從電網(wǎng)的角度看電壓暫降和短時中斷

1、從電網(wǎng)的角度看電壓暫降和短時中斷 從電網(wǎng)的角度看電壓暫降和短時中斷暫降只是不遠(yuǎn)處傳來的槍聲，中斷才是貼身戰(zhàn)斗電網(wǎng)在運行過程中會面臨各種故障入侵，而電網(wǎng)的“哨兵”保護(hù)裝置則時刻準(zhǔn)備著消滅這種入侵，將電網(wǎng)的影響減小到最少。從前的日子慢，繼電保護(hù)動作速度也慢。繼電保護(hù)是隨著電力系統(tǒng)擴(kuò)大而發(fā)展起來的。最早的保護(hù)裝置是熔斷器，20世紀(jì)初期產(chǎn)生了作用于斷路器的電磁型繼電保護(hù)裝置。1928年，電子器件已開始被應(yīng)用于保護(hù)裝置，電子型靜態(tài)繼電器的大量推廣是在50年代晶體管和其他固態(tài)元器件迅速發(fā)展之后得以實現(xiàn)。 1965年出現(xiàn)了應(yīng)用微機(jī)數(shù)字式繼電保護(hù)。從20世紀(jì)50年代到90年代末40余年的時間里，繼電保護(hù)完成了

2、發(fā)展的4個階段，即從電磁式保護(hù)裝置到晶體管式繼電保護(hù)裝置、到集成電路繼電保護(hù)裝置、再到微機(jī)繼電保護(hù)裝置?？傊?，有理由相信從前的日子慢，繼電保護(hù)動作速度也慢。 故障帶來的供電中斷次數(shù)遠(yuǎn)大于電壓暫降次數(shù)，再加上電力供應(yīng)緊張，計劃停電次數(shù)和時間都大于故障停電次數(shù)和時間，有電用就不錯了，用戶還關(guān)注不到電能質(zhì)量問題。說到這兒，倒是有點懷念那看著漫天星光等電來的童年時光，不像現(xiàn)在一眨眼一年又過去了。隨著ICT技術(shù)的飛速發(fā)展，人工智能技術(shù)如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、進(jìn)化規(guī)模、模糊邏輯等相繼在繼電保護(hù)領(lǐng)域的研究應(yīng)用，繼電保護(hù)技術(shù)向計算機(jī)化、網(wǎng)絡(luò)化、一體化、智能化方向發(fā)展。2016年，國家能源局和中電聯(lián)在北京聯(lián)合

3、召開了2016電力可靠性指標(biāo)發(fā)布會。會議發(fā)布2015年，南方電網(wǎng)公司全網(wǎng)交流系統(tǒng)保護(hù)裝置共動作174191次，不正確動作21次（包括500KV11次、200KV3次、110KV2次、110KV以下5次），正確動作率99.99%；應(yīng)評價故障快速切除次數(shù)2658次，實際2657次，故障快速切除率99.96%；220KV及以上系統(tǒng)故障錄波應(yīng)評價2397次，錄波不完好0次，錄波完好率100%。截至2015年底，國網(wǎng)公司220KV及以上交流系統(tǒng)微機(jī)型保護(hù)微機(jī)化率達(dá)到100，國產(chǎn)化率97.2%；保護(hù)裝置正確動作率99.963%，故障快速切除率99.77%，故障錄波完好率99.62%，但自動重合閘成功率只有

4、72.72%。從上面這個數(shù)據(jù)，可以看出南方電網(wǎng)全年平均每小時有20個保護(hù)動作，在研究電壓暫降和短時中斷的人員眼里，每一次動作都必然伴隨著少部分用戶的供電出現(xiàn)短時中斷，而周邊多數(shù)用戶會出現(xiàn)電壓暫降。對電網(wǎng)來說，暫降只是不遠(yuǎn)處哨所傳來的槍聲，而中斷才是貼身戰(zhàn)斗。從暫降產(chǎn)生的原因分析，自恢復(fù)性故障、大負(fù)荷啟動和變壓器預(yù)充電這些原因不會造成暫降擴(kuò)大為短時中斷，而永久性故障造成的暫降都有擴(kuò)大為短時中斷的危險。如果故障點離用戶更近些，或者保護(hù)沒有有效動作，這些故障造成的電壓暫降就會變成短時中斷甚至是長時中斷。從用戶的角度，往往強(qiáng)調(diào)短時中斷是一種更嚴(yán)重的電壓暫降；而從電網(wǎng)的角度，電壓暫降只是一次不完全的短時

