摘 要：通過對2019 年年底華東特高壓網(wǎng)架特征和華東電網(wǎng)頻率控制必要性的分析，計算得出江蘇電網(wǎng)可切負(fù)荷容量需求。根據(jù)江蘇電網(wǎng)負(fù)荷特點，結(jié)合江蘇電網(wǎng)已投運的全國首套源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)建設(shè)運行情況，提出深化建設(shè)方案。將電廠不影響機組發(fā)電出力的輔機負(fù)荷納入源網(wǎng)荷精準(zhǔn)控制范圍，提出一種適應(yīng)大規(guī)模、多類型負(fù)控終端毫秒級響應(yīng)的分層分區(qū)通信架構(gòu)，通過技術(shù)方案比較將系統(tǒng)總體架構(gòu)優(yōu)化為控制中心站、控制主站、控制子站及控制終端4 個層次。深化建設(shè)方案對于電網(wǎng)進(jìn)一步推廣和加強建設(shè)源網(wǎng)荷毫秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷具有借鑒意義。
關(guān)鍵詞：源網(wǎng)荷；毫秒級；深化建設(shè)；精準(zhǔn)切負(fù)荷；發(fā)電機組
0 引言
近年來，華東電網(wǎng)建設(shè)呈現(xiàn)跨越式發(fā)展，預(yù)計至2018 年年底，華東“三交七直”特高壓網(wǎng)架將基本形成。隨著復(fù)奉、錦蘇、賓金三大特高壓直流相繼投產(chǎn)，以及西南水電送電華東需求長期居高不下，華東電網(wǎng)最大單一區(qū)外直流來電功率和區(qū)外直流來電總功率均持續(xù)增長，至2019 年年底，靈紹、錫泰、雁淮、準(zhǔn)皖特高壓直流陸續(xù)投產(chǎn)，華東特高壓直流規(guī)模達(dá)到7 回，饋入華東的直流共11 回，總規(guī)模約7000 萬kW，大功率直流失去對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的沖擊日益顯著。隨著直流送電規(guī)模的增大和單回特高壓輸電容量的提高，接受外部來電的比例持續(xù)提高，華東電網(wǎng)“強直弱交”特性更趨顯著，系統(tǒng)調(diào)頻能力下降，頻率穩(wěn)定問題突出，安全運行面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，需要綜合利用全網(wǎng)各種可控資源，減小大功率沖擊下的頻率波動，降低穩(wěn)定破壞風(fēng)險，保障電網(wǎng)安全運行。因此，有必要通過新增可中斷負(fù)荷就地按頻率切除功能實現(xiàn)華東電網(wǎng)頻率穩(wěn)定控制水平的整體提升。
根據(jù)國家電網(wǎng)公司統(tǒng)一部署，按照保障迎峰度夏期間華東復(fù)奉、錦蘇、賓金三大特高壓直流送電及電網(wǎng)安全運行總體方案，國家電網(wǎng)華東分部全面啟動了“構(gòu)建華東電網(wǎng)頻率緊急協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)”各項工作，提升汛期三大特高壓直流大功率饋入時段華東電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行水平。
1 江蘇電網(wǎng)可中斷負(fù)荷需求分析
經(jīng)核算，在輕負(fù)荷時段或備用相對較少時段，若復(fù)奉、錦蘇、賓金、靈紹、雁淮或錫泰特高壓直流滿功率方式下任一直流雙極同時閉鎖，將導(dǎo)致華東電網(wǎng)頻率下降明顯，電網(wǎng)頻率穩(wěn)定受到威脅，極端輕負(fù)荷方式下可能導(dǎo)致頻率跌破49 Hz，低頻減負(fù)荷裝置將動作，損失負(fù)荷可能達(dá)到規(guī)定的事故等級。為避免單回直流閉鎖觸發(fā)電網(wǎng)第三道防線動作，華東電網(wǎng)主要通過配置華東頻率協(xié)控系統(tǒng)和采取運行方式精細(xì)化管理措施予以設(shè)防。目前華東頻率協(xié)控系統(tǒng)切除可中斷負(fù)荷的頻率設(shè)防門檻為49.25 Hz，可中斷負(fù)荷切負(fù)荷容量按照49.25 Hz 輪次切除2.5% 考慮。2016 年4 月，國家電網(wǎng)公司華東分部頒發(fā)的《關(guān)于開展華東電網(wǎng)增設(shè)低頻快速切除可中斷負(fù)荷措施工作的通知》（華東調(diào)[2016]76 號）要求：“各省市組織的可中斷負(fù)荷量暫按照各省（市）2016 年度最大預(yù)計負(fù)荷的2.5% 進(jìn)行組織”。江蘇電網(wǎng)2016 年最高用電負(fù)荷9278萬kW，經(jīng)計算，江蘇電網(wǎng)應(yīng)組織230 萬kW 可中斷負(fù)荷。
