湖北電網(wǎng)穩(wěn)定特性40年演變回顧與展望

李大虎，劉海光，孫建波，王 瑩，邵德軍，潘曉杰

（1. 國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司，湖北 武漢430077；2. 國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢430077；3. 國(guó)家電網(wǎng)有限公司華中分部，湖北 武漢430077）

0 引言

1970年以前，我國(guó)電力系統(tǒng)多數(shù)還是以110 kV及以下孤立系統(tǒng)為主，110 kV電網(wǎng)發(fā)生事故只會(huì)對(duì)孤立系統(tǒng)自身造成影響，全國(guó)、省級(jí)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定問題不突出［1］。1970-1980年，我國(guó)電力系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)特殊的時(shí)期，即省級(jí)電網(wǎng)的形成時(shí)期，由于缺少對(duì)省級(jí)電網(wǎng)形成的客觀認(rèn)識(shí)，全國(guó)發(fā)生電力系統(tǒng)穩(wěn)定破壞事件210次［1］。如1972年7月27日，丹江電廠丹55開關(guān)距離保護(hù)誤動(dòng)，前后僅6 min，湖北電網(wǎng)直接崩潰，停電時(shí)間15 h15 min，創(chuàng)當(dāng)時(shí)世界范圍內(nèi)大停電時(shí)長(zhǎng)記錄［2］。電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定問題成為當(dāng)時(shí)電網(wǎng)正常運(yùn)行的主要矛盾，在此背景下，原電力工業(yè)部制定《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》（簡(jiǎn)稱81 版《導(dǎo)則》）［3］。81 版《導(dǎo)則》頒布后，我國(guó)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平大幅提高，1981-1995 年全國(guó)年均穩(wěn)定破壞次數(shù)下降至5.25次，“九五”期間全國(guó)僅發(fā)生一起穩(wěn)定破壞事故。

81版《導(dǎo)則》實(shí)施的20年期間，我國(guó)電力系統(tǒng)發(fā)生了第二次深刻變化，電網(wǎng)互聯(lián)格局由省間聯(lián)網(wǎng)逐步向跨區(qū)聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)變，《導(dǎo)則》順應(yīng)電力系統(tǒng)物理特性的變化于2001 年完成了第一次修訂，并形成01 版《導(dǎo)則》［4］。01版《導(dǎo)則》頒布以來，進(jìn)一步促進(jìn)了我國(guó)電力系統(tǒng)的健康發(fā)展，截至2019 年，我國(guó)是全世界近20 年來唯一沒有發(fā)生因穩(wěn)定破壞導(dǎo)致大停電事故的國(guó)家。

01版《導(dǎo)則》實(shí)施的20年期間，我國(guó)電力系統(tǒng)經(jīng)歷第三次轉(zhuǎn)變，電網(wǎng)互聯(lián)實(shí)現(xiàn)了全國(guó)、跨國(guó)聯(lián)網(wǎng)，國(guó)家大力發(fā)展特高壓輸電技術(shù)，新能源發(fā)電大規(guī)模開發(fā)利用，電力系統(tǒng)形態(tài)及運(yùn)行特性更加復(fù)雜?！秾?dǎo)則》再次根據(jù)電力系統(tǒng)形態(tài)及運(yùn)行特性的變化于2019 年12 月完成了第二次修訂，計(jì)劃于2020年7月正式實(shí)施［5］。

《導(dǎo)則》頒布40年以來，湖北電網(wǎng)由省級(jí)電網(wǎng)逐步實(shí)現(xiàn)跨省、跨區(qū)互聯(lián)，互聯(lián)規(guī)模位列全國(guó)省級(jí)電網(wǎng)首位，電力系統(tǒng)穩(wěn)定特性隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變更而不斷演變。本文以81版《導(dǎo)則》頒布為時(shí)間點(diǎn)，全面回顧40年來湖北電網(wǎng)網(wǎng)架及穩(wěn)定特性的五個(gè)發(fā)展階段，分析各階段電網(wǎng)的主導(dǎo)穩(wěn)定模式，詳細(xì)闡述穩(wěn)定特性演變的原因，并結(jié)合今后特高壓直流、特高壓交流環(huán)網(wǎng)建設(shè)，展望未來2～3 年新的穩(wěn)定特性變化趨勢(shì)，相關(guān)穩(wěn)定管理經(jīng)驗(yàn)可為今后省級(jí)電網(wǎng)發(fā)展提供參考與借鑒。

1 湖北電網(wǎng)介紹

湖北電網(wǎng)是華中電網(wǎng)乃至全國(guó)互聯(lián)電網(wǎng)的中心。目前，通過1條1 000 kV交流線和10條500 kV省間交流聯(lián)絡(luò)線與華中各省電網(wǎng)互聯(lián)；通過4回±500 kV直流線與華東電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)，通過1回±500 kV直流線與南方電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)；通過2個(gè)±420 kV背靠背柔性直流換流站與西南電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)。

省內(nèi)500 kV 骨干網(wǎng)架以支撐“四大水電基地、一個(gè)負(fù)荷中心”為基礎(chǔ)構(gòu)建，并形成了典型的西電東送格局；220 kV 電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了10 個(gè)分區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行，110 kV 及以下電網(wǎng)以“手拉手”饋供方式靈活供電。

