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发展交流特高压将破坏中国36年来的世界安全首位基础

2016-11-18 10:45:15 能源思考10月刊   作者: 蒙 定 中  

国际大电网委员会CIGRE和美IEEE会员和原电力部生产司教授级高工

摘要:中国1981年颁发《电力系统安全稳定导則》(本人为五人编制小组之一)。

本稳定导则的编制是经过严密研究中国和世界大停电,特别是1965年北美大停电。结论是"联锁反应的大停电原因 - 不受控制的电力系统和继电保护"。因此36年来,我国系统失稳会偶然发生,但它不会连锁反应造成大停电,而且任一区内发生故障,因为区间都以直流隔离,不会波及邻区。

发展交流特高压必然大面积覆盖现存很多超高压分区电网,必然出现很多难以控制问题而连锁反应造成全电网大停电。根据技术经济比较,交流1000kV线路长距离输电不如直流输电,中短距离输电不如交流500kV同塔双回线路输电。因此交流特高压没有输电的应用价值。

关键詞:直流输电;交流特高压;交流超高压; 系统稳定; 系统振荡;瓦解全停

1. 世界重大停电    

表1  世界重大停电(每次损失≥ 800 万千瓦)

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对这些重大停电事故的顺序经历进行研究,以确认为何在相似的系统结构首先

发生' 暂态失稳',而当系统完整性不能维持,最后必然导至'瓦解全停'。

典型实例是2003年美加和2006年欧洲重大停电。  

1.1 为什么不可靠的自由相联系统结构发生失稳?

大多系统失稳都发生在复杂和不可靠的自由相联系统结构。如庞大电网和发电厂都是自由联网结构,当系统发生故障时就相当於一个不可控制的局面,单回线路跳闸后必然不断的使更多并联线路过负荷连锁反应跳闸,直至系统失稳,更多线路因采用不可靠的距离保护又因失稳跳闸,最后瓦解大停电。

美国以直流隔离分三个区,南部ERCOT区域很小、很安全。东区和西区都是大面积,复杂又不可控的交流系统结构,相当世界上最大的电力容量。由于庞大的电网和电源都是自由联接,全部电网结构在系统故障时都处於失控局面。结果东部和西部大区各发生三次重大停电,成为世界上最严重的重大停电国家。

年美加大停电为什么失稳?因为它们系统是一个不可控的负荷转移结构,而且采用不适当的继电保护原理/整定,线路故障后连锁反应地一条条'连锁跳闸'14次,在安全分析相当经历N-14,直到重负荷叠加在长距离/高阻抗的345/230/345kV串联环路上失稳。这次大停电还反映了大系统不分区而用交流自由联网的严重性,从图1可见美国和加拿大Ontario通过各级交流电压线联在一起,构成这次失稳环路,是促成这次失稳的结构性原因;如果它们是直流联网,必然可以避免这次失稳;如它们是单回交流联网, 一旦失稳立刻解列, 也停止失稳。由於它们是多回交流紧密相联,构成长距离弱联系环网而失稳,Ontario也遭重大损失:事故前它仅受北美电130万千瓦,占5.6%,事故损失2250万千瓦,占97%,几乎全停[1]。但加拿大魁北克和北美是直流联网,不旦不受影响,反而该直流联到纽约长岛而使当地大停电后很快恢复用电。

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1.2  为什么不受控制的动作会造成"大停电"?

暂态稳定破坏不可能绝对避免,它一旦发生在世界上的可分为三种后果:

- 失控 →自动连锁反应 →系统瓦解 →大停电

"失控"表示当全系统失稳时,美欧线路和发电机的保护都失去应有的闭锁功能而都不可能防止误动跳闸,结果陆续连锁反应的振荡中心落在的任一线路时其距离一段都动作跳闸。当振荡中心落在任一发电机送出的线路上,其发电机失稳保护也因整定不当(其整定保护范围本应祗在发电机及其升压变,但却伸延到线路上),而大量发电机跳闸。这都是不受控制的连锁反应破坏全系统的完整性而导至大停电。

一个重要实例还是2003年美加大停电,整个电网都因失稳振荡使很多线路距离一段动作跳闸;265个电厂中的508台发电机也由於失稳等保护动作跳闸,结果整个系统被瓦解全停。

