電網(wǎng)規(guī)劃方案的合理性需要依據(jù)它的功能、經(jīng)濟性、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行了補充分析,并進一步論述了中國發(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,補充論述了發(fā)生連鎖故障的條件和電力系統(tǒng)大停電過程的復(fù)雜性。研究結(jié)果表明：若受端電網(wǎng)只能通過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)模接受遠方電力,則僅由水電季節(jié)性出力降低和部分直流停運便可直接導致該受端電網(wǎng)電力不足概率高達0.152;通過形成堅強網(wǎng)架后的特高壓交直流輸電網(wǎng)架方案來滿足我國的輸電需求相對比較可靠;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,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價提供了參考。

　　引言

　　當前,中國經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)傳統(tǒng)能源資源逐步枯竭,能源資源與電力負荷在更大范圍內(nèi)呈逆向分布,遠景燃料油短缺和價格上升導致煤炭運輸成本過高和運力不足,經(jīng)濟發(fā)達的人口密集地區(qū)空氣污染日趨嚴重。筆者曾在參與撰寫的研究報告、專著、教材和論文[1-4]中論述了我國發(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)對這些問題,迫切需要發(fā)展特高壓電網(wǎng)來作為我國能源傳輸?shù)男峦緩?從而在更大的地理范圍內(nèi)實現(xiàn)能源資源的優(yōu)化配置和利用,以確保我國能源安全,滿足國民經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平提高的需求。

　　近年來,我國特高壓網(wǎng)架方案論證工作備受我國政府、國內(nèi)外相關(guān)專家學者、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,我國政府、學術(shù)界以及新聞媒體均多次組織持不同意見的學者對此項工作進行過討論。然而,在特高壓電網(wǎng)網(wǎng)架方案的選擇方面至今未能達成共識,這種情況直接影響到我國多個五年建設(shè)發(fā)展計劃的制定,對國民經(jīng)濟的發(fā)展已產(chǎn)生了不利的影響,因此亟需對特高壓網(wǎng)架方案的功能和可靠性進行進一步論證。

　　在特高壓網(wǎng)架功能評價分析方面,文獻[1-5]闡述了特高壓交、直流電網(wǎng)遠距離大容量輸電功能以及由此帶來的社會、經(jīng)濟和環(huán)保效益。文獻[6]對特高壓交、直流輸電的適用場合做了一些分析,認為特高壓直流輸電更適合大容量遠距離輸電場合,而特高壓交流輸電應(yīng)用于大容量距離較近的輸電場合。文獻[5]指出交流輸電工程中間可以落點,具有網(wǎng)絡(luò)功能,可以根據(jù)電源分布、負荷布點、輸送電力、電力交換等實際需要構(gòu)成電網(wǎng),特高壓交流和特高壓直流相輔相成,互為補充。

　　在特高壓網(wǎng)架方案系統(tǒng)穩(wěn)定性評價分析方面,文獻[5,7]基于故障集仿真計算分析,對特高壓電網(wǎng)的網(wǎng)架方案進行了系統(tǒng)穩(wěn)定性校核,分別對中國國家電網(wǎng)2020年超高壓交流目標網(wǎng)架方案以及特高壓“三華”同步、異步目標網(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[8-11]還采用故障集對“三華”特高壓同步方案進行了系統(tǒng)穩(wěn)定校核計算分析。

　　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,通常需要先對各個方案的各個屬性進行分析和評價,然后在此基礎(chǔ)上進行綜合評價和排序[12-13]。而特高壓電網(wǎng)規(guī)劃方案的各個屬性自身非常復(fù)雜,需要分別深入進行研究。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,學術(shù)界對其認識和評價仍存在很大的分歧。部分學者認為在中國有必要發(fā)展特高壓交、直流電網(wǎng);而另一些學者則擔心特高壓交流大同步電網(wǎng)發(fā)生大規(guī)模停電時風險較高,認為中國應(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)。

　　針對上述分歧,本文在梳理、分析和總結(jié)上述文獻研究成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國電力生產(chǎn)、電力匯集和輸送分配對特高壓網(wǎng)架的功能需求進行了分析,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,并針對特高壓電網(wǎng)連鎖故障和大停電過程復(fù)雜性的問題,提出了提高我國大電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平的相應(yīng)措施。本項研究結(jié)果可為特高壓電網(wǎng)規(guī)劃方案的多屬性綜合評價提供參考。

　　1 特高壓網(wǎng)架方案功能評價分析

　　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)是特高壓純直流點對網(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)。

　　我國對特高壓電網(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,為滿足我國人民生活和社會發(fā)展以及節(jié)能減排的需求、促進東西部地區(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電壓等級或特高壓交流電網(wǎng)來滿足中距離輸電的需求。