截至2019 年底，湖北電網(wǎng)220 kV 及以上交直流線路792 條，總長(zhǎng)度29 106.4 km，包括1 000 kV 特高壓交流線路1 條、跨境±800 kV 特高壓直流線路3 條、500 kV 交直流線路135 條、220 kV 交流線路653 條；220 kV 及以上變電站305 座，變壓器563 臺(tái)，容量12 792.85×104kVA，包括1 000 kV 變電站1 座、主變壓器2 臺(tái)，500 kV 變電（換流）站35 座、變壓器50 臺(tái)，220 kV 變電站269 座、變壓器511 臺(tái)；總裝機(jī)容量7 862.05×104kW，包 括 水 電3 678.51×104kW，占46.79%，火 電3 156.83×104kW，占40.15%，風(fēng) 電405.28×104kW，占5.15%，太陽(yáng)能621.43×104kW，占7.90%。

2 湖北電網(wǎng)40年發(fā)展及特性演變

1970 年代前，湖北電網(wǎng)以黃石老廠、青山老廠等小容量電廠為中心構(gòu)建110 kV 及以下就地平衡的電力系統(tǒng)；1970年以丹江電廠為基礎(chǔ)逐步構(gòu)建220 kV省內(nèi)平衡電力系統(tǒng)；1980-1990年代以葛洲壩電廠（即葛大江、葛二江電廠）為基礎(chǔ)構(gòu)建500 kV 省內(nèi)和省間電力系統(tǒng)，并初步實(shí)現(xiàn)跨區(qū)異步互聯(lián)［6］。進(jìn)入21 世紀(jì)后，我國(guó)以三峽電廠為基礎(chǔ)構(gòu)建全國(guó)電力系統(tǒng)，湖北電網(wǎng)也因此成為全國(guó)電網(wǎng)的中心。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，湖北電網(wǎng)最大用電負(fù)荷和裝機(jī)容量也不斷提升，到2019年全省最大用電負(fù)荷、裝機(jī)容量相比1980年代初分別增加了22.96倍和24.78倍。用電負(fù)荷和裝機(jī)容量的增加，使得湖北電網(wǎng)抵御故障沖擊的能力大幅提升，1982年后再未發(fā)生因穩(wěn)定破壞導(dǎo)致全省范圍內(nèi)的大面積停電事件；至2019 年，湖北電網(wǎng)已經(jīng)連續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行37 年。湖北電網(wǎng)用電負(fù)荷及裝機(jī)容量變化見圖1。

圖1 湖北電網(wǎng)用電負(fù)荷及裝機(jī)容量變化圖Fig.1 The change of power load and installed capacity in Hubei power grid

1981年以來，湖北電網(wǎng)發(fā)展歷程和電網(wǎng)穩(wěn)定特性變化大致可以分為五個(gè)階段。

2.1 第一階段（1981-1999 年）：成為華中4 省電網(wǎng)的中心，網(wǎng)架薄弱，穩(wěn)定破壞事故時(shí)有發(fā)生

為滿足武鋼1.7 m軋機(jī)投產(chǎn)的用電需要，鄂豫兩省電網(wǎng)于1979 年5 月20 日經(jīng)丹江水電廠220 kV 母聯(lián)開關(guān)并網(wǎng)運(yùn)行，從此拉開了湖北電網(wǎng)跨省聯(lián)網(wǎng)及華中電網(wǎng)發(fā)展的帷幕［7］。1983 年1 月26 日及1984 年1 月21日，鄂贛、鄂湘電網(wǎng)分別實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，湖北電網(wǎng)正式成為華中4省電網(wǎng)的中心。

到1989年，葛大江-雙河-鳳凰山三角形環(huán)網(wǎng)為基礎(chǔ)的葛大江外送系統(tǒng)基本形成，并匯同葛二江、丹江水電外送系統(tǒng)構(gòu)成了湖北500 kV 和220 kV 電網(wǎng)的基礎(chǔ)（見圖2），這一電網(wǎng)格局在后期12年基本保持不變。

圖2 1989年湖北電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure of Hubei power grid in 1989

1981-1989 年是湖北500 kV 電網(wǎng)形成的過渡期，均受長(zhǎng)距離、弱聯(lián)絡(luò)網(wǎng)架制約，且互為電磁環(huán)網(wǎng)，葛大江、葛二江、丹江水電外送系統(tǒng)穩(wěn)定水平偏低；同時(shí)，受網(wǎng)架薄弱和220/110 kV 電磁環(huán)網(wǎng)制約，鄂東電網(wǎng)電壓支撐能力不足，穩(wěn)定水平同樣偏低。三個(gè)水電外送系統(tǒng)和鄂東電網(wǎng)多次發(fā)生穩(wěn)定破壞事件［8-9］。1982 年8月7日，220 kV荊胡線因A相對(duì)樹枝放電跳閘，導(dǎo)致湖北電網(wǎng)穩(wěn)定破壞，并引發(fā)大面積停電，事故歷時(shí)48 min，負(fù)荷損失89.5×104kW；1983年5月21日，降壓220 kV運(yùn)行的500 kV葛鳳線發(fā)生低頻振蕩，鄂東電網(wǎng)損失負(fù)荷25.05×104kW；1987 年8 月11 日，220 kV 鳳下Ⅱ線停電檢修，鳳下Ⅰ線發(fā)生故障跳閘，大量功率由電磁環(huán)網(wǎng)轉(zhuǎn)至110 kV系統(tǒng)，引起鄂東電網(wǎng)失步振蕩并與湖北主網(wǎng)解列，損失負(fù)荷18×104kW。1995 年6 月24 日，湖北電網(wǎng)發(fā)生一起穩(wěn)定破壞未遂事故，500 kV雙鳳線A相故障跳閘重合成功，系統(tǒng)保持穩(wěn)定運(yùn)行；但事后仿真發(fā)現(xiàn)若當(dāng)時(shí)重合不成功，葛大江電廠暫態(tài)失穩(wěn)，即使葛大江電廠緊急投60×104kW 制動(dòng)電阻、切3臺(tái)機(jī)組，再聯(lián)切鄂東電網(wǎng)30×104kW時(shí)，鄂東電網(wǎng)仍會(huì)發(fā)生電壓崩潰。