- 保持系统完整(系统振荡皆不跳闸)→自动同步→快速恢复运行 →最佳解决办法- 预定失稳振荡时在个别点断开分区 →后备办法

控制系统完整的目的是由於所有发电机组都有在振荡时快速恢复同步的特有功能,所有汽轮发电机都具备高度非同步力矩和灵敏快速调节功能,所有水轮发电机都具备机械出力的快速自动调节器,都保证快速恢复同步运行。

为了保持系统(包括发电和电网)的完整性,所有发电和电网的保护系统即使电压下降,都应防止因失稳和过负荷而误动。祗有个别难以出现的失稳,其振荡中心落在发电机及其升压变才应予跳闸。[2][3]

2006年11月4日欧洲电网事故始发和美加大停电相同, 很多380kV线路都因距离保护过负荷误动而一条接一条连锁跳闸。它和美加大停电不同的是它的连锁跳闸祗造成分解为三个区, 祗是西部频率降到49Hz, 低频减载1700万千瓦。[4]而美加大停电则发展为失稳而瓦解全停。从上述两事故分析,一都是庞大交流电网又自由相联,不论负荷转移或失稳振荡都必将波及全网,二是欧美继电保护可靠性太差:根本不能可靠防止过负荷和失稳的误动作,至今也没学习中国的保护经验彻底解决。

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 图2   2006年11月4日欧洲电网事故

具备世界上最宠大交流电网的欧洲,在事故后接受我们改造电力系统结构经验,采用直流分区。2014年已应用42套直流将欧洲分很多区以提高电力系统的可靠性和防止系统大停电。[5]

2. 中国电力系统结构的发展改革

1981年以来中国已按《电力系统安全稳定导則》和《继电保护四统一》实行技术改革,两者规定都根据世界重大停电的原因分析,特别是1965年纽约大停电,结论为"连锁反应的大停电 - 不受控制的电力系统结构和继电保护" 。所以《稳定导則》明确规定「分层」「分区」「分散外接电源」具备可控的系统结构,《继电保护四统一》明确规定线路和发电机保护设备及其整定都完全得到控制具备可靠防止因过负荷或系统振荡导致误动作。[6]

超过35年以来,系统失稳偶尔发生,但它不会发展导至大停电;而且任一区内发生故障,由於区间是直流联网,都不会波及邻区。

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中国主要以直流隔离已分六个分区,图3和4表示了典型的分区结构,这样可靠的系统结构巳建成是防止大停电的基础。图4显示2006年7月1日华中电网事故表明为什么会发生失稳和为什么能防止造成重大停电?

- 500/220kV线路并列运行(电磁环网)违反《稳定导則》规定,因为它是不可靠的负荷转移结构。但它意外在华中电网存在而发生失稳。事故起因是500kV双回线进口ABB保护先后误动作,线路的178万千瓦负荷转移到220kV电网的7回线,由于严重过载及对树短路,保护相继跳开其中4回线,最后通过3回220kV线路向南部主网送电,造成华中全网失稳。

- 失稳没有波及西北、华南和华东各区,因为区间都是直流联网。但录波证明华北和华中间不是直流联网,而是交流联网就有问题,它不仅促成华中电网的失稳,而且拖延了恢复再同步的时间,因此区间祗应用直流联网。

- 失稳后系统在短时内所有发电机都恢复再同步, 所有线路保护都防止失稳误动而维持系统完整, 但26台发电机仍因其保护设计整定不当而跳闸。但结果还是防止了系统全停,  祗损失全系统原有负荷的4.3%。

3.交流/直流系统发展规律

3.1交流系统的发展

上世纪交流系统曾快速发展,首先欧洲交流电网由220kV加上380kV, 然后美、中、日发展500kV, 最后中、加等国发展735~765kV。1960年以后则俄、日、美、欧研究发展1000~1200kV, 特别是前苏联为实现单回交流1200kV的长距离(1905公里)输电,从1972年起步,4年后建成1公里试验线路,8年后建成设备,10年后才完成调试和开始建设实际工程,13年后才正式投运。在1985~1994的9年运行中,雷击跳闸特多, 电晕损耗特大, 过电压问题特严重, 不得不在线路上都装设100%补偿的并联电抗器, 结果这一回线最多只能送160万千瓦,实践证明前苏联经历22年也不能解决其技术风险, 又极浪费投资,不得不永远降压500kV运行了。日本东京电力在1992~1999年建成交流1000kV线路共426公里, 但未建变电站, 只能500kV运行。

