大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)在大面積停電先期處置中的應用

摘要：隨著特高電網(wǎng)的建設和投運，長三角地區(qū)負荷中心受端電網(wǎng)特性日趨顯著，給區(qū)域電網(wǎng)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(wǎng)大額功率缺失，有可能引發(fā)大面積的停電事件。為此，2016年起國家電網(wǎng)主導率先在江蘇建設“大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)” 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(jié)合《國家大面積停電事件應急預案》相關規(guī)定，提出了大面積停電事件電網(wǎng)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(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)的技術機制進行剖析，闡述了大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)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(wǎng)? 源網(wǎng)荷? 大面積停電事件? 先期響應

一、大面積停電突發(fā)事件演化特征

2015年，國務院印發(fā)《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(wǎng)事故、自然災害和社會事件引發(fā)的大面積停電事件屬于社會突發(fā)事件范疇，并規(guī)定了電網(wǎng)企業(yè)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(diào)了大面積停電事件全過程應對中電力企業(yè)的重要職責和電力企業(yè)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(xiàn)了大面積停電醞釀、發(fā)生、發(fā)展的幾個重要階段。

A階段：從電網(wǎng)擾動演變?yōu)殡娋W(wǎng)停電事件階段。在這一階段如果電網(wǎng)網(wǎng)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(wǎng)停電事件演變?yōu)樯鐣竺娣e停電事件階段。這一階段電網(wǎng)穩(wěn)定已經(jīng)越限并造成電網(wǎng)大面積停電，如果政府統(tǒng)一指揮、應急資源充足，電網(wǎng)保障社會生命線、社會保障電網(wǎng)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?yōu)樯鐣话l(fā)事件階段。這一階段停電已經(jīng)損害政府行政職能，停電的民生影響可能觸發(fā)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(zhì)是防線前移。綜上所述，在大面積停電事件發(fā)生發(fā)展過程的初期階段有效應對，制止甚至逆轉(zhuǎn)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(fā)事件先期處置要點

突發(fā)事件的先期處置，一般指在突發(fā)事件初露端倪時依照預先設定的工作程序，調(diào)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(xiàn)的征兆的典型征兆是電網(wǎng)擾動，一般表現(xiàn)為電壓波動、頻率跌落，在電網(wǎng)控制系統(tǒng)能有效抑制小幅度擾動并保持電網(wǎng)穩(wěn)定。當擾動幅度過大時，可能導致發(fā)電機組解列、低頻減載動作、電網(wǎng)斷面越界進而使電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)崩潰，引發(fā)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(wǎng)失穩(wěn)的發(fā)生發(fā)展過程很快，這一階段的監(jiān)測、預警、準備和先期處置具有很強的專業(yè)性，只能由電網(wǎng)企業(yè)承擔。

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

監(jiān)測預警能力

電網(wǎng)企業(yè)對電網(wǎng)運行狀態(tài)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(wǎng)穩(wěn)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(tài)預警體系。狀態(tài)預警一經(jīng)啟動立即出發(fā)一系列預警行動，包括：旋轉(zhuǎn)備用和穩(wěn)定備用的儲備、擴大監(jiān)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(wǎng)突發(fā)大幅度擾動時，電網(wǎng)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(shù)分類，毫秒級響應的虛擬電廠包括直流調(diào)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(fā)電廠一次、二次調(diào)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(cè)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(wǎng)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(wǎng)供電業(yè)務連續(xù)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(huán)節(jié)。電網(wǎng)企業(yè)通過情景構(gòu)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(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)應運而生，源網(wǎng)荷系統(tǒng)的建設和運行與電網(wǎng)企業(yè)形成上述三種能力高度相關，大大提升了電網(wǎng)應對突發(fā)性大幅度擾動的抗御力。

三、大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)的虛擬電廠等效性

2016年6月15日，國內(nèi)首套“大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)”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(qū)部署了100萬千瓦毫秒級精準切負荷能力。

大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)是立足于電源、電網(wǎng)、負荷之間復雜互動環(huán)境下電力系統(tǒng)運行控制的整體部署和系統(tǒng)性集成，其中荷隨網(wǎng)動是通過荷來響應電網(wǎng)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(wǎng)互動的深度可以分為以下幾種方式應對電網(wǎng)擾動。一是具備秒級甚至毫秒級響應能力的工業(yè)用戶的可中斷負荷參與電網(wǎng)調(diào)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(wǎng)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(diào)溫控和電動汽車等海量柔性負荷參與虛擬調(diào)峰，通過智能參數(shù)調(diào)節(jié)實現(xiàn)柔性降載，從而實現(xiàn)虛擬調(diào)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(nèi)平移、轉(zhuǎn)移或削減，從而實現(xiàn)電網(wǎng)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(wǎng)互動，在達到一定規(guī)模后，通過充放電控制，可為電網(wǎng)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(guī)模網(wǎng)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(wǎng)調(diào)度中心側(cè)系統(tǒng)保護穩(wěn)定控制中心針對大電網(wǎng)頻率穩(wěn)定問題、斷面越線問題和聯(lián)絡線超計劃以及備用不足等問題，直接指定并發(fā)出調(diào)控指令，對源網(wǎng)荷系統(tǒng)設定的剛性可控負荷進行快速切除;

