大规模源网荷友好互动系统在大面积停电先期处置中的应用

摘要：随着特高电网的建设和投运，长三角地区负荷中心受端电网特性日趋显著，給区域电网带来了新的运行风险。特高压送入功率的大幅度突变将导致受端电网大额功率缺失，有可能引发大面积的停电事件。为此，2016年起国家电网主导率先在江苏建设“大规模源网荷友好互动系统” 来应对这一风险。本文对大面积停电事件的演化阶段性特征进行描述，并结合《国家大面积停电事件应急预案》相关规定，提出了大面积停电事件电网先期处置的概念和并定义了先期处置的关键资源要素;随后通过对大规模源网荷友好互动系统的技术机制进行剖析，阐述了大规模源网荷友好互动系统在大面积停电事件先期响应中的关键意义并展望了一系列实践方向。

关键词：特高压电网  源网荷  大面积停电事件  先期响应

一、大面积停电突发事件演化特征

2015年，国务院印发《国家大面积停电事件应急预案》。新预案第一次明确指出因电网事故、自然灾害和社会事件引发的大面积停电事件属于社会突发事件范畴，并规定了电网企业在大面积停电事件应急准备、应急响应和应急保障中的关键职责。新预案强调了大面积停电事件全过程应对中电力企业的重要职责和电力企业能力准备与资源保障的重要意义。

下图所示为大面积停电的典型演进过程：

图中展现了大面积停电酝酿、发生、发展的几个重要阶段。

A阶段：从电网扰动演变为电网停电事件阶段。在这一阶段如果电网网格坚强、备用充裕、处置得当，事件将延绿色曲线演进，大面积停电事件被化解于未然;

B阶段：从电网停电事件演变为社会大面积停电事件阶段。这一阶段电网稳定已经越限并造成电网大面积停电，如果政府统一指挥、应急资源充足，电网保障社会生命线、社会保障电网抢修复电，事件将延黄色曲线演进，大面积停电事件被有序处置;

C阶段：从社会大面积停电事件演变为社会突发事件阶段。这一阶段停电已经损害政府行政职能，停电的民生影响可能触发群体事件，需要动员国家机器采用宪政行为对社会秩序予以强制管理，其恢复过程如红色曲线。

应急管理的关键要素在于应急准备，应急准备的实质是防线前移。综上所述，在大面积停电事件发生发展过程的初期阶段有效应对，制止甚至逆转事件的恶化，将极大降低事件影响面，减小事件损失，维护社会安定。

二、大面积停电突发事件先期处置要点

突发事件的先期处置，一般指在突发事件初露端倪时依照预先设定的工作程序，调动关键资源抑制事件扩展蔓延所采取的一系列措施。

在大面积停电事件初现的征兆的典型征兆是电网扰动，一般表现为电压波动、频率跌落，在电网控制系统能有效抑制小幅度扰动并保持电网稳定。当扰动幅度过大时，可能导致发电机组解列、低频减载动作、电网断面越界进而使电网稳态崩溃，引发大面积停电事故。受电能的信息化属性决定，从扰动越限到电网失稳的发生发展过程很快，这一阶段的监测、预警、准备和先期处置具有很强的专业性，只能由电网企业承担。

所以，大面积停电的先期处置主要依靠电网企业能力，电网企業需要建设的关键能力有：

监测预警能力

电网企业对电网运行状态信息进行实时采集，通过实时计算和与历史仿真算例的比对及时判断电网稳定运行的潜在风险，并对风险进行分级归类建立趋势性状态预警体系。状态预警一经启动立即出发一系列预警行动，包括：旋转备用和稳定备用的储备、扩大监控预警外延信息收集以做好下一步事件预警的准备以及将对负荷快切资源进行征用的先期预警行为;

应急虚拟电厂

当电网突发大幅度扰动时，电网各类备用容量立即以应急虚拟电厂的形式投运。从虚拟电厂处理爬坡时间常数分类，毫秒级响应的虚拟电厂包括直流调制，抽蓄切泵和负荷快速切除等;秒级响应的虚拟电厂包括负荷快切;分钟级响应的虚拟电厂包括发电厂一次、二次调频等;十分钟以上级的虚拟电厂包括通过电力市场进行的需求侧响应容量征集等。以UPFC为代表的断面平衡技术相当于将虚拟电厂在网格间的迁移，广义上也可以归类为毫秒级应急虚拟电厂;

预案化的资源征用能力

电网供电业务连续性可以划分为计划可用性和非计划可靠性范畴。完善有序的计划可用性管理是保障应急资源合理征用的重要环节。电网企业通过情景构建、过程推演、演练培训使受控负荷相关用户充分掌握应急征用时的运行特点和安全保障措施，共担大面积停电应对责任。