3.2  直流输电的发展

中国直流输电的发展也居世界首位, 南网发展正常合理, 国网发展则异常。南网为了保持电网的安全,还特意控制直流输电的容量不超过500万千瓦,一旦双极闭锁全停,电网都可安全承受,南网的云南-广东的牛从直流为±500kV 640万千瓦, 为了安全而采用同塔双回2×320万千瓦直流,在2013年9月运行以来从未发生过双回全停,单回双极闭锁停电祗在2015年3月5日发生一次,所以特保安全可靠。

国网公司为了发展交流特高压,发展庞大的直流输电,以宣传要有交流特高压才能支持,结果建设8回±800kV直流(其中500、640、720万千瓦各一回,800万千瓦5回)和首回±1100kV 1200万千瓦直流,都祗采用同塔单回方式,不考虑采用南网特别安全的同塔双回方式。

本人曾直接向能源局领导建议将此±1100kV 1200万千瓦、线路全长3324公里直流由《一送一收》改为《同塔两送两收》,将使各受端电力适应减半而更安全又经济的在最缺电的两地接受,并将直减少50%直流线路线损(约为60万千瓦),特别安全有效防止庞大《一送一收》直流输送全停造成重大事故,安全经济效果突出, 很值得领导慎重研究决定。

3.3  《电力系统安全稳定导則》的战略发展 - 交直流有效发展配合将取得更安全和经济效益中国按1981年颁发的《稳定导則》, 合理的采用直流将全国系统分为六个大区,超过600公里的都采用直流输电。这样相当缩短所有的交流输电距离, 又防止了复杂交流电网一旦发生故障, 必然连锁反应波及全网,所以特别安全, 我国电力发展容量已达世界首位,除台湾外也重不发生重大停电,也达安全首位。

欧洲作为世界最宠大面积的交流电网, 在2006年11月4日发生损失1700万千瓦的重大停电, 已接受中国以直流分区的经验,於2014年4月前已采用42套直流, 将原来一个庞大380kV交流电网, 以直流隔离逐渐分为更多的交流分区, 已取得重大安全效果, 将不会再发生重大停电。

按 2005年联合国经济社会部在纽约发表的报告(Multi-Dimension Issues in International Electric Power Grid Interconnections)[7]指出:"长距离输电应用直流,和交流比较,超出600公里都是直流输电的经济距离,而且直流输电比较安全、可靠,有优良的特点。"联合国文件还指出不同交流电网通过直流联网,可以避免同步网本身运行出现的很多技术问题。又引证损失7000万千瓦的2003年美加大停电事故,任何一处故障都会连锁反应影响整个同步网,同步网愈大、线路愈长、电压崩溃和稳定问题愈严重,连锁反应结果导致全网大停电,这是不争的事实。

3.4  交流特高压在输电已没有价值

上述联合国文件[7]也指出" 交流1200kV曾在俄罗斯长距离的西伯利亚运用。无论如何超出1000kV, 其实际难度和设备及绝缘代价都是不可用的" 。

采用交流特高压将承受技术上风险如下:

(1) 系统结构 - 破坏<稳定导则>的分区规定应用交流特高压必然覆盖很多现有<分区>, 发展为宠大面积和长距离输电的交流电网, 此时所有的复杂问题如电压崩溃, 失稳, 次同步振荡, 负荷转移连锁反应等都难以控制, 而会造成全网大停电。

(2) 系统电磁环网运行 - 破坏<稳定导则>的分层规定图4已说明中国最严重的事故就是违反 <稳定导则>分层的500/220kV电磁环网造成。但中国国网公司发展交流特高压电网必需有1000/500kV电磁环网支持, 每回线才能送300万千瓦。所以国网公司违反<稳定导则>分层规定, 发展交流特高压必然是不安全的。

3.5长距离输电应用直流替代交流特高压

1. 比较条件:按交流2×1000kV线路1297公里分四段, 输电靠500kV电磁环网支持,设三个中间站;直流为同塔双回±500kV输电线路1378公里比较。
2.比较结果:上述交,直流输电投资比为430亿/131亿= 3.3倍,两者投资差299亿元。     

