電網大規模可中斷負荷友好互動系統創新與工程實踐

李海峰 羅建裕 陳振宇 江葉峰 羅凱明

摘要：為提升電網對特高壓直流的承接能力，將電網調度由傳統的“電源調度”向“負荷調度”延伸，江蘇電網開展了大規模可中斷負荷供需友好互動系統建設工作。本文從可中斷負荷概念、大規模負荷的暫態、穩態精準控制技術等方面闡述了該系統的理論基礎，并提出了系統的總體架構、傳輸通道以及控制策略。然后，基于該系統一期工程建設情況，分析了系統快速、精準切除可中斷負荷實切演練的效果。實切演練表明，該系統毫秒級動作響應時間滿足頻率變化的動態特性要求，在故障情況下，對電網有較強的頻率支撐作用。最后，本文對系統擴建進行了展望，并介紹了系統未來發展和應用方向。

關鍵詞：可中斷負荷；供需友好互動系統；特高壓直流；新能源；精準切負荷；實切演練

中圖法分類號：TM72 文獻標志碼：A DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2018.0310

我國是世界能源消費第一大國，發展清潔能源將轉變長期以化石能源為主的能源消費方式，解決環境污染、資源緊張、氣候變化等突出問題[1]。目前我國清潔能源開發總量已達世界第一，并仍在不斷增長。

根據中國電力企業聯合會電力發展分析數據，2016年全國棄水電量達到635億kW·h，棄風電量396億kW·h，棄光電量69億kW·h，總電量達到1100億kW·h，超過當年三峽電站發電量約170億kW·h。棄水、棄風和棄光的根本原因是清潔能源資源富余區本地消納能力弱，外送通道不足，跨區送電困難。

我國已利用特高壓電網將西部、北部清潔能源輸送至東部經濟發達地區，為解決“三棄”問題提供治本之策[2]。但是，隨著東部受端電網接受區外來電比例增大，當發生區外來電大幅波動時，受端電網將出現瞬時電力平衡困難，嚴重時會導致大面積停電，而傳統的拉閘限電對社會影響較大。為應對能源大范圍優化配置給受端電網帶來的新問題，需要在技術上進行創新突破，提升電網瞬時電力平衡能力。為此，江蘇省電力公司研發并建成投運了大規模可中斷負荷供需友好互動系統（也稱江蘇大規模源網荷友好互動系統，下文簡稱江蘇源網荷系統）。在特高壓直流故障時，通過毫秒級控制手段，精準切除可中斷負荷，有效抑制頻率下降，顯著降低大電網擾動對社會產生的影響，有力保障特高壓直流受端電網的安全穩定運行，具有顯著的社會與經濟效益。

1 江蘇源網荷系統建設背景

1.1 大規模直流受電背景下電網安全穩定問題

近十年來，我國特高壓交直流輸電技術快速發展，截至2016年底，我國已建成“六交五直”特高壓工程，按照規劃還將興建多回特高壓交直流工程，特高壓交直流規劃網架如圖1所示，特高壓交直流輸電功率不斷提高，在增強了我國大范圍資源優化配置能力的同時，也給電網的安全穩定運行帶來了諸多挑戰，特別是特高壓直流故障后對電網的大容量不平衡功率沖擊[3]，可能引發嚴重的安全穩定問題。

2015年9月19日21時57分，錦蘇特高壓直流因送端遭雷擊導致雙極閉鎖，華東電網損失功率490萬kW，頻率短時間內下降到49.563HZ，近十年來首次跌破49.8HZ，直流受端電網在大容量功率缺額下的頻率特性及調節能力引起了廣泛關注[4]，“9·19”錦蘇直流閉鎖故障后，系統頻率實測曲線如圖2所示。隨著饋入華東電網的直流輸電容量越來越大，電網面臨大容量功率缺失的風險不斷增加，系統頻率安全穩定形勢將更加嚴峻，亟待加強電網三道防線建設，充分發揮電網各種可控資源，在保障電網安全穩定的前提下減小負荷損失風險。

1.2 新能源接入帶來的電網平衡問題

風電、光伏等受天氣影響，具有較強的隨機性和間歇性，清潔能源大規模接入給電網供需平衡帶來較大難度[5-7]。以江蘇電網為例，2016年風電、光伏發電出力最高時為605萬kW，最低時發電出力接近零；從全國來看，風電、光伏發電波動更大，達到數千萬kW。為了平抑新能源發電波動對電網電力供需平衡的影響，電源側主要考慮增強常規發電機組的調節能力，需要新建常規電廠或挖掘常規機組的深度調節能力，往往不利于常規電廠的經濟運行，同時還無法解決清潔能源發電出力較高時的消納問題。負荷側主要考慮配置儲能，目前大容量儲能技術主要依靠抽水蓄能，而抽水蓄能項目受環境條件制約，也難以適應我國新能源發展的形勢。因此，需要研究新的控制手段解決清潔能源發展帶來的供需短時平衡和時段平衡問題。

