國際大電網(wǎng)委員會(huì)CIGRE和美IEEE會(huì)員和原電力部生產(chǎn)司教授級(jí)高工

摘要：世界失穩(wěn)重大停電（每次負(fù)荷損失≥800萬千瓦）通常經(jīng)歷兩個(gè)階段：

第一階段是在龐大、不可控的自由聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)上一旦單一線路跳閘，即自然造成負(fù)荷轉(zhuǎn)移，使不合理設(shè)計(jì)/整定的距離保護(hù)不斷的'連鎖跳閘'，直到重負(fù)荷轉(zhuǎn)移到高阻抗的回路上，就失穩(wěn)振蕩。

第二階段是受振蕩影響的線路和發(fā)電機(jī)都由不合理設(shè)計(jì)/整定的線路距離保護(hù)和發(fā)電機(jī)失穩(wěn)保護(hù)'連鎖跳閘'，使系統(tǒng)瓦解為很多缺電弧島，最終大停電。

世界上對(duì)電力系統(tǒng)失穩(wěn)的處理有兩個(gè)不同的準(zhǔn)則：第一個(gè)是北美電力可靠性委員會(huì) 的1997年《NERC規(guī)劃準(zhǔn)則(NERC PLANNING STANDARDS) 》規(guī)定"當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生穩(wěn)定的搖擺時(shí)，發(fā)電和輸電的繼電保護(hù)應(yīng)避免跳閘"；實(shí)際上就要在失穩(wěn)時(shí)將發(fā)電機(jī)和線路都'連鎖跳閘'；結(jié)果就是瓦解而大停電。

第二個(gè)準(zhǔn)則是中國1981年頒發(fā)的《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》。中國導(dǎo)則首先對(duì)發(fā)電廠和交直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)規(guī)定為《分區(qū)-采取直流將交流電網(wǎng)分若干大區(qū)》，《分層-高壓和低壓電網(wǎng)采取幅射性聯(lián)接》；和《分散-單一發(fā)電點(diǎn)直聯(lián)負(fù)荷中心》和從保護(hù)自動(dòng)化技術(shù)上《避免線路過負(fù)荷連鎖跳閘》以防止暫態(tài)失穩(wěn)。其次即使失穩(wěn)時(shí)，全部線路和絕大多數(shù)發(fā)電機(jī)的繼電保護(hù)都不應(yīng)也不會(huì)'連鎖跳閘'，系統(tǒng)都會(huì)在短時(shí)內(nèi)恢復(fù)同步運(yùn)行，避免出現(xiàn)大停電。

所以，中國（除臺(tái)灣一次外）都完全防止了重大停電。中國的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和保護(hù)設(shè)計(jì)是在周密研究國內(nèi)外大停電，結(jié)論是"連鎖反應(yīng)大停電的原因 - 不受控制的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和繼電保護(hù)" 。因而36年來按《穩(wěn)定導(dǎo)則》，建設(shè)可控的'分層''分區(qū)'的交/直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，和'分散外接電源'的電源結(jié)構(gòu)，建立、健全〈三道防線〉。因此，建立可靠的'三分'系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和'保結(jié)構(gòu)完整'的繼電保護(hù)技術(shù)，應(yīng)作為防止大停電的基本決策。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)定；全停；繼電保護(hù)連鎖跳閘；瓦解；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.  世界重大停電           

印度大停電后，世界上共發(fā)生了25次重大停電，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人民生活造成

嚴(yán)重影響。對(duì)這些重大停電事故的順序經(jīng)歷進(jìn)行研究，以確認(rèn)為何在相似的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)首先發(fā)生' 暫態(tài)失穩(wěn)'，而當(dāng)系統(tǒng)完整性不能維持，最后導(dǎo)至'瓦解全停'。

實(shí)踐證明，過去電力容量占世界首位的美國重大停電最嚴(yán)重，發(fā)生6次，負(fù)荷損失15142萬千瓦；印度發(fā)生3次，負(fù)荷損失9673萬千瓦。我國電力容量現(xiàn)己占世界首位，除臺(tái)灣一次外，從不發(fā)生重大停電，總結(jié)為貫徹《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》所取得的中國電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建設(shè)和繼電保護(hù)技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)世界有重大貢獻(xiàn)。

2. 世界重大停電

2.1  2003年美國/加拿大大停電

美國以直流隔離分三個(gè)區(qū)，南部ERCOT區(qū)域很小、很安全。東區(qū)和西區(qū)都是大面積，復(fù)雜又不可控的交流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，相當(dāng)世界上最大的電力容量。由于不同電網(wǎng)和電源都是自由聯(lián)接，全部電網(wǎng)結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)故障時(shí)都處於失控局面。結(jié)果東部和西部大區(qū)各發(fā)生三次重大停電，成為世界上最嚴(yán)重的重大停電國家。

