大規(guī)模新能源接入下特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)控制策略研究

姜尚光，劉健，于壯狀

（國(guó)家電網(wǎng)華北電力調(diào)控分中心，北京 100053）

隨著全國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人民生活水平的逐步提高，用電負(fù)荷也隨之快速增加。同時(shí)，由于我國(guó)資源分布不均，東部負(fù)荷中心與西部能源中心存在著不可調(diào)和的矛盾。這都驅(qū)使著大容量、長(zhǎng)距離的特高壓輸電技術(shù)在電網(wǎng)建設(shè)中的廣泛使用，從超高壓到特高壓，從交流互聯(lián)到直流互聯(lián)，從少量風(fēng)電到大規(guī)模新能源的接入，華北電網(wǎng)的整體架構(gòu)也隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展，一步步成長(zhǎng)為大規(guī)模新能源接入下的特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)。本文隨著歷年華北電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)控制策略的發(fā)展和變化，探究新形勢(shì)下特高壓電網(wǎng)運(yùn)行中的難點(diǎn)和不足，并結(jié)合具體問(wèn)題找出電網(wǎng)運(yùn)行控制上的優(yōu)化方法，提高駕馭大電網(wǎng)的能力。

1 華北電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)控制策略的發(fā)展歷程

2011 年以前，華北電網(wǎng)由京津唐電網(wǎng)、河北南網(wǎng)、山西電網(wǎng)及蒙西電網(wǎng)組成，電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行。運(yùn)行中，華北電網(wǎng)以京津唐電網(wǎng)為核心進(jìn)行聯(lián)絡(luò)線(xiàn)交換和頻率控制，其聯(lián)絡(luò)線(xiàn)控制策略采用定頻率控制（FFC），由京津唐電網(wǎng)機(jī)組負(fù)責(zé)整個(gè)華北電網(wǎng)的頻率控制；河北南網(wǎng)、山西電網(wǎng)、蒙西電網(wǎng)采用定聯(lián)絡(luò)線(xiàn)功率控制策略（FTC），負(fù)責(zé)控制與京津唐電網(wǎng)間的聯(lián)絡(luò)線(xiàn)電力交換。

在當(dāng)時(shí)的電網(wǎng)自動(dòng)化水平下，該控制策略具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、目標(biāo)明確、技術(shù)門(mén)檻低等顯著優(yōu)勢(shì)。但不足的是，在事故情況下，各省網(wǎng)機(jī)組可能會(huì)出現(xiàn)反調(diào)或多次重復(fù)調(diào)整的情況，不利于事故下電網(wǎng)頻率的快速恢復(fù)，同時(shí)也加大了機(jī)組磨損。

2001 年，華北電網(wǎng)與東北電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)交流聯(lián)網(wǎng)，原有控制策略已經(jīng)不滿(mǎn)足兩大區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)下的控制要求，華北電網(wǎng)也隨之采用了新的聯(lián)絡(luò)線(xiàn)控制策略。新的控制策略下，華北電網(wǎng)及山西、蒙西、河北南網(wǎng)均采用聯(lián)絡(luò)線(xiàn)功率及頻率偏差控制策略（TBC），其中京津唐電網(wǎng)機(jī)組負(fù)責(zé)華北電網(wǎng)頻率以及區(qū)域電網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)線(xiàn)功率的調(diào)整。這種新的控制策略有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)：山西、蒙西、河北南網(wǎng)某一控制區(qū)發(fā)生功率缺額后，不會(huì)對(duì)另外兩方的區(qū)域控制偏差（ACE）造成影響，即功率缺額完全由自身以及負(fù)責(zé)整個(gè)華北電網(wǎng)ACE 控制的京津唐電網(wǎng)承擔(dān)。這樣就避免了原控制策略下無(wú)功率缺額控制區(qū)內(nèi)的機(jī)組出現(xiàn)反調(diào)與重復(fù)調(diào)整的情況。同樣，華北電網(wǎng)內(nèi)部的功率缺額也不會(huì)對(duì)東北電網(wǎng)的ACE 造成影響。

但隨著華北電網(wǎng)不斷向前發(fā)展，區(qū)域內(nèi)各省網(wǎng)的裝機(jī)容量與負(fù)荷水平不斷提高，尤其是2005 年山東電網(wǎng)并入華北電網(wǎng)后，京津唐電網(wǎng)裝機(jī)容量在華北電網(wǎng)中所占比例逐漸縮小，同時(shí)，由于山東、山西、蒙西、河北南網(wǎng)四個(gè)省網(wǎng)的控制偏差均需京津唐機(jī)組參與調(diào)整，這就導(dǎo)致京津唐機(jī)組頻繁調(diào)整的同時(shí)又無(wú)法達(dá)到理想的控制效果。

