巴基斯坦電網大面積停電對卡洛特電站影響及應對措施

馮 源，羅 濤，張清波，李 杰，周 平，高 健

（1.中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002；2.三峽國際能源投資集團有限公司，北京 101100）

0 引言

大面積停電事故是指電力系統由于單一或多重故障擾動在特定條件下誘發而造成的波及范圍大、停電時間長、后果嚴重的停電事故。一旦發生，可能導致大范圍供水、供電以及通信中斷，造成交通、醫療和金融系統等關鍵基礎設施無法正常運行，造成巨大經濟損失甚至產生公共安全問題[1]。保證電力系統運行穩定，避免大面積停電發生，研究大面積停電的應對措施以及停電后快速恢復，具有重要意義。

近年來，國際上發生多起大停電事故。2018年巴西大停電[2]，由于保護整定失誤和穩控系統拒動，造成巴西北部和東北部14個州受到嚴重影響。2020年墨西哥大停電[3],由于山火導致同走廊兩回線路跳閘，引發連鎖故障，事故蔓延擴大，最終導致包括首都墨西哥城在內的12個州受到停電影響。2021年巴基斯坦大停電[4],由于人為誤操作，帶接地開關合閘斷路器并且保護拒動,導致全國電網完全崩潰。2022年中國臺灣電網發生大面積停電[5],在未回充斷路器氣室SF6氣體的情況下投入相鄰隔離開關,導致絕緣不足閃絡放電，臺灣地區幾乎所有城市都遭受停電影響。

本次巴基斯坦全國大停電，主要原因為風電場增加負荷導致交流輸電線路過載，系統振蕩，同時中部節點上的無功補償能力不足，導致線路過載情況進一步加劇，部分交流線路跳閘，南北交流通道中斷，直流系統又發生閉鎖，最終導致系統頻率及電壓崩潰。對比2022年“1.9”停電事件，雖然直接原因不盡相同，但造成大面積停電的根本原因均為電網網架薄弱、安全防御體系不完善，未能及時有效隔離故障，防止系統崩潰。

目前針對電網大面積停電的主要研究方向和措施包括在電網規劃和設計時應充分考慮電力系統穩定性分析，優化電源布局，加強主網架建設，增強電力系統三道防線[6]，設置電力系統PMU裝置，增強電力系統實時監控[7]以及合理規劃電網黑啟動電源等一系列措施。下面結合巴基斯坦電網特點以及卡洛特電站采取的主要措施進行簡要介紹。

1 巴基斯坦電網基本情況

1.1 電網結構

巴基斯坦電網分為國家輸配電公司NTDC電網和卡拉奇電力公司KE電網兩部分。其中NTDC電網又分為北部電網和南部電網，主要電壓等級為500 kV、220 kV及132 kV。卡拉奇電力公司KE是巴基斯坦最大的私營電力公司，在卡拉奇地區享有獨立的發電、輸變電、配電經營權，主要電壓等級包括220 kV及132 kV[4]。電力系統調度運行由NTDC下屬部門電力調度中心NPCC負責。巴基斯坦電網輸變電情況詳見表1。

另外，±660 kV高壓直流輸電線路（默－拉直流）于2021年9月正式投入商業運行，輸送容量4 000 MW。巴基斯坦NTDC電網地理接線參見圖1。

圖1 巴基斯坦 NTDC 電網地理接線

1.2 電源

截至2022年6月，巴基斯坦電源總裝機容量為43 775 MW，火力發電容量26 683 MW(占比60.95%)，水力發電容量10 635 MW（占比24.30%），風電發電容量1 838 MW（占比4.20%），太陽能發電容量630 MW（占比1.44%），生物質發電容量369 MW（占比0.84%），核電發電容量3 620 MW(占比8.27%)。巴基斯坦裝機容量情況詳見表2。

表2 2022年巴基斯坦裝機容量介紹

巴基斯坦水利電力發展署WAPDA負責國有水電的開發和運營，火電主要由巴基斯坦電力公司PEPCO下屬發電公司GENCOs負責，巴基斯坦原子能委員會PAEC負責核電開發和運營。此外，在發電側還有近50個獨立發電商（IPPs）以及一些小型發電商（SPPs/CPPs）。

1.3 用電負荷

巴基斯坦用電負荷分布極不均衡,用電負荷主要集中在中東部的旁遮普省以及卡拉奇、伊斯蘭堡等大城市，約占60%左右，而南部電網負荷約為北部電網的一半。巴基斯坦電網負荷峰值需求約為30 000 MW，冬季負荷較小，約為夏季高峰需求的一半。

1.4 巴電網存在的主要問題

（1）電網結構薄弱。巴基斯坦電網結構不合理，火電主要集中在旁遮普省和南部地區，水電則主要集中在北部地區，南北電網之間潮流分布存在明顯的季節性變化[8]。電網交流聯絡通道呈薄弱的長鏈式結構，一旦主要輸電通道故障，容易造成潮流大量轉移引發連鎖故障。