圖1表示世界上最嚴(yán)重的2003年美加大停電為什么失穩(wěn)？因?yàn)樗鼈兿到y(tǒng)是一個(gè)不可控的負(fù)荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)，而且采用不適當(dāng)?shù)睦^電保護(hù)原理/整定，線路故障后連鎖反應(yīng)地一條條'連鎖跳閘'14次，在安全分析相當(dāng)經(jīng)歷N－14，直到重負(fù)荷疊加在長距離/高阻抗的345/230/345kV串聯(lián)環(huán)路上失穩(wěn)。

這次大停電還反映了大系統(tǒng)不分區(qū)而用交流自由聯(lián)網(wǎng)的嚴(yán)重性，從圖1可見美國和加拿大Ontario通過各級(jí)交流電壓線聯(lián)在一起，構(gòu)成這次失穩(wěn)環(huán)路,是促成這次失穩(wěn)的結(jié)構(gòu)性原因；如果它們是直流聯(lián)網(wǎng)，必然可以避免這次失穩(wěn)；如它們是單回交流聯(lián)網(wǎng), 一旦失穩(wěn)立刻解列, 也停止失穩(wěn)。由於它們是多回交流緊密相聯(lián)，構(gòu)成長距離弱聯(lián)系環(huán)網(wǎng)而失穩(wěn)，Ontario也遭重大損失：事故前僅受北美電130萬千瓦,占5.6%，事故損失2250萬千瓦，占97%，幾乎全停[1]。但加拿大魁北克和北美是直流聯(lián)網(wǎng)，不旦不受影響，反而該直流聯(lián)到紐約長島而使當(dāng)?shù)卮笸ｋ姾蠛芸旎謴?fù)用電。

2.2 嚴(yán)重的印度重大停電

為什么印度發(fā)生了三次重大停電? [2]

圖2  印度的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

（1）全國交流聯(lián)網(wǎng)，破壞了直流聯(lián)網(wǎng)的安全作用圖2可見印度雖然劃分了5個(gè)電網(wǎng), 但北部三個(gè)(北網(wǎng)、東網(wǎng)、東北網(wǎng))和西網(wǎng)都直接以多回交40/22萬伏線路聯(lián)在一起，祗有一回直流，可稱強(qiáng)交弱直，基本合成為一個(gè)龐大交流同步網(wǎng)。

任一處發(fā)生故障或失穩(wěn)振蕩，就會(huì)連鎖反應(yīng)波及交流相聯(lián)的全部電網(wǎng)。印度以交流將所有的發(fā)電廠/線路聯(lián)接一起即會(huì)造成大停電的危險(xiǎn)。

圖2所示電力是由聚集的交、直流線路和聚集的電廠輸送。當(dāng)一回線路因過負(fù)荷或故障跳閘時(shí)，將因負(fù)荷轉(zhuǎn)移造成多回線路步步連鎖反應(yīng)跳閘，直至全網(wǎng)失穩(wěn)而結(jié)果大停電。

(2) 由於距離保護(hù)Z3不合理的設(shè)計(jì)和整定使負(fù)荷轉(zhuǎn)移線路連鎖反應(yīng)跳閘是造成系統(tǒng)失穩(wěn)的原因

印度近兩次重大停電皆不是由故障引起，都是由相同的40萬伏Bina-Gwalior-1線路距離三段過負(fù)荷誤動(dòng)引起。在2012年7月30/31日跳閘前,  Bina-1 線電壓為37.4/36.2萬伏, 傳送負(fù)荷為145/125.4萬千瓦。此線路并不因負(fù)荷過熱， 卻因Z3的不合理設(shè)計(jì)原理和整定跳閘。然后同樣的過負(fù)荷跳閘連鎖反應(yīng)逐一發(fā)生在不合理的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，直至系統(tǒng)失穩(wěn)。系統(tǒng)失穩(wěn)時(shí)有關(guān)的所有線路和發(fā)電機(jī)的不合理跳閘造成整個(gè)交流系統(tǒng)大停電。

上述三個(gè)不合理問題在中國早在1981年開始已從技術(shù)上徹底解決。

線路距離保護(hù)第三段容易因過負(fù)荷動(dòng)作跳閘的原因，一是輸電線輸送重負(fù)荷、特別是在低電壓下輸送大量無功電力；二是此保護(hù)的設(shè)計(jì)原理和整定方法皆容易在上述情況下誤動(dòng)作。建議采用中國的距離繼電器和整定方法就具備防止負(fù)荷轉(zhuǎn)移時(shí)的連鎖誤動(dòng)作。(3)系統(tǒng)失穩(wěn)振蕩時(shí)造成線路和發(fā)電機(jī)連鎖跳閘是印度大停電原因失穩(wěn)振蕩不可能絕對(duì)避免。多年實(shí)踐證明，美國和印度的大停電都是由於線路和發(fā)電機(jī)在系統(tǒng)失穩(wěn)振蕩時(shí)連鎖跳閘造成。這就是2001年1月2日印度北部電網(wǎng)大停電的原因[2] ，2012年負(fù)荷大增，同樣的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的故障時(shí)負(fù)荷轉(zhuǎn)移、連鎖反應(yīng)更為嚴(yán)重。建議從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和繼電保護(hù)采用中國的《穩(wěn)定導(dǎo)則》和線路距離保護(hù)、發(fā)電機(jī)失穩(wěn)保護(hù)的原理改進(jìn)和整定方法。