1990 年代，隨著漢川、陽(yáng)邏、襄陽(yáng)、鄂州等電廠及青山熱電等30×104kW級(jí)別火電機(jī)組投產(chǎn)，武漢、襄陽(yáng)220 kV雙環(huán)網(wǎng)得以發(fā)展；為了提高葛二江水電的就地消納能力，宜昌南部、荊州南部220 kV 電網(wǎng)也逐漸加強(qiáng)。襄陽(yáng)220 kV 雙環(huán)網(wǎng)為丹江水電外送系統(tǒng)的中端提供了旋轉(zhuǎn)容量及電壓支撐，加之鄂西北地區(qū)及全省負(fù)荷的增長(zhǎng)，丹江水電外送系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定水平得以提升，電網(wǎng)再未發(fā)生因丹江水電外送系統(tǒng)故障引發(fā)的穩(wěn)定破壞事件。

1997 年3 月，500 kV 玉賢站π 入雙鳳線，省內(nèi)500 kV主網(wǎng)架由三角形環(huán)網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗倪呅苇h(huán)網(wǎng)，但電網(wǎng)格局基本維持不變。1998 年7 月，500 kV 雙玉Ⅱ線投產(chǎn)，原500 kV雙鳳線故障造成的暫態(tài)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)得以消除，但500 kV葛鳳線故障引發(fā)的暫態(tài)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)依然存在。1981-1989年湖北電網(wǎng)發(fā)展大事記見表1［10］。

表1 1981-1989年湖北電網(wǎng)發(fā)展大事記Table 1 The milestones of Hubei power grid from 1981 to 1989

2.2 第二階段（2000-2002 年）：成為華中6 ?。ㄊ校╇娋W(wǎng)的中心，網(wǎng)架仍然薄弱，跨省交互能力有限

2000 年7 月，500 kV 鳳凰山-南昌線路投產(chǎn)，鄂贛電網(wǎng)間實(shí)現(xiàn)500 kV 聯(lián)絡(luò)運(yùn)行；2001 年4 月，500 kV 斗笠-白河線路投產(chǎn)，鄂豫500 kV 電網(wǎng)間實(shí)現(xiàn)雙回線聯(lián)絡(luò)運(yùn)行；2002年5月，500 kV萬縣-龍泉線路投產(chǎn)，鄂渝電網(wǎng)間實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)。由于鄂湘、鄂贛、鄂豫電網(wǎng)之間弱聯(lián)絡(luò)的500/220 kV 電磁環(huán)網(wǎng)嚴(yán)重制約跨省輸送能力，1990年代已采用丹江電廠分母運(yùn)行、220 kV塘巴線熱備用等方式實(shí)現(xiàn)鄂豫、鄂湘電磁環(huán)網(wǎng)臨時(shí)解環(huán)運(yùn)行；500 kV鳳南線投產(chǎn)后，下柘線也采用熱備用方式運(yùn)行實(shí)現(xiàn)鄂贛電磁環(huán)網(wǎng)臨時(shí)解環(huán)運(yùn)行。省間電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)后，由于當(dāng)時(shí)省級(jí)電網(wǎng)負(fù)荷相對(duì)偏低且省間500 kV聯(lián)絡(luò)通道多為單線、長(zhǎng)距離聯(lián)絡(luò)，省與省電網(wǎng)之間的頻率穩(wěn)定與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問題較為突出［11-13］，省間電力實(shí)際交換能力偏低，單條500 kV省間聯(lián)絡(luò)線輸送功率一般不超過10×104kW。如湖北送江西電力24×104kW 時(shí)，500 kV 鳳南線跳閘，江西電網(wǎng)頻率低至48.9 Hz，引發(fā)低頻減載動(dòng)作；500 kV萬龍線投產(chǎn)后，川渝電網(wǎng)與華中其他4省電網(wǎng)構(gòu)成了首末端最大距離約2 500 km的長(zhǎng)鏈?zhǔn)?、弱?lián)絡(luò)交流同步電網(wǎng)，增加了華中電網(wǎng)弱阻尼、負(fù)阻尼振蕩風(fēng)險(xiǎn)。2002 年湖北電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖3 2002年湖北電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The structure of Hubei power grid in 2002

