大电网连锁故障的风险分析及对策

第35卷第12期电网技术Vol.35No.122011年12月PowerSystemTechnologyDec.2011文章编号：1000-3673（2011）12-0043-07中图分类号：TM712文献标志码：A学科代码：470·4034大电网连锁故障的风险分析及对策李继红1，戴彦1，王超1，孙维真1，倪秋龙1，陈为化2（1．浙江电力调度通信中心，浙江省杭州市310007；2．中国电力工程顾问集团公司，北京市西城区100120）RiskAnalysisandCountermeasurestoPreventCascadingFailuresinLarge-ScalePowerGridsLIJihong1,DAIYan1,WANGChao1,SUNWeizhen1,NIQiulong1,CHENWeihua2(1.ZhejiangElectricPowerDispatchandCommunicationCenter,Hangzhou310007,ZhejiangProvince,China;2.ChinaPowerEngineeringConsultingGroupCorporation,XichengDistrict,Beijing100120,China)ABSTRACT:Inallusiontotheincreasingriskofcascadingfailuresoccurredinlarge-scalepowergridsandconsideringactualpowergridoperationconditions,operationcharacteristicsofdomesticlarge-scalepowergirdsandexistingriskfactorsofcascadingfailures,suchastheriskofpowersystemsecurityandstabilitycontroldevices,theriskoftie-linepowerflowcontrolforUHVpowergrids,riskofpowergridstructure,riskofoperatingmodesandriskofeventofsmallprobabilityandsoon,areanalyzedindepth.Basedonanalysisresultsandproceedingandfromtheviewpointofoperationandmanagementoflarge-scalepowergrid,severalgenerallysuitablecountermeasuresareproposedaccordingtodifferentfeaturesofvarioustypesofrisks,forinstancebuildingWAMSandriskearlywarningsystem,constructingpowergridschedulingsystemfordisasterpreventionandspeedinguptheconstructionofintegrateddispatching-controlsystem,etc.Finally,thedevelopmentoflarge-scalepowergirdsinChinaisprospected.KEYWORDS:large-scalepowergrid;cascadingfailure;securityautomaticequipment;ultrahighvoltage(UHV);gridstructure;operationmode;risk摘要：针对大规模电网连锁故障风险不断增大的问题，结合我国大区电网实际运行经验，对大电网运行特点及存在的连锁故障风险因素，如电力系统安全自动装置风险、特高压电网联络线功率控制风险、电网网架结构风险、电网运行方式风险、小概率事件风险等都进行了深入探讨。在此基础上，从大电网运行、管理等角度入手，针对各类风险的不同特点，提出了若干有普遍适用意义的对策，如建设广域测量系统及风险预警系统、构建电网防灾调度体系、加快调控一体化建设等。昀后，对我国大电网的发展前景进行了总结和展望。关键词：大电网；连锁故障；安全自动装置；特高压；网架结构；运行方式；风险0引言随着我国经济的不断发展和电力市场改革的逐步深入，必须建设大电网来满足电力增长的需求以及社会资源优化配置的需要。由于分布广泛、规模庞大，与中、小型电网相比，大电网在运行过程中面临更多的扰动与风险，其中，连锁故障是威胁大电网安全稳定运行的严重故障之一。所谓连锁故障是指电力系统中的某一元件故障，进而导致其他元件停运，这种连锁反应迅速蔓延，昀终造成大规模的停电事故。连锁故障发生的概率虽然不大，但后果十分严重。近年来国外发生的多起大面积停电事故均与连锁故障有关[1-5]。2009年1月6日，我国第1条1000kV特高压交流输电线路正式投入运行，连接华北、华中2大电网，为全国特高压联网打下了基础。在此背景下，如何防止大电网连锁故障的发生具有重要的实际价值和深远的社会影响。为预防大电网连锁故障，国内外电力工作者和科研人员做了大量有益的工作。文献[6-7]尝试建立大电网连锁故障的模型，这些模型一般为物理或图论模型，基于这些模型已经能够定性地解释一些电力系统连锁故障现象；文献[8-9]分析了近年来国内外发生的大规模停电事故，指出连锁故障是这些大规模停电事故发生的主要原因之一，并提出了相应的预防措施；文献[10-11]分析了连锁故障中的特殊问题，提出了预防连锁故障的措施及昀终应达到的目标，并根据目前的技术现状分析了这些防范措施实现的可能性。本文基于上述理论成果，结合我国区域大电网的实际运行经验，探讨大电网形成的历史必然性、总结大电网在安全性、经济性、灵活性等方面的优点，分析大电网运行在安全自动装置、联络线控制等方面存在的风险。