2008 年年底，華北、華中互聯(lián)的1000kV 長(zhǎng)治—南陽(yáng)—荊門(mén)特高壓交流示范工程計(jì)劃投產(chǎn)。由于特高壓聯(lián)絡(luò)線(xiàn)在大功率輸送的情況下，其功率波動(dòng)會(huì)引起兩端1000kV 變電站和近區(qū)500kV 變電站電壓的大幅波動(dòng)，因此，華北電網(wǎng)迫切需要一種新的聯(lián)絡(luò)線(xiàn)控制策略來(lái)加強(qiáng)區(qū)域電網(wǎng)間特高壓聯(lián)絡(luò)線(xiàn)的功率控制。

以控制特高壓長(zhǎng)南一線(xiàn)功率偏差小于規(guī)定值為目標(biāo)，華北電網(wǎng)的AGC 控制策略進(jìn)行了如下修改：①成立京津唐控制區(qū)，控制模式同網(wǎng)內(nèi)其他控制區(qū)一樣選用TBC 控制，這樣京津唐機(jī)組只需負(fù)責(zé)調(diào)整自己控制區(qū)內(nèi)的功率平衡，大大減少了調(diào)整頻率和調(diào)整量。②針對(duì)特高壓聯(lián)絡(luò)線(xiàn)的功率偏差建立了三道防線(xiàn)。第一道防線(xiàn)為“統(tǒng)一各控制區(qū)的控制方式”。該控制方式可同時(shí)滿(mǎn)足各省網(wǎng)控制區(qū)ACE 和特高壓聯(lián)絡(luò)線(xiàn)偏差的控制要求，核心為根據(jù)某控制區(qū)ACE對(duì)于特高壓聯(lián)絡(luò)線(xiàn)偏差的貢獻(xiàn)，在該控制區(qū)ACE 上使控制區(qū)內(nèi)機(jī)組向著減小特高壓聯(lián)絡(luò)線(xiàn)偏差的方向進(jìn)行調(diào)整。第二道防線(xiàn)為從各控制區(qū)抽調(diào)調(diào)節(jié)性能突出的機(jī)組構(gòu)成“特高壓緊急控制區(qū)”。在特高壓聯(lián)絡(luò)線(xiàn)功率偏差超過(guò)定值時(shí)通過(guò)機(jī)組AGC 自動(dòng)進(jìn)行功率偏差的調(diào)整。第三道防線(xiàn)則會(huì)在特高壓聯(lián)絡(luò)線(xiàn)功率出現(xiàn)較大偏差時(shí)，將各控制區(qū)滿(mǎn)足判據(jù)的機(jī)組AGC 掛起，避免機(jī)組出力繼續(xù)向著不利于特高壓聯(lián)絡(luò)線(xiàn)偏差恢復(fù)的方向進(jìn)行調(diào)整。在華北電網(wǎng)的正常運(yùn)行控制中，以第一道防線(xiàn)為主，輔以緊急情況下的第二、三道防線(xiàn)控制。實(shí)際運(yùn)行表明，新的控制策略不僅有效地減輕了京津唐機(jī)組的調(diào)整壓力，更實(shí)現(xiàn)了華北區(qū)域內(nèi)各控制區(qū)對(duì)于特高壓聯(lián)絡(luò)線(xiàn)調(diào)整的責(zé)任分?jǐn)偅鰪?qiáng)了調(diào)整效果，滿(mǎn)足了特高壓聯(lián)絡(luò)線(xiàn)控制上的嚴(yán)格要求。

2 當(dāng)前華北電網(wǎng)的運(yùn)行情況與面臨問(wèn)題

2.1 當(dāng)前運(yùn)行情況

截至2017 年年底，華北交流主網(wǎng)已形成1000kV 交流“兩橫一縱”、500kV“八橫三縱”格局，幾大送電通道主要承擔(dān)華北電網(wǎng)西電東送、北電南送任務(wù)。華北電網(wǎng)區(qū)外聯(lián)絡(luò)為“一交五直”格局，分別通過(guò)交流特高壓1000kV 長(zhǎng)南一線(xiàn)與華中電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)，通過(guò)高嶺站背靠背直流、特高壓魯固直流與東北電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)，通過(guò)銀東直流與西北電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)，通過(guò)特高壓雁淮直流、錫泰直流與華東電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)。華北電網(wǎng)呈現(xiàn)“大受端、大送端”特征。