2000-2002 年，湖北電網(wǎng)發(fā)展仍十分緩慢，省內(nèi)500 kV 網(wǎng)架已12 年未發(fā)生大的結(jié)構(gòu)性變化，仍是由500 kV葛大江電廠及雙河、玉賢、鳳凰山變電站組成的四邊形環(huán)網(wǎng)構(gòu)成。葛大江、葛二江和原丹江水電外送系統(tǒng)仍還是湖北500 kV 和220 kV 主網(wǎng)架的基礎(chǔ)。受葛大江與葛二江外送系統(tǒng)、與原丹江外送系統(tǒng)兩個(gè)長(zhǎng)距離、弱聯(lián)絡(luò)電磁環(huán)網(wǎng)制約，湖北電網(wǎng)整體靜態(tài)穩(wěn)定水平仍偏低，暫態(tài)穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定問題共存，葛大江、葛二江外送系統(tǒng)及鄂東部分220 kV線路發(fā)生N-1 故障仍存在暫態(tài)失穩(wěn)或過載風(fēng)險(xiǎn)［14-15］，需要在較大范圍采取復(fù)雜的綜合穩(wěn)定控制措施方能保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。以葛大江外送系統(tǒng)為例，若鄂東220 kV電網(wǎng)開機(jī)較多（如7臺(tái)機(jī)），葛鳳線發(fā)生故障后，葛大江機(jī)組暫態(tài)失穩(wěn)，需葛大江投60×104kW 電氣制動(dòng)保持電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行；若鄂東220 kV電網(wǎng)開機(jī)較少（如4臺(tái)機(jī)），葛鳳線發(fā)生故障后，葛大江機(jī)組暫態(tài)失穩(wěn)、西電東送電磁環(huán)網(wǎng)潮流過載、鄂東部分220 kV 變電站電壓崩潰，需切除葛大江3～4 臺(tái)機(jī)組和鄂東30×104kW 負(fù)荷確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定。

進(jìn)入21 世紀(jì)，恩施、十堰（除丹江供區(qū)）水電開始培育發(fā)展［16］，但恩施、十堰電網(wǎng)都是經(jīng)過長(zhǎng)距離、弱聯(lián)絡(luò)的220 kV輸電線路與湖北主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)，特別是恩施電網(wǎng)僅通過一條179 km的220 kV線路與湖北主網(wǎng)相聯(lián)，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定問題長(zhǎng)期存在，且基本上缺少有效的解決措施［17］。

2.3 第三階段（2003-2008年）：成為全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的中心，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，跨省、區(qū)交互能力大幅提升

2003 年7 月10 日，三峽左岸電廠首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)，標(biāo)志著以三峽工程為中心，構(gòu)建全國(guó)統(tǒng)一電力系統(tǒng)時(shí)代的到來。2003 年9 月，華中、華北聯(lián)網(wǎng)工程投產(chǎn)，東北-華北-華中交流同步電網(wǎng)形成；2004 年4 月，±500 kV 江城直流投產(chǎn)，華中與南方電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)異步互聯(lián)；2005 年6 月，靈寶背靠背直流投產(chǎn)，華中與西北電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)異步互聯(lián)。至此，我國(guó)主要電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了全國(guó)互聯(lián)，湖北電網(wǎng)也正式發(fā)展成為全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的中心。

為配合三峽電廠初期規(guī)劃的26臺(tái)70×104kW機(jī)組順利投產(chǎn)，湖北電網(wǎng)進(jìn)入高速發(fā)展期。2003-2008年，全省500 kV 變電（換流）站由“6 站7 變”增至“20 站24變”，500 kV 交直流線路由37 條增至89 條，500 kV 跨省交流線達(dá)到13條、跨區(qū)直流線達(dá)到4條；三峽水電外送系統(tǒng)基本成型，并匯同葛大江外送系統(tǒng)發(fā)展演變?yōu)楹彪娋W(wǎng)的“中堅(jiān)”。2005 年湖北500 kV 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。

圖4 2005年湖北500 kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The structure of Hubei 500 kV power grid in 2005

