能源局特高压交流研究课题12——电网合理受电规模及“三华”地区联网安全性研究

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、电网合理受电规模
1．庞大三华交流特高压联网必将走上世界重大停电道路
   1965年以来，世界上共发生了25次重大停电（每次负荷损失≥800万千瓦），其中20次都因庞大交流自由联网造成，电力容量当时占世界首位的美国重大停电最多（6次），最严重（负荷损失占全部的29.6%）。号称技术先进的美/加/欧共发生14次，次数和负荷损失分别占全部的 56%和 54.2%。从原因分析，重大停电大都发生在区域范围/电力容量皆庞大又自由联网的交流电网结构。
表1交流电网规模宠大己造成重大停电的事实

国家		装机 (万千瓦)	电网面积(万平方公里)	东西距离(公里)	南北距离(公里)	重大停电			电网结构分析
						次	损失 (万千瓦)	占比 例(%)
美 国	南区	7270	59	701	841	-	-	-	交流区域小 - 很安全
	东区	75500	551	1870	2945	3	10100	19.7	不用直流分区(或分区不足)使交流区域过大；更难以分散外接电源构成点对网的分区结构；结果成为一旦故障即连锁反应全区的宠大自由联网结构
	西区	20000	328	1169	2805	3	5042	9.9
欧洲		84500	1016	5200	3400	4	7161	14.0
巴西		8900	851	3200	3200	5	9687	19.0
印度		11000	216	1800	1200	3	9673	18.9	分区之间联系不旦直流还有交流，相当宠大交流网
中 国	东北	6305	73	600	1280	-	-	-	主要用直流分区，各区范围不大，现行电压既可构成负荷中心和相互联系的骨干，并作为分散电源的点对负荷中心输电(远距离则用直流)，并解除电磁环网，成为可控制故障连锁反应的安全电网结构
	华北	15202	112	1060	1100	-	-	-
	华中	17473	131	1650	1250	-	-	-
	华东	17706	57	500	1140	-	-	-
	华南	17473	120	2020	800	-	-	-
	西北	5751	135	1930	1050	-	-	-
	台湾	2009负荷	4	135	324	1	1550	4	不分散外接电源；低频减载/低频切机不配合
	三华 特高压联网	50381	300	2350	2530	？	？	？	从装机/范围/自由联网走上美国道路；且交流特高压更不如美国超高压安全/经济