預(yù)計至2019 年江蘇電網(wǎng)饋入直流總?cè)萘繛? 820 萬kW，占華東電網(wǎng)饋入直流總?cè)萘康?0%。至2019 年，若江蘇電網(wǎng)配置230 萬kW 的可中斷負(fù)荷，約占華東全網(wǎng)2019 年可中斷負(fù)荷總?cè)萘?60 萬kW 的41%，二者比例基本匹配。
2 江蘇源網(wǎng)荷毫秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀
2016 年6 月15 日，江蘇省電力公司在全國率先建成投運國內(nèi)首套大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)，具備蘇州地區(qū)100 萬kW 毫秒級可中斷負(fù)荷控制能力，首次實現(xiàn)了對用戶分路開關(guān)的毫秒級精準(zhǔn)實時控制。與華東電網(wǎng)頻率緊急協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)緊密對接，成為構(gòu)建大電網(wǎng)安全綜合防御體系的重要支柱，為頻率緊急控制提供了除按頻率分輪次低周減載外，可快速、精確控制新資源。一期毫秒級工程在蘇州地區(qū)實施，設(shè)置1 座控制中心站，4 座控制子站，共接入用戶810 戶。
3 系統(tǒng)深化建設(shè)總體目標(biāo)及思路
為不斷拓展大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)內(nèi)涵，加快實用化進(jìn)程，繼續(xù)做好精準(zhǔn)切負(fù)荷示范引領(lǐng)工作， 滿足特高壓直流故障后頻率控制要求，深化建設(shè)工程以解決特高壓直流故障大功率沖擊所帶來的頻率穩(wěn)定問題為核心，在江蘇三大特高壓直流落點近區(qū)擴展建設(shè)毫秒級切負(fù)荷功能，增加可切容量。深化建設(shè)工程于2017 年1 月啟動，與一期系統(tǒng)全是各類電力用戶相比，深化建設(shè)首次試點拓展精準(zhǔn)切負(fù)荷范圍，將南水北調(diào)翻水站負(fù)荷、全省接入500 kV 電網(wǎng)的燃煤電廠不影響機組出力的輔機負(fù)荷以及大型儲能裝置負(fù)荷納入毫秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷控制范疇。工程總計新增130 萬kW 毫秒級可中斷負(fù)荷控制資源，分兩期實施，至2017 年年底累計組織200 萬kW 可中斷負(fù)荷，具備200 萬kW 毫秒級控制能力；至2018 年5 月底累計組織2 3 0 萬kW 可中斷負(fù)荷， 具備230 萬kW 毫秒級控制能力。
4 試點拓展負(fù)荷分析
4.1 并入500 kV 電網(wǎng)燃煤電廠可中斷輔機負(fù)荷分析
火電廠的主要系統(tǒng)有：鍋爐島、汽機島、自動控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、環(huán)保系統(tǒng)及其外圍系統(tǒng)等。按照發(fā)電機組廠用電負(fù)荷在生產(chǎn)過程中的重要性，可分為不間斷運行系統(tǒng)和間斷運行系統(tǒng)。
不間斷運行系統(tǒng)主要包括鍋爐島、汽機島、脫硫脫硝系統(tǒng)等，上述系統(tǒng)的切除將會影響機組出力、運行安全、環(huán)保排放等指標(biāo)，致使發(fā)電廠無法正常運行，嚴(yán)重時可能會導(dǎo)致停機事故。
