當(dāng)前電力系統(tǒng)形態(tài)與運行特征發(fā)生了重大變化，電力系統(tǒng)安全面臨諸多新問題，應(yīng)如何消除這些安全隱患？
文 | 侯艷麗
隨著我國用電負荷提高，跨區(qū)域、大容量、遠距離特高壓直流輸電工程集中投產(chǎn)，電力系統(tǒng)形態(tài)及運行特性發(fā)生了重大變化，電力系統(tǒng)安全面臨著諸多新問題，如電源電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃不協(xié)調(diào)、交直流電網(wǎng)發(fā)展不協(xié)調(diào)、新能源大規(guī)模集中并網(wǎng)帶來不穩(wěn)定性、自然災(zāi)害和外力破壞頻發(fā)，發(fā)生大面積停電事故的風(fēng)險加大等。
特高壓交流發(fā)展相對滯后，“強直弱交”存在重大安全隱患
近年來，特高壓直流工程集中投產(chǎn)，已建在建達16回，與此相對應(yīng)的特高壓交流工程建設(shè)相對滯后，已建在建僅8回，且多為輸電工程，特高壓交流尚未成網(wǎng)，難以發(fā)揮作用，依靠現(xiàn)有的500千伏主網(wǎng)架無法承受特高壓直流故障帶來的巨大功率沖擊。
華北—華中兩大電網(wǎng)僅通過1000千伏長南單線聯(lián)系，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱，不能滿足±800千伏哈鄭直流安全穩(wěn)定運行要求。長南線南送500萬千瓦。哈鄭直滿流率運行方式下，哈鄭直流單極、雙極閉鎖故障，都會突破長南線靜穩(wěn)極限650萬千瓦，導(dǎo)致電網(wǎng)失穩(wěn)，震蕩解列裝置動作后，頻率跌至49.3赫茲至48.5赫茲以下，低頻減載切除991萬千瓦負荷后才能保住電網(wǎng)穩(wěn)定。為避免直流單、雙極閉鎖故障后電網(wǎng)失穩(wěn)，分別需要聯(lián)切河南200萬千瓦和540萬千瓦負荷，否則將造成較大電網(wǎng)事故。
在交流電網(wǎng)得不到配套加強的情況下，±800千伏酒湖直流投運后，華北—華中電網(wǎng)安全穩(wěn)定問題進一步突出。酒泉—湖南特高壓直流工程2015年5月獲得核準并開工建設(shè)，計劃2018年建成投運。酒湖和哈鄭直流工程輸電走廊相同，沿線災(zāi)害較多，增加了直流兩極及以上故障的概率?？紤]一回直流單極閉鎖、另一回直流雙極閉鎖或兩回直流同時雙極閉鎖，華中電網(wǎng)失去的直流功率將達到1200萬千瓦或1600萬千瓦，均會導(dǎo)電網(wǎng)失穩(wěn)、長南線振蕩解列后，華中電網(wǎng)低頻減載置動作，將切除荷1032萬千瓦，勢必造成重大電網(wǎng)事故。
交流電網(wǎng)規(guī)模與直流容量不匹配，多直流饋入地區(qū)存在大停電事故風(fēng)險
電網(wǎng)發(fā)生事故擾動，產(chǎn)生頻率波動時，系統(tǒng)依靠大量旋轉(zhuǎn)設(shè)備的轉(zhuǎn)動慣性進行調(diào)節(jié)，稱為“轉(zhuǎn)動慣量”。系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量越大，承受頻率波動的能力越強。由于多回直流換相失敗、閉鎖引起的頻率沖擊大，交流同步電網(wǎng)規(guī)模相對不足，轉(zhuǎn)動慣量較小，極易導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定破壞。
華東電網(wǎng)現(xiàn)已饋入直流10回，其中特高壓直流6回，最大額定功率800萬千瓦。仿真計算表明，華東電網(wǎng)234條500萬千伏線路任一回故障，均可能導(dǎo)致華東電網(wǎng)8回以上直流同時換相失敗，如果故障不能快速切除，將導(dǎo)致多回直流閉鎖，華東電網(wǎng)出現(xiàn)大量功率缺額，造成系統(tǒng)頻率大幅下降，嚴重時低頻減載動作，系統(tǒng)損失大量負荷，可能引發(fā)較大電網(wǎng)事故。