中国电力容量现己占世界首位，除台湾一次外，为甚么从不发生重大停电？因为30多年来按现行《电力系统安全稳定导则》建立了六大区域范围都不大的分区，区间主要用直流联网，完全防止了重大停电，成为世界上最安全可靠的电网结构。
   从世界近半个世纪的重大停电事故分析，那些电网区域范围/电力容量过大，又自由联网，一有故障即连锁反应到整个交流大网而造成重大停电。我国装机容量不少，但用直流分区后，各区范围不大，构成坚强负荷中心，更分散外接电源，又不是自由联网，结果很安全。
2．“三华”地区联网规模宠大完全不符合电网合理受电规模
〈三华联网〉从表1证明网内装机/电网范围/自由联网方式都和世界重大停电的国家相当，走上北美等重大停电的不安全道路；【特别更危险的是国网应用的交流特高压比美国等全世界现有超高压更不安全，更浪费】可见其后果更为严重。
世界各国历经几十年实践判别<三华联网>应用的交流特高压输电是不可行的
失败技术。但国网公司从来都将“交流特高压”和“直流特高压”混为一谈，以直流的“进步技术”掩盖交流特高压的“失败技术”。
   上世纪欧美俄日为了〈远距离输电〉曾研究“交流特高压输电”失败，却研究“直流输电”成功。前苏联为实现交流1200kV的长距离（1905公里）输电，从1972年起步，在1985—1994的9年运行中，过电压问题严重，不得不在线路上装设100%补偿的并联电抗器，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，送电能力差，极度浪费投资，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。国网公司在2005年北戴河《特高压输电技术研讨会》称：“根据东京电力的预测，2010年期间南岩木特高压干线有必要升压运行”。蒙工参加2007年底国际大电网委员会在日本大阪召开的会议时，从东京电力得到的回答是“接受了教训，永远不再升压了”。但国网公司现仍宣传日本会在2015年升压运行，现在已2015年了，真是帶欺骗性的宣传。
   为了〈远距离输电〉，欧美俄日在研究“交流特高压”同时也研究“直流输电”，成功地应用可控硅代替了水银整流器，既安全又经济地达到了〈远距离输电〉目的，自然淘汰了“交流特高压”。中国的直流输电发展快速，还应用直流隔离分六大交流区域，确保了我国成为世界上从不发生重大停电的最安全国家。因此要认清交流特高压根本不是“先进技术”，而是多个国家经历试验/运行证实的“失败技术”。
   2005年联合国经济社会部在纽约发表的报告：“交流1200kV曾在俄罗斯的西伯利亚长线路使用，无论如何，超出1000kV时，能承受如此高电压的实际难度、设备和绝缘的代价，都过高而难以采用”。联合国文件所指包括两个风险：一个是技术难度风险，另一个是经济代价风险，这是世界上从技术经济上判别交流特高压失败的结论。
   联合国文件还指出：“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”。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2003年美加大停电事故，任一处故障都影响整个交流同步网，同步网愈大，线路愈长，电压崩溃和稳定被坏愈严重，更易连锁反应全网大停电。
南方电网由于继续认真贯彻《稳定导则》，在2013年7月能源局召开的南网
“十二五”规划审查会上汇报了<南方电网2013-2020年规划研究报告>的结论： “南方电网未来西电东送发展主要采用直流输电技术。同时，<十二五> 期以后不再对各省间电网的交流断面加强。远景南方电网将以省区电网为基础，逐步分解为2～3个同步网格局”。南网再分2～3个区的结论仅讨论了一天就得到专家们一致认可，由能源局成文下达执行。南方电网公司决定不采用“交流特高压”，远距离输电又充份发挥了“直流特高压”输电的功能，又以直流分2～3个区才是英明的决策，而且今年3月开会研究蒙工曾建议将广东还以直流隔离分东、西两小区，以解决电源继续发展的短路电流超标问题和将来更多的西电东送直流输电馈入广东的安全问题。
 
