三華特高壓同步電網(wǎng)構(gòu)建及安全性分析

中國電力工業(yè)的發(fā)展在滿足負(fù)荷不斷增長的量、質(zhì)需求基礎(chǔ)上，還必須承擔(dān)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會建設(shè)的義務(wù)。電網(wǎng)的發(fā)展方式是電力工業(yè)能否達(dá)到上述目標(biāo)的關(guān)鍵。受資源、環(huán)保、運輸、土地等客觀因素制約，電源與負(fù)荷間的距離逐漸加大，電網(wǎng)需要輸送的電力規(guī)模也逐漸擴大，并逐步突破現(xiàn)有電壓等級電網(wǎng)的能力，因此高一級電壓等級電網(wǎng)的發(fā)展是必然的，與之匹配的是同步電網(wǎng)規(guī)模的擴大，但同時不可避免地出現(xiàn)了對未來電網(wǎng)安全性的考慮。

1 、電網(wǎng)發(fā)展的客觀規(guī)律

1.1 國外電網(wǎng)發(fā)展趨勢

國外的典型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。回顧世界電網(wǎng)發(fā)展的歷史，由于各國家和地區(qū)的能源資源分布不均，能源構(gòu)成、價格以及負(fù)荷需求存在較大的差異，使得大電網(wǎng)之間互聯(lián)可獲得多項效益，例如：

通過電能的交易可獲取價格較低的清潔能源;可實現(xiàn)水火電調(diào)劑和錯峰效益;可實現(xiàn)發(fā)電容量互為備用從而減少裝機容量和提高電網(wǎng)供電可靠性等效益。因此，大電網(wǎng)互聯(lián)一直是世界各國和地區(qū)電網(wǎng)發(fā)展的客觀規(guī)律，在北美、歐洲、獨聯(lián)體、巴西、南部非洲、中東等一些國家和地區(qū)還出現(xiàn)了跨國互聯(lián)的同步電網(wǎng)。

1.2 中國電網(wǎng)發(fā)展趨勢

中國電網(wǎng)的互聯(lián)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20世紀(jì)90年代初開始，以2020年為目標(biāo)，中國全面展開了對全國電網(wǎng)互聯(lián)的規(guī)劃研究，加快了實現(xiàn)全國聯(lián)網(wǎng)的步伐，中國電網(wǎng)發(fā)展開始進(jìn)入全面實施“西電東送、南北互供和全國聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略工程的階段。至2005年6月，全國跨大區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)已初步形成，保證了三峽、二灘等大電站的安全穩(wěn)定運行，取得了大容量輸電、互為備用、調(diào)劑余缺等聯(lián)網(wǎng)效益，對于緩解長江三角洲、京津唐和珠江三角洲等地區(qū)的電力緊缺問題發(fā)揮了重要作用。

當(dāng)前中國正處于電網(wǎng)互聯(lián)發(fā)展的重要時期。在這一時期內(nèi)，需要通過開發(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，促進(jìn)東、西部協(xié)調(diào)發(fā)展。圖2為未來中國的電力流向，預(yù)計2020年前后國家電網(wǎng)公司特高壓(ultra high voltage，UHV)電網(wǎng)輸送容量將達(dá)到3億kW，其中通過百萬伏級交流特高壓電網(wǎng)傳輸?shù)娜萘考s為1.4億kW。為滿足如此大規(guī)模電力傳輸?shù)囊?，必須進(jìn)一步加強全國聯(lián)網(wǎng)，這符合世界電網(wǎng)發(fā)展客觀規(guī)律，而全國六大區(qū)域電網(wǎng)全部采用直流聯(lián)網(wǎng)的弱交換格局不符合中國電網(wǎng)發(fā)展需要。

1.3 國內(nèi)外電網(wǎng)發(fā)展經(jīng)驗

建設(shè)堅強的大電網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)在更大范圍內(nèi)合理開發(fā)資源，提高電能的使用效率和供電的可靠性與經(jīng)濟性，改善電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性能，緩解環(huán)保及運輸壓力，取得良好的社會經(jīng)濟效益。電網(wǎng)互聯(lián)和規(guī)模擴大是世界電網(wǎng)發(fā)展的客觀規(guī)律。縱觀國內(nèi)外大規(guī)?；ヂ?lián)電網(wǎng)發(fā)展的歷程，總結(jié)了如下經(jīng)驗：