考慮已核準在建的錫盟—泰州(額定功率1000萬千瓦)、晉北—南京(額定功率800萬千瓦)準東—皖南(額定功率1200萬千瓦)特高壓直流工程。2019年華東電網(wǎng)饋入直流將達到13回。屆時，電網(wǎng)頻率穩(wěn)定問題將更加突出，可能引發(fā)大停電事故。
廣東電網(wǎng)現(xiàn)已饋入直流8回，其中特高壓直流2回，額定功率500萬千瓦。廣東境內(nèi)羅洞、北郊、花都、增城、穗東等55條500千伏交流線路任一回故障，均可能導(dǎo)致南方電網(wǎng)7回以上直流同時換相失敗，若故障不能快速切除，將導(dǎo)致多回直流閉鎖，廣東電網(wǎng)與主網(wǎng)解列，損失負荷將超過30%。
500千伏電網(wǎng)短路電流超標(biāo)問題日益顯現(xiàn)，傳統(tǒng)控制措施嚴重削弱了電網(wǎng)支撐能力
隨著用電負荷、裝機容量的大幅提高，特高壓、配電網(wǎng)“兩頭”薄弱，500千伏電網(wǎng)越來越密集，短路電流超標(biāo)問題日益顯現(xiàn)，京津唐、長三角、珠三角和三峽地區(qū)的問題最為突出。2003年以來，我國已經(jīng)開始應(yīng)對500千伏樞紐變電站短路電流超標(biāo)問題。傳統(tǒng)的控制短路電流措施主要是采取線路拉停、出串和主變中壓側(cè)開斷等，這些措施使電網(wǎng)結(jié)構(gòu)完整性遭到破壞，安全隱患增加。2019年，在傳統(tǒng)措施基礎(chǔ)上，國家電網(wǎng)公司仍有45處廠站短路電流超標(biāo)。
“十三五”末期，廣東電網(wǎng)傳統(tǒng)限制短路電流手段將無法滿足要求，可能被迫開斷廣東內(nèi)環(huán)網(wǎng)，屆時廣東電網(wǎng)承載多直流饋入的穩(wěn)定問題將進一步突顯。
特高壓交流尚未成網(wǎng)，高低壓電磁環(huán)網(wǎng)影響電網(wǎng)正常運行
特高壓電網(wǎng)建設(shè)初期，500千伏電網(wǎng)暫不具備解環(huán)運行條件，存在高低壓電磁環(huán)網(wǎng)運行的情況。若發(fā)生線路故障，可能會出現(xiàn)因潮流轉(zhuǎn)移、阻抗增大造成系統(tǒng)熱穩(wěn)定、動穩(wěn)定破壞的問題。
例如，1000千伏長南荊交流輸電線路建成后，南陽地區(qū)形成1000/500千伏電磁環(huán)網(wǎng)，500千伏白河至南陽南線路N-2若發(fā)生故障后，約26%潮流將轉(zhuǎn)移至白河主變，受白河主變熱穩(wěn)定約束，鄂豫送外斷面極限將從500萬千瓦下降至350萬千瓦。
安控裝置運行策略復(fù)雜，發(fā)生拒動誤動可能引發(fā)較大事故
國家電網(wǎng)在運的所有特高壓直流均配置相應(yīng)的安控系統(tǒng)，哈鄭直流安控系統(tǒng)最大調(diào)制直流200萬千瓦、切負荷120萬千瓦，18個切負荷子站涉及河南8個地市。西南三大特高壓直流安控配置的最大切機總量達2100萬千瓦(單一直流最大切機800萬千瓦)。華東頻率協(xié)控系統(tǒng)最大需要同時控制8回直流、7個抽蓄廠和253個切負荷子站，動作容量大，一旦發(fā)生裝置拒動或誤動，將對電網(wǎng)產(chǎn)生巨大沖擊。
