所謂電力系統(tǒng),是指由發(fā)電、送電、變電、配電和用電等各個環(huán)節(jié)所構成的有機整體,也包括相應的通信、繼電保護(含安全自動裝置)、調度自動化等設施。通常把發(fā)電和用電之間屬于輸送和分配的中間環(huán)稱為電電力網,簡稱電網。對電網來說,安全和穩(wěn)定是電網正常運行所灑中缺少的最基本條件。電網安全,是指運行中所有電力設備,必須在不超過它們所允許的電流、電壓和頻率的幅值及時間限額內運行,不安全的后果可能導致電力設備的損壞。電網穩(wěn)定,是電網可經連續(xù)地向負荷正常供電的狀態(tài),穩(wěn)定的破壞,將導致電網的瓦解和大面積停電事故。電網的安全穩(wěn)定運行具有特別重要的意義,這是由電力生產的特點和電網事故的嚴重后果所決定的。
一、電網發(fā)展的趨勢和電力生產的特點
?。ㄒ唬╇娋W發(fā)展的趨勢
電力系統(tǒng)是在單臺機組或發(fā)電廠對用戶供電所形成的簡單弧立電網的基礎上發(fā)展起來的。世界上第一個三要交流高壓輸電系統(tǒng)出現在1891年,經德國的勞奮—明興河畔的法蘭克福線路(總長175km)投入運行,供慕尼黑明興國際電工展覽會用電。該線路始端的勞奮水電站安裝了一臺230kW、95V的三相交流發(fā)電機和一臺200kVA、95/15200V變壓器,線路末端的法蘭克福建造了兩座13800/112V降壓變電所,其中一座供展覽會照明用電,另一座供一臺73.6kW的三相異步電動機用電,帶動一臺離心水泵,供給9m高的人工瀑布用水。這雖然只是一個簡單的輸電工程,但交流輸電技術的關鍵問題已經解決。
社會生產的發(fā)展,對電能需求的日益增長,促使發(fā)電設備的容量不斷增大,同時也擴大了供電的范圍。為了充分利用發(fā)電設備的容量,提高供電的可靠性和經濟性,逐漸形成了由幾個相鄰發(fā)電廠并列運行的電力系統(tǒng)。而且,電力系統(tǒng)的容量、電壓等級及其延伸區(qū)域也越來越大,發(fā)展大電網已被國內外公認是一個客觀規(guī)律。
在國際上,工業(yè)發(fā)達的國家對于發(fā)展大電網一直是堅定不移的,他們從發(fā)展大電網中取得了良好的經濟效益。目前,世界上已有50多個國家實現了全國聯網運行,比較著名的有前蘇聯的統(tǒng)一電網、北美聯合電網、西歐電網和日本電網。成立于1982的,總部設在美國圣地亞哥的國際性全球電力網組織(簡稱GENI),專門組織研究國際電網的發(fā)展,提出“電力為全人類服務”的口號,并提出了全球聯網的設想。GENI認為,各國相對獨立的電網決定和了本國經濟的發(fā)展。建立全球電網的目的,在于把各國分散的電力資源匯集起來,進行宏觀調節(jié),這樣可以充分利用世界各地間的時差效應和溫差效應,從而節(jié)約大量的電能和投資。
隨著輸電新技術的發(fā)展,超導和陶瓷材料的問世,交流輸電距離已可增加到2500km,超高壓直流輸電距離已可增加到6500km。這些研究成果表明,電網完全可以跨越國界,甚至跨越大洲。目前,最引人注目的就是前蘇聯和美國跨白令海峽(兩側最近距離約200km)的電網工程。該項目如果成功的話,全球電網的實現就為期不遠了。
目前,我國已形成了華東、華中、北、東北、西北、南方互聯等六大跨省電網,以及山東、四川、福建等幾個獨立省網。至1996年底,全國發(fā)電總裝機容量已達2.36億kW,是世界第二電力大國,僅次于美國,其中華東、東北、華北、華中四大電網的裝機容量均已超過2000萬kW。根據測,今后幾年,我國的電力、電量年遞增率將為8%~9%,至2000年,全國總裝機容量將達到3億kW,年發(fā)電師資地增至1.4萬億kWh。電網方面,1989年9月17日,葛洲壩至上?!?00kV直流輸電第一期工程投運后,已將華中、華東兩大電網連接起來,形成了我國第一個通過直流輸電系統(tǒng)相連的跨大區(qū)聯合電網。正在建設中的三峽電站是目前世界上規(guī)模最大的水電站,計劃裝機容量18200MW,單機容量700MW,共裝26臺機組,年發(fā)電量將達847億kWh。隨著三峽工程的建設,我國將首先實現華中、華東和四川電網的連接,最終實現全國聯網。
(二)電力生產的特點
電力系統(tǒng)從不到大,雖然經過了一百多年的發(fā)展,出現了裝機容量達幾億千瓦,供電范圍縱橫幾千公里的巨大電網,但電力生產的過程至今未變,仍可用發(fā)、送、變、配、用五個字來概括。不僅如此,整個電力生產的特點也沒有改變。電力生產有三個特點:
