電網(wǎng)規(guī)劃方案的合理性需要依據(jù)它的功能、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、靈活性、適應(yīng)性等多方面的綜合協(xié)調(diào)程度來(lái)判斷。為此,在梳理、分析和總結(jié)特高壓網(wǎng)架方案性能研究已有成果的基礎(chǔ)上,對(duì)特高壓(UHV)網(wǎng)架的功能需求及不同網(wǎng)架方案在功能和可靠性方面的差異進(jìn)行了補(bǔ)充分析,并進(jìn)一步論述了中國(guó)發(fā)展特高壓交直流電網(wǎng)的必要性、可行性和合理性;在系統(tǒng)可靠性方面,補(bǔ)充論述了不同網(wǎng)架方案的輸供電能力充裕性;在系統(tǒng)安全的復(fù)雜性方面,補(bǔ)充論述了發(fā)生連鎖故障的條件和電力系統(tǒng)大停電過(guò)程的復(fù)雜性。研究結(jié)果表明：若受端電網(wǎng)只能通過(guò)20回（7回送水電和13回送火電）特高壓/超高壓（UHV/EHV）直流輸電線路大規(guī)模接受遠(yuǎn)方電力,則僅由水電季節(jié)性出力降低和部分直流停運(yùn)便可直接導(dǎo)致該受端電網(wǎng)電力不足概率高達(dá)0.152;通過(guò)形成堅(jiān)強(qiáng)網(wǎng)架后的特高壓交直流輸電網(wǎng)架方案來(lái)滿足我國(guó)的輸電需求相對(duì)比較可靠;電力系統(tǒng)安全防御體系的缺陷是造成電力系統(tǒng)特大規(guī)模停電的重要原因,因此在建立特高壓交直流大電網(wǎng)的同時(shí),應(yīng)建立新一代電力系統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng),以完善大電網(wǎng)的安全防御體系。研究結(jié)果為特高壓電網(wǎng)規(guī)劃方案的多屬性綜合評(píng)價(jià)提供了參考。

　　引言

　　當(dāng)前,中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)傳統(tǒng)能源資源逐步枯竭,能源資源與電力負(fù)荷在更大范圍內(nèi)呈逆向分布,遠(yuǎn)景燃料油短缺和價(jià)格上升導(dǎo)致煤炭運(yùn)輸成本過(guò)高和運(yùn)力不足,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的人口密集地區(qū)空氣污染日趨嚴(yán)重。筆者曾在參與撰寫的研究報(bào)告、專著、教材和論文[1-4]中論述了我國(guó)發(fā)展特高壓輸電的必要性以及特高壓電網(wǎng)的部分功能及特性,指出為了應(yīng)對(duì)這些問題,迫切需要發(fā)展特高壓電網(wǎng)來(lái)作為我國(guó)能源傳輸?shù)男峦緩?從而在更大的地理范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)能源資源的優(yōu)化配置和利用,以確保我國(guó)能源安全,滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平提高的需求。

　　近年來(lái),我國(guó)特高壓網(wǎng)架方案論證工作備受我國(guó)政府、國(guó)內(nèi)外相關(guān)專家學(xué)者、能源生產(chǎn)、傳輸和設(shè)備制造行業(yè)、銀行業(yè)及投資參與者乃至新聞媒體及部分民眾的關(guān)注,我國(guó)政府、學(xué)術(shù)界以及新聞媒體均多次組織持不同意見的學(xué)者對(duì)此項(xiàng)工作進(jìn)行過(guò)討論。然而,在特高壓電網(wǎng)網(wǎng)架方案的選擇方面至今未能達(dá)成共識(shí),這種情況直接影響到我國(guó)多個(gè)五年建設(shè)發(fā)展計(jì)劃的制定,對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展已產(chǎn)生了不利的影響,因此亟需對(duì)特高壓網(wǎng)架方案的功能和可靠性進(jìn)行進(jìn)一步論證。

　　在特高壓網(wǎng)架功能評(píng)價(jià)分析方面,文獻(xiàn)[1-5]闡述了特高壓交、直流電網(wǎng)遠(yuǎn)距離大容量輸電功能以及由此帶來(lái)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。文獻(xiàn)[6]對(duì)特高壓交、直流輸電的適用場(chǎng)合做了一些分析,認(rèn)為特高壓直流輸電更適合大容量遠(yuǎn)距離輸電場(chǎng)合,而特高壓交流輸電應(yīng)用于大容量距離較近的輸電場(chǎng)合。文獻(xiàn)[5]指出交流輸電工程中間可以落點(diǎn),具有網(wǎng)絡(luò)功能,可以根據(jù)電源分布、負(fù)荷布點(diǎn)、輸送電力、電力交換等實(shí)際需要構(gòu)成電網(wǎng),特高壓交流和特高壓直流相輔相成,互為補(bǔ)充。

