1.前言

2012年7月30日和31日，印度北部連續發生兩次重大停電事故，使有史以來世界上發生過的23次電網重大停電（每次負荷損失≥800萬千瓦）增加到25次。印度北部在2001年1月2日曾發生一次重大停電［1］，原因一是電源/電網結構不合理；二是繼電保護設計應用不當。11年后同樣的北部結構基本相同，圖1顯示北網和東網之間，和一回直流聯絡線并聯的交流線路,由6回40萬伏線增到8回，兩回22萬伏線增到3回；故障起因同樣是這些聯絡線/變電站發生故障,負荷轉移連鎖跳閘，后又失穩振蕩全停，所以最近兩次印度北部重大停電的起因/問題和過去的一次基本相同。

圖1 印度的電網結構

世界重大停電大多經歷兩個階段：第一階段是在龐大、不可控的自由聯網結構上一旦單一跳閘，即自然造成負荷轉移，使不合理設計/整定的繼電保護不斷的“連鎖跳閘”，直到重負荷轉移到已變為高阻抗聯絡系統,整個交流電網就失穩振蕩。第二階段是受振蕩影響的線路和發電機也由不合理設計/整定的繼電保護“連鎖跳閘”,使系統瓦解為很多缺電弧島,最終大停電。印度這三次重大停電的經歷是基本相同的。

世界上對系統安全穩定和防止大停電有兩個不同的準則，第一個是北美電力可靠性委員會的1997年《NERC規劃準則(NERC PLANNINGSTANDARDS)》，它對“電源/電網結構”沒作任何規定。只當系統運行異常時規定“當系統發生穩定的搖擺時，發電和輸電的繼電保護應避免跳閘”；實際上就要在失穩時將發電機和線路都“連鎖跳閘”；結果就是將系統瓦解而大停電,印度就是執行了北美準則而得到的后果。

第二個準則是中國1981年頒發的現行《電力系統安全穩定導則》，首先規定了安全可控的〈分層〉〈分區〉“交/直流電網結構”，和〈分散外接電源〉的點對網“電源結構”，使電網難以發生失穩振蕩。即使萬一發生，又規定了〈三道防線〉：當線路故障跳閘引起負荷轉移時，從保護/穩控技術和無功功率儲備上避免“連鎖跳閘”，使系統難以失穩；即使失穩時，全部線路和絕大多數發電機的繼電保護都不應也不會“連鎖跳閘”，系統都會在短時內恢復同步運行，避免出現大停電。所以，三十一年來中國（除臺灣一次外）都完全防止了重大停電。

圖2 中國的點對網結構

2.世界重大停電

印度事故后,全世界上共發生了25次電網重大停電（每次損失≥800萬千瓦）。

印度是南亞地區最大的國家，截止2011年擁有人口12.1億, 電力裝機容量為2億千瓦，而且面積廣大達3,287,590平方公里。這兩次事故，分別使3.7/6.7億人受停電影響，是世界上影響停電人口最多的重大停電。從重大停電造成的負荷損失計算,電力容量占世界首位的美國重大停電最嚴重，發生6次，負荷損失共15142萬千瓦；印度發生3次，負荷損失8795萬千瓦，列第三位。中國電力容量占世界第二位,除臺灣一次外,從未發生重大停電,繼續貫徹中國《導則》規定的電源/電網結構和繼電保護的經驗,對當前“三華特高壓聯網” 的決策非常重要,而且對世界有所貢獻。

表1 世界重大停電

3. 造成印度三次重大停電的電源/電網結構和繼電保護問題

為什么印度發生了三次重大停電?

(1) 全國交流聯網，破壞了直流聯網的安全作用

圖1可見印度雖然劃分了5個電網,但北部三個(北網、東網、東北網)和西網都直接以多回交流40/22萬伏線路聯在一起，只有一回直流，可稱強交弱直，基本合成為一個交流同步網。任一處發生故障或失穩振蕩，就會連鎖反應波及交流相聯的全部電網。印度南網和相鄰電網的聯接也不單純用直流，也并列交流22萬伏線路，也有故障/振蕩連鎖反應的危險。

按圖5所示的中國電網結構所示六大區基本都僅用直流聯網，就完全避免連鎖反應, 很安全，是從不會發生重大停電的原因之一。

(2) 捆在一起的電源/輸送網路結構造成全停的危險

圖1可見發生三次重大停電的東網將電源都捆在一起東電西送。一旦線路或變電站故障跳閘，負荷立即轉移到并列的回路又過負荷跳閘，這樣的連鎖反應最后會造成整個系統失穩振蕩。

中國《導則》有“分散外接電源”的規定,如圖2所示,外接電源都應以“點對網” 的方式輸電，任一外送電源/線路故障，負荷不會轉移引起連鎖反應,祗損失少數電力，不影響全網安全。