2 源網荷友好互動技術

2.1 可中斷負荷概念

可中斷負荷資源是指在一定補償機制下、簽訂經濟合同（協議）、客戶自愿中斷用電的負荷[8-9]，主要包括電熱水器、空調以及工廠非連續性生產負荷等。由于該類負荷中斷不會對用戶生產生活造成實質影響，且可根據電源變化實時啟停，因此該類負荷既具有負荷特性，又具有電源特性，對其進行實時調控，可以有效增強電網彈性互動能力。目前，國內關于可中斷負荷的研究主要集中在理論研究層面，缺乏實際電網的工程實踐，建設江蘇源網荷系統，將可中斷負荷納入其中，為電網應對大容量功率缺額風險和提升清潔能源消納能力提供了新的控制手段。

當電網事故需要控制可中斷負荷時，向用戶負控終端發出控制指令，自動切除預先設定的10KV或400V非連續生產負荷分路開關。可中斷負荷控制方式示意圖如圖3所示，通過這種控制方式，可有效控制故障損失，降低社會影響。

2.2 大規模負荷的暫態精準控制技術

緊急切負荷是我國電網二、三道防線的重要組成部分，現有穩控系統的緊急切負荷[10，11]，主要采用分層分區集中控制的方法，系統通常由控制主站、子站和執行站組成。控制主站負責系統整體策略的判斷和指令下發；控制子站負責本區域的負荷信息匯集與上傳，并接收主站命令分配下發至下屬執行站；控制執行站負責負荷信息的采集與上送，接收子站命令并執行切負荷控制。切負荷裝置布置在110KV變電站，集中切除10KV或35KV線路或主變，難以區分負荷的性質，對于用戶的影響較大。大規模負荷暫態精準控制是綜合利用電網的故障信息、運行方式和關鍵斷面潮流等信息，結合故障時負荷的實時狀態，按一定的控制原則和策略快速采取切負荷措施，其動作對象為負荷開關，即相比傳統緊急切負荷可以深入到負荷用戶側，區分負荷的不同類型，實現對用戶負荷的選擇性控制，但由于控制的精細化導致每一個控制對象的實際控制負荷量大幅減小，為了保證同樣的負荷控制總量需要大幅增加控制終端個數。且為了應對電網的功角穩定、頻率穩定等問題，大規模負荷的暫態精準控制在控制時間上要求與現有的集中負荷暫態控制相同，均需在毫秒級的時間內完成對負荷的控制。因此，大規模負荷暫態精準控制的關鍵是正常運行時大規模負荷的實時監視與分類排序，以及故障情況下的毫秒級準確決策與海量負荷的可靠切除。

2.3 大規模負荷的穩態精準控制技術

大規模負荷穩態精準控制是從特高壓電網故障感知、電網運行調整優化策略在線生成以及省調、地調和營銷的自動協調控制三個方面。其中特高壓故障感知通過網省協調以及主子站協同兩種不同模式的特高壓直流故障在線診斷技術，實現直流故障模式的在線識別、運行信息綜合集成展示以及省地間聯合控制的實時交互，解決目前特高壓故障人工分析判斷、告警信息繁雜以及省地間信息交互能力薄弱的問題，提升應對特高壓電網的故障感知能力；優化決策是針對特高壓直流閉鎖情況下控制手段精細化不足的問題，從直流閉鎖預決策和實際閉鎖后的校正控制兩個方面開展研究[12]，綜合考慮機組、負荷等資源的調節能力。

3 江蘇源網荷系統建設

3.1 系統建設原則

遵循電力系統實時平衡規律，從電網事故應急處置、需求側管理、新能源消納等控制要求出發，應用計算機、光纖、4G無線專網，提升發電響應效率，細化可中斷負荷控制單元，實現電源、電網、負荷三者之間的友好互動和快速協調，提升電網運行的彈性，保障電網安全、可靠、高效運行。

