龔賢夫，樊揚，程鑫，覃蕓，余浩，劉新苗

(1.廣東電網(wǎng)有限責任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣東 廣州510080；2.中國南方電網(wǎng)有限責任公司，廣東 廣州 510623；3.廣東電網(wǎng)有限責任公司，廣東 廣州510620)

廣東沿海地區(qū)電網(wǎng)易受臺風侵襲，其中共有7個地市行政中心區(qū)位于沿海I類強風區(qū)(離地10 m高，50年一遇，風速不小于37 m/s，距離海岸線約10 km范圍內(nèi))，電網(wǎng)運行面臨較大的風災威脅，易發(fā)生嚴重的電網(wǎng)風災事故[1]，如2013年超級臺風“天兔”造成汕尾中心城區(qū)電網(wǎng)全停，2015年超強臺風“彩虹”使得湛江電網(wǎng)幾乎全停，以及2017年強臺風“天鴿”造成珠海電網(wǎng)對澳供電停電51 min。電網(wǎng)受損嚴重、停電對社會政治經(jīng)濟的影響巨大，有必要強化安全底線思維，創(chuàng)新電網(wǎng)發(fā)展理念，提升電網(wǎng)防災抗災規(guī)劃建設(shè)水平。

廣東電網(wǎng)有限責任公司以“災前防、災中守、災后搶”為指導思想，針對沿海地市電網(wǎng)，先后開展了大量電網(wǎng)防風加固工作，持續(xù)提升電網(wǎng)本體的抗風能力[2-3]。隨著差異化電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)，廣東沿海地市電網(wǎng)總結(jié)2014年“天兔”臺風電網(wǎng)防災抗災的經(jīng)驗教訓，大力開展城市抗災保底電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)。保底電網(wǎng)是針對臺風、低溫雨雪凝凍、洪澇內(nèi)澇等嚴重自然災害和外力破壞等極端情況，以保障城市基本運轉(zhuǎn)、盡量降低社會影響為出發(fā)點，以城市指揮(應急)機構(gòu)、核心基礎(chǔ)設(shè)施用戶為保障對象，選取城市重要變電站、重要線路和抗災保障電源進行差異化建設(shè)維護，保障城市指揮(應急)機構(gòu)不停電、核心基礎(chǔ)設(shè)施可快速復電的最小規(guī)模網(wǎng)架。保底電網(wǎng)是指導廣東電網(wǎng)差異化規(guī)劃建設(shè)運維、保障中心城區(qū)和重要用戶可靠供電、提升電網(wǎng)應急抗災保障能力的重要技術(shù)支撐，嚴重的自然災害情況下，保底電網(wǎng)可分為多個局部電網(wǎng)獨立運行。此外，南方電網(wǎng)有限責任公司先后頒布了《南方電網(wǎng)公司輸電線路防風設(shè)計技術(shù)規(guī)范》(Q/CSG 1201011—2016)、《南方電網(wǎng)公司配電線路防風設(shè)計技術(shù)規(guī)范》(Q/CSG 1201012—2016)和《南方電網(wǎng)提高綜合防災保障能力規(guī)劃設(shè)計原則》(Q/CSG 1201018—2017)，用于指導沿海強風區(qū)的線路建設(shè)[4-5]，全面提升線路防風設(shè)計標準，并將強風區(qū)內(nèi)110 kV及以上電壓等級的輸電線路的設(shè)計風速氣象重現(xiàn)期統(tǒng)一為50年一遇風區(qū)風速，涉及保底電網(wǎng)的重要線路采用50年/百年一遇風區(qū)風速作為設(shè)計風速。同時，對保底電網(wǎng)中的重要站點進行全戶內(nèi)設(shè)計/改造，重要線路進行電纜化建設(shè)/改造。通過保底電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)，遠近結(jié)合，持續(xù)提升電網(wǎng)本體的安全水平和抗災能力[6]。