間斷運行系統(tǒng)可短時切除，主要包括輸煤、卸煤、化水、雨水、制漿等系統(tǒng)。（1）輸煤系統(tǒng)是為鍋爐輸送燃料， 有皮帶機、碎煤機等設(shè)備，一般早晚各開啟一次，每次2~3 h。煤倉可有300~500 t 之間的燃料儲存，可供機組滿負(fù)荷連續(xù)運行5~6 h。（2）卸煤系統(tǒng)是把外來燃料堆積到煤場，對主機的短期安全運行無關(guān)聯(lián)影響，有卸船機等設(shè)備，一般視煤運情況，如船塢靠港則開啟。（3）化水系統(tǒng)是通過相關(guān)處理使水質(zhì)合格， 電廠均設(shè)置有2~4 臺1 000 t 左右的除鹽水箱，每臺機組設(shè)置有500 t 容量的凝結(jié)水補水箱。一般機組的補水率低于1.5%，補水量較小，制水量視除鹽水箱的水位確定，故而調(diào)節(jié)裕度較大，短期負(fù)載切除不影響電廠安全運行。（4）雨水系統(tǒng)是根據(jù)液位要求自動啟停，一般一天兩次啟動狀態(tài)。與機組的安全運行無直接關(guān)聯(lián)影響。（5）制漿系統(tǒng)主要有脫硫真空泵等設(shè)備，根據(jù)運行情況決定啟動臺數(shù)， 全部停止后可維持2 h 左右，短期對機組的安全運行無太大影響。（6）其他系統(tǒng)如開冷水、脫硫氧化風(fēng)機、球磨機等視電廠情況可短期切除，不影響機組安全運行。間斷運行系統(tǒng)負(fù)荷切除后可根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(jìn)行恢復(fù)，基本不影響機組出力變化，短時間內(nèi)（一般2 h）不會影響機組安全運行。
本期工程并入500 kV 電網(wǎng)的燃煤電廠總計19 座，共45 臺機組，可切開關(guān)總數(shù)455 個，全年最大可切負(fù)荷容量共計約18.57 萬kW。
4.2 南水北調(diào)翻水站負(fù)荷分析
南水北調(diào)東線工程途經(jīng)江蘇省揚州、淮安、宿遷、徐州4 個地市，在江蘇境內(nèi)設(shè)9 個梯級，共設(shè)置泵站18 座，涉及用電客戶16 戶，用電容量共計45 萬kV·A。
泵站用電受政策和季節(jié)性影響較大，16 戶泵站中，12 戶泵站僅用于南水北調(diào)工程調(diào)水用電，在省南水北調(diào)辦公室下達(dá)調(diào)水任務(wù)后開機用電，平均用電負(fù)荷率約為35%， 無調(diào)水任務(wù)時不用電。另有4 戶除調(diào)水外兼具抗旱排澇功能，除調(diào)水期間外，平時也根據(jù)各地防汛抗旱指揮部的要求開機用電。本期涉及的翻水站均配備柴油發(fā)電機組，斷電后能保證泵機正常運行2~3 h，因此短期切泵行為不影響南水北調(diào)東線工程的整體供水量。
本期工程共有8 座翻水站納入毫秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)，最大實際可切容量約9.62 萬kW。
4.3 儲能電站負(fù)荷分析
儲能設(shè)備可在緊急情況下對電網(wǎng)頻率提供支撐，考慮本項目需要在毫秒級完成控制，在這個時間尺度內(nèi)目前可廣泛推廣使用的是電池儲能系統(tǒng)，包括集中式和分散式。
集中式主要是大規(guī)模儲能電站，目前江蘇省內(nèi)已投入運行的較大規(guī)模電池儲能電站有兩座，均用于移峰填谷，節(jié)省電費，企業(yè)自身負(fù)荷曲線較為平穩(wěn)。徐州中能硅業(yè)最大充放電功率1.5 MW，相對于企業(yè)最小負(fù)荷不到10%，儲能容量12 MW·h，總共擁有6 個PCS（儲能變流器）；鎮(zhèn)江艾科最大充放電功率0.75 MW，相對于企業(yè)最小負(fù)荷大約為6 0 %， 儲能容量6 M W · h， 總共擁有3 個PCS。通過現(xiàn)場調(diào)研，上述儲能電站的PCS 均可接受外部信號，在40 ms 內(nèi)實現(xiàn)充放電運行方式的切換，技術(shù)上具備毫秒級精準(zhǔn)控制條件。
本期工程兩座儲能電站最大實際可切負(fù)荷容量總計0.18 萬kW。
5 系統(tǒng)深化建設(shè)方案
5.1 技術(shù)方案選擇及比較
（1）華東頻率協(xié)控總站切負(fù)荷命令下達(dá)方式的選擇。方案一：華東頻率協(xié)控總站單點向500 kV木瀆控制中心站下達(dá)切負(fù)荷指令。方案二：華東頻率協(xié)控總站多點向500 kV 木瀆、500 kV 鳳城、500 kV 上河下達(dá)切負(fù)荷指令。