　　在特高壓網(wǎng)架方案系統(tǒng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析方面,文獻(xiàn)[5,7]基于故障集仿真計(jì)算分析,對(duì)特高壓電網(wǎng)的網(wǎng)架方案進(jìn)行了系統(tǒng)穩(wěn)定性校核,分別對(duì)中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)2020年超高壓交流目標(biāo)網(wǎng)架方案以及特高壓“三華”同步、異步目標(biāo)網(wǎng)架規(guī)劃方案的系統(tǒng)安全穩(wěn)定性做了比較分析。此外,文獻(xiàn)[8-11]還采用故障集對(duì)“三華”特高壓同步方案進(jìn)行了系統(tǒng)穩(wěn)定校核計(jì)算分析。

　　電網(wǎng)規(guī)劃方案是否合理,需要依據(jù)其功能、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、靈活性、適應(yīng)性等多方面的綜合協(xié)調(diào)程度來(lái)判斷。因此,電網(wǎng)規(guī)劃方案優(yōu)選問題屬于多屬性決策(MADM)問題,通常需要先對(duì)各個(gè)方案的各個(gè)屬性進(jìn)行分析和評(píng)價(jià),然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和排序[12-13]。而特高壓電網(wǎng)規(guī)劃方案的各個(gè)屬性自身非常復(fù)雜,需要分別深入進(jìn)行研究。特高壓網(wǎng)架的功能和可靠性是電網(wǎng)規(guī)劃方案的兩個(gè)重要屬性,而不同類型特高壓網(wǎng)架的功能和可靠性問題較為復(fù)雜、涉及面較廣,學(xué)術(shù)界對(duì)其認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)仍存在很大的分歧。部分學(xué)者認(rèn)為在中國(guó)有必要發(fā)展特高壓交、直流電網(wǎng);而另一些學(xué)者則擔(dān)心特高壓交流大同步電網(wǎng)發(fā)生大規(guī)模停電時(shí)風(fēng)險(xiǎn)較高,認(rèn)為中國(guó)應(yīng)繼續(xù)發(fā)展特高壓直流和超高壓交流電網(wǎng),不主張建設(shè)特高壓交流大同步電網(wǎng)。

　　針對(duì)上述分歧,本文在梳理、分析和總結(jié)上述文獻(xiàn)研究成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國(guó)電力生產(chǎn)、電力匯集和輸送分配對(duì)特高壓網(wǎng)架的功能需求進(jìn)行了分析,論述了不同特高壓網(wǎng)架方案在功能、充裕性和安全性方面的差異,闡明了構(gòu)建特高壓交、直流電網(wǎng)方案的必要性、可行性和合理性,并針對(duì)特高壓電網(wǎng)連鎖故障和大停電過(guò)程復(fù)雜性的問題,提出了提高我國(guó)大電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平的相應(yīng)措施。本項(xiàng)研究結(jié)果可為特高壓電網(wǎng)規(guī)劃方案的多屬性綜合評(píng)價(jià)提供參考。

　　1 特高壓網(wǎng)架方案功能評(píng)價(jià)分析

　　圖1給出了4種特高壓電網(wǎng)的網(wǎng)架類型：圖1(a)是特高壓交直流大同步電網(wǎng)結(jié)構(gòu);圖1(b)是送受端電網(wǎng)異步運(yùn)行,多回直流在送端有交流線路相連而受端交流電網(wǎng)內(nèi)部采用直流分隔的結(jié)構(gòu);圖1(c)是特高壓純直流點(diǎn)對(duì)網(wǎng)輸電網(wǎng)架,特高壓直流送端與交流電網(wǎng)不連接;圖1(d)是受端交流電網(wǎng)內(nèi)部不采用直流分隔的異步互聯(lián)結(jié)構(gòu)。

　　我國(guó)對(duì)特高壓電網(wǎng)的總體功能需求可定位為：具有安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效和調(diào)度靈活的大范圍、大規(guī)模匯集、輸送和分配電能能力,為滿足我國(guó)人民生活和社會(huì)發(fā)展以及節(jié)能減排的需求、促進(jìn)東西部地區(qū)全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展服務(wù)[2-3,5]。

　　在輸電規(guī)模以及電網(wǎng)電力密度較小、輸電走廊資源較充裕、外來(lái)電力占受端電網(wǎng)用電比例較小的情況下,400kV和500kV電壓等級(jí)的交流電網(wǎng)也可滿足中距離輸電的需求;但在輸電規(guī)模以及電網(wǎng)電力密度持續(xù)增大的情況下,受電網(wǎng)短路電流和輸電走廊資源等因素的約束,則需要考慮發(fā)展750kV電壓等級(jí)或特高壓交流電網(wǎng)來(lái)滿足中距離輸電的需求。