對(duì)于華北各省網(wǎng)，近年來(lái)同樣發(fā)生了巨大的變化：（1）隨著交流特高壓配套電源的陸續(xù)投產(chǎn)，配套電廠(chǎng)均列為京津唐電網(wǎng)直調(diào)機(jī)組，其發(fā)電電力通過(guò)京津唐與各省網(wǎng)間的聯(lián)絡(luò)線(xiàn)交換進(jìn)行二次分配，使得京津唐電網(wǎng)由傳統(tǒng)的受端電網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芏伺c潮流轉(zhuǎn)供電網(wǎng)，潮流特征為多方向、多通道、多落點(diǎn)，電網(wǎng)運(yùn)行以及聯(lián)絡(luò)線(xiàn)控制壓力增大。（2）河北南網(wǎng)已成為華北電網(wǎng)的樞紐電網(wǎng)，與山西、京津唐、山東電網(wǎng)均存在強(qiáng)聯(lián)系，網(wǎng)內(nèi)“西電東送、北電南送”主要通道穿越潮流較重，線(xiàn)路長(zhǎng)期重載。此外，河北南網(wǎng)迎峰度夏期間空調(diào)負(fù)荷增長(zhǎng)迅速，2017 年執(zhí)行有序用電的基礎(chǔ)上，預(yù)計(jì)2018年度夏期間電力缺口將進(jìn)一步擴(kuò)大。（3）山西電網(wǎng)為華北西部電源基地，隨著特高壓雁淮直流的投產(chǎn)以及輸送功率的不斷加大，若發(fā)生嚴(yán)重直流故障，山西電網(wǎng)將產(chǎn)生極大的功率富余，其與華北主網(wǎng)相聯(lián)的9 回500kV 外送線(xiàn)路和與華中電網(wǎng)相聯(lián)的特高壓長(zhǎng)南一線(xiàn)將面臨著嚴(yán)峻的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。（4）山東電網(wǎng)作為傳統(tǒng)的受端電網(wǎng)其交流受電通道由4 回線(xiàn)路增加為8 回，與華北主網(wǎng)間的聯(lián)系進(jìn)一步加強(qiáng)，但受電能力的增長(zhǎng)不足以彌補(bǔ)負(fù)荷的快速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2018 年度夏期間同樣存在電力缺口。直流方面，銀東、魯固以及未來(lái)即將投產(chǎn)的昭沂直流落點(diǎn)密集、電氣距離較近，單個(gè)交流系統(tǒng)故障可能引發(fā)近區(qū)多條直流同時(shí)換相失敗，對(duì)山東電網(wǎng)造成較大沖擊，嚴(yán)重時(shí)可能引起華北-華中特高壓聯(lián)絡(luò)線(xiàn)解列，電網(wǎng)安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)巨大。（5）蒙西電網(wǎng)近年來(lái)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變化不大，仍通過(guò)4 回500kV 線(xiàn)路與華北主網(wǎng)相聯(lián)，電氣距離較長(zhǎng)且長(zhǎng)期壓穩(wěn)定極限運(yùn)行。當(dāng)華北主網(wǎng)出現(xiàn)大功率缺額時(shí)，內(nèi)蒙外送斷面潮流將超過(guò)其穩(wěn)定極限，有可能進(jìn)一步擴(kuò)大事故范圍。

因一次能源分布不均，電源結(jié)構(gòu)上華北電網(wǎng)3.5 億千瓦的總裝機(jī)容量中調(diào)節(jié)能力較差的火電機(jī)組占70%，調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)的水電僅占2%，抽蓄、燃機(jī)等靈活調(diào)節(jié)電源不足7%，系統(tǒng)調(diào)峰能力嚴(yán)重不足。而隨著近年來(lái)新能源的快速發(fā)展，華北電網(wǎng)2017 年新能源裝機(jī)容量已達(dá)到2010 年的7 倍，其裝機(jī)容量與華北2017 年最大負(fù)荷比值（即新能源滲透率）達(dá)到32%，大于全國(guó)新能源滲透率10 個(gè)百分點(diǎn)，尤其是度冬供熱期與富風(fēng)期高度重疊，使得新能源的波動(dòng)性和不確定性對(duì)電網(wǎng)的影響進(jìn)一步放大，增大了華北電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行壓力。同時(shí)，伴隨著電力市場(chǎng)化的逐步推進(jìn)，網(wǎng)間新能源電力交易迅速增加，新能源消納壓力增大，如何在保證電網(wǎng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，深挖電網(wǎng)調(diào)峰潛力，保障新能源電力的足額消納已經(jīng)成為電網(wǎng)運(yùn)行中的重大問(wèn)題。

