用科学的方法应对电力灾难性事故

用科学的方法应对电力灾难性事故 
*孙元章*程林 
**徐箭**彭晓涛**方华亮**杨军**李蕊**邓桂平 
*清华大学电力系统国家重点实验室 
**武汉大学电气工程学院 

一、绪论 
2008年1月以来的罕见冰雪灾害给中国电网造成了有史以来最严重的破坏，冰雪灾害致使输电线路严重受损，导致多个省级电网大面积停电，多个县市的电力供应完全中断，给数百万居民的生活带来了极大的困难。据有关部门统计数据显示，截止到2008年2月29日17时，全国范围电网（包括国家电网公司系统、南方电网公司系统、地方电网及电厂送出自有线路）因此次冰灾停运的电力线路共36740条（其中，500千伏主网架线路119条，220千伏线路348条，110千伏线路888条，10-35千伏线路35385条）。因冰灾停运的变电站共2016座，110-500千伏线路因冰塔共灾倒8381基。这次冰灾不仅给国民经济造成了巨大的损失，达1510亿元，而且给社会造成了极大的紊乱，如交通出行、居民的生活等。 
在党和政府的亲切关怀下，在各级地方政府的高度重视下，在军队的大力支持下，特别是在国家电网和南方电网公司领导的应急指挥下，出动数万名电力职工、军人和普通百姓，经过日以继夜的紧急抢修，目前已基本恢复。 

二、大电源规划的思考 
我国电网发展已进入跨大区电网互联、推进电力资源在更大范围内优化配置的新阶段，同时电网的安全稳定性与脆弱性问题也越来越突出，2008年初的大雪引起的冰灾给我们敲响了警钟。电网结构是电力系统安全稳定运行的基础，电网规划历来强调全局观念和远近结合。大风雪、冰雨等自然灾害的发生是不可避免的，因此，在电源和电网规划设计阶段要研究应对冰灾、战争等灾害性事件对电网安全的影响，要树立大电网观念，高度重视电网结构布局的安全性及灵活性，是未来电源和电网规划要思考的重要因素。本文提出以下几点看法。 

1．分散外接电源 
如果外接电源占比例较大且过于集中，一旦发生冰灾等自然灾害将造成本地大面积的停电事故。如加拿大魁北克电网负荷中心在蒙特利尔市和魁北克市，主要电源是从约1000km外的詹姆斯湾和丘吉尔瀑布的水电站群，通过735kV二组输电通道送电20-25GW，外来电力占受端负荷比例达70％左右。该电网在1982、1988、1989、1998年发生过多次大面积停电事故。 
这些实例已告诉我们，对外接电源要尽量分散接入，输电通道不要集中在一起，根据地形特点进行分散，尽量避开易产生冰灾的地形。如部分输电通道发生冰灾事故时，其余通道可以继续供电。从电网结构上看，我国的京津冀结构对抵御复杂故障的能力较强，基本上做到了分散外接电源，西电东送形成4-5个相对独立的输电通道，每个通道容量占受端负荷的比例均不超过15％，从电网结构上为建立第3道防线打下较好的基础，是最符合导则规定的电网结构，在易发生冰灾地区可借鉴此原则。 

2．电源的分层分区接入 
对发电机分层分区接入，一般来说，主力电厂宜直接接入最高级电压500kV电网。同时还需合理分层，将不同规模的发电厂和负荷接到相应的电压网络上。对于受端网架发展初期，受端主力电厂应优先考虑接到500kV网络上确能对受端电压起到一定的支撑作用。受端500kV主网架发展到一定阶段，特别是220kV逐步形成分区结构之后，主力电厂应分层分区接入，包括单机60万kW机组。目前的问题是，如果对未来设汁水平内所有电厂接入电网缺乏统筹规划、仅仅就单个电厂接入系统设计来论证接入方案的合理性的话，很可能造成电网结构的不合理。500kV电网一旦发生严重故障，由于不应当接入500kV的电源都可能丧失，容易造成受端功率大量缺额而引起大面积停电事故，分层分区接入的好处就在于220kV分区内有一批自我平衡的电源，220kV电网的可靠性更高； 

