“強(qiáng)饋入弱開機(jī)”下上海電網(wǎng)安全運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)研究

崔 勇 馮煜堯 楊增輝 華東電力試驗(yàn)研究院有限公司

王 偉 國網(wǎng)上海市電力公司

為積極消納西南水電的大規(guī)模清潔能源，近年來上海電網(wǎng)受電比例大幅攀升、內(nèi)部機(jī)組開機(jī)持續(xù)減小，電網(wǎng)步入“強(qiáng)饋入弱開機(jī)”的新常態(tài)，發(fā)展與運(yùn)行模式發(fā)生深刻轉(zhuǎn)變。上海電網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃中曾指出，隨著上海境內(nèi)特高壓交直流的陸續(xù)投產(chǎn)，外來電力尤其是清潔電力的不斷增多，“十二五”末期，上海電網(wǎng)將面臨區(qū)外來電大量饋入，而本地機(jī)組發(fā)電量不斷減少的局面。以2014年為例，上海電網(wǎng)從5月～11月均處于“強(qiáng)饋入弱開機(jī)”階段，其中9月份西南水電汛期階段上海電網(wǎng)總負(fù)荷1 800萬kW，外來電1 200萬kW，外來電占總負(fù)荷的比例達(dá)到了2/3，與此同時(shí)大量火電機(jī)組長期關(guān)停，相當(dāng)一部分火電廠全廠僅單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，“強(qiáng)饋入弱開機(jī)”特征及其顯著。

由于上海電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，在大量受入外來電力的前提下，上海內(nèi)部機(jī)組出力需求減小，同時(shí)疊加調(diào)峰因素，本地火電機(jī)組必須大量減出力運(yùn)行，極端情況下甚至需要關(guān)停，而機(jī)組長期的低負(fù)荷運(yùn)行甚至關(guān)停必將對都市電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來較大風(fēng)險(xiǎn)。為此，上海電網(wǎng)未雨綢繆，提前開展“強(qiáng)饋入弱開機(jī)”背景下的電網(wǎng)最小開機(jī)方式安排技術(shù)研究，旨在確定在不影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定的條件下電網(wǎng)的最小開機(jī)規(guī)模，項(xiàng)目的研究成果也已成功應(yīng)用于上海電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行部門安排年度方式的工作中。本文從“強(qiáng)饋入弱開機(jī)”背景下機(jī)組開機(jī)方式安排方法研究、機(jī)組開機(jī)方式安排技術(shù)的應(yīng)用，包括2013年安排2014年度的電網(wǎng)運(yùn)行方式，2014年安排2015年度的電網(wǎng)運(yùn)行方式以及“十三五”期間上海電網(wǎng)開機(jī)方式安排展望三方面進(jìn)行研究，通過合理安排“強(qiáng)饋入弱開機(jī)”背景下本地機(jī)組的運(yùn)行方式，充分消納西南水電清潔能源，減少電廠機(jī)組開機(jī)時(shí)間，為上海節(jié)能減排做出積極貢獻(xiàn)。

1 考慮多安全穩(wěn)定因素的都市電網(wǎng)“強(qiáng)饋入弱開機(jī)”背景下最小開機(jī)方式安排方法

“強(qiáng)饋入弱開機(jī)”狀態(tài)下，需解決如何安排最小開機(jī)方式，最大程度上消納西南清潔水電的問題。常規(guī)的發(fā)電計(jì)劃主要從電力平衡考慮，而“強(qiáng)饋入弱開機(jī)”狀態(tài)下，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定裕度大幅減小，評估和優(yōu)化系統(tǒng)開機(jī)方式，不僅要考慮全網(wǎng)高峰平衡、低谷平衡的問題，還需綜合考慮輸電限額、降壓容量、電壓穩(wěn)定等安全穩(wěn)定因素，多種安全穩(wěn)定因素交互影響，使得電網(wǎng)運(yùn)行方式安排和電網(wǎng)規(guī)劃變的異常復(fù)雜。

目前，國內(nèi)電網(wǎng)運(yùn)行方式部門在安排機(jī)組開機(jī)方式時(shí)，一般考慮的因素較少，僅考慮電力平衡需求或潮流控制因素，未兼顧電壓穩(wěn)定需求、調(diào)峰需求等因素，因此內(nèi)部機(jī)組開機(jī)方式不盡合理，電網(wǎng)運(yùn)行安全存在一定風(fēng)險(xiǎn)。在本技術(shù)中，提出了“強(qiáng)饋入弱開機(jī)”方式下電壓穩(wěn)定計(jì)算方法和流程，統(tǒng)籌考慮電力平衡需求、潮流控制需求、電壓穩(wěn)定需求等多個(gè)因素，合理安排上海電網(wǎng)內(nèi)部機(jī)組開機(jī)方式，確保城市電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