（2）安全防御體系不完善。系統繼電保護配置不完善，保護設定值不合理，不能有效的切除故障，甚至越級跳閘，擴大事故范圍。電網失步解列裝置功能不完善、裝置拒動，不能有效的控制系統振蕩。電力系統穩定裝置PSS配置不完善，不能有效抑制系統低頻振蕩。系統無功及電壓自動控制功能不完善，電壓波動范圍較大。

（3）網源協調能力不足。巴基斯坦電網側雖然配置了一定程度解列、低頻減載、高頻切機等措施，但相關措施不能正確動作，無法有效阻止事故擴大。電源側保護參數設置不合理，事件發生時，北方電網低頻導致機組跳閘，功率缺額加劇，致使電網頻率崩潰。南方電網高頻過程中大容量火電和核電機組跳閘，系統轉入低頻后低頻減載裝置未能平衡發電側和負荷側關系，系統失穩[4]。

（4）運維管理水平不足。電網設備設施缺少維護和檢查，涉及電力系統穩定的保護及自動裝置等功能失效，電網調度人員缺少對高壓直流系統的運行維護經驗。大多數發電廠不具備黑啟動能力，部分電廠缺少針對停電事件的應急預案和恢復送電的作業規程，部分電廠在啟動過程中發生故障，不能及時并網，電網故障后恢復能力不足，恢復時間較長。

2 卡洛特電站應對巴電網大面積停電的主要措施

巴基斯坦電網大面積停電造成卡洛特電站全站停電，電力供應中斷，廠用電全部失電，水庫水位持續上升，嚴重影響廠房及大壩安全。由于電網恢復供電時間較長，電站必須依靠自身黑啟動能力以恢復主輔設備供電。電站針對巴基斯坦電網特點在運行初期就已經提出和實施了一系列有效的措施，因此電站運維管理人員才能在此次電網大面積停電事件中快速響應，正確處置。下面簡單介紹和總結電站采取的主要應對措施和經驗。

2.1 切實落實柴油發電機作為緊急安保電源的要求

（1）加強柴油發電機檢查、試驗和維護工作。柴油發電機是電站黑啟動的重要應急電源，電站要求定期檢查蓄電池狀態、儲油罐油量以及各部件健康情況，做好柴油發電機及蓄電池維護保養以及儲油罐補油工作。嚴格執行定期工作要求，檢查柴油發電運行狀態。

（2）提升柴油發電恢復重要負荷供電的應急響應能力。電站組織實施柴油機帶負荷運行能力試驗，梳理啟動柴油發電機恢復重要負荷的優先順序及注意事項，編制柴油發電機啟動并恢復廠用電母線操作指南[9]。落實啟動柴油發電機并開啟溢洪道閘門的應急演練，全面提升電站運維人員的應急處置能力。

（3）研究柴油發電機自啟動和“一鍵恢復供電”的控制流程。柴油發電機自啟動關鍵在于理清廠用電全停判斷條件以及柴油發電機開關與廠用電母線電源開關之間的備自投動作邏輯。巴方員工事故處置經驗較為缺乏，能力尚待提高，該功能的開發將大大減少巴方員工的現地操作過程，提高應急響應的自動化程度。

2.2 加強機組黑啟動功能研究，優化其流程

（1）組織機組黑啟動條件研究

水電站黑啟動是否成功取決于廠用電消失時調速器液壓系統壓力需滿足導葉開啟操作，調速器油氣比合理，滿足壓油罐低油壓、低油位事故停機等不利因素[10]。還應考慮調速器控制系統、電磁閥、接力器鎖定等在交流電源消失情況能夠正常控制和操作。卡洛特電站調速系統具備A類和B類黑啟動的條件。

電站勵磁系統功率柜風機在交流電源消失時機組不能自動啟勵，但風機繼電器可以手動切換至強啟模式，廠用電恢復后應及時恢復勵磁風機交流電源。機組起勵電源取至直流系統，但GCB合閘狀態下勵磁系統無法起勵，需要人為閉鎖GCB合閘信號。勵磁系統滿足A類和B類黑啟動要求，但需一定的人為干預。

電站機組三部軸承均為內循環冷卻方式，無需循環油泵。技術供水閥門為交流電動閥，無交流電源時需人為操作開啟閥門。機組制動風閘、蠕動探測裝置在交流電源消失時可以正常投退。頂蓋水位上升率以及頂蓋自流排水系統能夠滿足機組黑啟動要求。機組輔助設備及自動化元件能夠滿足B類黑啟動要求，人為干預后一定程度上也能夠滿足A類黑啟動條件，后期需要進行一定的技術改造。