　　從輸電能力角度來看,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合。一般說來,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)同時具有在地理平面大范圍多點匯集和分配電能的重要功能,該功能可適應(yīng)隨時變化的多場景發(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、風力發(fā)電出力間歇性變化、大容量直流停運檢修、避免500kV電網(wǎng)短路電流過大的需要、增強多直流饋入受端交流電網(wǎng)的需要等多方面的因素,適當增大特高壓交流電網(wǎng)的覆蓋面積將有利于充分利用風電、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)生大面積停電的風險。③已有的區(qū)域特高壓交流電網(wǎng)互聯(lián),可獲取錯峰效益、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)總體功能需求來看,圖1(a)所示的方案(稱為方案a)除了具有遠距離大容量輸電功能外,還可以在遠、中、近各個距離范圍內(nèi)具備較強的匯集、輸送和分配電能能力,因此它的功能最強。其次是圖1(d)所示的方案(方案d),接下來是圖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)實際的功能需求和實際條件及制約因素來選擇。

　　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)為例來說明在該區(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、外送電力及負荷的逐年增長,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)存在短路電流超標的問題。未來5年總裝機容量將翻番,其中風電將增加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)擴展和增強500kV網(wǎng)架來滿足本省以及陜西、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。同時也考慮在該區(qū)域建設(shè)特高壓直流向更遠的地區(qū)送電。在形成特高壓交流網(wǎng)架時,可將部分電源通過特高壓升壓變壓器直接接入特高壓電網(wǎng),從而實現(xiàn)電力分層分區(qū)匯集送出,在滿足電力外送需求的同時,避免各層、各區(qū)電網(wǎng)短路電流過大的問題。遠景規(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/負荷群與該地區(qū)其它電源/負荷群只通過背靠背直流連接,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,并解決短路電流過大的問題及滿足降低連鎖故障風險的需要。

　　2 特高壓網(wǎng)架方案充裕性評價分析

　　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)接受外來水電較多的場合,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行的受端區(qū)域電網(wǎng),因此相對于交直流大容量遠距離輸電方案,純直流大容量遠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。當采用純直流輸電方案,在枯水季節(jié)若來自遠方的火電基地的特大容量直流有1回甚至2回直流臨時停運,則受端電網(wǎng)可以獲取的外部電力將進一步減少,從而容易導致電力嚴重不足,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,情況則更為嚴重,有可能導致受端系統(tǒng)因有功及無功功率失衡、電網(wǎng)電壓低落、發(fā)電機及線路電流持續(xù)過大而發(fā)生連鎖故障,最終發(fā)展成大規(guī)模停電。

　　對一個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回輸送火電及風電。參照文獻[14]提供的國內(nèi)直流輸電系統(tǒng)可靠性指標,國內(nèi)直流輸電系統(tǒng)強迫停運率平均值為0.003,計劃能量不可用率平均值為0.0923。在進行可靠性估算時,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

　　上述兩項合計為0.152。若在枯水季節(jié)出現(xiàn)上述情況導致受端區(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)不可用而導致受端區(qū)域電網(wǎng)處于電力不足狀態(tài)的概率估計值約為0.152。其中,出現(xiàn)2回直流同時處于不可用狀態(tài)而導致受端區(qū)域電網(wǎng)處于電力嚴重不足狀態(tài)的概率估計值約為0.059。

　　我國若采用“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)架方案安全性評價分析

　　電力系統(tǒng)安全性指的是系統(tǒng)受擾動后避免停電的性能,它的量化指標為電力系統(tǒng)安全度,IEEE/CIGRE聯(lián)合工作組將電力系統(tǒng)安全度定義為對系統(tǒng)經(jīng)受住隨時可能發(fā)生的擾動而不中斷為用戶服務(wù)的能力的風險性量度[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）、運行方式、發(fā)生故障的概率和故障后果等4個要素,其中故障后果隱含在“風險”這一術(shù)語中。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)電機群之間聯(lián)系的緊密程度、網(wǎng)架強度、電壓支撐能力、維持頻率恒定的能力等因素。文獻[7-11]基于我國電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則指定的故障集,通過仿真計算分析,論證了我國特高壓三華同步電網(wǎng)網(wǎng)架方案在典型運行方式下的魯棒性滿足電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則的要求。上述校核電網(wǎng)規(guī)劃方案安全性的方法是國內(nèi)外電力系統(tǒng)規(guī)劃安全準則普遍采納的[16-17]。

　　從近十余年世界上發(fā)生的大停電事件來看,導致大電網(wǎng)大停電的不確定因素較多,許多大電網(wǎng)大停電事件的過程與基于故障集仿真分析的穩(wěn)定破壞過程差異較大,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理,對特高壓網(wǎng)架方案的系統(tǒng)安全性做了進一步討論。

