超高压电网进行评价分析

蒙定中 原电力部生产司教授级高工、国际大电网委员会CIGRE和美IEEE会员

2015年6月30日

一、中国超高压电网的发展

上世纪70年代末，电力部工作組为了解决当时的严重事故，不仅调查分析国内事故，还对全世界大停电、特别对1965年北美大停电认真研究，认为：“连锁反应造成大停电的原因-不受控制的系统结构和继电保护”，所以制定了《电力系统安全稳定导则》和全国实现了全国《继电保护四统一》。

改革开放以来，建立了可靠的交/直流分层分区的电网结构，分散外接电源结构和三道防线，系统失稳可能偶而发生，但不能造成重大停电；而且由于区间为直流联网，任一区故障/失稳都不会波及邻区。

1.分区/分散外接电源

庞大电网应分区，区间应由直流联网。图1和2表示中国六个分区和区内按导则规定的典型结构，是防止大停电的可靠基础。

- 按中国经验采用直流联网将庞大的交流系统分为若干大区，都将原有动态和暂态稳定、低频振荡、负荷转移、连锁跳闸等一系列复杂问题彻底解决；按实际需要，有长距离输电和背靠背两种直流方式。

- 华北与东北电网初期采用交流联网时稳定问题突出，曾引起低频图1中国六大分区电网振荡，限制了东北网北电南送降低50万千瓦，2008年改为直流背靠背联网方式，问题就彻底消除了。

- 华北和华中采用单回交流500kV联网，从2006年7月1日华中电网失稳事故证明它促成失稳和恢复同步运行都起负作用。

- 大区内负荷中心应有坚強环网和大机組支持，增大短路容量和惯性。

- 联络各负荷中心的骨干主要是加強大区总体结构，使外接电源对大区接近单机对无穷大；骨干应作负荷中心间电力交換，不应长期作单方向的大容量电力传送。

- 送负荷中心的远方电源（不论大区内外、包括交、直流）都不应在电源侧相联，应独立直送负荷中心。

- 每一输电走廊电力一般不应大于受端负荷的10%。

- 任一远方电源/线路出问题或失稳，形成单机对无穷大系统的振荡，仅此单机处于送端，其他送端电源皆成为受端，作为受端电源的后盾，使电网更可靠/快速恢复正常运行。

图2 典型大区电网结构

- 不超过600公里的外接电源可采用现有500kV线路的点对负荷中心输送；超过600公里采用直流输电。按照联合国经济社会事务局2005年发表的《国际电力联网的多方面要点颁布》也指出超过600公里长距离输电应用直流。

- 一个500kV网区的东西/南北距离大约不大于1000公里比较合适。预想将来我国有的大区还宜再分区，既满足发展需要，将会解决短路电流过大和适应多回直流安全馈入等一系列问题，更为安全可靠；由于实践证明区域不应过大，有的还将缩小其范围，所以现有的500kV电压完全满足发展需求。

- 目前大区内有再分区的需要，如南方电网已决定还要以直流隔离分2-3个大区并已经能源局批准，规划广东再以直流隔离分东西两个小区。总的效果特出，以将近2000公里的500kV交流输电，部分改为直流输电，部分缩短为中、短距离交流输电，又解决原交直流并列运行的不安全问题，更消除低频振荡，解决短路电流超标、保证多回直流密集安全馈入广东等一系列问题。

- 蒙工曾研究为适应华东电网发展的需要，采用直流隔离再分四个大区，既解决短路电流超标、保证多回直流密集安全馈入，又缩短交流输电距离，确比已批准的交流特高压联网更为安全，投资仅为交流特高联网工程的十二分之一。

2.电网分层和各层分区

分层指不同电压的线路不应经变压器併列运行，是消除不同电压的电磁环网，中国过去曾因电磁环网中高压线跳闸，负荷转移到低压线而发生过大量失稳事故。

中国最严重的2006年华中电网失稳事故就因电磁环网造成。这是过去国内停电事故的主要原因，不按分层解决电磁环网将隐藏重大隐患。分层后下面各级电压也分区，如220kV再分区，下面图3 分层结构110/35kV又分区，再下面20/10kV更分区，各级分区都宜按实际条件具备一定支撑电源、自动备用/保安电源。

二、中国超高压电网的评价

1970至1980年我国共发生210次失稳事故严重， 电力部组成工作组， 制定了《电力系统安全稳定导则》，1981年由当时电力部长主持［全国电网稳定会议］并颁发此《稳定导则》。2001年又由国家经济贸易委员会发布， 作为电力行业标准。近30多年来按《稳定导则》建立了「分层」「分区」「分散外接电源」的『三分』电网结构， 建立了六大分层分区结构， 区间主要用直流联网。按《稳定导则》贯彻在事故时〈保持系统完整性（三道防线）〉和〈保持系统电压（无功分层就地平衡）〉的安全规定。完全防止了大区范围的重大停电。中国电力容量近年来占世界首位，除台湾一次外，为甚么从不发生重大停电？因为30多年来贯彻了《稳定导则》，成为世界上最安全可靠的防止电网大停电的中国经验。