3. 世界重大停電實(shí)踐和中國的安全經(jīng)歷

為什么美國和印度等電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和繼電保護(hù)基本原理上仍然存在重大停電危險(xiǎn)？還得從北美電網(wǎng)發(fā)展的歷史說起。1965年11月9日發(fā)生全世界第一次北美紐約重大停電，美加兩國決定於1966年成立北美電力可靠性委員會(huì)(NERC)，以解決大停電問題。然而至今美加都沒能合理解決造成大停電的系統(tǒng)(電源/電網(wǎng))結(jié)構(gòu)問題，例如《NERC規(guī)劃準(zhǔn)則(G12, 1997)》根本沒有對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)規(guī)劃作具體規(guī)定，祗對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行、繼電保護(hù)等提出不合適的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果使美加后來共發(fā)生10次重大停電。特別是NERC成立37年后發(fā)生了世界上最嚴(yán)重的2003年美加大停電,即由美加兩國組成工作組發(fā)表了三個(gè)報(bào)告：《美國和加拿大2003年8月14日大停電報(bào)告：原因和建議》。NERC也提出《2003年8月14日大停電技術(shù)分析：甚么發(fā)生，為什么，和我們學(xué)習(xí)到什么》的報(bào)告。所有報(bào)告都根本沒有承認(rèn)造成事故的問題是電源/電網(wǎng)結(jié)構(gòu)問題［3］,  所以多年來所有電力公司都沒有為防止今后大停電作為有效辦法去研究和改進(jìn)它們的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

然而美國電科院和直流聯(lián)網(wǎng)（DC Interconnect）公司在2008年1-2月IEEE Power & Energy期刊發(fā)表報(bào)告［4］，為防止美歐多次重大停電，建議在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)上將美國東部網(wǎng)(EI - 7.55億千瓦)應(yīng)用直流隔離分為四個(gè)交流區(qū)，同時(shí)也適用于美國西部網(wǎng)(WI - 2億千瓦) 和西歐(5.3億千瓦), 這可以說是美歐在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)上解決重大停電的起步策略，但至今尚不知NERC是否確認(rèn)？政府部門是否關(guān)注？2007年CIGRE在日本大阪召開的電網(wǎng)會(huì)議時(shí)，美國電科院Dr. Ram Adaba 聽到本人對(duì)我國系統(tǒng)發(fā)展策略報(bào)告［5］后，主動(dòng)問及我國電網(wǎng)結(jié)構(gòu)經(jīng)驗(yàn)并得到有關(guān)資料，可能對(duì)上述它們有關(guān)的分區(qū)結(jié)構(gòu)建議有所幫助。

但具備世界上最大交流電網(wǎng)的歐州卻接受我們改造電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)經(jīng)驗(yàn),采用直流分區(qū)。目前已應(yīng)用42套直流將歐州分很多區(qū)以提高電力系統(tǒng)的可靠性和防止系統(tǒng)大停電。[5]上世紀(jì)70年代末，我國電力部工作組為了解決文革當(dāng)時(shí)的210次電網(wǎng)事故，不僅調(diào)查分析國內(nèi)事故，還對(duì)全世界大停電、特別對(duì)1965年北美大停電認(rèn)真研究，認(rèn)為："連鎖反應(yīng)造成大停電的原因 - 不受控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和繼電保護(hù)" ，所以制定了《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》和《繼電保護(hù)四統(tǒng)一》標(biāo)準(zhǔn)。