(1)聯(lián)網(wǎng)除了獲得輸電效益以外，還取得了共享事故備用和調(diào)峰容量、水火互補、跨流域補償、提高供電可靠性、資源優(yōu)化利用等綜合效益。

(2)跨地區(qū)和跨國界聯(lián)網(wǎng)將使得供電緊張的地區(qū)和國家有機會從相鄰電網(wǎng)獲得支援，增強電網(wǎng)對電源、負(fù)荷分布及電力市場變化的適應(yīng)性。

(3)互聯(lián)電網(wǎng)以交流同步聯(lián)網(wǎng)方式為主，經(jīng)歷了由初期弱聯(lián)系到結(jié)構(gòu)逐步加強的階段，在這一過程中電網(wǎng)的輸送能力和安全穩(wěn)定控制能力都相應(yīng)得到了提高。

2、 中國電網(wǎng)發(fā)展的合理模式

2.1 “三華”同步電網(wǎng)規(guī)模

根據(jù)中國電網(wǎng)發(fā)展的實際情況，對中國同步電網(wǎng)發(fā)展的合理模式進(jìn)行了研究。中國華中電網(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)是中國重要的煤炭基地;華東地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達(dá)，市場空間大。這三大電網(wǎng)互補性強，并且地理位置毗鄰，采用特高壓交流形成堅強的華北—華中—華東同步電網(wǎng)，與東北、西北和南方3個電網(wǎng)采用直流方式實現(xiàn)互聯(lián)，全國形成4個主要的同步電網(wǎng)。這一發(fā)展模式將為促進(jìn)能源資源的優(yōu)化配置和高效利用奠定堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。 據(jù)測算，到2020年，華北京津冀魯、華中東部四省(鄂豫湘贛)和華東電網(wǎng)需要受入電力約 3億kW，其中約2.5億kW為未來10年新增量。初步分析，接受這樣大規(guī)模的電力，同步電網(wǎng)的規(guī)模應(yīng)在5億~7億kW，而在“十二五”期間，華北—華中—華東同步電網(wǎng)總裝機容量將達(dá)到8億kW左右，能夠適應(yīng)大規(guī)模電力受入和分配的需要。

華北—華中—華東同步電網(wǎng)覆蓋的地理面積約320萬km2，其裝機容量和覆蓋面積與北美東部大同步電網(wǎng)基本相當(dāng)。華北—華中—華東核心特高壓雙環(huán)網(wǎng)與目前500 kV受端環(huán)網(wǎng)的電氣距離相當(dāng)，但其電力交換能力遠(yuǎn)高于500 kV電網(wǎng)，對電源和負(fù)荷變化的適應(yīng)性以及抗干擾能力強，可以充分獲取錯峰、水火互濟、互為備用等聯(lián)網(wǎng)效益，降低成本。 因此，構(gòu)建華北—華中—華東特高壓同步電網(wǎng)是中國電網(wǎng)發(fā)展的合理模式。

2.2 電壓等級和輸電方式選擇

(1)500 kV無法承擔(dān)未來大型能源基地的電力送出和消納。 未來新增電源距負(fù)荷中心距離為800~3 000 km，超出了500 kV的經(jīng)濟輸送距離，系統(tǒng)穩(wěn)定問題十分突出，而且送電回路的增加導(dǎo)致占用走廊過多，浪費土地資源。因此，提高大型電源基地的送出電壓等級勢在必行。

從受端系統(tǒng)來看，目前中國經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū) 500 kV電網(wǎng)已經(jīng)遇到走廊緊張、短路電流控制困難等發(fā)展瓶頸，如果仍維持500 kV電壓等級，將遇到難以克服的困難。為保證大量電力的消納，需要加快建設(shè)以特高壓為主干網(wǎng)架的堅強受端電網(wǎng)。中國“電力系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則”也指出：受端系統(tǒng)愈強，愈有能力接受外部遠(yuǎn)方大容量坑口電廠和大型水電基地送入的大量電力。

