巴西大停電對(duì)河南電網(wǎng)的啟示

文 Article_王紅印 付紅軍 胡揚(yáng)宇 孫建華 王子琦

2011年2月4日，當(dāng)?shù)貢r(shí)間00:08，巴西東北部電網(wǎng)發(fā)生了大面積停電事故，事故覆蓋巴西東北部7個(gè)州，損失負(fù)荷約8000兆瓦，約占東北部電網(wǎng)總負(fù)荷（8883兆瓦）的91%，造成約1300萬(wàn)人生活受到影響。事故發(fā)生后，巴西東北部電網(wǎng)中部區(qū)域在停電52分鐘后首先恢復(fù)供電，8小時(shí)后，東北部電網(wǎng)主要負(fù)荷恢復(fù)完畢。這是繼2009年11月10日巴西、巴拉圭發(fā)生大停電事故后不到兩年時(shí)間內(nèi)發(fā)生的第二起特大停電事故，引起了世界廣泛關(guān)注。

前車之覆，后車之鑒。隨著“十二五”期間河南電網(wǎng)快速向特高壓電網(wǎng)邁進(jìn)，全國(guó)聯(lián)網(wǎng)樞紐地位進(jìn)一步凸顯，電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行面臨新的挑戰(zhàn)，而經(jīng)濟(jì)社會(huì)又好又快發(fā)展對(duì)電力的安全、可靠供應(yīng)提出了更高的要求。這就需要汲取此次事故的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，從全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的視角出發(fā)審視河南電網(wǎng)，加強(qiáng)電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)防控，提升電網(wǎng)抵御風(fēng)險(xiǎn)能力，防止發(fā)生大面積停電事故。

一、巴西電網(wǎng)概況及特點(diǎn)

2009年，巴西年用電量3880億千瓦時(shí)，1990年至2008年，平均年增長(zhǎng)率為3.8%，電網(wǎng)負(fù)荷達(dá)到51900兆瓦，其主要負(fù)荷集中于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的東南部地區(qū)。

巴西電源以水電為主。截至2009年年末，巴西全國(guó)總裝機(jī)容量104000兆瓦，其中水電裝機(jī)容量達(dá)74280兆瓦，約占總裝機(jī)的72%。另外，巴西還有部分天然氣、燃油、燃煤、核電、風(fēng)電和生物質(zhì)能機(jī)組。

圖1 巴西發(fā)電裝機(jī)組成（2009年年末）

目前，巴西電網(wǎng)最高交流電壓等級(jí)為765千伏，最高直流電壓等級(jí)為±600千伏。根據(jù)電壓等級(jí)和功能，劃分為輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)。巴西輸電網(wǎng)稱為國(guó)家互聯(lián)電網(wǎng)（SIN），交流主要包括230千伏及以上電網(wǎng)以及跨國(guó)輸電線路（138千伏），直流包括伊泰普水電站兩回±600千伏送出線路。SIN覆蓋了巴西約60%的國(guó)土和95%的人口。

從區(qū)域上，巴西電網(wǎng)可分為西北電網(wǎng)、北部電網(wǎng)、東北部電網(wǎng)、中西部電網(wǎng)、東南部電網(wǎng)和南部電網(wǎng)六大電網(wǎng)（如圖2所示）。SIN的四大電網(wǎng)公司分別主管此六大區(qū)域電網(wǎng)，四大區(qū)電網(wǎng)之間主要通過(guò)500千伏線路聯(lián)系。SIN電網(wǎng)由國(guó)家電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)及調(diào)度中心（ONS）進(jìn)行集中調(diào)度。

圖2 巴西區(qū)域電網(wǎng)

