大受端城市電網若干安全問題及對策

王 偉,馬鴻杰,金敏杰

(上海市電力公司電力調度通信中心,上海 200122)

1 引言

現代化城市的正常運轉愈來愈依賴于可靠的電力供應,一旦發生電力供應癱瘓,對社會穩定造成的沖擊和經濟發展造成的損失無法估量。而與西電東輸、西氣東輸等全國范圍內的資源優化配置以及“上大壓小”、節能減排等能源政策相適應,現代城市電網受端電網特征逐漸凸現,因此如何確保像上海這樣的國際化大都市典型大受端城市電網的安全、可靠供電,盡最大可能避免大面積停電事故的發生,對促進社會和經濟的可持續發展具有十分重要的意義。

2 大受端城市電網的特點及安全問題

2.1 城市電網負荷的供電需求

現代化城市建設往往以建成政治、經濟、金融、貿易和航運中心為主要目標,與之相適應的堅強電網也逐步呈現出大都市的負荷特性,主要表現在以下兩個方面。

(1)供電可靠性要求高 由于承擔著國家社會重要活動、特殊時期電力供應保障以及民計民生等工作的政治、經濟敏感性,加之當前電網規劃、設計的“N-1”準則已不能滿足實際運行及安全保電要求,往往需要考慮“N-2”及以上的電力可靠供應。

(2)電能質量要求高 城市交通、精密生產、高危行業等負荷,不僅對正常的電網電壓、頻率質量提出了較高標準,同時對電網事故的快速發現、隔離和恢復提出了更高要求,一旦不能及時有效地處置供電中斷事件,將可能連鎖引發較大的人身、財產、安全事故和造成惡劣的社會影響。

2.2 供電面臨的困境及安全問題

與城市用電負荷對電網的安全、可靠、優質供電提出的需求相矛盾的是,大受端城市電網由于其“大受端”以及“現代化城市”的固有特征,導致在電網的安全運行方面,可能存在若干安全問題,發生大面積停電的風險客觀存在。

2.2.1 城市電網通道相對集中問題

城市電網地區面積狹小,網內線路走廊資源匱乏,輸電線路多以同塔緊湊型結構為主,上海電網220 kV及以上主網同塔四回線現象亦不乏少見。此外,城市電網對外電氣上雖可能存在多回聯絡線路,但受制于實際物理通道,部分聯絡線路通道集中、間距相鄰較近,由于自然災害等因素引發同時失卻多回輸電通道,即發生“N-2”及以上電網事故的可能性依然存在,且其發生概率也在逐漸增加,這些問題不解決,都將嚴重威脅電網的安全、穩定運行。例如:2004年8月16日,受龍卷風的突然襲擊,上海電網500 kV黃渡站向上海市中心城區送電的6回220 kV線路跳了5回; 2007年7月27日,上海電網對外聯絡的葛南、宜華直流以及落點江蘇政平的龍政直流系統,因為武漢市黃陂區龍卷風,導致3回直流系統14 m in內相繼發生單極閉鎖事故。

2.2.2 全網受電安全性問題

隨著電網的發展、國家能源戰略以及電網發展規劃的深入開展,城市電網受制環保以及電廠廠址資源日漸緊張等因素,作為互聯電網末端的城市電網,外部受電比例的逐年增加以及交直流混合送電成為可預見的發展趨勢,電網規劃網架建設的相對滯后,導致的階段性受電安全問題,已經成為威脅大受端城市電網安全、可靠供電的主要“瓶頸”之一,其主要原因基于以下幾個方面:

(1)直流輸電相當于“點對網”送電,幾乎無吞吐能力。從受電電網側看如同一個大電源,一旦直流失卻或閉鎖,所缺額的功率會瞬間從交流通道涌入,這就要求交流通道為直流通道預留足夠的事故備用容量,否則將會出現連鎖反應,危害整個大受端電網的安全,發生大面積停電事故。目前,上海電網由于6回交流受電通道的實際有效受電能力僅為550～620萬kW,倘若用電負荷高峰期間復奉直流滿送并雙極閉鎖跳閘,那么由于潮流轉移,很可能導致上海電網全網交流受電通道超出供電能力。

