巴西大停電的思考

周博文，陳麒宇，楊東升

（1．東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧省 沈陽市 110819；2．中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京市 海淀區(qū) 100192）

0 引言

2018年3月21日15∶48，巴西再次發(fā)生大停電事故，導(dǎo)致巴西北部和東北部電力系統(tǒng)與主網(wǎng)解列，北部和東北部 14個(gè)州2049個(gè)城市受到嚴(yán)重影響，占比達(dá)到 93%(共2204個(gè)城市)[1]。巴西南部、東南部和中西部受到一定影響，共計(jì)9個(gè)州。巴西全國共26個(gè)州和1個(gè)聯(lián)邦區(qū)，此次事故影響的州/區(qū)占比 85%。此次大停電共計(jì)切負(fù)荷19 760 MW，相當(dāng)于全國骨干電網(wǎng)當(dāng)時(shí)負(fù)荷總量的25%。事故造成中西部、南部以及東南部地區(qū)與東北部地區(qū)的聯(lián)絡(luò)斷開，北部和東北部地區(qū)的電力系統(tǒng)崩潰，南部、東南部和中西部地區(qū)受到干擾。此次事故受影響較大的州有：阿拉戈斯、阿馬帕、亞馬孫、巴伊亞、塞阿拉、馬拉尼、帕拉、帕拉伊巴、皮奧伊、伯南布哥、北里奧格蘭德、隆多尼亞、塞爾希培和托坎廷斯等，如圖 1所示。

初步調(diào)查顯示，事故起因?yàn)椤?00 kV美麗山直流輸電一期工程的送端Xingu換流站內(nèi)500 kV交流母線斷路器，因整定值為出廠設(shè)置，當(dāng)日負(fù)荷增加時(shí)線路負(fù)載電流超過預(yù)設(shè)值引起過載跳閘，使得處于試運(yùn)營階段的Xingu換流站失去僅有的一條500 kV交流母線電源，引發(fā)雙極閉鎖。同時(shí)，由于試運(yùn)營階段的安穩(wěn)裝置未考慮單母線運(yùn)行失壓情況，導(dǎo)致直流安穩(wěn)系統(tǒng)判斷切除6臺機(jī)組的信號為錯(cuò)誤信號而未發(fā)出切機(jī)指令，導(dǎo)致正在運(yùn)行的美麗山水電站7臺機(jī)組繼續(xù)運(yùn)行，最終因自身保護(hù)而全部切除，加劇了故障。初步判斷，巴西電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理、控制保護(hù)的設(shè)置不統(tǒng)一是造成此次大面積停電的主要原因，但巴西國家電力調(diào)度中心(ONS)認(rèn)為丟失 4 000 MW 不會對巴西電網(wǎng)造成影響，具體事故原因仍在調(diào)查中。

回顧歷史上重大的停電事故，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不合理、運(yùn)行方式不合理、保護(hù)控制系統(tǒng)故障等一直是引發(fā)大電網(wǎng)停電的主要因素。文中首先回顧全球歷史上重大的停電事故，介紹了歷次大停電事故的主要過程。其次分析了大停電事故的主要原因并提出了相應(yīng)的改進(jìn)對策。最后，結(jié)合當(dāng)前電網(wǎng)發(fā)展和研究的熱點(diǎn)，提出了應(yīng)對大停電事故的主要研究方向。

圖1 巴西大停電受影響的區(qū)域Fig. 1 Impacted area of the blackout

1 全球大停電事故回顧

有史以來，全球共發(fā)生比較嚴(yán)重的大停電事故51次，1965—2009年之間國外發(fā)生20起大停電事故，事故時(shí)間、地點(diǎn)及原因見表1；2010年至今國外發(fā)生大停電事故22次，見表2。可見，大停電發(fā)生的頻率比以前高得多。表3列出了我國大停電事故。

全球大停電事故集中出現(xiàn)在2個(gè)階段。第1階段是2003—2006年，全球范圍內(nèi)電力市場逐步發(fā)展，電力交易、設(shè)備檢修等加重了電網(wǎng)的潮流負(fù)擔(dān)，此時(shí)的繼電保護(hù)或安全自動裝置誤動或因過載動作極易引發(fā)潮流大規(guī)模轉(zhuǎn)移造成原本已經(jīng)重載的線路或變壓器出現(xiàn)進(jìn)一步過載，最終導(dǎo)致連鎖事故和大停電。

