面向21世纪电力系统技术周孝信院士.ppt

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1、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： 办公室：教一楼148房间 电话： 80798456,面向21世纪的电力系统技术,一、 电力系统发展面临的挑战 （一） 环境保护的严厉制约 （二） 大容量远距离输电的需求 （三） 大电网互联、跨国联网发展的趋势 （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发展的要求 三、 研究开发面向21世纪的电力系统技术 （一） 大容量交/直流输电技术 （二） 灵活交流输电（FACTS）技术 （三） 大电网互联的运行控制技术 1、 互联电力系统低频振荡控制的研究 2、 全球卫星定位系统（GPS）在电网安全监

2、视和稳定控制中应用的研究 3、 防止大面积停电的控制和恢复策略的研究 （四）电力系统分析和仿真技术 1、 电力系统分析技术的发展趋势 2、 电力系统分析软件技术的发展 3、 电力系统数学仿真与物理模拟,一、 电力系统发展面临的挑战,回顾一个多世纪以来电力工业和电力系统的发展，深感由于经济发展和技术进步带来的巨大变化。上世纪的8090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整的电力系统。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，人们转而研究交流输电技术，并在上一个世纪之交，确立了交流输电系统进一步发展和应用的基本取向，从而带来

3、了本世纪交流高电压输电和电力系统的大发展。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大，电网互联程度不断加强。在交流输电和电力系统大发展的同时，从50年代开始，又发展了高压直流输电技术，奠定了当今高压交/直流电力系统的基础。 今天，又是一个世纪之交。面对经济全球化趋势和科技迅猛发展的形势，有100多年历史的“古老”电力系统，在其发展的进程中，又将面临一系列新的挑战。,（一） 环境保护的严厉制约,随着全球经济的不断发展和民众环境意识的增强，电力工业发展受到环保制约的程度将越来越大，发达国家的情形更为突出，新输电线

4、路的建设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发展计划之所以中止，除电力需求增长缓慢的因素之外，环保的考虑也是重要原因。面对这种情况，不少发达国家采取的对策是充分挖掘现有输电线路的潜力，解决系统中潮流分布不合理的问题，改善电力系统运行的稳定性，提高输电系统的输送能力。,（一） 环境保护的严厉制约,环保的制约更多地表现在电源建设上。将来会更多地开发对环境影响较小的电源形式，如洁净煤燃烧发电、天然气蒸汽联合循环发电、远方大型水电、核电及新能源发电。电源结构的改变，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，包括其调节性能和动态性能。1996年7月，马来西亚的马来

5、半岛电力系统崩溃、大面积停电事故，其根本原因除网络结构薄弱外，当时电网运行机组中燃气轮机比重大，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，造成系统频率崩溃而全网停电。这是因电源结构变化使系统动态性能变坏造成恶性事故的典型案例。未来电源结构和分布发生改变是不可避免的。这就要求我们进一步研究由此带来的影响，研究各种电源原动机特性及相应的系统控制策略，开发新的控制装置，从而改善系统运行特性，避免电力系统事故的发生。,（二） 大容量远距离输电的需求,当前世界电力工业发展趋势，尽管发达国家用电需求增长缓慢，但发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

6、总的看来，大容量远距离输电仍有较强的发展势头，一些发展中国家和地区特别是东亚、东南亚地区、南美洲地区仍在进行大规模的电网建设。大容量远距离输电系统，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，这些系统的建设无疑将是对现有电力系统技术的挑战。,（三）大电网互联、跨国联网发展的趋势,冷战结束后，全球和地区经济一体化的步伐加快；又由于能源分布和经济发展的不平衡及电网互联运行的巨大效益，使大电网互联、跨国联网输电的趋势不断发展。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，以后又通过直流同英

7、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步实现。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。此外还有若干拟议中的地区性跨国联网，如环波罗的海地区联网，环地中海地区联网，东南亚地区联网，环日本海地区联网等，其中波罗的海沿岸11国的18家电力公司已于近期合作进行了一项研究，拟通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合作组织（BALTREL）。另据报道，地中海地区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考虑和规划之中。如拟议中的澜沧江水电（景洪电站