電站發電機出口開關GCB具備無壓合功能，滿足機組帶主變壓器零起升壓操作。主變壓器冷卻方式為強迫油循環風冷，在進行A類黑啟動時需要考慮主變冷卻器全停跳閘的影響。

值得注意的是，在選擇黑啟動機組時還應考慮快速門未因事故停機而落門，同時在進行A類黑啟動時發電機出口刀閘應在合閘位置[11]。

（2）組織黑啟動試驗，優化機組黑啟動流程。電站分別進行了B類和A類機組黑啟動試驗。分別梳理和記錄影響B類黑啟動的自動開機流程的限制因素，檢驗了機組A類黑啟動的純手動操作流程和技術限制條件。進一步完善了機組黑啟動的應急響應操作流程，組織編制了機組黑啟動標準操作指南，優化了《卡洛特電廠廠用電全停及黑啟動應急預案》。

（3）推進“一鍵機組黑啟動”功能研究。通過前期研究和試驗，卡洛特電站機組具備一鍵機組黑啟動條件，但因部分設備及控制流程還存在一定的限制因素，黑啟動過程中還需要人為干預配合，下一階段電站將完善控制程序和回路改造，實現監控系統“一鍵機組黑啟動”功能。

2.3 開展機組孤網運行研究

電站重點組織分析了孤網運行狀態下機組振動區問題，廠用電負載變化情況；分析了勵磁系統運行情況，以避免機組發生過電壓保護或主變過激磁保護動作跳閘情況。重點分析了水輪機調速器系統，通過分析和計算孤網情況下機組頻率偏移量以及有功負載變化量，選擇優化調速器孤網PID參數以及合理的永態轉差系數Bp，確定進入孤網的判斷條件，保證機組孤網運行穩定。

目前電站對調速器系統孤網參數進行了初步選擇和確定，期間經歷了數次孤網考驗，機組切換至孤網運行正常。由于電站無安穩切機裝置，電站進入孤網運行時，還要考慮更合理的控制策略，避免多臺機組同時進入孤網模式造成機組間振蕩。

2.4 強化保護及安全自動防控體系

（1）完善保護定值管理。電廠先后組織多次事故分析，對主變過激磁保護、線路過電壓保護定值以及保護裝置安裝調試中的遺留隱患進行了整改。機組投產后先后組織多次保護定值核，并同相關單位就保護定值計算書、保護定值單等內容進行討論和溝通，有效保證了保護裝置的可靠性。

（2）線路過負荷切機功能實施和試驗。由于卡洛特電站送出線路為“T”方式接入原NJ電站送出線路，電站商業運行后，在巴基斯坦電網公司的要求下實施了線路過載切機方案，電站具備500 kV一回線路過載時切除部分機組的功能。

（3）電力系統穩定器PSS功能投入研究。巴基斯坦電網1.23大面積停電事件后，巴基斯坦電網公司要求各電站投入PSS裝置。電站正積極同相關單位以及電網方的溝通協調，推進完成PSS相關試驗，確定PSS參數。

（4）開展安全穩性研究。由于巴基斯坦電網結構和設備水平等因素，安全穩定控制裝置在巴基斯坦電網中并沒有得到應用。卡洛特電廠除了配置線路過載切機策略外，沒有配備安穩切機或失步解列等電力系統穩定裝置，當電網發生穩定性破壞事故時，卡洛特電站將難以快速從系統中隔離出來。當前電站正組織開展系統穩定性研究工作，同時加強同電網方溝通協作，旨在制定更加合理的安全穩定控制方案。

3 結語

卡洛特水電站是巴基斯坦電網中的重要電源，電站的安全穩定運行對電網有著重要影響。一方面電站要積極做好應對措施，防止電網停電事件對電站產生不利影響。另一方面，也要保證電站穩定運行，杜絕因電廠本身故障影響電網系統的穩定運行，避免造成不利影響。電站在實施黑啟動、孤網運行和電力系統三道防線等相關措施以及具體實踐過程中總結了相關經驗和注意事項以供借鑒和參考：

（1）大面積停電后應密切關注水庫水位變化情況，第一時間恢復溢洪道閘門供電。

（2）水電站廠用電設計時，應考慮設計重要負荷母線，方便柴油發電機快速恢復重要負荷供電。

（3）電站機組主設備及輔助設備設計選型是應考慮機組B類黑啟動能力,進行電站“一鍵黑啟動”功能設計時，應充分分析廠用電全停的判斷邏輯以及機組具備升壓條件。

（4）黑啟動機組帶主變零啟升壓，需要考慮機組出口開關具備無壓合閘功能，零啟升壓后應安排專人監視勵磁電流，防止機組過電壓或主變過勵磁。

（4）機組孤網運行期，應密切監視機組運行工況，盡快恢復廠站重要負荷，防止二次全停并做好二次全停應急處置準備。

（5）機組恢復并網時，建議隔離1臺機組孤網運行帶廠用電，待其它機組并網正常后再恢復廠用電正常運行方式。