三華特高壓同步電網(wǎng)構(gòu)建及安全性分析

20世紀(jì)80年代以來(lái)，西方主要發(fā)達(dá)國(guó)家電力需求趨緩，系統(tǒng)總規(guī)模遠(yuǎn)未達(dá)到翻2番的水平，并且新增大量位于負(fù)荷中心地區(qū)的氣電裝機(jī)，大大降低了對(duì)遠(yuǎn)距離、大容量輸電技術(shù)的依賴。即便如此，日本在20世紀(jì)80年代末90年代初陸續(xù)建成同塔雙回1 000 kV輸電工程，后由于沒(méi)有負(fù)荷需求，處于降壓運(yùn)行狀態(tài)。在蘇聯(lián)，從20世紀(jì)80年代開始，隨著大型能源基地的建設(shè)，陸續(xù)建成的特高壓交流輸電線路長(zhǎng)度有2 364 km，后主要由于蘇聯(lián)解體，特高壓交流輸電處于停滯狀態(tài)。

中國(guó)自1982年第1條500 kV輸變電工程投運(yùn)以來(lái)，電壓等級(jí)從220 kV升級(jí)至500 kV已有28年的歷史，裝機(jī)容量從1982年的7 236萬(wàn)kW發(fā)展到目前的超過(guò)8億kW，是當(dāng)初的11倍以上。隨著西部大水電、北方大火電和可再生能源發(fā)電基地的開發(fā)建設(shè)，遠(yuǎn)距離、大容量輸電的市場(chǎng)前景廣闊，僅依靠交流500 kV輸電，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面來(lái)看均是不可行的。因此，中國(guó)采用交流1 000 kV輸電技術(shù)是基于國(guó)際上電網(wǎng)發(fā)展的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，特別是結(jié)合中國(guó)國(guó)情所做出的戰(zhàn)略選擇。

(3)特高壓交直流輸電必須協(xié)調(diào)發(fā)展。

特高壓交流輸電類似“高速公路”，適用于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，中間可以落點(diǎn)，電力的傳輸、交換、分配十分靈活;直流輸電類似“直達(dá)航班”，中間不能落點(diǎn)。中國(guó)電力輸送整體上體現(xiàn)出從西向東大規(guī)模流動(dòng)、在中部分布落點(diǎn)的格局，特高壓交流輸電可以方便地適應(yīng)這種能源輸送與消納格局;若單純依賴直流輸電，則無(wú)法適應(yīng)這一要求。從安全性來(lái)講，直流輸電工程必須依托于送、受兩端堅(jiān)強(qiáng)的交流電網(wǎng)才能可靠運(yùn)行。因此，交、直流輸電方式各有所長(zhǎng)，本身沒(méi)有排他性，而是相輔相成的，在電網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)中要注意發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，使2種輸電方式各盡所能，相得益彰。

在電源基地外送中采用特高壓交流與特高壓直流相互配合，形成“強(qiáng)交流和強(qiáng)直流”并聯(lián)輸電結(jié)構(gòu)，可為西電東送提供多樣化的選擇，將有助于改善中國(guó)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高輸電系統(tǒng)的安全可靠性。

建設(shè)華北—華中—華東大同步受端電網(wǎng)，是接受大容量電力輸入和充分取得聯(lián)網(wǎng)效益的客觀需要，其電壓等級(jí)選擇特高壓，并推進(jìn)特高壓交直流輸電協(xié)調(diào)發(fā)展，是符合電網(wǎng)發(fā)展的客觀規(guī)律的。

3 、特高壓同步電網(wǎng)的安全性分析

3.1 同步電網(wǎng)大停電機(jī)制

同步電網(wǎng)具有受到擾動(dòng)后維持系統(tǒng)同步運(yùn)行的自然特點(diǎn)，從而減輕擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響;同步電網(wǎng)規(guī)模越大，共同響應(yīng)擾動(dòng)的元件就越多，擾動(dòng)帶來(lái)的波動(dòng)越小，承受能力越強(qiáng)。從大停電概率來(lái)看，電網(wǎng)規(guī)模較小時(shí)，相對(duì)較小的擾動(dòng)可能引發(fā)電網(wǎng)事故，進(jìn)而發(fā)展為全網(wǎng)大停電事故，如巴西、馬來(lái)西亞和印尼等大停電事故;而對(duì)于大規(guī)模同步電網(wǎng)，抗擾動(dòng)能力增強(qiáng)，系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性明顯提高。

從國(guó)外電網(wǎng)近年來(lái)發(fā)生大面積停電的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和機(jī)制看，大面積停電事故的發(fā)生，都是由于對(duì)單一事故處理不當(dāng)而引發(fā)的。電網(wǎng)崩潰往往是在大電網(wǎng)安全充裕度下降的條件下，由發(fā)電、輸電設(shè)備的連鎖反應(yīng)事故誘發(fā)的，都有一定的發(fā)展過(guò)程，而不是瞬間出現(xiàn)、爆炸性的，從實(shí)際演變過(guò)程來(lái)看，也往往是多種原因?qū)е铝斯β兽D(zhuǎn)移等情況失控，最終大停電。這種事故通過(guò)采取正確的控制策略，提高電網(wǎng)的充裕度，切斷惡性連鎖反應(yīng)鏈，將系統(tǒng)狀態(tài)導(dǎo)向良性的恢復(fù)過(guò)程，是可以有效控制的。