8、）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，如能实现都可以形成跨国的电网互联。,（三）大电网互联、跨国联网发展的趋势,大电网互联和跨国联网将对电力系统运行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，即观察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过1000兆瓦时，就有振荡产生。美国西部电网1996年78月连续两次发生连锁反应式大电网稳定破坏和大面积停电事故，充分表明这种类型事故是当前及未来电网运行安全的最大威胁。因此寻求电网更为有效的控制措施，确保互联电力系统的安全稳定运行是我们面临的又一重要课题。,（四）电力市场化

9、体制改革的影响,当前全球范围内正在逐步实行电力系统市场化的体制改革。尽管各国改革的模式不同，但其根本宗旨都是企业打破电力行业垄断，促进市场竞争，提高效率，降低成本和电价，从而提高本国经济在国际市场上的竞争能力。一些西方国家对长途电信、民用航空等公用事业进行了类似改革并获得了成功。英国从90年代开始的电力市场化改革，也取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行和控制带来一系列的新问题。根据电力市场运作的要求，电网首先必须提供能灵活控制潮流的能力，还应最大限度地满足电源与用户之间输送能力的要求。此外，在发电、输电和供电分别独立

10、经营的条件下，保持电网的安全稳定运行水平也是需要解决的重要课题。,（四）电力市场化体制改革的影响,以上4点表明，世纪之交的电力系统的发展正面临着新的挑战。然而这也预示着有100多年发展历史的传统电力系统将有新的发展机遇。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发展。,二、 我国电力工业和电力系统发展的要求,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年底达到250吉瓦，居世界第二位。500千伏超高压输电线路总长度已超过13000千米。6个跨省大区电网和5个独立省网都得到了较快发展。到1996年底，华东电网装机

11、容量已达到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。这表明我国电力系统已进入大电网互联运行的时代。,二、 我国电力工业和电力系统发展的要求,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2009年建成。东北、华北之间500千伏交流联网将于近期实现。到2010年，随着三峡输电系统的建成，在我国中部将形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，预计总容量将会接近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，全国将形成北、中、南

12、三大互联电网的格局。通过它们之间的互联，预期2020年左右将基本实现全国联网。随着东部地区核电的建设，西部巨型水电和坑口火电的开发，全国范围的远距离输电和电网互联将得到进一步加强。 我国电力系统的发展，是世界电力系统发展的重要组成部分。我国电力系统发展面临的大容量远距离输电和大电网互联问题，将是我们未来1020年内要解决的主要问题。环境保护制约和电力体制改革的影响也将现实地提到日程，必须引起我们高度重视。,三、 研究开发面向21世纪的电力系统技术,面对当今世界和我国电力系统发展的巨大挑战，我们必须研究开发面向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、先进控制理论及技术等

13、高新技术的进步为这一目标的实现提供了坚实可靠的基础。 结合我国实际的具体研究开发目标可有如下四个方面。,（一） 大容量交/直流输电技术,当前我国的现实任务是提高500千伏交流输电线路的输送能力。应积极研究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究已取得成果，并应用于实际的线路工程。应积极研究采用线路的串联电容补偿技术。近期阳城江苏的500千伏线路将建设我国第一座500千伏串联电容补偿站。对此，希望能进一步实现国产化，并在其他工程上推广应用。,（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究。直流输电以其输电容量大

14、、稳定性好、控制调节灵活等优点受到电力部门的欢迎。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设。三峡华东的第一条直流输电线路的建设在积极筹备。可以预见，直流输电在我国有进一步应用的前景。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可能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试验研究工作。,（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1000千伏级的电压水平问题，笔者认为应根据实际需要决定。如我国西北电网已建成较强的330千伏系统，当前因黄