電壓穩(wěn)定性分析方法可以分為兩大類：基于潮流方程的靜態(tài)分析方法和基于微分-代數(shù)方程的動(dòng)態(tài)分析方法。采用基于PV曲線的有功負(fù)荷裕度判別法。對于大型電力系統(tǒng)，PV曲線可通過一系列潮流計(jì)算求得。PV曲線計(jì)算可以從電力系統(tǒng)的基本運(yùn)行方式開始，通過不斷增加負(fù)荷功率和適當(dāng)?shù)陌l(fā)電機(jī)功率分配，進(jìn)行潮流計(jì)算，直到曲線的臨界點(diǎn)，如圖1所示。用系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)到臨界點(diǎn)之間的有功功率距離來衡量系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖1 PV曲線

區(qū)域功率裕度的定義為：

式中，P、Pmax分別為所研究區(qū)域在當(dāng)前狀態(tài)和臨界狀態(tài)下的有功負(fù)荷。某區(qū)域的Kp越小，說明該區(qū)域當(dāng)前的工作點(diǎn)距離穩(wěn)定極限點(diǎn)越近，承受負(fù)荷功率變化的能力越差。

在計(jì)算N-1（或N-2）事故下的負(fù)荷裕度時(shí)，當(dāng)直流停運(yùn)或大容量發(fā)電機(jī)組停運(yùn)，將引起整個(gè)電網(wǎng)的功率不平衡，在計(jì)算中，采用“調(diào)速器”潮流方法進(jìn)行仿真分析，直流和機(jī)組停運(yùn)引起的發(fā)電機(jī)－負(fù)荷間的偏差量在具有可動(dòng)作調(diào)速器的發(fā)電機(jī)組之間進(jìn)行分配，更符合實(shí)際運(yùn)行情況。

電壓穩(wěn)定評估標(biāo)準(zhǔn)按照《國家電網(wǎng)安全穩(wěn)定計(jì)算技術(shù)規(guī)范》，即正常運(yùn)行方式和正常檢修方式下電壓穩(wěn)定負(fù)荷增長裕度系數(shù)不小于8%，N-1故障后方式電壓穩(wěn)定負(fù)荷增長裕度系數(shù)不小于5%。同時(shí)，考慮國調(diào)及華東網(wǎng)調(diào)關(guān)于運(yùn)行方式安排的相關(guān)要求，同桿并架N-2故障、直流雙極閉鎖故障參照N-1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評估，即該類故障下電壓穩(wěn)定負(fù)荷增長裕度系數(shù)不小于5%。

根據(jù)電網(wǎng)總體用電負(fù)荷預(yù)測結(jié)果，在充分消納西南水電清潔能源的前提下，通過電力平衡分析，初步確定上海電網(wǎng)本地機(jī)組開機(jī)規(guī)模以及發(fā)電計(jì)劃，然后通過潮流分析，評估在該開機(jī)方式下電網(wǎng)中是否存在潮流重載問題，再通過電壓穩(wěn)定分析，校核電網(wǎng)電壓穩(wěn)定水平，評估該開機(jī)方式下的電壓穩(wěn)定裕度是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，最后通過調(diào)峰平衡分析，評估該開機(jī)方式在低谷時(shí)段的調(diào)峰平衡是否存在缺口，必要時(shí)在低谷時(shí)段通過電量置換和機(jī)組調(diào)停來解決，最終確定“強(qiáng)饋入弱開機(jī)”背景下電網(wǎng)最小開機(jī)方式。

制訂了“強(qiáng)饋入弱開機(jī)”背景下電網(wǎng)最小開機(jī)方式分析流程，該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于上海市電力公司調(diào)度控制中心以及發(fā)展策劃部，為上海電網(wǎng)運(yùn)行方式部門定量評估電網(wǎng)電壓穩(wěn)定水平，合理安排上海電網(wǎng)內(nèi)部機(jī)組開機(jī)方式提供技術(shù)指導(dǎo)。也已經(jīng)應(yīng)用于電網(wǎng)規(guī)劃部門開展上海電網(wǎng)“十三五”規(guī)劃中深度調(diào)峰下的電壓穩(wěn)定校核工作，確?！笆濉逼陂g上海電網(wǎng)電壓穩(wěn)定裕度以及開機(jī)方式的合理性。