在此基础上，从大电网运行与管理角度，提出防止大电网连锁故障的技术与管理对策，昀后对44李继红等：大电网连锁故障的风险分析及对策Vol.35No.12我国大电网的发展前景进行总结和展望。1大电网运行特点与风险分析1.1大电网的特点与中、小型电网相比，大电网的优势主要体现在以下几个方面：1）提高发供电可靠性。一般负载的投、切，或某一机组(甚至电厂)的突然失去对用户供电不会有太大影响；2）提高电能质量。由于系统容量足够大，电压、频率等的波动影响均可在允许变化范围内；3）提高系统经济性。可充分利用高效率的大机组，并减少系统总的装机备用容量，提高设备利用率；4）增强系统运行灵活性。在保证安全性的前提下有更多的运行方式可供选择。1.2大电网的运行风险1.2.1电力系统安全自动装置风险电力系统安全自动装置通常包括切机、切负荷、快关汽门、低频低压减载及振荡解列等装置[12]。在正常情况下，安全自动装置组成了电力系统可靠的第2、第3道防线。然而在某些特定的情况下，若安全自动装置不能正确发挥作用，反而可能增加发生连锁故障的风险。如图1所示，系统中线路1、线路2的导线型号均为LGJ-400，安全电流为880A(对应有功功率约为310MW)。线路3的导线型号为LGJ-2×300，安全电流为1222A(对应有功功率约为410MW)，负荷1、2、3、4的容量分别为80MW、80MW、80MW、100MW。系统装有安全自动装置：当检测到线路1或线路2过负荷时，切除负荷3。线路1跳闸后线路功率在各种情况下对比如表1所示。G线路1线路2线路3负荷4负荷1负荷2负荷3图1安全自动装置风险示意Fig.1Riskschemeofsecurityandstabilitydevice表1线路的功率对比Tab.1Comparisonoftransmissionlinespowerflow故障后功率/MW线路名称故障前功率/MW安稳装置正确动作安稳装置未发挥作用线路115000线路2150260340线路3240160240由表1可见，若安全自动装置不能正确动作，则将发生线路1跳闸→切负荷3失败→线路2过载→线路2跳闸→系统解列的连锁事故，昀终导致负荷1-4全停的严重后果。由此可见，安全自动装置在提高了系统输送能力的同时，也给系统的安全稳定运行造成了潜在的连锁故障风险。这种风险在实际运行中确实存在：2008年冰雪灾害时期，由于倒塔、断线等原因造成了安全自动装置切不到负荷或者切负荷容量不足，容易诱发连锁故障甚至导致电网崩溃。针对电网运行环境日益复杂的特点，必须对极端运行环境下潜在的连锁故障风险予以充分重视。1.2.2联络线功率控制风险国外大电网的发展过程表明：大规模电网一般是在中、小型电网互联的基础上逐步发展起来的。我国电网的发展也基本遵循了这一规律：首先各省级电网形成各自的主网架，然后通过500kV线路将各省级电网连接成区域电网(华北、华东、华中等)。目前正通过1000kV特高压交流和±800kV特高压直流线路连接各区域电网，以实现全国特高压联网的目标。这种模式下，在联网初期，由于电网的联系不够坚强，存在着由于联络线控制不力引发连锁故障的风险。近似模拟“三华”特高压联网过渡方式，如图2所示。线路1、线路2分别为特高压交流线路与特高压直流线路，线路3-5是500kV交流线路。省级电网1-4通过500kV交流线路互联组成区域电网3，区域电网3和区域电网1、区域电网2之间分别通过特高压交流线路与直流线路相连，组成了一个复杂的大电网。为保证大电网的安全稳定运行，须控制联络线功率保持稳定。该任务通常由参与功率区域电网1区域电网3区域电网2省级电网1省级电网2省级电网4线路1线路2线路3线路4线路5省级电网3图2联络线控制风险示意Fig.2Riskschemeoftie-linecontrol第35卷第12期电网技术45调整的电厂通过自动发电量控制完成，如图3所示，图3中实线表示线路1的功率波动，虚线与点划线分别表示了电厂1、2的功率调整。理论上，电厂将跟踪联络线功率的波动按照一定的规则进行调整，以确保联络线功率的稳定，如图3(a)所示。实际运行中，由于存在出力震动区、调节时滞、机组特性差异等多种因素的影响，参与调整的各电厂之间可能无法协调运行，出现如图3(b)所示的情况：即电厂1只能向下调整，电厂2只能向上调整，昀终造成所有参与调整电厂的调整容量枯竭，出现了由于联络线功率控制导致大电网连锁故障的风险。一种潜在的连锁故障路径为：线路2双极闭锁→线路1功率大幅波动(特高压头摆峰值较大)→联络线功率控制无效→线路1跳闸→区域电网3内部功率大幅振荡→省际电网联络线1-4之间解列，不但整个大电网解列成若干部分，若省级电网1-4不能快速平息区内功率振荡达到功率平衡，很可能发生大面积停电的严重后果。采样时间/min020406040080012001800有功功率/MW联络线调整厂2调整厂1(a)理想状态采样时间/min020406020060010001800有功功率/MW联络线调整厂2调整厂11400(b)实际状态图3电厂出力调整效果Fig.3Effectofadjustingplant1.2.3电网网架结构风险上述的安全自动装置风险与联络线控制风险主要与电网设备有关。下面讨论的电网网架结构风险与电网运行方式风险将涉及到电网的规划、运行等方面。合理的布局、坚强的网架结构不但有利于电网的灵活运行，也能大大提高电网运行的安全性。与此相反，如果电网结构不够优化，将存在由于电网结构问题引发的大电网连锁故障风险。图4是某大电网的一部分。变电站1-4为220kV变电站，变电站5为500kV变电站，火电厂G通过220kV接入电网。线路12-1、线路12-2、线路45-1、线路45-2的导线型号为LGJ-2×400，安全电流是1424A，线路1G-1、线路1G-2、线路23、线路34-1、线路34-2、线路5G-1、线路5G-2的导线型号均为LGJ-2×300，安全电流是1222A。线路1G-1线