大規模源網荷友好互動系統在大面積停電先期處置中的應用

摘要：隨著特高電網的建設和投運，長三角地區負荷中心受端電網特性日趨顯著，給區域電網帶來了新的運行風險。特高壓送入功率的大幅度突變將導致受端電網大額功率缺失，有可能引發大面積的停電事件。為此，2016年起國家電網主導率先在江蘇建設“大規模源網荷友好互動系統” 來應對這一風險。本文對大面積停電事件的演化階段性特征進行描述，并結合《國家大面積停電事件應急預案》相關規定，提出了大面積停電事件電網先期處置的概念和并定義了先期處置的關鍵資源要素;隨后通過對大規模源網荷友好互動系統的技術機制進行剖析，闡述了大規模源網荷友好互動系統在大面積停電事件先期響應中的關鍵意義并展望了一系列實踐方向。

關鍵詞：特高壓電網? 源網荷? 大面積停電事件? 先期響應

一、大面積停電突發事件演化特征

2015年，國務院印發《國家大面積停電事件應急預案》。新預案第一次明確指出因電網事故、自然災害和社會事件引發的大面積停電事件屬于社會突發事件范疇，并規定了電網企業在大面積停電事件應急準備、應急響應和應急保障中的關鍵職責。新預案強調了大面積停電事件全過程應對中電力企業的重要職責和電力企業能力準備與資源保障的重要意義。

下圖所示為大面積停電的典型演進過程：

圖中展現了大面積停電醞釀、發生、發展的幾個重要階段。

A階段：從電網擾動演變為電網停電事件階段。在這一階段如果電網網格堅強、備用充裕、處置得當，事件將延綠色曲線演進，大面積停電事件被化解于未然;

B階段：從電網停電事件演變為社會大面積停電事件階段。這一階段電網穩定已經越限并造成電網大面積停電，如果政府統一指揮、應急資源充足，電網保障社會生命線、社會保障電網搶修復電，事件將延黃色曲線演進，大面積停電事件被有序處置;

C階段：從社會大面積停電事件演變為社會突發事件階段。這一階段停電已經損害政府行政職能，停電的民生影響可能觸發群體事件，需要動員國家機器采用憲政行為對社會秩序予以強制管理，其恢復過程如紅色曲線。

應急管理的關鍵要素在于應急準備，應急準備的實質是防線前移。綜上所述，在大面積停電事件發生發展過程的初期階段有效應對，制止甚至逆轉事件的惡化，將極大降低事件影響面，減小事件損失，維護社會安定。

二、大面積停電突發事件先期處置要點

突發事件的先期處置，一般指在突發事件初露端倪時依照預先設定的工作程序，調動關鍵資源抑制事件擴展蔓延所采取的一系列措施。

在大面積停電事件初現的征兆的典型征兆是電網擾動，一般表現為電壓波動、頻率跌落，在電網控制系統能有效抑制小幅度擾動并保持電網穩定。當擾動幅度過大時，可能導致發電機組解列、低頻減載動作、電網斷面越界進而使電網穩態崩潰，引發大面積停電事故。受電能的信息化屬性決定，從擾動越限到電網失穩的發生發展過程很快，這一階段的監測、預警、準備和先期處置具有很強的專業性，只能由電網企業承擔。

所以，大面積停電的先期處置主要依靠電網企業能力，電網企業需要建設的關鍵能力有：

監測預警能力

電網企業對電網運行狀態信息進行實時采集，通過實時計算和與歷史仿真算例的比對及時判斷電網穩定運行的潛在風險，并對風險進行分級歸類建立趨勢性狀態預警體系。狀態預警一經啟動立即出發一系列預警行動，包括：旋轉備用和穩定備用的儲備、擴大監控預警外延信息收集以做好下一步事件預警的準備以及將對負荷快切資源進行征用的先期預警行為;

應急虛擬電廠

當電網突發大幅度擾動時，電網各類備用容量立即以應急虛擬電廠的形式投運。從虛擬電廠處理爬坡時間常數分類，毫秒級響應的虛擬電廠包括直流調制，抽蓄切泵和負荷快速切除等;秒級響應的虛擬電廠包括負荷快切;分鐘級響應的虛擬電廠包括發電廠一次、二次調頻等;十分鐘以上級的虛擬電廠包括通過電力市場進行的需求側響應容量征集等。以UPFC為代表的斷面平衡技術相當于將虛擬電廠在網格間的遷移，廣義上也可以歸類為毫秒級應急虛擬電廠;

