电网大规模可中断负荷友好互动系统创新与工程实践

李海峰 罗建裕 陈振宇 江叶峰 罗凯明

摘要：为提升电网对特高压直流的承接能力，将电网调度由传统的“电源调度”向“负荷调度”延伸，江苏电网开展了大规模可中断负荷供需友好互动系统建设工作。本文从可中断负荷概念、大规模负荷的暂态、稳态精准控制技术等方面阐述了该系统的理论基础，并提出了系统的总体架构、传输通道以及控制策略。然后，基于该系统一期工程建设情况，分析了系统快速、精准切除可中断负荷实切演练的效果。实切演练表明，该系统毫秒级动作响应时间满足频率变化的动态特性要求，在故障情况下，对电网有较强的频率支撑作用。最后，本文对系统扩建进行了展望，并介绍了系统未来发展和应用方向。

关键词：可中断负荷；供需友好互动系统；特高压直流；新能源；精准切负荷；实切演练

中图法分类号：TM72 文献标志码：A DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2018.0310

我国是世界能源消费第一大国，发展清洁能源将转变长期以化石能源为主的能源消费方式，解决环境污染、资源紧张、气候变化等突出问题[1]。目前我国清洁能源开发总量已达世界第一，并仍在不断增长。

根据中国电力企业联合会电力发展分析数据，2016年全国弃水电量达到635亿kW·h，弃风电量396亿kW·h，弃光电量69亿kW·h，总电量达到1100亿kW·h，超过当年三峡电站发电量约170亿kW·h。弃水、弃风和弃光的根本原因是清洁能源资源富余区本地消纳能力弱，外送通道不足，跨区送电困难。

我国已利用特高压电网将西部、北部清洁能源输送至东部经济发达地区，为解决“三弃”问题提供治本之策[2]。但是，随着东部受端电网接受区外来电比例增大，当发生区外来电大幅波动时，受端电网将出现瞬时电力平衡困难，严重时会导致大面积停电，而传统的拉闸限电对社会影响较大。为应对能源大范围优化配置给受端电网带来的新问题，需要在技术上进行创新突破，提升电网瞬时电力平衡能力。为此，江苏省电力公司研发并建成投运了大规模可中断负荷供需友好互动系统（也称江苏大规模源网荷友好互动系统，下文简称江苏源网荷系统）。在特高压直流故障时，通过毫秒级控制手段，精准切除可中断负荷，有效抑制频率下降，显著降低大电网扰动对社会产生的影响，有力保障特高压直流受端电网的安全稳定运行，具有显著的社会与经济效益。

1 江苏源网荷系统建设背景

1.1 大规模直流受电背景下电网安全稳定问题

近十年来，我国特高压交直流输电技术快速发展，截至2016年底，我國已建成“六交五直”特高压工程，按照规划还将兴建多回特高压交直流工程，特高压交直流规划网架如图1所示，特高压交直流输电功率不断提高，在增强了我国大范围资源优化配置能力的同时，也给电网的安全稳定运行带来了诸多挑战，特别是特高压直流故障后对电网的大容量不平衡功率冲击[3]，可能引发严重的安全稳定问题。

2015年9月19日21时57分，锦苏特高压直流因送端遭雷击导致双极闭锁，华东电网损失功率490万kW，频率短时间内下降到49.563HZ，近十年来首次跌破49.8HZ，直流受端电网在大容量功率缺额下的频率特性及调节能力引起了广泛关注[4]，“9·19”锦苏直流闭锁故障后，系统频率实测曲线如图2所示。随着馈入华东电网的直流输电容量越来越大，电网面临大容量功率缺失的风险不断增加，系统频率安全稳定形势将更加严峻，亟待加强电网三道防线建设，充分发挥电网各种可控资源，在保障电网安全稳定的前提下减小负荷损失风险。

1.2 新能源接入带来的电网平衡问题

风电、光伏等受天气影响，具有较强的随机性和间歇性，清洁能源大规模接入给电网供需平衡带来较大难度[5-7]。以江苏电网为例，2016年风电、光伏发电出力最高时为605万kW，最低时发电出力接近零；从全国来看，风电、光伏发电波动更大，达到数千万kW。为了平抑新能源发电波动对电网电力供需平衡的影响，电源侧主要考虑增强常规发电机组的调节能力，需要新建常规电厂或挖掘常规机组的深度调节能力，往往不利于常规电厂的经济运行，同时还无法解决清洁能源发电出力较高时的消纳问题。负荷侧主要考虑配置储能，目前大容量储能技术主要依靠抽水蓄能，而抽水蓄能项目受环境条件制约，也难以适应我国新能源发展的形势。因此，需要研究新的控制手段解决清洁能源发展带来的供需短时平衡和时段平衡问题。