華東頻率協(xié)控總站單點向500 kV 木瀆控制中心站下達(dá)切負(fù)荷命令傳輸路徑單一明確，系統(tǒng)間功能分層清晰，便于江蘇對全省切負(fù)荷容量進(jìn)行統(tǒng)一分配，且可利用現(xiàn)有毫秒級系統(tǒng)500 kV 木瀆控制中心站至華東協(xié)控總站的通道，降低了通信
通道建設(shè)成本。故推薦選擇方案一。
（2）精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)架構(gòu)選擇。方案一：既設(shè)控制主站，又設(shè)置控制子站。方案二：不設(shè)控制主站，僅設(shè)置控制子站。特高壓直流落點近區(qū)設(shè)置控制主站可以減輕500 kV 木瀆控制中心站的信息處理壓力，便于對各級切負(fù)荷控制系統(tǒng)進(jìn)行分層管理，按照分層分區(qū)的原則建立毫秒級切負(fù)荷系統(tǒng)，有助于提高整個系統(tǒng)的運行可靠性，降低運行維護(hù)難度。故推薦選擇方案一。
（3）燃煤電廠可中斷輔機控制終端接入方案選擇。方案一：所有可中斷輔機控制終端按“主/從機模式”統(tǒng)一控制，主機匯集所有從機信息后單獨與控制子站通信。方案二：可中斷輔機控制終端按負(fù)荷類型單獨控制，多個終端均需與控制子站通信。
燃煤電廠可中斷輔機控制終端按“主/從機模式”配置，由單一主機與控制子站通信，節(jié)省電廠對分區(qū)控制子站通道資源， 通信維護(hù)安全可靠。通過將電廠所有可中斷輔機負(fù)荷進(jìn)行匯集，整體上送給所屬分區(qū)控制子站，便于對本電廠可中斷輔機負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)一管理、集中控制。故推薦選擇方案一。
（4）儲能電站控制方案選擇。方案一：儲能設(shè)備由充電/熱備用狀態(tài)向放電狀態(tài)快速轉(zhuǎn)換。方案二：僅停止對儲能設(shè)備充電。
在直流故障時，充分利用儲能設(shè)備運行狀態(tài)快速轉(zhuǎn)化的能力，控制儲能設(shè)備由熱備用/充電狀態(tài)向放電狀態(tài)快速轉(zhuǎn)換，通過向電網(wǎng)釋放有功，可支撐電網(wǎng)頻率。故推薦選擇方案一。
（5）控制子站通信接口設(shè)備配置選擇。方案一：控制子站側(cè)與負(fù)控終端、翻水站切泵控制終端、儲能電站控制終端采用155 M 通信接口設(shè)備，與控制主站、燃煤電廠可中斷輔機控制終端采用E1 接口的2 M 通信接口設(shè)備。方案二：全部
采用E1 接口的2 M 通信接口設(shè)備。
負(fù)控終端數(shù)量龐大，在接入控制子站時采用155 M 接口接入設(shè)備可極大縮減E1 接口的數(shù)量，進(jìn)而可減少裝置、屏柜數(shù)量，降低施工及運行維護(hù)成本?？刂谱诱九c控制主站、燃煤電廠可中斷輔機控制終端的專用通道具有跨地區(qū)、數(shù)量少的
特點，采用E1 接口的2 M 通道接入方式具有配置簡單，經(jīng)濟實用的優(yōu)點[8]。故推薦選擇方案一。
（ 6） 接入華東D5000 站點選擇。方案一：500 kV 木瀆控制中心站、各控制主站接入華東D5000。方案二：500 kV 木瀆控制中心站、各控制主站、各控制子站均接入華東D5000。
500 kV 木瀆控制中心站接入華東D5000，能獲得控制中心站的狀態(tài)、控制中心站可切總量和實切總量命令。各控制主站接入華東D5000，能獲取各控制主站的狀態(tài)和實切總量等信息，以及各控制子站的狀態(tài)、可切總量、實切總量等信息。在滿足華東D5000 功能需求的基礎(chǔ)上，各控制子站采集的負(fù)控終端信息可從江蘇D5000 系統(tǒng)間接獲取，無需從各控制子站裝置直接采集，有效降低系統(tǒng)建設(shè)成本。故推薦選擇方案一。
5.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)
深化建設(shè)后的江蘇源網(wǎng)荷精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)由1 個控制中心站、3 個控制主站、12 個控制子站和各控制終端組成。建成后的系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。