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

　　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)中的一個子系統(tǒng),會受到外部系統(tǒng)很多不確定因素的影響,因此相對于復(fù)雜連鎖故障的發(fā)展過程而言,雖然傳統(tǒng)故障的仿真計算分析中有一部分是有效的,但是總體來說還是存在一定的局限性[22]。在電力系統(tǒng)的規(guī)劃階段,通常只對網(wǎng)架規(guī)劃方案進行有限的故障集仿真計算,以校核網(wǎng)架的穩(wěn)定特性[16,17,25]。而應(yīng)對電網(wǎng)大停電的復(fù)雜過程和影響因素則可基于系統(tǒng)大停電的機理分析,研究配置必要的電網(wǎng)安全監(jiān)控系統(tǒng),從而進一步地降低電網(wǎng)大停電的風險[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,會通過自組織過程自發(fā)地演化到一種臨界狀態(tài),在此狀態(tài)下微小的擾動有可能觸發(fā)連鎖反應(yīng)并導致災(zāi)變。當電力系統(tǒng)處于持續(xù)的危急狀態(tài)時,一個小的故障都可能導致電網(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)過大的情況下,一些設(shè)備出于自我保護的需要所做的狀態(tài)調(diào)整或退出運行,都會導致電力系統(tǒng)的狀態(tài)逐步惡化而崩潰。針對上述情況,可以通過配置相應(yīng)的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng),未及時識別和調(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)雜而負載過重的條件下,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。一個元件的故障可能最終會導致相隔很遠的許多元件故障而退出運行,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)元件過流保護的配置以及電網(wǎng)安全防御體系的缺陷造成的,可通過“機網(wǎng)協(xié)調(diào)”之類的技術(shù)改進,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)備自身保護與電網(wǎng)安全之間的關(guān)系,達到降低發(fā)生大停電概率的目的。

　　文獻[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)的負荷高峰時段。多種不利條件疊加后使電網(wǎng)負載持續(xù)過重是導致電網(wǎng)大停電的主要原因,連鎖反應(yīng)的發(fā)展過程以及在此期間多種電氣量得相互作用情況如圖3所示。上述情況說明,電力系統(tǒng)運行方式以及運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[21]對電網(wǎng)保護和安全監(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：平時對系統(tǒng)的狀態(tài)進行診斷、發(fā)現(xiàn)不安全狀態(tài)時實施狀態(tài)調(diào)控的配套設(shè)施;發(fā)生故障時及時隔離故障的保護設(shè)施及需要啟動的配套控制措施。

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

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

　　基于實時監(jiān)測的穩(wěn)態(tài)調(diào)控和應(yīng)急控制,重點是防止由系統(tǒng)功率失衡引起的電網(wǎng)電壓異常、電流過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、電流過大或發(fā)電機組出現(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[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)計網(wǎng)架的安全穩(wěn)定性已通過嚴重故障集故障擾動校核的條件下,大停電事件仍會發(fā)生,這主要是由于在電力系統(tǒng)運行中電網(wǎng)網(wǎng)架被削弱的情況下,未能及時調(diào)整運行方式,從而導致電網(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)運行安全防御系統(tǒng)配置和運行方式的調(diào)整。由于運行方式的問題以及運行安全防御體系的缺陷可以通過前述途徑解決,因此在網(wǎng)架的規(guī)劃設(shè)計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,可通過建立如下用于特高壓網(wǎng)架方案停電風險比較分析的表達式進行分析比較

　　式中：RT為電網(wǎng)停電風險度;P1i為發(fā)生第i個特大規(guī)模停電事件的概率;C1i為發(fā)生第i個特大規(guī)模停電事件的損失;P2j為發(fā)生第j個大規(guī)模停電事件的概率;C2j為發(fā)生第j個大規(guī)模停電事件的損失;P3k為發(fā)生第k個中小規(guī)模停電事件的概率;C3k為發(fā)生第k個中小規(guī)模停電事件的損失;L、M、N分別為在給定時間長度內(nèi)可能發(fā)生大、中、小規(guī)模的事件總數(shù)。

　　對于規(guī)模較小的電網(wǎng),可采用式(1)對各電網(wǎng)規(guī)劃方案的系統(tǒng)停電風險進行定量計算分析。例如,文獻[22]提出了一種針對整個規(guī)劃水平年不同時段下多場景概率性定量風險的分析方法,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,因此該定量風險評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,因此一般說來,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,而通過直流異步