(2)1 000 kV特高壓符合電壓升級的客觀規(guī)律。

按照世界電網(wǎng)發(fā)展規(guī)律，當(dāng)系統(tǒng)容量翻2番時，需要考慮引入一個新的電壓等級。根據(jù)電網(wǎng)電壓升級的一般規(guī)律，升級電壓是現(xiàn)有最高電壓的2倍左右。世界電網(wǎng)電壓等級從220~275 kV升壓到400~500 kV，后來又引入了750(765) kV電壓等級，此后又相繼開展特高壓輸電技術(shù)的試驗研究，都遵循這一發(fā)展規(guī)律。

20世紀(jì)80年代以來，西方主要發(fā)達(dá)國家電力需求趨緩，系統(tǒng)總規(guī)模遠(yuǎn)未達(dá)到翻2番的水平，并且新增大量位于負(fù)荷中心地區(qū)的氣電裝機，大大降低了對遠(yuǎn)距離、大容量輸電技術(shù)的依賴。即便如此，日本在20世紀(jì)80年代末90年代初陸續(xù)建成同塔雙回1 000 kV輸電工程，后由于沒有負(fù)荷需求，處于降壓運行狀態(tài)。在蘇聯(lián)，從20世紀(jì)80年代開始，隨著大型能源基地的建設(shè)，陸續(xù)建成的特高壓交流輸電線路長度有2 364 km，后主要由于蘇聯(lián)解體，特高壓交流輸電處于停滯狀態(tài)。

中國自1982年第1條500 kV輸變電工程投運以來，電壓等級從220 kV升級至500 kV已有28年的歷史，裝機容量從1982年的7 236萬kW發(fā)展到目前的超過8億kW，是當(dāng)初的11倍以上。隨著西部大水電、北方大火電和可再生能源發(fā)電基地的開發(fā)建設(shè)，遠(yuǎn)距離、大容量輸電的市場前景廣闊，僅依靠交流500 kV輸電，從技術(shù)和經(jīng)濟兩方面來看均是不可行的。因此，中國采用交流1 000 kV輸電技術(shù)是基于國際上電網(wǎng)發(fā)展的實踐經(jīng)驗，特別是結(jié)合中國國情所做出的戰(zhàn)略選擇。

(3)特高壓交直流輸電必須協(xié)調(diào)發(fā)展。

特高壓交流輸電類似“高速公路”，適用于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，中間可以落點，電力的傳輸、交換、分配十分靈活;直流輸電類似“直達(dá)航班”，中間不能落點。中國電力輸送整體上體現(xiàn)出從西向東大規(guī)模流動、在中部分布落點的格局，特高壓交流輸電可以方便地適應(yīng)這種能源輸送與消納格局;若單純依賴直流輸電，則無法適應(yīng)這一要求。從安全性來講，直流輸電工程必須依托于送、受兩端堅強的交流電網(wǎng)才能可靠運行。因此，交、直流輸電方式各有所長，本身沒有排他性，而是相輔相成的，在電網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)中要注意發(fā)揮各自的優(yōu)勢，使2種輸電方式各盡所能，相得益彰。

在電源基地外送中采用特高壓交流與特高壓直流相互配合，形成“強交流和強直流”并聯(lián)輸電結(jié)構(gòu)，可為西電東送提供多樣化的選擇，將有助于改善中國的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高輸電系統(tǒng)的安全可靠性。

建設(shè)華北—華中—華東大同步受端電網(wǎng)，是接受大容量電力輸入和充分取得聯(lián)網(wǎng)效益的客觀需要，其電壓等級選擇特高壓，并推進(jìn)特高壓交直流輸電協(xié)調(diào)發(fā)展，是符合電網(wǎng)發(fā)展的客觀規(guī)律的。

3 、特高壓同步電網(wǎng)的安全性分析

3.1 同步電網(wǎng)大停電機制

同步電網(wǎng)具有受到擾動后維持系統(tǒng)同步運行的自然特點，從而減輕擾動對系統(tǒng)的影響;同步電網(wǎng)規(guī)模越大，共同響應(yīng)擾動的元件就越多，擾動帶來的波動越小，承受能力越強。從大停電概率來看，電網(wǎng)規(guī)模較小時，相對較小的擾動可能引發(fā)電網(wǎng)事故，進(jìn)而發(fā)展為全網(wǎng)大停電事故，如巴西、馬來西亞和印尼等大停電事故;而對于大規(guī)模同步電網(wǎng)，抗擾動能力增強，系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性明顯提高。