本文在保底電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)的基礎(chǔ)上，立足沿海城市電網(wǎng)對嚴重自然災害的抗災保障需求，綜合考慮電網(wǎng)、電源、負荷、儲能在嚴重災害期間的協(xié)調(diào)抗災能力，進一步規(guī)劃設(shè)計可局部自平衡運行的城市保底電網(wǎng)。正常情況下，保底電網(wǎng)是大電網(wǎng)的一部分，按照常規(guī)調(diào)度安排運行方式；嚴重自然災害時，一旦發(fā)生電網(wǎng)大面積停電故障，保底電網(wǎng)可利用抗災保障電源、儲能電站等進行局部自平衡運行，持續(xù)對城市核心區(qū)重要負荷保障供電，且保底電網(wǎng)具備黑啟動或孤網(wǎng)運行能力，電網(wǎng)“主動防御”能力較強[7]。

1 電網(wǎng)風災受損分析

1.1 電網(wǎng)受損統(tǒng)計分析

統(tǒng)計廣東電網(wǎng)歷次臺風災害桿塔的受損情況，從桿塔所處的地理位置來看，受損的110 kV及以上電壓等級線路桿塔主要集中在距海岸線25 km以內(nèi)的沿海強風區(qū)內(nèi)；從線路桿塔建設(shè)標準來看，在運的110 kV及以上電壓等級輸電線路中，約72%的線路采用2010版之前(包括1979年、1990年和1999年版)的國家標準(以下簡稱“國標”)完成建設(shè)，約28%的線路采用2010年版國標或南方電網(wǎng)企業(yè)標準實施建設(shè)[8]。

2010年版國標中，線路設(shè)計技術(shù)規(guī)范將500 kV線路的氣象重現(xiàn)期由30年提高到50年，110～330 kV線路氣象重現(xiàn)期由15年提高到30年，基準設(shè)計風速較原有標準提高約2 m/s，導致沿海地區(qū)輸電線路的整體設(shè)計標準較現(xiàn)有風區(qū)的風速偏低。同時，將1979年、1990年和1999年版國標按照30年一遇氣象重現(xiàn)期，統(tǒng)一折算至離地10 m高處10 min時距、平均的年最大風速，110 kV和220 kV線路當初的設(shè)計風速，均無法滿足南方電網(wǎng)現(xiàn)行的風區(qū)風速圖所對應的設(shè)計風速，1979年規(guī)程低于現(xiàn)行規(guī)程中的4 m/s，1990年和1999年規(guī)程低于現(xiàn)行規(guī)程中的2～3 m/s。

沿海老舊線路的設(shè)計風速不滿足風區(qū)風速的要求，是導致線路在臺風災害期間發(fā)生斷線、倒塔等嚴重故障的首要原因。近10年來，廣東沿海地區(qū)110～500 kV線路桿塔發(fā)生大風受損共計171基，受損桿塔均位于沿海強風區(qū)內(nèi)，其中，超過90%為2010年版國標實施前建設(shè)的110～220 kV線路，500 kV線路未發(fā)生過倒塔，僅出現(xiàn)2基桿塔的局部受損[9-10]。

1.2 臺風災害與電網(wǎng)受損過程分析

以2017年“天鴿”臺風(登陸時中心最大風力14級，風速為45 m/s)侵襲珠海電網(wǎng)為例，對臺風登陸前電網(wǎng)正常運行、臺風侵襲電網(wǎng)導致電網(wǎng)結(jié)構(gòu)受損、以及臺風過后電網(wǎng)的搶險救災和最終電網(wǎng)恢復到正常運行進行分析，臺風侵襲全過程如圖1所示，臺風侵襲電網(wǎng)不同時間段電網(wǎng)結(jié)構(gòu)拓撲情況見表1。

圖1 臺風侵襲電網(wǎng)全過程示意圖Fig.1 Overall process of typhoon damaging grid

表1 臺風侵襲電網(wǎng)不同時間段電網(wǎng)結(jié)構(gòu)拓撲情況Tab.1 Topology of power network structure in different time periods during typhoon