?。?)有功功率平衡性。由于電力不可儲存,因此,發(fā)電和用電必須同時完成且需時刻保持平衡,發(fā)多少,用多少,反之亦然。有功功率的平衡性體現在電網的頻率上,發(fā)電大于用電,則電網頻率升高,反之,則頻率下降,而電網頻率的升高或下降均會對電網設備、用電設備和電網本身的安全運行構成威脅,還會影響電力用戶的產品質量。
?。?)瞬時性。開關一合,電就以30萬km/s的速度送往用戶。電力生產的瞬時性,決定了電網狀態(tài)變化的快速性,往往在一個瞬間,電網已經結束了從一種狀態(tài)向另一種狀態(tài)的轉換,這就要求電網的安全運行控制須在一個很短的時間內,完成判斷、決策、控制等一系列過程。
?。?)電力系統(tǒng)所特有的無功功率。在電力系統(tǒng)的運行中,除了要保持有功功率的平衡外,尚需保持無功功率的平衡。無功功率的平衡性在電網的電壓上,電網無功功率過剩,則電壓升高,反之,則下降。電壓偏高會造成電力設施和用戶設備的損壞;偏低則會影響電力用戶的供電質量和產品質量,還會降低電網的穩(wěn)定水平。
正是電力生產的災三個特點,才使得電力系統(tǒng)成為世界上最復雜的生產系統(tǒng)之一,才在電力系統(tǒng)這個領域產生了許多非常復雜的技術問題??梢赃@樣說,我們經歷的電力系統(tǒng)中的一切技術問題、運行問題和管理問題,實質上都是圍繞著電力生產的這三個特點進行的。
二、大電網安全穩(wěn)定運行方面存在的問題
現代大電網雖然具有無可比擬的優(yōu)點,但隨著聯網的發(fā)展和供電區(qū)域的擴大,也增加了穩(wěn)定破壞事故發(fā)展為大面積停電事故的可能性。我們常常要求電網具有經濟性、可靠性和靈活性,但這三者既是相互矛盾的,又要求相互適應。對大電網而言,最突出的問題是保證大電網的安全穩(wěn)定?,F代大電網存在四個安全穩(wěn)定問題:大電網瓦解、穩(wěn)定破壞、電壓崩潰和頻率崩潰事故。
(一)大電網瓦解事故
大電網瓦解事故是指聯網運行的電力系統(tǒng),由于事故而分裂成兩塊及以上的孤立電網。引起大電網瓦解的原因是多種多樣的,如線路大面積污閃事故,穩(wěn)定破壞事故,單一事故觸發(fā)連鎖反應等。由于分裂后的孤立電網往往做不到區(qū)域內的發(fā)電、用電平衡,因此,大電網瓦解常來大面積停電的嚴重后果。
?。ǘ┓€(wěn)定破壞事故
穩(wěn)定破壞事故是指并網運行的發(fā)電機組之間失去同步運行的情況。失去同步運行穩(wěn)定性的后果是系統(tǒng)發(fā)生振蕩,引起電網中樞點電壓、發(fā)輸電設備的電流大幅度地周期振蕩。電網因不能連續(xù)向負荷政黨供電而不能持續(xù)運行,如果處理不當,將引起系統(tǒng)的大面積停電。同步穩(wěn)定性一般分為三種,即靜態(tài)、動態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定。
(三)電壓崩潰事故
電壓崩潰事故是指受端電網因為嚴重缺乏無功功率而失去電壓穩(wěn)定性的情況。電網失去電壓穩(wěn)定性的后果,則是系統(tǒng)電壓崩潰,使受影響的地區(qū)全部停電。電壓崩潰有兩種形式,一是由于受端負荷持續(xù)增長,電網電壓逐漸下降,最后發(fā)生不可逆轉的崩潰現象,這種形式稱為靜態(tài)電壓穩(wěn)定性破壞;二是由于主設備故障,如一臺大機組或主聯絡線跳閘,使受端出現較大無功缺額,電壓突然嚴重下降且不能恢復,導致電壓崩潰,這種形式稱為動態(tài)電壓穩(wěn)定性破壞。
?。ㄋ模╊l率崩潰事故
頻率崩潰事故是指電網由于有功功率缺乏而導致系統(tǒng)頻率下降,最后失去頻率穩(wěn)定性的現象。失去頻率穩(wěn)定性的后果,是發(fā)生頻率崩潰,引起整個系統(tǒng)全部停電。引起頻率崩潰的原因,多是大機組跳閘(或全廠停電)、重要送、受電聯絡線跳閘,使電網突然出現大量的有功功率缺額。
三、電網事故情況回顧
隨著電力系統(tǒng)的不斷擴大,電網的結構和運行方式變得越來越復雜多變,在電力系統(tǒng)中任一地點發(fā)生故障,均將在不同程度上影響電網的正常運行。特別是在主要干線或發(fā)電廠發(fā)生故障時,如不能及時而正確的處理,將使事故擴大,波及電網的其他正常運行部分,以至造成大面積停電甚至電網瓦解的后果。