隨著跨省、跨區(qū)交流通道的加強(qiáng)，鄂豫、鄂湘、鄂贛、渝鄂省間電力交互能力分別達(dá)到400×104、260×104、180×104、260×104kW。省內(nèi)500 kV西電東送線路由3條提升至7條，葛大江與葛二江、與丹江外送系統(tǒng)間的耦合關(guān)系大幅下降。500 kV江陵、興隆站投產(chǎn)后，葛二江-沙市-潛江-沔陽(yáng)-武漢220 kV 聯(lián)絡(luò)通道被“隔”為三段；500 kV樊城站投產(chǎn)后，丹江-襄陽(yáng)-隨縣-孝感220 kV聯(lián)絡(luò)通道被“隔”為兩段；湖北電網(wǎng)西電東送長(zhǎng)鏈?zhǔn)?、弱?lián)絡(luò)電磁環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)得以改善，加之鄂西、鄂西北負(fù)荷快速增長(zhǎng)，葛二江、丹江電廠水電全部實(shí)現(xiàn)就近、就地消納，不再向鄂東負(fù)荷中心遠(yuǎn)距離供電。鄂西、鄂西北小水電裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大，促進(jìn)了恩施、十堰500 kV電網(wǎng)的快速發(fā)展；至2008年10月，恩施電網(wǎng)通過500 kV 恩施站2 臺(tái)75×104kVA 主變壓器與主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)、十堰電網(wǎng)通過500 kV 十樊線與220 kV 汾當(dāng)線、襄龍線與主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)，在配置切機(jī)穩(wěn)定控制措施時(shí)，均能滿足裝機(jī)約150×104kW 小水電的外送需求。鄂東負(fù)荷中心電網(wǎng)由以武漢為中心的220 kV 雙環(huán)網(wǎng)發(fā)展成為涵蓋鄂東5個(gè)地市的500 kV雙環(huán)網(wǎng)；陽(yáng)邏三期、大別山電廠等60×104kW級(jí)別火電機(jī)組接入鄂東500 kV雙環(huán)網(wǎng)，提升了末端負(fù)荷中心的電壓支撐能力。自此以三峽、葛洲壩（含隔河巖）、恩施（含水布埡）、十堰等四大水電外送系統(tǒng)和500 kV 鄂東雙環(huán)網(wǎng)為基礎(chǔ)的湖北電網(wǎng)主網(wǎng)架基本形成。2008 年湖北500 kV 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖5。

圖5 2008年湖北500 kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 The structure of Hubei 500 kV power grid in 2008

這一時(shí)期，由于電網(wǎng)快速發(fā)展，電網(wǎng)穩(wěn)定特性發(fā)生根本性變化：

1）短路電流超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)逐漸暴露［18］。500 kV 電網(wǎng)快速發(fā)展造成電磁環(huán)網(wǎng)數(shù)目大幅增加，但220 kV電網(wǎng)分區(qū)運(yùn)行難度較大，至2008 年全省220 kV 電網(wǎng)僅分4個(gè)區(qū)運(yùn)行，導(dǎo)致部分220 kV母線短路電流水平超標(biāo)，需采用電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)或削弱等措施共同抑制系統(tǒng)短路電流水平。如2008年，500 kV玉賢站220 kV母線短路電流達(dá)到53.1 kA，通過開斷220 kV玉家線和袁徐線實(shí)現(xiàn)了鄂東-鄂西電網(wǎng)解環(huán)，通過220 kV 漢熊線改接至漢川B廠并開斷漢玉Ⅰ線削弱了武漢-孝感電磁環(huán)網(wǎng)，才將玉賢站220 kV母線短路電流降至48.6 kA。

2）動(dòng)態(tài)穩(wěn)定水平大幅提升。由于500 kV 省間交流聯(lián)絡(luò)通道的不斷加強(qiáng)，湖北乃至華中電網(wǎng)整體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定水平相比2002年大幅提升，湖北電網(wǎng)與外網(wǎng)不再存在弱阻尼的區(qū)間振蕩模式。恩施、十堰電網(wǎng)與湖北主網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了500 kV 聯(lián)絡(luò)后，鄂西、鄂西北電網(wǎng)再未發(fā)生因小水電機(jī)組或機(jī)群擾動(dòng)引發(fā)的強(qiáng)迫或自激振蕩。三峽電廠26臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)過程中，湖北電網(wǎng)逐漸出現(xiàn)了兩類新的振蕩模式，即三峽左岸電廠與右岸電廠、三峽左岸或右岸電廠與葛洲壩電廠的振蕩模式，這兩類振蕩的頻率為0.8～0.9 Hz，阻尼比約5%～6%，都屬于較強(qiáng)阻尼的就地振蕩模式。

3）暫態(tài)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)基本消除。500 kV 斗孝Ⅰ線投產(chǎn)后，葛大江外送系統(tǒng)已不存在N-1 暫態(tài)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)；500 kV朝陽(yáng)站投產(chǎn)后，葛大江系統(tǒng)送端增加了一個(gè)暫態(tài)能量的疏散通道，即使葛雙Ⅰ/Ⅱ線或雙玉Ⅰ/Ⅱ線發(fā)生同桿故障跳閘，系統(tǒng)仍能保持暫態(tài)穩(wěn)定，葛大江外送系統(tǒng)輸送能力的確定已由暫穩(wěn)約束轉(zhuǎn)為熱穩(wěn)約束。500 kV 江陵站投產(chǎn)后，葛二江外送系統(tǒng)也不再存在N-1 暫態(tài)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。500 kV 鄂東雙環(huán)網(wǎng)建成后，鄂東電網(wǎng)電壓支撐能力大幅提高，鄂東500/220 kV 電網(wǎng)即使發(fā)生N-2故障，也不存在暫態(tài)失穩(wěn)或電壓失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。湖北電網(wǎng)除三峽電廠在分母運(yùn)行時(shí)第一級(jí)和部分第二級(jí)外送斷面發(fā)生N-2 故障存在三峽機(jī)組失步風(fēng)險(xiǎn)外（可通過切機(jī)措施恢復(fù)功角穩(wěn)定），已基本不存在暫態(tài)穩(wěn)定問題。

