“强馈入弱开机”下上海电网安全运行关键技术研究

崔 勇 冯煜尧 杨增辉 华东电力试验研究院有限公司

王 伟 国网上海市电力公司

为积极消纳西南水电的大规模清洁能源，近年来上海电网受电比例大幅攀升、内部机组开机持续减小，电网步入“强馈入弱开机”的新常态，发展与运行模式发生深刻转变。上海电网“十二五”发展规划中曾指出，随着上海境内特高压交直流的陆续投产，外来电力尤其是清洁电力的不断增多，“十二五”末期，上海电网将面临区外来电大量馈入，而本地机组发电量不断减少的局面。以2014年为例，上海电网从5月～11月均处于“强馈入弱开机”阶段，其中9月份西南水电汛期阶段上海电网总负荷1 800万kW，外来电1 200万kW，外来电占总负荷的比例达到了2/3，与此同时大量火电机组长期关停，相当一部分火电厂全厂仅单台机组运行，“强馈入弱开机”特征及其显著。

由于上海电网的安全稳定运行至关重要，在大量受入外来电力的前提下，上海内部机组出力需求减小，同时叠加调峰因素，本地火电机组必须大量减出力运行，极端情况下甚至需要关停，而机组长期的低负荷运行甚至关停必将对都市电网的安全稳定运行带来较大风险。为此，上海电网未雨绸缪，提前开展“强馈入弱开机”背景下的电网最小开机方式安排技术研究，旨在确定在不影响电网安全稳定的条件下电网的最小开机规模，项目的研究成果也已成功应用于上海电网调度运行部门安排年度方式的工作中。本文从“强馈入弱开机”背景下机组开机方式安排方法研究、机组开机方式安排技术的应用，包括2013年安排2014年度的电网运行方式，2014年安排2015年度的电网运行方式以及“十三五”期间上海电网开机方式安排展望三方面进行研究，通过合理安排“强馈入弱开机”背景下本地机组的运行方式，充分消纳西南水电清洁能源，减少电厂机组开机时间，为上海节能减排做出积极贡献。

1 考虑多安全稳定因素的都市电网“强馈入弱开机”背景下最小开机方式安排方法

“强馈入弱开机”状态下，需解决如何安排最小开机方式，最大程度上消纳西南清洁水电的问题。常规的发电计划主要从电力平衡考虑，而“强馈入弱开机”状态下，电网的安全稳定裕度大幅减小，评估和优化系统开机方式，不仅要考虑全网高峰平衡、低谷平衡的问题，还需综合考虑输电限额、降压容量、电压稳定等安全稳定因素，多种安全稳定因素交互影响，使得电网运行方式安排和电网规划变的异常复杂。

目前，国内电网运行方式部门在安排机组开机方式时，一般考虑的因素较少，仅考虑电力平衡需求或潮流控制因素，未兼顾电压稳定需求、调峰需求等因素，因此内部机组开机方式不尽合理，电网运行安全存在一定风险。在本技术中，提出了“强馈入弱开机”方式下电压稳定计算方法和流程，统筹考虑电力平衡需求、潮流控制需求、电压稳定需求等多个因素，合理安排上海电网内部机组开机方式，确保城市电网安全稳定运行。

电压稳定性分析方法可以分为两大类：基于潮流方程的静态分析方法和基于微分-代数方程的动态分析方法。采用基于PV曲线的有功负荷裕度判别法。对于大型电力系统，PV曲线可通过一系列潮流计算求得。PV曲线计算可以从电力系统的基本运行方式开始，通过不断增加负荷功率和适当的发电机功率分配，进行潮流计算，直到曲线的临界点，如图1所示。用系统当前运行点到临界点之间的有功功率距离来衡量系统的稳定性。

