面向21世纪的电力系统技术

面向21世纪的电力系统技术

周孝信院士艾欣电力系电力市场课题组电子邮件：xinai@netease办公室：教一楼148房间：80798456面向21世纪的电力系统技术一、电力系统开展面临的挑战〔一〕环境维护的严峻制约〔二〕大容量远间隔输电的需求〔三〕大电网互联、跨国联网开展的趋势〔四〕电力市场化体制改革的影响二、我国电力工业和电力系统开展的要求三、研讨开发面向21世纪的电力系统技术〔一〕大容量交/直流输电技术〔二〕灵敏交流输电〔FACTS〕技术〔三〕大电网互联的运转控制技术1、互联电力系统低频振荡控制的研讨2、全球卫星定位系统〔GPS〕在电网平安监视和稳定控制中运用的研讨3、防止大面积停电的控制和恢复战略的研讨〔四〕电力系统分析和仿真技术1、电力系统分析技术的开展趋势2、电力系统分析软件技术的开展3、电力系统数学仿真与物理模拟一、电力系统开展面临的挑战回想一个多世纪以来电力工业和电力系统的开展，深感由于经济开展和技术提高带来的宏大变化。上世纪的80～90年代，是电力系统的初创时期。据记载，1882年在美国纽约建成了世界第一个完好的电力系统。这是一个由发电机、电缆和负载组成的直流电力系统。然而由于直流输电系统的局限性，人们转而研讨交流输电技术，并在上一个世纪之交，确立了交流输电系统进一步开展和运用的根本取向，从而带来了本世纪交流高电压输电和电力系统的大开展。从本世纪初到60年代末，最高交流输电电压从12.44千伏和60千伏提高到735千伏和765千伏。在此期间，电力系统规模也迅速扩展，电网互联程度不断加强。在交流输电和电力系统大开展的同时，从50年代开场，又开展了高压直流输电技术，奠定了当今高压交/直流电力系统的根底。

