南方區域西電東送輸電效益提升措施研究

雷成 ，黃豫 ，唐金銳

（1. 南方電網能源發展研究院有限責任公司，廣州510600；2. 武漢理工大學自動化學院，武漢430070）

近年來，作為南方電網的送端省份，在水電集中投產和省內負荷增長放緩的影響下，云南棄水問題十分突出，“十三五”前三年年均棄水電量約250億kWh。同時，“十三五”末“十四五”初南方電網將相繼投產烏東德電站送電廣東廣西特高壓多端直流示范工程和云貴互聯通道工程，西電東送主網架將發生深刻變化，運行方式復雜多變，預計未來幾年云南棄水電量仍可能處于較高水平。保障清潔水電充分消納是南方區域西電東送戰略實施的重要內容，合理的水電消納措施將提高西電東送輸電效益和電網的安全穩定運行。

水電消納涉及水電項目建設時序與規模、本地高載能產業發展、輸電通道規劃建設、電網安全運行等多方面，是一個非常復雜的系統性問題。文獻［1］從規劃建設的角度研究云貴互聯通道對消納云南富余水電的作用，文獻［2-9］從電網運行、電力市場的角度分析西電東送規模和送電曲線對水電資源配置、受端電網安全穩定運行、新能源協調發展的影響，文獻［10-16］從市場化和政策角度研究電力市場與電價、碳排放權、可再生能源電力配額制等激勵機制來促進市場成員主動消納可再生能源。上述文獻側重于宏觀定性分析，研究角度相對單一，缺乏系統性研究。

本文基于我國第一個特高壓多端直流將應用于南方區域西電東送的背景，系統性研究云南富余水電消納措施，量化分析未來一段時間內南方區域棄水形勢，提出云南富余水電消納方向，在此基礎上明確西電東送通道輸電能力及裕度，基于統籌協調的原則，有針對性地提出現有通道優化利用和兩廣斷面輸電能力提升兩類清潔水電消納的措施，首次實現規劃環節和調度運行環節的協調統一，進一步提高南方電網西電東送通道的利用效率和輸電效益。

1 南方區域供需形勢

“十三五”末“十四五”初，云南集中投產烏東德、白鶴灘等水電站，同時省內負荷增速放緩，導致較多富余水電需外送，富余規模2 GW～12 GW。貴州電源以煤電為主，調節能力強，但受煤炭產能和環保空間約束，剩余煤電發展空間有限，電力供應將由盈余轉為虧損。廣東是南方區域最大負荷中心，占整個區域負荷的六成左右，電力市場空間最大，云南富余水電優先考慮送往廣東消納。廣西接受金中、烏東德送電廣東廣西直流送入的6 GW 電力后，豐水期存在2.9 GW～5.3 GW 電力盈余。各省區豐水期電力供需形勢如圖1所示。

2 西電東送電網輸電能力

目前，南方電網已形成“八交十直”+魯西背靠背的西電東送主網架，輸電能力超過49.5 GW，協議送兩廣規模達到44.5 GW。“十三五”末“十四五”初，烏東德送電廣東廣西直流投產后，西電東送輸電能力超過57.5 GW，協議送兩廣規模達到52.5 GW。豐水期，西電東送協議外送直流基本處于滿送狀態。交流方面，云廣斷面包括魯西背靠背和永富直流，輸電能力5.9 GW（扣除網損），協議送電1.5 GW，其中有0.2 GW 電力通過金中直流轉送，通道輸電裕度約4.6 GW；貴廣斷面包括金州-天二單回、獨山-河池雙回以及黎平-桂林雙回共5回500 kV 線路，通道輸電能力2.95 GW，協議送電2.6 GW，其中送電廣東2.0 GW、送電廣西0.6 GW，通道輸電裕度約0.35 GW；兩廣斷面包括桂林-賢令山雙回、賀州-羅洞雙回、梧州-羅洞雙回和玉林-茂名雙回共8 回500 kV 交流線路，通道輸電能力8.1 GW，協議送電5.78 GW，通道輸電裕度約2.3 GW。南方電網西電東送各省（區）間交流斷面情況如圖2所示。

由圖可知，云廣斷面與兩廣斷面通道裕度并不匹配，云南難以充分利用云廣斷面4.6 GW 通道裕度將富余水電全部轉送至廣東消納。針對該問題，文章提出了兩類解決思路：（1）不改變現有各省（區）間斷面輸電能力，通過優化通道運行方式，來實現云廣斷面的充分利用；（2）提高兩廣斷面輸電能力，來滿足云南富余水電轉送廣東的需求。

