蒙定中  原電力部生產司教授級高工、國際大電網委員會CIGRE和美IEEE會員
2015年6月30日
前言
   1965年以來，世界發生25次重大停電（每次負荷損失＞800萬千瓦），負荷損失占95%的重大停電都發生在發電裝機和區域皆為龐大的交流電網結構。其中兩者皆龐大的美國重大停電最多（6次），最嚴重（負荷損失占全部事故損失的29.6%），居世界首位；歐洲過去組成一個龐大又西電東送的交流380kV電網，也發生4次重大停電，巴西和印度也是裝機和交流網區域皆寵大造成近1億千瓦的重大停電。
   中國電力容量近年已占世界首位，除臺灣一次外，為甚么從不發生重大停電，因為30多年來貫徹了《電力系統安全穩定導則》。按導則建立了〈分層〉〈分區〉〈分散外接電源〉的〈三分〉電網結構，特別建立了六大區域都不大的分區，區間主要用直流聯網，完全防止了重大停電，成為世界上最安全可靠的電網結構。
 

• 交流同步電網結構是否合理是造成或防止重大停電的關鍵

表1交流電網規模寵大己造成重大停電的事實    國家    裝機 (萬千瓦) 電網面積(萬平方公里) 東西距離(公里) 南北距離(公里) 重大停電      電網結構分析           次 損失 (萬千瓦) 占比 例(%)         美 國 南區  7270 59 701 841 -    -  - 交流區域小 - 很安全         東區 75500 551 1870 2945 3 10100 19.7 不用直流分區(或分區不足)使交流區域過大；更難以分散外接電源構成點對網的分區結構；結果成為一旦故障即連鎖反應全區的寵大自由聯網結構         西區 20000 328 1169 2805 3  5042  9.9         歐洲 84500 1016 5200 3400 4  7161 14.0       巴西 8900 851 3200 3200 5  9687 19.0         印度 11000 216 1800 1200 3 9673 18.9 分區之間聯系不旦直流還有交流，相當寵大交流網             中 國 東北 6305   73  600 1280 -   -  - 主要用直流分區, 各區范圍不大，現行電壓既可構成負荷中心和相互聯系的骨干,并作為分散電源的點對負荷中心輸電(遠距離則用直流),并解除電磁環網，成為可控制故障連鎖反應的安全電網結構         華北 15202 112 1060 1100 -   -  -         華中 17473 131 1650 1250 -   -  -         華東 17706   57 500 1140 -   -  -         華南 17473 120 2020  800 -   -  -         西北  5751 135 1930 1050 -   -  -         臺灣 2009負荷  4  135  324 1  1550  4 不分散外接電源；低頻減載/低頻切機不配合         三華 特高壓聯網 50381  300 2350 2530 ？    ？  ？ 從裝機/范圍/自由聯網走上美國道路；且交流特高壓更不如美國超高壓安全/經濟                                      為甚么從不發生重大停電？

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

表1從世界近半個世紀的實踐分析，那些同步電網規模過大，又自由聯網， 一有故障即連鎖反應全區而造成重大停電；我國裝機容量不少，但用直流分區后，各同步電網規模都不大，構成堅強負荷中心，更分散外接電源，而不是規模龐大同步電網，結果很安全。

 
二、歐美對交流同步電網規模的研究
最嚴重的重大停電發生在美國的東區和
西區各3次，圖1可見東、西區過大，無規
則的交流自由聯網的缺點暴露無遺，一旦故
障/失穩必將連鎖反應到全區，造成嚴重事故
。2003年美國能源部召開兩次“國家電網預
想會議”，研究了美國電網發展的電網Grid

2030年預想計劃，主要是建立由東岸到西岸， 圖1  2010年美國電網分區結構北到加拿大，南到墨西哥的跨越全國的主
要采用超導體技術，電力儲存技術和直流輸
電骨干網架，特別是采用直流將現有的東西區
內分更多的區，相當縮小每區的范圍。
2008年美國電科院(EPRI)和直流DC
Interconnect 公司曾研究了美歐重大停電，
建議將美國東區應用直流隔離分為四個交流
區。同時也適用于美國西區和歐洲。(圖2)
可以說美國才認識到這是在電網結構上解決
重大停電的重要策略，但是至今未有實行。圖2美電科院-東西區各分四區辦法