臺風期間，用電網(wǎng)結(jié)構(gòu)完整度δ表征220 kV及以上電壓等級電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)完整度，可體現(xiàn)電網(wǎng)在臺風期間維持正常運行的能力：如電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)完整度為1，表示電網(wǎng)結(jié)構(gòu)為臺風來臨前的正常運行；反之，如電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)完整度為0，則表示電網(wǎng)受臺風影響導致全停。計算公式為[11-13]

(1)

式中：δ包括500 kV線路和220 kV線路結(jié)構(gòu)完整度；m為電網(wǎng)在臺風期間受損停運的線路回數(shù)；M為輸電網(wǎng)線路總回數(shù)；kline為電網(wǎng)線路權(quán)重，取值為0.1～1；n為電網(wǎng)在臺風期間受損停運的站點數(shù)；N為500 kV站點和220 kV站點數(shù)量；ksta為電網(wǎng)站點權(quán)重，取值為0.1～1[14]。

結(jié)合“天鴿”臺風侵襲珠海電網(wǎng)導致對澳供電中斷，分析臺風侵襲電網(wǎng)不同時間段電網(wǎng)結(jié)構(gòu)拓撲改變情況，具體如下：

a)0—t1代表臺風來臨前的電網(wǎng)正常運行狀態(tài)，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)完整度為100%。

b)t1—t2代表臺風侵襲電網(wǎng)的過程，電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)受到嚴重破壞，主要表現(xiàn)為大范圍的線路跳閘、線路重合閘(不成功)、線路掉串/斷股/斷線、塔材變形、桿塔基礎(chǔ)受損、倒塔/桿、變電站主變跳閘、母線跳閘等，大面積停電發(fā)生在該時間段內(nèi)。如“天鴿”臺風期間，珠海電網(wǎng)對澳供電的3個通道中斷與臺風登陸幾乎同步發(fā)生，臺風侵襲珠海電網(wǎng)期間，220 kV桿塔倒塔10基，220 kV線路斷線1回；臺風侵襲時，對澳供電中斷，對澳供電的220 kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)完整度為0%。

c)t2—t3臺風期間風力逐步變小，該時段內(nèi)因線路發(fā)生倒塔/桿、變電站設(shè)備因故障無法投運等情況，導致線路重合閘不成，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)完整度從δ1進一步下降為δ2。“天鴿”臺風過后，珠海電網(wǎng)51 min內(nèi)通過重合閘操作恢復向中心城區(qū)供電及對澳供電，對澳供電的220 kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)完整度提升至100%；但電網(wǎng)存在10基220 kV桿塔倒塔，珠海電網(wǎng)無法恢復至原正常電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

d)t3—t4時段臺風過后通過強送、備自投恢復供電等，恢復部分線路的過程。由于線路發(fā)生倒塔/桿，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)無法完全恢復至臺風來臨前的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)完整度從δ2上升為δ3。

e)t4—t5時段為電網(wǎng)災后搶修的過程，維修受損的線路、設(shè)備，將電網(wǎng)結(jié)構(gòu)恢復至臺風來臨前的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)完整度從δ3逐步恢復至100%。歷經(jīng)約9 d左右，珠海才全面恢復電網(wǎng)線路。

1.3 典型災害分析

匯總臺風期間電網(wǎng)受損類型，由局部的單一故障匯總至電網(wǎng)結(jié)構(gòu)層面，梳理得到共3類電網(wǎng)典型災害類型，見表2。其中，地市網(wǎng)架層級中包括了較為嚴重的中心城區(qū)/縣區(qū)中心區(qū)停電，輸電網(wǎng)發(fā)生了較為嚴重結(jié)構(gòu)破壞故障，如500 kV站點全停，多回線路發(fā)生跳閘故障，影響范圍較廣。2015年的“彩虹”臺風期間，湛江電網(wǎng)500 kV港城站500 kV出線全跳，且湛江電網(wǎng)對外聯(lián)絡(luò)的4回220 kV線路全跳，導致湛江電網(wǎng)幾乎全停。