3 現有通道優化利用措施研究

3.1 廣東、廣西、貴州消納云南富余水電能力

廣東電力缺口大、調峰能力強，可充分利用云廣斷面與兩廣斷面通道裕度消納云南富余水電。廣西“十三五”末“十四五”期間存在少量電力盈余，但從接受優質電力，減少云南棄水，消納清潔能源，實現水電資源的充分利用與優化配置角度，可在不增加廣西棄水的原則下接受云南富余水電。貴州以火電為主，調峰性能好，與云南水電互補性較強，為減少云南棄水，緩解貴州電煤供應不足，應充分利用云貴互聯通道和西電東送交流通道，開展水火發電權置換，豐期增送云南富余水電，貴州將豐期電煤留存枯期使用，維持黔電送粵協議規模。

3.2 云南富余水電增送廣東、廣西措施

云南增送廣東、廣西各2.3 GW 富余水電。考慮云南增送廣東2.3 GW 富余水電后，云廣斷面還有2.3 GW 裕度，在不增加廣西棄水的原則下，廣西豐期接受云南水電。2019—2022 年云南送廣西最大電力2.3 GW、年送出電量39 億kWh～46 億kWh，2023 年最大電力降至1.8 GW、送出電量約29 億kWh，2024 年開始不具備送電能力。云南送廣西的水電曲線如圖3所示。

3.3 云南與貴州水火交流互濟措施

受電煤供應和環保制約，貴州維持現有西電東送規模較為困難，考慮豐期交流通道不送廣東。云南利用外送通道富余能力4.6 GW 轉送豐期盈余水電至廣東，兩廣交流斷面送電能力需達到8.2 GW（廣東交流入口），現有斷面送電能力基本滿足要求。2019～2022 年送出最大電力4.6 GW，年送出電量為 6.6 TWh～8.2 TWh。2023～2025 年送出最大電力逐漸減小，2025年不具備互濟能力。云南送廣東的水電曲線如圖4所示。

4 兩廣斷面輸電能力提升措施研究

4.1 兩廣斷面輸電能力提升需求

兩廣斷面輸電能力提升需求由其輸送功率和輸電能力決定的。兩廣斷面輸送功率與云電、貴電和龍灘電站送電廣東容量密切相關。若貴電通過貴廣斷面減少送廣東容量，兩廣斷面輸送功率將有所下降。相應地，豐水期云南水電通過云廣斷面增加送廣東容量時，兩廣斷面輸送功率將升高。按照云電送粵、黔電送粵協議，計入天生橋、龍灘電站送電廣東容量，扣減直流通道轉送容量以及按5%扣除交流通道輸電損耗，兩廣斷面交流通道協議送電5.78 GW。若進一步利用云廣斷面裕度增送4.6 GW云南富余水電至廣東，則兩廣斷面輸送功率將達到9.95 GW。

兩廣斷面輸電能力并不是一成不變，其大小受線路傳輸能力、潮流分布和廣東部分500 kV變電站單相短路中開關拒動故障考核等因素的影響。目前，兩廣斷面輸電能力約8.1 GW，2020 年受梧州地區負荷增長影響兩廣斷面輸電能力約7.9 GW，2021年烏東德直流廣西側投產后兩廣斷面輸電能力下降到7.2 GW。經測算，若及時實施來梧、柳桂線路溫升改造，兩廣斷面輸電能力將維持8.1 GW。

因此，不考慮實施溫升改造，2019～2021 年兩廣斷面輸電能力提升需求分別為1.85 GW、2.05 GW、2.75 GW。實施溫升改造，兩廣斷面輸電能力提升需求維持1.85 GW，如表1所示。

4.2 溫升改造措施

兩廣斷面輸電能力受來梧、柳桂線“N-1”熱穩限制，而線路熱穩極限主要由其載流量決定。根據摩爾根簡化載流量計算公式，見式（1），導線載流量不僅與導線材料、截面、吸熱系數、輻射系數、允許溫度等自身特性有關，而且與環境溫度、風速、日照強度等外界環境條件有關［17］。來梧、柳桂線為已有線路，導線材料、截面、吸熱系數、輻射系數一定，環境溫度、風速、日照強度若按規程規范要求和線路運行地區自然條件綜合設定，導線允許溫度的取值就成為影響載流量的主要因素，來梧、柳桂線溫升改造前的基本情況如表2所示。

