大受端城市电网若干安全问题及对策

王 伟,马鸿杰,金敏杰

(上海市电力公司电力调度通信中心,上海 200122)

1 引言

现代化城市的正常运转愈来愈依赖于可靠的电力供应,一旦发生电力供应瘫痪,对社会稳定造成的冲击和经济发展造成的损失无法估量。而与西电东输、西气东输等全国范围内的资源优化配置以及“上大压小”、节能减排等能源政策相适应,现代城市电网受端电网特征逐渐凸现,因此如何确保像上海这样的国际化大都市典型大受端城市电网的安全、可靠供电,尽最大可能避免大面积停电事故的发生,对促进社会和经济的可持续发展具有十分重要的意义。

2 大受端城市电网的特点及安全问题

2.1 城市电网负荷的供电需求

现代化城市建设往往以建成政治、经济、金融、贸易和航运中心为主要目标,与之相适应的坚强电网也逐步呈现出大都市的负荷特性,主要表现在以下两个方面。

(1)供电可靠性要求高 由于承担着国家社会重要活动、特殊时期电力供应保障以及民计民生等工作的政治、经济敏感性,加之当前电网规划、设计的“N-1”准则已不能满足实际运行及安全保电要求,往往需要考虑“N-2”及以上的电力可靠供应。

(2)电能质量要求高 城市交通、精密生产、高危行业等负荷,不仅对正常的电网电压、频率质量提出了较高标准,同时对电网事故的快速发现、隔离和恢复提出了更高要求,一旦不能及时有效地处置供电中断事件,将可能连锁引发较大的人身、财产、安全事故和造成恶劣的社会影响。

2.2 供电面临的困境及安全问题

与城市用电负荷对电网的安全、可靠、优质供电提出的需求相矛盾的是,大受端城市电网由于其“大受端”以及“现代化城市”的固有特征,导致在电网的安全运行方面,可能存在若干安全问题,发生大面积停电的风险客观存在。

2.2.1 城市电网通道相对集中问题

城市电网地区面积狭小,网内线路走廊资源匮乏,输电线路多以同塔紧凑型结构为主,上海电网220 kV及以上主网同塔四回线现象亦不乏少见。此外,城市电网对外电气上虽可能存在多回联络线路,但受制于实际物理通道,部分联络线路通道集中、间距相邻较近,由于自然灾害等因素引发同时失却多回输电通道,即发生“N-2”及以上电网事故的可能性依然存在,且其发生概率也在逐渐增加,这些问题不解决,都将严重威胁电网的安全、稳定运行。例如:2004年8月16日,受龙卷风的突然袭击,上海电网500 kV黄渡站向上海市中心城区送电的6回220 kV线路跳了5回; 2007年7月27日,上海电网对外联络的葛南、宜华直流以及落点江苏政平的龙政直流系统,因为武汉市黄陂区龙卷风,导致3回直流系统14 m in内相继发生单极闭锁事故。

2.2.2 全网受电安全性问题

随着电网的发展、国家能源战略以及电网发展规划的深入开展,城市电网受制环保以及电厂厂址资源日渐紧张等因素,作为互联电网末端的城市电网,外部受电比例的逐年增加以及交直流混合送电成为可预见的发展趋势,电网规划网架建设的相对滞后,导致的阶段性受电安全问题,已经成为威胁大受端城市电网安全、可靠供电的主要“瓶颈”之一,其主要原因基于以下几个方面:

(1)直流输电相当于“点对网”送电,几乎无吞吐能力。从受电电网侧看如同一个大电源,一旦直流失却或闭锁,所缺额的功率会瞬间从交流通道涌入,这就要求交流通道为直流通道预留足够的事故备用容量,否则将会出现连锁反应,危害整个大受端电网的安全,发生大面积停电事故。目前,上海电网由于6回交流受电通道的实际有效受电能力仅为550～620万kW,倘若用电负荷高峰期间复奉直流满送并双极闭锁跳闸,那么由于潮流转移,很可能导致上海电网全网交流受电通道超出供电能力。