今天，又是一个世纪之交。面对经济全球化趋势和科技迅猛开展的情势，有100多年历史的“古老〞电力系统，在其开展的进程中，又将面临一系列新的挑战。〔一〕环境维护的严峻制约随着全球经济的不断开展和民众环境认识的加强，电力工业开展遭到环保制约的程度将越来越大，兴隆国家的情形更为突出，新输电线路的建立往往因民众的反对而不能实施。欧美国家1000千伏以上特高压输电开展方案之所以中止，除电力需求增长缓慢的要素之外，环保的思索也是重要缘由。面对这种情况，不少兴隆国家采取的对策是充分发掘现有输电线路的潜力，处理系统中潮流分布不合理的问题，改善电力系统运转的稳定性，提高输电系统的保送才干。〔一〕环境维护的严峻制约环保的制约更多地表如今电源建立上。未来会更多地开发对环境影响较小的电源方式，如干净煤熄灭发电、天然气蒸汽结合循环发电、远方大型水电、核电及新能源发电。电源构造的改动，将因电源原动机特性和电源分布的不同而影响电力系统的性能，包括其调理性能和动态性能。1996年7月，马来西亚的马来半岛电力系统解体、大面积停电事故，其根本缘由除网络构造薄弱外，当时电网运转机组中燃气轮机比艰苦，在系统大功率缺额情况下，这些机组因超出力而导致过热，从而引起大量跳闸停机，呵斥系统频率解体而全网停电。这是因电源构造变化使系统动态性能变坏呵斥恶性事故的典型案例。未来电源构造和分布发生改动是不可防止的。这就要求我们进一步研讨由此带来的影响，研讨各种电源原动机特性及相应的系统控制战略，开发新的控制安装，从而改善系统运转特性，防止电力系统事故的发生。〔二〕大容量远间隔输电的需求当前世界电力工业开展趋势，虽然兴隆国家用电需求增长缓慢，但开展中国家用电需求仍在迅速增长，大量的电源资源有待开发利用。因此总的看来，大容量远间隔输电仍有较强的开展势头，一些开展中国家和地域特别是东亚、东南亚地域、南美洲地域仍在进展大规模的电网建立。大容量远间隔输电系统，如中国的三峡输电系统、金沙江水电甚至雅鲁藏布江水电的开发及其输电系统，巴西亚马逊河水电开发及其输电系统等，这些系统的建立无疑将是对现有电力系统技术的挑战。〔三〕大电网互联、跨国联网开展的趋势冷战终了后，全球和地域经济一体化的步伐加快；又由于能源分布和经济开展的不平衡及电网互联运转的宏大效益，使大电网互联、跨国联网输电的趋势不断开展。如东西欧联网，欧洲发输电联盟〔UCPTE〕早在1963年就实现了西欧各成员国400千伏交流联网，以后又经过直流同英国、瑞典实现非同期联网。目前西欧电网与东欧国家电网联网正在逐渐实现。其中1995年9月原民主德国电网与西欧电网联网，1995年10月波兰、捷克、匈牙利三国电网与西欧电网同期互联。此外还有假设干拟议中的地域性跨国联网，如环波罗的海地域联网，环地中海地域联网，东南亚地域联网，环日本海地域联网等，其中波罗的海沿岸11国的18家电力公司已于近期协作进展了一项研讨，拟经过相关国家之间的交/直流联网实现环波罗的海电力共同市场，并已成立了环波罗的海电力协作组织〔BALTREL〕。另据报道，地中海地域的突尼斯与隔海相望的西班牙已实现联网送电。