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特高压工程建设是机遇更是挑战

2014-12-30 10:58
来源:中国电力新闻网        T | T 字号: 打印

  有压力更有信心

  特高压技术提出后,我就参与了咨询。虽然我做的工作很少,但仍然切身感受到特高压技术发展的艰辛。

  2004年年底,国家电网公司提出建设特高压电网。我们就认真思考它对我国电网运行可靠性可能产生的影响,并及时向国家电网公司调研小组汇报了关于特高压电网安全性对二次稳控系统的要求及对策的思考。

  2005年,有关部门对特高压工程的建设方案进行了大量讨论,社会上也对建设特高压电网提出一些不同看法。国家电网公司高度重视,当年年初就成立了顾问小组,年内我就参加了3次咨询会议。国家电网公司还委托中国工程院进行专题咨询。中国工程院广泛地组织了相关学部的院士组成咨询小组,同年内我也参与了3次咨询。咨询小组听取了不同观点的专家意见,经过认真讨论后对特高压工程给出了正面看法,同时要求建设的全过程要严谨客观地论证,进行风险分析,经济上要做到合理可行。在那一年,还召开了特高压输电技术国际研讨会,国家发改委也组织了特高压技术研讨会。

  随着能源安全与环境安全问题的日益突出,我对特高压技术开发必要性的认识越来越深刻,强烈意识到中国一次能源,包括可再生能源的禀赋和地理分布特点对输电距离提出的严峻挑战。

  虽然在理念上,我从一开始就坚信,输电电压等级在可行范围内的提高有益于人类探索客观世界、掌握自然规律、促进技术发展、提高技术与经济指标,但在实际工作中,我和团队深感肩上的责任与重担。

  电力界记忆犹新,在500千伏电压等级出现后的相当长一段时间内,由于新电压等级的电网尚未强壮到能将220千伏电网开环运行,故电磁环网的威胁十分严峻。显然,在只有极少特高压输电线路投运期间,类似的风险必然会再现。虽然在相当一段时间内,相关行业的关注都集中在如何研发特高压一次设备及构建特高压输电系统,客观上对其投运后的停电防御问题则无暇充分考虑。但我和团队清醒地意识到,如何抵御各种内外扰动引发的大停电将是我们义不容辞的社会责任,必须主动地将此潜在的压力转化为当下的行动。

  2003年8月14日,北美发生人类有史以来规模最大的大停电,涉及8个州以及加拿大安大略省,经济损失高达300亿美元,影响5000万人口。时任美国总统布什认为,电网的安全稳定对国家安全至关重要。此后,国际电力界一直在广泛反思:为什么被认为国际上最强大的北美东部电网却未能在大停电的长过程演化中予以制止。该事件发生不到1个月,我发表了题为《综合防御由偶然故障演化为电力灾难——北美“8·14”大停电的警示》的文章,指出就事论事并不能有效避免再次发生大停电,而必须找到其深层次机理。指出人们在本来完全可以有作为的时间段内,却只能听任一连串的相继故障发生,并拖延了如此长的时间才恢复供电,究其原因是:没有建立综合考虑体制、运营、监管、规划、信息、运行、控制、科技和人才等影响因素的停电防御框架。这是国际学术界第一次提出停电防御框架的概念。

  就在我苦苦构思该框架的具体构成时,中国建设特高压电网的议题被提出。这促使我们将停电防御框架的实现与特高压电网的需求结合,大大推进了对停电防御体系研究的进度及深度,进一步拓展了中国独创的电力系统稳定性量化算法,而其研究成果又支撑了特高压工程的建设、运行与控制。

  虽然在线稳定分析与控制环节在特高压工程的初期并不是问题的焦点,但首条特高压输电线路一投运,该环节的影响将立刻被突出。留给我们的时间不多,我和团队感到的压力可想而知。无论在去机场途中还是在飞机上,只要没人与我交谈,我马上就会陷入沉思,而旅途的颠簸与周围的喧闹几乎不能影响我。我思索的核心问题是如何保证特高压输电线路投运后的电力系统安全与稳定。科学上的探索欲、社会责任感及工程使命感高度融合,使我们明知征途艰辛但仍然充满信心。

  是挑战更是机遇

  特高压技术的研发及工程建设是中国对世界电工及电力技术的重大贡献,我认为非常了不起。广大的电气工程学术界、装备制造及工程运行人员的努力值得大书特书。

  2004年中国提出发展特高压技术的当时,其电工技术、电工装备制造及电力系统习惯于跟随国际经验,装备制造、电网规划和运行都缺乏足够的创新意识及能力。根据我的观察,当时对特高压的适用性与经济性的讨论还并非争论的核心,而最大的怀疑也许是既然发达国家都先后放弃了交流特高压技术的开发,因此它是落后的技术,以及中国开发特高压技术的必要性及能力。说实话,当时我对诸如特高压的环境影响、一次装备的可靠性等也有顾虑。国家电网公司决策层坚持走自己的路是有很大勇气的,现在回头看,特高压对中国装备制造业与电力界创新发展的促进作用不可磨灭。

