从中国电网安全经历论证印度重大停电

1.前言

2012年7月30日和31日，印度北部连续发生两次重大停电事故，使有史以来世界上发生过的23次电网重大停电（每次负荷损失≥800万千瓦）增加到25次。印度北部在2001年1月2日曾发生一次重大停电［1］，原因一是电源/电网结构不合理；二是继电保护设计应用不当。11年后同样的北部结构基本相同，图1显示北网和东网之间，和一回直流联络线并联的交流线路,由6回40万伏线增到8回，两回22万伏线增到3回；故障起因同样是这些联络线/变电站发生故障,负荷转移连锁跳闸，后又失稳振荡全停，所以最近两次印度北部重大停电的起因/问题和过去的一次基本相同。

图1 印度的电网结构

世界重大停电大多经历两个阶段：第一阶段是在庞大、不可控的自由联网结构上一旦单一跳闸，即自然造成负荷转移，使不合理设计/整定的继电保护不断的“连锁跳闸”，直到重负荷转移到已变为高阻抗联络系统,整个交流电网就失稳振荡。第二阶段是受振荡影响的线路和发电机也由不合理设计/整定的继电保护“连锁跳闸”,使系统瓦解为很多缺电弧岛,最终大停电。印度这三次重大停电的经历是基本相同的。

世界上对系统安全稳定和防止大停电有两个不同的准则，第一个是北美电力可靠性委员会的1997年《NERC规划准则(NERC PLANNINGSTANDARDS)》，它对“电源/电网结构”没作任何规定。只当系统运行异常时规定“当系统发生稳定的摇摆时，发电和输电的继电保护应避免跳闸”；实际上就要在失稳时将发电机和线路都“连锁跳闸”；结果就是将系统瓦解而大停电,印度就是执行了北美准则而得到的后果。

第二个准则是中国1981年颁发的现行《电力系统安全稳定导则》，首先规定了安全可控的〈分层〉〈分区〉“交/直流电网结构”，和〈分散外接电源〉的点对网“电源结构”，使电网难以发生失稳振荡。即使万一发生，又规定了〈三道防线〉：当线路故障跳闸引起负荷转移时，从保护/稳控技术和无功功率储备上避免“连锁跳闸”，使系统难以失稳；即使失稳时，全部线路和绝大多数发电机的继电保护都不应也不会“连锁跳闸”，系统都会在短时内恢复同步运行，避免出现大停电。所以，三十一年来中国（除台湾一次外）都完全防止了重大停电。

图2 中国的点对网结构

2.世界重大停电

印度事故后,全世界上共发生了25次电网重大停电（每次损失≥800万千瓦）。

印度是南亚地区最大的国家，截止2011年拥有人口12.1亿, 电力装机容量为2亿千瓦，而且面积广大达3,287,590平方公里。这两次事故，分别使3.7/6.7亿人受停电影响，是世界上影响停电人口最多的重大停电。从重大停电造成的负荷损失计算,电力容量占世界首位的美国重大停电最严重，发生6次，负荷损失共15142万千瓦；印度发生3次，负荷损失8795万千瓦，列第三位。中国电力容量占世界第二位,除台湾一次外,从未发生重大停电,继续贯彻中国《导则》规定的电源/电网结构和继电保护的经验,对当前“三华特高压联网” 的决策非常重要,而且对世界有所贡献。

表1 世界重大停电

3. 造成印度三次重大停电的电源/电网结构和继电保护问题

为什么印度发生了三次重大停电?

(1) 全国交流联网，破坏了直流联网的安全作用

图1可见印度虽然划分了5个电网,但北部三个(北网、东网、东北网)和西网都直接以多回交流40/22万伏线路联在一起，只有一回直流，可称强交弱直，基本合成为一个交流同步网。任一处发生故障或失稳振荡，就会连锁反应波及交流相联的全部电网。印度南网和相邻电网的联接也不单纯用直流，也并列交流22万伏线路，也有故障/振荡连锁反应的危险。

按图5所示的中国电网结构所示六大区基本都仅用直流联网，就完全避免连锁反应, 很安全，是从不会发生重大停电的原因之一。

(2) 捆在一起的电源/输送网路结构造成全停的危险

图1可见发生三次重大停电的东网将电源都捆在一起东电西送。一旦线路或变电站故障跳闸，负荷立即转移到并列的回路又过负荷跳闸，这样的连锁反应最后会造成整个系统失稳振荡。

中国《导则》有“分散外接电源”的规定,如图2所示,外接电源都应以“点对网” 的方式输电，任一外送电源/线路故障，负荷不会转移引起连锁反应,祗损失少数电力，不影响全网安全。

