巴西大停電的分析及對(duì)云南電網(wǎng)的啟示

段榮華，段平生，黃偉

（云南電力調(diào)度控制中心，昆明 650011）

0 前言

巴西輸電網(wǎng)絡(luò)主要是由全國(guó)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)(SIN- Sistema Interligado Nacional)和部分獨(dú)立電網(wǎng)構(gòu)成，而全國(guó)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)連接了全國(guó)主要發(fā)電站和絕大多數(shù)用電地區(qū)(一般分為南部、東南部、中西部、東北部和北部)，而獨(dú)立電網(wǎng)主要分布在亞馬遜地區(qū)。大部分輸電線路都集中在東南部、南部和東北部主要城市，幾條超高壓輸電線路主要連接伊泰普水電站、美麗山水電站以及馬代拉河上游大型水電站與主要用電區(qū)域—東南部地區(qū)。

全國(guó)電力調(diào)度中心(ONS - Operador Nacional do Sistema Elétrico)負(fù)責(zé)全國(guó)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)(SIN)上各電站和輸電線路之間的統(tǒng)一調(diào)度，保證區(qū)域間電力供應(yīng)與安全。主要由各發(fā)電、輸電、配電以及大型用電企業(yè)組成截止到2015年底，全國(guó)裝機(jī)容量為1.42億千瓦。水力發(fā)電裝機(jī)容量占到總?cè)萘康?4.8%，火力發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)27.8%，風(fēng)能達(dá)到6%，核能達(dá)到1.4%。由于資源分配不均，同南方電網(wǎng)類似，巴西電網(wǎng)需要進(jìn)行全境內(nèi)的資源優(yōu)化配置。需要建設(shè)長(zhǎng)距離輸電通道將北部、東北部水電送入東南部負(fù)荷中心，東南部電網(wǎng)受電比例通常達(dá)30%左右；形成典型“北電南送”格局。

圖1 巴西電網(wǎng)接線示意圖

1 大停電事故經(jīng)過(guò)

1.1 事故前運(yùn)行方式

本次大停電發(fā)生地點(diǎn)在±800kV美麗山水電站直流送出工程，該工程一期項(xiàng)目輸送容量400萬(wàn)千瓦，線路長(zhǎng)度2092千米，并新建±800千伏欣谷（Xingu）換流站、伊斯坦雷都換流站。

圖2 ±800kV美麗山水電站直流送出工程示意圖

目前，一期工程處于運(yùn)行過(guò)渡期，送端欣谷（Xingu）換流站受工期影響，500kV交流母線B尚處于建設(shè)期，僅交流母線A投運(yùn)。巴西電監(jiān)會(huì)（ANEEL）為了滿足美麗山水電站的電力送出，提前獲得電站收益，同意投產(chǎn)過(guò)渡期采用單母線運(yùn)行方案。

圖3 ±800kV美麗山水電站直流送出一期工程交流場(chǎng)接線圖

事故發(fā)生前，巴西電網(wǎng)全網(wǎng)負(fù)荷79360MW，500kV主網(wǎng)系統(tǒng)頻率、電壓運(yùn)行正常。美麗山直流輸電工程一期事故前正常運(yùn)行，輸送功率近4000MW，送端換流站交流側(cè)采用單母線臨時(shí)運(yùn)行方式，送端的美麗山水電站7臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，總出力4029MW，與美麗山直流輸送功率基本匹配。

1.2 事故發(fā)生過(guò)程

直流一期進(jìn)行滿功率（4000MW）試驗(yàn)，直流升功率過(guò)程中，送端欣谷換流站500kV分段開關(guān)（9522）電流超過(guò)過(guò)流保護(hù)定值（4000A），開關(guān)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作跳閘，導(dǎo)致直流系統(tǒng)所在母線A失壓（母線B已停運(yùn)進(jìn)行設(shè)備安裝），換流站失去僅有的交流電源，失壓后950ms直流雙極閉鎖。

直流閉鎖后，直流控保認(rèn)定交流母線失壓信號(hào)無(wú)效，將直流閉鎖信號(hào)及無(wú)效信號(hào)發(fā)至穩(wěn)控裝置，穩(wěn)控裝置判定信號(hào)無(wú)效，未將切機(jī)命令發(fā)至美麗山水電站，導(dǎo)致美麗山電站送出功率經(jīng)北部、東北部與東南部交流通道迂回送至東南部電網(wǎng)，由于系統(tǒng)振蕩，線路電壓低、電流大，線路過(guò)負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作跳閘，造成北部與東南部、北部與東北部、東北部與東南部多回線路連鎖跳閘，直至解列。