15、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要，急需提高电压等级。对330千伏系统而言，国外经验一般认为上一个电压等级以750千伏级较为合适。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，可以认为750千伏电压级输电无论设备还是系统都有成熟的技术和经验。如经论证适合于我国西北电网，则应决策着手开始建设。至于1000千伏特高压输电，亦不应排除在我国应用的可能性，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可能性。因此，1000千伏级的特高

16、电压技术，作为技术储备仍应开展必要的研究。,（二）灵活交流输电（FACTS）技术,FACTS是电力电子技术在电力系统中应用的重要方面。作为在交流输电系统中引入的可控制的一次设备，FACTS装置的应用可实现对交流输电功率潮流的灵活控制，大幅度提高电力系统的稳定水平。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策略提供了必要手段 。,（二）灵活交流输电（FACTS）技术,FACTS技术的概念自80年代后期提出以来，有关学术研究、技术开发和工程实践已取得大量成果。对此笔者在1995年的一篇文章中曾有论述。自那时以来，FACTS技术的开发和工程应用又有新的发展。具

17、有对电压、阻抗、相位综合控制功能的统一潮流控制器（UPFC）的示范工程（并、串联装置容量各160兆伏安）即将在美国AEP电力公司投运，其并联装置已于1997年建成。,（二）灵活交流输电（FACTS）技术,我国已开始对FACTS技术进行有系统的研究开发。其中对500千伏超高压输电线路可控串联补偿（TCSC）的研究已取得阶段成果。结合伊敏冯屯500千伏输电线路的研究表明，采用25%串联补偿电容的可控串补装置，可显著提高暂态稳定水平和阻尼振荡能力。,（二）灵活交流输电（FACTS）技术,对我国下一步FACTS技术研究开发的主要目标，笔者认为首先应在前一阶段研究工作的基础上，对TCSC和STATCOM

18、（静态补偿器或称先进静止无功补偿电源ASVG）进行工程化研究开发、促进实际工程的实施。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）的研究开发。对FACTS的系统应用理论，则应进一步开展系统建模和分析、系统控制策略等的研究。,（三）大电网互联的运行控制技术,大电网互联及跨国联网的发展趋势，连锁反应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行的控制问题给予了格外关注。国际大电网会议第38、29等7个专业研究委员会曾于1996年专门召开讨论会，探讨了建立更有效电网的电力系统控制保护的新策略。 结合我国电网实际，笔者认为如下研究工作应进一步加强：,1、互联电力系统低频

19、振荡控制的研究,对电网互联运行安全的最大威胁是运行稳定性的破坏。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，特别是具有长条形结构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模式常表现为弱阻尼，振汇频率一般在0.11赫范围内。国际大电网会议第38研究委员会曾组织专门工作组（Task Force 38.01.07）对振荡的机理、研究方法和抑制措施等进行了研究。其结论指出：为消除振荡的威胁，首先应仔细研究整定系统中主要发电机的电力系统稳定器（PSS），因为迄今为止，PSS仍然是抑制低频振荡最经济有效的

20、措施，其次应研究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。然后考虑用电力电子装置改造现有可投切补偿装置，使之提供平滑的阻尼控制，如线路串联电容补偿增加可控硅控制的部分（TCSC）。最后可考虑在系统中增装完全用于阻尼振荡的新装置。,1、互联电力系统低频振荡控制的研究,国际大电网会议工作组研究的结论给我们以启示。尽管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发展的情况下，对此必须引起高度重视。1994年我国南

21、方联营电网发生的系统振荡事故是典型的一例，事后分析表明，若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）在电网安全监视和稳定控制中应用的研究,在电力系统中实施相量控制（phases control）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）实现的同步相量测量技术和光纤通信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应用。在电力系统中主要用于同步相量测量。在GPS系统中，共有24颗卫星绕地球轨道运行。它们距地面约20000千米。地球表面任一点均可接收到卫星发出的精度在1微秒以内的时间

