大面积停电风险性评价

蒙定中原电力部生产司教授级高工、国际大电网委员会CIGRE和美IEEE会员

2015年6月30日

前言

大面积停电风险性评价应以国内外曾发生的停电事故为依据，特别是有史以来全世界曾发生的25次重大停电（每次负荷损失>800万千瓦），中国除台湾一次外从不发生重大停电，对此应作风险性评价。

为什么会发生重大停电？在多大和什么样的电源和电网结构发生？重大停电事故是什么原因引起？为什么单一的线路故障/跳闸会引起连锁反应的多回线路跳闸？为什么连锁跳闸会造成全系统失稳振荡？为什么失稳振荡会造成重大停电？中国电力装机容量近年已达世界首位，为什么从不发生重大停电？即使发生的非重大停电，也是什么风险造成？

一.有史以来世界重大停电

2012年7月30日和31日印度北部共发生两次重大停电，使世界重大停电

由23次增加到25次。除1次为日本核电事故，4次为电压/频率崩溃，20次为系

统稳定破坏。

稳定破坏通常经历两个阶段。第一阶段是在庞大、不可控的自由联网结构上一旦单一线路跳闸，即自然造成负荷转移，使不合理设计和整定的线路距离保护不断的‘连锁跳闸’，直到重负荷转移到弱联系的高阻抗回路上，就失稳振荡。第二阶段是受失稳振荡波及的线路和发电机也由不合理设计和整定的线路距离保护和发电机失稳保护‘连锁跳闸’，使系统瓦解，最终大停电。

有3次因电压崩溃时保护不合理跳闸造成。欧洲1次频率崩溃见表1。

世界上对系统失稳的处理有两个不同的准则：第一个是北美电力可靠性委员会的1997年《NERC规划准则(NERCPLANNINGSTANDARDS)》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’；结果就是瓦解而大停电。

第二个准则是中国1981年颁发的《电力系统安全稳定导則》，对发电厂和交直流电网结构规定为《分区-采取直流将交流电网分若干大区》，《分层-高压和低压交流电网采取幅射性联接》；《分散-单一发电点直连负荷中心》和为‘保结构完整’的继电保护技术上《避免线路过负荷连锁跳闸》以防止暂态失稳；同时即使失稳时，《避免线路和发电机因失稳连锁跳闸》，系统都会在短时内自动恢复同步运行，从而避免大停电。所以中国（除台湾一次外）完全防止了重大停电。中国的系统结构和继电保护设计是根据周密研究国内外大停电的实践经历，结论是“连锁反应大停电的原因-不受控制的电力系统结构和继电保护”。

美国电科院和直流联网（DCInterconnect）公司在2008年1-2月IEEEPower&Energy期刊发表报告，为防止美欧多次重大停电，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)电网，这可以说是美欧在电网结构上解决重大停电的起步策略。2007年国际大电网CIGRE在日本大阪召开会议时，美国电科院Dr.RamAdaba听到蒙工对我国系统发展策略报告后，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。他们报告提出美国再分区的建议至今末能执行，但值得注意的近年具备世界上最宠大交流电网的欧洲却接受了改造电力系统结构经验，采用直流分区；目前已应用42套直流作隔离设施，将欧洲分很多“分区”，以提高电力系统的可靠性和防止系统大停电。这说明中国电网结构的安全经验已得到世界的重视。

日本面积小，37.8万平方公里，近3亿千瓦负荷，用直流或单(个别双)回交流500kV联网分为9大区，结构安全，就不会发生失稳大停电；1987年东京重大停电是无功不足，电压崩溃造成。世界重大停电中祗有一次是电源结构安全问题，就是2011年3月11日日本福岛第一核电站早期核堆安全水平低，被地震/海嘯摧毁。

二.国内电网重大典型事故

1970至1980年我国共发生210次失稳事故，1981年颁发《电力系统安全稳定导則》后，随着逐步实行分层、分区、分散外接电源时，事故开始减少，1981至1990年发生62次，1991年以后更大幅度减少，下面列出损失最严重的电网重大典型事故，就是2006年7月1日华中电网失稳事故-负荷损失379.4万千瓦（远小於每次损失超过800万千瓦的25次世界重大停电）。