二、“三华”地区联网安全性研究
1．〈三华交流特高压联网〉为远输电不得不违反《稳定导则》构成无数
1000/500kV<电磁环网>，更不安全
到底一回交流特高压线路输送能力能否达到500万千瓦？如仅为单回线按导则规定经历单相瞬时故障时，近距离300公里是勉强达到。三华联网规划却全部是同塔双回线，按规定要保持一回线故障跳闸后的稳定，则300公里也达不到了。
   三华联网更是2000公里以上，每隔约300公里必须靠500kV网支撑，才能远输电，结果不得不违反现行《稳定导则》的〈分层〉规定，构成无数1000/500kV电磁环网，但仍不能多送电，因为一旦1000kV线路故障，原输电力就转移到500kV电网，电力稍大就会造成稳定破坏事故。
   我国历史上最严重的2006年7月1日华中电网失稳事故就是两回500kV线路因保护误动跳闸，178万千瓦电力通过500/220kV〈电磁环网〉转入220kV网造成稳定破坏。构成电磁环网是违反《导则》，国网在事故后不得不将华中的环网解环。明知电磁环网违反《导则》，为了推行交流特高压，仍错误使用数十处1000/500kV〈电磁环网〉，不仅极其浪费， 平均一回也只能送300万千瓦，仍然永远达不到国网公司一贯宣传的500万千瓦输送能力，更严重的是埋下了数十处重大停电灾害的〈电磁环网〉隐患。
2．三华不应联网，各大区只应认真贯彻《稳定导则》才是适应电网发展的安全又经济的决策
世界历史实践证明只有按我国《稳定导则》确立的〈分层〉〈分区〉〈分散外接电源〉的“三分”结构才能防止重大停电。以交流特高压实行三华联网完全破坏已建成的“三分”结构，成为比经历重大停电的北美欧电网结构更为危险。违背《稳定导则》又光应用《仿真》对如此复杂的电网根本不能判别它的安全；仅用《N-1/部分N-2的仿真》判别出来的结论是虚假的。
 2005年联合国经济社会部在纽约发表的报告：“交流1200kV曾在俄罗斯的西伯利亚长线路使用，无论如何，超出1000kV时，能承受如此高电压的实际难度、设备和绝缘的代价，都过高而难以采用”。联合国文件所指包括两个风险：一个是技术难度风险，另一个是经济代价风险，这是世界上从技术经济上判别交流特高压失败的结论。
   联合国文件还指出：“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”。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2003年美加大停电事故，任一处故障都影响整个交流同步网，同步网愈大，线路愈长，电压崩溃和稳定被坏愈严重，更易连锁反应全网大停电。
南方电网公司决定不采用“交流特高压”，远距离输电又充份发挥了“直流特高压”输电的功能，才是英明的决策。
3．复杂“三华联网”能靠《仿真计算》确保安全吗？
潘家錚院士曾引用卢强院士就“三华联网”的安全稳定问题答记者的一段话：“我们进行了五、六百种情况的仿真试验，回答是：这样一个电网的安全稳定性是有保障的。”就算三华联网各级支路元件以500～600计，这仅相当于一个元件故障跳闸（称N-1）的计算条件，如按两个元件连锁跳闸（N-2）条件，就得作：
（500～600）²=250000～360000 种情况的仿真试验。
几十年来实践证明宠大自由联网的失稳振荡都不是N-1或N-2造成的，如2003年美加大停电经历了N-14，美1965年纽约大停电经历了N-5，1996年7、8月美西部两次大停电分別经历了N-11和N-15，才造成全网失稳振荡。
我们查核2010年6月电科院的《受端电网构建研究》报告，只经历N-1或极少数N-2的模拟计算，仅以简单计算不可能作为安全依据，因为自由联网结构、特别是比超高压更为危险的交流特高压三华联网的失稳是难以分析评估，也是难以预防，难以挽救的。
   世界历史实践证明只有按我国《电力系统安全稳定导则》确立的〈分层〉〈分区〉〈分散外接电源〉的“三分”结构才能防止重大停电。以交流特高压实行三华联网完全破坏已建成的“三分”结构，成为比经历重大停电的北美欧电网结构更为危险。违背《稳定导则》又光应用《仿真》对如此复杂的电网根本不能判别它的安全；仅用《N-1/部分N-2的仿真》判别出来的结论是虚假的。
4．三华不仅不应联网，按《稳定导则》各大区应采用直流再分区才是将来最安全经济的办法
就在2013年5月上海《华东四省一市国民经济及电力发展规划研讨会》上，蒙定中针对国网公司〈华东交流特高压联网>，已提出了华东分区的设想。
(1)从华东2015/2020年电源/负荷规划研究合理的电网结构  
根据国网公司2012年12月和2013年5月《华东“十二五”电网发展规划》三个报告，从2015/2020年华东各省市负荷需要和电源规划证明，将来各个省市、包括安徽省都缺电，怎样解决呢？一是继续靠远方直流输电，二是在各城镇负荷中心附近建新电源，各自作到电源/负荷基本平衡，互相之间不需要大规模输电，现有500kV电网已满足要求，根本不需要交流特高压联网。为了解决由于增设发电机组必然出现短路电流超标问题和保证更多直流馈入的安全问题，最经济有效和安全可靠的办法，还是贯彻《稳定导则》釆用直流逐步将华东电网（隔离）异步互联分为四个分区。各区事故互不影响，更不可能同时发生失稳/电压崩溃/瓦解事故。表2列出一是继续靠远方直流输电，二是在各城镇负荷中心附近建新电源，完全可以作到各省市电源/负荷基本平衡，确定华东分为四个区域电网的可行性和必要性。
（2)华东电网的发展设想
华东电网应怎样发展？按国网公司规划就要浪费740亿元投资、覆盖一个交流特高压电网，只是短时不必要的从煤电倒流的安徽输出只占全网2.2%的电力，严重浪费。如将来用直流分四大区，各区电源负荷基本平衡，区间潮流不大，原有500kV电网已足够应用，建成的交流特高压设施无电可送，甚至违反导则〈分区〉功能，只能作废了。分区后使全部500kV交流线路都只是中短距离输电，这才是最可靠、有效、且最经济地解决全网的安全稳定问题。
(3)华东〈分区〉的基本条件和可行性分析
[a]以直流分区时，要考虑分区后，每区保持一定的短路电流水平（约50千安）主要目的是在事故时为电网提供相当紧急无功储备，特别适合直流受电需要。分区后不希望短路电流过低，所以不应特意采购增大短路阻抗的500kV变压器，串联电抗器、短路电流限制器等，因为一旦分区，它们都起负作用、等于作废了。
[b]以直流分区时，要考虑分区后，一旦容量最大的一回直流闭锁停运，失去的电力被区内其他直流和分区背靠背支援的电力冲抵后，其值不应超过原供电的6%。考虑最大的1100万千瓦直流各1/2分别落于不同区，更可靠满足上述要求。
按表2可见，将上海和浙江合为一个区才满足要求。因此，建议华东电网将<浙江/上海><江苏><安徽><福建>分四个区，提供研究。
表2   以直流将华东分区的可行性分析数据
(表内负荷、电源数据来自国网公司2012年12月[华东区域”＋二五”电网发展规划])