3.结论:600公里以内,采用交流500kV输电既安全又经济;600公里以外,采用直流输电最佳。  

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图5 交流1000kV和直流输电投资比较分析

从图5分析证明交流1000kV输电毫无实用价值。

以直流替代交流特高压工程的优越性

表2论证即已批准的交流特高压工程造价和如以直流输电代替的造价相比,第一种是华东以交流特高压搭成一个网球拍式的网架(不为长距离输电),我们以直流将华东分4个区的网架与它相比,交特/直流投资 = 12倍;第二种是长距离输电的交特/直流投资 = 2.87倍;第三种是按表1综合的交特/直流投资相比为4.28倍,交特工程共多浪费1548亿元,而且采用直流才不违反《稳定导则》〈分区〉<分层>规定,特别保证电网安全。

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表2 以直流代替现有的交流特高压工程的投资估算方法是来自2012年10月电规总院和西南、中南、广东电力设计院的<南方电网中长期网架结构研究>。

中国大电网发展应该符合限制同步电网规模,将事故危害控制在有限范围内。中国的电网未来的重点发展方向应该是选择远距离、大容量、高效率的直流输电技术,为完善区域主干电网而应随电源/负荷发展而再<分区>。

4.从世界重大停电和我国电网安全经历研究《电网不安全系数》可以定量决定电网的安全水平

全球重大停电共25次,其中 20次/86.1%负荷损失为过於宠大又自由联网的交流系统稳定破坏。中国电力容量已列世界首位,为什么电网安全也保持世界首位?关键是电网分区而不宠大,分层和分散外接电源而不自由联网。目前我们不但从电网的结构原理定性分析重大停电, 而且可以从(装机x电网面积 = 电网不安全系数)定量来决定电网的安全水平,此系数愈大就愈不安全。                        

从表2可见, 世界重大停电都发生在不安全系数为757~8331的电网上。而我国各电网的不安全系数在85.4~360.1间, 就从不发生重大停电;南网按《稳定导则 》再分区, 如广东再分两区, 则不安全系数由原全网的291.6大减为13.9。如华东电网的不安全系数为152.8, 如<分区>则<上海、浙江>区为10.7, 更为安全。而且我国再分区, 还彻底解决短路电流超标和多回直流馈入等所有安全问题。

(装机x电网面积)量决定电网不安全系数, 国网第一步规划以交流特高压分东/西两大区时分别达到4687/2425;2030年想合成一个世界交流特高压特大区时更达到28110,是世界最严重美加大停电的(28110/4576)6.1倍;成为世界最宠大/最危险/最浪费/最不合理的电网。

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5.  结语   

世界最严重的重大停电就发生在美国和加拿大合并的庞大交流互联网上,事故后美国电科院曾研究以直流隔离将原两大一小交流区改为八大一小交流区。上世纪欧洲所有国家都联成为世界上最宠大的交流互联网,一有异常立刻波及全网而发生过重大停电事故,所以近年不得不《以直流隔离代替交流互联》,使各国成为独立的中小交流网区,各国电力改为自发自用,直流联网可提供10%电力交换,这才真正确保安全, 防止将来再发生重大停电事故。
三十多年来中国为什么成为世界电力最安全国家?因为贯彻了现仍应执行的《电力系统安全稳定导则》,以直流隔离将全国电网<分区>分为六大区,任一区故障都不会波及邻区,所以防止了重大停电。随着电力增长,南方电网规划以直流隔离再分2 ~ 3个区已经能源局批准,后又接受蒙定中建议广东再分东西两个区。蒙定中曾建议华东电网以直流隔离再分4个区,其投资仅为华东交流特高压工程投资的十二分之一,相比更为安全合理,又解决短路电流超标和多回直流馈入的安全问题,根本不需要造成严重浪费的华东交流特高压工程。

国网公司采用交流特高压既违反现行《稳定导则》,又违反世界电网发展规律,要将原有已经历30多年世界电网安全首位的超高压五大区,以世界早已弃用的交流特高压、先2后1的合成一个宠大交流大区,不旦极其浪费,又必然走上世界重大停电的危险道路,成为世界最宠大/最危险/最浪费/最不合理的电网。

本人为<支持直流反对交流特高压>坚持工作超过10年多, 才得到能源局新任不久的副局长重视, 在2016年3月15日专请本人向他和电力司的司、处长们汇报, 内容包括 <发电厂结构应改革的问题>、<按能源局颁发24个交流特高压课本人完成的20个课题摘要><世界各国间互联网祗应专用直流><对新疆3324公里送华东的±1100kV 1200万千瓦直流由《一送一收》改为《同塔两送两收》>。

由於得到能源局领导的重视, 估计中国新的交流特高压工程难以再得到批准。

因此本人十年努力工作已取得初步成果, 并将继续工作使已成为电力容量首位的中国继续保持世界的电力安全首位。

参考文献:BIBLIOGRAPHY

[1]North American Electric Reliability Council "Technical Analysis of the 14 August2003 Blackout: what Happened, Why, and What Did We Learn?" 13 July 2004, NERC Website.