三、三级电网结构的思考，建立10kV有源变电站 
总结国外大电网恶性事故，表面上很多是恶劣的自然灾害造成的，然而在某种程度上电网结构不合理是其根本原因，强调在电网结构上要主次分明，必须在主网架规划设计阶段考虑完善，做到防患于未然。在电网规模较小时期，电源布局对电网结构起重要作用，随着系统规模的不断扩张，特别是互联大电网的形成，电厂的作用相对弱化，对主网架结构的规划设计要求就相应的提高了。 
目前规划设计部门在研究电网扩展方案时，基本上按照“N-1”型故障或者是第1道防线作为标准，计算网络输电能力和稳定水平，对电网结构是否有利于建立第2道防线、第3道防线考虑得不够。验证电网结构是否合理决不是由“N-1”故障下的稳定水平所确定的，而是由当发生严重故障或多重故障时，系统结构具有防止因大量负荷转移引起连锁反应事故的能力所决定的。国外的专家认为电网设计必须对极端故障进行评价，如失去一座发电厂全部容量，失去变电站的全部出线，失去一条公共输电走廊的全部回路，开关拒动等。因此在网架规划设计中要进行典型的“N-2”故障校核，验证推荐方案的合理性，对建立电网的第2、3道防线提出指导意见。 

本文首次提出建立三级电网的概念。三级电网分别为输电网路、配电网路和微电网。其中输电网路由500kV－1000kV电力主传输通道所组成，可以建立成环网，也可以建设为输电通道；配电网路由110kV－220kV的送电线路组成，可以建设成环网，也可以建设成辐射型网架；微电网由380V－10kV供电电压组成，微电网的供电线路主要由辐射型电缆连接而成。电源在各级电压等级中的分配应该建立一些基本的原则，如600MW以上的发电机组主要应接入500kV输电网路，100MW－300MW的发电机组应接入配电网路，在微电网侧，应将应急电源的建设纳入到微网络的建设中，即在每个10kV的重要用户的变电站建设应急电源，建设10kV有源变电站，使国家电网公司能够统一管理。 

四、应急电源构成的思考 
在10kV的有源变电站中，应急电源是在突发电力灾难的紧急情况下作为替代使用的供电装置，目前市场上应用的类型主要有柴油发电机组和蓄电池组二大类，蓄电池应急电源又被分为UPS型和EPS型两种，EPS其全称为EmergencyPowerSupplySystem,UPS(不间断电源)是UninterruptedPowerSupplySystem的缩写。 
当然，除了现有的应急电源之外，分布式发电技术和储能技术也可以接入微电网，将这些电源联接于微电网中，用于发电﹑储能或电力需求侧管理的技术和设备。 

1、接入微电网的分布式电源 
1）往复式发动机技术 
用于分布式发电的往复式发动机以汽油或柴油为燃料。此种发电方式并不是一种全新的形式，近几十年来，在许多重要的行业和场所，如部分医院和学校，就常常把柴油发电机作为停电期间使用的事故备用电源。 

2）微型燃气轮机技术 
微型燃气轮机是指以天然气﹑甲烷﹑汽油﹑柴油为燃料的超小型燃气轮机。其发电效率可达30，如实行热电联产，效率可提高到75。微型燃气轮机的特点是体积小﹑质量轻﹑发电效率高﹑污染小﹑运行维护简单。 
3）燃料电池技术 
燃料电池是一种在等温状态下直接将化学能转变为直流电能的电化学装置。燃料电池工作时，不需要燃烧，是直接将燃料（天然气﹑煤制气﹑石油等）中的氢气借助于电解质与空气中的氧气发生化学，在生成水的同时进行发电。在获得电能的过程中，副产品仅为热﹑水和少量二氧化碳等。 

4）太阳能发电技术 
太阳能的转换和利用方式有光热转换﹑光电转换和光化学转换等。目前，技术比较成熟的﹑应用广泛是太阳能光伏发电技术，即光电转换。太阳能光伏发电技术是利用半导体材料的光电效应直接将太阳能转换为电嫩那个。光伏发电具有不消耗燃料﹑不受地域限制﹑规模灵活﹑无污染﹑安全可靠﹑维护简单等优点。 