2.2 面臨問(wèn)題

綜合上述華北電網(wǎng)的基本運(yùn)行情況，可以得出：隨著華北特高壓電網(wǎng)的快速發(fā)展和新能源裝機(jī)的快速增長(zhǎng)，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和電源結(jié)構(gòu)都發(fā)生了巨大改變，電力系統(tǒng)運(yùn)行特性發(fā)生了深刻變化，為電網(wǎng)的調(diào)度運(yùn)行工作帶來(lái)了許多新的問(wèn)題與挑戰(zhàn)，總結(jié)如下。

電網(wǎng)潮流分布不均，穿越潮流所占比例逐漸增大，部分通道的潮流重載問(wèn)題嚴(yán)重。省間聯(lián)絡(luò)線(xiàn)交換計(jì)劃，線(xiàn)路近區(qū)機(jī)組開(kāi)機(jī)、發(fā)電情況均是影響電網(wǎng)穿越潮流大小的關(guān)鍵因素，從這兩方面入手，可有效地緩解重要通道的潮流重載情況。

特高壓直流大量接入為華北電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了巨大的挑戰(zhàn)。華北電網(wǎng)同時(shí)具有“大送端、大受端”的特征，特高壓直流及近區(qū)交流線(xiàn)路故障極易引起華北電網(wǎng)大量的功率富余或缺額。由于直流功率均直接納入起、落點(diǎn)省網(wǎng)的電力平衡，事故時(shí)采用TBC 控制模式的省網(wǎng)將無(wú)法第一時(shí)間起到事故支援的作用，幫助電網(wǎng)頻率的快速恢復(fù)。此外，山西、內(nèi)蒙外送斷面長(zhǎng)期壓極限運(yùn)行，直流故障可能導(dǎo)致斷面功率超過(guò)穩(wěn)定極限，擴(kuò)大事故范圍。

迎峰度夏期間，部分省網(wǎng)存在較大電力缺口。2017 年，各省網(wǎng)夏季大負(fù)荷發(fā)生的日期極為接近但日內(nèi)發(fā)生的具體時(shí)間存在小范圍的偏差，這使得難以通過(guò)日前、日內(nèi)修改聯(lián)絡(luò)線(xiàn)計(jì)劃的方法對(duì)存在電力缺口的省網(wǎng)進(jìn)行有效的支援。

新能源消納壓力逐漸增大。由于固有電源結(jié)構(gòu)的制約，冬季供熱期與富風(fēng)期的高度重疊，再加上近年來(lái)光伏裝機(jī)的快速增長(zhǎng)，網(wǎng)內(nèi)調(diào)峰資源被不斷壓縮，部分省網(wǎng)調(diào)峰最困難的時(shí)期已從后夜低谷轉(zhuǎn)移至中午平峰。

3 新的思路和方法

基于上述問(wèn)題，本文從調(diào)控運(yùn)行方面提出新的思路和方法如下。

（1）使用“在線(xiàn)安全分析”軟件計(jì)算電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行中的穩(wěn)定限額，并結(jié)合計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組AGC 的閉環(huán)控制。目前華北電網(wǎng)運(yùn)行細(xì)則中斷面、通道的穩(wěn)定限額，均是由系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)在特定的電網(wǎng)方式下（例如夏季大負(fù)荷）考慮極端情況計(jì)算得出。在線(xiàn)穩(wěn)定限額計(jì)算功能可以實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)前電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行方式下的穩(wěn)定極限，并結(jié)合當(dāng)前斷面、通道的負(fù)載情況以及發(fā)電機(jī)組對(duì)其潮流的靈敏度，自動(dòng)控制發(fā)電機(jī)功率的升、降，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組AGC 的閉環(huán)控制。該方法可以實(shí)現(xiàn)重要斷面、通道潮流的自動(dòng)控制，在保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)充分挖掘斷面、通道的潮流輸送潛力，實(shí)現(xiàn)調(diào)度精細(xì)化管理。

