[科普中国]-澳大利亚"9·28"大停电事故

简介

2016年9月28日，台风和暴雨等极端天气袭击了新能源发电占比高达48.36%的澳大利亚南部地区电网，最终导致50 h后恢复供电的全南澳大利亚州大停电。这是世界上第一次由极端天气诱发新能源大规模脱网导致的局部电网大停电事件。文中从事故前电源比例、事故演变顺序、事故后黑启动运行阐述“9" 28”事故全过程。重点从灾害预警在线计算辅助决策系统、系统转动惯量、低电压穿越要求、低频减载、黑启动预案等多维度讨论该事件对中国电网安全运行的启示1。

近年来世界范围内发生了数起大停电，但类似南澳电网这种由于极端天气和新能源大规模脱网引发的停电事故没有先例。从印度电网“7 " 30”停电事故原因及对中国启示，与功率一负荷不平衡的印度电网不同，南澳电网电源相对富裕负荷较轻。频率变化速率过快导致土耳其电网低频减载失效，与南澳低频特性相同，但土耳其电网主要电源为水电和火电，转动惯量充足;南澳电网为新能源及燃气机组，转动惯量较小。从极端天气、联络线跳闸等方面描述巴西电网“11 " 10”停电原因，并提出黑启动演练的重要性。与巴西类似，南澳也历经了暴风雨极端天气、联络线跳闸、第三道防线措施不足等停电过程。但与巴西电网停电4h后恢复供电相比，南澳停电50 h后恢复供电的历程更加艰难，事前黑启动实验成功与事后黑启动失败的强烈反差更值得中国研究和借鉴。

南澳大停电发生过程南澳电网概况南澳大利亚州位于澳大利亚中南部，总面积983 482 km}，略大于中国东北三省与河北省面积之和。南澳总人日170万人，约70.3%的居民居住在环绕首府阿德莱德的沿海卫星城市中，负荷相对集中。民营输电公司ElectraNet是南澳电网唯一的运营商。图1为澳大利亚能源系统管理局(AEM())提供的南澳电网275 kV电气接线图。

事故前电源比例南澳电力用户85万户，事故前总发电电力1 826 MW，风力及太阳能发电电力883 M W占比48.36 0 o ;燃气轮机发电电力330 MW占比18.07 0 o ;Heywood联络线输电有功功率613 M W占比33.57%且事故前常年处于重载。"9·28”事故前没有燃煤机组在线运行Wl。附录A表A1为16:16:46(大停电前90 s)和16:18:15(大停电时刻)南澳电网电源出力情况对比。由附录A表A1可知，大停电前90 s有14个风电场和5台燃气机组并网，大停电时刻9个风场脱网，5台燃机均未切机。

停电事故过程2016年9月28日极端天气共造成6次线路故障。

1)当地时l司16: 16: 46,暴风雨造成66 kV Northfield至Harrow线路故障。

2)16:17:33，275 kV Brinkworth至TemptersWest线路两相接地，1条275 kV线路退出运行。

3)16;17;59,275 kV Davenport至Belalie线路单相接地，I S后重合闸成功。

4)16;18;08,275 kV Davenport至Belalie线路单相接地，重合闸失败。2条275 kV线路退出运行。

5)16:18:13,275 kV Davenport至Mt Lock线路单相接地。

6)16:18:14,275 kV Davenport至Mt Lock线路单相接地后重合闸失败，导致线路三相跳开。第5,6次故障共造成3条275 kV线路退出运行。

南澳电网“9" 28”大停电示意图见附录A

图A1，由图A1可见1至6次故障位置，阿德雷德地区电网设备由数字标注。

附录A图A2为Davenport至()lympic Dam275 kV线路Davenport侧观测到的9月28日16:16:40至16:18:20期间6次电压跌落的电压曲线，红色、绿色、蓝色分别代表A,B,C'三相电压。由图A2可见，由5次线路故障产生的6次电压跌落深度逐次递增，最后一次跌落导致电压反复振荡最终归零。16:18:15，即第6次跌落发生瞬间约445 M W风机脱网。前5次跌落并未诱发风电场大规模脱网，6次电压跌落期间风机累计脱网约505 MWoHeywood联络线最大容量为600 MW，线路故障前潮流有525 M W，风机脱网后潮流瞬间增大至850900 MW，联络线跳开，系统成孤网，随即崩溃。