图1 PV曲线

区域功率裕度的定义为：

式中，P、Pmax分别为所研究区域在当前状态和临界状态下的有功负荷。某区域的Kp越小，说明该区域当前的工作点距离稳定极限点越近，承受负荷功率变化的能力越差。

在计算N-1（或N-2）事故下的负荷裕度时，当直流停运或大容量发电机组停运，将引起整个电网的功率不平衡，在计算中，采用“调速器”潮流方法进行仿真分析，直流和机组停运引起的发电机－负荷间的偏差量在具有可动作调速器的发电机组之间进行分配，更符合实际运行情况。

电压稳定评估标准按照《国家电网安全稳定计算技术规范》，即正常运行方式和正常检修方式下电压稳定负荷增长裕度系数不小于8%，N-1故障后方式电压稳定负荷增长裕度系数不小于5%。同时，考虑国调及华东网调关于运行方式安排的相关要求，同杆并架N-2故障、直流双极闭锁故障参照N-1标准进行评估，即该类故障下电压稳定负荷增长裕度系数不小于5%。

根据电网总体用电负荷预测结果，在充分消纳西南水电清洁能源的前提下，通过电力平衡分析，初步确定上海电网本地机组开机规模以及发电计划，然后通过潮流分析，评估在该开机方式下电网中是否存在潮流重载问题，再通过电压稳定分析，校核电网电压稳定水平，评估该开机方式下的电压稳定裕度是否满足标准要求，最后通过调峰平衡分析，评估该开机方式在低谷时段的调峰平衡是否存在缺口，必要时在低谷时段通过电量置换和机组调停来解决，最终确定“强馈入弱开机”背景下电网最小开机方式。

制订了“强馈入弱开机”背景下电网最小开机方式分析流程，该技术已经应用于上海市电力公司调度控制中心以及发展策划部，为上海电网运行方式部门定量评估电网电压稳定水平，合理安排上海电网内部机组开机方式提供技术指导。也已经应用于电网规划部门开展上海电网“十三五”规划中深度调峰下的电压稳定校核工作，确保“十三五”期间上海电网电压稳定裕度以及开机方式的合理性。

2 2015年上海电网最小开机方式安排

以上海电网2015年夏季高峰和秋季高峰方式为例，计算了不同开机规模下，正常方式、N-1、N-2和直流闭锁等故障后的电压稳定裕度，评估了“强馈入弱开机”方式下上海电网电压稳定情况，分析了保持上海电压稳定水平的最小开机规模。

2015年夏季高峰方式负荷水平考虑3 000万kW，平均高峰负荷取2 700万kW，6、9月汛期平均高峰负荷考虑1 900万kW。

2.1 3 000万kW最大高峰负荷水平

针对计算要求，在满足上海电网500 kV主变潮流不越限的情况下，2015年夏季高峰分别考虑了小开机运行方式（表1）。

表1 夏季高峰方式下上海主力煤机开机方式

各种小开机方式下的电压稳定分析结果如见表2。

表2中可以看出有几点特征。

（1）在开机方式一中，满足上海电网500 kV主变即220 kV分区的降压容量及备用要求。上海电网在正常方式下的电压稳定负荷增长裕度系数为13.7%，满足标准要求；但N-1后的电压稳定负荷增长裕度系数为3.0%，不能满足标准要求；且复奉和宜华相继闭锁后的电压稳定负荷增长裕度系数仅为3.0%，裕度系数较低。

表2 不同开机方式下电压稳定负荷增长裕度系数 MW

（2）在开机方式二中，通过增加杨行分区石洞口电厂开机，上海电网在正常方式下的电压稳定负荷增长裕度系数为20.0%，裕度系数较大；N-1后的电压稳定负荷增长裕度系数为7.7%，满足标准要求；但复奉和宜华相继闭锁后的电压稳定负荷增长裕度系数仍较低，为3.3%。