云南電網(wǎng)與主網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)運行后，云南電網(wǎng)頻率穩(wěn)定問題突出。云南外送直流功率達到2400萬千瓦，若普僑、楚穗、牛從任一直流出現(xiàn)雙極閉鎖、大容量電廠送出線路跳閘以及多回直流持續(xù)換相失敗等故障，均將導(dǎo)致云南電網(wǎng)頻率大幅變化，頻率穩(wěn)定問題需要通過直流FLC(頻率限制控制器)、穩(wěn)控切機、機組一次調(diào)頻、AGC(自動發(fā)電控制)以及第三道防線高頻切機、低頻減載等多種控制措施協(xié)調(diào)解決，一旦控制措施配合失調(diào)，可能導(dǎo)致云南電網(wǎng)頻率持續(xù)大幅上升或下降，甚至導(dǎo)致頻率崩潰，引發(fā)大停電事故。
各類電源規(guī)劃失衡，給系統(tǒng)安全運行帶來一系列問題
常規(guī)火電機組深度調(diào)峰、啟停調(diào)峰，機組健康水平下降。為滿足用電負荷變化和新能源出力波動等情況，常規(guī)火電機組負荷頻繁大幅變化。近年來，機組深度調(diào)峰、頻繁啟停造成的設(shè)備銹蝕、閥門卡澀、管道穿孔泄漏、水質(zhì)惡化、電氣設(shè)備絕緣降低、環(huán)保設(shè)備劣化頻繁發(fā)生，已構(gòu)成燃煤電廠重大安全隱患，嚴重影響機組壽命。
供熱機組快速增長導(dǎo)致調(diào)節(jié)能力不斷下降，系統(tǒng)運行更加困難。供熱機組可用調(diào)峰幅度僅為額定容量的15%~25%，遠低于常規(guī)燃煤機組的50%調(diào)峰。供熱機組占比大，調(diào)峰困難，導(dǎo)致清潔能源消納矛盾進一步惡化。華北、東北、西北供熱機組裝機占火電裝機比例分別為70%、70%、47%，靈活調(diào)節(jié)電源比重不足3%，“十二五”以來，東北電網(wǎng)新投產(chǎn)火電1690萬千瓦，其中供熱機組1027萬千瓦，占新投產(chǎn)火電的61%。2015年春節(jié)期間，東北電網(wǎng)最小負荷低于供熱機組最小開機方式下的出力，共安排9座供熱電廠單機供熱運行，一旦停機，將影響供熱安全。
企業(yè)自備電廠快速發(fā)展，進一步加大系統(tǒng)調(diào)峰壓力。自備電廠多隸屬高耗能企業(yè)，不參與系統(tǒng)調(diào)峰，在電力需求放緩的情況下，自備電廠發(fā)電量的增長造成公用電廠和新能源被迫進一步壓減出力參與調(diào)峰。截至2018年12月底，東北電網(wǎng)自備電廠裝機總?cè)萘?385萬千瓦，遼寧、黑龍江自備電占本省火電裝機比例超過12%；吉林自備電廠利用小時數(shù)比全省火電平均利用小時數(shù)高近1000小時。近年，新疆、寧夏等省區(qū)自備電廠裝機快速增長，造成風(fēng)電等新能源被迫壓減出力參與調(diào)峰。
新能源機組涉網(wǎng)性能差，電網(wǎng)發(fā)生連鎖性故障風(fēng)險加大
新能源機組基本不具備一次調(diào)頻能力，系統(tǒng)頻率穩(wěn)定問題突出。由于新能源機組基本不具備一次調(diào)頻能力，系統(tǒng)有效轉(zhuǎn)動慣量小，頻率調(diào)節(jié)能力持續(xù)下降，在大功率缺失情況下，極易誘發(fā)全網(wǎng)頻率問題。東北電網(wǎng)負荷5500萬千瓦，在伊穆直流閉鎖缺失300萬千瓦功率情況下，若網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電出力達到1000萬千瓦，將引發(fā)低頻減載動作，損失負荷300萬千瓦。預(yù)計2019年云南電網(wǎng)風(fēng)電裝機將超1400萬千瓦，而云南最高負荷僅1800萬千瓦左右，給云南調(diào)頻造成較大困難。