黑启动预案启动失败2016年9月28日16 : 37 , AEM()要求1号黑启动方案机组Quarantine发电站(QPS)提供黑启动服务。QPS随即启动站内小型发电机，将断路器合闸并启动QPS 5号机组时，断路器跳开，跳开信号来自发电机变压器及厂用变压器的尖峰涌流。连续5次合闸尝试未能将断路器合闸，导致断路器电池电量耗尽，人工现场确认线路无法继续连接，1号黑启动预案初次启动失败.习。

16: 18，停电事故发生后2号黑启动方案Mintaro发电站的应急柴油发电机自启动，进而启动Mintaro发电站主机。柴油发电机启动5 s后发电机发生定子侧接地短路，柴油发电机损坏，2号方案初次启动失败。

停电事故原因分析未启动自然灾害预警9月28日13:19-15:30天气预报预测最大风速均未超出相应地区线路及塔杆可承受的最大风速。譬如，Brinkworth至Davenport 275 kV线路及塔杆设计可承受最大风速106 km/h，仅比预测区风速104 km/h多2 km/h，风速安全裕度极低。此外虽然有风电机组切出风速为90 km/h的规定，AEM()也没有对南澳风电场发出任何预警或进行任何减出力调整，事故发生前没有进行紧急情况下的电网事故演习1。

系统转动惯量不足在高度市场化的南澳电网，近年来呈现风电场排挤热电机组的趋势。AEM()规定发电机需投标以满足实时负荷需求，舍弃出清后剩余的发电机组，因此投标价格越低的发电厂中标机率越大仁13〕，电力现货价格越低风电占比越大。极端情况如2014年12月 29日13:20时刻，南澳电网风电发电量满足当时负荷。

2014至2015年期间，154个价格区间内出现了负值现货电价。

南澳也是澳大利亚光伏发电占比最高的地区。截至2014年南澳有565 MW光伏装机容量，占全国光伏装机容量1500，发电量704 GW "h，占全国光伏发电量1800。个人及工商业用户大量安装的屋顶光伏降低了夏季白天高峰负荷，导致2015年多次出现5 min内光伏发电满足南澳100%负荷需求的情况，加剧了南澳用电负荷下降趋势。

由于澳大利亚国内天然气需求偏低，大型液化天然气生产厂家和地方天然气厂家竞争用户。2015年，维多利亚州可绕过南澳首府阿德雷德，通过SEA-Moomba管道从北部昆士‑_州直接购买天然气。直接导致了南澳燃气发电站Pelican Point部分机组2015年退出运行.

电力市场环境下低出价风电侵占高出价燃气机组发电空间、大规模安装光伏自发电系统导致用电负荷减少、天然气市场波动及输送管道地缘格局不利等因素导致南澳电网燃煤机组及燃气机组大量退出运行。截至2017年，约1505 MW火电及燃气机组退出运行。

随着燃煤燃气机组数量减少，南澳电网的系统转动惯量逐年减少。表1对比了历史上南澳电网发生过的由于发电机脱网造成Heywood联络线断开的事件。由表1可见，“9" 28”事故当日南澳系统惯量呈现历史最低，频率震荡时间最短、切机容量最大。

多数风电机组连续低电压穿越失败南澳所有风电机组控制程序中都预设了120 s内最多的低电压穿越次数，如果实际电压跌落超过了次数限制，则自动切机、停止运行或减出力。由附录A表A1可见，"9 " 28”事故当天6次电压跌落情况下，风机软件内预设穿越次数5至9次的14个风场中的Canunda,Lake Bonney1,2,3和Waterloo 5个风电场仅进行了减负荷运行。其余9个风场风机由于预设穿越次数少于等于5次，均发生了脱网或减出力后脱网.习。