第2階段是2010年至今，雖然因保護(hù)控制系統(tǒng)引發(fā)連鎖事故的大停電也時(shí)有發(fā)生，但更多的初始故障起因?yàn)樽匀粸?zāi)害，如雷電、大風(fēng)、地震、海嘯、雨雪冰凍等。隨著電網(wǎng)信息化水平和新能源接入的不斷提高，新型故障開始產(chǎn)生。如2015年12月23日，烏克蘭電網(wǎng)因受到“黑暗力量”(BlackEnergy)惡意軟件攻擊引發(fā)大停電。這是全球首次人為故意使用惡意軟件或網(wǎng)絡(luò)病毒攻擊電力系統(tǒng)保護(hù)控制設(shè)備引發(fā)的電網(wǎng)大停電事故。2016年9月28日，臺風(fēng)和暴雨等極端天氣襲擊新能源裝機(jī)比例非常高的澳大利亞南部地區(qū)，引發(fā)新能源大規(guī)模脫網(wǎng)。這是首次新能源大規(guī)模脫網(wǎng)導(dǎo)致的電網(wǎng)停電事故。

2 大停電事故的主要原因及改進(jìn)對策

2.1 自然災(zāi)害

雷電、大風(fēng)、地震、海嘯、森林火災(zāi)、雨雪冰凍等自然災(zāi)害十分普遍，極易造成短時(shí)間內(nèi)輸配電線路跳閘，引發(fā)切機(jī)切負(fù)荷，從而造成大停電。從歷史上主要大停電來看，此類事故引發(fā)的大停電占比高達(dá) 1/3。自然因素造成的停電一般發(fā)展速度比較快，影響范圍廣，故障恢復(fù)比較慢且故障反復(fù)頻繁。自然因素導(dǎo)致的設(shè)備物理損傷一般難以短時(shí)間恢復(fù)，而極端氣候條件一般還易引起負(fù)荷激增進(jìn)一步縮小故障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定裕度。如2008年中國南方雨雪冰凍天氣，湖南電網(wǎng)多條重要輸電線路發(fā)生倒塌斷線，電網(wǎng)重要線路、節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)物理損傷破壞網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。1999年土耳其8.17大地震、1999年臺灣省 9.21大地震、2008

年中國汶川5.12大地震和2011年日本3.11大地震，均對當(dāng)?shù)氐墓╇娀A(chǔ)設(shè)施造成嚴(yán)重破壞，造成電力供應(yīng)中斷。2007和2015年遼寧電網(wǎng)受極端氣候影響，多個(gè)電壓等級的多座變電站及多條線路發(fā)生多次跳閘事故，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)反復(fù)變化，最終導(dǎo)致電網(wǎng)大規(guī)模停電。

表1 1965—2009國外大停電事故Tab. 1 Large-scale blackouts outside China from 1965 to 2009

表2 2010 年至今國外主要大停電事故Tab. 2 Large-scale blackouts outside China since 2010

表3 我國大停電事故Tab. 3 Large-scale blackouts in China

針對自然因素引發(fā)的停電事故，電網(wǎng)應(yīng)積極利用氣象大數(shù)據(jù)和天氣預(yù)報(bào)信息，將氣象預(yù)測與負(fù)荷預(yù)測、發(fā)電計(jì)劃相結(jié)合。同時(shí)，針對極端天氣條件，進(jìn)一步提高預(yù)警和防范措施，完善安穩(wěn)控制策略，保證電網(wǎng)有充足可用的備用容量。如2016年澳大利亞南部大停電，傳統(tǒng)發(fā)電容量不足，無法滿足新能源大規(guī)模脫網(wǎng)后的發(fā)電缺額，導(dǎo)致了大停電事故。

2.2 設(shè)備故障

輸電線路和變電站設(shè)備故障也是造成大停電的另一重要因素，導(dǎo)致的大停電事故超過60%。其中，輸電線路故障造成的停電略高于變電站故障。設(shè)備故障引發(fā)的停電由于暫態(tài)過程快，其發(fā)展和演化速度較快，故障影響范圍也較大。一般事故的起因除自然因素外，多為設(shè)備老化、質(zhì)量問題、保護(hù)控制誤動等。如2005年莫斯科大停電中起火爆炸的電流互感器，已使用超過40年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)備正常使用年限。而隨著電力市場的發(fā)展和電力公司的市場屬性驅(qū)使，世界各國電力公司均面臨設(shè)備老化的風(fēng)險(xiǎn)。因此合理的資產(chǎn)管理、設(shè)備巡檢、質(zhì)量檢驗(yàn)非常重要。