(2)大受端電網的電氣聯系一般相當緊密, 500 kV系統形同一組“大母線”,交直流系統之間關聯性很強,交流系統故障引發的電壓跌落,如果故障未及時切除、電壓在連續多個周波中未及時恢復,很可能引發直流系統的閉鎖跳閘。

(3)外來受電通道由于在局部地段物理距離緊湊且十分貼近,倘若由于飚線風、泥石流等自然災害原因導致同時失卻,將造成大受端城市電網大量的功率缺額,若無有效應對措施,則極易導致發生大面積停電事故。

2.2.3 局部分區電網受電安全性問題

電網分層、分區運行是城市電網發展過程中必然經歷的過程,而城市電網由于地區負荷增長的快速性、不均衡性、“上大壓小”的推進、發電機組電源分布的不均衡及地區電網建設受阻造成的網架相對滯后性,導致城市分區電網受電比例逐年增加,受電安全性問題突出。

上海電網從1994年開始有計劃地實施分層分區運行,至2010年已分別以500 kV變電站為中心形成十大分區電網運行。而2010年夏季高峰,上海電網將近一半左右的供電分區存在主網電力平衡但供電分區受不進的問題,雖在多個220 kV分區電網多次實施用電控制極端措施,確保了220 kV分區電網的安全運行,但若發生分區500 kV主變“N-2”及以上故障,則將可能出現分區孤網運行或局部電網被“黑”的不利局面。

2.2.4 短路電流超標問題

由于受地域限制,城市電網多數呈現密集型電網特征,主要表現在電源集中、負荷集中、電氣聯系緊密。隨著城市電網網架的日趨緊密和新電源的陸續投產,電網短路容量問題日趨嚴重。例如:上海電網500 kV網架正常為雙環網,但由于黃渡、楊高等部分500 kV站短路電流超標,必須拉停500 kV線路,采用維持單環運行或解環運行的方式來限制短路電流。500 kV主網方式的調整措施,一是降低電網安全運行的可靠性,增加了電網運行的復雜性,尤其在發生重要線路故障跳閘或者設備缺陷檢修的情況下,電網輸電能力將大幅下降,大大削弱電網抗風險的能力;二是分層分區220 kV電網運行,完全依賴于500 kV主網架的安全性,500 kV主網方式的薄弱,必將導致220 kV分區電網的整體安全可靠性降低。

2.2.5 電網調峰矛盾問題

城市電網由于產業結構調整和居民生活水平提高,商業、居民負荷比重逐年增加。例如:上海電網2010年空調負荷比例已達45%左右,導致城市用電負荷對季節和天氣敏感度大,較大程度地增加了城市電網的負荷預測、電網調峰等電力平衡工作的難度。同時,市外受電電力多以大段階梯式調峰,很難跟蹤實際負荷變化,且目前部分跨區直流運行方式不參與系統調峰,這部分調峰任務將轉嫁到本地發電機組,因此進一步增加了城市電網的調峰壓力。

此外,受端城市電網為配合“西氣東輸”等戰略,建設了一定容量以天然氣為燃料的天然氣發電機組,一旦氣電聯調不理想,則將導致電網為天然氣供氣過剩或供氣不足而被迫增加調峰的局面,城市電網調峰問題將更加嚴峻。上海電網極端情況下,部分時段甚至需調停600 MW乃至1GW容量的發電機組用以渡過難關。

2.2.6 熱穩定及電壓穩定問題

大受端城市電網由于電氣聯系緊密,功角及小干擾穩定問題并不突出,主要表現為熱穩定和電壓穩定問題,其中由于空調負荷比例的逐年增加,動態無功補償相對不足,電壓問題尤其是動態電壓穩定問題逐步凸現。例如:日本東京電網為典型的大都市電網,1987年7月23日由于氣候炎熱,空調負荷逐步攀升,而當時東京電網缺乏無功功率緊急備用,導致電壓逐步下降,由于未采取緊急切負荷等措施,引發電壓崩潰,造成事故停電816萬kW、影響280萬戶用戶、最長停電時間超過3 h的嚴重后果。