(2)大受端电网的电气联系一般相当紧密, 500 kV系统形同一组“大母线”,交直流系统之间关联性很强,交流系统故障引发的电压跌落,如果故障未及时切除、电压在连续多个周波中未及时恢复,很可能引发直流系统的闭锁跳闸。

(3)外来受电通道由于在局部地段物理距离紧凑且十分贴近,倘若由于飚线风、泥石流等自然灾害原因导致同时失却,将造成大受端城市电网大量的功率缺额,若无有效应对措施,则极易导致发生大面积停电事故。

2.2.3 局部分区电网受电安全性问题

电网分层、分区运行是城市电网发展过程中必然经历的过程,而城市电网由于地区负荷增长的快速性、不均衡性、“上大压小”的推进、发电机组电源分布的不均衡及地区电网建设受阻造成的网架相对滞后性,导致城市分区电网受电比例逐年增加,受电安全性问题突出。

上海电网从1994年开始有计划地实施分层分区运行,至2010年已分别以500 kV变电站为中心形成十大分区电网运行。而2010年夏季高峰,上海电网将近一半左右的供电分区存在主网电力平衡但供电分区受不进的问题,虽在多个220 kV分区电网多次实施用电控制极端措施,确保了220 kV分区电网的安全运行,但若发生分区500 kV主变“N-2”及以上故障,则将可能出现分区孤网运行或局部电网被“黑”的不利局面。

2.2.4 短路电流超标问题

由于受地域限制,城市电网多数呈现密集型电网特征,主要表现在电源集中、负荷集中、电气联系紧密。随着城市电网网架的日趋紧密和新电源的陆续投产,电网短路容量问题日趋严重。例如:上海电网500 kV网架正常为双环网,但由于黄渡、杨高等部分500 kV站短路电流超标,必须拉停500 kV线路,采用维持单环运行或解环运行的方式来限制短路电流。500 kV主网方式的调整措施,一是降低电网安全运行的可靠性,增加了电网运行的复杂性,尤其在发生重要线路故障跳闸或者设备缺陷检修的情况下,电网输电能力将大幅下降,大大削弱电网抗风险的能力;二是分层分区220 kV电网运行,完全依赖于500 kV主网架的安全性,500 kV主网方式的薄弱,必将导致220 kV分区电网的整体安全可靠性降低。

2.2.5 电网调峰矛盾问题

城市电网由于产业结构调整和居民生活水平提高,商业、居民负荷比重逐年增加。例如:上海电网2010年空调负荷比例已达45%左右,导致城市用电负荷对季节和天气敏感度大,较大程度地增加了城市电网的负荷预测、电网调峰等电力平衡工作的难度。同时,市外受电电力多以大段阶梯式调峰,很难跟踪实际负荷变化,且目前部分跨区直流运行方式不参与系统调峰,这部分调峰任务将转嫁到本地发电机组,因此进一步增加了城市电网的调峰压力。

此外,受端城市电网为配合“西气东输”等战略,建设了一定容量以天然气为燃料的天然气发电机组,一旦气电联调不理想,则将导致电网为天然气供气过剩或供气不足而被迫增加调峰的局面,城市电网调峰问题将更加严峻。上海电网极端情况下,部分时段甚至需调停600 MW乃至1GW容量的发电机组用以渡过难关。

2.2.6 热稳定及电压稳定问题

大受端城市电网由于电气联系紧密,功角及小干扰稳定问题并不突出,主要表现为热稳定和电压稳定问题,其中由于空调负荷比例的逐年增加,动态无功补偿相对不足,电压问题尤其是动态电压稳定问题逐步凸现。例如:日本东京电网为典型的大都市电网,1987年7月23日由于气候炎热,空调负荷逐步攀升,而当时东京电网缺乏无功功率紧急备用,导致电压逐步下降,由于未采取紧急切负荷等措施,引发电压崩溃,造成事故停电816万kW、影响280万户用户、最长停电时间超过3 h的严重后果。