歷史上非常著名的幾次大停電事故幾乎都與保護(hù)控制系統(tǒng)有著密不可分的聯(lián)系，如1965美加大停電、2003美加大停電、2006西歐大停電、2006華中電網(wǎng)停電、2012印度大停電等。此類事故的誘因有多個(gè)方面。一是電網(wǎng)相對薄弱，多條重要線路或備用電源處于檢修或長期停運(yùn)狀態(tài)，系統(tǒng)缺少必要的調(diào)控潛力；二是負(fù)載較重，大停電幾乎都發(fā)生在每年的大負(fù)荷日季節(jié)或日負(fù)荷曲線的尖峰時(shí)段，潮流過載引發(fā)線路下垂而造成接地短路從而導(dǎo)致事故的發(fā)生；三是保護(hù)誤動，轉(zhuǎn)移的潮流加重了其他線路的潮流負(fù)擔(dān)從而引發(fā)連鎖事故；四是感知能力和在線安穩(wěn)計(jì)算能力不足，緊急預(yù)案不充分，當(dāng)電網(wǎng)處于緊急狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，或連鎖事故發(fā)生第二故障時(shí)，往往還在沿用正常狀態(tài)下的安穩(wěn)控制策略，缺少迅速可靠的電網(wǎng)感知能力和在線安穩(wěn)計(jì)算能力。

針對設(shè)備故障引發(fā)的停電事故，電網(wǎng)主要從技術(shù)手段加以完善。如建設(shè)交直流特高壓骨干網(wǎng)架，提高電網(wǎng)的網(wǎng)架強(qiáng)度；保證系統(tǒng)的備用容量，采用FACTS裝置或HVDC等，靈活調(diào)控電網(wǎng)潮流；提高繼電保護(hù)和安全自動裝置的可靠性，加強(qiáng)N-1、N-2、N-1-1、N-m等多種安穩(wěn)校核；基于能量管理系統(tǒng)/監(jiān)測控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)/廣域量測系統(tǒng)(EMS/SCADA/WAMS)，在電力公司調(diào)度中建立在線安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)，提高調(diào)度員的電網(wǎng)感知能力和處理連鎖事故的決策支持。

當(dāng)然，購買合格產(chǎn)品，保證設(shè)備質(zhì)量是安全運(yùn)行、避免事故的根本。

2.3 操作失誤

電網(wǎng)運(yùn)行屬于高危工作，雖然電力系統(tǒng)的操作有著嚴(yán)格的操作規(guī)程和安全規(guī)范，但操作失誤仍在大停電中扮演了一定角色。針對此類事故，應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)檢管理及操作人員的安全生產(chǎn)責(zé)任意識，加大技術(shù)培訓(xùn)力度，確保相關(guān)人員熟知運(yùn)行操作風(fēng)險(xiǎn)及相關(guān)應(yīng)對措施。

2.4 策略失誤

策略失誤一般指針對某一特定事故或某一系列連鎖故障，電網(wǎng)缺少相應(yīng)的安全穩(wěn)定控制策略。此種情況在2010年前發(fā)生較多，但隨著N-1安全校核等安穩(wěn)措施的逐步完善，近年來，此類事故僅有兩次，情況均較為特殊。一是2011年韓國大停電。電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測出現(xiàn)嚴(yán)重負(fù)偏差，全國備用容量最低時(shí)僅為31 MW，嚴(yán)重威脅全網(wǎng)安全。此時(shí)，為避免全國性大停電，以負(fù)荷損失最小為順序，采取臨時(shí)性的30 min輪流停電。此策略雖然避免了全國大停電，但全國約162萬戶居民在高溫中遭遇停電。二是2018年巴西停電。美麗山直流一期工程屬于試運(yùn)營階段，試運(yùn)營期的安穩(wěn)控制策略未計(jì)及單母線臨時(shí)運(yùn)營的失壓情況，安穩(wěn)策略考慮不全，導(dǎo)致直流雙極閉鎖，失去大電源。

可以預(yù)見，在負(fù)荷預(yù)測較準(zhǔn)、發(fā)電計(jì)劃安排合理、安穩(wěn)措施完善的情況下，策略失誤導(dǎo)致的大停電基本可以避免。