3 大受端城市電網的安全對策

大受端城市電網運行的復雜性,決定了電網安全防御的復雜性。針對大受端城市電網安全、可靠、優質供電的高需求,以及前述可能存在的若干安全問題、大面積停電的風險,可在智能電網的總體框架下,從以下幾方面積極開展有關工作加以應對。上海電網已先期開展了部分工作。

3.1 適當提高標準優化電源和電網規劃

針對大受端城市電網發生“N-2”及以上故障概率相對大的事實,結合目前國家社會重要活動、特殊時期電力供應保障以及民計民生等對高供電可靠性的需求,應在兼顧投資的基礎上,適當提高規劃標準,為大電網安全和重要用戶供電安全,創造更為良好的條件。例如:美國Con-Edison公司為確保紐約曼哈頓區的供電可靠性,按照“N-2”標準,采取了正常3臺主變運行、1臺主變熱備用及1臺主變冷備用的供電方案。一旦運行主變故障,熱備、冷備主變可隨時投入運行。

3.2 研究建設城市電網安全預防體系

城市電網安全預防體系旨在監視及預警電網狀態、優化電網運行方式、強化應急處置能力,力保不出電網事故。在建設、完善能量管理系統(EMS)的電網安全預警及可視化等高級應用功能以及加強事故預案和各類反事故演練等工作的基礎上,針對大受端城市電網的特點,城市電網安全預防體系建設還可重點突出以下4個方面的工作。

(1)研究建設氣象信息預警系統 建立電力公司與氣象部門聯動機制,研究建設氣象信息預警系統,為提升負荷預測水平提供依據,同時為應對嚴重自然災害天氣做好預警工作。目前,已完成上海網內的氣象信息平臺的研究和建設,鑒于受電通道狀態對上海電網安全的至關重要性,下階段將進一步研究建設受電通道全路徑的氣象信息預警系統。

(2)研究建設電壓和頻率協調控制系統 研究建設電壓和頻率協調控制系統,優化電網電壓、頻率品質,并預留充足的安全裕量。上海電網研究建設的自動能量管理系統(AEMS),基于混成控制理論,目標可實現電壓、頻率的自趨優控制,目前電壓控制系統已投入閉環運行。

(3)研究建設智能調峰系統 開展智能調峰系統的框架、方案研究和建設,基于天然氣、常規燃煤、新能源等燃料、機組特點和特性,研究氣電聯調、直流調峰等機制,使得天然氣調峰、直流受電、新能源的運行等符合城市電網調峰標準要求,峰谷比符合城市電網的負荷特點。開展鈉流電池等新型儲能設備以及電動汽車充電站等對電網調峰的可行性研究。最終形成符合大受端城市電網客觀安全運行要求、科學合理、節能環保、和諧共贏的智能調峰系統。

(4)研究建設智能負荷量測、分析和控制系統

基于智能電網高級量測體系的思想,通過有機整合上海電網EMS、電能質量監測系統、基于同步相量測量裝置(PMU)的電網動態監測系統和即將布點的智能電能表網絡數據等資源,獲取和綜合處理電網的狀態信息,進而建成全實時、多時域、多層次的負荷特性研究數據源平臺,形成城市電網智能負荷量測系統。以此平臺為基礎,在綜合城市電網商業負荷、鋼鐵負荷、智能小區負荷等特性基礎上,通過在線參數辨識、實測和仿真比較,建立分層分區分類綜合負荷模型,形成城市電網智能負荷分析系統。最終通過有機整合城市電網電壓/頻率控制系統、電能質量監測系統以及智能電能表網絡等,建成可實現電網穩定、電能質量、節能降耗、低碳綠色發展等多目標優化的城市電網智能負荷控制系統。

3.3 研究建設城市電網快速救治體系

城市電網快速救治體系旨在快速發現故障、防止事故擴大、縮小事故影響范圍。除建設完善電力應急搶修指揮系統外,還應重點做好以下4個方面工作:

(1)研究建設繼電保護與故障信息管理系統

快速識別故障是調度事故及時處置的基礎,通過研究建設繼電保護與故障信息管理系統,提供一個規范的全網繼電保護故障信息數據中心,并對微機保護、故障錄波器提供統一的分析平臺,可幫助調度中心全面、快捷獲取故障信息,迅速作出事故處理方案、優化生產調度與管理決策。

上海電網已建設完成的繼電保護與故障信息管理系統,已在11個220 kV分區,58個220 kV發電廠、變電站部署了信息子站,全網220 kV廠、站的繼電保護信息子站覆蓋率為55%。該系統在2010年11月26日星山2219線B相故障中,為調度人員在故障后2 m in內迅速做出故障點判別、為超高壓公司提升巡線效率,大幅提高電網事故應急處置速度發揮了重要作用。

(2)精細化負荷控制手段 大受端城市電網主要面臨熱穩定和電壓穩定問題,而其最有效的應對措施是對本地負荷的拉停控制。因此,為使調度事故處理時有所依據,需要每年滾動編制調度負荷控制名單,并經市政府相關部門批準執行,做到負荷控制的精細化管理。上海電網根據電網運行及事故影響等情況,將調度負荷控制名單細化為《超供電拉路名單》、《緊急減負荷程序表》以及《拉停220 kV主變名單》3個部分。

(3)建設負荷拉停遙控批處理操作系統 快速拉停負荷,對調度在事故蔓延之前將電網控制到安全水平,具有重要意義。目前,上海電網80%以上35 kV變電站實現了開關遙控功能,單個開關拉停負荷速度從5 m in減到30 s左右,開關遙控批處理后拉停負荷速度成倍增加,為快速超供電拉路等操作奠定了良好的基礎。

(4)研究建設智能安全穩定預警與控制系統

城市電網“N-2”及以上的嚴重故障,須通過自動控制系統實現。城市電網智能安全、穩定預警與控制系統,需以應對500 kV主網交流故障、直流(特高壓直流)雙極閉鎖、交直流混合故障等“N -2”及以上電網事故后熱穩定問題,以及500 kV終端線路/聯變“N-2”及以上故障后的分區系統熱穩定、電壓穩定和頻率穩定問題為目標,在確保城市全網以及各分區電網安全穩定運行的前提下,對于超運行限額的情況,給出預警及輔助決策方案,對于超設備限額情況視過載程度,施行優化切負荷自動控制,以確保大受端城市電網安全。

目前,上海電網已實現了安全、穩定預警與控制系統的一期工程,即世博配套工程,為大幅提升上海電網應對“N-2”及以上事故的能力,為電網的安全運行及世博可靠供電,發揮了重要的保駕護航作用。

3.4 研究建設城市電網快速恢復體系

城市電網快速恢復體系旨在電網事故后的快速恢復,其中黑啟動體系建設是其關鍵內容之一。上海電網在2001年完成了“上海電網災變下的快速恢復方案”理論研究,2003年12月至2006年6月,以閘北燃機電廠為黑啟動機組,成功地進行了4個階段的黑啟動現場試驗,形成了滿足真正實戰要求的黑啟動體系,并通過黑啟動操作卡落實到發、輸、配各級調度平臺。該成果作為“上海城市電網電災防治體系”的重要組成部分,獲得了2007年上海市科技進步一等獎。此后通過不斷完善,作為“城市電網電災防治關鍵技術與應用”的重要組成部分,獲得了2010年國家科技進步二等獎。

4 結語

大受端城市電網安全運行和電力有序供應,將直接影響城市可持續發展及社會的和諧穩定。通過分析,總結大受端城市電網的特點及其若干安全問題,提出了提高標準優化電網、電源規劃,從“防、救、治”3個層面建設城市電網安全預防、快速救治、快速恢復體系等大受端城市電網安全對策。相信在實施龐大的電網建設系統工程的基礎上,這些安全對策將成為大受端城市電網安全運行的基礎性、前瞻性和戰略性的應對措施,對于有效解決大受端城市電網的安全問題,具有積極的作用和意義。