2 源网荷友好互动技术

2.1 可中断负荷概念

可中断负荷资源是指在一定补偿机制下、签订经济合同（协议）、客户自愿中断用电的负荷[8-9]，主要包括电热水器、空调以及工厂非连续性生产负荷等。由于该类负荷中断不会对用户生产生活造成实质影响，且可根据电源变化实时启停，因此该类负荷既具有负荷特性，又具有电源特性，对其进行实时调控，可以有效增强电网弹性互动能力。目前，国内关于可中断负荷的研究主要集中在理论研究层面，缺乏实际电网的工程实践，建设江苏源网荷系统，将可中断负荷纳入其中，为电网应对大容量功率缺额风险和提升清洁能源消纳能力提供了新的控制手段。

当电网事故需要控制可中断负荷时，向用户负控终端发出控制指令，自动切除预先设定的10KV或400V非连续生产负荷分路开关。可中断负荷控制方式示意图如图3所示，通过这种控制方式，可有效控制故障损失，降低社会影响。

2.2 大规模负荷的暂态精准控制技术

紧急切负荷是我国电网二、三道防线的重要组成部分，现有稳控系统的紧急切负荷[10，11]，主要采用分层分区集中控制的方法，系统通常由控制主站、子站和执行站组成。控制主站负责系统整体策略的判断和指令下发；控制子站负责本区域的负荷信息汇集与上传，并接收主站命令分配下发至下属执行站；控制执行站负责负荷信息的采集与上送，接收子站命令并执行切负荷控制。切负荷装置布置在110KV变电站，集中切除10KV或35KV线路或主变，难以区分负荷的性质，对于用户的影响较大。大规模负荷暂态精准控制是综合利用电网的故障信息、运行方式和关键断面潮流等信息，结合故障时负荷的实时状态，按一定的控制原则和策略快速采取切负荷措施，其动作对象为负荷开关，即相比传统紧急切负荷可以深入到负荷用户侧，区分负荷的不同类型，实现对用户负荷的选择性控制，但由于控制的精细化导致每一个控制对象的实际控制负荷量大幅减小，为了保证同样的负荷控制总量需要大幅增加控制终端个数。且为了应对电网的功角稳定、频率稳定等问题，大规模负荷的暂态精准控制在控制时间上要求与现有的集中负荷暂态控制相同，均需在毫秒级的时间内完成对负荷的控制。因此，大规模负荷暂态精准控制的关键是正常运行时大规模负荷的实时监视与分类排序，以及故障情况下的毫秒级准确决策与海量负荷的可靠切除。

2.3 大规模负荷的稳态精准控制技术

大规模负荷稳态精准控制是从特高压电网故障感知、电网运行调整优化策略在线生成以及省调、地调和营销的自动协调控制三个方面。其中特高压故障感知通过网省协调以及主子站协同两种不同模式的特高压直流故障在线诊断技术，实现直流故障模式的在线识别、运行信息综合集成展示以及省地间联合控制的实时交互，解决目前特高压故障人工分析判断、告警信息繁杂以及省地间信息交互能力薄弱的问题，提升应对特高压电网的故障感知能力；优化决策是针对特高压直流闭锁情况下控制手段精细化不足的问题，从直流闭锁预决策和实际闭锁后的校正控制两个方面开展研究[12]，综合考虑机组、负荷等资源的调节能力。

3 江苏源网荷系统建设

3.1 系统建设原则

遵循电力系统实时平衡规律，从电网事故应急处置、需求侧管理、新能源消纳等控制要求出发，应用计算机、光纤、4G无线专网，提升发电响应效率，细化可中断负荷控制单元，实现电源、电网、负荷三者之间的友好互动和快速协调，提升电网运行的弹性，保障电网安全、可靠、高效运行。