新能源機組頻率、電壓耐受能力差，若出現(xiàn)大規(guī)模脫網(wǎng)可能引發(fā)嚴重的連鎖性故障。風(fēng)電機組高壓穿越及高頻耐受能力不如火電，存在系統(tǒng)故障或波動時，風(fēng)機大面積脫網(wǎng)的風(fēng)險。常規(guī)火電機組頻率、電壓耐受能力上限分別為51.5Hz和1.3p.u.，風(fēng)機上限分別為50.2Hz和1.p.u.。仿真計算表明，目前西北電網(wǎng)有30條交流線路任一回N-1故障，會導(dǎo)致直流換流站近區(qū)電壓下降，引起直流連鎖反應(yīng)，造成電網(wǎng)頻率越限、電壓短時沖高，造成風(fēng)機脫網(wǎng)，引起低頻減載動作，切除負荷。
新能源機組產(chǎn)生次同步諧波，系統(tǒng)次同步振蕩風(fēng)險加大。新能源機組產(chǎn)生的次同步諧波與系統(tǒng)固有頻率耦合時，一旦發(fā)生振蕩，容易導(dǎo)致火電機組跳閘，對電網(wǎng)運行造成威脅。2015年1月1日，新疆哈密山北地區(qū)風(fēng)電機組持續(xù)產(chǎn)生次同步波，對鄭直流安全運行造成影響，花園電廠機組軸系次同步振保護動作，導(dǎo)致3臺66萬千瓦機組相繼跳閘，如果保護拒動，將導(dǎo)致發(fā)電機設(shè)備損壞。
網(wǎng)源協(xié)調(diào)管理弱化，影響系統(tǒng)安全
技術(shù)措施難以落實，系統(tǒng)抗擾動能力下降，在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理和輔助服務(wù)，為系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行提供了有力保障，電力改革“廠網(wǎng)分離”后，網(wǎng)源協(xié)調(diào)管理明顯弱化。部分發(fā)電機組控制系統(tǒng)與涉網(wǎng)保護不匹配，發(fā)電機大修及改造后不進行參數(shù)測試，發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)改造，軟件升級及參數(shù)修改后不進行試驗；較多數(shù)量的自備電廠不投運AVC設(shè)備，無考核管理手段等。
管理不規(guī)范，一次調(diào)頻能力不足。在一次調(diào)頻管理方面，華北區(qū)域僅對機組一次調(diào)頻投入情況、正確動作率、響應(yīng)速率進行考核，無法全面反映并網(wǎng)電廠一次調(diào)頻性能；華東采用月度平均值進行考核，無法有效反映系統(tǒng)大擾動情況下機組一次調(diào)頻響應(yīng)能力不足的問題。2015年9月19日，錦蘇直流雙極閉鎖，華東頻率跌至49.56赫茲，據(jù)統(tǒng)計，事故期間華東主力機組中，僅有20%的機組一次調(diào)頻響應(yīng)性能滿足標(biāo)準要求，其余80%均不合格機組甚至出現(xiàn)反調(diào)特性。
消除安全隱患的建議
電力系統(tǒng)安全事關(guān)人民生產(chǎn)生活穩(wěn)定和經(jīng)濟社會發(fā)展。安全生產(chǎn)責(zé)任進一步落實，安全生產(chǎn)監(jiān)督檢査進一步深入，突發(fā)事件應(yīng)對和重大活動保電能力進一步提高。在國外大面積停電事故頻發(fā)的情況下，我國保持了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。針對如上安全隱患，提出如下建議，供國家、行業(yè)、電網(wǎng)公司、電力企業(yè)參考。
（一）加快發(fā)展交流特高壓電網(wǎng)，消除電網(wǎng)重大安全風(fēng)險
首先，重點建設(shè)華北—華中聯(lián)網(wǎng)加強工程，解決電網(wǎng)安全燃眉之急。國際上現(xiàn)有高壓直流輸電技術(shù)均依托交流電網(wǎng)實現(xiàn)換相，交流成網(wǎng)，直流依托交流電網(wǎng)才能安全運行，這是由交、直流輸電自身的功能特點決定的。只有交流網(wǎng)架強度達到一定水平，才能承受特高壓直流故障擾動帶來的巨大功率沖擊。為滿足±800千伏哈鄭、酒湖直流安全穩(wěn)定運行要求，需要建設(shè)蒙西一湘南和錫盟一贛州特高壓交流工程。