2006年11月4日歐洲因380kV交流龐大
電網而發生重大停電，
歐洲通過多回線路西電
東送926萬千瓦。當其
中雙回操作斷開時，負
荷轉移使并列的其他線
路因距離保護過負荷誤
動跳閘，使西部缺電，頻
率降到49Hz，低頻減載
1700萬千瓦負荷。圖3歐洲寵大電網西電東送造成重大停電
從世界重大停電事故證明交流電網越龐大越不安全，尤其像圖3通過交流龐
大電網大規模的926萬千瓦遠距離西電東送。后來歐洲也接受事故教訓，一是采
用直流將原龐大的交流大網分很多分區，國際大電網的2014年4月ELECTRA
雜志已刊登多年來己采用42套直流將寵大交流網分很多個分區；二是將原來的
遠距離西電東送的格局逐步改為各國電力自發自用，2014年歐盟各成員國電網互聯水平的前景和預測2020年所有成員國均實現裝機自發自用，且和鄰國互換率至少達到10%。
最近，以研究現代大電網復雜性著稱的三位美國學者戴維·紐曼、本杰明·卡雷拉斯和伊恩·多布森在2014年4月出版的《混沌》(Chaos)科學期刊上以“電網規模多大為好?”(Does size matter?)的標題發表一篇研究報告。研究認為，電網規模并不是越大越好，還根據實驗得出了同步電網最優規模，這個研究結果在美國受到有關電網規模的熱烈關注。

這組科學家通過電網建模證明，頻率穩定等電網優點會被大停電帶來的影響所掩蓋，電網規模變大，有可能成為更大范圍連鎖性大停電的助推因素。2003年的美加大停電就是一個典型的例子。
卡雷拉斯教授通過對美國西部電網的仿真模型實驗得出結論，具有500～700個節點的電網可以使互聯電網的優勢發揮到最大，同時使停電成本降到最低，可謂是最優的電網規
模(參見圖4)。在仿真模型里，每個節點平均代
表的是真實電網里的10個節點，每個節點由一系
列發電廠、變電站、變壓器等組成，美國西部電
網有約16000個節點，研究人員認為，從這個結
論可以推出，目前一些電網規模太大。
戴維·紐曼特別提出，通過異步互聯方式可
以有效地限制地區電網的停電風險。圖3 電網規模(節點數N) 與
基于這些事實，中國區域超高壓交流電網向國家統一的交流特高壓電網的進一步擴大決不是指向最優規模的方向。交流同步聯網的效益隨著同步電網的擴大而逐漸消失。
 
三、符合科學發展規律的同步電網合理規模
我國現行《電力系統安全穩定導則》規定：“合理分區，以受端系統為核心，將外部電源連接到受端系統，形成一個供需基本平衡的區域，并經聯絡線與相鄰區域相連。”
   如過去500kV網由黑龍江經華北、華中聯到四川就發生低頻振蕩，影響東北的北電南送暫態穩定水平降低50萬千瓦，2008年底東北-華北間投入背靠背直流就徹底根除了這個問題。交流特高壓示范工程將華北-華中相聯就出現低頻振蕩問題，因為兩側發電機群愈多、等價轉動慣量愈大、振蕩頻率愈低、阻尼更弱，低頻振蕩功率高達20%，只能降低其輸送容量到160萬千瓦運行。
按中國經驗采用直流聯網將龐大的交流系統分為若干分區，它不僅達到正常聯網效益，還可控制聯網潮流；防止一個區的故障/頻率崩潰/電壓崩潰/失穩振蕩波及相鄰區；更將范圍過大的大區固有的動態和暫態穩定、低頻振蕩或“連鎖跳閘”等一系列復雜問題徹底解決。根據2006年7月1日華中電網失穩事故的大量故障錄波分析，華中區唯一對華北區的交流聯網在事故過程起了壞作用，不僅促進了華中電網的失穩，而且延誤了再同步和恢復運行的時間。所以，區間聯網必須用背靠背或長距離直流輸電，個別交流聯網只是暫時性措施。
按照聯合國經濟社會事務局2005年在紐約發表的長達204頁的《國際電力聯網的多方面要點頒布》指出長距離輸電應用直流，還指出不同交流電網通過直流聯網，可以避免寵大交流同步網本身運行出現的很多固有技術問題。
(1)大區范圍
在直流聯網的條件下， 多大的交流區域比較合適？它和采用的最高一級電壓有關，如交流500kV輸電遠可達500～600公里，常用200～400公里，由它首先構成一個或幾個負荷中心，然后擴及全區。根據上表數據，一個大區的東西/南北距離大約不大于1000公里比較合適，當裝機容量逐步增大和更多直流輸電饋入時，則采用直流再分區，縮小交流區域范圍，不旦解決短路電流超標，又使區內交流輸電由遠距離改為中、短距離就更安全，再分區后更相應的減少一個區內的直流饋入數量，任一區故障都不會影響鄰區直流運行，更保安全。
(2)加強負荷中心/骨干網架                   
   大區內負荷中心應有堅強環網和大機組支持，增大短路容量和慣性；聯絡各負荷中心的骨干主要是加強大區總體結構，使外接電源對大區接近單機對無窮大；骨干應作負荷中心電力交換，不應長期作單方向的大容量電力傳送。
(3)分散外接電源
   在負荷中心或區外的遠方電源（包括交、直流）不應在電源側相聯，一般應獨立直送負荷中心，每一輸電走廊電力一般不應大于受端負荷的10%，任一外接電源/線路出問題或失穩，形成單機對無窮大系統的振蕩，僅此單機處于送端，其他送端電源皆成為受端，作為受端電源的后盾，使電網更可靠/快速恢復正常運行。
 