[2]MENG, Ding Zhong, "Maintaining System Integrity by Protective Relays to Prevent Cascading Blackout" SC B5  (Protection & Automation), Subject 2-5, 2004 CIGRE Session Proceedings.

[3]MENG, Ding Zhong "Recommendation to Establish the Design Standard of Generator Out-of-Step Capability" SC A1 (Rotating Electrical Machine), Subject 3-18, 2004 CIGRE Session Proceedings.

[4]A. Merlin, J.P. Desbrosses, "European Incident of 4th November 2006 The events and the first lessons drawn", ELECTRA No. 230 February 2007 (P. 4-11)

[5]" The development Trend of Submarine Cable Projects for Achieving Optimal Allocation of Energy Using International Power Grid Interconnection", CIGRE ELECTRA No.273, April 2014

[6]MENG, Ding Zhong, "Maintaining System Integrity by Protective Relays to Prevent Cascading Blackout" SC B5  (Protection &Automation), Subject 2-5, 2004 CIGRE Session Proceedings.

[7]Department of Economic and Social Affairs, United Nations, "Multi-Dimensional Issues in International Electric Power Grid Interconnections", New York, 2005

蒙定中简历

本人於广东1927年出生,1950年上海交通大学电机系毕业,应组织号召到东北工作,包括苏联援助 "东北电网改造工程",电网事故分析, 距离保护改造等。

由於中国1970 - 1980年发生210次停电事故, 1978年调电力部组成5人工作组,调研国内以及世界大停电事故,1981年建立"电力系统安全稳定导则",又建立了全国 "继电保护四统一", 全国贯彻至今完全防止了重大停电。1989年退休前为电力部生产司的处长, 教授级高工。退休后1989-2001年筹建广东沙角C 3台66万千瓦电厂和运行, 也取得电厂实践经验。

作为国际大电网会议(CIGRE)和美IEEE的会员,曾参加巴黎1988及2004年CIGRE大会, 各作5次大会发言, 也参加2004年纽约IEEE电网会议。大会发言和报告针对2003年美加大停电,按"稳定导则"设立的第三道防线 - 事故时保持系统完整性、不能瓦解,作为防止电网连锁反应大停电的建议和理念。在纽约曾直接向北美电力可靠性委员会(NERC)建议修改他们的规划准则和继电保护的设计原则,但他们的理念和我国不同,未有接受。但CIGRE重视这一理念,己将"保持系统完整性防止连锁反应的电网大停电"列为2006年CIGRE大会议题之一,徵求全世界围绕此议题报文章和大会讨论。2016年10月8日收到美IEEE电机学会总裁的祝贺信,任命本人为"Life Member",可能今年4月本人作为会员以英文写三个报告送美IEEE和CIGRE国际大电网领导。

(1) National AC UHV Network Development by State Grid Corporation would be Complete Destruction of China as the World's Leader for 35 years of Power System Security (国网公司发展全国交流特高压电网将彻底破坏中国35年来在世界上的电力系统安全首位)

(2)China's Power System and Relay Protection Technique in Preventing Blackout for the World (为世界防止重大停电的中国电力系统和继电保护技术)

(3)How to Construct Safety and Economic《World-wide Energy Connecting System》 (怎样建立安全和经济的《世界能源互联网》- 主要针对刘振亚宣传,本人提出国家间电力互联祗能用直流)

2005年6月应国家发改革委邀请,参加了北戴河"特高压输电技术研讨会",首先反对全国交流百万伏联网并建议以直流输电作为远方电源输送和联网的主要办法。10年来一直为此工作,多年来南网邀请参加电网发展规划会议,并接受再分区的建议。为<支持直流反对交流特高压>坚持工作超过10年多, 才得到能源局新任不久的副局长重视, 在2016年3月15日专请本人向他和电力司的司、处长们汇报。

在收到能源局《电力发展"十三五"规划》(征求意见稿)后,也在今年9月和10月送交本人[再论对电力发展" 十三五" 规划意见和建议] 的报告和发言稿, 等待再向他们汇报。

 




责任编辑: 江晓蓓

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