其次，組織開展我國同步電網(wǎng)格局研究，先期實現(xiàn)華東、華北區(qū)域內(nèi)特高壓交流環(huán)網(wǎng)運行，推動實施區(qū)域間聯(lián)網(wǎng)工程。交流電網(wǎng)規(guī)模與直流容量相匹配，才能承受大容量、多饋入直流閉鎖帶來的頻率沖擊。交流同步電網(wǎng)規(guī)模越大，共同響應(yīng)支援的元件就越多，抵御各類嚴重故障沖擊的能力就越強。我國特高壓已經(jīng)步入大規(guī)模建設(shè)新階段，亟需對我國未來電網(wǎng)發(fā)展目標(biāo)和總體格局進行前瞻性、系統(tǒng)性設(shè)計，形成目標(biāo)清晰、布局科學(xué)、結(jié)構(gòu)合理、便于實施的中長期網(wǎng)架規(guī)劃，避免大量重復(fù)建設(shè)和技術(shù)改造。
最后，加快主網(wǎng)架建設(shè)，降低對安控系統(tǒng)的過度依賴。盡快形成主網(wǎng)架，減少電網(wǎng)過渡時間，按照分層分區(qū)原則，合理消除電磁環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，有效控制短路電流水平，減輕電網(wǎng)安全對安控系統(tǒng)的過度依賴。
（二）加強統(tǒng)一規(guī)劃、強化監(jiān)督管理，提升系統(tǒng)安全運行水平
統(tǒng)籌各類電源規(guī)劃，制定相關(guān)支持政策和激勵機制。加快抽水蓄能和燃氣等調(diào)峰電站建設(shè)，從嚴控制燃煤機組新建規(guī)模，有序發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)。嚴格控制自備電廠建設(shè)，擴大火電靈活性改造規(guī)模；建立健全常規(guī)電源為新能源調(diào)峰的輔助服務(wù)補償機制和市場機制，制定自備電廠管理辦法，鼓勵自備電廠參與系統(tǒng)調(diào)峰明確收費政策。
加大產(chǎn)學(xué)研科技攻關(guān)力度，提高新能源機組涉網(wǎng)性能。加大科技攻關(guān)力度，切實提高機組涉網(wǎng)性能；深入開展風(fēng)電場地區(qū)次同步振蕩機理研究，研發(fā)先進抑制設(shè)備。
加強網(wǎng)源協(xié)調(diào)管理，強化技術(shù)監(jiān)督和指導(dǎo)。完善《發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則》和《并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實施細則》，明確責(zé)任主體，組織開展發(fā)電機組并網(wǎng)安全性評價工作，充分發(fā)揮行業(yè)組織和中介機構(gòu)的作用，強化技術(shù)監(jiān)督和指導(dǎo)，對不滿足標(biāo)準的機組限期整改。
（三）盡快修訂《電力法》，切實加強電力標(biāo)準化工作
加快《電力法》修改進程，實現(xiàn)《電力法》與其他法律的有效銜接；修改完善《可再生能源法》，細化法律條文，提升法律的可操作性。
組織專門力量，系統(tǒng)梳理電力配套規(guī)章和制度，統(tǒng)籌考慮相關(guān)配套條例的制定、修改問題，確保各項制度的銜接。
盡快完善電力標(biāo)準體系，組織專業(yè)隊伍，對現(xiàn)有國家行業(yè)標(biāo)準進行全面清理，妥善處理好標(biāo)準內(nèi)容沖突問題，加快制定針對新領(lǐng)域的技術(shù)標(biāo)準。
