巴西大停電的分析及對云南電網的啟示

段榮華，段平生，黃偉

（云南電力調度控制中心，昆明 650011）

0 前言

巴西輸電網絡主要是由全國聯網系統(SIN- Sistema Interligado Nacional)和部分獨立電網構成，而全國聯網系統連接了全國主要發電站和絕大多數用電地區(一般分為南部、東南部、中西部、東北部和北部)，而獨立電網主要分布在亞馬遜地區。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域—東南部地區。

全國電力調度中心(ONS - Operador Nacional do Sistema Elétrico)負責全國聯網系統(SIN)上各電站和輸電線路之間的統一調度，保證區域間電力供應與安全。主要由各發電、輸電、配電以及大型用電企業組成截止到2015年底，全國裝機容量為1.42億千瓦。水力發電裝機容量占到總容量的64.8%，火力發電裝機容量達27.8%，風能達到6%，核能達到1.4%。由于資源分配不均，同南方電網類似，巴西電網需要進行全境內的資源優化配置。需要建設長距離輸電通道將北部、東北部水電送入東南部負荷中心，東南部電網受電比例通常達30%左右；形成典型“北電南送”格局。

圖1 巴西電網接線示意圖

1 大停電事故經過

1.1 事故前運行方式

本次大停電發生地點在±800kV美麗山水電站直流送出工程，該工程一期項目輸送容量400萬千瓦，線路長度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，一期工程處于運行過渡期，送端欣谷（Xingu）換流站受工期影響，500kV交流母線B尚處于建設期，僅交流母線A投運。巴西電監會（ANEEL）為了滿足美麗山水電站的電力送出，提前獲得電站收益，同意投產過渡期采用單母線運行方案。

圖3 ±800kV美麗山水電站直流送出一期工程交流場接線圖

事故發生前，巴西電網全網負荷79360MW，500kV主網系統頻率、電壓運行正常。美麗山直流輸電工程一期事故前正常運行，輸送功率近4000MW，送端換流站交流側采用單母線臨時運行方式，送端的美麗山水電站7臺機組運行，總出力4029MW，與美麗山直流輸送功率基本匹配。

1.2 事故發生過程

直流一期進行滿功率（4000MW）試驗，直流升功率過程中，送端欣谷換流站500kV分段開關（9522）電流超過過流保護定值（4000A），開關過流保護動作跳閘，導致直流系統所在母線A失壓（母線B已停運進行設備安裝），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，直流控保認定交流母線失壓信號無效，將直流閉鎖信號及無效信號發至穩控裝置，穩控裝置判定信號無效，未將切機命令發至美麗山水電站，導致美麗山電站送出功率經北部、東北部與東南部交流通道迂回送至東南部電網，由于系統振蕩，線路電壓低、電流大，線路過負荷保護動作跳閘，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 大停電時巴西電網運行示意圖

北部電網因功率過剩，頻率高達71.69Hz并發生振蕩，電網基本全停。巴西南部電網解列后，南部區域低頻減載第一輪動作，切除約3665MW負荷，電網穩定運行。

圖5 大停電時巴西南部電網頻率變化

巴西東北部電網解列后低頻減載全部輪次（5輪）動作，系統頻率恢復至60Hz，后因Paulo Afonso水電廠及部分火電廠機組保護動作甩機導致頻率再次下降、最終崩潰。

圖6 大停電時巴西東北部電網頻率變化

2 暴露的問題

1）交直流并聯電網存在的結構性問題：北部與南部電網形成交直流并聯運行，直流系統故障將引起潮流大范圍轉移至交流系統，造成交流線路過載，電壓失穩等事故，從而發生連鎖故障，并引發系統連鎖反應，嚴重情況下導致系統崩潰。

2）電網運行方式安排不合理：換流站交流場尚在建設過程中，采取單母線運行方式，運行風險很大，單一開關或單一母線跳閘均可能導致直流系統失壓，引發直流雙極閉鎖。

3）母線分段開關過流保護定值管理不到位：開展直流滿功率試驗前，500kV分段斷路器（9522）出廠設定值為4000A，運行中未下發新的定值，試驗期間開關實際電流達到動作定值導致過流保護動作跳閘（事故后該定值調整為5000A）。

4）電網運行嚴重依賴穩控系統，穩控系統管理存在較大問題，沒有考慮500kV兩條交流母線同時失壓的極端情況，更沒有考慮單母線過渡運行時失壓的情況，導致直流閉鎖后穩控系統拒動，引發大面積停電。

5）機網協調管理不到位，導致東北部事故擴大，東北部電網解列低頻減載動作后，系統頻率基本可穩定接近至60Hz，后因水電廠及部分火電廠機組保護無序動作甩機，導致事故進一步擴大。火電機組頻率低于58.5Hz超過10s動作，未能與系統低頻減載配合。

6）第三道防線考慮不周，導致東北部電網頻率崩潰,事故過程中，東北部電網與主網解列后，該區域電網低頻減載全部動作，系統短時維持穩定運行（10秒左右），再發生區域內機組跳閘后，系統已無低頻減載措施，導致頻率崩潰。