3 大受端城市电网的安全对策

大受端城市电网运行的复杂性,决定了电网安全防御的复杂性。针对大受端城市电网安全、可靠、优质供电的高需求,以及前述可能存在的若干安全问题、大面积停电的风险,可在智能电网的总体框架下,从以下几方面积极开展有关工作加以应对。上海电网已先期开展了部分工作。

3.1 适当提高标准优化电源和电网规划

针对大受端城市电网发生“N-2”及以上故障概率相对大的事实,结合目前国家社会重要活动、特殊时期电力供应保障以及民计民生等对高供电可靠性的需求,应在兼顾投资的基础上,适当提高规划标准,为大电网安全和重要用户供电安全,创造更为良好的条件。例如:美国Con-Edison公司为确保纽约曼哈顿区的供电可靠性,按照“N-2”标准,采取了正常3台主变运行、1台主变热备用及1台主变冷备用的供电方案。一旦运行主变故障,热备、冷备主变可随时投入运行。

3.2 研究建设城市电网安全预防体系

城市电网安全预防体系旨在监视及预警电网状态、优化电网运行方式、强化应急处置能力,力保不出电网事故。在建设、完善能量管理系统(EMS)的电网安全预警及可视化等高级应用功能以及加强事故预案和各类反事故演练等工作的基础上,针对大受端城市电网的特点,城市电网安全预防体系建设还可重点突出以下4个方面的工作。

(1)研究建设气象信息预警系统 建立电力公司与气象部门联动机制,研究建设气象信息预警系统,为提升负荷预测水平提供依据,同时为应对严重自然灾害天气做好预警工作。目前,已完成上海网内的气象信息平台的研究和建设,鉴于受电通道状态对上海电网安全的至关重要性,下阶段将进一步研究建设受电通道全路径的气象信息预警系统。

(2)研究建设电压和频率协调控制系统 研究建设电压和频率协调控制系统,优化电网电压、频率品质,并预留充足的安全裕量。上海电网研究建设的自动能量管理系统(AEMS),基于混成控制理论,目标可实现电压、频率的自趋优控制,目前电压控制系统已投入闭环运行。

(3)研究建设智能调峰系统 开展智能调峰系统的框架、方案研究和建设,基于天然气、常规燃煤、新能源等燃料、机组特点和特性,研究气电联调、直流调峰等机制,使得天然气调峰、直流受电、新能源的运行等符合城市电网调峰标准要求,峰谷比符合城市电网的负荷特点。开展钠流电池等新型储能设备以及电动汽车充电站等对电网调峰的可行性研究。最终形成符合大受端城市电网客观安全运行要求、科学合理、节能环保、和谐共赢的智能调峰系统。

(4)研究建设智能负荷量测、分析和控制系统

基于智能电网高级量测体系的思想,通过有机整合上海电网EMS、电能质量监测系统、基于同步相量测量装置(PMU)的电网动态监测系统和即将布点的智能电能表网络数据等资源,获取和综合处理电网的状态信息,进而建成全实时、多时域、多层次的负荷特性研究数据源平台,形成城市电网智能负荷量测系统。以此平台为基础,在综合城市电网商业负荷、钢铁负荷、智能小区负荷等特性基础上,通过在线参数辨识、实测和仿真比较,建立分层分区分类综合负荷模型,形成城市电网智能负荷分析系统。最终通过有机整合城市电网电压/频率控制系统、电能质量监测系统以及智能电能表网络等,建成可实现电网稳定、电能质量、节能降耗、低碳绿色发展等多目标优化的城市电网智能负荷控制系统。

3.3 研究建设城市电网快速救治体系

城市电网快速救治体系旨在快速发现故障、防止事故扩大、缩小事故影响范围。除建设完善电力应急抢修指挥系统外,还应重点做好以下4个方面工作:

(1)研究建设继电保护与故障信息管理系统

快速识别故障是调度事故及时处置的基础,通过研究建设继电保护与故障信息管理系统,提供一个规范的全网继电保护故障信息数据中心,并对微机保护、故障录波器提供统一的分析平台,可帮助调度中心全面、快捷获取故障信息,迅速作出事故处理方案、优化生产调度与管理决策。

上海电网已建设完成的继电保护与故障信息管理系统,已在11个220 kV分区,58个220 kV发电厂、变电站部署了信息子站,全网220 kV厂、站的继电保护信息子站覆盖率为55%。该系统在2010年11月26日星山2219线B相故障中,为调度人员在故障后2 m in内迅速做出故障点判别、为超高压公司提升巡线效率,大幅提高电网事故应急处置速度发挥了重要作用。

(2)精细化负荷控制手段 大受端城市电网主要面临热稳定和电压稳定问题,而其最有效的应对措施是对本地负荷的拉停控制。因此,为使调度事故处理时有所依据,需要每年滚动编制调度负荷控制名单,并经市政府相关部门批准执行,做到负荷控制的精细化管理。上海电网根据电网运行及事故影响等情况,将调度负荷控制名单细化为《超供电拉路名单》、《紧急减负荷程序表》以及《拉停220 kV主变名单》3个部分。

(3)建设负荷拉停遥控批处理操作系统 快速拉停负荷,对调度在事故蔓延之前将电网控制到安全水平,具有重要意义。目前,上海电网80%以上35 kV变电站实现了开关遥控功能,单个开关拉停负荷速度从5 m in减到30 s左右,开关遥控批处理后拉停负荷速度成倍增加,为快速超供电拉路等操作奠定了良好的基础。

(4)研究建设智能安全稳定预警与控制系统

城市电网“N-2”及以上的严重故障,须通过自动控制系统实现。城市电网智能安全、稳定预警与控制系统,需以应对500 kV主网交流故障、直流(特高压直流)双极闭锁、交直流混合故障等“N -2”及以上电网事故后热稳定问题,以及500 kV终端线路/联变“N-2”及以上故障后的分区系统热稳定、电压稳定和频率稳定问题为目标,在确保城市全网以及各分区电网安全稳定运行的前提下,对于超运行限额的情况,给出预警及辅助决策方案,对于超设备限额情况视过载程度,施行优化切负荷自动控制,以确保大受端城市电网安全。

目前,上海电网已实现了安全、稳定预警与控制系统的一期工程,即世博配套工程,为大幅提升上海电网应对“N-2”及以上事故的能力,为电网的安全运行及世博可靠供电,发挥了重要的保驾护航作用。

3.4 研究建设城市电网快速恢复体系

城市电网快速恢复体系旨在电网事故后的快速恢复,其中黑启动体系建设是其关键内容之一。上海电网在2001年完成了“上海电网灾变下的快速恢复方案”理论研究,2003年12月至2006年6月,以闸北燃机电厂为黑启动机组,成功地进行了4个阶段的黑启动现场试验,形成了满足真正实战要求的黑启动体系,并通过黑启动操作卡落实到发、输、配各级调度平台。该成果作为“上海城市电网电灾防治体系”的重要组成部分,获得了2007年上海市科技进步一等奖。此后通过不断完善,作为“城市电网电灾防治关键技术与应用”的重要组成部分,获得了2010年国家科技进步二等奖。

4 结语

大受端城市电网安全运行和电力有序供应,将直接影响城市可持续发展及社会的和谐稳定。通过分析,总结大受端城市电网的特点及其若干安全问题,提出了提高标准优化电网、电源规划,从“防、救、治”3个层面建设城市电网安全预防、快速救治、快速恢复体系等大受端城市电网安全对策。相信在实施庞大的电网建设系统工程的基础上,这些安全对策将成为大受端城市电网安全运行的基础性、前瞻性和战略性的应对措施,对于有效解决大受端城市电网的安全问题,具有积极的作用和意义。