4）局部斷面或地區(qū)供電卡口風(fēng)險(xiǎn)逐漸凸顯。2003年后，熱穩(wěn)定問題逐漸成為影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的主要矛盾。受500 kV變電容量不足、負(fù)荷快速增長(zhǎng)、電磁環(huán)網(wǎng)卡口等因素影響，多個(gè)局部地區(qū)電力供應(yīng)緊張。如2007 年8 月9 日，通過陽(yáng)邏A 廠分母、恢復(fù)220 kV 陽(yáng)花Ⅰ/Ⅱ線運(yùn)行、并倒陽(yáng)邏A 廠一臺(tái)30×104 kW向鄂東江南電網(wǎng)供電等措施，才基本滿足鄂東江南電網(wǎng)的度夏期間的供電需求。

2.4 第四階段（2009-2018年）：進(jìn)入特高壓時(shí)代，電網(wǎng)不斷完善，與全國(guó)電網(wǎng)的一體化特征凸顯

2009年1月，1 000 kV長(zhǎng)治-南陽(yáng)-荊門特高壓交流試驗(yàn)示范工程投產(chǎn)，標(biāo)志著湖北電網(wǎng)邁入特高壓互聯(lián)電網(wǎng)時(shí)代。2009 年7 月，500 kV 咸夢(mèng)Ⅱ線投產(chǎn)；2011 年5月，配合三峽地下電站（右三電站）投產(chǎn)，±500 kV林楓直流投產(chǎn)；湖北電網(wǎng)跨省、跨區(qū)交直流輸電線路達(dá)到20條，位列全國(guó)第一，其西電東送、南北互濟(jì)能力進(jìn)一步得以提升（見圖6）。2012年5月，三峽電廠32臺(tái)合計(jì)2 240×104kW機(jī)組全部投產(chǎn)，湖北作為全國(guó)聯(lián)網(wǎng)中心的地位也進(jìn)一步得以加強(qiáng)。

圖6 2009年湖北500 kV及以上電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 The structure of Hubei 500 kV and above power grid in 2009

2009-2018 年，湖北電網(wǎng)裝機(jī)容量增加約50%，220 kV 及以上變電容量提升93%，220 kV 及以上線路數(shù)目增加34%；電源、電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大造成系統(tǒng)短路容量不斷提升，500/220 kV 電網(wǎng)短路電流超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)共存，短路電流超標(biāo)逐步成為影響湖北電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的主要矛盾。為抑制系統(tǒng)短路電流水平，500 kV電網(wǎng)采取了宜江Ⅰ/Ⅱ線改接至興隆站（2010年）、林江Ⅰ/Ⅱ線加串抗（2016 年）、玉賢站老舊開關(guān)更換（2018年）、拉開中開關(guān)等措施，220 kV電網(wǎng)采取了（光谷、磁湖、興隆、玉賢、花山等站）220 kV母線分母、電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)、拉停線路等措施。2009年，500 kV孝感2號(hào)變投產(chǎn)，武漢江北電網(wǎng)與鄂西/鄂西北電網(wǎng)解環(huán)，湖北220 kV電網(wǎng)分5片運(yùn)行，即武漢江北、鄂東江南、恩施、鄂西/鄂西北等分區(qū)電網(wǎng)及龍泉饋供區(qū)；到2018 年底，湖北220 kV 分區(qū)電網(wǎng)達(dá)到10 個(gè)，分別為武漢江北東、武漢江北西、黃石黃岡、鄂州-武昌北、咸寧-武昌南、孝感、恩施、鄂西北（襄-十-隨）、鄂西（宜-荊-荊）等分區(qū)電網(wǎng)及龍泉饋供區(qū)。

2009-2010 年，鄂州二期（2×60×104kW）、西塞山二期3 號(hào)機(jī)（1×68×104kW）等大容量火電機(jī)組相繼投產(chǎn)，60×104kW 級(jí)別火電機(jī)組接入系統(tǒng)開始“下移”至220 kV電網(wǎng)。2013年，鄂州二期兩臺(tái)機(jī)組從60×104kW增容至65×104kW；2014 年，西塞山二期4 號(hào)機(jī)（1×68×104kW）投產(chǎn)，一類新的穩(wěn)定問題逐漸暴露出來［19］，即60×104kW級(jí)別火電機(jī)組接入的220 kV分區(qū)電網(wǎng)暫態(tài)失穩(wěn)與短路電流超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)共存，由于系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平與短路容量成正比關(guān)系，所以這類穩(wěn)定問題的治理難度極大，相關(guān)分區(qū)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行嚴(yán)重依賴安全自動(dòng)裝置。

2009-2018 年，湖北500/220 kV 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不斷完善，系統(tǒng)穩(wěn)定水平進(jìn)一步提升，除鄂州-武昌北、黃石黃岡、鄂西荊州220 kV 電網(wǎng)因60×104kW 級(jí)別火電機(jī)組接入存在N-1、N-2 或母線故障導(dǎo)致的暫態(tài)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)（可通過切機(jī)措施恢復(fù)穩(wěn)定）外，湖北全網(wǎng)的穩(wěn)定性水平仍主要受制于熱穩(wěn)定約束。多個(gè)500 kV 變壓器下網(wǎng)因N-1 過載存在卡口風(fēng)險(xiǎn)，造成迎峰度夏期間鄂東多個(gè)分區(qū)電網(wǎng)供電緊張。鄂西、鄂西北地區(qū)多個(gè)水電外送通道也因熱穩(wěn)定約束存在棄水風(fēng)險(xiǎn)；如十堰、恩施水電外送系統(tǒng)外送能力分別為90×104 及100×104kW，但通道外送需求卻達(dá)到（120～140）×104kW；葛二江外送系統(tǒng)的220 kV遠(yuǎn)雙線、坡掇線在豐水期長(zhǎng)期存在越限風(fēng)險(xiǎn)；宜昌南部小水電經(jīng)500 kV 朝陽(yáng)站“上網(wǎng)”，造成500 kV葛大江外送系統(tǒng)存在越限風(fēng)險(xiǎn)。

