)程。
總之，大停電事故的關(guān)鍵原因并不在于同步電網(wǎng)的規(guī)模大小，而是電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理及缺乏統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制機(jī)制。以美國(guó)電網(wǎng)為例，其電網(wǎng)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，各電網(wǎng)之間互聯(lián)是自發(fā)形成的，765/345千伏系統(tǒng)與500/220千伏系統(tǒng)交織混聯(lián)，長(zhǎng)距離弱電磁環(huán)網(wǎng)普遍存在，造成電網(wǎng)結(jié)構(gòu)混亂，容易發(fā)生大范圍的負(fù)荷轉(zhuǎn)移，引起連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致大停電事故頻發(fā)；另一方面，由于缺乏全網(wǎng)統(tǒng)一的協(xié)調(diào)控制機(jī)制和手段，未能建立可靠的全網(wǎng)安全穩(wěn)定防線，致使系統(tǒng)中的局部故障不能及時(shí)采取措施快速隔離，而逐漸演變成大停電事故。
結(jié)構(gòu)合理的大電網(wǎng)在統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制的基礎(chǔ)上，通過(guò)區(qū)域間在事故情況下的緊急功率支援和完善的安全防御體系遏制事故的發(fā)展，可將事故控制在較小范圍內(nèi)，降低事故可能造成的影響，避免全網(wǎng)性大停電事故。前蘇聯(lián)電網(wǎng)是同步大電網(wǎng)安全運(yùn)行的典范，在1991年蘇聯(lián)解體前，其統(tǒng)一電力系統(tǒng)沒(méi)有發(fā)生過(guò)全網(wǎng)性的大停電事故。
我國(guó)電網(wǎng)在安全運(yùn)行方面有著良好的基礎(chǔ)和豐富的經(jīng)驗(yàn)。雖然我國(guó)1981年就引入了500千伏，但發(fā)展緩慢，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱是造成上世紀(jì)90年代以前事故頻發(fā)的主要原因之一。90年代以后，隨著500千伏主網(wǎng)架的加強(qiáng)，同步電網(wǎng)規(guī)模也在逐步擴(kuò)大，但我國(guó)電網(wǎng)再?zèng)]有發(fā)生全網(wǎng)性崩潰事故，主要原因有三個(gè)，即嚴(yán)格遵守《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》；統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一調(diào)度；先進(jìn)的仿真技術(shù)和停電防御體系。
綜上所述，從同步電網(wǎng)規(guī)模和安全性關(guān)系、國(guó)外大停電發(fā)生機(jī)理和我國(guó)電網(wǎng)運(yùn)行歷史經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，大規(guī)模同步電網(wǎng)的安全性是有保障的。