隨筆之八-電網大停電分析

最近項目上出了點小問題，一直沒有總結。現在處理完了，繼續。

大停電分析這塊，有一些自己的理解，但更多的是看的事故分析報告，或者是老專家的培訓，總結出來，盡量理論和實際結合，供參考。

一、電網大停電概述

近四十年的世界範圍內嚴重電網大停電如下：

• 1965年北美大停電 - 損失 2,100萬千瓦

• 1978年法國電網電壓崩潰 - 2,900萬千瓦

• 1982年加拿大魁北克大停電- 1,547萬千瓦

• 1982年瑞典電壓崩潰 - 1,140萬千瓦

• 1996年7月美西部大停電 - 1,058萬千瓦

• 1996年8月美西部大停電 - 3,050萬千瓦

• 2003年義大利大停電 - 1,421萬千瓦

• 2003年美加大停電 - 7,000萬千瓦

• 2005年莫斯科大停電 - 3,539萬千瓦

• 2003年印度大停電 - 3,567萬千瓦

二、電網大停電一些規律

1）大多數都發生在自由聯網的電網結構，負荷可經電網向另一電網任意傳送；

2）所有的大停電都經厲過類似的不受控制的連鎖反應，結果都使電網四分五裂,自由聯網結構的要害是負荷轉移，必然促進惡性循環, 發展規律如下：

• 線路過負荷(低電壓下)跳閘或故障(如碰樹)跳閘，負荷轉移到並聯的線路，特別增大無功損耗、電壓下降，更易連鎖反應引起更多線路過負荷跳閘和更大負荷轉移
• 同樣原因，同時或繼而引起穩定破壞

• 距離保護在失步振蕩時跳閘，斷開的都不是預設的解列點(自由聯網根本無法設解列點)，系統四分五裂，結果發電、用電不平衡，最後大停電。

各國電網大停電規律的歸納：

第一階段：為甚麼會發生穩定破壞？

• 自由聯網的電網結構是構成負荷可轉移，促成連鎖反應,導至電壓崩潰,失穩振蕩的基礎條件

• 設定繼電保護(原理和整定)思路不當,特別在低電壓下不能防止過負荷誤動,促成連鎖反應

第二階段：為甚麼會發生大停電？

• 一旦失穩，如果事先沒有「保持系統完整性」的安排，在振蕩周期短時、距離保護陸續動作，使系統四分五裂；很多發電機組也因振蕩跳閘,無計劃分裂小區因缺電源而大停電；

• 一旦失穩，如能「保持系統完整性」，多年實踐證明、系統將會在短時內再同步，這是迅速恢復系統正常運行，避免大停電的最佳辦法。

當然，是否要保持系統完整性也是業內一個爭議的話題，稍後再述。

三、防止電網大停電的一些經驗

1）建立合理的AC/DC電網結構

要保證大電力系統的安全穩定運行、首要的條件是要有一個合理的電網結構，電網結構方面主要有以下原因：

• 大電源集中的遠距離向負荷中心送電方式。瑞典400kV輸電網和加拿大魁北克735kV電網的共同特點是水電資源比較集中，又遠距負荷中心，通過多迴路並列的超高壓輸電線由集中電源向負荷中心送電。當然形成這種結構的方式受到電源和負荷地理條件的限制，實踐證明這種結構在單一故障時，穩定不會有問題。但如出現多重故障、就有發生全網性大停電事故的可能；

• 單回線大環網結構;我國東北大連、營口、水豐、鞍山的800krn單回大環網結構穩定性非常差，過去曾多次發生開環運行時靜穩定破壞事故，以及閉環運行時單相接地就可能造成暫態穩定破壞事故；
• 高低壓電磁環網。高低壓線路同時存在於同一區段，若高壓線路故障，負荷將轉移到低壓線路上，引起過負荷跳閘，處理不好會形成很嚴重問題。

參考中國電網的發展歷程，上世紀七十年代國內電網穩定事故嚴重，通過一是抓電網穩定和電網結構，二是抓繼電保護，效果明顯。

上面這起較大的電網事故起因是，ABB的保護誤動，500kV嵩鄭雙回線跳閘後，原線路178萬千瓦的負荷完全轉移到和它電磁環網的220kV系統，先過負荷繼而穩定破壞，系統振蕩不僅波及西到四川的華中全網，而且波及到華北電網。

