巴基斯坦電網(wǎng)大面積停電對卡洛特電站影響及應(yīng)對措施

馮 源，羅 濤，張清波，李 杰，周 平，高 健

（1.中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002；2.三峽國際能源投資集團(tuán)有限公司，北京 101100）

0 引言

大面積停電事故是指電力系統(tǒng)由于單一或多重故障擾動在特定條件下誘發(fā)而造成的波及范圍大、停電時間長、后果嚴(yán)重的停電事故。一旦發(fā)生，可能導(dǎo)致大范圍供水、供電以及通信中斷，造成交通、醫(yī)療和金融系統(tǒng)等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施無法正常運(yùn)行，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失甚至產(chǎn)生公共安全問題[1]。保證電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，避免大面積停電發(fā)生，研究大面積停電的應(yīng)對措施以及停電后快速恢復(fù)，具有重要意義。

近年來，國際上發(fā)生多起大停電事故。2018年巴西大停電[2]，由于保護(hù)整定失誤和穩(wěn)控系統(tǒng)拒動，造成巴西北部和東北部14個州受到嚴(yán)重影響。2020年墨西哥大停電[3],由于山火導(dǎo)致同走廊兩回線路跳閘，引發(fā)連鎖故障，事故蔓延擴(kuò)大，最終導(dǎo)致包括首都墨西哥城在內(nèi)的12個州受到停電影響。2021年巴基斯坦大停電[4],由于人為誤操作，帶接地開關(guān)合閘斷路器并且保護(hù)拒動,導(dǎo)致全國電網(wǎng)完全崩潰。2022年中國臺灣電網(wǎng)發(fā)生大面積停電[5],在未回充斷路器氣室SF6氣體的情況下投入相鄰隔離開關(guān),導(dǎo)致絕緣不足閃絡(luò)放電，臺灣地區(qū)幾乎所有城市都遭受停電影響。

本次巴基斯坦全國大停電，主要原因為風(fēng)電場增加負(fù)荷導(dǎo)致交流輸電線路過載，系統(tǒng)振蕩，同時中部節(jié)點上的無功補(bǔ)償能力不足，導(dǎo)致線路過載情況進(jìn)一步加劇，部分交流線路跳閘，南北交流通道中斷，直流系統(tǒng)又發(fā)生閉鎖，最終導(dǎo)致系統(tǒng)頻率及電壓崩潰。對比2022年“1.9”停電事件，雖然直接原因不盡相同，但造成大面積停電的根本原因均為電網(wǎng)網(wǎng)架薄弱、安全防御體系不完善，未能及時有效隔離故障，防止系統(tǒng)崩潰。

目前針對電網(wǎng)大面積停電的主要研究方向和措施包括在電網(wǎng)規(guī)劃和設(shè)計時應(yīng)充分考慮電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，優(yōu)化電源布局，加強(qiáng)主網(wǎng)架建設(shè)，增強(qiáng)電力系統(tǒng)三道防線[6]，設(shè)置電力系統(tǒng)PMU裝置，增強(qiáng)電力系統(tǒng)實時監(jiān)控[7]以及合理規(guī)劃電網(wǎng)黑啟動電源等一系列措施。下面結(jié)合巴基斯坦電網(wǎng)特點以及卡洛特電站采取的主要措施進(jìn)行簡要介紹。

1 巴基斯坦電網(wǎng)基本情況

1.1 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

巴基斯坦電網(wǎng)分為國家輸配電公司NTDC電網(wǎng)和卡拉奇電力公司KE電網(wǎng)兩部分。其中NTDC電網(wǎng)又分為北部電網(wǎng)和南部電網(wǎng)，主要電壓等級為500 kV、220 kV及132 kV?？ɡ骐娏綤E是巴基斯坦最大的私營電力公司，在卡拉奇地區(qū)享有獨(dú)立的發(fā)電、輸變電、配電經(jīng)營權(quán)，主要電壓等級包括220 kV及132 kV[4]。電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行由NTDC下屬部門電力調(diào)度中心NPCC負(fù)責(zé)。巴基斯坦電網(wǎng)輸變電情況詳見表1。

