特高壓電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

王鳳霞

（國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601）

1 電網(wǎng)現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

上世紀(jì)80年代初期，我國(guó)開始發(fā)展500kV超高壓電網(wǎng)，對(duì)我國(guó)改革開放和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展起到了支撐作用。目前國(guó)家電網(wǎng)公司由5個(gè)區(qū)域電網(wǎng)組成，供電范圍包括26個(gè)省(區(qū)、市)。其中，華北電網(wǎng)與華中電網(wǎng)以特高壓交流同步方式相聯(lián)，其余各區(qū)域電網(wǎng)之間以及與俄羅斯電網(wǎng)之間通過(guò)直流異步相聯(lián)。5個(gè)區(qū)域電網(wǎng)中，西北電網(wǎng)主網(wǎng)架為750kV，東北、華北、華中、華東電網(wǎng)主網(wǎng)架電壓等級(jí)均為500kV。

近10年，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，電網(wǎng)裝機(jī)容量和負(fù)荷迅速增加，各區(qū)域輸電網(wǎng)隨之快速發(fā)展，越來(lái)越多的大型電廠直接接入500kV電網(wǎng)，導(dǎo)致500kV站點(diǎn)短路電流超標(biāo)問(wèn)題突顯。以華東電網(wǎng)為例，已有接近30%的廠、站500kV短路電流超標(biāo)，最大短路電流超過(guò)80kA，不得不采取停運(yùn)線路、更換設(shè)備、短線搭接成長(zhǎng)線等技術(shù)措施來(lái)降低短路電流。這在一定程度上降低了短路電流給設(shè)備造成的風(fēng)險(xiǎn)，但同時(shí)也削弱了電網(wǎng)間的強(qiáng)聯(lián)系，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)負(fù)面影響。以華東電網(wǎng)為例，到2020年如果仍采用500kV作為主干網(wǎng)架，據(jù)測(cè)算將有超過(guò)44%的廠、站短路電流超標(biāo)。目前的一系列措施已無(wú)法從根本上解決問(wèn)題。

2 特高壓電網(wǎng)的作用

我國(guó)一次能源資源主要分布在人口密度低、用能需求小、經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)、環(huán)境容量大的西南、西北和北部邊遠(yuǎn)地區(qū)，距離人口密度高、用能需求大、經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)、環(huán)境污染重的東中部地區(qū)1000～3000km。西電東送、北電南送將成為一種必然的選擇。

由于輸電線路的輸送能力和電壓的平方成正比，輸電線路的損耗與電流的平方成正比，因此1000kV特高壓交流輸電在大容量、長(zhǎng)距離、降低功率損耗方面具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。建設(shè)特高壓電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)以輸電代替輸煤、輸氣，可以緩解交通運(yùn)輸壓力。建設(shè)特高壓電網(wǎng)能夠?yàn)樗姟⒑穗?、風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電等清潔能源的發(fā)展打造一個(gè)更大容量的平臺(tái)，可以減輕東、中部地區(qū)環(huán)境污染。建設(shè)特高壓電網(wǎng)、實(shí)現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)是全國(guó)能源資源優(yōu)化配置的需要，是充分利用電力資源、實(shí)現(xiàn)電力流優(yōu)化互補(bǔ)的需要，是轉(zhuǎn)變電網(wǎng)發(fā)展方式、治理環(huán)境污染、促進(jìn)可再生能源發(fā)展的需要。

截至2012年底，我國(guó)清潔能源裝機(jī)超過(guò)3億kW，占總裝機(jī)的28%。我國(guó)《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》明確提出了未來(lái)我國(guó)清潔能源的發(fā)展目標(biāo)，規(guī)劃到2015年實(shí)現(xiàn)水電裝機(jī)規(guī)模達(dá)到2.9億kW，核電裝機(jī)4000萬(wàn)kW，風(fēng)電裝機(jī)1億kW和太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)2100萬(wàn)kW。預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到2億kW，太陽(yáng)能裝機(jī)容量將達(dá)到5000萬(wàn)kW，華東地區(qū)核電裝機(jī)容量將達(dá)到3000萬(wàn)kW。這就需要堅(jiān)強(qiáng)的電網(wǎng)接納這些清潔綠色能源，并將其從偏遠(yuǎn)的能源基地輸送到東、中部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的負(fù)荷中心地區(qū)。