2010 年6-7 月，±800 kV 云廣、復(fù)奉特高壓直流工程先后建成投產(chǎn)，標(biāo)志著我國(guó)進(jìn)入特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)時(shí)代。由于1 000 kV長(zhǎng)-南-荊特高壓交流工程與多個(gè)特高壓直流工程及華北-華中同步電網(wǎng)內(nèi)部多個(gè)500 kV交流通道存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，湖北電網(wǎng)作為電網(wǎng)全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的中心與多個(gè)省、區(qū)電網(wǎng)之間呈現(xiàn)強(qiáng)耦合、強(qiáng)交互特征［20-21］。如湖北送華東的±500 kV葛南、龍政、宜華、林楓直流與四川送華東的±800 kV 錦蘇、復(fù)奉、賓金特高壓直流同時(shí)換相失敗時(shí)，將對(duì)華中電網(wǎng)產(chǎn)生3 176×104kW 的功率沖擊，會(huì)造成1 000 kV 長(zhǎng)南線或500 kV渝鄂聯(lián)絡(luò)通道解列，進(jìn)而引發(fā)更大范圍的連鎖故障，湖北電網(wǎng)也隨之會(huì)發(fā)生頻率或電壓失穩(wěn)事件。

2.5 第五階段（2019 年至今）：渝鄂異步聯(lián)網(wǎng)，三峽近區(qū)電網(wǎng)穩(wěn)定特性發(fā)生深刻變化

2019年7月，世界上電壓等級(jí)最高、輸送容量最大的±420 kV 渝鄂背靠背柔性直流工程投運(yùn)，總?cè)萘?00×104kW，其中施州背靠背直流（2×125×104kW）、宜昌背靠背直流（2×125×104kW）分別落點(diǎn)在渝鄂聯(lián)絡(luò)線南、北通道上，湖北電網(wǎng)跨省、跨區(qū)交直流輸電線路仍為20條。渝鄂背靠背柔性直流工程投產(chǎn)，消除了特高壓直流多次換相失敗或原華中送華東的7條特高壓/超高壓直流同時(shí)換相失敗引發(fā)的重大連鎖性安全風(fēng)險(xiǎn)。西南電網(wǎng)與華中電網(wǎng)異步運(yùn)行后，湖北電網(wǎng)失去了兩個(gè)交流暫態(tài)能量的疏散通道，導(dǎo)致三峽近區(qū)、恩施近區(qū)電網(wǎng)動(dòng)態(tài)、暫態(tài)穩(wěn)定水平下降［22-28］。如三峽電廠開機(jī)大于22臺(tái)機(jī)時(shí)，受制于500 kV龍斗、漁宜、江興斷面發(fā)生N-1故障時(shí)，三峽電廠、恩施水電機(jī)組會(huì)發(fā)生暫態(tài)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)；500 kV 峽林?jǐn)嗝姘l(fā)生N-1 故障或林江斷面發(fā)生N-2 故障時(shí)，會(huì)出現(xiàn)恩施水電機(jī)組與三峽電廠負(fù)阻尼振蕩模式。通過調(diào)整三峽右三電廠機(jī)組PSS 參數(shù)、完成恩施小水電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)實(shí)測(cè)建模與參數(shù)優(yōu)化工作后，渝鄂異步聯(lián)網(wǎng)后的負(fù)阻尼振蕩風(fēng)險(xiǎn)得以化解，但三峽近區(qū)電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定水平仍難以提高。2019 年湖北500 kV及以上電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖7。

圖7 2019年湖北500 kV及以上電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 The structure of Hubei 500 kV and above power grid in 2019

渝鄂背靠背柔性直流工程投產(chǎn)后，湖北500 kV電網(wǎng)短路電流水平有升有降，這一特性改變了以往“通過直流聯(lián)網(wǎng)不會(huì)對(duì)被連交流系統(tǒng)短路電流水平產(chǎn)生影響”的認(rèn)識(shí)。2019 年，湖北電網(wǎng)繼續(xù)實(shí)施短路電流治理工作，在完成500 kV 咸寧和鳳凰山站老舊50 kA 開關(guān)更換、500 kV光谷4號(hào)變更換為高阻抗變壓器后，湖北電網(wǎng)暫時(shí)消除了500 kV 電網(wǎng)短路電流超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。2019 年度夏期間，受熱穩(wěn)定約束，局部地區(qū)的供電卡口依然突出。咸寧-武昌南、武漢江北西片區(qū)及荊州、黃岡、隨州地區(qū)采取了有序用電（29 d合計(jì)錯(cuò)避峰電量1 808×104kW·h）方能保證安全可靠供電。為緩解局部地區(qū)供電卡口風(fēng)險(xiǎn)，2020年將新增500 kV兩座，4個(gè)500 kV變電站進(jìn)行增容改造，累計(jì)新增500 kV變電容量595×104kVA。

