南方电网连锁故障风险分析及防御措施研究

研究表明，多数大停电事故是由连锁故障引起的。这些停电事故往往是从系统中某一元件的故障开始，由于控制措施不当或不及时、电网结构不合理、继电保护装置误动或拒动，或上述多种原因的综合作用，引发一系列的元件故障，这种连锁性的故障的迅速传播最终导致了电网的大面积停电。

南方电网作为交直流混合运行大电网，运行特性复杂，主通道线路走廊相对集中，沿途地理环境恶劣，气候条件复杂，容易诱发连锁故障。对南方电网中存在的连锁故障风险进行分析，有针对性地制定应急措施，对于电网的安全稳定运行有着重要意义。

1 电网连锁故障机理的研究现状

针对连锁故障的发展机理，国内外从不同角度开展了研究。

文献3研究了极端天气对电网故障自组织临界性的影响。由于电网跨越辽阔区域，其安全稳定运行易受气候条件影响，具有自组织临界性的降水以及降水相关事件是电网故障的主导因素，电网故障时序符合幂率分布。即电网故障大量集中于恶劣气候(暴雨、冰雪)及气候相关事件(火山、雷暴)下出现。文献4在对南方电网停电数据统计的基础上，采用自组织理论研究了南方电网发生事故的宏观规律，初步证明南方电网具有自组织临界性的特征。

继电保护隐式故障是指保护装置中存在的一种永久性缺陷，这种缺陷只有在系统发生故障等不正常运行状态时才会表现出来，其直接后果是导致保护误动或拒动。文献5认为保护装置的隐式故障是电力系统连锁故障发生的重要原因。

文献6认为电力网络的拓扑结构对连锁故障的发展过程等有着关键的影响，必须加强对那些与网络结构密切关联的节点的保护和防范。文献7认为分析复杂电力系统连锁反应事故必须将研究的层次深入到变电站结构的层次上，不仅要考虑系统的网架结构，而且要计及变电站的电气主接线。

研究发现，南方电网历史上发生的连锁事故的演变过程基本可归结于以上三种机理，但表现形式各不相同，或某种因素起主导作用，或多因素综合作用。研究连锁故障在南方电网中的演变过程及其表现形式，对有针对性地制定应急措施有重要价值。

2 南方电网中连锁故障风险分析

2.1极端天气导致多重故障风险分析

文献3指出电网故障具有自组织临界性，且大气系统中降水现象的自组织临界性是其主导因素，其具体表现为：电网故障集中于少数时段，且故障原因均为恶劣天气(暴雨、冰雪)及其相关事件(火山、雷暴)对近年来南方电网线路故障数据的统计结果的研究进一步印证了上述观点。

表1所示为2007-2009年南方电网500kv线路分月故障统计，取每年线路跳闸次数最多的前4个月列入表内。

由表1可知，全年500kv线路跳闸的2/3集中发生于表中所列的4个月，并集中于极端天气时段发生。例如，2008年1月25日因覆冰单日跳闸达18次，为全年平均值的二十几倍;2007年4月23日瘦雷暴雨影响，17时40分至18时26分，贵州青岩地区500kv线路跳闸4次，500kv母线跳闸1次。对于此类多重故障，如果控制措施不当或不及时，极易导致事故扩大乃至引发稳定破坏事故。

2.2 继电保护隐式故障风险分析

继电保护装置隐式故障是电网事故扩大的重要原因之一，南方电网多次出现因继电保护隐式故障导致事故范围扩大的连锁事故，其典型表现形式为：

1) 线路跳闸后，系统潮流重新分布过程中引发其他线路保护误动跳闸。如2001年3月8日500kv天平一线天二侧高抗非电气量保护误动跳闸，天平二线天二侧线路后备保护误动跳闸，事故导致鲁布革220kv鲁马线过载安稳动作解列云南网，贵州、天生桥地区电网与广东、广西网通过天广直流联网运行。