3 啟示和反思

1）堅強、合理的電網結構是電力系統安全穩定運行的基礎,巴西北部、東北部電網的網架較為薄弱，尤其是北部電網僅通過鏈式結構將地區水電站串聯送出至南部，且交直流并聯運行，直流一旦故障對北部交流電網沖擊大，潮流大范圍轉移極易引發連鎖故障。云南異步運行后，主網大容量直流雙極閉鎖等嚴重故障導致主網功角失穩問題極大緩解，但是省內還存在大量高低壓電磁環網運行方式，高低壓線路同時存在于同一區段，若高壓線路故障，負荷將轉移到低壓線路上，引起過負荷跳閘，二次措施控制不到位可能導致系統失穩。

建議：高度重視交直流并聯運行、電磁環網運行帶來的系統性風險，研究加強完善云南電網一次網架結構，電網規劃設計階段統籌謀劃，應盡量避免或減少出現電磁環網結構，形成合理的分層分區的電網結構。運行中對于具備條件的地區應堅決實施電磁環網解環，防范系統性風險。

2）可靠的二次措施是電力系統安全穩定運行的重要保障，巴西大停電事故中，開關過負荷保護整定存在問題、穩控裝置存在判據邏輯缺陷是造成本次事故的直接因素，應高度重視保護裝置的整定及運行維護。加強直流控制保護與穩控裝置的協調配合研究，確保系統故障時二次系統正確動作。目前云南電網110kV及以上系統均未采用純過流保護，穩控裝置針對此次故障類型均可正確判斷出直流閉鎖并正常發送切機命令。但從中也發現了整流側交流場雙母線失壓閉鎖直流有一定延時、存在導致穩控系統動作延時，部分直流由于控制保護邏輯采取回降直流功率措施導致穩控無法動作的問題，需要研究解決措施。

建議：高度重視穩控系統管理，提升穩控管理的技術保障水平；重視保護、穩控裝置和電網特性的相互協調與配合，運行中動態校核裝置相關策略及定值的適應性，加強直流控制保護與穩控裝置的協調配合研究。同時，穩控策略不易過于復雜，應結合網架完善，不斷簡化優化穩控系統，確保系統故障時穩控系統正確可靠動作。

3）完備的三道防線是防止電網崩潰的重要措施：本次事故中，美麗山直流閉鎖后若穩控系統按照既定的動作策略動作，將切除美麗山電站機組，可有效減少電站過剩功率通過北部電網發生大范圍轉移，極有可能避免發生此次大停電事故。此外，本次事故中，低頻減載措施對巴西主網得以保全和快速恢復起到了至關重要的作用；事故過程中北部、東北部電網與主網解列，主網低頻減載動作后恢復了穩定運行，保住了全網約75%的負荷。

建議：堅持滾動開展年度穩控系統及第三道防線的專題研究工作，以問題為導向，對三道防線的配置進行優化調整。完善電網第三道防線低頻減載、高頻切機容量的運行監視手段，確保實時運行中可切容量滿足方案要求。持續校核電網解列裝置配置方案的有效性，針對不同的電網運行方式和故障形式，滾動校核電網解列方案的有效性，確保嚴重故障且二次措施失效時電網解列裝置能正確動作，降低事故影響范圍。

4）重視工程施工及重大檢修方式的運行風險：此次事故發生在美麗山直流工程I期和II期之間的建設期，欣谷換流站正在擴建500kV第二條母線，工程過渡期間只有單母線運行，另一母線正在施工安裝相關設備，運行母線的分段斷路器單一元件跳閘即導致換流變側交流母線失壓引發直流雙極閉鎖，過渡期換流站接線相對薄弱，運行風險極高。而巴西國調對運行過渡期的風險重視不夠，沒有認真分析單開關跳閘即引起直流換流站母線失壓并導致直流閉鎖的風險，沒有針對該種類型故障設計穩控策略，安排滿負荷試驗前未校核開關過流定值設置錯誤，工程過渡期的風險點沒有得到有效控制。

建議：工程建設及安排電網重大檢修期間，要深入評估系統安全風險，過渡期采用相對保守的風險控制原則，提高系統安全穩定裕度，嚴格按照“四個不安排”原則合理安排系統運行方式，確保系統安全穩定運行。

5）加強機網協調管理，共系統運行安全防線：事故中，巴西東北部電網解列后，通過低頻減載動作，系統頻率恢復至60Hz，后因部分機組保護動作甩機導致頻率再次下降、最終崩潰。若機組在事故過程中能夠保持穩定運行，發揮有功、無功調節作用，巴西東北部電網可能就會穩定運行。云南電網作為南方電網的異步送端電網，發電機組容量大、數量眾多，若機網協調工作不到位，機組無序動作，將對云南電網安全穩定運行帶來極大危害。

建議：全面加強機網協調管理，強化入網機組涉網試驗工作和審核力度，持續推動機組勵磁、調速系統參數實測和建模規范化。加強機組異常事件分析，定期通報相關異常事件，對共性問題在全網范圍內梳理整改。特別要加強新能源機組管理，確保電網嚴重故障情況下，新能源機組不會大面積脫網，惡化電網運行狀況。

4 結束語

云南電網異步聯網運行，當多回直流出現故障時，對電網的巨大沖擊可能導致云南頻率失穩，大面積停電事故的發生。又如，目前電網運行過分依靠安全穩定控制系統等事故后控制措施，且控制系統和策略日益復雜，當措施失效時，極有可能造成不可預知的連鎖故障，導致電網大面積停電事故。因此我們要持續把確保電網安全穩定放在首要位置，更加科學地規劃和建設電網，不斷提高電網運行水平。