2.5 網(wǎng)絡(luò)攻擊

計(jì)算機(jī)信息通信技術(shù)(ICT)提高了電網(wǎng)設(shè)備和保護(hù)控制裝置的功能，同時(shí)，也埋下了受到網(wǎng)絡(luò)攻擊的隱患。隨著電網(wǎng)信息化水平的提高，這種隱患也越來越大；必須引起足夠的重視，加強(qiáng)信息系統(tǒng)的防護(hù)。烏克蘭電網(wǎng)受到“黑暗力量”惡意軟件攻擊引發(fā)大停電，只是個(gè)開始，這是首次使用惡意軟件或網(wǎng)絡(luò)病毒攻擊電力系統(tǒng)保護(hù)控制設(shè)備引發(fā)的電網(wǎng)大停電事故。

2.6 新能源脫網(wǎng)

隨著新能源裝機(jī)比例的提高，新能源大規(guī)模脫網(wǎng)對電網(wǎng)產(chǎn)生了重要影響，也易造成大停電。首次新能源大規(guī)模脫網(wǎng)導(dǎo)致的電網(wǎng)大停電事故發(fā)生在2016年的澳大利亞南部地區(qū)。由于過去風(fēng)電機(jī)組沒有低電壓穿越功能，電壓低時(shí)直接脫網(wǎng)。新的風(fēng)電機(jī)組都應(yīng)該有低電壓穿越功能。

3 大停電事故主要研究方向

結(jié)合新能源接入、交直流混合電力系統(tǒng)、能源互聯(lián)網(wǎng)、信息物理電力系統(tǒng)、人工智能等當(dāng)前電網(wǎng)發(fā)展和研究的熱點(diǎn)[40-42]，探討電網(wǎng)大停電事故的主要研究方向。

3.1 大規(guī)模新能源接入后的交直流混合電力系統(tǒng)

隨著全球范圍內(nèi)的能源轉(zhuǎn)型和環(huán)境保護(hù)壓力增加，電力系統(tǒng)中的新能源裝機(jī)比例和發(fā)電比例逐步提高。大規(guī)模遠(yuǎn)距離的新能源發(fā)電基地，往往通過大容量高電壓遠(yuǎn)距離的交流特高壓或直流特高壓將電能輸送到負(fù)荷中心。大規(guī)模新能源接入后的交直流混合電力系統(tǒng)與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)存在較大區(qū)別，這給電網(wǎng)大停電的防范帶來新的挑戰(zhàn)。

考慮極端氣候條件或天氣條件的新能源發(fā)電預(yù)測與負(fù)荷預(yù)測技術(shù)亟待發(fā)展，應(yīng)解決因預(yù)測誤差或風(fēng)速過大導(dǎo)致風(fēng)機(jī)閉鎖等新能源波動性、間歇性和不確定性等情況下的系統(tǒng)備用容量問題和調(diào)峰調(diào)頻問題。

大規(guī)模新能源接入電力系統(tǒng)及直流輸電技術(shù)的發(fā)展使得電力系統(tǒng)電力電子化趨勢日益明顯，系統(tǒng)慣性顯著下降，系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定裕度減少。因此，亟需研究電力電子化電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，避免因新能源波動或直流閉鎖導(dǎo)致頻率、電壓發(fā)生嚴(yán)重波動，引發(fā)系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。

加強(qiáng)分布式新能源接入后的分布式電源本地消納研究，即分布式電源分布式消納。從負(fù)荷側(cè)增強(qiáng)可控負(fù)荷或柔性負(fù)荷的調(diào)控能力和調(diào)控潛力，采用“源-網(wǎng)-荷-儲”協(xié)同優(yōu)化調(diào)控消納新能源電量，在一定區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)電能的自產(chǎn)自銷，減小骨干網(wǎng)架或區(qū)域骨干網(wǎng)架的潮流壓力，提高骨干網(wǎng)架的輸電能力，避免因大規(guī)模潮流轉(zhuǎn)移引發(fā)連鎖事故。

3.2 能源互聯(lián)網(wǎng)和信息物理電力系統(tǒng)