2020年，國(guó)家電網(wǎng)規(guī)劃建成華北、華中、華東(以下簡(jiǎn)稱“三華”)受端特高壓交流雙環(huán)網(wǎng)。蒙西、錫盟、張北等煤電和風(fēng)電基地通過(guò)3～5個(gè)縱向特高壓交流通道與東、中部負(fù)荷中心相連；寧夏、陜西、山西等煤電基地通過(guò)3～5個(gè)橫向特高壓交流通道與東、中部負(fù)荷中心相連；西北、東北等大型煤電、風(fēng)電和西南大型水電通過(guò)特高壓直流送入“三華”受端電網(wǎng)。這樣將形成 “三華”和周邊地區(qū)800km以內(nèi)大型能源基地的特高壓交流主網(wǎng)架，800km以外的大型能源基地的電力通過(guò)特高壓直流輸入到“三華”受端電網(wǎng)。全國(guó)形成4個(gè)同步電網(wǎng)，即“三華”特高壓雙環(huán)網(wǎng)，西北750kV同步電網(wǎng)，東北500/1000kV同步電網(wǎng)，南方電網(wǎng)。如果“ 三華”地區(qū)采用1000kV特高壓雙環(huán)網(wǎng)作為主網(wǎng)架，并將500kV電網(wǎng)合理分區(qū)運(yùn)行，屆時(shí)全部500kV廠、站的短路電流都能控制在設(shè)備允許值以內(nèi)。

3 特高壓輸電技術(shù)和試運(yùn)行情況

通過(guò)近10年的潛心研發(fā)，并借鑒國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)已經(jīng)掌握了特高壓交流輸電核心技術(shù)。在電壓控制、外絕緣配置、電磁環(huán)境控制、成套設(shè)備研制、系統(tǒng)集成、試驗(yàn)?zāi)芰?方面實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新突破，研制成功了全套關(guān)鍵設(shè)備。特高壓交流輸電試驗(yàn)研究基地也已頗具規(guī)模。“特高壓交流輸電關(guān)鍵技術(shù)、成套設(shè)備及工程應(yīng)用”項(xiàng)目榮獲2012年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)。2009年1月，1000kV晉東南—南陽(yáng)—荊門特高壓交流試驗(yàn)示范工程正式投運(yùn)，線路全長(zhǎng)約640km，至今已經(jīng)安全運(yùn)行4年多，表明該項(xiàng)技術(shù)已具備推廣應(yīng)用條件。

如果2020年“三華”特高壓同步方案能夠?qū)崿F(xiàn)，則既能解決目前制約電網(wǎng)發(fā)展的短路電流超標(biāo)問(wèn)題，又能解決東、中部負(fù)荷中心嚴(yán)重的電壓不穩(wěn)定問(wèn)題，滿足《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》規(guī)定和《電力事故應(yīng)急處置和調(diào)查處理?xiàng)l例》要求，以及我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展對(duì)電力的需求。

4 特高壓電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)辨識(shí)

特高壓交流輸電的優(yōu)點(diǎn)是輸電容量大、輸電距離遠(yuǎn)、功率損耗低。但特高壓交流輸電網(wǎng)建設(shè)需要有一個(gè)不斷完善、強(qiáng)化的過(guò)程，現(xiàn)階段因網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱，不可避免地出現(xiàn)高低壓電磁環(huán)網(wǎng)；風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能等清潔能源受自然資源變化影響大，存在出力不穩(wěn)等問(wèn)題，都給特高壓電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高要求。

特高壓電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)自于以下幾方面：

(1)建設(shè)初期網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱，存在高低壓電磁環(huán)網(wǎng)；

(2)風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能受自然資源影響，出力波動(dòng)較大，需要系統(tǒng)提供足夠的有功調(diào)峰和無(wú)功調(diào)節(jié)容量；

(3)核能出力比較固定，不能隨負(fù)荷波動(dòng)及時(shí)調(diào)整，也需要系統(tǒng)提供足夠的調(diào)峰容量；

(4)大規(guī)模直流饋入受端電網(wǎng)，存在電壓支撐及交直流系統(tǒng)相互作用問(wèn)題；

(5)每100km特高壓交流線路充電功率為530Mvar左右，為500kV線路的5～6倍，由于特高壓電網(wǎng)主要作用是進(jìn)行區(qū)域電網(wǎng)間功率輸送和互濟(jì)，線路長(zhǎng)、潮流變化大，會(huì)給無(wú)功和電壓控制帶來(lái)困難。