年	2015		2020
分区	上海、浙江	江苏	上海、浙江	江苏
最高负荷(万千瓦)	11025	10258	14540	13658
电源装机(万千瓦)	9003	7722	10417	8720
直流落点数(注1)	6+1/2	2+1/2	6+1/2+1/2	2+1+1/2+1/2
直流规模(万千瓦) (注2)	2960+550	1020+550	2960+1100	1020+2200
直流占负荷比例	31.8%	15.3%	27.9%	23.6%
最大直流容量(万千瓦)和当它全停时占原供电比例	800   7.3%	720 7.0%	800 5.5%	1100   8.1%
假定区内其它直流都满载，即可快速支援持续2小时过載10%时的容量(万千瓦) (注3)	221.5	85.0	326.0	250.0
背靠背快速支援按它原电力流量/方向不同，为其容量的10～100%(万千瓦) (注4)	255～525	55～280	255～525	55～280
区内其他直流和背靠背快速支援供电(万千瓦)	476.5～    746.5	140～365	581～851	305～530
有支援时一回最大容量直流全停占原供电比例	0.05～4.9%	3.5%～5.7%	0%～1.5%	4.2%～5.8%

注1.2:考虑最大的1100万千瓦直流各1/2分别落于不同区
注3:表内未列入直流可暂时(3～10秒)输出更大的支援过载30～50%的容量
注4: 表内未列入背靠背可在约20秒后反方向输电，共输出更大的支援为其容量的10～200%     
[a]第一种是应用直流背靠背分区
我国早已应用的［西北－华中］［东北－华北］和［中－俄］黑河背靠背运行可靠，具备良好分区功能。图1按华东省市间2012年夏季高峰/2013年冬季高峰调潮流（来自国网报告）研究直流背靠背的位置和容量，随着电源/负荷的发展，所有省市间潮流应有减无增，以选择其容量。

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

图1 华东五省市间电力潮流和背靠背分区条件(7个直流背靠背共775万千瓦)
[b] 第二种是应用直流受电逆变站实行分区(图2、3)

  
 
 
 
 
 
 