表2 電網(wǎng)典型災害Tab.2 Typical grid disasters

2 基于局部自平衡的保底電網(wǎng)規(guī)劃方法

2.1 規(guī)劃思想

保底電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)應避免大拆大建，需因地制宜開展電網(wǎng)差異化規(guī)劃建設(shè)。根據(jù)國內(nèi)外抗災型電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)研究成果，保底電網(wǎng)涉及的關(guān)鍵站點和關(guān)鍵線路控制在電網(wǎng)總體規(guī)模的20%～30%，可以取得較好的抗災效益[15-17]。

保底電網(wǎng)原則上只覆蓋地市中心城區(qū)，可適當兼顧處于強風區(qū)的縣區(qū)級行政區(qū)，并以此為基礎(chǔ)提升其余地區(qū)在災后的快速復電水平。

2.2 規(guī)劃目標

推動形成“大電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)支撐、抗災保障電源分層分區(qū)自平衡運行、用戶自備應急電源兜底、應急移動電源補充”的綜合防災保障體系。正常情況下，保底電網(wǎng)可與大電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)運行；嚴重自然災害導致電網(wǎng)大面積故障時，保底電網(wǎng)可利用抗災保障電源、儲能電站等自平衡運行，具備黑啟動或孤網(wǎng)運行能力，核心區(qū)電網(wǎng)應急抗災保障能力較強。

2.3 規(guī)劃方法

圖2所示為規(guī)劃流程，具體步驟為：首先明確保底電網(wǎng)的覆蓋范圍，獲取該覆蓋范圍內(nèi)的城市指揮(應急)機構(gòu)和核心基礎(chǔ)設(shè)施重要用戶清單；從10 kV至500 kV自下向上地梳理向重要用戶供電的多個最短供電路徑，通過疊加供電路徑，聚合得到電網(wǎng)網(wǎng)架拓撲中供電重要用戶較多的站點和線路，以此作為關(guān)鍵站點和線路，構(gòu)建輻射型供電網(wǎng)架；其次，在多個可行的供電路徑中，考慮電纜和戶內(nèi)站點在嚴重自然災害期間的可靠性，優(yōu)選電纜線路、戶內(nèi)變電站組成的供電路徑；然后，為保障構(gòu)建最小規(guī)模的輻射型供電網(wǎng)架，剔除冗余的站點和線路；最終，通過在關(guān)鍵站點配置儲能或具備黑啟動/孤網(wǎng)運行的燃氣機組，保底電網(wǎng)可利用抗災保障電源/儲能電站等自平衡運行，在嚴重自然災害期間，保底電網(wǎng)可持續(xù)為城市核心區(qū)供電或快速恢復供電。

圖2 規(guī)劃流程Fig.2 Schematic diagram of planning process

2.4 局部電網(wǎng)自平衡運行規(guī)劃設(shè)計策略

抗災保障電源主要指具備黑啟動或機組快速甩負荷(fast cut back，F(xiàn)CB)至帶廠用電運行(即孤島運行)功能以及具備孤網(wǎng)運行能力的機組，主要分為抽蓄機組(黑啟動)、水電機組(黑啟動)、燃氣機組(具備FCB功能，其中分布式的小型燃氣機組通過配置柴油發(fā)電機還可具備黑啟動能力)、儲能電站(黑啟動/孤網(wǎng)運行)，在保底電網(wǎng)關(guān)鍵站點和線路配置抗災保障電源，可構(gòu)建局部自平衡運行的保底電網(wǎng)。

局部自平衡判據(jù)流程如圖3所示，以保障局部電網(wǎng)可孤網(wǎng)運行為目標，結(jié)合電源規(guī)劃，選擇保底電網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)的抗災保障電源，評估電源的黑啟動能力、孤網(wǎng)運行時電壓和頻率綜合調(diào)節(jié)能力、應對負荷波動等性能，設(shè)計基礎(chǔ)網(wǎng)架可孤網(wǎng)運行的范圍、運行方式及運行能力。具體表示為：

圖3 局部電網(wǎng)自平衡規(guī)劃設(shè)計策略流程Fig.3 Flow chart of design strategy for self-balance planning of local power grid