深化建設(shè)工程可中斷負(fù)荷范圍涵蓋一期518 個秒級可中斷負(fù)荷用戶升級為毫秒級、8 座南水北調(diào)翻水站、全省19 座接入500 kV 電網(wǎng)的燃煤電廠不影響機組出力的輔機負(fù)荷以及2 座大型儲能電站。
根據(jù)本系統(tǒng)總體構(gòu)架方案，綜合各變電站的地理分布、現(xiàn)有屏柜布置情況等多方面因素，考慮在錦蘇、雁淮及錫泰直流落點區(qū)域設(shè)置3 個控制主站。對500 kV 木瀆控制中心站進(jìn)行改造，使其兼具控制主站功能。
一期的518 個秒級用戶所在市各選1 座500 kV變電站設(shè)立控制子站，總計新增8 個控制子站。改造蘇州地區(qū)一期工程4 個控制子站，使其具備接入新增用戶、燃煤電廠可中斷輔機控制終端、儲能電站控制終端通道及功能。
圖 1 江蘇源網(wǎng)荷毫秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)深化建設(shè)總體框架
5.3 主要創(chuàng)新成果
與一期系統(tǒng)全是各類電力用戶相比，深化建設(shè)系統(tǒng)把發(fā)電機組納入了精準(zhǔn)控制范圍，首次將并入500 kV 電網(wǎng)燃煤電廠輔機負(fù)荷納入源網(wǎng)荷精準(zhǔn)控制范圍，進(jìn)一步增強發(fā)電廠參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)的能力，全面提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制水平。同時試點將大型儲能電站接入，為后期電動汽車充電樁等新型可中斷負(fù)荷接入奠定基礎(chǔ)。
5.4 建設(shè)成果
2017 年12 月15 日11 時46 分，深化建設(shè)工程順利啟動投運，江蘇電網(wǎng)具備200 萬kW 毫秒級可中斷負(fù)荷控制能力，提升電網(wǎng)備用376 萬kW，提高特高壓直流送電能力154 萬kW，相當(dāng)于緩建4 臺百萬千瓦火電機組，節(jié)省電力建設(shè)投資約126.4 億元。年增供電量33.264 億kW·h，年平均增銷售收入18.295 2 億元，年平均新增利潤約0.84億元。
系統(tǒng)將傳統(tǒng)的發(fā)電跟蹤負(fù)荷模式發(fā)展為負(fù)荷響應(yīng)電源、電網(wǎng)變化的新模式，通過毫秒級精準(zhǔn)負(fù)荷控制，應(yīng)對頻率急速下跌，保證電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，防范大面積停電。通過精準(zhǔn)負(fù)荷控制，實現(xiàn)發(fā)電-供電-用電友好互動，拓展電網(wǎng)故障時可控資源，完善大電網(wǎng)安全控制手段，推動能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革。
6 結(jié)語
本文系統(tǒng)介紹了江蘇電網(wǎng)全國首套源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)深化建設(shè)方案，首次將電廠輔機負(fù)荷納入源網(wǎng)荷精準(zhǔn)控制范圍， 提出一種適應(yīng)大規(guī)模、多類型負(fù)控終端毫秒級響應(yīng)的分層分區(qū)通信架構(gòu)，通過技術(shù)方案比較將系統(tǒng)總體架構(gòu)優(yōu)化為控制中心站、控制主站、控制子站及控制終端4 個層次。深化建設(shè)方案對于國家電網(wǎng)進(jìn)一步推廣和加強建設(shè)源網(wǎng)荷毫秒級精準(zhǔn)切負(fù)荷具有借鑒意義。
按照國網(wǎng)公司統(tǒng)一部署，該深化建設(shè)方案正在其他6 個省級電網(wǎng)推廣應(yīng)用，將進(jìn)一步提升特高壓電網(wǎng)跨大區(qū)資源優(yōu)化配置能力和清潔能源的消納能力，降低電網(wǎng)應(yīng)急狀態(tài)下社會對停電的感知度，為新售電商業(yè)模式開展提供支撐，環(huán)境效益也十分顯著。