2006年7月1日华中电网失稳事故是中国有史以来最严重事故，负荷损失379.4万千瓦（小于每次损失超过800万千瓦的25次世界重大停电），事故原因一是进口的500kV双回线继电保护在正常运行时误动跳闸，二是380万千瓦电力经电磁环网转移到220kV线路而使华中全网失稳振荡。1996年5月26日华北电网失稳振荡事故也因500/220kV电磁环网造成。1994年5月25日南方电网失稳瓦解事故也因美国进口的距离保护误动引起。因此，如果认真贯彻《稳定导则》的<分层>规定，即高/低压系统分层而不应电磁环网，且采用我国继电保护既可靠又便宜而不用进口继电保护设备，那么这样的事故也不会发生了。

三、国际超高压电网的评价

1965年以来，世界超高压电网共发生25次重大停电（每次负荷损失＞800万千瓦），其中当时电力容量占世界首位的美国重大停电最多（6次），最严重（负荷损失占29.6%）；号称技术先进的欧/（北）美共发生14次，占56%，负荷损失共27645万千瓦，占54%。

美国超高压电网区域庞大又自由联网，难以分散外接电源，又不分层，一旦故障即连锁反应波及全网。距离保护设计/应用不当，因故障造成负荷转移到相邻线路时将不断连锁反应跳闸，直至失稳振荡。涉及振荡的线路距离保护和发电机保护又错误的不断连锁跳闸，直至瓦解。

巴西超高压电网不分区，比美国还大，东西/南北距离长达3200公里，以复杂电压级230/345/440/500/750kV自由联网，更易故障连锁反应，不仅会失稳瓦解，又会电压崩溃使直流输电全停，如2009年11月10日Itaipu水电送出、受电全停。

印度超高压电网虽分五大区，但区间联络线不仅是直流，且还有交流，相当一个全国交流大区，根本不起分区的安全作用，一旦线路因过负荷或故障跳闸，负荷转移将陆续使线络跳闸，直至发生失稳，波及相邻大区全停。

欧洲以380kV构成世界区域最宠大超高压电网，2006年11月4日事故说明仅德国停运2回线，就连锁反应跳20回线，包括7回220kV线，解列成三个区，又因西欧靠东欧以交流380kV送926万千瓦，不是独立由直流输送，结果损失1700万千瓦。继电保护问题比美国更严重，如有的距离保护更附加过电流元件，更难以防止促成事故的连锁跳闸。但值得注意的近年具备世界上最宠大交流电网的欧洲却接受了改造电力系统结构经验，采用直流分区；目前已应用42套直流作隔离设施，将欧洲分很多“分区”，以提高电力系统的可靠性和防止系统大停电。这说明中国电网结构的安全经验已得到世界的重视。

加拿大超高压电网中北部水电各以735kV线路3回和5回线分两通道南送，各占受端负荷31%和61%，线路故障引起失稳造成一通道全停，影响另一通道电压崩溃/失稳也全停，从结构上远远超过我国分散外接电源不应超过受端负荷10%的安全条件。继电保护同属北美NERC规定，误动问题相同。

日本超高压电网分9个大区，所以从不会发生失稳事故。东京电力电网无功补偿不足，无低压減载，电压崩溃，继电保护过负荷连锁跳闸，曾造成重大事故。

台湾345kV电网不分区、自由联网，由于南电北送的台南线路故障，负荷转移，并列线路失稳跳闸，台南4回345kV线全跳，中北部严重缺电，频率降低/低频减載不足/发电机低频保护跳闸全停。

从上述世界重大停电证明，关键的问题一是超高压交流电网过于宠大，又自由联网，一旦线路故障/跳闸，负荷转移到并列的线路过负荷跳闸，不断连锁反应跳闸，直至重负荷转移到联系薄弱相当高阻抗的系统而发生失稳振荡，波及整个交流系统。国外设计和整定不当的线路和发电机的继电保护就因失稳跳闸，结果系统瓦解大停电。

所以，从近半个世纪历史证明，中国的超高压电网由于贯彻《稳定导则》建立了「分层」「分区」「分散外接电源」的电网结构，建立了六大分层分区结构，区间主要用直流联网和〈继电保护四统一〉的安全策略，所以保证安全，除台湾外从不发生重大停电。

四、中国超高压电网的利用率不足，尚有巨大潜力

根据美国能源部能源信息管理局《Electric Power Annual 2010》年报公布的数据，2010年美国全国装机容量113856.3万千瓦，230～765kV交流超高压输电线路总长271598公里，超高压线路单位长度支撑的发电装机容量为4192千瓦／公里；而《电网调研报告》公布的数据，2010年中国全国全口径装机容量96641万千瓦，220～750kV交流线路长度为432110公里，交流超高压线路单位长度支撑的发电装机容量为2236千瓦／公里。两国相比，当时中国装机容量当时是美国的85%，超高压线路总长度是美国的1.6倍，单位超高压线路长度支撑的发电装机容量却只有美国的53.3%。同日本相比，中国只是日本相应数据7846千瓦／公里的28.5%。