圖4 大停電時(shí)巴西電網(wǎng)運(yùn)行示意圖

北部電網(wǎng)因功率過(guò)剩，頻率高達(dá)71.69Hz并發(fā)生振蕩，電網(wǎng)基本全停。巴西南部電網(wǎng)解列后，南部區(qū)域低頻減載第一輪動(dòng)作，切除約3665MW負(fù)荷，電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5 大停電時(shí)巴西南部電網(wǎng)頻率變化

巴西東北部電網(wǎng)解列后低頻減載全部輪次（5輪）動(dòng)作，系統(tǒng)頻率恢復(fù)至60Hz，后因Paulo Afonso水電廠及部分火電廠機(jī)組保護(hù)動(dòng)作甩機(jī)導(dǎo)致頻率再次下降、最終崩潰。

圖6 大停電時(shí)巴西東北部電網(wǎng)頻率變化

2 暴露的問(wèn)題

1）交直流并聯(lián)電網(wǎng)存在的結(jié)構(gòu)性問(wèn)題：北部與南部電網(wǎng)形成交直流并聯(lián)運(yùn)行，直流系統(tǒng)故障將引起潮流大范圍轉(zhuǎn)移至交流系統(tǒng)，造成交流線路過(guò)載，電壓失穩(wěn)等事故，從而發(fā)生連鎖故障，并引發(fā)系統(tǒng)連鎖反應(yīng)，嚴(yán)重情況下導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

2）電網(wǎng)運(yùn)行方式安排不合理：換流站交流場(chǎng)尚在建設(shè)過(guò)程中，采取單母線運(yùn)行方式，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)很大，單一開關(guān)或單一母線跳閘均可能導(dǎo)致直流系統(tǒng)失壓，引發(fā)直流雙極閉鎖。

3）母線分段開關(guān)過(guò)流保護(hù)定值管理不到位：開展直流滿功率試驗(yàn)前，500kV分段斷路器（9522）出廠設(shè)定值為4000A，運(yùn)行中未下發(fā)新的定值，試驗(yàn)期間開關(guān)實(shí)際電流達(dá)到動(dòng)作定值導(dǎo)致過(guò)流保護(hù)動(dòng)作跳閘（事故后該定值調(diào)整為5000A）。

4）電網(wǎng)運(yùn)行嚴(yán)重依賴穩(wěn)控系統(tǒng)，穩(wěn)控系統(tǒng)管理存在較大問(wèn)題，沒(méi)有考慮500kV兩條交流母線同時(shí)失壓的極端情況，更沒(méi)有考慮單母線過(guò)渡運(yùn)行時(shí)失壓的情況，導(dǎo)致直流閉鎖后穩(wěn)控系統(tǒng)拒動(dòng)，引發(fā)大面積停電。

5）機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)管理不到位，導(dǎo)致東北部事故擴(kuò)大，東北部電網(wǎng)解列低頻減載動(dòng)作后，系統(tǒng)頻率基本可穩(wěn)定接近至60Hz，后因水電廠及部分火電廠機(jī)組保護(hù)無(wú)序動(dòng)作甩機(jī)，導(dǎo)致事故進(jìn)一步擴(kuò)大?；痣姍C(jī)組頻率低于58.5Hz超過(guò)10s動(dòng)作，未能與系統(tǒng)低頻減載配合。

6）第三道防線考慮不周，導(dǎo)致東北部電網(wǎng)頻率崩潰,事故過(guò)程中，東北部電網(wǎng)與主網(wǎng)解列后，該區(qū)域電網(wǎng)低頻減載全部動(dòng)作，系統(tǒng)短時(shí)維持穩(wěn)定運(yùn)行（10秒左右），再發(fā)生區(qū)域內(nèi)機(jī)組跳閘后，系統(tǒng)已無(wú)低頻減載措施，導(dǎo)致頻率崩潰。