3.2 系统构架

为防范特高压直流故障初期频率快速跌落，同时解决主干通道潮流越限、省际联络线功率超用和电网旋转备用不足等问题，全面提高调度决策水平和负荷精准控制效率，实现多类用户资源高度聚合，保证指令安全、快速传递，实现用户侧负荷快速响应和可中断负荷毫秒级控制，建成了先进的智能控制系统——江苏源网荷系统。新型智能控制系统采取两种不同时限的负荷控制措施，实现两大主要功能。一是大规模负荷的暂态精准控制功能，实施第一时限控制。针对频率紧急控制要求，设置苏南、苏北切负荷控制中心站，与华东电网频率紧急协调控制系统互联互通，快速切除部分可中断负荷。二是友好互动精准负荷控制功能，即大规模负荷的稳态精准控制功能，实施第二时限控制。针对电网稳态问题，实施可中断负荷精准实时控制。系统架构如图4所示。

3.3 系统传输通道

江苏源网荷系统传输通道构架横向实施调度、营销主站系统一体化建设。控制大区互相协调，实现模型共建、信息互通、策略协同。纵向实施承载系统保护毫秒级切负荷、秒级切负荷、营销用采等业务网络独立组网。

3.4 系统控制策略

系统综合利用从国调实时订阅特高压直流故障推送告警和从换流站故障检测装置直接采集直流故障信息和功率缺额等关键信息，实现特高压直流故障信息判断。大规模负荷的暂态精准控制功能依次通过故障检测、策略搜索、负荷分配、负荷控制，实现毫秒级负荷控制，解决特高压直流严重故障时系统频率严重跌落问题，属于紧急控制模式。友好互动精准负荷控制功能依次通过故障感知、辅助决策、协调控制，实现秒级/分钟级负荷控制，解决输电断面超稳定限额、联络线功率超用、旋转备用不足等问题。当电网中发生特高压直流闭锁故障后，按照事故处置时序分为四个步骤，实施对电网频率、断面限额、联络线潮流、旋转备用的快速协调控制。第一步，大规模负荷的暂态精准控制，精准切除对用户影响较小的可中断负荷，实现毫秒级负荷控制，通过降低负荷需求减小故障后系统不平衡功率，快速抑制频率下跌；第二步，一次调频/AGC自动加出力，实现秒级/分钟级控制，通过增加电力供给减小系统不平衡功率，使系统暂态最低频率与稳态恢复频率满足系统控制要求；第三步，友好互动精准切负荷控制，实现负荷精准秒级/分钟级控制，解决输电断面超稳定限额、联络线功率超用、旋转备用不足；第四步，调度负荷群控作为故障处置备用控制手段，实现分钟级控制。

4 江苏源网荷系统工程实践

4.1 江苏源网荷系统一期建设

2016年国网江苏省电力公司已建成源网荷系统一期工程，江苏全省具备350万kW可中断负荷秒级控制能力，苏州地区具备100万kW可中断负荷毫秒级控制能力。

毫秒级精准切负荷功能通过变电站侧3层架构配置的控制装置实现。三层架构分别为切负荷控制中心站、切负荷控制子站以及负控终端。控制中心站安装在500KV木渎变；4个控制子站分别安装在500KV木渎、太仓、吴江和玉山，目前共接入725户，各控制子站接入用户数分别为：206户、213户、109户和197户。

4.2 江苏精准切负荷系统实切演练

2017年5月24日，國网江苏省电力公司成功组织开展了国内首套源网荷系统精准切负荷实切演练。本次演练与华东电网频率紧急协调控制系统功能性演练协同开展[13]，除东北分部外，国网公司系统其余分部均参与演练。当日14时05分，锦苏特高压直流被人工闭锁303万kW功率，华东频率协调控制系统提升了华东区域内复奉、宜华等7条直流功率，共计67.7万kW；切除半岭、仙居等7座抽蓄电站电厂各1台抽水机组，共计202万kW；江苏源网荷系统在245MS内切除江苏233户签约电力用户，共计25.5万kW，迅速填补了锦苏特高压直流闭锁造成的有功功率缺失，有力验证了江苏源网荷系统保障大电网安全的有效性。

江苏源网荷系统实切负荷无线4G整组动作响应时间245 MS，2M光纤专线整组动作响应时间最快196MS，平均响应时间210.5 MS ，满足快速切负荷系统建设总体方案整组动作时间小于650 MS的技术要求。