在这一背景下，大规模源网荷友好互动系统应运而生，源网荷系统的建设和运行与电网企业形成上述三种能力高度相关，大大提升了电网应对突发性大幅度扰动的抗御力。

三、大规模源网荷友好互动系统的虚拟电厂等效性

2016年6月15日，国内首套“大规模源网荷友好互动系统”在江苏建成投运，江苏电力在全省建立了376万千瓦的秒级精准切负荷能力，其中在苏州地区部署了100万千瓦毫秒级精准切负荷能力。

大规模源网荷友好互动系统是立足于电源、电网、负荷之间复杂互动环境下电力系统运行控制的整体部署和系统性集成，其中荷随网动是通过荷来响应电网备用容量不足和线路或设备潮流越限的互动模式。负荷作为响应资源，按照其与电网互动的深度可以分为以下几种方式应对电网扰动。一是具备秒级甚至毫秒级响应能力的工业用户的可中断负荷参与电网调度，通过降低峰荷时段的电力需求或增加低谷时段的电力需求，有效缓解电网备用容量不足和大容量负荷缺额的问题。二是具备分钟级响应能力的空调温控和电动汽车等海量柔性负荷参与虚拟调峰，通过智能参数调节实现柔性降载，从而实现虚拟调峰，解决线路或设备潮流越限等问题。三是具备小时级响应能力的需求响应负荷参与需求响应，通过将用电需求在不同时段内平移、转移或削减，从而实现电网错峰和限电。四是具备快速响应能力的集中式和分布式储能负荷参与电网互动，在达到一定规模后，通过充放电控制，可为电网应对小概率高风险的备用容量不足以及线路或设备潮流越限提供有效手段。

大规模网荷互动用于提供瞬时能量平衡资源的技术机制具有以下特征：

集中控制：电网调度中心侧系统保护稳定控制中心针对大电网频率稳定问题、断面越线问题和联络线超计划以及备用不足等问题，直接指定并发出调控指令，对源网荷系统设定的刚性可控负荷进行快速切除;

技术主导型形态：系统运行机制基于电网实时指标特性，系统调控直接作用于刚性可控负荷，系统调控目标为大电网提供频率调节、潮流稳定和旋转备用服务。

因此，源网荷系统的快速负荷减供形态等同于以可控负荷调节能力为主要资源的、集中控制型的、技术主导的为大电网提供瞬时能量平衡辅助服务的虚拟电厂。

大规模网荷互动用于提供时段能量平衡资源的技术机制具有以下特征：

分布控制：控制权下移至配网，控制时间常数延长至小时及以上级，支持业务以移峰填谷和指挥用电等提升技术经济指标的形态为主，市场规则主导运行策略;

商业主导型形态：系统运行机制基于电力市场技术经济指标特性，系统调控由配网调度或负荷集成商与需求侧响应（柔性负荷）的互动实现，系统调控目标为提升设备资产回报。

因此，源网荷系统的柔性负荷调控形态等同于以需求响应能力为主要资源的、分布控制型的、商业回报主导的在电力市场化环境下提供电网时段能量平衡服务的虚拟电厂。

四、大规模源网荷友好互动系统应用于大面积停电抗御

建立大规模源网荷友好互动的虚拟电厂等效模型，对以网荷互动参与大面积停电事件先期处置，提升电网大面积停电抗御能力具有重要意义。

（一）将源网荷虚拟电厂纳入先期处置资源，缓解了受端电网辅助服务供给不足的矛盾

当前，我国特高压电网正处于大规模建设阶段，在特高压网络逐步成型的过程中，“强直弱交”特征显著，特高压直流线路在向受端电网注入大量电能的同时，不能提供相匹配的备用能力。

系统投运前：2015年9月19日21时57分，锦苏特高压直流因送端遭雷击导致双极闭锁，华东电网频率短时间内下降到49.563赫兹，十年来首次跌破49.8赫兹。同时，江苏部分500千伏输电通道超稳定限额。

系统投运后：大规模源网荷友好互动系统投运后的2016年5月24日，华东电网在江苏进行了锦苏特高压直流双极闭锁模拟冲击试验，试验人为触发锦苏直流闭锁丧失功率3016MW，电网频率仅在闭锁发生后400毫秒内降低至49.97HZ，随即在各类先期响应资源和源网荷虚拟电厂投运的作用下迅速回升至50HZ， 彰显了对在网发电机组辅助服务资源的有效替代和补充。