  单就我的专业范围而言,建设特高压电网也面临着严峻的挑战。即使不考虑特高压输电,大停电防御问题国际上也在摸索。而特高压电网会带来哪些新的静态及动态行为,应该如何应对等一系列问题则进一步增加了挑战性。

  我从1978年开始,一直在国网电力科学研究院从事电力系统安全稳定分析与控制的研究,1987年发明了扩展等面积准则EEAC,解决了电力系统暂态稳定性定量分析这一世界性难题,开创了时变非线性系统稳定性量化分析的研究领域。到目前为止,其他的方法都是定性方法,就像盲人的探路棍,无法觉察临近的风险。而EEAC的量化功能使运行人员能直接估计系统在扰动下离开崩溃状态还有多远,犹如导盲犬对盲人的指引,掌握离开障碍物的距离并及时调整行走路线。而这正是可以帮助运行控制人员规避大停电的最关键信息。

  特高压输电把原来地理位置很远,相互影响较小的多个区域电网的电气距离大大拉近了,使电网对扰动的敏感性进一步提高。如果停电防御系统没有很好地协调,就很可能由于相继故障而大范围地影响供电可靠性。我们认识到在线稳定分析与控制环节必须要有源头性的突破,才能可靠保证特高压电网的安全运行。

  团队对特高压交直流混联电网工程完成了稳定分析、稳定控制系统协调配置及安全控制策略设计。用EEAC理论揭示了特高压直流接入对交流电网暂态稳定性影响的机理,提出了综合特高压直流调制功能的电压协调控制方法及利用解列联切机组抑制相继失步的主动防御方法,解决了穿越功率突降导致系统过电压问题,提高电网抵御极端严重故障的能力。发现了远方故障导致的暂态多失稳模式现象及失稳模式易变现象,并成功揭示了其机理。提出了特大型同步电网严重故障下的主动防御方案。

  在系统保护装置方面也解决了特高压输电线路非周期分量衰减时间常数大而引起低压解列误动,及正确区分对称性短路与失步振荡的困难。解决了当受端无故障跳闸时,送端由于空充电流大而拒动的问题。提出用直流信号模拟量输出控制技术,实现对直流输送功率的快速无级调制,实现了直流特高压送端出现孤岛运行时精确的紧急控制。开发了适应特高压直流极闭锁及换流器故障时直流损失功率计算的新判据和方法。为了防止德宝直流大负荷南送双极闭锁造成交流特高压试验示范工程超稳定极限的问题,在三峡近区的安控系统中实现了交直流特高压紧急协调控制。这些措施都已应用于特高压工程。

  在特高压工程的推动下,我们在2005年成功构建了电网大停电防御框架,研发了电力系统大停电综合防御系统 WARMAP。在2006年初发表的题为“时空协调的大停电防御框架”的系列文章中,介绍了在“从孤立防线到综合防御”“广域信息、在线量化分析和自适应优化控制”及“各道防线内部的优化和不同防线之间的协调”等方向上的研究成果。该系统可以及时判断出大电网在运行中的风险并选择预防控制;在故障过程中正确选择紧急控制与校正控制决策;在多道防线之间进行协调。

  WARMAP克服了一系列技术难题,包括离线向在线控制的跨越,广域空间中的自适应协调控制技术,预防、紧急、校正控制三道防线之间的协调。从而实现了电网安全防御从被动预案型向主动对策型转换,安全稳定决策从离线向在线转换,调度控制从依赖经验为主向智能化控制转换。目前,WARMAP已成为保障大电网安全的重大装备,防御范围已经覆盖了80% 的中国电网,支撑了中国电网没有由于电网稳定性而引发大停电。其中,华东电网实现了国际首个停电预警系统,江苏电网实现了国际首个闭环控制系统。

  防御系统经受住了汶川地震灾害考验。和美国“8·14”大停电相比,虽然汶川大地震引发了28条线路故障,11座变电站停运,但由于灾难过程中停电防御系统对危险操作给出正确预警,并及时提供辅助决策信息,因此局部停电没有演变为大停电,并维持了脆弱电网的稳定运行,及时恢复了供电,有力支持了救援和灾后重建。