(3) 印/美的保护方式易发生过负荷跳闸

世界最严重的2003年美加大停电，在线路故障跳闸而将负荷转移到并列的线路时，很易造成距离保护过负荷跳闸，图3就表达了跳闸的过程，负荷转移时，不旦增有功而且增无功电力，使美/印应用的方向阻抗易过负荷跳闸。

图3 方向阻抗易过负荷跳闸

图4 中国四边形防止过负荷跳闸

我国(图4)从保护技术上有很強的防止负荷转移“连锁跳闸”能力，作为后备的距离保护原理，由易过负荷误动的方向阻抗圆改进为四边形等措施并缩短其保护范围，以防止过负荷“连锁跳闸”，线路永久性故障时，切除部分送端机組以降低剩余线路的过负荷，基本解决了负荷转移“连锁跳闸”问题。

(4) 对系统失稳振荡的两种处理方式

一旦振荡，印度采用美国所谓保护设备的技术准则，有关的线路都立即跳闸，结果送端发电机组频率过高都跳闸，受端发电机组频率崩溃也全停，结果是全网崩溃大停电。这就是2001年1月2日印度北部电网大停电的原因，2012年负荷大增，同样的电网结构的故障时负荷转移、连锁反应更为严重，从电网结构和继电保护基本原理上,如不改用中国《导则》的经验作重大改革，还将再发生更严重的重大停电灾难。

中国《导则》规定的“第三道防线”, 一旦失稳，所有线路和绝大多数发电机都不跳闸，短时内即自动恢复同步运行，避免了大停电。

4. 世界重大停电实践和中国的安全经历

为什么印度电网结构和继电保护基本原理上存在重大停电危险？还得从北美电网发展的历史说起。1965年11月9日发生全世界第一次北美纽约重大停电，美加两国决定于1966年成立北美电力可靠性委员会(NERC)，以解决大停电问题。然而至今美加都没能合理解决造成大停电的系统(电源/电网)结构问题，例如《NERC规划准则(G12, 1997)》根本没有对系统结构规划作具体规定，只对系统运行、继电保护等提出不合适的技术标准，结果使美加共发生严重的10次重大停电。特别是NERC成立37年后发生了世界上最严重的2003年美加大停电,即由美加两国组成工作组发表了三个报告,包括NERC的技术分析报告［2］都根本没有分析造成事故的关键是电源/电网结构问题,既然不承认结构是问题,所以多年来仍让各个电力公司自由发展。

然而美国电科院和直流联网(DC Interconnect)公司在2008年1-2月IEEE Power & Energy期刊发表报告［3］，研究了美欧多次重大停电，建议在电网结构上将美国东部网(EI – 7.55亿千瓦)应用直流隔离分为四个交流区，同时也适用于美国西部网(WI - 2亿千瓦) 和西欧(5.3亿千瓦), 这可以说是美欧在电网结构上解决重大停电的起步策略，但至今尚不知NERC是否确认？政府部门是否关注？2007年CIGRE在日本大阪召开的电网会议时，美国电科院Dr. Ram Adaba 听到我国系统发展策略报告［4］后，主动问及我国电网结构经验并得到有关资料，可能对它们有关的分区结构建议有所帮助。

上世纪70年代末，我国电力部工作组为了解决文革当时的210次电网事故，不仅调查分析国内事故，还对全世界大停电、特别对1965年北美大停电认真研究，认为：“连锁反应造成大停电的原因 - 不受控制的系统结构和继电保护” ，所以制定了《电力系统安全稳定导则》和《继电保护四统一》标准。

改革开放以来，按《导则》建立了可靠的交/直流“分层”“分区”的电网结构，“分散外接电源”的电源结构和“三道防线”，系统失稳可能偶而局部发生，但不致瓦解/大停电；而且由于区间主要为直流联网，任一区故障/失稳都不会波及邻区，这就是中国的经验。为此, 作者在1988年国际大电网CIGRE 会议上作了5次大会发言［5］，特别在“系统可靠性”会发言，世界闻名的美国Dr.Chares Concordia 认为这是用了简单的方法解决了复杂的问题，并即时邀请参加CIGRE 38.03“电力系统可靠性分析”工作组。在2004 CIGRE大会也作了5次大会发言，特别是针对2003年美加大停电报告后即时发言［6］，称“1965年纽约大停电就是保护误动，在自由联网结构连锁跳闸，造成失稳又误动而瓦解。38年后同样过程又发生2003年美加大停电，中国早已解决这个问题”。在2004年纽约IEEE PES电网大会，作者曾针对2003年美加大停电，提交中国经验的论文和作报告，并对NERC指派来访的工程总监建议：“电网过大宜再分区，令线路和大部发电机在系统失稳时不跳闸，即可避免大停电”［7］。