然而，這次華中電網振蕩根本不會波及和它以直流穩控聯網的西北、華東和華南大區。這就是直流聯網限制了事故擴大的重大作用；華中和華北是交流聯網，振蕩必然波及了華北，但由於是弱聯繫聯網，振蕩一開始將聯網的單回500 kV線路解列，避免了華北電網損失去，所以可見大區間交流弱聯繫聯網非長遠之計，最安全可靠的還是直流穩控聯網。

我國目前高壓直流應用非常廣泛，尤其是南網，存在以下特點：

• 不存在系統穩定問題

• 功率是可控的,無負荷轉移問題

• 仍需交流系統無功功率支持

• 交流系統故障，會換相失敗，直流功率短時急降

• 個別會發生雙極閉鎖，直流功率短時急降

美國能源部根據2003年2月總統指示：「為了保經濟、保安全…全國電網必須現代化改造…」；在2003年召開了兩次「國家電網預想會議」，主要是建立由東岸到西岸、北到加拿大，南到墨西哥的跨越全國的主要採用超導技術、電力儲存技術和更先進的全國直流輸電骨幹網架，按實際需要各是300～1000萬千瓦的輸送容量。

目前美國有三個交流同步網、都是複雜自由聯網構成，就是它不分區、不分層，電力潮流可以自由的通過電網送電網，構成極不安全又複雜的電網結構。所以造成了多次嚴重大停電、包括2003年美加大停電如果實現2030年電網預想、有了跨越全國 直流網架，就可以將原有複雜自由電網，分成更多由直流來隔離、控制、事故支援的較小同步網區，從而徹底解決美國百年來的交流複雜自由聯網結構無法解決的根 本問題。

2）保持系統完整性

這點存在一定爭議，失穩後如何發展為大停電？是否可以避免大停電的發生？實際存在兩種截然不同的理據，使現實存在兩種不同原理的保護控制裝備，使失穩後帶來各種不同的後果

第一種理據是美國「NERC規劃準則 (NERC PLANNING STANDARD)」, 它允許發電和輸電系統的保護在失穩時跳閘。結果美國許多大停電、還有加拿大、義大利、台灣等等在失穩時，許多發電機和線路跳閘，使系統四分五裂而大停電。

第二種理據是中國「電力系統安全穩定導則」規定的第三道防線。國內電網即使發生失穩，因電網結構和保護可保持系統的完整性，在振蕩中心附近可能損失局部負荷，大多數都會在短時內自動恢復同步所以各大區貫徹導則20多年來末發生過系統四分五裂的大停電。

沒有保持系統完整性，系統瓦解的實例：

世界上事實證明暫態穩定破壞不可能絕對避免，一旦發生，實踐上有三種後果：

• 不可控–自由的連鎖反應(如美加大停電等)使系統瓦解、四分五裂、最後大停電

• 保持系統完整性–即使損失部分負荷，失 穩後實踐證明系統大多在短時內恢復同步，既防止了大停電，又是系統在短期內恢復正常運行的最佳辦法

• 有計劃解列(如網間交流聯絡線)作為後備

是否應保持系統完整性的根本分岐在於：

• 美國一貫認為發電容量充裕，為保護髮電機組，電網上有風吹草動就把它切除，沒想到這是引起大停電的原因之一，也不接受教訓，所以NERC規劃準則仍然允許它們跳閘

• 系統發生失步振蕩過程中，不解列設備會有損壞的危險。害怕失步振蕩損壞設備根本毫無事實根據（國際上雖無承受失步振蕩能力的標準。但世界上所有發電機都必須按照 IEC 34-3標準設計）,但為此卻發生多少損失慘重的大停電？失步振蕩大多發生在長距離輸電(弱聯繫)的系統,此時振蕩中心都穿越線路,對發電 機根本毫無危險,不應跳閘.但2003年美加 大停電事故,在系統失步振蕩時、線路保護(Z1)跳閘促成四分五裂同時,又有488台機組失步保護等跳閘,迫使大停電，只有短距離輸電(強聯繫)系統失穩時，振蕩中心才有可能穿越升壓變或發電機，但發生機率很低，此時由其失步保護跳閘，這才是完成大電網和大機組協調成果之一。

3）動態緊急無功儲備

按大停電的規律分析，無功不足既是引起連鎖反應的重要條件、又是惡化惡性循環的根源。

美加事故報告分析：如事前 FE 有 低壓減載UVLS -1500 MW(相當1800-2400MVAr的無功儲備)就可避免此次事故,可見緊急無功儲備是多麼的重要。