　　從輸電能力角度來(lái)看,特高壓交流輸電方案適用于在沿途可獲得電壓支撐的場(chǎng)合,而特高壓直流輸電方案則適用于在沿途不能獲得電壓支撐的場(chǎng)合。一般說(shuō)來(lái),特高壓交流和直流輸電能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模輸送電能的最適宜輸送距離分別為600~1200km和800km以上。但特高壓交流電網(wǎng)可發(fā)展延伸至更大的范圍,原因如下：①特高壓交流電網(wǎng)同時(shí)具有在地理平面大范圍多點(diǎn)匯集和分配電能的重要功能,該功能可適應(yīng)隨時(shí)變化的多場(chǎng)景發(fā)電、輸電和用電的需求。②考慮到電能生產(chǎn)多樣化、水電出力季節(jié)性變化、風(fēng)力發(fā)電出力間歇性變化、大容量直流停運(yùn)檢修、避免500kV電網(wǎng)短路電流過(guò)大的需要、增強(qiáng)多直流饋入受端交流電網(wǎng)的需要等多方面的因素,適當(dāng)增大特高壓交流電網(wǎng)的覆蓋面積將有利于充分利用風(fēng)電、光伏等清潔能源,并且可降低受端區(qū)域電網(wǎng)出現(xiàn)電力不足的概率和發(fā)生大面積停電的風(fēng)險(xiǎn)。③已有的區(qū)域特高壓交流電網(wǎng)互聯(lián),可獲取錯(cuò)峰效益、減少發(fā)電備用容量、提高系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性和提高系統(tǒng)的可靠性。

　　從特高壓電網(wǎng)總體功能需求來(lái)看,圖1(a)所示的方案(稱為方案a)除了具有遠(yuǎn)距離大容量輸電功能外,還可以在遠(yuǎn)、中、近各個(gè)距離范圍內(nèi)具備較強(qiáng)的匯集、輸送和分配電能能力,因此它的功能最強(qiáng)。其次是圖1(d)所示的方案(方案d),接下來(lái)是圖1(b)所示的方案（方案b）,而圖1(c)所示的方案(方案c)功能最弱。方案b和方案c將受端電網(wǎng)拆分成若干個(gè)地區(qū)電網(wǎng),地區(qū)電網(wǎng)之間傳輸電力的能力不僅受到背靠背直流容量的限制,而且還受到與背靠背直流站進(jìn)行電力交換的交流線路容量的限制,因此這兩種方案的功能較差。至于具體工程采用哪種方案,應(yīng)根據(jù)實(shí)際的功能需求和實(shí)際條件及制約因素來(lái)選擇。

　　圖2山西特高壓/超高壓規(guī)劃網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

　　以山西、陜西、蒙西電源基地電力外送電網(wǎng)為例來(lái)說(shuō)明在該區(qū)域發(fā)展特高壓交直流輸電的必要性。山西是向京津冀、江蘇以及華中地區(qū)輸電的老電源基地,目前裝機(jī)容量已接近60GW,已有1條1000kV和12條500kV的電力外送通道。隨著電源、外送電力及負(fù)荷的逐年增長(zhǎng),500kV網(wǎng)架已經(jīng)形成結(jié)構(gòu)緊密的網(wǎng)格,局部地區(qū)電網(wǎng)存在短路電流超標(biāo)的問題。未來(lái)5年總裝機(jī)容量將翻番,其中風(fēng)電將增加14.84GW,光伏電源將增加3.47GW。而省外的陜西、蒙西也要建設(shè)大量的電源,輸電線路需途經(jīng)山西向東部和東南部華北、華中和華東地區(qū)送電。受電網(wǎng)短路電流和輸電走廊資源等因素的約束,山西已不能依靠繼續(xù)擴(kuò)展和增強(qiáng)500kV網(wǎng)架來(lái)滿足本省以及陜西、蒙西電力外送的需求。由于在輸電通道中可獲得電壓支撐并且在半徑約為600km的區(qū)域內(nèi)有多點(diǎn)匯集或分配電力的需求,因此建設(shè)特高壓交流電網(wǎng),匯集蒙西、陜西、山西的火電、風(fēng)電和光伏電力,向京、津、冀、魯、豫、鄂輸電的方案是合適,如圖2所示。同時(shí)也考慮在該區(qū)域建設(shè)特高壓直流向更遠(yuǎn)的地區(qū)送電。在形成特高壓交流網(wǎng)架時(shí),可將部分電源通過(guò)特高壓升壓變壓器直接接入特高壓電網(wǎng),從而實(shí)現(xiàn)電力分層分區(qū)匯集送出,在滿足電力外送需求的同時(shí),避免各層、各區(qū)電網(wǎng)短路電流過(guò)大的問題。遠(yuǎn)景規(guī)劃還可考慮在晉北電源基地將特高壓變電站下接的電源/負(fù)荷群與該地區(qū)其它電源/負(fù)荷群只通過(guò)背靠背直流連接,使電網(wǎng)結(jié)構(gòu)具備靈活、可控的電力輸送和調(diào)配能力,從而更合理地分配特高壓和500kV輸電走廊的外送電力,增大總的電力外送能力,并解決短路電流過(guò)大的問題及滿足降低連鎖故障風(fēng)險(xiǎn)的需要。