5）分散的风力发电 
风力发电技术是将风能转化为电能的发电技术。近年来，风力发电技术进步很快，技术已很成熟。由于风能是随机性的能源，具有间歇性，并且不能直接储能起来，因此，风力发电通常与其它分布式电源组合发电。目前国际上风力发电的主要应用包括： 
a)风力发电机-飞轮储能装置联合运行：即是在风力发电机的轴系上安装一个飞轮，利用飞轮旋转时的惯性储存能量，这样可以平抑由于风力起伏而引起的发电机输出电能的波动，改善电能质量。新兴的飞轮储能装置采用超导轴承，以减少转动过程中的机械损耗。 
b)风力发电机-超导储能装置联合运行：小型低温超导储能装置技术已经比较成熟，而且GE﹑ACELL等公司已经开发出商业化的产品，我国的科研单位也作了一些这方面的研究。 
c)风力发电机-太阳光发电联合运行，目的是更高效的利用可再生能源，实现风力发电和太阳光发电的互补。 
6）生物质能发电技术 
生物质能来源于生物质。生物质能发电是首先将生物转化为可驱动发电机的能量形式（如燃气﹑燃油﹑酒精等），再按照通常用的发电技术发电。 

7）海洋能发电技术 
海洋能包括潮汐能﹑波浪能﹑海流能﹑潮流能﹑海水温差能和海水盐差能等不同的能源形态。目前，海洋能发电多数处在试验阶段，比较成熟的是潮汐能发电技术。潮汐能发电和水力发电厂相似，就是利用海水涨落及其所造成的水位差来推动水轮机，再由水轮机带动发电机发电。 
8）地热发电技术 
地热能是来自地球深处的可再成热能，它起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术。其和火力发电的基本原理是一样的，都是将蒸汽的热能经过汽轮机转变为机械能，然后带动发电机发电。所不同的是，地热发电不像火力发电那样要具有庞大的锅炉，也不需要消耗燃料。 

9）微型核堆发电技术 
据美联社、《新科学家》07年12月21日报道，日本东芝公司研制出了一种“家用核反应堆”，它的原理和正常核反应堆基本一样，但体积只有普通核反应堆百分之一，从而让普通家庭也能用它来发电，并拥有自己的“核电厂”。“家用核反应堆”正式名称为“微型核反应堆”，实际上是一种微型的核能发电站，原理也和正常核反应堆基本一样。但是，它的高度只有6米，直径也只有1.8米，大小仅相当于通常核电厂中核反应堆的百分之一。 
一台“家用核反应堆”投入使用后，整套设备将会持续运行40年，每小时可以提供200千瓦电能，足够满足普通家庭日常生活需要。而且，它具有自动防故障保护装置，完全自动运行，一旦超过设定温度，它就会自动停止工作，不至于出现过热现象。由于“家用核反应堆”是全自动的，其发电所需的费用大概每度电只有5美分，可谓是既节能又环保。 

一旦“家用核反应堆”得到普及，几乎相当于将来家家户户都有了一个专用“核电厂”——由于体积小巧，它可以很容易地安装在地下室或者公寓大楼内。但为了防止万一核原料泄漏，“家用核反应堆”将必须安装在有厚水泥墙隔离的建筑内。 
东芝公司计划2008年将在日本安装一台这样的小型核反应堆，以观察实际的使用效果。而如果一切顺利的话，美国也会在2009年引进这套微型核发电装置。目前外界对“家用核反应堆”的看法仍是未知数，毕竟在人们的印象中，“核反应堆”无疑是个神秘而令人生畏的事物，将它安装在自己家中显然超出了许多人的想象，反对者很可能出于“安全因素”而对它进行强烈抵制。家用核反应堆是否能获得成功，关键还取决于是否能被公众、电力部门和政府所接受。 