2) 保护死区故障，依靠元件远后备切除。如2006年6月23日罗平变电站5122号断路器U相开关本体底部击穿，由于5122断路器的电流互感器结线错误，造成了罗平变对侧后备保护相继动作，切除故障。事故造成云南网解列，罗平变500kv双母停电，天广直流双极跳闸。

3) 对于交直流混合运行电网，存在交流系统故障导致直流系统跳闸的风险。在上述“6·23”罗平变电站事故中，由于交流系统故障切除时间较长，马窝换流站极Ⅰ、极Ⅱ换流变中性点零序过流保护动作，天广直流双极跳闸。

对于此类故障，必须熟练掌握继电保护动作原理和典型误动行为分析方法，以便快速判断实际故障范围，提高恢复速度。

2.3 南方电网拓扑结构中的薄弱环节

通过对南方电网骨干网架的拓扑分析，可以发现以下几类故障会显著改变电网运行特性，属于电网结构中的薄弱环节：

1) 具有重要联络作用的500kv交流线路。例如，500kv天金线(金换线)停运，西电东送贵广、天广交流通道送端电气联系即被打开，不仅输送能力大幅下降，而且系统输电断面发生重大变化;500kv砚崇甲线或崇南甲线故障停运，云南外送南通道即中断;500kv天马线故障停运，天广交流南、北通道送端电气联系大幅下降。上述关键线路均为南方电网的典型脆弱环节，即便发生“N-1”故障，也会导致网架结构的大幅削弱，极易诱发连锁故障。

2) 直流换流站送出线路。高肇直流、江城直流端换流站仅通过双回500kv交流线路接入受端电网，其中一回线路跳闸后，另一回线路会闭锁换流站侧重合闸，此时单瞬故障也会导致直流系统双极跳闸。

3) 重要电厂送出线路。南方电网部分西电东送主力电厂仅通过平行双回线路送出，如送出线路相继跳闸，会导致全厂对外停电并带来大功率缺额。

4) 天生桥地区电网。天生桥地区位于云南、贵州、广西三省交界位置，500kv系统与贵州、云南主网相连，220kv系统连接了天一电厂、鲁布革电厂的送出线路并与贵州兴义地区电网、广西隆林地区电网相连，组成天广直流的送端系统，500kv系统与220kv系统通过天二联变、马窝联变电磁环网运行，电网结构复杂。需要依靠切机、天广直流Runback等安稳措施解决事故 元件过负荷问题，同时还面临220kv天隆双回、龙天双回跳闸导致地区电网与主网解列，多个元件故障可能导致天广直流进入孤岛方式运行的风险，受自然地理条件影响，属于故障高发区域。

3 南方电网防御连锁故障措施的研究

3.1 完善防御连锁故障的预防控制措施

任何一个“N-1”故障都可能是一系列多重故障中倒下的第一张多米诺骨牌，事故后必须充分考虑到相继故障可能引发的严重事故，提前做好事故预想并在系统允许情况下采取预防性措施。

针对恶劣气候可能导致的多重故障，南方电网制定了“恶劣气候与自然灾害下西电东送通道功率减送原则”，明确了启动预案的五类情况，细化了受影响通道的减送原则，通过提高输送通道裕度，防止线路连续跳闸导致电网稳定破坏。

利用雷暴和山火持续时间不会很长，由其引起的500kv线路跳闸通常可以较快的恢复的特点，通过规范事故信息汇报，加快事故处理速度，维持主网架的完整性，可以有效抵御相继故障。目前在南方电网中要求事故后3min汇报事故概况，事故后15min完成站内一次设备和保护动作情况检查，通过规范信息汇报流程，500kv线路跳闸强送时间控制在30min，有效地提高了事故处理效率。

3.2 提高复杂事故下的故障分析能力

系统中发生的连锁故障，通常导致特殊的电网接线方式并产生复杂的保护动作信息。要实现连锁故障的成功处理，一方面要深入理解电网的区域运行特性;另一方面要掌握复杂继电保护动作行为的分析和判断方法。