　　2 特高壓網(wǎng)架方案充裕性評(píng)價(jià)分析

　　電網(wǎng)可靠性包括電網(wǎng)輸電能力充裕性和電網(wǎng)安全性兩方面。目前在特高壓網(wǎng)架方案的論證中,對(duì)圖1所示網(wǎng)架方案的電網(wǎng)輸電能力充裕性還缺少相應(yīng)的分析。

　　在受端電網(wǎng)接受外來(lái)水電較多的場(chǎng)合,枯水季節(jié)容易出現(xiàn)電力不足的狀態(tài)。由于在枯水季節(jié),純直流遠(yuǎn)距離向受端區(qū)域電網(wǎng)送電的方案難以從區(qū)外電網(wǎng)大范圍重新組織和調(diào)送大容量電力輸送到異步運(yùn)行的受端區(qū)域電網(wǎng),因此相對(duì)于交直流大容量遠(yuǎn)距離輸電方案,純直流大容量遠(yuǎn)距離輸電方案的受端區(qū)域電網(wǎng)更容易出現(xiàn)電力不足的情況。當(dāng)采用純直流輸電方案,在枯水季節(jié)若來(lái)自遠(yuǎn)方的火電基地的特大容量直流有1回甚至2回直流臨時(shí)停運(yùn),則受端電網(wǎng)可以獲取的外部電力將進(jìn)一步減少,從而容易導(dǎo)致電力嚴(yán)重不足,需安排大量的用戶停電。在枯水季節(jié),若輸送特大容量火電的直流系統(tǒng)發(fā)生雙極閉鎖,情況則更為嚴(yán)重,有可能導(dǎo)致受端系統(tǒng)因有功及無(wú)功功率失衡、電網(wǎng)電壓低落、發(fā)電機(jī)及線路電流持續(xù)過(guò)大而發(fā)生連鎖故障,最終發(fā)展成大規(guī)模停電。

　　對(duì)一個(gè)20回大容量直流向受端電網(wǎng)輸電的純直流網(wǎng)架方案可靠性進(jìn)行分析。假設(shè)20回直流中有7回輸送水電,其余13回輸送火電及風(fēng)電。參照文獻(xiàn)[14]提供的國(guó)內(nèi)直流輸電系統(tǒng)可靠性指標(biāo),國(guó)內(nèi)直流輸電系統(tǒng)強(qiáng)迫停運(yùn)率平均值為0.003,計(jì)劃能量不可用率平均值為0.0923。在進(jìn)行可靠性估算時(shí),如果每回直流輸電系統(tǒng)的不可用率和可用率分別按0.0953和0.9047考慮,枯水季節(jié)占全年時(shí)間的比例按0.25考慮,則在一年中13回輸送火電的直流在枯水季節(jié)出現(xiàn)一回直流不可用的概率總和為

　　p1=0.25×C113×0.09531×0.904712=0.093p1=0.25×C131×0.09531×0.904712=0.093

　　而一年中13回直流在枯水季節(jié)遭遇2回直流同時(shí)不可用的概率總和為

　　p2=0.25×C213×0.09532×0.904711=0.059p2=0.25×C132×0.09532×0.904711=0.059

　　上述兩項(xiàng)合計(jì)為0.152。若在枯水季節(jié)出現(xiàn)上述情況導(dǎo)致受端區(qū)域電網(wǎng)電力不足,則因連接火電基地的直流系統(tǒng)有1回或2回在枯水季節(jié)不可用而導(dǎo)致受端區(qū)域電網(wǎng)處于電力不足狀態(tài)的概率估計(jì)值約為0.152。其中,出現(xiàn)2回直流同時(shí)處于不可用狀態(tài)而導(dǎo)致受端區(qū)域電網(wǎng)處于電力嚴(yán)重不足狀態(tài)的概率估計(jì)值約為0.059。