事故始发是20:48河南省嵩山至郑州500kV双回线进口的保护误动跳闸，分解成南北两个500kV网，因其500和220kV电磁环网，跳闸后178.4万千瓦负荷转移到南北相联的6回220kV线路，其中3回过负荷跳闸后即失稳振荡。

由於华中和华北两大分区以单回交流线联网，振荡不旦波及华北电网，而且从录波证明20:48时此联网线北送50万千瓦，20:59：44开始振荡时此联网线南送117万千瓦，可见它是促进华中失稳，而且延长振荡恢复同步的时间。

华中电网由於违反《电力系统安全稳定导则》而存在不安全的500/220kV电磁环网结构，造成全网失稳振荡。此次振荡不能波及西北、华南和华东是因按《稳定导则》分区原则实现了直流联网，短时波及了华北，但由其单回联络线解列而终止。这次事故末造成全网大停电，因为《稳定导则》的第三道防线–失稳的线路和发电机都不跳闸，从而失稳后6分5秒恢复同步正常运行。但发电厂未贯彻好《稳定导则》，仍有16台机组跳闸、共26台机组停运，结果频率降到49.1Hz，

负荷损失379.4万千瓦（相当原负荷的

6.3%）。

由图1可见，由於河南违反《稳定导

则》保持500/220kV电磁环网。所以在

500kV嵩郑双回线跳闸后，华中500kV电

网被分割成南北两部分，而中间由复杂结

构中6回220kV线路相连。原嵩郑双回的

178万千瓦潮流全部转移到220kV线上，

首先引起一回过负荷跳闸，继而负荷转移，

相继引起第二和第三回220kV过负荷跳闸

，结果是重负荷叠加在联系阻抗增大的回

路上，从第一回线过负荷跳闸到发展为华

中500/220/500kV串联弱电网失稳振荡经

历了5分44秒，造成失稳振荡。图1华中电网事故发展过程

三.对国内外电网大面积停电风险性评价

输电线路偶而发生故障/跳闸是正常现象，关键是电网结构是否合理，将带

来不同的风险，如美国交流区庞大又自由联网，难以分散外接电源，又不分层，一旦故障即连锁反应波及交流全网；且因距离保护设计/应用不当，因故障造成负荷转移到相邻线路时将不断连锁反应跳闸，直至失稳振荡；涉及振荡的线路距离保护和发电机保护又错误的不断连锁跳闸，直至全网瓦解大停电。又如巴西不分区，交流区域比美国还大，东西/南北距离长达3200公里，以复杂电压级230/345/440/500/750kV自由联网，更易故障连锁反应，不仅会失稳瓦解，又会电压崩溃使直流输电全停。

按我国《稳定导则》规定，即使同塔线路故障跳闸，因《分散外接电源》规定

其输送容量不超过10%，系统频率短时降低也不损失负荷；又因线路是分散幅射性连接，原有负荷也不会转移。但如该线路违反《分层》规定和下一级电压线路并联电磁环网运行，则其负荷转移至联系阻抗突增的系统，就像上述华中电网事故必然造成失稳振荡；但严格执行《分层》规定就防止系统失稳了。即使系统发生失稳振荡，也像上述华中电网事故那样，失稳振荡不会波及由直流隔离的邻区，但区间如采用单回交流线联接分区，不旦促进系统失稳，且延长恢复同步时间。

从国内外电网大面积停电风险性评价，国网公司采用世界经历失败的交流特高压又违反《稳定导则》<分区>规定将多个历经30多年证实安全的<分区>合成世界最大的<危险交流特高压大区>，而且为了能送电(每回300万千瓦，祗相当500kV线路的两倍)，又不得不违反《稳定导则》<分层>规定，建立几十个1000/500kV电磁环网，上述我国最严重的华中电网失稳事故就因500/220kV电磁环网造成。可以证实国网公司既违反现行《稳定导则》，又完全破坏我国历经30多年的<分层><分区>安全基础，极其浪费而步入世界交流区域庞大又自由联网的大面积停电风险。

南网公司就是从实现同步电网合理规模来解决大面积停电风险，规划主网分2～3区，如实现分3大区后，西电东送广东的500kV交流线路有的改为直流输电，其他都等於由长距离改变为中、短距离，也解决交直流并列运行的不安全问题；广东也应用直流隔离分东、西两个小区，既能从长远解决短路电流超标，又特别是保持愈来愈多的直流输电馈入广东运行安全，满足长远发展需要。