（3）从潮流分布角度来看，浙福特高压交流工程投产后，浙江电网大量潮流通过上海电网转送江苏电网，穿越潮流问题更加突出，导致安吉-练塘、泗泾-练塘双线潮流重载。在开机方式一和开机方式二中，安吉-练塘双线和泗泾-练塘潮流均过载，需要增加上海电网本地机组出力。当上海电网增加两台500 kV机组开机后（开机方式三），该通道潮流可以控制在限额之内。三种开机方式下的潮流图如附图所示。

（4）3000万kW负荷水平下，为满足500 kV主变降压容量需求，上海电网需要开500 kV机组4台，220 kV机组10台；为满足电压稳定裕度要求，上海电网需要开500 kV机组4台，220 kV机组11台；而为满足通道潮流不越限要求，上海电网需要开500 kV机组6台，220 kV机组11台。因此2015年夏季按3000万kW高峰负荷负荷水平考虑，上海电网最小开机规模为：500 kV机组开6台，220 kV机组开11台,且石洞口电厂需要开3台机。

2.2 2 700万kW平均高峰负荷水平

针对计算要求，在满足上海电网500 kV主变潮流不越限的情况下，2015年夏季高峰分别考虑了如下小开机运行方式见表3。

表3 夏季高峰方式下上海主力煤机开机方式

各种小开机方式下的电压稳定分析结果如表4所示。

由表4中可以看如下出有几点特征。

（1）在开机方式一中，满足上海电网500 kV主变即220 kV分区的降压容量及备用要求。上海电网在正常方式下的电压稳定负荷增长裕度系数为15.2%，满足标准要求；但N-1后的电压稳定负荷增长裕度系数为3.3%，不能满足标准要求。

表4 不同开机方式下电压稳定负荷增长裕度系数 MW

（2）在开机方式二中，通过增加杨行分区石洞口电厂开机，上海电网在正常方式下的电压稳定负荷增长裕度系数为22.2%，裕度系数较大；N-1后的电压稳定负荷增长裕度系数为11.7%，满足标准要求。

（3）从潮流分布角度来看，上述开机方式下，上海各交流受电通道和内部500 kV通道潮流均在限额之内。

（4）2 700万kW负荷水平下，为满足500 kV主变降压容量需求，上海电网需要开500 kV机组4台，220 kV机组8台；为满足电压稳定裕度要求，上海电网需要开500 kV机组4台，220 kV机组9台。因此2015年夏季按2 700万kW平均高峰负荷水平考虑，上海电网最小开机规模为500 kV机组开4台，220 kV机组开9台,且石洞口电厂需要开2台机。

2.3 汛期平均高峰方式开机方式分析

根据计算要求， 2015年6、9月汛期平均高峰分别考虑了表5的小开机运行方式。

各种小开机方式下的电压稳定分析结果见表6。表5.表6数据有以下几个特点。

（1）6、9月汛期平均高峰1900万千瓦负荷水平下，为满足电压稳定裕度要求，上海电网需要开500 kV机组4台，220 kV机组6台,且石洞口电厂需要开1台机。

（2）该开机方式在低谷时段的最小技术出力为522万kW，考虑到低谷负荷为1 220万kW，低谷受电为920万千瓦，此时调峰缺口为222万kW。

表5 汛期平均高峰方式下上海主力煤机开机方式

3 结语

“强馈入弱开机”背景下考虑多安全稳定约束的电网最小开机方式安排技术，兼顾考虑电力平衡需求、潮流控制需求、调峰平衡需求以及电压稳定需求等因素，合理安排“强馈入弱开机”条件下的本地发电机组运行方式，在确保上海都市电网安全稳定优质运行的前提下，通过四回直流从区外受入大量电力，充分消纳西南水电清洁能源，从而降低本地火电机组开机规模，大幅减少本地火电机组能源消耗量以及污染排放量，为推动我国能源生产和消费革命，促进清洁发展、可持续发展做出积极贡献。该技术适用于从区外受入大量水电、风电、太阳能发电等清洁能源的都市电网，推广应用前景广阔。

表6 不同开机方式下电压稳定负荷增长裕度系数 MW