　　我國(guó)若采用“三華”特高壓異步網(wǎng)架方案,2020年前后華東純直流受端電網(wǎng)的情況與上述理論分析模型所反映的情況比較接近。

　　3 特高壓網(wǎng)架方案安全性評(píng)價(jià)分析

　　電力系統(tǒng)安全性指的是系統(tǒng)受擾動(dòng)后避免停電的性能,它的量化指標(biāo)為電力系統(tǒng)安全度,IEEE/CIGRE聯(lián)合工作組將電力系統(tǒng)安全度定義為對(duì)系統(tǒng)經(jīng)受住隨時(shí)可能發(fā)生的擾動(dòng)而不中斷為用戶服務(wù)的能力的風(fēng)險(xiǎn)性量度[15]。該工作組指出系統(tǒng)的安全度取決于系統(tǒng)的魯棒性（robustness）、運(yùn)行方式、發(fā)生故障的概率和故障后果等4個(gè)要素,其中故障后果隱含在“風(fēng)險(xiǎn)”這一術(shù)語(yǔ)中。電力系統(tǒng)的魯棒性與穩(wěn)定性的含義很接近,取決于系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)群之間聯(lián)系的緊密程度、網(wǎng)架強(qiáng)度、電壓支撐能力、維持頻率恒定的能力等因素。文獻(xiàn)[7-11]基于我國(guó)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則指定的故障集,通過(guò)仿真計(jì)算分析,論證了我國(guó)特高壓三華同步電網(wǎng)網(wǎng)架方案在典型運(yùn)行方式下的魯棒性滿足電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則的要求。上述校核電網(wǎng)規(guī)劃方案安全性的方法是國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)規(guī)劃安全準(zhǔn)則普遍采納的[16-17]。

　　從近十余年世界上發(fā)生的大停電事件來(lái)看,導(dǎo)致大電網(wǎng)大停電的不確定因素較多,許多大電網(wǎng)大停電事件的過(guò)程與基于故障集仿真分析的穩(wěn)定破壞過(guò)程差異較大,影響大電網(wǎng)安全問題涉及復(fù)雜系統(tǒng)的復(fù)雜特性[18-22]。因此,在上述文獻(xiàn)研究成果的基礎(chǔ)上,本文還結(jié)合電力系統(tǒng)復(fù)雜性理論以及大停電機(jī)理,對(duì)特高壓網(wǎng)架方案的系統(tǒng)安全性做了進(jìn)一步討論。

　　電力系統(tǒng)及其安全的復(fù)雜性關(guān)鍵有如下3點(diǎn)：

　　1）系統(tǒng)的開放性[22-24]。電力系統(tǒng)是開放復(fù)雜巨系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng),會(huì)受到外部系統(tǒng)很多不確定因素的影響,因此相對(duì)于復(fù)雜連鎖故障的發(fā)展過(guò)程而言,雖然傳統(tǒng)故障的仿真計(jì)算分析中有一部分是有效的,但是總體來(lái)說(shuō)還是存在一定的局限性[22]。在電力系統(tǒng)的規(guī)劃階段,通常只對(duì)網(wǎng)架規(guī)劃方案進(jìn)行有限的故障集仿真計(jì)算,以校核網(wǎng)架的穩(wěn)定特性[16,17,25]。而應(yīng)對(duì)電網(wǎng)大停電的復(fù)雜過(guò)程和影響因素則可基于系統(tǒng)大停電的機(jī)理分析,研究配置必要的電網(wǎng)安全監(jiān)控系統(tǒng),從而進(jìn)一步地降低電網(wǎng)大停電的風(fēng)險(xiǎn)[21,26]。

　　2）復(fù)雜系統(tǒng)的自組織臨界性。復(fù)雜系統(tǒng)在一定的條件下,會(huì)通過(guò)自組織過(guò)程自發(fā)地演化到一種臨界狀態(tài),在此狀態(tài)下微小的擾動(dòng)有可能觸發(fā)連鎖反應(yīng)并導(dǎo)致災(zāi)變。當(dāng)電力系統(tǒng)處于持續(xù)的危急狀態(tài)時(shí),一個(gè)小的故障都可能導(dǎo)致電網(wǎng)發(fā)生連鎖故障。例如在電網(wǎng)電壓持續(xù)偏低、電流持續(xù)過(guò)大的情況下,一些設(shè)備出于自我保護(hù)的需要所做的狀態(tài)調(diào)整或退出運(yùn)行,都會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)的狀態(tài)逐步惡化而崩潰。針對(duì)上述情況,可以通過(guò)配置相應(yīng)的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng),未及時(shí)識(shí)別和調(diào)控電網(wǎng)的狀態(tài),從而提高電網(wǎng)的安全水平[21,26]。

　　3）網(wǎng)絡(luò)故障傳播的復(fù)雜性。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜而負(fù)載過(guò)重的條件下,電網(wǎng)元件狀態(tài)間的相互影響以及故障的傳播往往具有“小世界”特征。一個(gè)元件的故障可能最終會(huì)導(dǎo)致相隔很遠(yuǎn)的許多元件故障而退出運(yùn)行,從而發(fā)展成大停電事件[20-22]。上述問題主要是由電力系統(tǒng)元件過(guò)流保護(hù)的配置以及電網(wǎng)安全防御體系的缺陷造成的,可通過(guò)“機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)”之類的技術(shù)改進(jìn),并建立新一代的電網(wǎng)安全監(jiān)控系統(tǒng)[21,26],從而處理好設(shè)備自身保護(hù)與電網(wǎng)安全之間的關(guān)系,達(dá)到降低發(fā)生大停電概率的目的。