(2)

式中：Si為局部電網(wǎng)中的某電廠第i臺柴油發(fā)電機額定容量，作為機組保安電源，同時可供黑啟動；Sload為發(fā)電廠機組黑啟動時的廠用電負荷；r為局部電網(wǎng)內(nèi)可黑啟動或孤網(wǎng)運行的抗災保障電源的機組數(shù)量；ΔPi、Δfi、ΔUi分別為第i臺機組指定出力情況下，機組所能承受的負荷階躍、頻率波動和電壓波動幅值；ΔPload、Δfload、ΔUload分別為負荷產(chǎn)生的負荷階躍、頻率波動和電壓波動的幅值[18-19]。

保底電網(wǎng)自平衡小系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖4所示，典型結(jié)構(gòu)具備以下基本條件：①保底電網(wǎng)具備“全電纜-戶內(nèi)站”通道的防風抗災“生命線”通道，這是自平衡小系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)；具備“500 kV站點→220 kV電纜線路→220 kV戶內(nèi)站→110 kV電纜線路→110 kV戶內(nèi)站→10 kV電纜線路”的電纜線路路徑，中心城區(qū)和重要用戶保供電能力較強。②供電中心城區(qū)的主力電源和氣電是滿足自平衡運行的核心設(shè)施。③集中式儲能是自平衡運行的重要支撐。④分布式風電和光伏是有益補充。⑤移動式應急發(fā)電車提升應急響應能力[20]。

圖4 保底電網(wǎng)自平衡小系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)Fig.4 Typical structure of small self-balance system of guaranteed power grid

3 算例驗證

3.1 規(guī)劃電網(wǎng)概況

沿海某地市2020年規(guī)劃電網(wǎng)包括3座500 kV變電站、20座220 kV變電站以及39座110 kV變電站，圖5所示為局部電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。該部分電網(wǎng)供電核心區(qū)為A區(qū)和B區(qū)，A區(qū)要求不間斷供電(具備2座燃氣電廠——氣電1為9E燃氣機組，具備黑啟動能力；氣電2為9F燃氣機組，具備孤網(wǎng)運行能力)。

圖5 某沿海地市2020年局部電網(wǎng)Fig.5 The local power grid in some coastal cities during 2020

3.2 保底電網(wǎng)規(guī)劃方案

采用上文所述方案，自下而上梳理重要用戶供電電源，構(gòu)建最小規(guī)模的保底網(wǎng)架，整合抗災保障電源，設(shè)計可自平衡運行的局部電網(wǎng)，合理配置儲能變電站，形成該地市的抗災保底電網(wǎng)方案。

a)保底網(wǎng)架方面：在該城市保底電網(wǎng)的供電核心區(qū)，電網(wǎng)供電通道具備1條由“全電纜-戶內(nèi)站”構(gòu)成的防災抗災的“生命線”，即：220 kV“50A1戶外站-C3戶內(nèi)站-C2戶內(nèi)站-C1戶內(nèi)站-A1戶內(nèi)站-A2戶內(nèi)站-B1戶內(nèi)站-B2戶內(nèi)站”的全電纜、戶內(nèi)站通道，其供電可靠性極高，是核心A區(qū)、該沿海地市城市中心城區(qū)電網(wǎng)防災抗災的骨干網(wǎng)架，作為核心A區(qū)與大電網(wǎng)進行聯(lián)絡(luò)的關(guān)鍵線路。其次，進一步覆蓋220 kV“B1戶內(nèi)站-B2戶內(nèi)站”“B2戶內(nèi)站-B4戶內(nèi)站”以及110 kV“B1戶內(nèi)站-b10站”“B1戶內(nèi)站-b12站”“B2戶內(nèi)站-b13站”“B3戶內(nèi)站-b8站”“B3戶內(nèi)站-b9站”“B4戶內(nèi)站-b4站”“B4戶內(nèi)站-b6站-b7站”等電纜線路通道，以及向重要用戶供電的10 kV電纜線路，組成“500 kV-220 kV-110 kV-10 kV”的全電壓等級的保底電網(wǎng)網(wǎng)架。