5、中斷，那是用戶離故障點還比較遠(yuǎn)或者保護(hù)快速有效切除故障的表現(xiàn)。同樣從電網(wǎng)的角度看，在一次故障入侵并切除的過程中，一定會收到多個用戶反饋，其中多數(shù)是電壓暫降，少數(shù)是短時中斷。 隨著電壓敏感負(fù)荷的比例越來越高，原先一次故障周邊殘余電壓低于30%Pu的區(qū)域負(fù)荷會停機(jī)，而現(xiàn)在殘余電壓低于80%Pu的區(qū)域敏感負(fù)荷就會停機(jī)，其影響相當(dāng)于短時中斷。更令人煩惱的是，隨著分布式新能源發(fā)電比例越來越高，電網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)慣性下降，不考慮采用微電網(wǎng)的方式，每次故障造成的電壓暫降區(qū)域也在擴(kuò)大。(2015CIRED會議德國論文圖片)所以也有專家認(rèn)為，電壓暫降和短時中斷是一個連續(xù)集，一味地分開電壓暫降和短時中斷，過分地強(qiáng)調(diào)電壓暫

6、降的影響是不科學(xué)、不全面的，應(yīng)該把電壓暫降和短時中斷作為一件事情的兩種表現(xiàn)來看待。電力運營商用50年的努力不斷完善電網(wǎng)保護(hù)，換來了一個想和用戶一起喝咖啡的機(jī)會，卻發(fā)現(xiàn)用戶都變得越來越敏感了。電小二寶寶真得感到很委屈，付出這么多努力，戰(zhàn)勝了那么多次兇險，避免了多次大面積停電事故，此處沒有表揚，反而迎來了更多用戶投訴。還能不能讓人好好工作了？可靠性管理依然是電力運營商的重點工作內(nèi)容。特別是國際上連續(xù)出現(xiàn)了美加大停電、巴西大停電、印度大停電事故后， 防止大面積停電成為電力運營商工作任務(wù)的重中之重。在這個過程中，中國在上世紀(jì)80年代逐步完善電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則，并規(guī)定我國電力系統(tǒng)承受大擾動能力的安全穩(wěn)

7、定標(biāo)準(zhǔn)分為三級:第一級標(biāo)準(zhǔn)：保持穩(wěn)定運行和電網(wǎng)的正常供電單一故障(出現(xiàn)概率較高的故障); 第二級標(biāo)準(zhǔn)：保持穩(wěn)定運行,但允許損失部分負(fù)荷單一嚴(yán)重故障(出現(xiàn)概率較低的故障); 第三級標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)系統(tǒng)不能保持穩(wěn)定運行時,必須防止系統(tǒng)崩潰并盡量減少負(fù)荷損失多重嚴(yán)重故障(出現(xiàn)概率很低的故障)。為實現(xiàn)這個安穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)，電力運營商設(shè)置了三道防線來確保電力系統(tǒng)在遇到各種事故時的安全穩(wěn)定運行:第一道防線:快速可靠的繼電保護(hù)、有效的預(yù)防性控制措施，確保電網(wǎng)在發(fā)生常見的單一故障時保持電網(wǎng)穩(wěn)定運行和電網(wǎng)的正常供電; 第二道防線:采用穩(wěn)定控制裝置及切機(jī)、切負(fù)荷等緊急控制措施，確保電網(wǎng)在發(fā)生概率較低的嚴(yán)重故障時能繼續(xù)保持穩(wěn)定運行

8、; 第三道防線:設(shè)置失步解列、頻率及電壓緊急控制裝置，當(dāng)電網(wǎng)遇到概率很低的多重嚴(yán)重事故而穩(wěn)定破壞時，依靠這些裝置防止事故擴(kuò)大，防止大面積停電。三道防線的概念清晰、明確，易于操作實施。近年來我中國電網(wǎng)沒有出現(xiàn)全網(wǎng)性事故和大范圍停電，應(yīng)該說得益于三道防線的建設(shè)。2006年，國臣研制的世界上第一套火電廠輔機(jī)變頻器低電壓穿越系統(tǒng)在中石化揚子石化熱電廠投運，同年又在華電淄博熱電廠投運。（2006年國臣SGS在電廠投運）2008年之后，有專家提出應(yīng)對大面積停電，光有電網(wǎng)的幾道防線是不夠的，必須建立網(wǎng)源協(xié)調(diào)機(jī)制，共同應(yīng)對。特別是在大電網(wǎng)高壓線路有故障時，電壓暫降和短時中斷將會有較大范圍的影響，附近的電源輔機(jī)