在特高壓電網(wǎng)建設(shè)初期，電網(wǎng)運(yùn)行的靈活性和安全性存在隱憂，需要密切監(jiān)控運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)需要跟蹤特高壓電網(wǎng)建設(shè)節(jié)點(diǎn)，分階段對(duì)特高壓交流電網(wǎng)熱穩(wěn)定及暫態(tài)穩(wěn)定指標(biāo)、電壓穩(wěn)定及功角穩(wěn)定指標(biāo)以及短路電流水平進(jìn)行深入研究和密切監(jiān)控，在關(guān)鍵站點(diǎn)加裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，并按照監(jiān)控指標(biāo)，適時(shí)調(diào)整無(wú)功補(bǔ)償策略，防范電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

5 特高壓電網(wǎng)運(yùn)行中的注意事項(xiàng)

現(xiàn)階段我國(guó)發(fā)展特高壓電網(wǎng)雖然有其必要性，且經(jīng)過(guò)近10年的潛心研究，突破了技術(shù)上的瓶頸，目標(biāo)網(wǎng)架建成后會(huì)給大容量遠(yuǎn)距離輸電、解決大規(guī)模清潔能源上網(wǎng)提供平臺(tái)，可以從技術(shù)上解決制約目前困擾超高壓電網(wǎng)發(fā)展的短路電流超標(biāo)問(wèn)題，解決因交直流系統(tǒng)相互作用而可能引發(fā)的受端500kV電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定的問(wèn)題。但在特高壓電網(wǎng)建設(shè)初期和建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)該對(duì)特高壓電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)高度重視，需要在技術(shù)上對(duì)特高壓電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制措施進(jìn)行分階段跟蹤及滾動(dòng)研究。

(1)特高壓電網(wǎng)交流大容量、遠(yuǎn)距離輸電特性以及區(qū)域電網(wǎng)電力互濟(jì)功能，會(huì)引發(fā)系統(tǒng)無(wú)功平衡出現(xiàn)特殊性和復(fù)雜性。特高壓電網(wǎng)運(yùn)行中既要考慮線路輕(空)載時(shí)要限制工頻過(guò)電壓，又要考慮線路重載時(shí)系統(tǒng)的容性無(wú)功需求，需根據(jù)不同網(wǎng)架階段計(jì)算結(jié)果，確定適合的系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償度，合理配置靜態(tài)和動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，保證系統(tǒng)工頻過(guò)電壓和潛供電流能夠滿足運(yùn)行要求，保證系統(tǒng)無(wú)功動(dòng)態(tài)平衡。

(2)伴隨特高壓電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)度，應(yīng)分階段按實(shí)際情況進(jìn)行潮流、靜態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定仿真計(jì)算分析。對(duì)不同網(wǎng)架、不同負(fù)荷、不同故障情況下，系統(tǒng)的功角、電壓、頻率安全穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。按照計(jì)算結(jié)果，合理對(duì)安穩(wěn)控制裝置進(jìn)行控制策略優(yōu)化配置和按照一定裕度進(jìn)行整定，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

6 結(jié)束語(yǔ)

特高壓輸電技術(shù)是現(xiàn)階段電網(wǎng)發(fā)展最重要的趨勢(shì)之一，在大容量、長(zhǎng)距離電力輸送和大電網(wǎng)互聯(lián)方面起著至關(guān)重要的作用。我國(guó)發(fā)展特高壓電網(wǎng)是負(fù)荷中心遠(yuǎn)離能源中心的客觀條件決定的，也是滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的必然選擇。我國(guó)目前已經(jīng)掌握了特高壓交流輸電核心技術(shù)，研發(fā)出滿足技術(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)我國(guó)發(fā)展交流特高壓輸電起到了技術(shù)支撐作用。只要充分認(rèn)識(shí)并對(duì)特高壓電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制措施進(jìn)行分階段跟蹤、滾動(dòng)研究，合理配置和整定安穩(wěn)控制裝置，加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)控，規(guī)避運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，特高壓交流輸電定會(huì)助力我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)發(fā)展。

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