（2）在華北電網(wǎng)實(shí)施動(dòng)態(tài)ACE。相較于傳統(tǒng)ACE，動(dòng)態(tài)ACE 可以在電網(wǎng)出現(xiàn)大功率區(qū)內(nèi)功率富余、區(qū)外來(lái)電失去或電廠(chǎng)全停時(shí)，以備用共享為原則，使各省網(wǎng)一同承擔(dān)華北電網(wǎng)功率劇烈變化后的頻率恢復(fù)責(zé)任。具體來(lái)說(shuō)，就是華北電網(wǎng)短時(shí)間內(nèi)功率變化量達(dá)到定值且頻率及頻率變化速率滿(mǎn)足給定條件時(shí)，自動(dòng)化程序會(huì)在考慮電網(wǎng)安全約束的前提下，把功率變化量按照各省網(wǎng)的備用情況進(jìn)行分?jǐn)偅磳⒏魇》謹(jǐn)偭刊B加在A(yíng)CE 計(jì)算公式中的聯(lián)絡(luò)線(xiàn)偏差ΔP 上重新計(jì)算得到動(dòng)態(tài)ACE 的數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)集各省網(wǎng)備用來(lái)支援華北電網(wǎng)進(jìn)行頻率快速恢復(fù)的目的。

（3）存在電力缺口時(shí)合并京津冀魯控制區(qū)實(shí)現(xiàn)備用共享?；ヂ?lián)電網(wǎng)中，當(dāng)某一電網(wǎng)出現(xiàn)嚴(yán)重電力不足時(shí)，可由其他區(qū)域提供備用支援，這部分備用即為備用共享。隨著華北交流特高壓“兩橫一縱”的投產(chǎn)，京津唐、河北南網(wǎng)、山東電網(wǎng)之間聯(lián)絡(luò)通道眾多，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)強(qiáng)聯(lián)系，這大大加強(qiáng)了三者間實(shí)施備用共享的可行性。結(jié)合當(dāng)前華北電網(wǎng)的調(diào)控運(yùn)行方式，存在電力缺口時(shí)合并京津冀魯控制區(qū)的方法主要有兩種：①取消京津唐電網(wǎng)、河北南網(wǎng)、山東電網(wǎng)控制區(qū)，并將河北南網(wǎng)、山東電網(wǎng)內(nèi)部機(jī)組出力漲至最高。后重新以京津冀魯為一個(gè)完整的控制區(qū)計(jì)算ACE，由京津唐網(wǎng)內(nèi)機(jī)組負(fù)責(zé)控制區(qū)ACE 的調(diào)整，維持控制區(qū)內(nèi)電力平衡，這也是華北網(wǎng)調(diào)兼任京津唐省調(diào)的職責(zé)所在。②成立京津冀魯控制區(qū)，并將其ACE 按照京津唐、河北南網(wǎng)、山東電網(wǎng)控制區(qū)頻率偏差系數(shù)B 的大小重新分配給各控制區(qū)進(jìn)行調(diào)整。兩種方法同樣實(shí)現(xiàn)了京津冀魯備用共享的目標(biāo)，其中方法①保證了京津冀魯控制區(qū)中的所有備用容量均由網(wǎng)調(diào)進(jìn)行調(diào)度，但僅以京津唐機(jī)組來(lái)平衡整個(gè)京津冀魯電網(wǎng)的功率缺額，有可能造成ACE 調(diào)整困難，京津唐機(jī)組頻繁調(diào)整等問(wèn)題。方法②中的ACE由京津唐、河北南網(wǎng)、山東電網(wǎng)機(jī)組共同調(diào)整，其調(diào)整效果明顯好于方法①，但會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)功率缺額的電網(wǎng)始終保留有一部分備用容量，并將其電力缺額更多的轉(zhuǎn)移到其他電網(wǎng)?？偟膩?lái)說(shuō)，兩種方法都可以在一定程度上緩解京津唐、河北南網(wǎng)、山東電網(wǎng)電力平衡緊張的問(wèn)題，減少有序用電的發(fā)生，但具體到實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行控制中，仍存在優(yōu)化調(diào)整的空間。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在總結(jié)華北電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)控制策略變化的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析當(dāng)前華北電網(wǎng)運(yùn)行控制情況和面臨問(wèn)題，可得到如下結(jié)論。

（1）重要通道、斷面潮流重載，迎峰度夏期間部分省網(wǎng)缺電情況嚴(yán)重，特高壓直流大規(guī)模接入后電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的增加以及新能源消納壓力的不斷增大是當(dāng)前華北電網(wǎng)運(yùn)行控制中面臨的主要問(wèn)題。

（2）當(dāng)前華北電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線(xiàn)控制策略已經(jīng)不足以解決這些問(wèn)題，控制策略亟待優(yōu)化。