因此，大停電事故的原因并不在于同步電網(wǎng)的規(guī)模大小，而主要可歸結(jié)為2點(diǎn)：一是電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理;二是缺乏統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制機(jī)制。以美國(guó)電網(wǎng)為例，其電網(wǎng)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，各電網(wǎng)之間的互聯(lián)是自發(fā)形成的，765/345 kV系統(tǒng)與500/220 kV系統(tǒng)交織混聯(lián)，長(zhǎng)距離弱電磁環(huán)網(wǎng)普遍存在，造成電網(wǎng)結(jié)構(gòu)混亂，容易發(fā)生大范圍的負(fù)荷轉(zhuǎn)移，引起連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致大停電事故頻發(fā);另一方面，由于缺乏全網(wǎng)統(tǒng)一的協(xié)調(diào)控制機(jī)制和手段，未能建立可靠的全網(wǎng)安全穩(wěn)定防線，致使系統(tǒng)中的局部故障不能及時(shí)采取措施快速隔離，而逐漸演變成大停電事故。再如近期巴西電網(wǎng)大停電事故暴露出來(lái)其在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)方面存在缺陷，單一送電通道比例過(guò)高，受端電網(wǎng)規(guī)模和強(qiáng)度均不足。

結(jié)構(gòu)合理的大電網(wǎng)在統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制的基礎(chǔ)上，通過(guò)區(qū)域間事故情況下緊急功率支援和完善的安全防御體系遏制事故的發(fā)展，可將事故控制在較小的范圍內(nèi)，降低事故可能造成的影響，避免全網(wǎng)性大停電事故。蘇聯(lián)電網(wǎng)是同步大電網(wǎng)安全運(yùn)行的典范，在1991年蘇聯(lián)解體前，其電力系統(tǒng)沒(méi)有發(fā)生過(guò)全網(wǎng)性的大停電事故。

中國(guó)電網(wǎng)在安全運(yùn)行方面有著良好的基礎(chǔ)和豐富的經(jīng)驗(yàn)。中國(guó)電網(wǎng)發(fā)展滯后是不爭(zhēng)的事實(shí)，雖然中國(guó)1982年就投運(yùn)了500 kV輸電線路，但發(fā)展緩慢，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱是造成20世紀(jì)90年代以前事故頻發(fā)的主要原因之一。20世紀(jì)90年代以后，隨著500 kV主網(wǎng)架的加強(qiáng)，雖然同步電網(wǎng)規(guī)模也在逐步擴(kuò)大，但中國(guó)電網(wǎng)再?zèng)]有發(fā)生全網(wǎng)性崩潰事故，主要原因有3個(gè)方面：一是中國(guó)電網(wǎng)的運(yùn)行嚴(yán)格遵守《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》;二是中國(guó)電網(wǎng)實(shí)行統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一調(diào)度的機(jī)制;三是仿真手段的豐富性和計(jì)算準(zhǔn)確性不斷提高，確保了大電網(wǎng)安全穩(wěn)定防御體系(三道防線)的可靠建立。

綜上所述，從同步電網(wǎng)規(guī)模和安全性關(guān)系、國(guó)外大停電發(fā)生機(jī)制和中國(guó)電網(wǎng)運(yùn)行歷史經(jīng)驗(yàn)來(lái)看：大電網(wǎng)承受擾動(dòng)的能力比小電網(wǎng)顯著增強(qiáng);大電網(wǎng)事故過(guò)程是可以有效控制的，大規(guī)模同步電網(wǎng)的安全性是可保障的。

3.2 “三華”特高壓同步電網(wǎng)構(gòu)建原則

目前的特高壓同步電網(wǎng)初步方案是按《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》和《電力系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》的要求構(gòu)建的，規(guī)劃的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)符合電網(wǎng)分層分區(qū)布局原則。

(1)建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)的受端電網(wǎng)。在京津冀、華中東部、華東等負(fù)荷中心形成特高壓環(huán)網(wǎng)，如圖3所示，與各電壓等級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，使電網(wǎng)具有強(qiáng)大的交換能力，方便外來(lái)電力分散接入，滿足電源基地送出電力在受端電網(wǎng)的分配需求，提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平。

(2)堅(jiān)持電源合理分層分區(qū)接入系統(tǒng)。送端電源宜直接接入特高壓電網(wǎng)，為了解決受端電網(wǎng)的電壓支撐問(wèn)題，保證電網(wǎng)安全，一方面在電網(wǎng)中合理配置無(wú)功補(bǔ)償裝置，另一方面受端系統(tǒng)部分大機(jī)組宜直接接入特高壓電網(wǎng)。圖4為2020年送受端電源接入的示意圖。