技術主導型形態(tài)：系統(tǒng)運行機制基于電網(wǎng)實時指標特性，系統(tǒng)調(diào)控直接作用于剛性可控負荷，系統(tǒng)調(diào)控目標為大電網(wǎng)提供頻率調(diào)節(jié)、潮流穩(wěn)定和旋轉(zhuǎn)備用服務。

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

大規(guī)模網(wǎng)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(quán)下移至配網(wǎng)，控制時間常數(shù)延長至小時及以上級，支持業(yè)務以移峰填谷和指揮用電等提升技術經(jīng)濟指標的形態(tài)為主，市場規(guī)則主導運行策略;

商業(yè)主導型形態(tài)：系統(tǒng)運行機制基于電力市場技術經(jīng)濟指標特性，系統(tǒng)調(diào)控由配網(wǎng)調(diào)度或負荷集成商與需求側(cè)響應（柔性負荷）的互動實現(xiàn)，系統(tǒng)調(diào)控目標為提升設備資產(chǎn)回報。

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

四、大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)應用于大面積停電抗御

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

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

當前，我國特高壓電網(wǎng)正處于大規(guī)模建設階段，在特高壓網(wǎng)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(wǎng)注入大量電能的同時，不能提供相匹配的備用能力。

系統(tǒng)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(wǎng)頻率短時間內(nèi)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(wěn)定限額。

系統(tǒng)投運后：大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)投運后的2016年5月24日，華東電網(wǎng)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(fā)錦蘇直流閉鎖喪失功率3016MW，電網(wǎng)頻率僅在閉鎖發(fā)生后400毫秒內(nèi)降低至49.97HZ，隨即在各類先期響應資源和源網(wǎng)荷虛擬電廠投運的作用下迅速回升至50HZ， 彰顯了對在網(wǎng)發(fā)電機組輔助服務資源的有效替代和補充。

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

當電網(wǎng)網(wǎng)格的擾動抗御力不足時，災害的擴散表現(xiàn)為沖擊型特性。在這種情況下，網(wǎng)格對內(nèi)的應對能力喪失，需要從網(wǎng)格外獲取資源應對擾動，而對外則表現(xiàn)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(wǎng)格也處于抗御力抗御力不足的狀態(tài)，災害一經(jīng)觸發(fā)，就會以雪崩的形態(tài)迅速擴散演進。當電網(wǎng)網(wǎng)格的擾動抗御力充分時，災害的擴散表現(xiàn)為可逆型特性。在這種情況下，網(wǎng)格對內(nèi)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(wǎng)格提供抑制擾動的資源，擾動越強、抵抗力越強，顯現(xiàn)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(guī)模網(wǎng)荷互動虛擬電廠的建立為電網(wǎng)提供了大規(guī)模可瞬時投運的旋轉(zhuǎn)備用容量，是構(gòu)成電網(wǎng)大面積停電抗御力的關鍵資源。

（三）將源網(wǎng)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(guī)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(fā)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(tǒng)一協(xié)調(diào)下進行的有效協(xié)同與密切配合。

保障民生：將大面積停電控制在初起狀態(tài)是最有效的民生保障。

社會參與：電力企業(yè)的專業(yè)性應急能力與社會力量的協(xié)同處置。

在大規(guī)模源網(wǎng)荷虛擬電廠的協(xié)同機制下，用戶發(fā)掘梳理可中斷負荷和需求響應資源，電力企業(yè)對資源進行專業(yè)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(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)的應用實踐

按國家電網(wǎng)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(fā)閉鎖，大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)進行了實際的互動響應驗證。通過驗證發(fā)現(xiàn)，在大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)的介入下，特高壓直流閉鎖的沖擊對電網(wǎng)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(wǎng)發(fā)生3000MW瞬時送入有功功率的突變，大規(guī)模源網(wǎng)荷互動系統(tǒng)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(wǎng)的緊急頻率控制預案依次征用網(wǎng)內(nèi)的抽蓄泵資源、直流調(diào)制資源和用戶可中斷負荷資源。

（2）大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)在電網(wǎng)緊急頻率控制系統(tǒng)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(nèi)完成，大大快于網(wǎng)內(nèi)各電廠的一次調(diào)頻響應時間。

（3）征用負荷系統(tǒng)中現(xiàn)存的海量可中斷資源構(gòu)成，通過大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)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(wǎng)瞬時能量平衡輔助服務。

六、結(jié)束語

2017年12月，國家能源局發(fā)布了《國家發(fā)展改革委國家能源局關于推進電力安全生產(chǎn)領域改革發(fā)展的實施意見》（發(fā)改能源規(guī)〔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(fā)《電力行業(yè)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(jié)合電網(wǎng)運行新形勢、新特點，完善電網(wǎng)運行安全管理機制，創(chuàng)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(wǎng)抵御大面積停電的能力。”的行動要求。

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

參考文獻

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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(tǒng)自動化。