我国与周边国家的联网也在思索和规划之中。如拟议中的澜沧江水电〔景洪电站〕开发向泰国送电、俄罗斯西伯利亚水电向中国华北等地送电等，如能实现都可以构成跨国的电网互联。〔三〕大电网互联、跨国联网开展的趋势大电网互联和跨国联网将对电力系统运转带来一系列的新问题。如波兰、捷克、匈牙利电网同期接入UCPTE西欧电网之后，即察看到弱阻尼的甚至负阻尼的频率和功率振荡。当从东到西或从西到东联网传送的功率超越1000兆瓦时，就有振荡产生。美国西部电网1996年7~8月延续两次发生连锁反响式大电网稳定破坏和大面积停电事故，充分阐明这种类型事故是当前及未来电网运转平安的最大要挟。因此寻求电网更为有效的控制措施，确保互联电力系统的平安稳定运转是我们面临的又一重要课题。〔四〕电力市场化体制改革的影响当前全球范围内正在逐渐实行电力系统市场化的体制改革。虽然各国改革的方式不同，但其根本目的都是企业突破电力行业垄断，促进市场竞争，提高效率，降低本钱和电价，从而提高本国经济在国际市场上的竞争才干。一些西方国家对长途电信、民用航空等公用事业进展了类似改革并获得了胜利。英国从90年代开场的电力市场化改革，也获得了降低典型工业用户的电价20%以上的效果。〔四〕电力市场化体制改革的影响然而电力市场化改革也给电力系统运转和控制带来一系列的新问题。根据电力市场运作的要求，电网首先必需提供能灵敏控制潮流的才干，还应最大限制地满足电源与用户之间保送才干的要求。此外，在发电、输电和供电分别独立运营的条件下，坚持电网的平安稳定运转程度也是需求处理的重要课题。〔四〕电力市场化体制改革的影响以上4点阐明，世纪之交的电力系统的开展正面临着新的挑战。然而这也预示着有100多年开展历史的传统电力系统将有新的开展机遇。相应地，采用现代高科技的面向21世纪的电力系统新技术必将得到不断创新和开展。二、我国电力工业和电力系统开展的要求1987年我国发电装机容量突破100吉瓦〔1G瓦=103兆瓦〕，1995年突破200吉瓦，到1997年底到达250吉瓦，居世界第二位。500千伏超高压输电线路总长度已超越13000千米。6个跨省大区电网和5个独立省网都得到了较快开展。到1996年底，华东电网装机容量已到达38.22吉瓦；由广东、广西、云南、贵州四省电网互联组成的南方联营电网总装机容量也已达38.419吉瓦。这阐明我国电力系统已进入大电网互联运转的时代。二、我国电力工业和电力系统开展的要求展望未来，到2000年，我国电力总装机容量将接近300吉瓦。正在兴建的三峡电站和三峡输电系统将于2021年建成。东北、华北之间500千伏交流联网将于近期实现。到2021年，随着三峡输电系统的建成，在我国中部将构成沿长江流域包括川渝、华中、华东电网在内的三峡交直流电力系统，估计总容量将会接近200吉瓦。与此同时，北方的华北、东北、西北电网将实现互联；南方电网将进一步加强。届时，全国将构成北、中、南三大互联电网的格局。经过它们之间的互联，预期2020年左右将根本实现全国联网。随着东部地域核电的建立，西部巨型水电和坑口火电的开发，全国范围的远间隔输电和电网互联将得到进一步加强。