(3) 印/美的保護方式易發生過負荷跳閘

世界最嚴重的2003年美加大停電，在線路故障跳閘而將負荷轉移到并列的線路時，很易造成距離保護過負荷跳閘，圖3就表達了跳閘的過程，負荷轉移時，不旦增有功而且增無功電力，使美/印應用的方向阻抗易過負荷跳閘。

圖3 方向阻抗易過負荷跳閘

圖4 中國四邊形防止過負荷跳閘

我國(圖4)從保護技術上有很強的防止負荷轉移“連鎖跳閘”能力，作為后備的距離保護原理，由易過負荷誤動的方向阻抗圓改進為四邊形等措施并縮短其保護范圍，以防止過負荷“連鎖跳閘”，線路永久性故障時，切除部分送端機組以降低剩余線路的過負荷，基本解決了負荷轉移“連鎖跳閘”問題。

(4) 對系統失穩振蕩的兩種處理方式

一旦振蕩，印度采用美國所謂保護設備的技術準則，有關的線路都立即跳閘，結果送端發電機組頻率過高都跳閘，受端發電機組頻率崩潰也全停，結果是全網崩潰大停電。這就是2001年1月2日印度北部電網大停電的原因，2012年負荷大增，同樣的電網結構的故障時負荷轉移、連鎖反應更為嚴重，從電網結構和繼電保護基本原理上,如不改用中國《導則》的經驗作重大改革，還將再發生更嚴重的重大停電災難。

中國《導則》規定的“第三道防線”, 一旦失穩，所有線路和絕大多數發電機都不跳閘，短時內即自動恢復同步運行，避免了大停電。

4. 世界重大停電實踐和中國的安全經歷

為什么印度電網結構和繼電保護基本原理上存在重大停電危險？還得從北美電網發展的歷史說起。1965年11月9日發生全世界第一次北美紐約重大停電，美加兩國決定于1966年成立北美電力可靠性委員會(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(電源/電網)結構問題，例如《NERC規劃準則(G12, 1997)》根本沒有對系統結構規劃作具體規定，只對系統運行、繼電保護等提出不合適的技術標準，結果使美加共發生嚴重的10次重大停電。特別是NERC成立37年后發生了世界上最嚴重的2003年美加大停電,即由美加兩國組成工作組發表了三個報告,包括NERC的技術分析報告［2］都根本沒有分析造成事故的關鍵是電源/電網結構問題,既然不承認結構是問題,所以多年來仍讓各個電力公司自由發展。

然而美國電科院和直流聯網(DC Interconnect)公司在2008年1-2月IEEE Power & Energy期刊發表報告［3］，研究了美歐多次重大停電，建議在電網結構上將美國東部網(EI – 7.55億千瓦)應用直流隔離分為四個交流區，同時也適用于美國西部網(WI - 2億千瓦) 和西歐(5.3億千瓦), 這可以說是美歐在電網結構上解決重大停電的起步策略，但至今尚不知NERC是否確認？政府部門是否關注？2007年CIGRE在日本大阪召開的電網會議時，美國電科院Dr. Ram Adaba 聽到我國系統發展策略報告［4］后，主動問及我國電網結構經驗并得到有關資料，可能對它們有關的分區結構建議有所幫助。

上世紀70年代末，我國電力部工作組為了解決文革當時的210次電網事故，不僅調查分析國內事故，還對全世界大停電、特別對1965年北美大停電認真研究，認為：“連鎖反應造成大停電的原因 - 不受控制的系統結構和繼電保護” ，所以制定了《電力系統安全穩定導則》和《繼電保護四統一》標準。

改革開放以來，按《導則》建立了可靠的交/直流“分層”“分區”的電網結構，“分散外接電源”的電源結構和“三道防線”，系統失穩可能偶而局部發生，但不致瓦解/大停電；而且由于區間主要為直流聯網，任一區故障/失穩都不會波及鄰區，這就是中國的經驗。為此, 作者在1988年國際大電網CIGRE 會議上作了5次大會發言［5］，特別在“系統可靠性”會發言，世界聞名的美國Dr.Chares Concordia 認為這是用了簡單的方法解決了復雜的問題，并即時邀請參加CIGRE 38.03“電力系統可靠性分析”工作組。在2004 CIGRE大會也作了5次大會發言，特別是針對2003年美加大停電報告后即時發言［6］，稱“1965年紐約大停電就是保護誤動，在自由聯網結構連鎖跳閘，造成失穩又誤動而瓦解。38年后同樣過程又發生2003年美加大停電，中國早已解決這個問題”。在2004年紐約IEEE PES電網大會，作者曾針對2003年美加大停電，提交中國經驗的論文和作報告，并對NERC指派來訪的工程總監建議：“電網過大宜再分區，令線路和大部發電機在系統失穩時不跳閘，即可避免大停電”［7］。