22、脉冲信号。这样，电力系统中任一变电站均可接收GPS发来的精确时间脉冲给当地测量的电压波形以时间标记，其标度的相角精度对50赫兹波形为0.018。光纤通信系统将各变电站的测量收集汇总处理后，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能力；交流系统则可通过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）在电网安全监视和稳定控制中应用的研究,我国将GPS用于大电力系统稳定和振荡监控的研究已取得初步

23、成果。以GPS同步相量测量装置为基础的监测系统已在我国南方联营电网投入运行。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究之中。,3、防止大面积停电的控制和恢复策略的研究,当今电力系统调度中心的能量管理系统（EMS）基本上是以处理稳态方式调度运行为主。其中静态安全分析主要监视电网偶然事故下母线电压越限或线路、元件过负荷等状况并给予处理指导。而更严重故障下的稳定控制，则一般需通过离线分析提供可供采取的措施，通过快速的继电保护和安全自动装置实时动作实现。前述GPS相量测量系统提供了可实时跟踪功角变化轨迹的可能性，从而可通过预测不稳定现象的演化适时

24、决定应采取的控制措施（如解列、切机、快关等）。可以预期GPS相量测量装置与常规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可能。 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取得重要成果。将现有的离线分析程序加以改进，与直接法相结合，以适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际应用。进一步应开展事故后恢复策略的研究。为处理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、运行提供了工具和手段。而电力系统发

25、展与装备、技术的进步又促进电力系统分析和仿真技术的发展。,1、 电力系统分析技术的发展趋势,电力电子技术在电力系统中的应用，如FACTS装置的投入，促使电力系统机电暂态分析与电磁暂态分析相结合。 对大电网连锁反应事故的分析，要求进行长期动态分析、电压稳定性分析，并与暂态稳定分析相结合。 电力市场化的发展趋势，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，要求提供更精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，应研究更为快速的分析方法，解决快速性与精确度的矛盾。,2、 电力系统分析软件技术的发展,当今国内外一些大型电力系统分析软件正向多功能、综合分析的

26、方向发展，如EMTP、EMTDC、NETOMAC、PSS/E、PSASP、BPA、SIMPOW等。其中NETOMAC和SIMPOW等都具有多种分析的功能，如机电、电磁暂态分析，特征值分析及各种结果处理功能。PSASP等程序的用户自定义的建模功能提供了方便的用户接口，可以满足电网中各种新型元件和控制系统建模分析的要求。 先进的电力系统分析软件都建立在先进的计算机软件平台之上，并得到数据库的支持，有着对用户友好的界面。面向对象的软件技术为电力系统分析软件的进一步发展提供了新的手段。,3、 电力系统数学仿真与物理模拟,传统的离线分析软件提供了非实时的数字仿真。在此基础上，进一步形成了准实时的电力系统

27、数字仿真培训模拟器。实时的电力系统数字仿真技术近年来有很大进展，其中加拿大马尼托巴直流研究所开发的实时数字仿真器（RTDS）取得了一定的成功，已用于高压直流输电系统模拟、继电保护动作较验等场合，但对大电力系统的模拟尚须进一步改进。 数模混合的实时仿真系统仍在继续发展和应用，如暂态网络分析仪（TNA）、高压直流输电模拟（HVDC Simulator）及交直流电力系统仿真等。这种类型仿真装置的优点是完全实时，并可以接入实际的控制装置。对模拟大规模电力系统，只要元件足够多，原则上并无其他限制。 我国在电力系统分析技术方面做了大量工作，所开发的软件基本上能满足国内电力系统分析的需要。面对迅速发展的电力系统技术和国际上大型软件的进步，我们必须继续加强研究和开发工作，巩固和发展我国具有自主版权的软件产品，为我国的电力系统发展服务，同时应积极创造条件，走上国际。具有较大规模的数模混合式三峡电力系统仿真中心已经建立，并开始对三峡电力系统进行仿真研究。该中心的建立和发展必将进一步促进我国电力系统仿真技术的进步。,THE END,