我国电力系统的开展，是世界电力系统开展的重要组成部分。我国电力系统开展面临的大容量远间隔输电和大电网互联问题，将是我们未来10~20年内要处理的主要问题。环境维护制约和电力体制改革的影响也将现实地提到日程，必需引起我们高度注重。三、研讨开发面向21世纪的电力系统技术面对当今世界和我国电力系统开展的宏大挑战，我们必需研讨开发面向21世纪的先进电力系统技术。传统技术和电子信息技术、电力电子技术、先进控制实际及技术等高新技术的提高为这一目的的实现提供了坚实可靠的根底。

结合我国实践的详细研讨开发目的可有如下四个方面。〔一〕大容量交/直流输电技术当前我国的现实义务是提高500千伏交流输电线路的保送才干。应积极研讨500千伏同塔双回或紧凑型线路的技术。在500千伏紧凑型线路方面，由华北电力集团公司牵头组织的工程化研讨已获得成果，并运用于实践的线路工程。应积极研讨采用线路的串联电容补偿技术。近期阳城──江苏的500千伏线路将建立我国第一座500千伏串联电容补偿站。对此，希望能进一步实现国产化，并在其他工程上推行运用。〔一〕大容量交/直流输电技术应进一步开展大容量高压直流输电的研讨。直流输电以其输电容量大、稳定性好、控制调理灵敏等优点遭到电力部门的欢迎。我国除葛──南线于1990年早已投运外，容量为1800兆瓦的天生桥──广州±500千伏直流输电工程正在建立。三峡──华东的第一条直流输电线路的建立在积极筹备。可以预见，直流输电在我国有进一步运用的前景。但在技术上，直流输电还存在着控制系统技术复杂、与交流输电系统相配合时能够诱发次同步谐振等问题。对此，还要在交/直流系统相互配合协调方面做大量的实验研讨任务。〔一〕大容量交/直流输电技术关于500千伏以上交流输电，是采用800千伏〔750千伏〕级还是1000千伏级的电压程度问题，笔者以为应根据实践需求决议。如我国西北电网已建成较强的330千伏系统，当前因黄河水电和陕北大型火电的开发和外送，330千伏电压等级已无法满足输电的需求，急需提高电压等级。对330千伏系统而言，国外阅历普通以为上一个电压等级以750千伏级较为适宜。加拿大魁北克电网于1965年投入其735千伏系统：美国AEP电力公司于1969年建成765千伏线路，其后巴西伊泰普工程也于80年代建成765千伏输电系统。因此，可以以为750千伏电压级输电无论设备还是系统都有成熟的技术和阅历。如经论证适宜于我国西北电网，那么应决策着手开场建立。至于1000千伏特高压输电，亦不应排除在我国运用的能够性，特别是对未来金江水电开发大规模外送，亦存在着比直流输电更为优越的能够性。因此，1000千伏级的特高电压技术，作为技术贮藏仍应开展必要的研讨。〔二〕灵敏交流输电〔FACTS〕技术FACTS是电力电子技术在电力系统中运用的重要方面。作为在交流输电系统中引入的可控制的一次设备，FACTS安装的运用可实现对交流输电功率潮流的灵敏控制，大幅度提高电力系统的稳定程度。特别是可以实现电力系统动态过程中相量角度的控制，为未来电力系统动态和稳定性控制的新战略提供了必要手段。〔二〕灵敏交流输电〔FACTS〕技术FACTS技术的概念自80年代后期提出以来，有关学术研讨、技术开发和工程实际已获得大量成果。对此笔者在1995年的一篇文章中曾有论述。自那时以来，FACTS技术的开发和工程运用又有新的开展。具有对电压、阻抗、相位综合控制功能的一致潮流控制器〔UPFC〕的示范工程〔并、串联安装容量各160兆伏安〕即将在美国AEP电力公司投运，其并联安装已于1997年建成。〔二〕灵敏交流输电〔FACTS〕技术我国已开场对FACTS技术进展有系统的研讨开发。其中对500千伏超高压输电线路可控串联补偿〔TCSC〕的研讨已获得阶段成果。结合伊敏──冯屯500千伏输电线路的研讨阐明，采用25%串联补偿电容的可控串补安装，可显著提高暂态稳定程度和阻尼振荡才干。