巴西電網(wǎng)具有以下特點(diǎn)：（1）電壓級(jí)差小，電壓序列繁多。目前巴西電網(wǎng)交流電壓等級(jí)包括750千伏、500千伏、440千伏、345千伏、230千伏、138千伏、88千伏、69千伏、44千伏、30千伏、25千伏、2.3千伏、220伏、110伏，等等。（2）電網(wǎng)發(fā)展不均衡。由于巴西電網(wǎng)近80%負(fù)荷集中分布在南部和東南部地區(qū)（包括中西部），這些區(qū)域電網(wǎng)是以500千伏為主網(wǎng)架，較為堅(jiān)強(qiáng)。但是，北部和東北部地區(qū)負(fù)荷發(fā)展相對(duì)緩慢，地區(qū)500千伏網(wǎng)架較為薄弱。其中，東北部電網(wǎng)主網(wǎng)架是以保羅阿方索水電樞紐為中心，向外輻射所形成的3個(gè)日字型500千伏網(wǎng)架構(gòu)成。（3）大區(qū)電網(wǎng)間聯(lián)系薄弱。SIN各大區(qū)電網(wǎng)間主要通過(guò)1～3回500千伏線路聯(lián)網(wǎng)，聯(lián)系較為薄弱。地區(qū)電網(wǎng)內(nèi)部存在電磁環(huán)網(wǎng)問(wèn)題，東北部電網(wǎng)內(nèi)密集分布500/220千伏電磁環(huán)網(wǎng)，以東部沿海最為集中。

二、事故經(jīng)過(guò)及初步分析

1．事故前電網(wǎng)運(yùn)行方式

事故時(shí)，東北部電網(wǎng)負(fù)荷8883兆瓦（據(jù)往年數(shù)據(jù)，約占巴西總負(fù)荷的14%）。保羅阿方索區(qū)域的水電廠出力5360兆瓦，占東北部電網(wǎng)機(jī)組出力的95.1%，供給60%的負(fù)荷。風(fēng)電、燃油分布于東部和東北部的沿海負(fù)荷中心，分別占電網(wǎng)出力2.6%、2.3%。東北部電網(wǎng)與其他電網(wǎng)交換功率如圖3所示，其受電比例達(dá)到36.4%。

圖3 故障時(shí)東北部電網(wǎng)與其他電網(wǎng)交換功率

事故前一天（2月3日17:25），圣若望皮亞威—米拉格里斯線路因緊急檢修停運(yùn)。該線路的檢修停運(yùn)減弱了保羅阿方索區(qū)域水電北送能力。

2．事故經(jīng)過(guò)

（1）00∶08∶00

路易斯貢扎加變電站中路易斯貢扎加—索布拉紐＃1線路故障，該線路#2主保護(hù)TLS1B板卡異常，導(dǎo)致失靈保護(hù)誤動(dòng)，跳開＃1母連接的所有開關(guān)，＃1線路斷開、＃1母失壓。由于該站主接線形式為3/2接線，N—1線路開斷對(duì)系統(tǒng)影響不大，系統(tǒng)維持穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）00∶20∶40之前

運(yùn)行人員在進(jìn)行路易斯貢扎加—索布拉紐#1線合閘操作時(shí)，因同樣保護(hù)板卡異常，失靈保護(hù)動(dòng)作跳＃2母。變電站雙母失壓后導(dǎo)致該站三個(gè)不完整串所帶線路全部陪停，再加之事故前圣若望皮亞威—米拉格里斯線路檢修，使得中部水電基地送往北部沿海城市的主要通道斷開，跳閘線路如圖4所示。

圖4 故障后變電站跳閘線路示意圖

（3）00∶20∶40

上述三回500千伏線路停運(yùn)后，系統(tǒng)內(nèi)潮流開始轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致部分線路過(guò)載跳開，而網(wǎng)內(nèi)的電磁環(huán)網(wǎng)進(jìn)一步惡化了這一過(guò)程，更多線路連鎖過(guò)載開斷，引發(fā)東北部電網(wǎng)的失步振蕩。

00:20:40，東北部電網(wǎng)與北部、東南部電網(wǎng)間的失步解列裝置動(dòng)作，切除網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)線，東北部電網(wǎng)與SIN解列，東北部電網(wǎng)進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行。系統(tǒng)頻率低至56.8赫茲，低頻減載動(dòng)作5輪次，加之負(fù)荷自身的低壓保護(hù)，共切除負(fù)荷5754兆瓦。低頻減載動(dòng)作后，系統(tǒng)于00:20:59頻率恢復(fù)至61赫茲。