從國外電網(wǎng)近年來發(fā)生大面積停電的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和機制看，大面積停電事故的發(fā)生，都是由于對單一事故處理不當(dāng)而引發(fā)的。電網(wǎng)崩潰往往是在大電網(wǎng)安全充裕度下降的條件下，由發(fā)電、輸電設(shè)備的連鎖反應(yīng)事故誘發(fā)的，都有一定的發(fā)展過程，而不是瞬間出現(xiàn)、爆炸性的，從實際演變過程來看，也往往是多種原因?qū)е铝斯β兽D(zhuǎn)移等情況失控，最終大停電。這種事故通過采取正確的控制策略，提高電網(wǎng)的充裕度，切斷惡性連鎖反應(yīng)鏈，將系統(tǒng)狀態(tài)導(dǎo)向良性的恢復(fù)過程，是可以有效控制的。

因此，大停電事故的原因并不在于同步電網(wǎng)的規(guī)模大小，而主要可歸結(jié)為2點：一是電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理;二是缺乏統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制機制。以美國電網(wǎng)為例，其電網(wǎng)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，各電網(wǎng)之間的互聯(lián)是自發(fā)形成的，765/345 kV系統(tǒng)與500/220 kV系統(tǒng)交織混聯(lián)，長距離弱電磁環(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采取措施快速隔離，而逐漸演變成大停電事故。再如近期巴西電網(wǎng)大停電事故暴露出來其在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)方面存在缺陷，單一送電通道比例過高，受端電網(wǎng)規(guī)模和強度均不足。

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，通過區(qū)域間事故情況下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的范圍內(nèi)，降低事故可能造成的影響，避免全網(wǎng)性大停電事故。蘇聯(lián)電網(wǎng)是同步大電網(wǎng)安全運行的典范，在1991年蘇聯(lián)解體前，其電力系統(tǒng)沒有發(fā)生過全網(wǎng)性的大停電事故。

中國電網(wǎng)在安全運行方面有著良好的基礎(chǔ)和豐富的經(jīng)驗。中國電網(wǎng)發(fā)展滯后是不爭的事實，雖然中國1982年就投運了500 kV輸電線路，但發(fā)展緩慢，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱是造成20世紀(jì)90年代以前事故頻發(fā)的主要原因之一。20世紀(jì)90年代以后，隨著500 kV主網(wǎng)架的加強，雖然同步電網(wǎng)規(guī)模也在逐步擴大，但中國電網(wǎng)再沒有發(fā)生全網(wǎng)性崩潰事故，主要原因有3個方面：一是中國電網(wǎng)的運行嚴(yán)格遵守《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》;二是中國電網(wǎng)實行統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一調(diào)度的機制;三是仿真手段的豐富性和計算準(zhǔn)確性不斷提高，確保了大電網(wǎng)安全穩(wěn)定防御體系(三道防線)的可靠建立。

綜上所述，從同步電網(wǎng)規(guī)模和安全性關(guān)系、國外大停電發(fā)生機制和中國電網(wǎng)運行歷史經(jīng)驗來看：大電網(wǎng)承受擾動的能力比小電網(wǎng)顯著增強;大電網(wǎng)事故過程是可以有效控制的，大規(guī)模同步電網(wǎng)的安全性是可保障的。

3.2 “三華”特高壓同步電網(wǎng)構(gòu)建原則

目前的特高壓同步電網(wǎng)初步方案是按《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》和《電力系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》的要求構(gòu)建的，規(guī)劃的堅強電網(wǎng)結(jié)構(gòu)符合電網(wǎng)分層分區(qū)布局原則。

(1)建設(shè)堅強的受端電網(wǎng)。在京津冀、華中東部、華東等負(fù)荷中心形成特高壓環(huán)網(wǎng)，如圖3所示，與各電壓等級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，使電網(wǎng)具有強大的交換能力，方便外來電力分散接入，滿足電源基地送出電力在受端電網(wǎng)的分配需求，提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平。