〔二〕灵敏交流输电〔FACTS〕技术对我国下一步FACTS技术研讨开发的主要目的，笔者以为首先应在前一阶段研讨任务的根底上，对TCSC和STATCOM〔静态补偿器或称先进静止无功补偿电源ASVG〕进展工程化研讨开发、促进实践工程的实施。同时，应开展对具有综合控制功能的UPFC和IPC〔相间功率控制器〕的研讨开发。对FACTS的系统运用实际，那么应进一步开展系统建模和分析、系统控制战略等的研讨。〔三〕大电网互联的运转控制技术大电网互联及跨国联网的开展趋势，连锁反响稳定性破坏和大面积停电事故的教训，使人们对大电网互联运转的控制问题给予了格外关注。国际大电网会议第38、29等7个专业研讨委员会曾于1996年专门召开讨论会，讨论了建立更有效电网的电力系统控制维护的新战略。

结合我国电网实践，笔者以为如下研讨任务应进一步加强：1、互联电力系统低频振荡控制的研讨对电网互联运转平安的最大要挟是运转稳定性的破坏。电力系统稳定按性质可分为三种：功角稳定、电压稳定和频率稳定。其中功角稳定又分暂态稳定和系统低频振荡。对互联电网，特别是具有长条形构造的弱互联交流电网功角稳定问题中的低频振荡问题尤为突出。电网互联后跨区低频振荡方式常表现为弱阻尼，振汇频率普通在0.1~1赫范围内。国际大电网会议第38研讨委员会曾组织专门任务组〔TaskForce38.01.07〕对振荡的机理、研讨方法和抑制措施等进展了研讨。其结论指出：为消除振荡的要挟，首先应仔细研讨整定系统中主要发电机的电力系统稳定器〔PSS〕，由于迄今为止，PSS依然是抑制低频振荡最经济有效的措施，其次应研讨系统中现有高压直流输电〔HVDC〕、静止无功补偿器〔SVC〕附加控制器的参数整定，使之提供附加阻尼效果。然后思索用电力电子安装改造现有可投切补偿安装，使之提供平滑的阻尼控制，如线路串联电容补偿添加可控硅控制的部分〔TCSC〕。最后可思索在系统中增装完全用于阻尼振荡的新安装。1、互联电力系统低频振荡控制的研讨国际大电网会议任务组研讨的结论给我们以启示。虽然PSS已是成熟的普遍技术，但仍是消除互联电网负阻尼低频振荡最经济有效的方法。当系统规模较小、互联程度较低时，系统振荡不明显，PSS整定不为人们所关注。但在当今大电网互联迅速开展的情况下，对此必需引起高度注重。1994年我国南方联营电网发生的系统振荡事故是典型的一例，事后分析阐明，假设在此系统中的主力机组上加装PSS，可以有效地阻尼振荡，防止有严重后果的动态稳定破坏事故的发生。2、全球卫星定位系统〔GPS〕在电网平安监视和稳定控制中运用的研讨在电力系统中实施相量控制〔phasescontrol〕是电力系统稳定控制最直接的方法。采用全球卫星定位系统〔GPS〕实现的同步相量丈量技术和光纤通讯技术为相量控制提供了实现的条件。GPS在各领域中已得到广泛运用。在电力系统中主要用于同步相量丈量。在GPS系统中，共有24颗卫星绕地球轨道运转。它们距地面约20000千米。地球外表任一点均可接纳到卫星发出的精度在1微秒以内的时间脉冲信号。这样，电力系统中任一变电站均可接纳GPS发来的准确时间脉冲给当地丈量的电压波形以时间标志，其标度的相角精度对50赫兹波形为0.018°。光纤通讯系统将各变电站的丈量搜集汇总处置后，即可得到各变电站之间动态相量的变化，并据此实施相量控制。电力系统中现有提高暂态稳定的措施和切机、切负荷，可由相量控制器触发；HVDC系统可按相量信息实施相量控制，并可模拟交流线路同步功率特性，使系统具有更强的抗干扰才干；交流系统那么可经过SVC及串联电子式移相压器或TCSC实施相量控制。2、全球卫星定位系统〔GPS〕在电网平安监视和稳定控制中运用的研讨我国将GPS用于大电力系统稳定和振荡监控的研讨已获得初步成果。以GPS同步相量丈量安装为根底的监测系统已在我国南方联营电网投入运转。南方电网骨干联络线天广500千伏线路的功角振荡已可在电网调度中心实时观测。进一步的相量控制正在研讨之中。3、防止大面积停电的控制和恢复战略的研讨当今电力系统调度中心的能量管理系统〔EMS〕根本上是以处置稳态方式调度运转为主。其中静态平安分析主要监视电网偶尔事故下母线电压越限或线路、元件过负荷等情况并给予处置指点。而更严重缺点下的稳定控制，那么普通需经过离线分析提供可供采取的措施，经过快速的继电维护和平安自动安装实时动作实现。前述GPS相量丈量系统提供了可实时跟踪功角变化轨迹的能够性，从而可经过预测不稳定景象的演化适时决议应采取的控制措施〔如解列、切机、快关等〕。可以预期GPS相量丈量安装与常规RTU相配合，使调度中心的EMS系统功能从稳态向动态转变，将使大电力系统的全局稳定和恢复控制成为能够。

近年来，在EMS系统中采用EEAC、PEBS等直接法在线分析监视系统暂态稳定已获得重要成果。将现有的离线分析程序加以改良，与直接法相结合，以顺应在线稳定分析要求从而得到更为充分的信息，也在国内外一些电网得到实践运用。进一步应开展事故后恢复战略的研讨。为处置事故过程中的大量警报信息，须采用人工智能等科学方法。〔四〕电力系统分析和仿真技术

电力系统分析和仿真技术为电力系统规划、设计、运转提供了工具和手段。而电力系统开展与配备、技术的提高又促进电力系统分析和仿真技术的开展。1、电力系统分析技术的开展趋势

电力电子技术在电力系统中的运用，如FACTS安装的投入，促使电力系统机电暂态分析与电磁暂态分析相结合。

对大电网连锁反响事故的分析，要求进展长期动态分析、电压稳定性分析，并与暂态稳定分析相结合。

电力市场化的开展趋势，要求电力系统技术分析与经济分析相结合。

电力一、二次控制设备和系统的多样化，要求提供更准确的数学模型和用自定义的建模方法。

为实现大电网在线分析，应研讨更为快速的分析方法