國內外電力系統(tǒng)曾發(fā)生過多次大面積停電和電網瓦解事故。如1977年7月13日,美國紐約電網,由于雷擊,保護裝置不正確動作,調度中心掌握系統(tǒng)實時信息不足,以及通信困難等,造成事故連鎖發(fā)展和擴大,致使全系統(tǒng)瓦解。在事故發(fā)生59min后,紐約全市停電,事故前后延續(xù)25h,影響900萬居民的供電。根據最保守的估計,這次停電所帶來的直接和間接經濟損失3.5億美元,相當于紐約市電力系統(tǒng)發(fā)電和輸電設備價值的20%。再加1978年12月19日,法國電網因輸電線過載裝置動作跳閘,電網失步,頻率下降,電網瓦解,造成法國本土四分之三的地區(qū)停電,損失負荷2900萬kW,最長停電時間達8h30min,其經濟小的損失估計至少與50年經濟調度工作所取得的經濟效益相當。在我國國內,1972年7月27日,在××電網,由于繼電裝置誤動作,使丹江口到漢口的220kV輸電線路斷開,造成武漢和黃石地區(qū)電壓崩潰,使受端系統(tǒng)全部瓦解,僅經濟上的損失就約2700萬元。
近年來,國內外又發(fā)生了幾起重大的電網事故。1996年7月2日,美國西部電網發(fā)生大停電事故,起因是JimBridger電廠的一條345kV出線對樹閃絡,引起跳閘,而該廠的另一回345kV線路由于保護的不正確動作而被切除,從而觸發(fā)了一系列的連鎖反應,最后導致電壓崩潰,西部電網解列至少五個“孤島”。事故造成150~200萬個用戶停電,損失巨大。事故后的分析認為,僅僅一條345kV線路跳閘并不會造成整個電網的瓦解,此次大停電事故是由于事故前電網的異常運行條件,加上保護的不正確動作而擴大事故所導致的。事隔僅一個月,1996年8月10日,美國西部電網再次發(fā)生大面積停電事故。當時,橫貫美國西部的炎熱天氣使用電負荷明顯增加,高溫又使華盛頓和俄勒崗州的多回線路在事故前約1h無序跳開,使系統(tǒng)變得薄弱,從而引發(fā)電壓振蕩,使俄州和加州之間的三回500kV太平洋交流聯絡線和±500kV直流聯絡線以及其他地區(qū)的一些500kV線路和發(fā)電機跳閘。事故導致西部電網解列為四個“孤島”,使約400萬個用戶停電。事故的原因和損失情況尚在進一步分析調查之中。在我國國內,1995年10月29日,××供電局見習值班人員違反勞動紀律,在變電所內學習駕駛汽車,撞裂220kV母線刀閘支架,刀閘支柱瓷瓶斷裂,導致母線短路。由于9套保護拒動和誤動,造成2個220kV變電所、500kV深圳變電所的220kV母線以及13個110kV變電所全部停電,深圳市大面積停電,火車站、海關等重要用戶停電,共損失負荷80萬kW。1996年1月19日,由于××實習吊車司機違章作業(yè),誤碰石景山熱電廠至八里莊變電所的220kV石景山—八里莊(簡稱石—八)雙回線,致使220kV石—八一、二回線先后跳閘,引起北京西部地區(qū)較大面積停電,造成1個220kV變電所,7個110kV變電所,10個35kV變電所和北京第二熱電廠全停電。此次事故是建國以來北京地區(qū)是最嚴重的一次,特別是造成許多重要負荷的長時間停電。事故中損失負荷31萬kW(約占北京地區(qū)負荷的8%),直接經濟損失約335萬元。
四、電網事故的影響
由于現代社會與電能的關系密不可分,電已滲透到了社會活動和人民生活的各個部分,因此,電網事故導致用戶的停電,在經濟上、政治上的影響是十分巨大的。正因為如此,我國電力部門將“電網瓦解”和“大面積停電”列入七種必須嚴格杜絕的重大事故中。
國內外電網事故的教訓說明,事故停電會造成巨大的經濟損失。但到目前為止,世界各國對事故停電所還來的直接和間接損失,沒有統(tǒng)一嚴格的分析和計算準則。例如,根據美國IEEE的估計,每少供1kWh電所造成的損失為0.33~15美元;英國1978年的資料表明,每少供1kWh電的損失為0.3~1英鎊。這些近似的統(tǒng)計數字均表明,由于停電所帶來的直接和間接的經濟損失是實際電價的幾十倍,甚至成百倍,這與用戶類型、中斷供電時間白天或夜晚)及中斷供電時間長短等因素密切相關。
電網事故還會造成巨大的政治影響,嚴重干擾社會生活的正常進行,甚至引起社會的動蕩。如1977年美國紐約大面積停電期間,社會發(fā)生混亂,共發(fā)生火警1037起,搶劫和破壞行為1809起,有幾百人受傷,警方逮捕了3000人;美國西部電網1996年7月和8月接連兩次大面積停電,不僅造成了大量用戶的停電,而且引起了美國總統(tǒng)克林頓的高度重視,他要求美國能源部在事故后的30天內提交詳細的事故分析報告,并提出防范措施。