2、接入微电网的分布式储能技术 
基于微电网安全性和经济性的考虑，分布式发电系统要存储一定数量的电能，以应付突发事件，目前储能技术得到了迅速的发展，如 
1）蓄电池储能 
蓄电池是目前在电力系统中应用最有前途的储能装置之一，分布式发电系统中应用最为广泛。由于技术的限制，蓄电池也存在投资高﹑寿命短﹑环境污染等诸多问题。但就目前的状况而言，蓄电池仍会在一段时间内得到广泛应用。 
2）超导储能 
超导储能系统将能量存储在由电流超导线圈的直流电流产生的磁场中，其中的超导线线圈浸泡在温度极低的液体（液态氢等）中，然后封闭在容器中。所以说，一个超导储能系统包括冷却系统﹑密封容器以及作为控制用的电子装置。超导储能系统的超导线圈放置在温度极低的环境中，这是目前利用超导储能的瓶颈。一旦超导材料研制成功，超导储能的前景不可估量。 

3）飞轮储能 
飞轮储能是一种新型的机械储能方式，它将能量以动能的形式存储在高速旋转的飞轮质量中。飞轮储能系统由飞轮转子﹑轴承﹑电动/发电机﹑电力转换器﹑真空室等5个部分组成。就目前来看，使用的飞轮储能系统主要有高速飞轮系统和低速飞轮系统。高速飞轮系统的飞轮相当小，但转速极快；低速飞轮系统的飞轮较大，但转速相对较慢。 
4）电解水制氢储能 
这种储能系统需与燃料电池联合应用。在系统运行过程中，当负荷减少或发电容量增加时，将多余的电能用来电解水，是氢和氧分离，作为燃料电池的燃料送入燃料电池中存储起来；当负荷增加时或发电容量不足时，使存储在燃料电池中的氢和氧进行化学反应直接产生电能，继续向负荷供电，从而保证供电的连续性。 

五、结论和主要关注的问题 
1、加强电源建设和各级电网建设的规划研究。在建立三级电网结构的思路下，对电源如何合理分布和分配在输电网络和配电网络中开展深入的研究，为防止强烈的自然灾害和战争破坏，确保输电、配电和用电的安全； 
2、开展微电网的规划和设计，特别要开展应急电源的研究。如以汽油或柴油为燃料的往复式发动机发电系统，以天然气﹑甲烷﹑汽油﹑柴油为燃料的微型燃气轮机发电系统，燃料电池的电化学装置，微型核反应堆发电系统等； 
3、开展10kV有源变电站的建设和研究。将应急发电装置纳入10kV变电站的建设中，建成10kV有源变电站，使应急电源纳入到国家电网公司的建设、运行、维护和管理中，不仅专业化，而且也大大节省了各企业备用电源建设所造成的浪费； 
4、开展分布式储能系统和技术的研究。当新能源发电（如风力、太阳能和生物质能）纳入到微电网的建设中后，为确保微电网的供电安全性，必须开展分布式储能的研究和装置开发，如高能量密度的小型蓄电池、10kW级的超导储能装置、几十千瓦级的电解水制氢储能装置和系统等； 
5、三级电网协调调度方式的研究。当主输电电网和配电电网遭受严重的自然灾害或战争破坏后，根据配电网络的电力分布和分配情况，如何启动应急电源和分布式储能，确保重要用户的电力持续供应； 
6、微电网保护和控制的研究。为确保微电网安全可靠运行，并提供满足设备用电要求的电力，要开展微电源、微电网、分布式储能装置控制和保护的协调设计和运行研究，与需求侧管理相结合，确保微电网在事故发生时的有符合电能质量标准的电力供应； 
7、实验基地的建设。开展三级电网的建设，特别是微电网的建设，需要建设微电源、微电网和分布式储能的实验研究基地，以检验微电网运行的可行性、安全性和电能质量。 
8、建立由各学科门类的研究队伍，包括：开展微电源研究的动力机械学科、开展微型堆研究的核能研究学科、开展电解水制氢储能研究的物理化学学科等，集中全国最具实力的研究机构核制造部门，尽快建设安全应急的微电网。