5.中國的典型電網事故實例

圖5表示中國歷史上最嚴重的2006年7月1日華中電網事故，這是一個實例表明在系統結構和繼電保護上為什么造成失穩和怎樣防止重大停電？［8］

《導則》明確規定“分層”，指不同電壓線路不能并列運行（電磁環網）,但華中電網違反規定，使結構上構成失穩風險。事故起因是50萬伏雙回線進口保護先后誤動作跳閘，原線路的178萬千瓦負荷轉移到22萬伏電網的7回線，由于嚴重過載及對樹短路，保護相繼跳開其中4回線，最后通過3回22萬伏線路由同為50萬伏的北部網向南部網送電，造成全網失穩振蕩。但我國線路在失穩振蕩時都不跳閘，使南北部幾秒內即恢復同步運行，防止了重大停電。

圖5 華中電網事故

華中失穩沒有波及西北、華南和華東，因為區間是直流聯網。但錄波證明華北和華中間的交流聯網不僅促成華中電網的失穩，而且拖延了恢復再同步的時間，因此區間應祗應采用直流聯網。

《導則》規定所有線路和大多數發電機在失穩時都不‘連鎖跳閘’,保持完整性,全網在短時內都拉入同步，恢復運行，防止大停電。但少數發電機尚未嚴格執行導則而仍然跳閘,造成電力損失380萬千瓦，相當原負荷的6.3%,不到重大停電的一半。

中/美/印事故在系統結構/保護差別：

(1)美/印結構一旦故障即連鎖反應跳閘而失穩,整個交流網瓦解；華中因“電磁環網”失穩,不波及僅直流聯網各鄰區。

(2)美/印電網一旦失穩，有關線路/發電機皆跳閘，瓦解全停；華中電網失穩，線路和大部發電機都不跳閘，很快拉入同步，自動恢復運行。

印度搬用美國結構/保護技術帶來了重大停電，如應用中國經驗就可避免。

6．結語

印度重大停電的關鍵首先是電網結構問題，雖然已分為5個網區，但都不像中國的區間僅用直流聯網，正常時既可互相交換電力，但事故時都不會將故障或失穩振蕩連鎖反應到鄰區，這才是安全分區的主要目的。但印度各網區間的互聯除了直流外、還有交流，就完全失去了區間僅以直流聯網的安全作用。印度電力部長辛德在大停電后表示,“2014年印度電網將全部實現互聯互濟,屆時這種停電不會再出現”。其實現在印度就已全國聯網,重大停電的關鍵問題是仍然用交流聯網。國網公司強行的“三華聯網”就是將原僅以直流聯網的華北、華東、華中三個分區,采取極不安全又極其浪費的交流特高壓合成一個特大區, 相當走向印度重大停電道路。

印度另一個重大問題就是電源結構問題，如東區所有電源都捆起來, 然后通過捆起來的8回40萬伏、3回22萬伏交流線路和1回±50萬伏直流線路并列東送，結果是任一處故障，負荷不斷轉移到鄰線，連鎖反應跳閘，直至造成失穩振蕩，又按美國繼電保護方式全部跳閘, 而最后全部中斷。但中國《導則》規定的“分散外接電源”，俗稱電源“點對網”的幅射性方式，也就是遠方的電廠以獨立的線路向負荷中心送電，一旦線路故障跳閘，負荷不會轉移，僅損失少數電力，不會造成大問題。國網公司強行的“三華聯網”就是將所有電源都捆在交流網上，難以實現電源“點對網”的幅射性方式，也是走向印度重大停電的道路。

參考文獻：

［1］REBATI Dass, “GRID Disturbance in India on2nd January 2001”, CIGRE ELECTRA, No.196, June 2001

［2］North American Electric Reliability Council“Technical Analysis of the August 14, 2003 Blackout:what Happened, Why, and What Did We Learn?”July 13,2004, NERC Website.

［3］Harrison Clark (DC Interconnect), Abdel-AtyEdris (EPRI),“ Softening the Blow of Disturbances”，January/February 2008, IEEE Power & Energy

［4］MENG, Ding Zhong, “Development of ReliablePower Systems”312 – 2007 CIGRE Osaka Symposinm

［5］MENG, Ding Zhong, “How do ReliabilityCriteria relate to Reliability Objectives?”System ReliabilityRound-Table Talk and presentations of 23-3-3.3, 34-2-8,37-3-16/17 and 38-1-1.2; 1988 CIGRE Session

［6］MENG, Ding Zhong, “Spontaneouscontribution to 2003 US/Canada Blackout” andpresentation of A1-2-15/16, A1-3-18, B4-1-1, B5-2-1/2/5;2004 CIGRE Session

［7］MENG, Ding Zhong, “Recommendations toPrevent Cascading Blackout”, 04PS0292, 2004 IEEEPES Power Systems Conference & Exposition, 10-13October, 2004, New York.

［8］MENG, Ding Zhong, “Development Strategiesof Reliable Power System” CIGRE Symposium, Osaka,Japan, Nov. 2007.