3 啟示和反思

1）堅(jiān)強(qiáng)、合理的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ),巴西北部、東北部電網(wǎng)的網(wǎng)架較為薄弱，尤其是北部電網(wǎng)僅通過(guò)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)將地區(qū)水電站串聯(lián)送出至南部，且交直流并聯(lián)運(yùn)行，直流一旦故障對(duì)北部交流電網(wǎng)沖擊大，潮流大范圍轉(zhuǎn)移極易引發(fā)連鎖故障。云南異步運(yùn)行后，主網(wǎng)大容量直流雙極閉鎖等嚴(yán)重故障導(dǎo)致主網(wǎng)功角失穩(wěn)問(wèn)題極大緩解，但是省內(nèi)還存在大量高低壓電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行方式，高低壓線路同時(shí)存在于同一區(qū)段，若高壓線路故障，負(fù)荷將轉(zhuǎn)移到低壓線路上，引起過(guò)負(fù)荷跳閘，二次措施控制不到位可能導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。

建議：高度重視交直流并聯(lián)運(yùn)行、電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)的系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)，研究加強(qiáng)完善云南電網(wǎng)一次網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)階段統(tǒng)籌謀劃，應(yīng)盡量避免或減少出現(xiàn)電磁環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，形成合理的分層分區(qū)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。運(yùn)行中對(duì)于具備條件的地區(qū)應(yīng)堅(jiān)決實(shí)施電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)，防范系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)。

2）可靠的二次措施是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障，巴西大停電事故中，開關(guān)過(guò)負(fù)荷保護(hù)整定存在問(wèn)題、穩(wěn)控裝置存在判據(jù)邏輯缺陷是造成本次事故的直接因素，應(yīng)高度重視保護(hù)裝置的整定及運(yùn)行維護(hù)。加強(qiáng)直流控制保護(hù)與穩(wěn)控裝置的協(xié)調(diào)配合研究，確保系統(tǒng)故障時(shí)二次系統(tǒng)正確動(dòng)作。目前云南電網(wǎng)110kV及以上系統(tǒng)均未采用純過(guò)流保護(hù)，穩(wěn)控裝置針對(duì)此次故障類型均可正確判斷出直流閉鎖并正常發(fā)送切機(jī)命令。但從中也發(fā)現(xiàn)了整流側(cè)交流場(chǎng)雙母線失壓閉鎖直流有一定延時(shí)、存在導(dǎo)致穩(wěn)控系統(tǒng)動(dòng)作延時(shí)，部分直流由于控制保護(hù)邏輯采取回降直流功率措施導(dǎo)致穩(wěn)控?zé)o法動(dòng)作的問(wèn)題，需要研究解決措施。

建議：高度重視穩(wěn)控系統(tǒng)管理，提升穩(wěn)控管理的技術(shù)保障水平；重視保護(hù)、穩(wěn)控裝置和電網(wǎng)特性的相互協(xié)調(diào)與配合，運(yùn)行中動(dòng)態(tài)校核裝置相關(guān)策略及定值的適應(yīng)性，加強(qiáng)直流控制保護(hù)與穩(wěn)控裝置的協(xié)調(diào)配合研究。同時(shí)，穩(wěn)控策略不易過(guò)于復(fù)雜，應(yīng)結(jié)合網(wǎng)架完善，不斷簡(jiǎn)化優(yōu)化穩(wěn)控系統(tǒng)，確保系統(tǒng)故障時(shí)穩(wěn)控系統(tǒng)正確可靠動(dòng)作。

3）完備的三道防線是防止電網(wǎng)崩潰的重要措施：本次事故中，美麗山直流閉鎖后若穩(wěn)控系統(tǒng)按照既定的動(dòng)作策略動(dòng)作，將切除美麗山電站機(jī)組，可有效減少電站過(guò)剩功率通過(guò)北部電網(wǎng)發(fā)生大范圍轉(zhuǎn)移，極有可能避免發(fā)生此次大停電事故。此外，本次事故中，低頻減載措施對(duì)巴西主網(wǎng)得以保全和快速恢復(fù)起到了至關(guān)重要的作用；事故過(guò)程中北部、東北部電網(wǎng)與主網(wǎng)解列，主網(wǎng)低頻減載動(dòng)作后恢復(fù)了穩(wěn)定運(yùn)行，保住了全網(wǎng)約75%的負(fù)荷。