在南方电网迎峰度夏事故应急处理预案中，将南方电网主架划分为天生桥地区、贵州500kv交流出口、云南500kv交流出口、广东500kv交流入口和西电东送骨干网络5个区域，详细分析了不同区域的电网运行特性和危险点，针对这些区域中的枢纽变电站，特别编制了500kv双母跳闸事故预案，从变电站主接线的角度分析连锁故障可能带来的电网结构变化，以便采取有效的应对措施。

为了提高对复杂保护动作信息的分析和判断能力，在事故预案中总结了典型继电保护误动行为分析方法。例如，对一般线路故障分析中，要充分利用保护多重配置和两侧配合逻辑所能够提供的冗余信息进行判断;对于带外串补线路故障分析中。可利用串补保护与线路保护、线路高抗保护间特殊的动作联系进行判断;对于断路器、电流互感器等特殊故障点，利用保护范围的交叉关系进行判断;对于直流组合故障，需区分故障为分别发生还是由于交流系统故障引起，此时可利用直流保护中反映交流系统故障的保护元件是否动作进行辅助判断。

通过这些措施的制定，有效地提高了事故处理的能力，成功处理了2007年4月23日青岩站500kv1号母线4条500kv线路相继跳闸，2007年8月12日福泉变双母失压等复杂事故。

3.3制定防御连锁故障的紧急控制措施

作为远距离、大容量送电的 并联电网，南方电网的安全稳定运行高度依赖于复杂的安全稳定控制系统。正常情况下，系统“N-2”故障后需依靠安稳系统采取切机或切负荷来确保电网暂态稳定。一旦安稳拒动，如系统尚未失稳，必须依靠调度员采用紧急控制措施恢复系统至安全状态。为此南方电网针对送端的贵州电网火电比例高，受端广东电网发电侧备用紧张的情况，特别制定了贵州电网快速减压出力、广东电网快速调负荷侧备用的紧急控制措施。

在事故情况下，贵州网需15min内至少可减出力2300MW，30min内至少可减出力4000MW的快速调整能力;广东网需15min分三级调取3 600MW负荷侧备用的能力。以此保证出现直流双极跳闸而安稳拒动等紧急情况下能够快速控制系统潮流在稳定极限内，避免连锁故障的发生。

3.4 建设实用化的事故处理技术支持手段

根据实际运行需要，电网拓扑在线辨识、稳定在线分析和动态信息实时监测等技术在事故处理过程中得到了广泛的应用。

电网拓扑在线辨识可以在连锁故障情况下用直观的方式给调度员提供电网拓扑结构的辅助判别信息。在2008年冰灾中，贵州电网解列为多片，南网总调EMS系统的拓扑分析功能准确地通过不同颜色将各电气岛区分开，准确地反应线路运行状态，“线路跳到哪里，颜色变到哪里”，对调度员准确把握电网运行状态，发挥了重要作用。

为满足多重相继故障后潮流控制的要求，必须依靠在线稳定定量分析软件提供辅助决策支持。目前已建成的南方电网在线预决策系统和建设中的南方电网综合协调防御系统在这方面开展了有益的探索和实践。

利用WAMS系统实现低频振荡的实时预警，在多次低频振荡事故处理中准确发出告警，为调度员事故处理争取了时间。利用WAMS系统快速调取现场PMU装置的暂态故障录波，对复杂故障的分析和判断也提供了有力的帮助。

目前开展的主要研究工作包括开发“网络化”调度指挥系统，提高调度运行系统协同处理复杂事故的效率;综合EMS系统、继电保护故障信息系统、WAMS系统信息，开发电网智能故障诊断与事故处理辅助决策系统等。

随着这些技术手段的研发及实用化水平的不断提高，必将大大提高调度员应对复杂事故的能力。

4 结论

南方电网交直流并列运行的电网特点及复杂的地理自然环境使得发生连锁的事故概率增加，且故障形态复杂化。提高系统对此类故障的抵御能力，避免由一个偶然出现连锁性事故，乃至发展为全网性的停电事故是一个涉及规划、建设、维护、运行的系统工程。