5.中国的典型电网事故实例

图5表示中国历史上最严重的2006年7月1日华中电网事故，这是一个实例表明在系统结构和继电保护上为什么造成失稳和怎样防止重大停电？［8］

《导则》明确规定“分层”，指不同电压线路不能并列运行（电磁环网）,但华中电网违反规定，使结构上构成失稳风险。事故起因是50万伏双回线进口保护先后误动作跳闸，原线路的178万千瓦负荷转移到22万伏电网的7回线，由于严重过载及对树短路，保护相继跳开其中4回线，最后通过3回22万伏线路由同为50万伏的北部网向南部网送电，造成全网失稳振荡。但我国线路在失稳振荡时都不跳闸，使南北部几秒内即恢复同步运行，防止了重大停电。

图5 华中电网事故

华中失稳没有波及西北、华南和华东，因为区间是直流联网。但录波证明华北和华中间的交流联网不仅促成华中电网的失稳，而且拖延了恢复再同步的时间，因此区间应祗应采用直流联网。

《导则》规定所有线路和大多数发电机在失稳时都不‘连锁跳闸’,保持完整性,全网在短时内都拉入同步，恢复运行，防止大停电。但少数发电机尚未严格执行导则而仍然跳闸,造成电力损失380万千瓦，相当原负荷的6.3%,不到重大停电的一半。

中/美/印事故在系统结构/保护差别：

(1)美/印结构一旦故障即连锁反应跳闸而失稳,整个交流网瓦解；华中因“电磁环网”失稳,不波及仅直流联网各邻区。

(2)美/印电网一旦失稳，有关线路/发电机皆跳闸，瓦解全停；华中电网失稳，线路和大部发电机都不跳闸，很快拉入同步，自动恢复运行。

印度搬用美国结构/保护技术带来了重大停电，如应用中国经验就可避免。

6．结语

印度重大停电的关键首先是电网结构问题，虽然已分为5个网区，但都不像中国的区间仅用直流联网，正常时既可互相交换电力，但事故时都不会将故障或失稳振荡连锁反应到邻区，这才是安全分区的主要目的。但印度各网区间的互联除了直流外、还有交流，就完全失去了区间仅以直流联网的安全作用。印度电力部长辛德在大停电后表示,“2014年印度电网将全部实现互联互济,届时这种停电不会再出现”。其实现在印度就已全国联网,重大停电的关键问题是仍然用交流联网。国网公司强行的“三华联网”就是将原仅以直流联网的华北、华东、华中三个分区,采取极不安全又极其浪费的交流特高压合成一个特大区, 相当走向印度重大停电道路。

印度另一个重大问题就是电源结构问题，如东区所有电源都捆起来, 然后通过捆起来的8回40万伏、3回22万伏交流线路和1回±50万伏直流线路并列东送，结果是任一处故障，负荷不断转移到邻线，连锁反应跳闸，直至造成失稳振荡，又按美国继电保护方式全部跳闸, 而最后全部中断。但中国《导则》规定的“分散外接电源”，俗称电源“点对网”的幅射性方式，也就是远方的电厂以独立的线路向负荷中心送电，一旦线路故障跳闸，负荷不会转移，仅损失少数电力，不会造成大问题。国网公司强行的“三华联网”就是将所有电源都捆在交流网上，难以实现电源“点对网”的幅射性方式，也是走向印度重大停电的道路。

参考文献：

［1］REBATI Dass, “GRID Disturbance in India on2nd January 2001”, CIGRE ELECTRA, No.196, June 2001

［2］North American Electric Reliability Council“Technical Analysis of the August 14, 2003 Blackout:what Happened, Why, and What Did We Learn?”July 13,2004, NERC Website.

［3］Harrison Clark (DC Interconnect), Abdel-AtyEdris (EPRI),“ Softening the Blow of Disturbances”，January/February 2008, IEEE Power & Energy

［4］MENG, Ding Zhong, “Development of ReliablePower Systems”312 – 2007 CIGRE Osaka Symposinm

［5］MENG, Ding Zhong, “How do ReliabilityCriteria relate to Reliability Objectives?”System ReliabilityRound-Table Talk and presentations of 23-3-3.3, 34-2-8,37-3-16/17 and 38-1-1.2; 1988 CIGRE Session

［6］MENG, Ding Zhong, “Spontaneouscontribution to 2003 US/Canada Blackout” andpresentation of A1-2-15/16, A1-3-18, B4-1-1, B5-2-1/2/5;2004 CIGRE Session

［7］MENG, Ding Zhong, “Recommendations toPrevent Cascading Blackout”, 04PS0292, 2004 IEEEPES Power Systems Conference & Exposition, 10-13October, 2004, New York.

［8］MENG, Ding Zhong, “Development Strategiesof Reliable Power System” CIGRE Symposium, Osaka,Japan, Nov. 2007.