四、國網公司采用交流特高壓要將全國合成一個寵大同步電網，不僅極其浪費，更嚴重破壞我國的同步電網合理規模而步入重大停電
近半個世紀世界實踐證明，交流電網不分區或不合理分區（區域仍過大），已造成很多嚴重大停電，對社會經濟和人民生活造成嚴重影響。30多年來我國已按現行《穩定導則》安全分區，國家電網公司以“一特四大”為指導方針，采用交流特高壓要將全國合成一個寵大同步電網，嚴重破壞我國安全基礎，毫無經濟效益。現有交流電壓可完全滿足發展需求，區域范圍和現有電壓相適應而不過大，加強區內負荷中心和骨干網路，又分散外接電源，完全防止了重大停電，成為世界上安全又經濟的電網結構。
   預想將來我國大區還宜再有分區，既滿足發展需要，將會解決短路電流過大等一系列問題，更為安全可靠；由于歷史證實區域不應擴大，有的維持現有范圍，有的還將縮小其范圍，所以現有的超高壓電壓完全滿足發展需求。對于各大區的外接電源，不超過600公里的外接電源可采用現有交流超高壓的點對負荷中心輸送；超過600公里采用直流輸電。因此，作為網架或外接電源輸送都完全沒有必要采用交流特高壓，何況它在技術原理上有致命弱點，極不安全；在同等距離和輸電容量的經濟投資比較上，它為交流500kV輸電的2.8倍（600公里），為直流輸電的2.84倍（1000公里）和4.24倍（2000公里），極為浪費。
從技術經濟特點上講，發展交流特高壓不僅嚴重破壞我國按<穩定導則>的安全<分區><分層>規定，而且特別浪費投資。在劉振亞的《特高壓交直流電網》一書中稱“世界范圍內的跨國、跨區互聯電網呈現蓬勃發展趨勢，聯網范圍不斷擴大”。特別以美國的“Grid 2030—電力的下一個100年的國家設想”和歐盟“超級電網”為例加以說明。但在說明中只字不提他們為限制同步電網的擴大，而釆用直流輸電技術實現跨國、跨區互聯的事實；只字不提歐洲以異步互聯方式將已有的各國交流電網融合形成超級電網，實現將目前松散聯系的歐洲電力市場構建為歐洲統一電力市場，而借“歐洲統一電力市場”之名推銷“必須建設交流特高壓電網才能形成中國統一電力市場”的私貨。
中國大電網發展應該符合“限制同步電網規模，將事故危害控制在有限范圍內，發展同步電網間異步互聯”的世界大電網發展的主流趨勢。國家電網公司倡導的“三華”交流特高壓電網發展之路不僅不是“現代電網的一場革命”，而是中國電網發展的大倒退。
中國的電網未來的重點發展方向應該是選擇遠距離、大容量、高效率的特高壓直流輸電技術，為完善區域主干電網而應隨電源/負荷發展而再分區，更加關注本地控制與減少外部依賴的、以分布式可再生能源為主體的電網建設。
 