改革開放以來，按《穩(wěn)定導(dǎo)則》建立了可靠的交/直流「分層」「分區(qū)」的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，「分散外接電源」的電源結(jié)構(gòu)和「三道防線」，系統(tǒng)失穩(wěn)可能偶而局部發(fā)生，但不致瓦解/大停電；而且由於區(qū)間主要為直流聯(lián)網(wǎng)，任一區(qū)故障/失穩(wěn)都不會(huì)波及鄰區(qū)，這就是中國的經(jīng)驗(yàn)。為此, 本人在1988年國際大電網(wǎng)CIGRE 會(huì)議上作了5次大會(huì)發(fā)言［7］，特別在『系統(tǒng)可靠性』會(huì)發(fā)言，世界聞名的美國Dr. Chares Concordia 認(rèn)為這是用了簡單的方法解決了復(fù)雜的問題，并即時(shí)邀請(qǐng)參加CIGRE 38.03 「電力系統(tǒng)可靠性分析」工作組。在2004年 CIGRE大會(huì)本人也作了5次大會(huì)發(fā)言，特別是針對(duì)2003年美加大停電報(bào)告后即時(shí)發(fā)言［8］，稱"1965年紐約大停電就是保護(hù)誤動(dòng)，在自由聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)連鎖跳閘，造成失穩(wěn)又誤動(dòng)而瓦解。2003年美加大停電也是由於同樣問題連鎖造成，中國早已解決這個(gè)問題"。在2004年紐約IEEE PES電網(wǎng)大會(huì)，本人曾針對(duì)2003年美加大停電，提交中國經(jīng)驗(yàn)的論文和作報(bào)告，并對(duì)NERC指派來訪的工程總監(jiān)建議："電網(wǎng)過大宜再應(yīng)用直流隔離分區(qū)，同時(shí)令線路距離保護(hù)和大部發(fā)電機(jī)避免在系統(tǒng)過負(fù)荷/失穩(wěn)時(shí)跳閘，即可避免大停電"［8］。

4. 中國歷史上最嚴(yán)重的2006年7月1日華中電網(wǎng)事故圖3表示中國歷史上最嚴(yán)重的2006年7月1日華中電網(wǎng)事故，也是一個(gè)實(shí)例表明在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和保護(hù)上為什么造成失穩(wěn)和大停電是怎樣發(fā)生、怎樣防止？ 《穩(wěn)定導(dǎo)則》明確規(guī)定「分層」，指不同電壓線路不能并列運(yùn)行（電磁環(huán)網(wǎng)）,但華中電網(wǎng)違反規(guī)定，使結(jié)構(gòu)上構(gòu)成失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。事故起因是50萬伏雙回線進(jìn)口ABB保護(hù)先后誤動(dòng)作，線路的178萬千瓦負(fù)荷轉(zhuǎn)移到22萬伏電網(wǎng)的7回線，由于嚴(yán)重過載及對(duì)樹短路，保護(hù)相繼跳開其中4回線，最后通過3回22萬伏線路向南部主網(wǎng)送電，造成全網(wǎng)失穩(wěn)。

失穩(wěn)沒有波及西北、華南和華東，因?yàn)閰^(qū)間是直流聯(lián)網(wǎng)。但錄波證明華北和華中間的交流聯(lián)網(wǎng)不僅促成華中電網(wǎng)的失穩(wěn)，而且拖延了恢復(fù)再同步的時(shí)間，因此區(qū)間祗應(yīng)采用直流聯(lián)網(wǎng)。

《穩(wěn)定導(dǎo)則》規(guī)定所有線路和大多數(shù)發(fā)電機(jī)在失穩(wěn)時(shí)都不'連鎖跳閘'，保持完整性, 全網(wǎng)在短時(shí)內(nèi)都拉入同步，恢復(fù)運(yùn)行，防止大停電。但有少數(shù)發(fā)電機(jī)尚未嚴(yán)格執(zhí)行導(dǎo)則要求而仍然跳閘, 造成電力損失380萬千瓦，相當(dāng)原負(fù)荷的6.3%。分析本事故和北美/印度結(jié)構(gòu)/保護(hù)上差別：

(1) 北美/印度結(jié)構(gòu)一旦故障即連鎖反應(yīng)跳閘而失穩(wěn)；華中因'電磁環(huán)網(wǎng)'失穩(wěn)，但不波及鄰區(qū)。

(2) 北美電網(wǎng)一旦失穩(wěn)，有關(guān)線路/發(fā)電機(jī)皆跳閘，瓦解全停；華中電網(wǎng)失穩(wěn)， 線路和大部發(fā)電機(jī)都不跳閘，很快拉入同步，恢復(fù)運(yùn)行。

印度采用美國系統(tǒng)結(jié)構(gòu)/保護(hù)技術(shù)，一旦故障即會(huì)連鎖反應(yīng)不斷跳閘造成大停電。但將來這種大停電在應(yīng)用中國的經(jīng)驗(yàn)即可避免。中國主要應(yīng)用直流隔離在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)上分六大分區(qū)，因而任何一個(gè)分區(qū)的故障或振蕩都不會(huì)波及鄰區(qū)。這就是中國從不發(fā)生重大停電的關(guān)鍵因數(shù)。

5.   中國確保安全和提高輸電能力的繼電保護(hù)改革技術(shù)