2 2015年上海電網(wǎng)最小開機(jī)方式安排

以上海電網(wǎng)2015年夏季高峰和秋季高峰方式為例，計(jì)算了不同開機(jī)規(guī)模下，正常方式、N-1、N-2和直流閉鎖等故障后的電壓穩(wěn)定裕度，評估了“強(qiáng)饋入弱開機(jī)”方式下上海電網(wǎng)電壓穩(wěn)定情況，分析了保持上海電壓穩(wěn)定水平的最小開機(jī)規(guī)模。

2015年夏季高峰方式負(fù)荷水平考慮3 000萬kW，平均高峰負(fù)荷取2 700萬kW，6、9月汛期平均高峰負(fù)荷考慮1 900萬kW。

2.1 3 000萬kW最大高峰負(fù)荷水平

針對計(jì)算要求，在滿足上海電網(wǎng)500 kV主變潮流不越限的情況下，2015年夏季高峰分別考慮了小開機(jī)運(yùn)行方式（表1）。

表1 夏季高峰方式下上海主力煤機(jī)開機(jī)方式

各種小開機(jī)方式下的電壓穩(wěn)定分析結(jié)果如見表2。

表2中可以看出有幾點(diǎn)特征。

（1）在開機(jī)方式一中，滿足上海電網(wǎng)500 kV主變即220 kV分區(qū)的降壓容量及備用要求。上海電網(wǎng)在正常方式下的電壓穩(wěn)定負(fù)荷增長裕度系數(shù)為13.7%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；但N-1后的電壓穩(wěn)定負(fù)荷增長裕度系數(shù)為3.0%，不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；且復(fù)奉和宜華相繼閉鎖后的電壓穩(wěn)定負(fù)荷增長裕度系數(shù)僅為3.0%，裕度系數(shù)較低。

表2 不同開機(jī)方式下電壓穩(wěn)定負(fù)荷增長裕度系數(shù) MW

（2）在開機(jī)方式二中，通過增加楊行分區(qū)石洞口電廠開機(jī)，上海電網(wǎng)在正常方式下的電壓穩(wěn)定負(fù)荷增長裕度系數(shù)為20.0%，裕度系數(shù)較大；N-1后的電壓穩(wěn)定負(fù)荷增長裕度系數(shù)為7.7%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；但復(fù)奉和宜華相繼閉鎖后的電壓穩(wěn)定負(fù)荷增長裕度系數(shù)仍較低，為3.3%。

（3）從潮流分布角度來看，浙福特高壓交流工程投產(chǎn)后，浙江電網(wǎng)大量潮流通過上海電網(wǎng)轉(zhuǎn)送江蘇電網(wǎng)，穿越潮流問題更加突出，導(dǎo)致安吉-練塘、泗涇-練塘雙線潮流重載。在開機(jī)方式一和開機(jī)方式二中，安吉-練塘雙線和泗涇-練塘潮流均過載，需要增加上海電網(wǎng)本地機(jī)組出力。當(dāng)上海電網(wǎng)增加兩臺(tái)500 kV機(jī)組開機(jī)后（開機(jī)方式三），該通道潮流可以控制在限額之內(nèi)。三種開機(jī)方式下的潮流圖如附圖所示。

（4）3000萬kW負(fù)荷水平下，為滿足500 kV主變降壓容量需求，上海電網(wǎng)需要開500 kV機(jī)組4臺(tái)，220 kV機(jī)組10臺(tái)；為滿足電壓穩(wěn)定裕度要求，上海電網(wǎng)需要開500 kV機(jī)組4臺(tái)，220 kV機(jī)組11臺(tái)；而為滿足通道潮流不越限要求，上海電網(wǎng)需要開500 kV機(jī)組6臺(tái)，220 kV機(jī)組11臺(tái)。因此2015年夏季按3000萬kW高峰負(fù)荷負(fù)荷水平考慮，上海電網(wǎng)最小開機(jī)規(guī)模為：500 kV機(jī)組開6臺(tái)，220 kV機(jī)組開11臺(tái),且石洞口電廠需要開3臺(tái)機(jī)。