預案化的資源征用能力

電網供電業務連續性可以劃分為計劃可用性和非計劃可靠性范疇。完善有序的計劃可用性管理是保障應急資源合理征用的重要環節。電網企業通過情景構建、過程推演、演練培訓使受控負荷相關用戶充分掌握應急征用時的運行特點和安全保障措施，共擔大面積停電應對責任。

在這一背景下，大規模源網荷友好互動系統應運而生，源網荷系統的建設和運行與電網企業形成上述三種能力高度相關，大大提升了電網應對突發性大幅度擾動的抗御力。

三、大規模源網荷友好互動系統的虛擬電廠等效性

2016年6月15日，國內首套“大規模源網荷友好互動系統”在江蘇建成投運，江蘇電力在全省建立了376萬千瓦的秒級精準切負荷能力，其中在蘇州地區部署了100萬千瓦毫秒級精準切負荷能力。

大規模源網荷友好互動系統是立足于電源、電網、負荷之間復雜互動環境下電力系統運行控制的整體部署和系統性集成，其中荷隨網動是通過荷來響應電網備用容量不足和線路或設備潮流越限的互動模式。負荷作為響應資源，按照其與電網互動的深度可以分為以下幾種方式應對電網擾動。一是具備秒級甚至毫秒級響應能力的工業用戶的可中斷負荷參與電網調度，通過降低峰荷時段的電力需求或增加低谷時段的電力需求，有效緩解電網備用容量不足和大容量負荷缺額的問題。二是具備分鐘級響應能力的空調溫控和電動汽車等海量柔性負荷參與虛擬調峰，通過智能參數調節實現柔性降載，從而實現虛擬調峰，解決線路或設備潮流越限等問題。三是具備小時級響應能力的需求響應負荷參與需求響應，通過將用電需求在不同時段內平移、轉移或削減，從而實現電網錯峰和限電。四是具備快速響應能力的集中式和分布式儲能負荷參與電網互動，在達到一定規模后，通過充放電控制，可為電網應對小概率高風險的備用容量不足以及線路或設備潮流越限提供有效手段。

大規模網荷互動用于提供瞬時能量平衡資源的技術機制具有以下特征：

集中控制：電網調度中心側系統保護穩定控制中心針對大電網頻率穩定問題、斷面越線問題和聯絡線超計劃以及備用不足等問題，直接指定并發出調控指令，對源網荷系統設定的剛性可控負荷進行快速切除;

技術主導型形態：系統運行機制基于電網實時指標特性，系統調控直接作用于剛性可控負荷，系統調控目標為大電網提供頻率調節、潮流穩定和旋轉備用服務。

因此，源網荷系統的快速負荷減供形態等同于以可控負荷調節能力為主要資源的、集中控制型的、技術主導的為大電網提供瞬時能量平衡輔助服務的虛擬電廠。

大規模網荷互動用于提供時段能量平衡資源的技術機制具有以下特征：

分布控制：控制權下移至配網，控制時間常數延長至小時及以上級，支持業務以移峰填谷和指揮用電等提升技術經濟指標的形態為主，市場規則主導運行策略;

商業主導型形態：系統運行機制基于電力市場技術經濟指標特性，系統調控由配網調度或負荷集成商與需求側響應（柔性負荷）的互動實現，系統調控目標為提升設備資產回報。

因此，源網荷系統的柔性負荷調控形態等同于以需求響應能力為主要資源的、分布控制型的、商業回報主導的在電力市場化環境下提供電網時段能量平衡服務的虛擬電廠。

四、大規模源網荷友好互動系統應用于大面積停電抗御

建立大規模源網荷友好互動的虛擬電廠等效模型，對以網荷互動參與大面積停電事件先期處置，提升電網大面積停電抗御能力具有重要意義。

（一）將源網荷虛擬電廠納入先期處置資源，緩解了受端電網輔助服務供給不足的矛盾

當前，我國特高壓電網正處于大規模建設階段，在特高壓網絡逐步成型的過程中，“強直弱交”特征顯著，特高壓直流線路在向受端電網注入大量電能的同時，不能提供相匹配的備用能力。

系統投運前：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，華東電網頻率短時間內下降到49.563赫茲，十年來首次跌破49.8赫茲。同時，江蘇部分500千伏輸電通道超穩定限額。

系統投運后：大規模源網荷友好互動系統投運后的2016年5月24日，華東電網在江蘇進行了錦蘇特高壓直流雙極閉鎖模擬沖擊試驗，試驗人為觸發錦蘇直流閉鎖喪失功率3016MW，電網頻率僅在閉鎖發生后400毫秒內降低至49.97HZ，隨即在各類先期響應資源和源網荷虛擬電廠投運的作用下迅速回升至50HZ， 彰顯了對在網發電機組輔助服務資源的有效替代和補充。