另外，±660 kV高壓直流輸電線路（默－拉直流）于2021年9月正式投入商業(yè)運(yùn)行，輸送容量4 000 MW。巴基斯坦NTDC電網(wǎng)地理接線參見圖1。

圖1 巴基斯坦 NTDC 電網(wǎng)地理接線

1.2 電源

截至2022年6月，巴基斯坦電源總裝機(jī)容量為43 775 MW，火力發(fā)電容量26 683 MW(占比60.95%)，水力發(fā)電容量10 635 MW（占比24.30%），風(fēng)電發(fā)電容量1 838 MW（占比4.20%），太陽能發(fā)電容量630 MW（占比1.44%），生物質(zhì)發(fā)電容量369 MW（占比0.84%），核電發(fā)電容量3 620 MW(占比8.27%)。巴基斯坦裝機(jī)容量情況詳見表2。

表2 2022年巴基斯坦裝機(jī)容量介紹

巴基斯坦水利電力發(fā)展署WAPDA負(fù)責(zé)國有水電的開發(fā)和運(yùn)營，火電主要由巴基斯坦電力公司PEPCO下屬發(fā)電公司GENCOs負(fù)責(zé)，巴基斯坦原子能委員會PAEC負(fù)責(zé)核電開發(fā)和運(yùn)營。此外，在發(fā)電側(cè)還有近50個獨(dú)立發(fā)電商（IPPs）以及一些小型發(fā)電商（SPPs/CPPs）。

1.3 用電負(fù)荷

巴基斯坦用電負(fù)荷分布極不均衡,用電負(fù)荷主要集中在中東部的旁遮普省以及卡拉奇、伊斯蘭堡等大城市，約占60%左右，而南部電網(wǎng)負(fù)荷約為北部電網(wǎng)的一半。巴基斯坦電網(wǎng)負(fù)荷峰值需求約為30 000 MW，冬季負(fù)荷較小，約為夏季高峰需求的一半。

1.4 巴電網(wǎng)存在的主要問題

（1）電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱。巴基斯坦電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理，火電主要集中在旁遮普省和南部地區(qū)，水電則主要集中在北部地區(qū)，南北電網(wǎng)之間潮流分布存在明顯的季節(jié)性變化[8]。電網(wǎng)交流聯(lián)絡(luò)通道呈薄弱的長鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，一旦主要輸電通道故障，容易造成潮流大量轉(zhuǎn)移引發(fā)連鎖故障。

（2）安全防御體系不完善。系統(tǒng)繼電保護(hù)配置不完善，保護(hù)設(shè)定值不合理，不能有效的切除故障，甚至越級跳閘，擴(kuò)大事故范圍。電網(wǎng)失步解列裝置功能不完善、裝置拒動，不能有效的控制系統(tǒng)振蕩。電力系統(tǒng)穩(wěn)定裝置PSS配置不完善，不能有效抑制系統(tǒng)低頻振蕩。系統(tǒng)無功及電壓自動控制功能不完善，電壓波動范圍較大。

（3）網(wǎng)源協(xié)調(diào)能力不足。巴基斯坦電網(wǎng)側(cè)雖然配置了一定程度解列、低頻減載、高頻切機(jī)等措施，但相關(guān)措施不能正確動作，無法有效阻止事故擴(kuò)大。電源側(cè)保護(hù)參數(shù)設(shè)置不合理，事件發(fā)生時，北方電網(wǎng)低頻導(dǎo)致機(jī)組跳閘，功率缺額加劇，致使電網(wǎng)頻率崩潰。南方電網(wǎng)高頻過程中大容量火電和核電機(jī)組跳閘，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入低頻后低頻減載裝置未能平衡發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)關(guān)系，系統(tǒng)失穩(wěn)[4]。