表1 兩廣斷面輸電能力提升需求Tab. 1 Increasing demand for transmission capacity of Guangdong and Guangxi section

式中：I為導線載流量（A）；θ1為導線最高允許運行溫度，取80 ℃；θ0為環境溫度，來梧線取36 ℃，柳桂線取 35 ℃；ν為風速，取 0.5 m/s；D為導線外徑（m）；ε為導線輻射系統，取0.9；S為斯蒂芬-包爾茨曼常數，取5.67×10-8W/m2；α為導線吸熱系數，取 0.9；β為日照強度，取 1 000 W/m2；k、R分別為導線溫度為θ1時的交直流電阻比和直流電阻。

表2 來梧、柳桂線溫升改造前的基本情況Tab. 2 Basic situation of Laiwu，Liugui transmission line before temperature rise modification

對來梧、柳桂線實施溫升改造，將導線最高允許運行溫度提高到80 ℃，校核升溫對導線及配套金具機械性能、對地及交叉跨越安全距離的影響，對局部地區導線弧垂對地及交叉跨越間距不滿足要求的實施舊塔改造或增加新塔。溫升改造后，來梧、柳桂線載流量分別達到2.689 kA、3.205 kA，熱穩極限分別提高到2.32 GW、2.77 GW，提升兩廣斷面2020 年和2021 年輸電能力分別為0.2 GW、0.9 GW，兩廣斷面輸電能力將維持8.1 GW。

4.3 串補投退措施

南方電網實施異步聯網工程后，穩定問題不再成為限制云電送粵輸電能力的制約因素。兩廣斷面上串補裝置的功能逐步從提高系統的穩定水平轉變為調控通道送電潮流。通過串補的投退，可實現對通道潮流的控制，使兩廣斷面潮流分布更為合理，從而提高斷面輸電能力。經測算，串補投退措施可提升兩廣斷面輸電能力約0.4 GW。

4.4 加裝輸電線路在線監測系統措施

由4.2 節可知，線路載流量的計算與外界環境條件密切相關。通過輸電線路在線監測系統對導線狀態（線路溫度、張力、弧垂等）和環境條件（環境溫度、日照、風速等）進行動態監測，在不違背現行技術規程的條件下，根據實際運行環境核算載流量，充分挖掘輸電線路的隱性容量。根據相關研究，加裝輸電線路在線監測系統可提高線路輸送容量10%～30%。

利用載流量計算公式對兩廣斷面受限線路在不同環境溫度下的輸送能力進行測算，結果如表3 所示。當實際環境溫度低于設計環境溫度6 ℃時，受限線路來梧、柳賀、桂山線輸送能力提升約6.6%，提升效果較明顯。

表3 不同環溫下輸送能力比較Tab. 3 Comparisons of circuits transmission capacity under different environmental temperatures

5 輸電效益提升措施實效性評估

輸電效益評估主要考慮經濟效益和綠色效益兩方面。經濟效益包括各措施實施后可新增的西電東送電量和過網費收入，綠色效益包括節省煤炭使用量、減少污染物排放、提升可再生能源電力總量配額指標等。現有通道優化利用類措施和串補投退措施無需新增投資，其增送電量和新增過網費為凈收益，在排除電網運行風險的情況下優先實施。溫升改造和加裝在線監測系統的輸電效益計算結果如表4～表5 所示，兩個措施的新增過網費均遠高于投資費用，經濟效益較好。同時，各提升措施均是增送云南富余水電到廣東消納，綠色效益顯著，不僅可以節省大量燃煤、降低污染物排放，同時也能有效提升廣東可再生能源電力總量配額指標。

表4 經濟效益評估Tab. 4 Economic benefit assessment

表5 綠色效益評估Tab. 5 Green benefit assessment

6 結論

本文基于我國第一個特高壓多端直流將應用于南方區域西電東送的背景，系統性地研究了云南富余水電消納措施，量化分析了未來一段時間內南方區域棄水形勢，提出了云南富余水電消納方向，在此基礎上明確西電東送通道輸電能力及裕度，基于統籌協調的原則，有針對性地提出了現有通道優化利用和兩廣斷面輸電能力提升兩類清潔水電消納的措施，并利用經濟效益和綠色效益等輸電效益評估方法對其進行了實效性評估。首次實現了規劃環節和調度運行環節的協調統一，進一步提高了南方電網西電東送通道的利用效率和輸電效益，促進了云南清潔水電消納，緩解了棄水壓力，降低了污染物排放，提升了南方區域非化石能源消費比重。