（4）00∶21∶00～00∶21∶50

由于電網(wǎng)損失了約65%的負(fù)荷，系統(tǒng)出現(xiàn)高頻、過(guò)電壓?jiǎn)栴}，系統(tǒng)元件的高頻、過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作，切除部分電容器、線路以及發(fā)電機(jī)組，共計(jì)損失電源3338兆瓦。此時(shí)，東北電網(wǎng)頻率急劇下降，00:21:50系統(tǒng)頻率跌至46.5赫茲。

（5）00∶21∶50～00∶29∶00

系統(tǒng)低頻、低壓減載輪番動(dòng)作，系統(tǒng)頻率一直維持在47～48.5赫茲之間，這一過(guò)程共持續(xù)了7分20秒。至00:29:00系統(tǒng)完全崩潰。

3．事故后恢復(fù)

東北部電網(wǎng)中部區(qū)域在停電52分鐘后首先恢復(fù)供電。事故停電8小時(shí)后（即早上8點(diǎn)），東北部電網(wǎng)主要負(fù)荷恢復(fù)完畢。

三、事故暴露出的問(wèn)題及對(duì)河南電網(wǎng)的啟示

1．可靠的繼電保護(hù)裝置是電網(wǎng)安全運(yùn)行的前提

此次大停電事故的直接原因是路易斯貢扎加—索布拉紐#1線路保護(hù)裝置TLS1B的板卡異常，導(dǎo)致失靈保護(hù)誤動(dòng)，而該裝置運(yùn)行時(shí)間已長(zhǎng)達(dá)30年。

歷次大停電事故表明，繼電保護(hù)裝置的任何異常和不正確動(dòng)作都將有可能導(dǎo)致電網(wǎng)災(zāi)難性事故，繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行對(duì)大電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。因此，要加強(qiáng)對(duì)繼電保護(hù)裝置的運(yùn)行維護(hù)管理，對(duì)于運(yùn)行年限長(zhǎng)、元器件老化問(wèn)題嚴(yán)重的繼電保護(hù)設(shè)備要及時(shí)進(jìn)行改造。

2．堅(jiān)強(qiáng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)

巴西東北部區(qū)域電網(wǎng)的東北部沿海地區(qū)負(fù)荷中心主網(wǎng)架為220千伏等級(jí)，對(duì)外部供電依賴度高，缺乏500千伏電壓等級(jí)線路支撐能力，沒(méi)有形成堅(jiān)強(qiáng)的受端系統(tǒng)，使系統(tǒng)抵御連鎖事故能力嚴(yán)重不足。

隨著河南電網(wǎng)“承接特高壓，呼應(yīng)大中原”戰(zhàn)略的逐步實(shí)施，河南將接受來(lái)自新疆哈密±1100千伏特高壓直流以及華北、華中1000千伏特高壓交流電力，電網(wǎng)將呈現(xiàn)特高壓交直流混聯(lián)特性，電網(wǎng)潮流特性將發(fā)生根本性變化，河南電網(wǎng)穩(wěn)定特性也更趨復(fù)雜。同時(shí)，河南部分區(qū)域220千伏電網(wǎng)N—1方式下存在“一線帶多站”現(xiàn)象，電網(wǎng)抵御連鎖故障能力不足。因此，需要遠(yuǎn)近結(jié)合，充分考慮電網(wǎng)過(guò)渡運(yùn)行所面臨的復(fù)雜形勢(shì)，構(gòu)筑堅(jiān)強(qiáng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，為電網(wǎng)安全運(yùn)行奠定良好基礎(chǔ)。

3．合理均衡的電源布局有利于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行

一個(gè)負(fù)荷中心和多個(gè)分散的外部電源有利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，這是避免大面積停電極為有利的前提條件。然而，巴西東北部電網(wǎng)的電源單一且集中分布在中部的保羅阿方索區(qū)域，其他區(qū)域電源支撐能力匱乏。