（4）運(yùn)維管理水平不足。電網(wǎng)設(shè)備設(shè)施缺少維護(hù)和檢查，涉及電力系統(tǒng)穩(wěn)定的保護(hù)及自動裝置等功能失效，電網(wǎng)調(diào)度人員缺少對高壓直流系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗。大多數(shù)發(fā)電廠不具備黑啟動能力，部分電廠缺少針對停電事件的應(yīng)急預(yù)案和恢復(fù)送電的作業(yè)規(guī)程，部分電廠在啟動過程中發(fā)生故障，不能及時并網(wǎng)，電網(wǎng)故障后恢復(fù)能力不足，恢復(fù)時間較長。

2 卡洛特電站應(yīng)對巴電網(wǎng)大面積停電的主要措施

巴基斯坦電網(wǎng)大面積停電造成卡洛特電站全站停電，電力供應(yīng)中斷，廠用電全部失電，水庫水位持續(xù)上升，嚴(yán)重影響廠房及大壩安全。由于電網(wǎng)恢復(fù)供電時間較長，電站必須依靠自身黑啟動能力以恢復(fù)主輔設(shè)備供電。電站針對巴基斯坦電網(wǎng)特點在運(yùn)行初期就已經(jīng)提出和實施了一系列有效的措施，因此電站運(yùn)維管理人員才能在此次電網(wǎng)大面積停電事件中快速響應(yīng)，正確處置。下面簡單介紹和總結(jié)電站采取的主要應(yīng)對措施和經(jīng)驗。

2.1 切實落實柴油發(fā)電機(jī)作為緊急安保電源的要求

（1）加強(qiáng)柴油發(fā)電機(jī)檢查、試驗和維護(hù)工作。柴油發(fā)電機(jī)是電站黑啟動的重要應(yīng)急電源，電站要求定期檢查蓄電池狀態(tài)、儲油罐油量以及各部件健康情況，做好柴油發(fā)電機(jī)及蓄電池維護(hù)保養(yǎng)以及儲油罐補(bǔ)油工作。嚴(yán)格執(zhí)行定期工作要求，檢查柴油發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。

（2）提升柴油發(fā)電恢復(fù)重要負(fù)荷供電的應(yīng)急響應(yīng)能力。電站組織實施柴油機(jī)帶負(fù)荷運(yùn)行能力試驗，梳理啟動柴油發(fā)電機(jī)恢復(fù)重要負(fù)荷的優(yōu)先順序及注意事項，編制柴油發(fā)電機(jī)啟動并恢復(fù)廠用電母線操作指南[9]。落實啟動柴油發(fā)電機(jī)并開啟溢洪道閘門的應(yīng)急演練，全面提升電站運(yùn)維人員的應(yīng)急處置能力。

（3）研究柴油發(fā)電機(jī)自啟動和“一鍵恢復(fù)供電”的控制流程。柴油發(fā)電機(jī)自啟動關(guān)鍵在于理清廠用電全停判斷條件以及柴油發(fā)電機(jī)開關(guān)與廠用電母線電源開關(guān)之間的備自投動作邏輯。巴方員工事故處置經(jīng)驗較為缺乏，能力尚待提高，該功能的開發(fā)將大大減少巴方員工的現(xiàn)地操作過程，提高應(yīng)急響應(yīng)的自動化程度。

2.2 加強(qiáng)機(jī)組黑啟動功能研究，優(yōu)化其流程

（1）組織機(jī)組黑啟動條件研究

水電站黑啟動是否成功取決于廠用電消失時調(diào)速器液壓系統(tǒng)壓力需滿足導(dǎo)葉開啟操作，調(diào)速器油氣比合理，滿足壓油罐低油壓、低油位事故停機(jī)等不利因素[10]。還應(yīng)考慮調(diào)速器控制系統(tǒng)、電磁閥、接力器鎖定等在交流電源消失情況能夠正?？刂坪筒僮??？逄仉娬菊{(diào)速系統(tǒng)具備A類和B類黑啟動的條件。