5.1  創(chuàng)新的微機(jī)型保護(hù)既確保安全又大大提高穩(wěn)定水平

我國除實(shí)現(xiàn)《穩(wěn)定導(dǎo)則》規(guī)定的〈三分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)〉外，更由創(chuàng)新的微機(jī)型保護(hù)和穩(wěn)定控制技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)〈三道防線〉，表2表示2006～2015年廣東50萬伏電網(wǎng)故障快速切除又有極高的重合成功率，證明我國保護(hù)設(shè)備技術(shù)已具備世界最為先進(jìn)的水平。

上世紀(jì)八十年代為貫徹《穩(wěn)定導(dǎo)則》而實(shí)現(xiàn)改造的整流型'保護(hù)四統(tǒng)一'時(shí)，故障切除（包括保護(hù)和斷路器）時(shí)間由阿城/上海繼電器廠將原機(jī)械型保護(hù)的0.15～0.2秒縮短為0.1秒，并作為確定暫態(tài)輸送能力的計(jì)算指標(biāo)。后多年來又由南瑞/四方制造廠家研制生產(chǎn)并在全國推廣應(yīng)用微機(jī)型保護(hù)，故障切除時(shí)間更快，發(fā)揮了重要作用。

（1）線路單相故障還來不及發(fā)展為多相，即快速切除，所以單相故障多占95.3%。即使倒塔，還末等全部導(dǎo)線接地即快速切除，對(duì)穩(wěn)定也相當(dāng)無三相短路。

（2）由於故障快速切除，所以單相重合成功率高達(dá)77%。

（3）目前線路暫態(tài)穩(wěn)定輸送能力按出口三相短路0.09秒切除。但三相短路難以發(fā)生，兩相短路則在0.05秒內(nèi)切除。必將過於保守，沒有充份發(fā)揮現(xiàn)有保護(hù)潛力。

(4)對(duì)輸電受暫穩(wěn)限制的線路，即使不按三相短路計(jì)算輸電而萬一發(fā)生，失穩(wěn)也會(huì)短時(shí)恢復(fù)同步運(yùn)行，影響不大。

5.2   怎樣防止負(fù)荷轉(zhuǎn)移'連鎖跳閘'造成系統(tǒng)失穩(wěn)？

為什么2003年美加大停電首條34.5萬伏 Sammis-Star線路距離保護(hù)三段 (Z3) 的原理設(shè)計(jì)和整定會(huì)因過負(fù)荷跳閘？(見圖4)

（1） 采用方向阻抗園原理的距離保護(hù)是難以防止過負(fù)荷誤跳閘。  

(2）該距離保護(hù)也整定不當(dāng)，保護(hù)范圍直達(dá)低一級(jí)電網(wǎng)。

(3)   線路輸送重負(fù)荷, 特別是在低電壓下送無功電力就更易誤動(dòng)。

由於中國220-500kV線路和母線都設(shè)計(jì)有雙重化主保護(hù)，作為切除相間故障的距離保護(hù)后備功能并不重要。而且多相又不接地的故障極少。八十年代后改為微機(jī)型保護(hù)的Z3大有改進(jìn)。

（1） 原理設(shè)計(jì)改進(jìn)如圖5所示。     
（2）Z3整定保護(hù)范圍建議不要過遠(yuǎn), 像圖4美國 Z3保護(hù)范圍達(dá)低壓變電站。美加工作組針對(duì)大停電在2003年9月費(fèi)城會(huì)議中，美國BPA公司曾報(bào)告從1970年就停用Z3,  這可說是另一防止過負(fù)荷跳閘的有效措施。    

我國從保護(hù)技術(shù)上有很強(qiáng)的防止負(fù)荷轉(zhuǎn)移連鎖跳閘能力，作為后備的距離保護(hù)原理，由易過負(fù)荷誤動(dòng)的方向阻抗圓改進(jìn)為四邊形等措施并縮短其保護(hù)范圍，以防止過負(fù)荷'連鎖跳閘'，線路永久性故障時(shí)，切除部分送端機(jī)組以降低剩余線路的過負(fù)荷，基本解決了負(fù)荷轉(zhuǎn)移'連鎖跳閘'問題。

5.3  采用中國的距離保護(hù)設(shè)備是防止大停電的有效措施

華中（圖3 - 2006年7月1日）最嚴(yán)重的事故是由於采用ABB進(jìn)口的500kV雙回線縱差保護(hù)誤動(dòng)引起；這種進(jìn)口保護(hù)不可靠，因?yàn)樗L時(shí)判別內(nèi)部或外部故障，一旦任一元件失靈都可能誤判跳閘。國內(nèi)相同的保護(hù)祗是在線路故障時(shí)200ms判別內(nèi)部或外部故障。

中國南網(wǎng)系統(tǒng)崩潰（1994年5月25日）是美國GE-TLSIB距離保護(hù)在系統(tǒng)失穩(wěn)誤動(dòng)引起；事故后即改用國產(chǎn)設(shè)備。