　　相連的多個小同步電網(wǎng)同時發(fā)生停電的概率相對會小很多?；谏鲜龇治?可以認為對于上述式(1)中的第一項風險值而言,圖1大同步電網(wǎng)方案a的風險值較大。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,其次是b,接下來是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)生連鎖故障的風險也比較大。

　　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[27]從機理和指標角度指出多直流饋入電網(wǎng)的電壓失穩(wěn)風險增加;文獻[28-29]進一步論證了多直流饋入后系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性變差的機理。文獻[7]指出,如果華東僅依靠直流輸電來滿足其負荷增長的用電需求,到2020年,它受入的直流將達到19回左右,且多數(shù)集中于長三角地區(qū),該地區(qū)部分交流線路發(fā)生“N-1”故障時,將導致系統(tǒng)電壓失穩(wěn)、直流恢復(fù)失敗。文獻[30]指出,考慮配置一定規(guī)模的動態(tài)無功補償裝置,江蘇電網(wǎng)可承受的最大直流規(guī)模為6回,共42.2GW;若不考慮動態(tài)無功補償裝置,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險。從文獻[5,7]介紹的電網(wǎng)故障仿真計算結(jié)果來看,在輸電規(guī)模很大的情況下,我國采用如圖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)模停電的風險也比較大。

　　最后,從歷史上實際發(fā)生過的大停電事件來看,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、臺灣、海南、西藏、新加坡、瑞典、英國、韓國、巴基斯坦、馬來西亞、印度尼西亞、以色列、哥倫比亞、肯尼亞等電網(wǎng)均發(fā)生過電網(wǎng)崩潰性的大停電事件?；谏鲜銮闆r,可以認為圖1(b)、圖1(c)網(wǎng)架類型的受端系統(tǒng)發(fā)生大停電的風險會比較大,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,受端電網(wǎng)較容易出現(xiàn)頻率和電壓失穩(wěn)。

　　綜上所述,可以認為對于上述式(1)中的第2、3項風險值而言,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)定導則要求、在電網(wǎng)運行時保證留有合適的安全裕度以及配置合適的運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的前提下,上述式(1)中的第1項風險值可以控制到足夠小,因此圖1中大同步電網(wǎng)方案a總的停電風險度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 進一步降低大同步電網(wǎng)停電風險的措施

　　對于方案a所示的特高壓大同步電網(wǎng),進一步降低它發(fā)生特大規(guī)模停電事件風險的關(guān)鍵是嚴防區(qū)域電網(wǎng)之間的發(fā)電機群失去同步。一方面通過建設(shè)堅強網(wǎng)架可降低電網(wǎng)功角失穩(wěn)的概率,其次部分設(shè)備停運條件下及時調(diào)整運行方式保證系統(tǒng)留有足夠的安全裕度可進一步降低電網(wǎng)功角失穩(wěn)的概率。再者,應(yīng)對嚴重故障的切機措施還安排一定的冗余配置;在國家電網(wǎng)公司重大專項研究中還研究了采用基于響應(yīng)的實時追加切機或追加局部主動解列等措施;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)電機群失去同步。

　　繼電保護拒動是造成電網(wǎng)停電的原因之一,例如1999-03-11巴西圣保羅的一個變電站遭受雷擊,導致440kV母線短路,因母差保護拒動引發(fā)了連鎖故障造成大停電;1999-07-20我國山西220kV新店變電站在故障過程中保護裝置用的直流電源遭受破壞,導致保護拒動,引發(fā)了山西電網(wǎng)多臺發(fā)電機組連鎖故障停機;2005-09-26我國海南220kV玉州變電站因臺風暴雨的破壞導致保護裝置用的直流電源出故障,進而引起保護拒動并引發(fā)了波及整個海南電網(wǎng)的連鎖故障大停電。鑒于上述情況,為了進一步降低大停電的風險,電網(wǎng)高電壓等級的輸電線路和母線等重要設(shè)備須設(shè)置相互獨立的冗余保護,包括設(shè)置相互隔離的向保護裝置供電的兩套直流電源,以降低保護拒動的概率。

　　在動態(tài)穩(wěn)定方面,要切實做好提高特高壓大同步電網(wǎng)的動態(tài)安全穩(wěn)定水平的工作。例如在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)方面,個別邊遠地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)可采用直流輸電系統(tǒng)連接方案,避免形成長鏈型弱聯(lián)系的交流電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。此外,加強電力系統(tǒng)動態(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,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)模停電的風險,電力系統(tǒng)安全三道防線均需加強。

　　3）特高壓交直流大同步輸電網(wǎng)應(yīng)從運行方式控制、保護及安全控制冗余配置、系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定器配置與整定、提高保護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)等方面進一步扎實做好嚴防區(qū)域間大機群功角失穩(wěn)的工作。