電站勵磁系統(tǒng)功率柜風(fēng)機(jī)在交流電源消失時機(jī)組不能自動啟勵，但風(fēng)機(jī)繼電器可以手動切換至強(qiáng)啟模式，廠用電恢復(fù)后應(yīng)及時恢復(fù)勵磁風(fēng)機(jī)交流電源。機(jī)組起勵電源取至直流系統(tǒng)，但GCB合閘狀態(tài)下勵磁系統(tǒng)無法起勵，需要人為閉鎖GCB合閘信號。勵磁系統(tǒng)滿足A類和B類黑啟動要求，但需一定的人為干預(yù)。

電站機(jī)組三部軸承均為內(nèi)循環(huán)冷卻方式，無需循環(huán)油泵。技術(shù)供水閥門為交流電動閥，無交流電源時需人為操作開啟閥門。機(jī)組制動風(fēng)閘、蠕動探測裝置在交流電源消失時可以正常投退。頂蓋水位上升率以及頂蓋自流排水系統(tǒng)能夠滿足機(jī)組黑啟動要求。機(jī)組輔助設(shè)備及自動化元件能夠滿足B類黑啟動要求，人為干預(yù)后一定程度上也能夠滿足A類黑啟動條件，后期需要進(jìn)行一定的技術(shù)改造。

電站發(fā)電機(jī)出口開關(guān)GCB具備無壓合功能，滿足機(jī)組帶主變壓器零起升壓操作。主變壓器冷卻方式為強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷，在進(jìn)行A類黑啟動時需要考慮主變冷卻器全停跳閘的影響。

值得注意的是，在選擇黑啟動機(jī)組時還應(yīng)考慮快速門未因事故停機(jī)而落門，同時在進(jìn)行A類黑啟動時發(fā)電機(jī)出口刀閘應(yīng)在合閘位置[11]。

（2）組織黑啟動試驗，優(yōu)化機(jī)組黑啟動流程。電站分別進(jìn)行了B類和A類機(jī)組黑啟動試驗。分別梳理和記錄影響B(tài)類黑啟動的自動開機(jī)流程的限制因素，檢驗了機(jī)組A類黑啟動的純手動操作流程和技術(shù)限制條件。進(jìn)一步完善了機(jī)組黑啟動的應(yīng)急響應(yīng)操作流程，組織編制了機(jī)組黑啟動標(biāo)準(zhǔn)操作指南，優(yōu)化了《卡洛特電廠廠用電全停及黑啟動應(yīng)急預(yù)案》。

（3）推進(jìn)“一鍵機(jī)組黑啟動”功能研究。通過前期研究和試驗，卡洛特電站機(jī)組具備一鍵機(jī)組黑啟動條件，但因部分設(shè)備及控制流程還存在一定的限制因素，黑啟動過程中還需要人為干預(yù)配合，下一階段電站將完善控制程序和回路改造，實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)“一鍵機(jī)組黑啟動”功能。

2.3 開展機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行研究

電站重點組織分析了孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下機(jī)組振動區(qū)問題，廠用電負(fù)載變化情況；分析了勵磁系統(tǒng)運(yùn)行情況，以避免機(jī)組發(fā)生過電壓保護(hù)或主變過激磁保護(hù)動作跳閘情況。重點分析了水輪機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)，通過分析和計算孤網(wǎng)情況下機(jī)組頻率偏移量以及有功負(fù)載變化量，選擇優(yōu)化調(diào)速器孤網(wǎng)PID參數(shù)以及合理的永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)Bp，確定進(jìn)入孤網(wǎng)的判斷條件，保證機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定。

目前電站對調(diào)速器系統(tǒng)孤網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行了初步選擇和確定，期間經(jīng)歷了數(shù)次孤網(wǎng)考驗，機(jī)組切換至孤網(wǎng)運(yùn)行正常。由于電站無安穩(wěn)切機(jī)裝置，電站進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行時，還要考慮更合理的控制策略，避免多臺機(jī)組同時進(jìn)入孤網(wǎng)模式造成機(jī)組間振蕩。