距離保護(hù)采用南瑞或四方設(shè)備即可防止過負(fù)荷或失穩(wěn)誤動(dòng)。發(fā)電機(jī)失穩(wěn)保護(hù)的整定范圍應(yīng)縮短, 祗應(yīng)在系統(tǒng)振蕩時(shí)其振蕩中心落在發(fā)電機(jī)本身及其升壓變壓器時(shí)才動(dòng)作。

6.   怎樣防止由於失穩(wěn)振蕩引起輸電線路和發(fā)電機(jī)'連鎖跳閘'造成大停電

世界上電網(wǎng)"失穩(wěn)"不可能絕對(duì)避免發(fā)生，實(shí)踐證實(shí)北美等國家一旦失穩(wěn)時(shí)，線路/發(fā)電機(jī)都'連鎖跳閘'，結(jié)果系統(tǒng)瓦解大停電。但中國一旦失穩(wěn)時(shí)，線路/大多發(fā)電機(jī)都不'連鎖跳閘'，保持系統(tǒng)完整性而能短時(shí)恢復(fù)同步,  就可以防止了大停電。因此世界上對(duì)此有兩種完全不同的策略，導(dǎo)致使用兩種不同的繼電保護(hù)設(shè)備技術(shù)，帶來兩種完全不同的安全后果。

6.1  北美電力可靠性委員會(huì)(NERC) 的《NERC規(guī)劃準(zhǔn)則(G12, 1997)》

失控 →自由的連鎖反應(yīng)跳閘 → 系統(tǒng)瓦解 → 大停電

該準(zhǔn)則規(guī)定"當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生穩(wěn)定的搖擺時(shí)，發(fā)電和輸電的繼電保護(hù)應(yīng)避免跳閘" ；實(shí)質(zhì)上就要在失穩(wěn)時(shí)將發(fā)電機(jī)和線路'連鎖跳閘'；結(jié)果就是瓦解電網(wǎng)/斷掉電源而最后大停電。

為什么要這樣規(guī)定？為了堅(jiān)持它們的論據(jù), 2005年7月19日美國IEEE 的 PSRC WG D6(電力系統(tǒng)可靠性委員會(huì)的D6工作組)發(fā)表一篇59頁的報(bào)告《對(duì)輸電線路上系統(tǒng)搖擺和失穩(wěn)的考慮Power Swing and Out-of-Step Consideration  on Transmission Lines》。該報(bào)告為造成2003年8月14日美加線路/發(fā)電機(jī)在失穩(wěn)時(shí)亂跳而導(dǎo)致大停電的上述《NERC規(guī)劃準(zhǔn)則(G12, 1997) 》辯護(hù)。為什么要繼電保護(hù)在原理設(shè)計(jì)上要區(qū)分系統(tǒng)搖擺和失穩(wěn)？因?yàn)榘碞ERC準(zhǔn)則要求機(jī)組和線路保護(hù)在搖擺時(shí)不應(yīng)動(dòng)作，但失穩(wěn)時(shí)要'連鎖跳閘'，說這樣規(guī)定的目的要防止損壞設(shè)備。在系統(tǒng)發(fā)生失步振蕩過程，那些設(shè)備會(huì)有損壞的危險(xiǎn)？變電設(shè)備有耐受比振蕩電流高得多的短路電流水平， 唯一擔(dān)心的就是怕?lián)p壞發(fā)電機(jī)。

"失控"表示在系統(tǒng)失穩(wěn)時(shí)，輸電和發(fā)電的繼電保護(hù)都避免不了不必要的跳閘，結(jié)果造成了不斷的連鎖反應(yīng)。當(dāng)振蕩周期低於0.2～0.3秒而且振蕩中心落在其線路的距離保護(hù)，因其振蕩閉鎖功能失靈而必然跳閘，更多發(fā)電機(jī)組因其失步保護(hù)整定過於靈敏, 在振蕩中心落在線路上也可能跳閘。結(jié)果造成全系統(tǒng)瓦解，發(fā)生大停電。

最典型的實(shí)例也是2003年美加大停電，失穩(wěn)時(shí)最短振蕩周期為0.09秒，使200多條線路和265個(gè)電廠中的508臺(tái)發(fā)電機(jī)（包括10個(gè)核電廠的19臺(tái)核電機(jī)組）因其繼電保護(hù)原理/整定不合理而跳閘。結(jié)果整個(gè)系統(tǒng)被瓦解為無數(shù)的缺電弧島，結(jié)果大停電[2]。

6.2  1981年以來中國《穩(wěn)定導(dǎo)則》規(guī)定的〈第三道防線〉［10］［11］［12］［13］ 保持系統(tǒng)完整性 → 再同步 →  即恢復(fù)運(yùn)行 → 最佳解決辦法