（二）將源網荷虛擬電廠納入先期處置資源，顯著提高電網對穩定破壞性擾動的抗御力

當電網網格的擾動抗御力不足時，災害的擴散表現為沖擊型特性。在這種情況下，網格對內的應對能力喪失，需要從網格外獲取資源應對擾動，而對外則表現為擾動暴露源并可能將擾動幅度進一步放大后輸出，如果周邊網格也處于抗御力抗御力不足的狀態，災害一經觸發，就會以雪崩的形態迅速擴散演進。當電網網格的擾動抗御力充分時，災害的擴散表現為可逆型特性。在這種情況下，網格對內應對能力充分，具備足夠的資源使擾動衰減，對外則可以向相鄰網格提供抑制擾動的資源，擾動越強、抵抗力越強，顯現出強大的災害擴散阻尼能力。

通過上述案例和分析可以看出：大規模網荷互動虛擬電廠的建立為電網提供了大規模可瞬時投運的旋轉備用容量，是構成電網大面積停電抗御力的關鍵資源。

（三）將源網荷虛擬電廠納入先期處置資源，強化了全社會應對大面積停電事件的責任共擔原則

對《國家大面積停電事件應急預案》中的相關規定進行進一步解讀如下：

屬地為主：大面積停電事件應急處置工作原則上由地方負責，即由事發地的縣級以上地方人民政府負責。

分工負責：應急處置的各個部門在人民政府的統一協調下進行的有效協同與密切配合。

保障民生：將大面積停電控制在初起狀態是最有效的民生保障。

社會參與：電力企業的專業性應急能力與社會力量的協同處置。

在大規模源網荷虛擬電廠的協同機制下，用戶發掘梳理可中斷負荷和需求響應資源，電力企業對資源進行專業化整合和集約化管理，在政府的指導下共同形成虛擬電廠的技術機制、運行機制和征用機制，共同防范應對大面積停電事件。

五、大規模源網荷友好互動系統的應用實踐

按國家電網公司部署，2017/5/24? 14：04：57±800千伏錦蘇特高壓直流被人工觸發閉鎖，大規模源網荷友好互動系統進行了實際的互動響應驗證。通過驗證發現，在大規模源網荷友好互動系統的介入下，特高壓直流閉鎖的沖擊對電網頻率和斷面潮流都沒有造成嚴重影響。

（1）錦蘇特高壓直流被人工閉鎖后，江蘇電網發生3000MW瞬時送入有功功率的突變，大規模源網荷互動系統通過其剛性的技術型虛擬電廠機制進行了瞬時的互動補償，并依照華東電網的緊急頻率控制預案依次征用網內的抽蓄泵資源、直流調制資源和用戶可中斷負荷資源。

（2）大規模源網荷友好互動系統在電網緊急頻率控制系統的控制下進行邊際功率差額補償，計劃切除可中斷負荷278MW，而實際切除量為255MW。整體負荷切除響應時間在400毫秒內完成，大大快于網內各電廠的一次調頻響應時間。

（3）征用負荷系統中現存的海量可中斷資源構成，通過大規模源網荷友好互動系統的資源準備機制進行分級歸類、分別聚合、預案化管理和直接征用，形成了可以瞬時投運的技術型“虛擬電廠”，有效用于電網瞬時能量平衡輔助服務。

六、結束語

2017年12月，國家能源局發布了《國家發展改革委國家能源局關于推進電力安全生產領域改革發展的實施意見》（發改能源規〔2017〕1986號），要求重點強化大面積停電防范和應急處置工作。2018年8月，國家能源局印發《電力行業應急能力建設行動計劃（2018-2020年）》，進一步提出“強化大面積停電事件先期處置能力。結合電網運行新形勢、新特點，完善電網運行安全管理機制，創新大面積停電事件先期處置手段，研究建立大面積停電先期處置的社會資源征用和費用補償機制，提高電網抵御大面積停電的能力。”的行動要求。

當前，我國特高壓網絡建設處于快速發展、強直弱交的過渡期，東部發達省份受端電網因注入功率大幅度突變而引發大面積停電的風險顯著。大規模源網荷友好互動系統在保證電網瞬時功率平衡、保障大電網安全運行方面發揮了巨大作用，正成為電網抗御大面積停電的重要先期處置手段。

參考文獻

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[5]袁曉東.《能源互聯網背景下源網荷友好互動體系及應用》[R]，2016-4

作者簡介

洪亮，1972年4月，男，漢，學歷：全日制碩士研究生，工程師，研究方向：電力系統自動化。