2.4 強(qiáng)化保護(hù)及安全自動防控體系

（1）完善保護(hù)定值管理。電廠先后組織多次事故分析，對主變過激磁保護(hù)、線路過電壓保護(hù)定值以及保護(hù)裝置安裝調(diào)試中的遺留隱患進(jìn)行了整改。機(jī)組投產(chǎn)后先后組織多次保護(hù)定值核，并同相關(guān)單位就保護(hù)定值計算書、保護(hù)定值單等內(nèi)容進(jìn)行討論和溝通，有效保證了保護(hù)裝置的可靠性。

（2）線路過負(fù)荷切機(jī)功能實施和試驗。由于卡洛特電站送出線路為“T”方式接入原NJ電站送出線路，電站商業(yè)運(yùn)行后，在巴基斯坦電網(wǎng)公司的要求下實施了線路過載切機(jī)方案，電站具備500 kV一回線路過載時切除部分機(jī)組的功能。

（3）電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS功能投入研究。巴基斯坦電網(wǎng)1.23大面積停電事件后，巴基斯坦電網(wǎng)公司要求各電站投入PSS裝置。電站正積極同相關(guān)單位以及電網(wǎng)方的溝通協(xié)調(diào)，推進(jìn)完成PSS相關(guān)試驗，確定PSS參數(shù)。

（4）開展安全穩(wěn)性研究。由于巴基斯坦電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和設(shè)備水平等因素，安全穩(wěn)定控制裝置在巴基斯坦電網(wǎng)中并沒有得到應(yīng)用?？逄仉姀S除了配置線路過載切機(jī)策略外，沒有配備安穩(wěn)切機(jī)或失步解列等電力系統(tǒng)穩(wěn)定裝置，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生穩(wěn)定性破壞事故時，卡洛特電站將難以快速從系統(tǒng)中隔離出來。當(dāng)前電站正組織開展系統(tǒng)穩(wěn)定性研究工作，同時加強(qiáng)同電網(wǎng)方溝通協(xié)作，旨在制定更加合理的安全穩(wěn)定控制方案。

3 結(jié)語

卡洛特水電站是巴基斯坦電網(wǎng)中的重要電源，電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行對電網(wǎng)有著重要影響。一方面電站要積極做好應(yīng)對措施，防止電網(wǎng)停電事件對電站產(chǎn)生不利影響。另一方面，也要保證電站穩(wěn)定運(yùn)行，杜絕因電廠本身故障影響電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，避免造成不利影響。電站在實施黑啟動、孤網(wǎng)運(yùn)行和電力系統(tǒng)三道防線等相關(guān)措施以及具體實踐過程中總結(jié)了相關(guān)經(jīng)驗和注意事項以供借鑒和參考：

（1）大面積停電后應(yīng)密切關(guān)注水庫水位變化情況，第一時間恢復(fù)溢洪道閘門供電。

（2）水電站廠用電設(shè)計時，應(yīng)考慮設(shè)計重要負(fù)荷母線，方便柴油發(fā)電機(jī)快速恢復(fù)重要負(fù)荷供電。

（3）電站機(jī)組主設(shè)備及輔助設(shè)備設(shè)計選型是應(yīng)考慮機(jī)組B類黑啟動能力,進(jìn)行電站“一鍵黑啟動”功能設(shè)計時，應(yīng)充分分析廠用電全停的判斷邏輯以及機(jī)組具備升壓條件。

（4）黑啟動機(jī)組帶主變零啟升壓，需要考慮機(jī)組出口開關(guān)具備無壓合閘功能，零啟升壓后應(yīng)安排專人監(jiān)視勵磁電流，防止機(jī)組過電壓或主變過勵磁。

（4）機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行期，應(yīng)密切監(jiān)視機(jī)組運(yùn)行工況，盡快恢復(fù)廠站重要負(fù)荷，防止二次全停并做好二次全停應(yīng)急處置準(zhǔn)備。

（5）機(jī)組恢復(fù)并網(wǎng)時，建議隔離1臺機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行帶廠用電，待其它機(jī)組并網(wǎng)正常后再恢復(fù)廠用電正常運(yùn)行方式。