      图2  用直流分区                 图3  直流逆变站分区接线
如接受溪洛渡直流远距离输电的浙江省武义逆变站，将来按浙江/福建所需电力分两部分受电，即达到〈分区〉目的（现有的宁双两回500kV交流联络线适当改为背靠背运行），因为将来两省都缺电，不需多投资就可得到〈分区〉安全/经济效果。
将来用直流隔离分为四大〈分区〉的总投资不超过62亿元，为华东交流特高压联网静态投资（744亿元）的十二分之一(8.3%)，不旦经济且运行安全可靠。
(4)〈分区〉更保障多回直流馈入的安全运行
    将来华东以直流隔离分四大区后，直流分别馈入各区，任一区故障，只有在保护拒动和发生长时（和直流低电压保护的时间整定比较）的电压崩溃（和直流低电压保护的电压整定比较）时，在理论上（实际不可能）才会使区内直流跳闸。但直流隔离的邻区不受电压崩溃影响，所以，直流分区后更能保证直流输电更为安全。
(5)〈分区〉彻底解決短路电流超标问题
    将来华东500kV电网按《稳定导则》〈分四大区〉后，将可以彻底解决短路电流超标问题，各区都保持40～50千安的安全水平；50千安断路器（特别是GIS）不再需要更换为63千安了。原来为限制短路电流而装设的电抗器、限流器、增大变压器阻抗等都不再需要，如装了有的对运行反而起负作用了。
(6)将来〈分区〉更确保华东电网完全实现〈分层〉
500kV电网上再罩上交流特高压必需有大量1000/500kV电磁环网才能送电，违反《稳定导则》〈分层〉，必然带来重大停电。华东电网电压层500/220/110/35/10(20)kV，110千伏以下电网已完全实现〈分层〉，〈分四大区〉后更可使500/220kV电网由“大部分”〈分层〉改进为“完全”〈分层〉，避免我国过去严重的电磁环网事故。
(7)按《稳定导则》〈分散外接电源〉规定改革/优化华东各区的电源布置
将来分区以后，各区负荷中心组成500kV环网，向此环网输电的电源，不论是区内的电源或区外远方来的交/直流电源，都应按〈分散外接电源〉，俗称「点对网」的方式送电，完全避免了多点并列/环网送电会在故障时负荷转移而全停的危险；一旦故障跳闸，综合损失的电源不应超过受端的分区总负荷的6％，不致影响运行，这既是《稳定导则》规定，又是30多年来国内外事故经验教訓。
 
三、结语
从世界重大停电分析，重大停电都发生在区域范围/电力容量皆庞大又自由联网的交流电网结构。三华特高压交流联网规模和已发生重大停电的各国电网规模相当，又特定采用世界早已弃用的不安全又不经济的交流特高压就更不合理的违反科学实践，决不可行。
三华不仅不应联网，按《稳定导则》各大区应采用直流再分区才是将来最安全
又经济的办法。本人报告曾建议将来华东电网用直流隔离分为〈四大分区〉，其
总投资不超过62亿元，为华东交流特高压联网静态投资（744亿元）的十二分之一(8.3%)，不旦经济且运行安全可靠。
国网公司为实现“三华交流特高压联网”，根本不允许从科学技术/经济等各方面作民主客观论证分析，又以特高压直流的优越/可行性来掩盖交流特高压的固有缺陷。因为有了三华联网就实现权力《垄断》，违背了2002年国务院5号文件〈关于电力体制改革方案〉的‘打破垄断、引入竞争’精神。
   鉴于这是关系国家能源长远战略和安全布局，希望政府部门必须高度重视，如果不按国家规定必经的审批程序，不按科学发展观经由不同观点的专家充份论证，民主讨论，就批准交流特高压联网工程继续走一步，不仅对安全掩下严重稳患，而且必将使国家经济蒙受一步重大损失。应继续坚持贯彻30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，避免因决策失误而造成难以挽回的〈三华交流特高压朕网〉重大停电灾害和上万亿元的国家财产损失。