保持系統(tǒng)完整性的目的是在失穩(wěn)時(shí)盡快恢復(fù)正常同步運(yùn)行，即可避免大停電，這就是我國的〈第三道防線〉?；谒衅啺l(fā)電機(jī)組都具備高度的非同步力矩和靈敏調(diào)速系統(tǒng)使其在失穩(wěn)時(shí)能快速拉入同步；水電機(jī)組則按頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)械出力,  具備再同步恢復(fù)正常運(yùn)行的條件。

所有發(fā)電和輸電的繼電保護(hù)，即使電壓低，也應(yīng)避免過負(fù)荷或失穩(wěn)時(shí)誤動(dòng)作，以保持系統(tǒng)（包括發(fā)電、輸電）完整性。在特殊的輸電距離短的系統(tǒng)失穩(wěn)，才可能有振蕩中心穿越極少數(shù)發(fā)電機(jī)及其升壓變，這才有損壞發(fā)電機(jī)的可能，并由其失步保護(hù)判別跳閘，但這樣聯(lián)系緊密的系統(tǒng)發(fā)生失穩(wěn)的機(jī)率極少，所以失穩(wěn)時(shí)絕大多數(shù)發(fā)電機(jī)都不應(yīng)跳閘。這是我國50多年來, 處理過100多次系統(tǒng)失穩(wěn)的最佳辦法，而且從不因失穩(wěn)振蕩損壞過發(fā)電機(jī)。

7．電壓崩潰促成過負(fù)荷'連鎖跳閘'/失穩(wěn)也是重大停電的關(guān)鍵問題

由於負(fù)荷增長或故障時(shí)負(fù)荷轉(zhuǎn)移，缺乏無功電壓儲(chǔ)備（并聯(lián)電容/發(fā)電機(jī)無功皆用盡）下，電壓大幅度下降，又缺低壓減載保護(hù)，甚至崩潰，電壓大降時(shí)、線路輸出電流必然大增，使判別阻抗（Z = U/I ）的距離保護(hù) '連鎖跳閘'，電壓大降促成失穩(wěn)，又使常規(guī)直流輸電換相失敗而難以運(yùn)行，結(jié)果都造成大停電。

- 1983年瑞典 和1987日本東京，都因上述原因'連鎖跳閘'大停電。

- 1978年法國重大停電，則由上述原因'連鎖跳閘'，促成全國電網(wǎng)失穩(wěn)，又因失穩(wěn)'連鎖跳閘'而大停電。

- 2003年美加大停電也是在接近電壓崩潰時(shí)引起的，事故始發(fā)FE地區(qū)缺無功儲(chǔ)備又無低壓減載保護(hù)，引起失穩(wěn)振蕩，導(dǎo)至瓦解大停電。根據(jù)美加事故工作組報(bào)告，"如果事故始發(fā)FE地區(qū)裝有150萬千瓦的低壓減載保護(hù)，即可避免發(fā)生此次事故"。

- 2009年巴西兩回±60萬伏直流輸電因受端電壓崩潰而跳閘，使伊泰普水電站全停，結(jié)果大停電。

按我國《穩(wěn)定導(dǎo)則》規(guī)定："電網(wǎng)的無功補(bǔ)償應(yīng)以分層分區(qū)和就地平衡為原則"，這才是防止大停電的安全辦法和減低線損的經(jīng)濟(jì)辦法。基本上無功電力都不應(yīng)由最高電壓網(wǎng)經(jīng)多級(jí)變壓器和線路送到用戶。為此，每級(jí)電壓網(wǎng)各處，直到各用戶都應(yīng)裝有自動(dòng)投切無功補(bǔ)償設(shè)備，以保持無功就地平衡。這樣最高一級(jí)電壓網(wǎng)的發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中就儲(chǔ)備大量緊急無功，可防止電壓崩潰/失穩(wěn)/大停電。

上述重大停電原因之一是沒有裝設(shè)低壓減載保護(hù)，即使裝設(shè)也應(yīng)注意運(yùn)行電壓降到多少即去減載？動(dòng)作延時(shí)多少才有效？因在電壓崩潰邊緣點(diǎn)后立即降到零，必須在邊緣點(diǎn)前減載才有效，從電壓錄波得到的邊緣值（標(biāo)么 p.u.）如下：美加0.88；東京0.92；法國0.93；瑞典0.9。國內(nèi)低電壓減載的電壓定值雖較國外略低，但動(dòng)作速度都在0.2 - 0.5秒范圍內(nèi)，減載效果非常好。而國外都在5秒甚至10秒以上。此外，供電變壓器的自動(dòng)〈有載調(diào)壓〉是促成瑞典、法國等電壓崩潰原因之一，因?yàn)椴糠珠L線路跳閘，受端電壓降，因自動(dòng)〈有載調(diào)壓〉又增無功負(fù)載，電壓又降的連鎖反應(yīng)結(jié)果電壓崩潰，因此，電壓降到0.95p.u. ，就應(yīng)自動(dòng)停用，否則就有電壓崩潰風(fēng)險(xiǎn)。