《电网调研报告》指出，截至到2010年底，交流超高压输电线路中，全国60%的500kV输电线路的利用率均在50%及以下，其中26%的500kV省间联络线平均输送功率占经济输送功率的比例在30%至50%之间，34%的500kV省间联络线平均输送功率占经济输送功率的比例小于30%。相对交流输电来说，直流输电利用效率较高一些，直流跨区跨省线路平均输送功率达到设计能力的50%。

为提高和充分发揮中国超高压电网的利用率和巨大潜力，完全可以通过动态规划不断完善和优化电网结构，特别是釆用先进输电技术HVDC+FACTS等，就可能将500kV超高压区域电网的单位线路承载能力提高到美国、甚至日本的水平。

（1）按《电网调研报告》提供的数据推算，中国220～750kV交流线路的利用率，如果达到美国4192千瓦／公里的水平，则中国220～750kV交流系统将可承载约18亿千瓦的装机容量；如果达到日本7846千瓦／公里的水平，则中国220～750kV交流系统将可承载约34亿千瓦的装机容量。

（2）根据美国能源部能源信息管理局《Electric Power Annual 2010》年报公布的数据，美国交流500kV超高压线路长度为41227公里，大约50%的装机容量（56928万千瓦）直接接入交流500kV超高压系统，500kV交流超高压系统的利用率为13808千瓦/公里；据中电联《2010年电力工业统计基本数据》，中国500kV超高压交流线路长度为127099公里，大约80%装机（71196万千瓦，除西北电网）直接接入500kV系统，500kV超高压系统的利用率为5606千瓦/公里。两者相比，500kV超高压系统装机容量中国为美国的1.25倍，交流500kV超高压线路长度为美国的3.1倍，中国500kV超高压系统的利用率仅是美国的40.6%。

如果将中国500kV单位超高压输电线路长度支撑的发电装机容量5606千瓦／公里提高到美国的13808千瓦／公里，则中国现有五大500kV超高电压区域电网承受装机容量的能力将从7.1亿千瓦提高到约17.5亿千瓦，完全可以五大500千伏超高电压区域电网今后15～20年发展的需求。

（3）如果再考虑220kV以下高压输电系统的巨大潜力并对其加以完善和改造，今后分布式新能源、太阳能、风能等可再生电力就地接入220kV以下高压输电系统，中国现有的高压和超高压系统将可能承担更大的装机容量。

由上可知，中国现有的高压和超高压系统经完善和技术改造后完全可能承受20亿～34亿千瓦的装机容量能力。按有关权威部门预测，2010年～2020年，中国平均每年新增1亿千瓦装机容量，中国现有的高压和超高压系统完全可以满足今后15～20年发展的需求，完全不需要在超高压区域电网上再构建交流特高压电网。

那种一再宣扬“目前我国500kV电网已开始出现输电能力不足、输电走廊紧缺等一系列问题，仅依靠现有超高压输电技术很难满足未来电力增长的需要”的與论是完全站不住脚的。世界上北美、欧洲电网已有的实践也证明，中国到2020年完全可以通过完善原有的区域超高压主干电网就能满足国家发展的需要，没有必要新建交流特高压电网。

五、结论

交流特高压联网违反《稳定导则》，完全破坏超高压电网的安全基础，30多年来我国超高压电网除台湾外从不发生重大停电，主要是贯彻了《稳定导则》的「分层」「分区」「分散外接电源」规定。但国网要发展交流特高压联网完全违反《稳定导则》的三分规定，违反「分区」，将原多个大区以交流特高压联成大规模同步电网；违反「分层」建成大多500kV/1000kV电磁环网，在发生连锁性大停电事故时“三道防线”或“统一调度”都将变得无能为力。这是因为宠大不分区、不分层的电网连锁反应性故障必然是复杂网络的一种混合动态现象，在复杂网络自組织临界特性驱动下导致的连锁故障，无法按照人为规定的预定解列点实现解列，最后必然导致电网崩溃，走上欧美重大停电的不安全道路。何况交流特高压完全不同于目前世界上所用的超高压，它在技术原理上有致命弱点，极不安全，极其浪费。

随着今后电源、负荷的发展，目前超高压大区电网将有再分区的需要，如南方电网已决定还要以直流隔离分2-3个大区并已经能源局批准，规划广东再以直流隔离分东西两个小区。总的效果特出，以将近2000公里的500kV交流输电，部分改为直流输电，部分缩短为中、短距离交流输电，又解决原交直流并列运行的不安全问题，更消除低频振荡，解决短路电流超标、保证多回直流密集安全馈入广东等一系列问题。蒙工曾研究为适应华东电网发展的需要，采用直流隔离再分四个大区，既解决短路电流超标、保证多回直流密集安全馈入，又缩短交流输电距离，确比已批准的交流特高压联网更为安全，投资仅为交流特高联网工程的十二分之一。

如果批准交流特高压联网走出一步，国家经济必将损失一大步。特请国家领导高度重视这一重大问题，应按科学发展观进行民主讨论，充分论证；并继续严格认真贯彻30多年来对我国电网安全起重要作用的《电力系统安全稳定导则》，慎重决策，避免将来难以挽回的决策失误而造成近万亿元的国家损失。