（二）将源网荷虚拟电厂纳入先期处置资源，显著提高电网对稳定破坏性扰动的抗御力

当电网网格的扰动抗御力不足时，灾害的扩散表现为冲击型特性。在这种情况下，网格对内的应对能力丧失，需要从网格外获取资源应对扰动，而对外则表现为扰动暴露源并可能将扰动幅度进一步放大后输出，如果周边网格也处于抗御力抗御力不足的状态，灾害一经触发，就会以雪崩的形态迅速扩散演进。当电网网格的扰动抗御力充分时，灾害的扩散表现为可逆型特性。在这种情况下，网格对内应对能力充分，具备足够的资源使扰动衰减，对外则可以向相邻网格提供抑制扰动的资源，扰动越强、抵抗力越强，显现出强大的灾害扩散阻尼能力。

通过上述案例和分析可以看出：大规模网荷互动虚拟电厂的建立为电网提供了大规模可瞬时投运的旋转备用容量，是构成电网大面积停电抗御力的关键资源。

（三）将源网荷虚拟电厂纳入先期处置资源，强化了全社会应对大面积停电事件的责任共担原则

对《国家大面积停电事件应急预案》中的相关规定进行进一步解读如下：

属地为主：大面积停电事件应急处置工作原则上由地方负责，即由事发地的县级以上地方人民政府负责。

分工負责：应急处置的各个部门在人民政府的统一协调下进行的有效协同与密切配合。

保障民生：将大面积停电控制在初起状态是最有效的民生保障。

社会参与：电力企业的专业性应急能力与社会力量的协同处置。

在大规模源网荷虚拟电厂的协同机制下，用户发掘梳理可中断负荷和需求响应资源，电力企业对资源进行专业化整合和集约化管理，在政府的指导下共同形成虚拟电厂的技术机制、运行机制和征用机制，共同防范应对大面积停电事件。

五、大规模源网荷友好互动系统的应用实践

按国家电网公司部署，2017/5/24  14：04：57±800千伏锦苏特高压直流被人工触发闭锁，大规模源网荷友好互动系统进行了实际的互动响应验证。通过验证发现，在大规模源网荷友好互动系统的介入下，特高压直流闭锁的冲击对电网频率和断面潮流都没有造成严重影响。

（1）锦苏特高压直流被人工闭锁后，江苏电网发生3000MW瞬时送入有功功率的突变，大规模源网荷互动系统通过其刚性的技术型虚拟电厂机制进行了瞬时的互动补偿，并依照华东电网的紧急频率控制预案依次征用网内的抽蓄泵资源、直流调制资源和用户可中断负荷资源。

（2）大规模源网荷友好互动系统在电网紧急频率控制系统的控制下进行边际功率差额补偿，计划切除可中断负荷278MW，而实际切除量为255MW。整体负荷切除响应时间在400毫秒内完成，大大快于网内各电厂的一次调频响应时间。

（3）征用负荷系统中现存的海量可中断资源构成，通过大规模源网荷友好互动系统的资源准备机制进行分级归类、分别聚合、预案化管理和直接征用，形成了可以瞬时投运的技术型“虚拟电厂”，有效用于电网瞬时能量平衡辅助服务。

六、结束语

2017年12月，国家能源局发布了《国家发展改革委国家能源局关于推进电力安全生产领域改革发展的实施意见》（发改能源规〔2017〕1986号），要求重点强化大面积停电防范和应急处置工作。2018年8月，国家能源局印发《电力行业应急能力建设行动计划（2018-2020年）》，进一步提出“强化大面积停电事件先期处置能力。结合电网运行新形势、新特点，完善电网运行安全管理机制，创新大面积停电事件先期处置手段，研究建立大面积停电先期处置的社会资源征用和费用补偿机制，提高电网抵御大面积停电的能力。”的行动要求。

当前，我国特高压网络建设处于快速发展、强直弱交的过渡期，东部发达省份受端电网因注入功率大幅度突变而引发大面积停电的风险显著。大规模源网荷友好互动系统在保证电网瞬时功率平衡、保障大电网安全运行方面发挥了巨大作用，正成为电网抗御大面积停电的重要先期处置手段。

参考文献

[1]江苏省电力公司《大规模源网荷友好互动系统》[M]，中国电力出版社，2018.

[2]卫志农，于爽，等.《虚拟电厂的概念与发展》[J]，电力系统自动化，2017-7.

[3]陈春武，李娜，等.《虚拟电厂发展的国际经验及启示》[J]，电网技术，2013-8.

[4]卫志农.《虚拟电厂欧洲研究项目述评》[J]，电力系统自动化.2013-11.

[5]袁晓东.《能源互联网背景下源网荷友好互动体系及应用》[R]，2016-4

作者简介

洪亮，1972年4月，男，汉，学历：全日制硕士研究生，工程师，研究方向：电力系统自动化。