8.  結(jié)語   

防止大停電的中國系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和繼電保護(hù)經(jīng)驗(yàn)經(jīng)過過去三個(gè)多世紀(jì)實(shí)踐證實(shí)是有效完備的，希望對(duì)世界各國有所幫助，作為防止大停電的重要決策。印度和北美重大停電的關(guān)鍵首先是電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。雖然印度電網(wǎng)已分五區(qū),  但區(qū)間不僅直流、還以交流并列相連，這就相當(dāng)一個(gè)印度寵大的交流電網(wǎng)。美國東部和西部區(qū)交流電網(wǎng)也過大，因而美國電科院建議每部以直流隔離再分四個(gè)大區(qū)，但末實(shí) 現(xiàn)。但作為世界最大交流電網(wǎng)的歐洲卻接納以直流隔離將電力系統(tǒng)分為很多分區(qū)的建議。

中國僅用直流隔離分區(qū)，在正常運(yùn)行時(shí)尚可交換負(fù)荷， 但區(qū)內(nèi)任何故障或振蕩皆不能波及鄰區(qū)。中國在區(qū)內(nèi)也以分散的遠(yuǎn)方電源/輸電線路直送負(fù)荷中心，稱為"單一發(fā)電點(diǎn)直連負(fù)荷中心" 。這樣當(dāng)線路故障時(shí)，由於負(fù)荷轉(zhuǎn)移至相鄰線路連鎖跳閘可以避免，由於祗損失小部分電源，區(qū)內(nèi)是安全的。

采用中國的距離保護(hù), 可有效防止事故時(shí)負(fù)荷轉(zhuǎn)移引起的過負(fù)荷或失穩(wěn)振蕩的連鎖跳閘,  即使系統(tǒng)失穩(wěn)，也將短時(shí)恢復(fù)同步運(yùn)行，避免瓦解，防止大停電。在系統(tǒng)失穩(wěn)時(shí)也要防止絕大多數(shù)發(fā)電機(jī)失穩(wěn)繼電器動(dòng)作跳閘，除非罕見的振蕩中心穿越此發(fā)電機(jī)及其升壓變，這也是防止大停電的重要措施。

由於這樣改進(jìn)繼電保護(hù)很可行而且很實(shí)際，而且其投資遠(yuǎn)小於系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改造，所以建議世界各國采用中國的距離繼電器和距離/發(fā)電機(jī)失穩(wěn)繼電器的整定辦法，作為防止電力系統(tǒng)大停電的第一步。第二步則是采用直流隔離將寵大的交流電網(wǎng)合理分多個(gè)區(qū)。

缺乏無功電力的支持也是大停電的原因。中國《穩(wěn)定導(dǎo)則》已規(guī)定的"每一級(jí)

電壓電網(wǎng)無功電力就地平衡" 是防止大停電的安全策略和減少線損的經(jīng)濟(jì)方法。

因此, 合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并應(yīng)用可靠的中國繼電保護(hù)設(shè)備和整定方法以保持故障

時(shí)的系統(tǒng)完整性，和充足的無功電力支持，應(yīng)作為應(yīng)對(duì)極端故障防止大停電的長遠(yuǎn)防護(hù)規(guī)劃。

參考文獻(xiàn)：BIBLIOGRAPHY

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［6］MENG, Ding Zhong, "Development Strategies of Reliable Power Systems"312 - November 2007 CIGRE Osaka Symposium in Japan

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［9］MENG, Ding Zhong, "Recommendations to Prevent Cascading Blackout", 04PS0292, 2004 IEEE PES Power Systems Conference & Exposition, 10-13 October, 2004, New York.

［10］MENG, Ding Zhong, "Maintaining System Integrity by Protective Relays to Prevent Cascading Blackout" SC B5  (Protection & Automation), Subject 2-5, 2004 CIGRE Session Proceedings.

［11］MENG, Ding Zhong "Recommendation to Establish the Design Standard of Generator Out-of-Step Capability" SC A1 (Rotating Electrical Machine), Subject 3-18, 2004 CIGRE Session Proceedings.

［12］MENG, Ding Zhong, "Maintaining System Integrity to Prevent Cascading Blackout" B5-207 CIGRE 2006 Session.

［13］MENG, Ding Zhong, "Experience and Countermeasure of Power System Blackouts World-wide", The 7th International Conference on Advances in Power System Control, Operation and Management, (APSCOM 2006), 30 October - 2 November 2006, Hong Kong.  

Remarks：Representation of presentation number during CIGRE Session: Group/Preferential Subject/Question