3.2 系統構架

為防范特高壓直流故障初期頻率快速跌落，同時解決主干通道潮流越限、省際聯絡線功率超用和電網旋轉備用不足等問題，全面提高調度決策水平和負荷精準控制效率，實現多類用戶資源高度聚合，保證指令安全、快速傳遞，實現用戶側負荷快速響應和可中斷負荷毫秒級控制，建成了先進的智能控制系統——江蘇源網荷系統。新型智能控制系統采取兩種不同時限的負荷控制措施，實現兩大主要功能。一是大規模負荷的暫態精準控制功能，實施第一時限控制。針對頻率緊急控制要求，設置蘇南、蘇北切負荷控制中心站，與華東電網頻率緊急協調控制系統互聯互通，快速切除部分可中斷負荷。二是友好互動精準負荷控制功能，即大規模負荷的穩態精準控制功能，實施第二時限控制。針對電網穩態問題，實施可中斷負荷精準實時控制。系統架構如圖4所示。

3.3 系統傳輸通道

江蘇源網荷系統傳輸通道構架橫向實施調度、營銷主站系統一體化建設。控制大區互相協調，實現模型共建、信息互通、策略協同。縱向實施承載系統保護毫秒級切負荷、秒級切負荷、營銷用采等業務網絡獨立組網。

3.4 系統控制策略

系統綜合利用從國調實時訂閱特高壓直流故障推送告警和從換流站故障檢測裝置直接采集直流故障信息和功率缺額等關鍵信息，實現特高壓直流故障信息判斷。大規模負荷的暫態精準控制功能依次通過故障檢測、策略搜索、負荷分配、負荷控制，實現毫秒級負荷控制，解決特高壓直流嚴重故障時系統頻率嚴重跌落問題，屬于緊急控制模式。友好互動精準負荷控制功能依次通過故障感知、輔助決策、協調控制，實現秒級/分鐘級負荷控制，解決輸電斷面超穩定限額、聯絡線功率超用、旋轉備用不足等問題。當電網中發生特高壓直流閉鎖故障后，按照事故處置時序分為四個步驟，實施對電網頻率、斷面限額、聯絡線潮流、旋轉備用的快速協調控制。第一步，大規模負荷的暫態精準控制，精準切除對用戶影響較小的可中斷負荷，實現毫秒級負荷控制，通過降低負荷需求減小故障后系統不平衡功率，快速抑制頻率下跌；第二步，一次調頻/AGC自動加出力，實現秒級/分鐘級控制，通過增加電力供給減小系統不平衡功率，使系統暫態最低頻率與穩態恢復頻率滿足系統控制要求；第三步，友好互動精準切負荷控制，實現負荷精準秒級/分鐘級控制，解決輸電斷面超穩定限額、聯絡線功率超用、旋轉備用不足；第四步，調度負荷群控作為故障處置備用控制手段，實現分鐘級控制。

4 江蘇源網荷系統工程實踐

4.1 江蘇源網荷系統一期建設

2016年國網江蘇省電力公司已建成源網荷系統一期工程，江蘇全省具備350萬kW可中斷負荷秒級控制能力，蘇州地區具備100萬kW可中斷負荷毫秒級控制能力。

毫秒級精準切負荷功能通過變電站側3層架構配置的控制裝置實現。三層架構分別為切負荷控制中心站、切負荷控制子站以及負控終端。控制中心站安裝在500KV木瀆變；4個控制子站分別安裝在500KV木瀆、太倉、吳江和玉山，目前共接入725戶，各控制子站接入用戶數分別為：206戶、213戶、109戶和197戶。

4.2 江蘇精準切負荷系統實切演練

2017年5月24日，國網江蘇省電力公司成功組織開展了國內首套源網荷系統精準切負荷實切演練。本次演練與華東電網頻率緊急協調控制系統功能性演練協同開展[13]，除東北分部外，國網公司系統其余分部均參與演練。當日14時05分，錦蘇特高壓直流被人工閉鎖303萬kW功率，華東頻率協調控制系統提升了華東區域內復奉、宜華等7條直流功率，共計67.7萬kW；切除半嶺、仙居等7座抽蓄電站電廠各1臺抽水機組，共計202萬kW；江蘇源網荷系統在245MS內切除江蘇233戶簽約電力用戶，共計25.5萬kW，迅速填補了錦蘇特高壓直流閉鎖造成的有功功率缺失，有力驗證了江蘇源網荷系統保障大電網安全的有效性。

江蘇源網荷系統實切負荷無線4G整組動作響應時間245 MS，2M光纖專線整組動作響應時間最快196MS，平均響應時間210.5 MS ，滿足快速切負荷系統建設總體方案整組動作時間小于650 MS的技術要求。