(2)堅持電源合理分層分區(qū)接入系統(tǒng)。送端電源宜直接接入特高壓電網(wǎng)，為了解決受端電網(wǎng)的電壓支撐問題，保證電網(wǎng)安全，一方面在電網(wǎng)中合理配置無功補償裝置，另一方面受端系統(tǒng)部分大機組宜直接接入特高壓電網(wǎng)。圖4為2020年送受端電源接入的示意圖。

(3)合理安排電磁環(huán)網(wǎng)運行方式。對特高壓電網(wǎng)運行初期存在的1 000/500 kV電磁環(huán)網(wǎng)運行問題，結(jié)合具體運行方式進(jìn)行具體分析，遵循“電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則”的規(guī)定，確定解環(huán)與否及解環(huán)的時機，做出合理決策，以保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。

3.3 “三華”電網(wǎng)安全性分析

為了確保特高壓同步電網(wǎng)的安全性，利用世界領(lǐng)先的綜合仿真試驗研究系統(tǒng)，按照中國電網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，充分考慮電網(wǎng)在發(fā)生各種嚴(yán)重故障下系統(tǒng)的安全穩(wěn)定水平，對構(gòu)建中的華北—華中—華東特高壓同步電網(wǎng)進(jìn)行了全方位、多角度、深層次的仿真研究，結(jié)果表明：

(1)在正常方式和單一故障情況下，可保證電力通過特高壓電網(wǎng)安全送達(dá)受端電網(wǎng);

(2)華北—華中—華東特高壓同步電網(wǎng)的動態(tài)穩(wěn)定水平較高，不存在影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的區(qū)域間弱阻尼低頻振蕩模式;

(3)華北—華中—華東交流特高壓同步電網(wǎng)具有很強的網(wǎng)間交換能力，系統(tǒng)可以承受較大的功率轉(zhuǎn)移，當(dāng)受端系統(tǒng)發(fā)生損失一個特高壓交流輸電通道的較嚴(yán)重故障時，系統(tǒng)仍可以保持穩(wěn)定運行;

( 4)送端系統(tǒng)發(fā)生損失一個特高壓交流輸電通道的較嚴(yán)重故障時，只需利用目前已成熟的控制技術(shù)，切除送端部分發(fā)電機組即可保持穩(wěn)定運行;

(5)在川渝電網(wǎng)和華中、華東電網(wǎng)采用特高壓交、直流并列運行的方式下，由于特高壓“強直強交”輸電技術(shù)的協(xié)調(diào)配合，特高壓交流電網(wǎng)可以承受直流單極閉鎖的功率轉(zhuǎn)移，避免頻繁切機，減少窩電和棄水，提高水電運行的經(jīng)濟性;

(6)當(dāng)特高壓直流發(fā)生小概率的雙極閉鎖故障時，只需切除送端少量水電機組即可保持系統(tǒng)穩(wěn)定;利用直流的快速調(diào)節(jié)能力還可以提高整個交、直流并列系統(tǒng)的穩(wěn)定水平。 在堅強網(wǎng)架基礎(chǔ)上，通過采用在中國已經(jīng)有豐富實踐經(jīng)驗的保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的綜合措施(包括建設(shè)完善的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)、防范故障擴大化、加強故障應(yīng)對措施的預(yù)先研究、提高快速反應(yīng)能力、積極采用新技術(shù)提高特高壓電網(wǎng)的穩(wěn)定水平)，能夠保證特高壓電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性完全符合“電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則”規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)[14]。

4 、結(jié)論

中國加快發(fā)展特高壓大電網(wǎng)是符合世界電網(wǎng)發(fā)展客觀規(guī)律的，是適應(yīng)中國西部大水電、北方大火電和可再生能源發(fā)電基地的開發(fā)建設(shè)和遠(yuǎn)距離、大容量輸電的需求的，也完全能夠滿足《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》的要求，規(guī)劃中的“華北—華中—華東”特高壓同步電網(wǎng)的安全性是有充分保障的。