3 未來2～3 年電網(wǎng)發(fā)展及特性變化趨勢(shì)展望

未來2～3 年，伴隨著±800 kV 陜北～武漢特高壓直流、華中1 000 kV特高壓交流環(huán)網(wǎng)兩項(xiàng)重大工程投產(chǎn)，湖北電網(wǎng)格局和穩(wěn)定特性將發(fā)生全局性重大變化。華中1 000 kV 特高壓交流環(huán)網(wǎng)“拉近”了湖北電網(wǎng)與河南、江西、湖南電網(wǎng)的電氣聯(lián)系，華中全網(wǎng)短路電流超標(biāo)廠站呈“爆發(fā)式”增長(zhǎng)，武漢特高壓換流站配套建設(shè)8 條500 kV 線路，鄂東電網(wǎng)短路電流水平進(jìn)一步惡化［29］。初步仿真計(jì)算表明，近15 個(gè)變電站500 kV 母線短路電流水平嚴(yán)重超標(biāo)，荊門站、武漢站500 kV 母線短路電流甚至達(dá)到了82 kA和75 kA，遠(yuǎn)超目前開關(guān)最大63 kA 的遮斷能力。打開省間1 000/500 kV 電磁環(huán)網(wǎng)是降低短路電流的一項(xiàng)重要措施，但是省間電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)會(huì)造成整個(gè)華中電網(wǎng)的振蕩模式、潮流匯集與疏散模式發(fā)生重大變化，反過來會(huì)導(dǎo)致省間交互能力下降；鄂湘電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)甚至還會(huì)造成三峽外送系統(tǒng)的穩(wěn)定特性發(fā)生變化。由于武漢特高壓換流站位于鄂東電網(wǎng)北部，400×104～800×104kW 電力經(jīng)陜武直流注入后，受鄂東過江斷面N-2熱穩(wěn)定約束制約，500 kV鄂東雙環(huán)網(wǎng)疏散特高壓直流注入電力的能力嚴(yán)重不足。2022 年湖北500 kV 及以上電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖8。

圖8 2022年湖北500 kV及以上電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 The structure of Hubei 500 kV and above power grid in 2022

未來2～3 年，省內(nèi)500 kV 電網(wǎng)將完善渝鄂工程湖北配套工程建設(shè)以化解三峽近區(qū)電網(wǎng)的暫態(tài)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，500 kV 建始-朝陽(yáng)、宜都-朝陽(yáng)（漁宜線改接）線路投產(chǎn)后，三峽外送系統(tǒng)與葛洲壩-恩施外送系統(tǒng)在送端解耦，進(jìn)一步降低了葛洲壩、恩施機(jī)組與三峽機(jī)組的振蕩風(fēng)險(xiǎn)［30］。500 kV 建始-朝陽(yáng)、十堰-臥龍線路投產(chǎn)，恩施、十堰水電外送能力將進(jìn)一步提升；500 kV編鐘-孝感線路投產(chǎn)，省內(nèi)500 kV 西電東送能力得以提高，十堰水電具備了向鄂東電網(wǎng)供電的能力。

4 結(jié)語(yǔ)

1981 年至今，湖北電網(wǎng)與外省電網(wǎng)由初期的220 kV弱聯(lián)系交流互聯(lián)模式逐步發(fā)展成為涵蓋多個(gè)電壓等級(jí)、交直流混合的互聯(lián)模式，未來2～3年，跨省、跨區(qū)互聯(lián)通道將由目前的20條發(fā)展至28條，無論在種類還是數(shù)量上，湖北電網(wǎng)跨省、跨區(qū)互聯(lián)規(guī)模仍將位列全國(guó)省級(jí)電網(wǎng)首位。縱觀湖北電網(wǎng)穩(wěn)定特性40 年的演變過程，可以發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)互聯(lián)方式、互聯(lián)規(guī)模的改變是電網(wǎng)穩(wěn)定形態(tài)及特性發(fā)生變化的根本原因；1981 年以來，湖北電網(wǎng)省內(nèi)電網(wǎng)圍繞著丹江電廠、葛洲壩電廠、三峽電廠不斷完善主網(wǎng)架建設(shè)，電源結(jié)構(gòu)的變化也是電網(wǎng)穩(wěn)定形態(tài)及特性發(fā)生改變的主要原因之一；正如新版《導(dǎo)則》指出“合理的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和電源結(jié)構(gòu)是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)的基礎(chǔ)”。目前，湖北省內(nèi)新能源發(fā)電裝機(jī)已突破1 000×104kW；隨著國(guó)家能源生產(chǎn)與消費(fèi)轉(zhuǎn)型，火電機(jī)組建設(shè)逐漸趨緩，依托特高壓直流接受外來電力的需求日益增加；因此，今后湖北電網(wǎng)的發(fā)展也要充分考慮電網(wǎng)互聯(lián)方式、電源結(jié)構(gòu)變化，以改善和化解全局性穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)為目標(biāo)，不斷完善、優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。