隨著“十二五”期間河南電網(wǎng)節(jié)能減排力度的加大，機(jī)組關(guān)停逐步擴(kuò)大至200兆瓦，甚至300兆瓦容量機(jī)組，區(qū)域電網(wǎng)發(fā)用電形勢(shì)發(fā)生變化，電源布局與用電需求不協(xié)調(diào)的局面進(jìn)一步加劇。河南部分220千伏區(qū)域電網(wǎng)“空心化”特征愈發(fā)突出，供電能力主要依賴于500千伏主變?nèi)萘浚娋W(wǎng)無(wú)功支撐嚴(yán)重不足。因此，需要借鑒國(guó)內(nèi)東部發(fā)達(dá)省份電源在各電壓等級(jí)均衡接入的成功經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化電源布局，引導(dǎo)電源和電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

4．優(yōu)化的變電站主接線有助于提升電網(wǎng)抵御風(fēng)險(xiǎn)能力

路易斯貢扎加變電站作為樞紐變電站，在電網(wǎng)中的地位非常重要。但是從運(yùn)行角度看，該站出線配串不合理，不完整串占一半以上，區(qū)域間重要聯(lián)絡(luò)線均接于不完整串中。發(fā)生雙母失去故障后，三個(gè)不完整串所接線路全部陪停（如圖5所示），破壞了東北部電網(wǎng)中部與北部沿海城市網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，引發(fā)潮流大范圍轉(zhuǎn)移。

圖5 路易斯貢扎加變電站主接線圖

與路易斯貢扎加變電站類似，河南電網(wǎng)也存在部分配串和配出不夠優(yōu)化的500千伏和220千伏樞紐變電站，這些變電站一旦出現(xiàn)母線失壓故障，電網(wǎng)存在電壓失穩(wěn)、孤網(wǎng)運(yùn)行等問(wèn)題。為提升電網(wǎng)抵御風(fēng)險(xiǎn)能力，需要在電網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)階段高度重視變電站主接線方式，進(jìn)一步優(yōu)化元件間隔設(shè)計(jì)。

5．全面深入的電網(wǎng)穩(wěn)定評(píng)估是保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要手段

從目前掌握的信息來(lái)看，調(diào)度人員對(duì)處理路易斯貢扎加變電站母線失壓缺乏應(yīng)對(duì)措施。若事故前開展嚴(yán)重故障、連鎖故障對(duì)電網(wǎng)潮流和穩(wěn)定水平的影響分析，評(píng)估電網(wǎng)內(nèi)部500/220千伏電磁環(huán)網(wǎng)電網(wǎng)穩(wěn)定特性，并在此基礎(chǔ)上編制“變電站雙母失壓后切除相應(yīng)水電機(jī)組的控制措施和事故預(yù)案”，增強(qiáng)電網(wǎng)應(yīng)對(duì)故障的控制能力，就有可能避免電網(wǎng)的失步振蕩以及后續(xù)事故蔓延。

隨著特高壓擴(kuò)建工程的投產(chǎn)，河南電網(wǎng)運(yùn)行方式愈加復(fù)雜，電網(wǎng)控制難度進(jìn)一步加大。必須高度重視電網(wǎng)運(yùn)行方式，增強(qiáng)運(yùn)行方式分析力量，嚴(yán)格遵循沒(méi)有經(jīng)過(guò)穩(wěn)定分析的方式不得付諸運(yùn)行的原則。同時(shí)要積極探索多級(jí)調(diào)度協(xié)同工作機(jī)制，提前進(jìn)行電網(wǎng)運(yùn)行控制和事故處理策略研究的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，提高河南電網(wǎng)適應(yīng)性，確保特高壓全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

6．完善的第三道防線和機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)是防范系統(tǒng)崩潰的重要措施

巴西東北部電網(wǎng)在事故發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)了頻率、電壓相互交織的問(wèn)題，低頻減負(fù)荷和高頻切機(jī)輪番動(dòng)作，直至系統(tǒng)崩潰。

隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)呈現(xiàn)“牽一發(fā)而動(dòng)全身”特性，第三道防線成為保證電網(wǎng)的最后一道“生命線”。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)或負(fù)荷潮流發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)及時(shí)全面評(píng)價(jià)解列裝置、低頻/低壓減負(fù)荷、高頻切機(jī)等裝置和定值的有效性，定期開展機(jī)組涉網(wǎng)保護(hù)定值、勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)等機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)專項(xiàng)技術(shù)監(jiān)督。