　　文獻(xiàn)[21]指出電網(wǎng)大停電事件往往發(fā)生在天氣最熱或最冷季節(jié)的負(fù)荷高峰時(shí)段。多種不利條件疊加后使電網(wǎng)負(fù)載持續(xù)過(guò)重是導(dǎo)致電網(wǎng)大停電的主要原因,連鎖反應(yīng)的發(fā)展過(guò)程以及在此期間多種電氣量得相互作用情況如圖3所示。上述情況說(shuō)明,電力系統(tǒng)運(yùn)行方式以及運(yùn)行安全防御體系的缺陷是造成電網(wǎng)大停電事件的主要原因。

　　圖3 系統(tǒng)與設(shè)備不安全狀態(tài)相互作用過(guò)程

　　電網(wǎng)的持續(xù)危急狀態(tài)可能引發(fā)大停電,為了防止該情況的發(fā)生提出了監(jiān)控配置要求。文獻(xiàn)[21]對(duì)電網(wǎng)保護(hù)和安全監(jiān)控三道防線的功能設(shè)置提出了如下新的全面要求：

　　第一道防線：平時(shí)對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行診斷、發(fā)現(xiàn)不安全狀態(tài)時(shí)實(shí)施狀態(tài)調(diào)控的配套設(shè)施;發(fā)生故障時(shí)及時(shí)隔離故障的保護(hù)設(shè)施及需要啟動(dòng)的配套控制措施。

　　第二道防線：針對(duì)第一道防線可能出現(xiàn)的控制量不足或保護(hù)、控制不完全到位所導(dǎo)致的系統(tǒng)問題預(yù)設(shè)或追加的穩(wěn)定控制;應(yīng)對(duì)系統(tǒng)持續(xù)危急狀態(tài)的監(jiān)控配套措施。

　　第三道防線：針對(duì)前兩道防線保護(hù)和控制不完全到位或控制量不足所導(dǎo)致的系統(tǒng)問題預(yù)設(shè)或追加的補(bǔ)救控制;應(yīng)對(duì)系統(tǒng)極端危急狀態(tài)的應(yīng)急控制配套措施。

　　基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的穩(wěn)態(tài)調(diào)控和應(yīng)急控制,重點(diǎn)是防止由系統(tǒng)功率失衡引起的電網(wǎng)電壓異常、電流過(guò)大和頻率異常等問題,避免因發(fā)輸電設(shè)備出現(xiàn)電壓異常、電流過(guò)大或發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)轉(zhuǎn)速異常跳開而引發(fā)的連鎖反應(yīng)。

　　圖4 新一代電網(wǎng)安全監(jiān)控系統(tǒng)方案示意圖

　　圖5 新一代電網(wǎng)安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

　　文獻(xiàn)[26]提出建立如圖4和圖5所示的新一代電網(wǎng)安全監(jiān)控系統(tǒng),以提高大規(guī)模交直流混聯(lián)電網(wǎng)的安全水平。

　　在電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)網(wǎng)架的安全穩(wěn)定性已通過(guò)嚴(yán)重故障集故障擾動(dòng)校核的條件下,大停電事件仍會(huì)發(fā)生,這主要是由于在電力系統(tǒng)運(yùn)行中電網(wǎng)網(wǎng)架被削弱的情況下,未能及時(shí)調(diào)整運(yùn)行方式,從而導(dǎo)致電網(wǎng)狀態(tài)逐步惡化并引發(fā)了連鎖故障。顯然,上述問題的關(guān)鍵在于電網(wǎng)運(yùn)行安全防御系統(tǒng)配置和運(yùn)行方式的調(diào)整。由于運(yùn)行方式的問題以及運(yùn)行安全防御體系的缺陷可以通過(guò)前述途徑解決,因此在網(wǎng)架的規(guī)劃設(shè)計(jì)階段僅采用故障集校核網(wǎng)架方案魯棒性的方式是合理的。

　　圖1所示不同網(wǎng)架方案在安全性方面的差異,可通過(guò)建立如下用于特高壓網(wǎng)架方案停電風(fēng)險(xiǎn)比較分析的表達(dá)式進(jìn)行分析比較

　　式中：RT為電網(wǎng)停電風(fēng)險(xiǎn)度;P1i為發(fā)生第i個(gè)特大規(guī)模停電事件的概率;C1i為發(fā)生第i個(gè)特大規(guī)模停電事件的損失;P2j為發(fā)生第j個(gè)大規(guī)模停電事件的概率;C2j為發(fā)生第j個(gè)大規(guī)模停電事件的損失;P3k為發(fā)生第k個(gè)中小規(guī)模停電事件的概率;C3k為發(fā)生第k個(gè)中小規(guī)模停電事件的損失;L、M、N分別為在給定時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)可能發(fā)生大、中、小規(guī)模的事件總數(shù)。