隨著新一代通信技術(shù)的發(fā)展，尤其是無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，當(dāng)前電網(wǎng)與信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)等融合形成的能源互聯(lián)網(wǎng)及信息物理電力系統(tǒng)逐漸成為研究熱點(diǎn)。通過能源樞紐等實(shí)現(xiàn)的冷、熱、電、氣、油等多能源互聯(lián)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益更為可觀。同時(shí)，多能互聯(lián)條件下的系統(tǒng)安全問題也應(yīng)引起注意。傳統(tǒng)電網(wǎng)的安全性僅對電網(wǎng)自身造成影響，引發(fā)停電事故。多能源互聯(lián)情況下，多種形式能源間對安全性要求各不相同。如天然氣和汽油等，一旦電氣設(shè)備發(fā)生故障形成電弧、電火花、漏電，安全性威脅十分嚴(yán)重且難以用停電損失衡量。制冷和制熱系統(tǒng)中常用的冷媒如液氨也存在爆燃危險(xiǎn)，氟利昂存在泄漏后的環(huán)境威脅。同時(shí)，由于電能的便捷性與高效性，其他形式能源系統(tǒng)一般都與電力系統(tǒng)相連。一旦其他能源需求過盛，電網(wǎng)潮流負(fù)擔(dān)重，也易造成停電事故。目前對多能互聯(lián)系統(tǒng)或能源互聯(lián)網(wǎng)的安全性研究仍較少，因此，能源互聯(lián)網(wǎng)安全性研究亟待開展。

現(xiàn)有的電網(wǎng)可控負(fù)荷或柔性負(fù)荷一般多為電熱類負(fù)荷(電熱鍋爐、蓄熱電鍋爐、電熱烘干機(jī)等)、電制冷負(fù)荷(空調(diào)、冷庫等)、電動汽車、儲能等。此類負(fù)荷參與分布式電源分布式消納既是能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，也是“源-網(wǎng)-荷-儲”智慧用能的發(fā)展，同樣可以降低骨干網(wǎng)架的潮流輸送壓力，避免連鎖事故發(fā)生。

信息技術(shù)的進(jìn)步在一定程度上提高了電網(wǎng)調(diào)度人員對電網(wǎng)整體運(yùn)行狀態(tài)的感知。尤其是基于互聯(lián)網(wǎng)+、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、分布式計(jì)算等的電網(wǎng)運(yùn)行、檢修、調(diào)度等的決策支持系統(tǒng)研發(fā)，大大加強(qiáng)了電網(wǎng)運(yùn)行人員對系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的有效利用。然而，此類信息技術(shù)嚴(yán)重依賴于安全可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，尤其是無線通信網(wǎng)絡(luò)，也給網(wǎng)絡(luò)攻擊或病毒攻擊創(chuàng)造了條件。因此，加強(qiáng)信息物理電力系統(tǒng)信息安全是保障現(xiàn)代電網(wǎng)安全運(yùn)行的必要條件，也是避免大停電的重要方面。

3.3 人工智能在預(yù)防大停電事故中的應(yīng)用

人工智能技術(shù)依托先進(jìn)傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、深度學(xué)習(xí)等信息通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在電力系統(tǒng)設(shè)備管理、運(yùn)行調(diào)度、市場交易等方面均有應(yīng)用前景。目前對連鎖故障、潮流轉(zhuǎn)移、保護(hù)控制裝置的誤動等引發(fā)的大停電演化機(jī)理仍未形成較好的研究理論，主要原因是故障期間電網(wǎng)信息不足，在線安穩(wěn)控制策略計(jì)算較慢，故障分析僅能通過事后仿真。因此，利用人工智能技術(shù)，在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)的運(yùn)行方式，采集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，對電網(wǎng)緊急運(yùn)行狀態(tài)提出在線安全預(yù)警，建立基于人工智能的大電網(wǎng)安全防御體系十分重要。

4 結(jié)論

1）大停電是可能再次發(fā)生的。從全球歷史上比較重大的51次大停電事故的起因及結(jié)果來看，并沒有十足的把握避免大停電。大停電的起因主要有自然因素、設(shè)備故障、操作失誤、策略失誤、網(wǎng)絡(luò)攻擊和新能源脫網(wǎng)等。

2）結(jié)合電網(wǎng)及事故的歷史及當(dāng)前電網(wǎng)的發(fā)展，預(yù)防大停電的策略及措施可以從大規(guī)模新能源接入后的交直流混合電力系統(tǒng)、能源互聯(lián)網(wǎng)和信息物理電力系統(tǒng)、人工智能應(yīng)用等方面進(jìn)行探討。

3）現(xiàn)代電力系統(tǒng)與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)已存在較大區(qū)別，傳統(tǒng)大停電分析、預(yù)警、防御措施難以適用于現(xiàn)在的復(fù)雜電力系統(tǒng)或能源系統(tǒng)，電網(wǎng)大停電的威脅來源更廣更復(fù)雜，應(yīng)該加強(qiáng)復(fù)雜電力系統(tǒng)條件下的大停電研究。同時(shí)，新興理論技術(shù)如信息通信技術(shù)、人工智能技術(shù)等的發(fā)展也為大停電分析、預(yù)警、防御帶來了新的手段。

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