  为了支撑中国电网越来越复杂的超大型动态系统的运行决策,除了决策算法、控制理念及具体的系统保护装置的再创新外,必须对防御框架做出源头性的顶层设计。基于长期的研究和工程实践,我们终于实现了这个目标,及时支撑了特高压电网的发展。避免了由于缺乏停电防御辅助决策的支撑,系统保护装置的不适应,而延误了特高压工程,并长期保障了特高压工程的安全运行。这10年中,把分析理论变成真正能够在工程上经得起考验的系统,从理论、算法、软件、装置、系统,然后再到真正的应用,确保其可信性与可靠性。伴随着特高压工程的建设,我们的电网防御体系,不管是理念还是应用经验,在世界上均处于引领的地位。在人们看到特高压工程的成绩时,也许并不会关注这些支撑性的工作,虽然不在第一线,但我们的心中充满了喜悦与自豪。

  追梦创新保持清醒

  特高压技术对能源安全及环境安全做出贡献的同时,也推动了众多专业的创新。对电力可靠性的分析、控制,及防御技术也有重要的推动,并启发了我们从更大范围及更高层次去思考。人类的可持续发展不单有赖于能源,还依赖于经济和环境安全,它们之间密切交互,相互影响。电力行业应该注重以电力为主的全方位的能源安全,它与一次能源与终端能源的革命密切相关,必须用大能源观的理念来对待。

  可再生能源不但难以直接以它们原来的形式输送,而且必须转换成电能后才能适用于大多数终端负荷,也才能在区域内共享能源。当可再生能源发电占到发电用能50%,甚至更多时,电能的瞬时备用及旋转备用的调度问题不容小觑。没有强大可靠的远方输电网以及智能灵活的主动配电网,既无法在终端能源中实现电能对化石能源的大规模代替,也不可能协调各种一次能源、二次能源及终端能源的优化。

  电网是在广域内共享电能的传输平台和电力市场互动的物理平台,特高压技术有助于跨地域实现一次能源、二次能源及终端能源之间的协调优化。这样的时空拓展需要跨领域的研究思维。当可再生能源在电能生产中绝对占优,分布式能源系统及分布式储能系统遍地皆是,电动汽车充电负荷在电力负荷中占优时,电网如何支撑电能这种核心的二次能源,承担一次能源与终端能源之间的桥梁作用,实现大能源范围的协调优化;如何在确保电力可靠性的同时支撑大能源安全及环境安全?

  大能源输送要协调输电、输煤、输气,及综合运输体系,充分发挥电能通过电网实现大范围共享可再生能源的通衢。随着页岩气开发规模的增加,输气网与电网在规划与运营方面的交互必然增强,而分布式燃气发电及热电联产产生的热能则促进了热力网与配电网的关联。

  除了保证大能源系统的安全与充裕外,还需要研究资金流、物流、人才流、信息流的可靠性,以及政策与监管的影响,以支撑电力流及能源流的安全及其协调优化。

  从大能源的视角考虑各种能源的安全与优化,我们的知识领域也需要拓展。

  目前,中国的停电防御系统已经取得很好的成绩,对自然灾害的防御也取得初步成果,例如对雷电的防御、预警目前已经在工程中应用。但是,由于其监控范围仍侧重于电力系统内部,无法防御各种极端自然灾害及严重的一次能源事件等外部因素引起的大停电。因此,必须将研究范围扩大到外部灾害的演化过程其机理,并将监测点及预测尽量推前到接近外部灾害的源头,从而为停电防御留出更长的预警时间。

  特高压输电线路投运后,电网覆盖地域越来越广,自然灾害叠加发生的小概率事件应该如何处置,需要研究防御体系如何从电力系统内部外推到自然灾害影响的预测。交流和直流之间的互相影响提出了对于大范围控制系统当中的协调控制问题,不能像以前那样根据局部情况来进行判断。

  通过特高压电网积极推动一次能源中的可再生能源替代和终端能源中的电能替代。电力系统分析和控制必须提前考虑到用电模式变化的影响,碳交易、发电、需求侧、辅助服务等各种市场以及各类参与者博弈行为的影响,防患于未然。虽然十年来我们从未间断这方面的研究,也获得一些成果,但“路漫漫其修远兮,吾将上下而求索”。

  这些新课题也加速了人才的培养。2004年,国网电科院在稳定分析与控制技术方面的人员约有40人。没有以上需求的推动,这个创新团队不会发展到今天200多人的规模。我想,中国特高压技术的成绩说明了中国人有信心。不是因为外国人没有搞成,所以我们就一定搞不成。这是我参与到特高压工程中的最大收获。

责任编辑:高慧君 投稿邮箱:网上投稿

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