9、應(yīng)具有低電壓穿越能力、機(jī)組能優(yōu)化控制、強(qiáng)勵輸出、確保機(jī)組旋轉(zhuǎn)慣性，配合大電網(wǎng)提高抗擾能力。2011年1月2日，東北電網(wǎng)500千伏伊換1號線發(fā)生單相故障時，伊敏發(fā)電廠、呼倫貝爾發(fā)電廠機(jī)組給煤機(jī)停止運行，鍋爐滅火，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組跳閘。由于火電廠輔機(jī)不具備低電壓穿越能力，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來嚴(yán)重影響。 2011年7月25日，內(nèi)蒙吉蘭太區(qū)域中鹽變母線發(fā)生故障，烏斯太、華電烏達(dá)、君正電廠五臺機(jī)組大幅降出力或鍋爐滅火，全網(wǎng)負(fù)荷不平衡。2012年11月12日，包鋁整流三所#4整流變高壓側(cè)發(fā)生單向轉(zhuǎn)三相故障，東華、包三電廠共三臺機(jī)組鍋爐跳閘或滅火，對全網(wǎng)帶來嚴(yán)重影響。如今隨之網(wǎng)源協(xié)調(diào)工作和火電廠一類輔機(jī)變頻器

10、高低電壓穿越工作的貫徹執(zhí)行，多數(shù)電廠關(guān)鍵電壓敏感輔機(jī)都采用交直流電源冗余供電。（電廠一套直流電源保護(hù)全廠9爐6機(jī)重要負(fù)載）2013年，有HVDC換流站重要輔機(jī)因為高低電壓穿越問題造成換流閥冷卻水泵停機(jī)、直流閉鎖，該重要電壓敏感輔機(jī)也采用直流電源供電。多年來，變電站二次設(shè)備都采用直流電源供電，既可以滿足中斷對二次設(shè)備的影響，又可以避免電壓暫降造成二次設(shè)備停機(jī)，其重要性不言而喻。但仍有吃瓜群眾在電源檢修后不恢復(fù)電池開關(guān)，將電網(wǎng)的“哨兵”悄悄蒙住了雙眼，當(dāng)故障入侵時一級級穿越，將事故擴(kuò)大。哎，這是搞啥樣？吃瓜文藝男哼上了我悄悄地蒙上你的眼睛？電力系統(tǒng)繼電保護(hù)典型故障分析一書中可以看到，在小于0.1%

11、保護(hù)不正確動作率中，有50%左右的事件與變電站直流蓄電池失效、直流回路接地、直流環(huán)網(wǎng)、交直流串線、直流開關(guān)越級跳閘等問題相關(guān)。（變電站直流故障造成的事故照片）1996年5月28日11時59分，京津塘地區(qū)某廠高壓試驗班人員在進(jìn)行斷路器試驗時，錯將220V交流電源接入站內(nèi)直流系統(tǒng)，造成3條500KV線路跳閘，220KV系統(tǒng)振蕩，多個電廠全廠停電。1999年7月20日8時54分，山西太原某變電站變壓器10kV側(cè)短路，全站停電，主控室著火，燒毀一號主變，全站直流消失，站內(nèi)保護(hù)拒動，事故擴(kuò)大，1條110KV、6條220KV、8臺發(fā)電機(jī)組跳閘，殃及山西電網(wǎng)并波及華北主網(wǎng)。這樣的事故數(shù)不勝數(shù)，20年之后的2

12、016年，古老的西安城里又飄來一個聲音“那天是你用一塊紅布，蒙住我雙眼也蒙住了天”，秦腔般的嘶吼中夾雜著“哨兵”們對直流失電的憤怒！終于在國網(wǎng)2016年下半年工作重點中看到，第一條就要堅持安全第一，強(qiáng)化本質(zhì)安全。本質(zhì)安全水平提升，需要本質(zhì)安全化的直流設(shè)備，專防吃瓜群眾犯錯誤。 電網(wǎng)運營商能幫助用戶解決電壓暫降和短時中斷帶來的影響嗎？從可靠性發(fā)布會公布的歷年情況看，我國10千伏用戶平均供電可靠率RS1從2014年的99.940%下降到2015年的99.88%，平均停電時間從2014年的5.22小時/戶下降到10.50小時/戶，增長了102%，比2013年的7.47小時也有所增加。城市10千伏用戶