试验过程中，直流闭锁前50.03HZ，闭锁后200MS跌落到49.97HZ，整个过程从频率跌落到恢复共计20S。试验结果表明：

（1）江苏精准切负荷系统（木渎中心站、子站及网荷互动终端）接收华东频率紧急协调控制系统指令后负荷切除与恢复控制策略执行正确；

（2）江苏精准切负荷系统通过光纤2M专线实切负荷的整组动作平均响应时间210.5 MS，满足协控系统动作要求；

（3）江苏精准切负荷系统接入的无线4G专网用户终端动作时间245MS，满足协控系统动作要求；

（4）控制系統动作后，全网频率最低跌至49.97HZ，频率波动在预期范围内，江苏源网荷系统对稳定电网频率作用效果显著。

5 结论与展望

源网荷供需友好互动技术，实现了“电源调度”和“负荷调度”的协同，通过对负荷的精准控制实现系统的实时平衡，大幅增强电力系统抗大扰动能力，为大电网安全运行提供有力支撑。同时，源网荷供需友好互动技术深化应用，将为可中断用户参与调频、调峰等辅助服务，提供重要的技术保障，并以经济手段引导电网“正常”与“事故”情况下用户需求侧响应的发展，提升电网运行的经济性与安全性。江苏源网荷系统的创新性主要体现在以下几点：

（1）虚拟电厂创新实践：江苏源网荷系统通过建立一系列创新的运行管理机制，等同于在电网部署了众多随时、随地、随需投运的发电厂（虚拟电厂），增加了电网事故备用，能有效应对电网运行风险。系统建立的虚拟电厂规模大，集中控制能力强，能够支持全省乃至跨区的集中控制，而且具备毫秒级的快速响应能力。

（2）经济激励创新实践：江苏电力借鉴国内外相关经验，会同省经信委与重要用户积极协商，已经初步制定了精准负荷控制经济激励方案。经济激励既体现了对用户社会安全用电责任担当的回报，又体现了“投入有限、效益可观”的原则，用有限的激励投入，可以避免大面积停电事件造成的巨大损失。

（3）用户协商创新实践：建立精准控制负荷的规划部署、注册登记、征用计划、征用实施及恢复送电保障等详尽流程，并通过培训、演练强化用户能力，在打消用户次衍生损失顾虑的前提下，与用户建立平等、公正的合约保障体系。

（4）市场化交易创新实践：还原电能的商品本质将催生“用电权交易”业务形态；业务主体多元化、市场分工细化呼唤多样化的辅助服务产品。江苏源网荷系统是一个开放、公平的业务互动平台，对电力市场的开放交易、公平交易和繁荣交易起到了关键性支持作用。

随着雁淮、锡泰特高压直流于2017年相继投运，江苏单回特高压直流输送容量大幅提升到1 000万kW，特高压直流双极闭锁停运对受端电网频率、电压的影响进一步加大，需要进一步增加快速切负荷容量。2017年进行二期扩建，新增100万kW毫秒级可中断负荷控制容量，在2017年年底前实现“两个一百万”的毫秒级可中断负荷控制目标。同时丰富系统可中断负荷控制类型，增加可控容量，将燃煤电厂可中断辅机、南水北调翻水站水泵和储能电站接入系统。2018年进行三期扩建，新增60万kW毫秒级可中断负荷控制容量，在2018年年中累计实现260万kW的毫秒级可中断负荷控制目标。同时，应用无线4G技术，将150户用户非工空调负荷接入系统实施毫秒级控制。

江苏源网荷系统的建设，具有显著的经济和社会效益，将成为大电网安全运行的重要保障，为清洁能源的大规模开发利用提供重要技术手段。

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Abstract： In order to enhance the access capability of UHVDC， Jiangsu Electric Power Company has developed a User-Interactive System with large-scale interruptible load. With this system， the grid dispatching could be extended from the traditional method of "power dispatching" to "load scheduling". In this paper， the theoretical basis of the User-Interactive System is introduced from the aspects of the interruptible load， and transient and steady control technology of the large-scale load. Then the paper proposes the overall structure， transmission channel structure and control strategy of the User-Interactive System. Based on the implementation of Phase I of the system， the results of the real action of the system are presented， showing that the response time of the system could meet the requirements of frequency recovery. In the case of failure of UHVDC， the system could provide strong support to the power system frequency. Finally， the extension projects and future development outlook of the system are discussed in this paper.

Key words： Interruptible load； User-Interactive System； Ultra-high Voltage DC； new energy； accurate load-cutting； real load-cutting drill