試驗過程中，直流閉鎖前50.03HZ，閉鎖后200MS跌落到49.97HZ，整個過程從頻率跌落到恢復共計20S。試驗結果表明：

（1）江蘇精準切負荷系統（木瀆中心站、子站及網荷互動終端）接收華東頻率緊急協調控制系統指令后負荷切除與恢復控制策略執行正確；

（2）江蘇精準切負荷系統通過光纖2M專線實切負荷的整組動作平均響應時間210.5 MS，滿足協控系統動作要求；

（3）江蘇精準切負荷系統接入的無線4G專網用戶終端動作時間245MS，滿足協控系統動作要求；

（4）控制系統動作后，全網頻率最低跌至49.97HZ，頻率波動在預期范圍內，江蘇源網荷系統對穩定電網頻率作用效果顯著。

5 結論與展望

源網荷供需友好互動技術，實現了“電源調度”和“負荷調度”的協同，通過對負荷的精準控制實現系統的實時平衡，大幅增強電力系統抗大擾動能力，為大電網安全運行提供有力支撐。同時，源網荷供需友好互動技術深化應用，將為可中斷用戶參與調頻、調峰等輔助服務，提供重要的技術保障，并以經濟手段引導電網“正常”與“事故”情況下用戶需求側響應的發展，提升電網運行的經濟性與安全性。江蘇源網荷系統的創新性主要體現在以下幾點：

（1）虛擬電廠創新實踐：江蘇源網荷系統通過建立一系列創新的運行管理機制，等同于在電網部署了眾多隨時、隨地、隨需投運的發電廠（虛擬電廠），增加了電網事故備用，能有效應對電網運行風險。系統建立的虛擬電廠規模大，集中控制能力強，能夠支持全省乃至跨區的集中控制，而且具備毫秒級的快速響應能力。

（2）經濟激勵創新實踐：江蘇電力借鑒國內外相關經驗，會同省經信委與重要用戶積極協商，已經初步制定了精準負荷控制經濟激勵方案。經濟激勵既體現了對用戶社會安全用電責任擔當的回報，又體現了“投入有限、效益可觀”的原則，用有限的激勵投入，可以避免大面積停電事件造成的巨大損失。

（3）用戶協商創新實踐：建立精準控制負荷的規劃部署、注冊登記、征用計劃、征用實施及恢復送電保障等詳盡流程，并通過培訓、演練強化用戶能力，在打消用戶次衍生損失顧慮的前提下，與用戶建立平等、公正的合約保障體系。

（4）市場化交易創新實踐：還原電能的商品本質將催生“用電權交易”業務形態；業務主體多元化、市場分工細化呼喚多樣化的輔助服務產品。江蘇源網荷系統是一個開放、公平的業務互動平臺，對電力市場的開放交易、公平交易和繁榮交易起到了關鍵性支持作用。

隨著雁淮、錫泰特高壓直流于2017年相繼投運，江蘇單回特高壓直流輸送容量大幅提升到1 000萬kW，特高壓直流雙極閉鎖停運對受端電網頻率、電壓的影響進一步加大，需要進一步增加快速切負荷容量。2017年進行二期擴建，新增100萬kW毫秒級可中斷負荷控制容量，在2017年年底前實現“兩個一百萬”的毫秒級可中斷負荷控制目標。同時豐富系統可中斷負荷控制類型，增加可控容量，將燃煤電廠可中斷輔機、南水北調翻水站水泵和儲能電站接入系統。2018年進行三期擴建，新增60萬kW毫秒級可中斷負荷控制容量，在2018年年中累計實現260萬kW的毫秒級可中斷負荷控制目標。同時，應用無線4G技術，將150戶用戶非工空調負荷接入系統實施毫秒級控制。

江蘇源網荷系統的建設，具有顯著的經濟和社會效益，將成為大電網安全運行的重要保障，為清潔能源的大規模開發利用提供重要技術手段。

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Abstract： In order to enhance the access capability of UHVDC， Jiangsu Electric Power Company has developed a User-Interactive System with large-scale interruptible load. With this system， the grid dispatching could be extended from the traditional method of "power dispatching" to "load scheduling". In this paper， the theoretical basis of the User-Interactive System is introduced from the aspects of the interruptible load， and transient and steady control technology of the large-scale load. Then the paper proposes the overall structure， transmission channel structure and control strategy of the User-Interactive System. Based on the implementation of Phase I of the system， the results of the real action of the system are presented， showing that the response time of the system could meet the requirements of frequency recovery. In the case of failure of UHVDC， the system could provide strong support to the power system frequency. Finally， the extension projects and future development outlook of the system are discussed in this paper.

Key words： Interruptible load； User-Interactive System； Ultra-high Voltage DC； new energy； accurate load-cutting； real load-cutting drill