13、平均停電時間從2014年的2.59小時/戶上升到2015年的4.08小時/戶，而農(nóng)村的從同期的5.72小時/戶上升到12.74小時/戶。2012年-2015年我國10千伏用戶平均停電時間（小時/戶）我國DL/T836-2003供電系統(tǒng)用戶供電可靠性評價規(guī)程中還沒把短時停電納入可靠性統(tǒng)計中，在2012版的規(guī)程中，短時停電的定義為持續(xù)停電時間小于等于3分鐘的停電，并將MAIFI指標(biāo)納入可靠性統(tǒng)計中。而引起短時停電現(xiàn)象的原因中，饋線重合閘會造成用戶1.0-2.5S的短時停電；變電站備自投會造成用戶3.0-3.5S的短時停電；配網(wǎng)開閉所則要5-6S；饋線自動化會造成用戶數(shù)秒至1分鐘的短時停電，尋找單相

14、接地故障而試?yán)橡伨€，會造成用戶20S-1.5分鐘的短時停電。剛剛看到南方電網(wǎng)2016年年中會議，提出到2020年確保完成“185611”目標(biāo)， 廣州、深圳等10個主要城市客戶平均停電時間低于1小時，也就是4個9 左右的RS1指標(biāo)。 其實，電力運營商很多時候還肩負(fù)社會責(zé)任。EPRI曾對未來20-30年用戶對可靠性需求做過預(yù)測，6個9 的需求從目前10%會增至60%，9個9的需求從目前0.6%會增至10%，可以預(yù)見電力運營商供電可靠性在不遠(yuǎn)的未來會從4個9提升到6個9，這意味著滿足大多數(shù)用戶可靠性需求，并維持全社會用電成本相對最低。電壓等級越高的配網(wǎng)，自動化程度和保護(hù)也越完善，供電可靠性也一定越

15、高，現(xiàn)階段，重要用戶往往會被推薦接入更高電壓等級的110KV、220KV網(wǎng)絡(luò)以確保獲得相對較高的供電可靠性。如果讓供電可靠性水平不到4個9的電網(wǎng)運營商給用戶解決供電可靠性需求為9個9的電壓敏感負(fù)荷停機(jī)問題，這5個9 的差距意味著巨大的投資。電網(wǎng)運營商能幫助用戶解決電壓暫降和短時中斷帶來的影響嗎？答案是：你不光想得多，還想得美！理論上，錢不是問題的時候，技術(shù)都不是問題。問題是誰出錢？得出多少錢？楊絳先生說過一位讀者的痛苦來自書讀得不多而想得太多。其實想得多是人類大腦進(jìn)化的結(jié)果，和讀書多少無關(guān)；而想得美才是痛苦的根源，這是個大腦硬傷，需要多讀書啊。國際上還真有一些配電公司做了一些嘗試，比如新加坡、

16、日本、韓國、法國等國家，通過成倍加大投資提升配網(wǎng)自動化水平，有效提高供電可靠性，RS1指標(biāo)達(dá)到5個9 至6個9，SAIFI、SAIDI指標(biāo)也明顯下降，但令人沮喪的是MAIFI指標(biāo)幾乎沒有變化！這意味著通過這一手段降低電壓暫降和短時中斷的可能性幾乎為零。（芬蘭各種停電損失費用計算公式及指標(biāo)）歐洲國家如芬蘭甚至將電壓暫降次數(shù)也列入MAIFI統(tǒng)計對配網(wǎng)公司進(jìn)行考核。去年在法國里昂CIRED會議上見到了兩位在芬蘭Elenia Oy供職的中國留學(xué)生，聊到這個考核指標(biāo)她們也直搖頭，年景不好時MAIFI指標(biāo)肯定超標(biāo)，只有聽天由命接受處罰。當(dāng)電網(wǎng)的預(yù)防性措施做到一定程度，天氣原因成了MAIFI指標(biāo)的決定因素。

17、當(dāng)然，面對客戶的投訴，她們也只能給出推薦性解決方案，“地主家也沒有余糧啊”。當(dāng)用戶無法從大電網(wǎng)上獲得自己想要的供電可靠性和優(yōu)質(zhì)電能質(zhì)量時，微電網(wǎng)的概念就應(yīng)運而生了。2001年，美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校（University of Wisconsin-Madison）的Robert H.Lasseter 教授根據(jù)CERTS微電網(wǎng)概念提出微電網(wǎng)的定義。PQR的區(qū)別是大電網(wǎng)和微電網(wǎng)之間差別的本質(zhì)， 微電網(wǎng)算是業(yè)界給電壓暫降和短時中斷治理指出的唯一明路了。其實，在電網(wǎng)覆蓋的世界上任一角落，都會有暫降和中斷，人力成本越低的地方，可靠性也越低，暫降和中斷一定也越多。很多資本主義沒有實現(xiàn)的東東，咱社會主義很多都實現(xiàn)了，雖然在考核指標(biāo)上中國還沒有歐美的嚴(yán)謹(jǐn)和完整，但這