2.2 2 700萬kW平均高峰負(fù)荷水平

針對計(jì)算要求，在滿足上海電網(wǎng)500 kV主變潮流不越限的情況下，2015年夏季高峰分別考慮了如下小開機(jī)運(yùn)行方式見表3。

表3 夏季高峰方式下上海主力煤機(jī)開機(jī)方式

各種小開機(jī)方式下的電壓穩(wěn)定分析結(jié)果如表4所示。

由表4中可以看如下出有幾點(diǎn)特征。

（1）在開機(jī)方式一中，滿足上海電網(wǎng)500 kV主變即220 kV分區(qū)的降壓容量及備用要求。上海電網(wǎng)在正常方式下的電壓穩(wěn)定負(fù)荷增長裕度系數(shù)為15.2%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；但N-1后的電壓穩(wěn)定負(fù)荷增長裕度系數(shù)為3.3%，不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 不同開機(jī)方式下電壓穩(wěn)定負(fù)荷增長裕度系數(shù) MW

（2）在開機(jī)方式二中，通過增加楊行分區(qū)石洞口電廠開機(jī)，上海電網(wǎng)在正常方式下的電壓穩(wěn)定負(fù)荷增長裕度系數(shù)為22.2%，裕度系數(shù)較大；N-1后的電壓穩(wěn)定負(fù)荷增長裕度系數(shù)為11.7%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）從潮流分布角度來看，上述開機(jī)方式下，上海各交流受電通道和內(nèi)部500 kV通道潮流均在限額之內(nèi)。

（4）2 700萬kW負(fù)荷水平下，為滿足500 kV主變降壓容量需求，上海電網(wǎng)需要開500 kV機(jī)組4臺(tái)，220 kV機(jī)組8臺(tái)；為滿足電壓穩(wěn)定裕度要求，上海電網(wǎng)需要開500 kV機(jī)組4臺(tái)，220 kV機(jī)組9臺(tái)。因此2015年夏季按2 700萬kW平均高峰負(fù)荷水平考慮，上海電網(wǎng)最小開機(jī)規(guī)模為500 kV機(jī)組開4臺(tái)，220 kV機(jī)組開9臺(tái),且石洞口電廠需要開2臺(tái)機(jī)。

2.3 汛期平均高峰方式開機(jī)方式分析

根據(jù)計(jì)算要求， 2015年6、9月汛期平均高峰分別考慮了表5的小開機(jī)運(yùn)行方式。

各種小開機(jī)方式下的電壓穩(wěn)定分析結(jié)果見表6。表5.表6數(shù)據(jù)有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

（1）6、9月汛期平均高峰1900萬千瓦負(fù)荷水平下，為滿足電壓穩(wěn)定裕度要求，上海電網(wǎng)需要開500 kV機(jī)組4臺(tái)，220 kV機(jī)組6臺(tái),且石洞口電廠需要開1臺(tái)機(jī)。

（2）該開機(jī)方式在低谷時(shí)段的最小技術(shù)出力為522萬kW，考慮到低谷負(fù)荷為1 220萬kW，低谷受電為920萬千瓦，此時(shí)調(diào)峰缺口為222萬kW。

表5 汛期平均高峰方式下上海主力煤機(jī)開機(jī)方式

3 結(jié)語

“強(qiáng)饋入弱開機(jī)”背景下考慮多安全穩(wěn)定約束的電網(wǎng)最小開機(jī)方式安排技術(shù)，兼顧考慮電力平衡需求、潮流控制需求、調(diào)峰平衡需求以及電壓穩(wěn)定需求等因素，合理安排“強(qiáng)饋入弱開機(jī)”條件下的本地發(fā)電機(jī)組運(yùn)行方式，在確保上海都市電網(wǎng)安全穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)運(yùn)行的前提下，通過四回直流從區(qū)外受入大量電力，充分消納西南水電清潔能源，從而降低本地火電機(jī)組開機(jī)規(guī)模，大幅減少本地火電機(jī)組能源消耗量以及污染排放量，為推動(dòng)我國能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命，促進(jìn)清潔發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展做出積極貢獻(xiàn)。該技術(shù)適用于從區(qū)外受入大量水電、風(fēng)電、太陽能發(fā)電等清潔能源的都市電網(wǎng)，推廣應(yīng)用前景廣闊。

表6 不同開機(jī)方式下電壓穩(wěn)定負(fù)荷增長裕度系數(shù) MW