建議：堅(jiān)持滾動(dòng)開展年度穩(wěn)控系統(tǒng)及第三道防線的專題研究工作，以問(wèn)題為導(dǎo)向，對(duì)三道防線的配置進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。完善電網(wǎng)第三道防線低頻減載、高頻切機(jī)容量的運(yùn)行監(jiān)視手段，確保實(shí)時(shí)運(yùn)行中可切容量滿足方案要求。持續(xù)校核電網(wǎng)解列裝置配置方案的有效性，針對(duì)不同的電網(wǎng)運(yùn)行方式和故障形式，滾動(dòng)校核電網(wǎng)解列方案的有效性，確保嚴(yán)重故障且二次措施失效時(shí)電網(wǎng)解列裝置能正確動(dòng)作，降低事故影響范圍。

4）重視工程施工及重大檢修方式的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)：此次事故發(fā)生在美麗山直流工程I期和II期之間的建設(shè)期，欣谷換流站正在擴(kuò)建500kV第二條母線，工程過(guò)渡期間只有單母線運(yùn)行，另一母線正在施工安裝相關(guān)設(shè)備，運(yùn)行母線的分段斷路器單一元件跳閘即導(dǎo)致?lián)Q流變側(cè)交流母線失壓引發(fā)直流雙極閉鎖，過(guò)渡期換流站接線相對(duì)薄弱，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)極高。而巴西國(guó)調(diào)對(duì)運(yùn)行過(guò)渡期的風(fēng)險(xiǎn)重視不夠，沒(méi)有認(rèn)真分析單開關(guān)跳閘即引起直流換流站母線失壓并導(dǎo)致直流閉鎖的風(fēng)險(xiǎn)，沒(méi)有針對(duì)該種類型故障設(shè)計(jì)穩(wěn)控策略，安排滿負(fù)荷試驗(yàn)前未校核開關(guān)過(guò)流定值設(shè)置錯(cuò)誤，工程過(guò)渡期的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)沒(méi)有得到有效控制。

建議：工程建設(shè)及安排電網(wǎng)重大檢修期間，要深入評(píng)估系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)，過(guò)渡期采用相對(duì)保守的風(fēng)險(xiǎn)控制原則，提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定裕度，嚴(yán)格按照“四個(gè)不安排”原則合理安排系統(tǒng)運(yùn)行方式，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5）加強(qiáng)機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)管理，共系統(tǒng)運(yùn)行安全防線：事故中，巴西東北部電網(wǎng)解列后，通過(guò)低頻減載動(dòng)作，系統(tǒng)頻率恢復(fù)至60Hz，后因部分機(jī)組保護(hù)動(dòng)作甩機(jī)導(dǎo)致頻率再次下降、最終崩潰。若機(jī)組在事故過(guò)程中能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行，發(fā)揮有功、無(wú)功調(diào)節(jié)作用，巴西東北部電網(wǎng)可能就會(huì)穩(wěn)定運(yùn)行。云南電網(wǎng)作為南方電網(wǎng)的異步送端電網(wǎng)，發(fā)電機(jī)組容量大、數(shù)量眾多，若機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)工作不到位，機(jī)組無(wú)序動(dòng)作，將對(duì)云南電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)極大危害。

建議：全面加強(qiáng)機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)管理，強(qiáng)化入網(wǎng)機(jī)組涉網(wǎng)試驗(yàn)工作和審核力度，持續(xù)推動(dòng)機(jī)組勵(lì)磁、調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)實(shí)測(cè)和建模規(guī)范化。加強(qiáng)機(jī)組異常事件分析，定期通報(bào)相關(guān)異常事件，對(duì)共性問(wèn)題在全網(wǎng)范圍內(nèi)梳理整改。特別要加強(qiáng)新能源機(jī)組管理，確保電網(wǎng)嚴(yán)重故障情況下，新能源機(jī)組不會(huì)大面積脫網(wǎng)，惡化電網(wǎng)運(yùn)行狀況。

4 結(jié)束語(yǔ)

云南電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，當(dāng)多回直流出現(xiàn)故障時(shí)，對(duì)電網(wǎng)的巨大沖擊可能導(dǎo)致云南頻率失穩(wěn)，大面積停電事故的發(fā)生。又如，目前電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)分依靠安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)等事故后控制措施，且控制系統(tǒng)和策略日益復(fù)雜，當(dāng)措施失效時(shí)，極有可能造成不可預(yù)知的連鎖故障，導(dǎo)致電網(wǎng)大面積停電事故。因此我們要持續(xù)把確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定放在首要位置，更加科學(xué)地規(guī)劃和建設(shè)電網(wǎng)，不斷提高電網(wǎng)運(yùn)行水平。