网结构易形成大机小网的等效特征南澳电网为受电网，由于民营输配电企业投资成本有限，网架结构薄弱。由附录A图A1可见，与中国主网呈环状网络，配网呈树状结构不同，南澳电网275 kV主网呈树状结构，仅负荷中心形成部分环网。

南澳仅有两条联络线，即交流的Heywood和直流的Murraylink与东侧维多利亚州连接，事故前联络线输电电力613 M W占比33.5700，占比超过1/3。虽然南澳风电场地理位置分散，但大多沿海而建，区域内海洋气候的一致性使风电出力在时间轴上趋同。可将占全网发电量接近50%的风电趋同于一台机组。因此南澳具备“大机小网”特征。由于被等效的这台机组跳闸或主要送电断面断开造成功率缺额较大，系统频率下降率较一般电网大得多，暂态稳定问题突出。

低频减载失效2007年之后，澳大利亚的发电机低频保护规程规定发电机组在1 Hz/s持续1 S至4 Hz/s持续0.2 s的频率变化范围内，并在47 Hz以上必须能够保持在线不脱网。而南澳电网低频减载标准为频率滑差在。高于 3 Hz/s情况下进行低频减载滑差闭锁，防止非系统故障情况下的低频减载误动1.

黑启动预案实施失败第一套黑启动方案图2为QPS黑启动方案简图。

9月28日实际黑启动顺序为逐段启动:

1)黑启动前Torrens Island变电站内的66 kV开关站的断路器3,4,5断开;断路器1,2,6,7,8

合闸。

2)小型发电机自启动成功，即通过断路器2为Torrens Island变电站单侧母线充电。

3)断路器3,4,5合闸，为另一侧母线充电。当3,4,5全部合闸后，连接大型发电机和厂用电的断路器6跳开。跳开信号来自发电机、变压器及厂用变压器的励磁尖峰涌流。

"9 28”大停电发生前4个月，即2016年5月21日，进行过一次黑启动实验并获得成功。实验原则为软起动的零起升压:即之前断路器3,4,5已经合闸，小型发电机在自启动前已经与大型发电机连接，电流逐级上升，避免了发电机产生自励磁和过电压，断路器并未出现跳闸情况。笔者推测黑启动实验方案与实施方案之间偏差的产生原因在于时间仓促使QPS来不及准备，未按预案方式实施。

第二套黑启动方案第二套黑启动方案的Mintaro柴油发电机定子侧损坏，由图上可见定子侧上出现灼烧迹象。初步判断短路原因为事故当天暴风雨中的云地闪电造成。事故发生前Mintaro发电站并未安装避雷器或其他防雷设施也并未进行防雷测试。

假设事故前南澳电网启动了自然灾害预警，主动将风速较大地区风电场减出力或者停机运行并同时增加燃机出力，可降低风机脱网率。如果重新设置低频减载滑差保护定值，启动低频减载甩200一300 MW负荷，风电脱网后系统频率可恢复至48.8 Hz。若有几条联络线互为主备且占比较小，事故中一条联络线跳开也不会使系统成孤网。假设黑启动严格按照预案进行，预计停电时间可缩减至1~3h1。

南澳停电对中国电网安全稳定运行的启示1.建立基于灾害预警的在线计算辅助决策系统

将广域信息的采集范围从电力系统内部扩大到自然环境和社会环境，将有效预警时间尺度从分钟级扩大到小时级。针对系统设备和外部环境多元风险的风险识别技术。这些想法现已通过考虑运行方式安排的大电网在线趋势分析技术实现，已经在全国省调系统得到应用，可对电网未来运行状态变化趋势进行评估，提出辅助服务决策。但目前省调在线计算对气象灾害、设备缺陷、外力破坏等因素考虑不充分，故障集设置针对性不足。可搭建自然灾害预警与输配线路联动数据库，形成基于运行及检修方式的辅助决策。将有效预警时间尺度从小时级扩大到天级。