日本東京電力在美加大停電兩次會議發言：東京電壓崩潰事故後，裝設盡多的電容器，使發電機低勵磁運行，常時備有大量無功緊急儲備，防止了電壓崩潰。

無功分層就地平衡的思路

曾對廣東中調和供電局調查，基本有條件實行無功分層,分區就地平衡,不旦可儲備大量動態緊急無功,更大大降低線損,提高電壓質量。

• 最高一級電壓網架無功首先要就地平衡，改變在低谷時無功下送，甚至一直送到用戶的局面

• 低谷時500kV線路負荷如低於自然功率(1000MW)時,則線路的剩餘無功，送端應由發電機吸收， 受端應由500kV變電所低壓電抗器吸收(或長線路如有高壓電抗器吸收)

• 高峰時500kV線路負荷如超出自然功率，送端應由發電機送出無功補償線路無功損耗，受端應由500kV變電所投切電容補償

• 中間各級電壓網的有載調壓變壓器抽頭和配備的自動投切電容器都按就地無功完全補償(原則無功盡量不通過變壓器)
• 用戶級配電變壓器無功就地平衡, 60%電容可使負荷力率由0.8提高到1.0，可見目前基層已配備大量電容，有條件可以發揮其潛力
• 很多地方末能接受無功分層就地平衡的建議,因為廠網分家,發電機按老習慣不能吸收無功，實際上全世界發電機標準(包括中國)都可進相0.95功率運行。

另外，靜補SVC 和 STATCOM 也可作緊急動態無功，但它成本高，如用進口設備，則更高在防止電壓崩潰上，它們不如有強行勵磁的現成發電機好，何況我們是發揮現有設備的潛力，不需大量投資。SVC 和 STATCOM應用於長距離輸電的中間站補償電壓，以提高輸送容量，沒有必要用於內部環網防止電壓崩潰 。

4）繼電保護和穩定控制的重要措施

從國內外一些大事故的經驗來看要搞好安全穩定措施，應當特別重視以下幾個問題。

• 線路保護控制裝備的水平：1）採用快速保護，加快保護切除故障時間。加快保護動作時間是保證系統安全穩定運行的最基本，最有效措施。要保證三相短路故障不失穩，首先要加快保護動作時間。2）選用較佳的重合閘時間以提高抗禦重合於永久性接地故障的能力

• 發電機保護：按大電網和大機組的協調，既要保持系統完整性，更要保護髮電機的安全。失步保護前面已經說過，關於後備保護，作為發電機的後備保護，不應使用過電流保護而應使用距離保護，並和本廠出線的所有距離保護在整定上配合，因為過流保護不可能和距離保護合理的可靠配合，電廠任何保護都不應因線路過負荷動作跳閘。

• 發電機勵磁和自動電壓調整器(AVR)，美加大停電中，在FE地區無功嚴重不足時，第一台Eastlake U5 跳閘就是保護和控制-過勵磁限制器(Overexcitation Limiter-OL)不配合，電壓低時它不起限制作用，無功超出額定，保護將AVR跳至手動，結果無功大降，運行恢復AVR時跳閘。這是大電網和大機組配合的一個大問題，如電網因遠方輸電或HVDC故障引起電壓急降、急需發電機強行勵磁支持電壓時，某些發電機因此跳閘，將起反作用，對安全大為不利。

• 水輪發電機組調速控制，為了迅速拉入同步，水輪機調速系統應自動的在比額定轉速高時加大減速，而在低轉速加大提速，促使失穩電網迅速恢復同步。
• 低壓減載和有載調壓變壓器電壓閉鎖。

• 低頻減載，從電網大停電事故反映突出的頻率問題，就是發電機組的低頻保護、特別是核電廠冷卻介質泵的低頻保護必須和當地電網的低頻減載配合。事故引起頻率降低時，應由低頻減載解決，不應使發電廠跳閘。很多事實說明按頻率降低自動減負荷在沒有造成頻率下降的事故情況中或是當電壓出現緩慢待續下降時可能不動作，只有果斷地進行切除部分負荷才能成功地制止頻率和電壓崩潰。
• 有計劃的預設自動解列 ，解列點的分析在之前的一個文章裡面提過，這裡就不再贅述。

以上即為本次總結內容，很多都來源於老專家的經驗，由於過於宏觀，自己不可能參與實踐，權作總結，加深對這方面的認識。
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