　　對(duì)于規(guī)模較小的電網(wǎng),可采用式(1)對(duì)各電網(wǎng)規(guī)劃方案的系統(tǒng)停電風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量計(jì)算分析。例如,文獻(xiàn)[22]提出了一種針對(duì)整個(gè)規(guī)劃水平年不同時(shí)段下多場(chǎng)景概率性定量風(fēng)險(xiǎn)的分析方法,該方法僅適用于小規(guī)模地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃。但特大規(guī)模大同步電網(wǎng)過(guò)于復(fù)雜,不確定因素太多,而且特大規(guī)模停電的造成的損失也難以精確估計(jì),因此該定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法目前還不適用于特大規(guī)模電網(wǎng)規(guī)劃方案。

　　由于故障在同步電網(wǎng)內(nèi)部傳播比傳播到外部的異步電網(wǎng)更容易,因此一般說(shuō)來(lái),電網(wǎng)大停電的規(guī)模與同步電網(wǎng)的規(guī)模有關(guān)系,特大規(guī)模的同步電網(wǎng)有可能發(fā)生特大規(guī)模的大停電,而通過(guò)直流異步

　　相連的多個(gè)小同步電網(wǎng)同時(shí)發(fā)生停電的概率相對(duì)會(huì)小很多?；谏鲜龇治?可以認(rèn)為對(duì)于上述式(1)中的第一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)值而言,圖1大同步電網(wǎng)方案a的風(fēng)險(xiǎn)值較大。因此,就限制停電的規(guī)模的能力而言,各方案的排序恰與它們的功能排序相反,圖1中方案c最強(qiáng),其次是b,接下來(lái)是d,而方案a最弱。然而,如上一節(jié)所述,圖1中受端電網(wǎng)與送端電網(wǎng)非同步方案（b、c、d）的受端電網(wǎng)比之大同步電網(wǎng)方案a更容易出現(xiàn)電力不足的情況,在此狀態(tài)下,電網(wǎng)發(fā)生連鎖故障的風(fēng)險(xiǎn)也比較大。

　　此外,以穩(wěn)定性為約束條件,受端交流電網(wǎng)承受直流饋入的規(guī)模是有限的。文獻(xiàn)[27]從機(jī)理和指標(biāo)角度指出多直流饋入電網(wǎng)的電壓失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)增加;文獻(xiàn)[28-29]進(jìn)一步論證了多直流饋入后系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性變差的機(jī)理。文獻(xiàn)[7]指出,如果華東僅依靠直流輸電來(lái)滿足其負(fù)荷增長(zhǎng)的用電需求,到2020年,它受入的直流將達(dá)到19回左右,且多數(shù)集中于長(zhǎng)三角地區(qū),該地區(qū)部分交流線路發(fā)生“N-1”故障時(shí),將導(dǎo)致系統(tǒng)電壓失穩(wěn)、直流恢復(fù)失敗。文獻(xiàn)[30]指出,考慮配置一定規(guī)模的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置,江蘇電網(wǎng)可承受的最大直流規(guī)模為6回,共42.2GW;若不考慮動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置,江蘇電網(wǎng)可以承受的最大直流規(guī)模為5回34.2GW。在受端電網(wǎng)受電規(guī)模很大的情況下,特高壓交直流異步電網(wǎng)多直流饋入系統(tǒng)安全穩(wěn)定的問題比特高壓交直流大同步電網(wǎng)方案更為突出,因此也在一定程度上增加了大停電的風(fēng)險(xiǎn)。從文獻(xiàn)[5,7]介紹的電網(wǎng)故障仿真計(jì)算結(jié)果來(lái)看,在輸電規(guī)模很大的情況下,我國(guó)采用如圖1(d)所示類型的三華特高壓異步電網(wǎng)方案,受端電網(wǎng)的穩(wěn)定性較差,因此發(fā)生大規(guī)模停電的風(fēng)險(xiǎn)也比較大。

　　最后,從歷史上實(shí)際發(fā)生過(guò)的大停電事件來(lái)看,中小型同步電網(wǎng)更容易因頻率、電壓失穩(wěn)等問題而發(fā)生電網(wǎng)崩潰,例如東京、臺(tái)灣、海南、西藏、新加坡、瑞典、英國(guó)、韓國(guó)、巴基斯坦、馬來(lái)西亞、印度尼西亞、以色列、哥倫比亞、肯尼亞等電網(wǎng)均發(fā)生過(guò)電網(wǎng)崩潰性的大停電事件?；谏鲜銮闆r,可以認(rèn)為圖1(b)、圖1(c)網(wǎng)架類型的受端系統(tǒng)發(fā)生大停電的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)比較大,尤其在其受端系統(tǒng)處于電力不足狀態(tài)下發(fā)生大直流雙極閉鎖時(shí),受端電網(wǎng)較容易出現(xiàn)頻率和電壓失穩(wěn)。