2．保障适应新能源发展的合理系统转动惯量

为应对中国未来高比例新能源接人的发展趋势，保障中国电网安全，以南澳电网过于激进的新能源渗透率给电网安全带来威胁为戒，中国应从能源系统整体规划上给子以同步发电机形式运行的火电、水电及尚未大规模开发的燃气机组足够空间。通过保留一定数量的火电机同步机组、风电场虚拟同步机技术、储能技术、虚拟电厂等技术，保障合理的系统转动惯量。"9· 28”事故后，2016年10月3日起南澳电网修改了技术规程，重新规定无论何时电源中必须有超过3台不小于100 M W的燃气同步机组在线运行，以保证系统最低转动惯量。

根据各省级电网大比例新能源接人后保障电网安全稳定运行的要求，建议制定与其相适的最低转动惯量占比标准。同时在未来的电力市场竞价上网环节限制新能源并网引起的超低电价，避免与南澳类似的大范围同步机组被淘汰退市的现象发生。

3．提高个别地区风机连续低电压穿越能力要求

针对个别风速过大地区风电场的新投运风电机组，可适当调整现行的单次低压穿越成功即通过测试的并网测试标准要求，提出短时间内进行多次低电压穿越的新要求，比如设定120 s内连续低电压穿越5至10次的测试新标准，以应对实际运行中的极端情况。

4．发挥在线预警优势防控系统频率波动

利用系统频率变化率进行判据的自适应低频减载策略虽有预切负荷的优点，但不易实施。中国低频减载加速切负荷方案工作原理简单，具有明显的优越性。新形势下，中国特高压大功率运行时可能面临直流双极闭锁、交流双回线跳闸以及同一输电通道多回线路故障后大受端或大送端受扰动等问题，需实时分析故障后送受端潮流和频率跌落情况。可发挥在线安全计算优势，利用省调在线实用化算法，30 s周期计算最低频率，1min周期滚动分析频率变化，及时向国分省调发布预警。在新能源比例较高的地区，可考虑采用直流调制提高互联电网频率稳定性，尽可能避免电网高频切机和低频减载动作1。

5．做实黑启动预案

黑启动是电网停电事故后电力恢复的重要措施，而中国在模拟真实环境下进行过的黑启动实验很少。因此需实施更加贴近实战的黑启动实验考核机制，强制地方电网严格模拟实际情况进行黑启动试验，避免南澳电网出现的在实际黑启动过程中未按预案规定步骤进行操作的情况发生。应着力提升中国现有电网黑启动预案的时效性、落实黑启动实验的常态化、维持参与黑启动预案电厂的设备管理及运维的长效性。

同时，开发储能电池、抽蓄电站、储能型风电场};o等新型黑启动电源，通过技术与经济手段鼓励具备黑启动能力的发电厂积极参与黑启动辅助服务，建立一种停电情况下无法有效进行黑启动的机组必须事后补偿有能力立即进行黑启动的机组的经济奖罚机制，形成一方有难八方支援的黑启动联动体系。

总结南澳电网大停电事故是由一起非常罕见的极端天气引发的意外事件，但该事件偶然中存在必然。过于激进的新能源渗透率给电网带来安全威胁的同时，电力市场运行机制也为提供系统转动惯量的燃煤燃气机组的退出推波助澜。而以传统火电机组为代表的同步发电机退网进一步迫使南澳通过联络线寻求有功及无功支撑，更增大了脆弱的联络线过载导致系统孤网的可能1。

中国电网在特高压化、新能源化、电力市场化等新形势的改革进程中需完善目前的电网安全稳定整体战略，提升灾害预警在线计算辅助决策水平，保障系统转动惯量，在技术上提高系统抗扰动能力，重视黑启动实验，未来鼓励更多具备黑启动能力的机组参与黑启动辅助服。