五、我國怎樣實現同步電網合理規模？
建議各大區電網結合將來的發展對現有分區結構進行進一步的研究，包括現有電網結構的規模，如何進一步再分區，使之更為合理，更為安全。
1.南方電網再分區已開始步入同步電網合理規模
南方電網東西距離最長（2000公里）， 以7回直流（2420萬千瓦）和8回500kV交流（約輸送800萬千瓦）線路并列西電東送的輸送總容量， 接近受端負荷的1/3，遠大于分散外接電源一般規定的10%。過去一回直流輸電曾發生過雙極閉鎖，如再發生，輸電電力轉移到并聯的交流回路，有可能造成電壓崩潰/失穩，從而失去全部西電東送電力，將引起重大停電。要可靠解決這樣的重大問題首先要從電網結構解決，光依靠遠方自動切機/解列/切負荷等方法難以保證其可靠性，2006年華中電網事故中，所裝設的安全自動裝置都未起應有作用，可以說它們只能作為輔助措施。
南網就是從實現同步電網合理規模來解決，規劃主網分2～3區，如實現分3大區后，西電東送廣東的500kV交流線路有的改為直流輸電，有的等于由長距離改變為中、短距離輸電，也解決交直流并列運行的不安全問題，安全重點已由[防止暫態失穩]轉為[防止電壓崩潰]，既能保證交流系統安全，特別是保持愈來愈多的直流輸電饋入廣東運行安全和短路電流超標問題。
    廣東直流饋入又快又多，三年來已由五個增至八個逆變站密集珠三角地區，總容量達2560萬千瓦，占廣東負荷約28%，密集的程度居世界首位，將來還要增加。所以當前和將來的關鍵是等如何防止長時（絕不能超過1秒）的電壓崩潰，否則有像巴西那樣造成多回直流站全停的危險，結果全部直流輸送功率全部轉移到并聯的交流500kV線路上而整個南網失穩全停。即使按將來規劃南網分三大區，不再會出現交直流并列方式，但廣東電網也有全停危險？因此怎樣支撐直流多落點？現已成為世界、特別是中國關注的重大問題。所以關鍵是應用直流將廣東電網再分東西兩個小區，一是控制500kV電網短路電流水平，既保持足夠的動態無功儲備，又不超標，適應今后更多的新建發電廠投入運行。二是合理的使各直流輸電分別落入不同區，任一區故障只影響本區直流，更適應將來更多的直流饋入。三是考慮容量最大的一回直流雙極閉鎖停運，但同時有其他直流和區間背靠背支援，綜合損失的電力不超過目前規定的旋轉備用6%，不會影響正常運行。同時廣東具備繼電保護可靠快速切除故障的能力，特別應繼續保持無功電力在各級電壓網分層分區基本平衡，使各發電機運行力率接近1.0，甚至像沙角C廠和抽水機蓄能等機組在低谷時進相運行，防止長時電壓崩潰，導至直流全停的危險。
2．采用直流將〈華東分四大區域電網〉合理規模的論證
從華東2015/2020年電源/負荷規劃研究合理的電網結構研究，根據國網公司2012年12月和2013年5月《華東“十二五”電網發展規劃》等三個報告，從2015/2020年華東各省市負荷需要和電源規劃證明，將來各個省市、包括安徽省都缺電，怎樣解決呢？一是繼續靠遠方直流輸電，二是在各城鎮負荷中心附近建新電源，各自作到電源/負荷基本平衡，互相之間不需要大規模輸電，現有500kV電網已滿足要求，根本不需要交流特高壓聯網。為了解決由于增設發電機組必然出現短路電流超標問題和保證更多直流饋入的安全問題，最經濟有效和安全可靠的辦法，還是貫徹《穩定導則》，按今后實際需要，釆用直流逐步將華東電網(隔離)異步互聯分為四個分區。各區事故互不影響，更不可能同時發生失穩/電壓崩潰/頻率崩潰瓦解事故。將來用直流隔離分為四大〈分區〉的總投資不超過62億元，約為華東交流特高壓聯網靜態投資（744億元）的十二分之一（8.3%），且長遠保證今后的運行安全可靠，又經濟。
3．各大區結合發展規劃也建議對電網合理規模作深入研究
各大區應研究南網再分區的經驗，隨著電源、負荷的發展，短路電流超標，提高穩定水平——交流長距離輸電改為中、短距離，適應多回直流輸電饋入，將來有沒有必要再分區？總之，我國六大區電網的發展趨勢是增加分區，才適應合理規模，更不應建交流特高壓聯網，反而擴大交流網區規模，從區內裝機/電網范圍/自由聯網方式都走上美國不安全道路；特別不同卻更危險的是交流特高壓比美國現有超高壓更不安全，又極其浪費，可見后果更為嚴重。