　　綜上所述,可以認(rèn)為對(duì)于上述式(1)中的第2、3項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)值而言,圖1中方案a的值比較小。在網(wǎng)架的魯棒性滿足安全穩(wěn)定導(dǎo)則要求、在電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)保證留有合適的安全裕度以及配置合適的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的前提下,上述式(1)中的第1項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)值可以控制到足夠小,因此圖1中大同步電網(wǎng)方案a總的停電風(fēng)險(xiǎn)度RT可以做到小于送、受端電網(wǎng)非同步方案（b、c或d）的RT。

　　4 進(jìn)一步降低大同步電網(wǎng)停電風(fēng)險(xiǎn)的措施

　　對(duì)于方案a所示的特高壓大同步電網(wǎng),進(jìn)一步降低它發(fā)生特大規(guī)模停電事件風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵是嚴(yán)防區(qū)域電網(wǎng)之間的發(fā)電機(jī)群失去同步。一方面通過(guò)建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)網(wǎng)架可降低電網(wǎng)功角失穩(wěn)的概率,其次部分設(shè)備停運(yùn)條件下及時(shí)調(diào)整運(yùn)行方式保證系統(tǒng)留有足夠的安全裕度可進(jìn)一步降低電網(wǎng)功角失穩(wěn)的概率。再者,應(yīng)對(duì)嚴(yán)重故障的切機(jī)措施還安排一定的冗余配置;在國(guó)家電網(wǎng)公司重大專項(xiàng)研究中還研究了采用基于響應(yīng)的實(shí)時(shí)追加切機(jī)或追加局部主動(dòng)解列等措施;上述措施用以保證即使在電網(wǎng)安全第二道防線安控措施不到位或安控量不足的條件下,仍能避免區(qū)域電網(wǎng)之間的發(fā)電機(jī)群失去同步。

　　繼電保護(hù)拒動(dòng)是造成電網(wǎng)停電的原因之一,例如1999-03-11巴西圣保羅的一個(gè)變電站遭受雷擊,導(dǎo)致440kV母線短路,因母差保護(hù)拒動(dòng)引發(fā)了連鎖故障造成大停電;1999-07-20我國(guó)山西220kV新店變電站在故障過(guò)程中保護(hù)裝置用的直流電源遭受破壞,導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng),引發(fā)了山西電網(wǎng)多臺(tái)發(fā)電機(jī)組連鎖故障停機(jī);2005-09-26我國(guó)海南220kV玉州變電站因臺(tái)風(fēng)暴雨的破壞導(dǎo)致保護(hù)裝置用的直流電源出故障,進(jìn)而引起保護(hù)拒動(dòng)并引發(fā)了波及整個(gè)海南電網(wǎng)的連鎖故障大停電。鑒于上述情況,為了進(jìn)一步降低大停電的風(fēng)險(xiǎn),電網(wǎng)高電壓等級(jí)的輸電線路和母線等重要設(shè)備須設(shè)置相互獨(dú)立的冗余保護(hù),包括設(shè)置相互隔離的向保護(hù)裝置供電的兩套直流電源,以降低保護(hù)拒動(dòng)的概率。

　　在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定方面,要切實(shí)做好提高特高壓大同步電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)安全穩(wěn)定水平的工作。例如在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)方面,個(gè)別邊遠(yuǎn)地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)可采用直流輸電系統(tǒng)連接方案,避免形成長(zhǎng)鏈型弱聯(lián)系的交流電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。此外,加強(qiáng)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定器的配置與整定工作,從各方面提高大同步電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性能。

　　5 結(jié)論

　　1）特高壓交直流大同步輸電網(wǎng)架方案在實(shí)現(xiàn)高效、靈活地大范圍、大規(guī)模匯集、輸送和分配電能方面具有較明顯的綜合功能優(yōu)勢(shì),在受端系統(tǒng)安全可靠性方面也優(yōu)于特高壓異步多直流饋入大受端電網(wǎng)網(wǎng)架方案。應(yīng)建立大規(guī)模交直流特高壓輸電網(wǎng)以滿足我國(guó)大范圍大容量電力匯集、輸送和分配需求。

　　2）電網(wǎng)停電的規(guī)模與同步電網(wǎng)的規(guī)模有一定的關(guān)系,但導(dǎo)致世界上大停電事件發(fā)生較為頻繁的主要原因是電網(wǎng)安全防御體系存在缺陷。為了充分降低大規(guī)模停電的風(fēng)險(xiǎn),電力系統(tǒng)安全三道防線均需加強(qiáng)。

　　3）特高壓交直流大同步輸電網(wǎng)應(yīng)從運(yùn)行方式控制、保護(hù)及安全控制冗余配置、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定器配置與整定、提高保護(hù)裝置的可靠性以及完善用于防止連鎖反應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)等方面進(jìn)一步扎實(shí)做好嚴(yán)防區(qū)域間大機(jī)群功角失穩(wěn)的工作。