b)在黑啟動和孤網(wǎng)運行方面，該城市電網(wǎng)布局氣電較多，其中：氣電1配置了2 MW柴油機來滿足燃氣機組啟動廠用電負荷的需求，燃氣機組具備黑啟動能力；氣電2采用GE燃氣機組，2018年已完成了機組的FCB改造，燃氣機組具備孤島運行能力；將220 kV“氣電1-C4戶外站-50A1戶外站”雙回線路通道作為該網(wǎng)架黑啟動路徑；同時將220 kV“氣電2-C2戶內(nèi)站”雙回線路通道作為孤網(wǎng)運行的機組。在嚴重自然災害期間，如該電網(wǎng)500 kV的50A1戶外站、50A2戶外站、50B1戶外站均全停，該保底電網(wǎng)仍然可以通過氣電2維持核心A區(qū)供電，具備局部自平衡運行能力及黑啟動能力。

c)儲能電站配置方面：既可配置在電源側(cè)，用于機組的黑啟動，也可直接配置在電網(wǎng)側(cè)，保障重要用戶不間斷供電。在該方案中，通過燃氣機組啟動測試，其廠用電最大負荷約為9 MW，為保障氣電2的燃氣機組具備黑啟動能力，計劃安裝20 MW/20 MWh集中式儲能電站，直接接入氣電2的6 kV側(cè)廠用電母線，為燃氣機組提供黑啟動電源支撐，實現(xiàn)機組的黑啟動運行。

d)應急移動發(fā)電設(shè)備方面：地市供電局通過靈活調(diào)度20輛應急移動發(fā)電車，確保城市指揮(應急)機構(gòu)、核心基礎(chǔ)設(shè)施等安全可靠供電。

綜上所述，該城市核心區(qū)保底電網(wǎng)構(gòu)建了“網(wǎng)-源-荷-儲”的綜合防災抗災體系，結(jié)構(gòu)如圖6所示，能夠確保在嚴重臺風期間持續(xù)高可靠性供電核心A區(qū)和中心城區(qū)，核心區(qū)電網(wǎng)應急抗災保障能力較強。

圖6 某沿海地市2020年保底電網(wǎng)Fig.6 The guaranteed power grid in some coastal cities during 2020

3.3 保底電網(wǎng)提升電網(wǎng)防災能力分析

如第3.2節(jié)構(gòu)建的城市抗災保底電網(wǎng)，形成了基于“源-網(wǎng)-荷-儲”的綜合防災抗災體系，對比保底電網(wǎng)構(gòu)建前和構(gòu)建后的電網(wǎng)抗災能力，其城市保底電網(wǎng)具備較強的防災抗災能力，具體情況見表3。

表3 保底電網(wǎng)構(gòu)建前后防災能力對比分析Tab.3 Comparative analysis of disaster prevention before and after construction of guaranteed power grid

4 結(jié)束語

本文針對沿海地市電網(wǎng)，研究了基于可局部自平衡運行的城市保底電網(wǎng)規(guī)劃方法，推動形成“大電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)支撐、抗災保障電源分層分區(qū)自平衡運行、用戶自備應急電源兜底、應急移動電源補充”的綜合防災保障體系，充分發(fā)揮電網(wǎng)、電源、負荷、儲能在嚴重災害期間的協(xié)調(diào)抗災能力，完善“主動防御”的抗災體系。同時，為保證保底電網(wǎng)在嚴重自然災害期間的可靠運行，還需協(xié)同推進保底電網(wǎng)一、二次系統(tǒng)建設(shè)，加強保底通信網(wǎng)建設(shè)，實現(xiàn)沿海地區(qū)220 kV及以上電壓等級保底線路保護雙通道的全覆蓋；加強穩(wěn)控系統(tǒng)策略管理和繼電保護定值管理，提高嚴重自然災害情況下的二次系統(tǒng)保障水平。