从电网的角度看电压暂降和短时中断

从电网的角度看电压暂降和短时中断 从电网的角度看电压暂降和短时中断 暂降只是不远处传来的枪声 中断才是贴身战斗电网在运 行过程中会面临各种故障入侵 而电网的 哨兵 保护装 置则时刻准备着消灭这种入侵 将电网的影响减小到最少 从前的日子慢 继电保护动作速度也慢 继电保护是随着 电力系统扩大而发展起来的 最早的保护装置是熔断器 20 世纪初期产生了作用于断路器的电磁型继电保护装置 1928 年 电子器件已开始被应用于保护装置 电子型静态 继电器的大量推广是在 50 年代晶体管和其他固态元器件迅 速发展之后得以实现 1965 年出现了应用微机数字式继电 保护 从 20 世纪 50 年代到 90 年代末 40 余年的时间里 继电保 护完成了发展的 4 个阶段 即从电磁式保护装置到晶体管 式继电保护装置 到集成电路继电保护装置 再到微机继 电保护装置 总之 有理由相信从前的日子慢 继电保护动作速度也慢 故障带来的供电中断次数远大于电压暂降次数 再加上电 力供应紧张 计划停电次数和时间都大于故障停电次数和 时间 有电用就不错了 用户还关注不到电能质量问题 说到这儿 倒是有点怀念那看着漫天星光等电来的童年时 光 不像现在一眨眼一年又过去了 随着 ICT 技术的飞速发展 人工智能技术如人工神经网络 遗传算法 进化规模 模糊逻辑等相继在继电保护领域的 研究应用 继电保护技术向计算机化 网络化 一体化 智能化方向发展 2016 年 国家能源局和中电联在北京联 合召开了 2016 电力可靠性指标发布会 会议发布 2015 年 南方电网公司全网交流系统保护装置共 动作 174191 次 不正确动作 21 次 包括 500KV11 次 200KV3 次 110KV2 次 110KV 以下 5 次 正确动作率 99 99 应评价故障快速切除次数 2658 次 实际 2657 次 故障快速切除率 99 96 220KV 及以上系统故障录波应评 价 2397 次 录波不完好 0 次 录波完好率 100 截至 2015 年底 国网公司 220KV 及以上交流系统微机型保 护微机化率达到 100 国产化率 97 2 保护装置正确动 作率 99 963 故障快速切除率 99 77 故障录波完好率 99 62 但自动重合闸成功率只有 72 72 从上面这个数据 可以看出南方电网全年平均每小时有 20 个保护动作 在研究电压暂降和短时中断的人员眼里 每 一次动作都必然伴随着少部分用户的供电出现短时中断 而周边多数用户会出现电压暂降 对电网来说 暂降只是 不远处哨所传来的枪声 而中断才是贴身战斗 从暂降产 生的原因分析 自恢复性故障 大负荷启动和变压器预充 电这些原因不会造成暂降扩大为短时中断 而永久性故障 造成的暂降都有扩大为短时中断的危险 如果故障点离用 户更近些 或者保护没有有效动作 这些故障造成的电压 暂降就会变成短时中断甚至是长时中断 从用户的角度 往往强调短时中断是一种更严重的电压暂 降 而从电网的角度 电压暂降只是一次不完全的短时中 断 那是用户离故障点还比较远或者保护快速有效切除故 障的表现 同样从电网的角度看 在一次故障入侵并切除 的过程中 一定会收到多个用户反馈 其中多数是电压暂 降 少数是短时中断 随着电压敏感负荷的比例越来越高 原先一次故障周边残余电压低于 30 Pu 的区域负荷会停机 而现在残余电压低于 80 Pu 的区域敏感负荷就会停机 其 影响相当于短时中断 更令人烦恼的是 随着分布式新能 源发电比例越来越高 电网的旋转惯性下降 不考虑采用 微电网的方式 每次故障造成的电压暂降区域也在扩大 2015CIRED 会议德国论文图片 所以也有专家认为 电压暂 降和短时中断是一个连续集 一味地分开电压暂降和短时 中断 过分地强调电压暂降的影响是不科学 不全面的 应该把电压暂降和短时中断作为一件事情的两种表现来看 待 电力运营商用 50 年的努力不断完善电网保护 换来了一个 想和用户一起喝咖啡的机会 却发现用户都变得越来越敏 感了 电小二宝宝真得感到很委屈 付出这么多努力 战 胜了那么多次凶险 避免了多次大面积停电事故 此处没 有表扬 反而迎来了更多用户投诉 还能不能让人好好工 作了 可靠性管理依然是电力运营商的重点工作内容 特别是国 际上连续出现了美加大停电 巴西大停电 印度大停电事 故后 防止大面积停电成为电力运营商工作任务的重中之 重 在这个过程中 中国在上世纪 80 年代逐步完善 电力 系统安全稳定导则 并规定我国电力系统承受大扰动能力 的安全稳定标准分为三级 第一级标准 保持稳定运行和电网的正常供电 单一故障 出 现概率较高的故障 第二级标准 保持稳定运行 但允许损 失部分负荷 单一严重故障 出现概率较低的故障 第三级 标准 当系统不能保持稳定运行时 必须防止系统崩溃并尽 量减少负荷损失 多重严重故障 出现概率很低的故障 为 实现这个安稳标准 电力运营商设置了三道防线来确保电 力系统在遇到各种事故时的安全稳定运行 第一道防线 快速可靠的继电保护 有效的预防性控制措施 确保电网在发生常见的单一故障时保持电网稳定运行和电 网的正常供电 第二道防线 采用稳定控制装置及切机 切 负荷等紧急控制措施 确保电网在发生概率较低的严重故 障时能继续保持稳定运行 第三道防线 设置失步解列 频 率及电压紧急控制装置 当电网遇到概率很低的多重严重 事故而稳定破坏时 依靠这些装置防止事故扩大 防止大 面积停电 三道防线的概念清晰 明确 易于操作实施 近年来我中 国电网没有出现全网性事故和大范围停电 应该说得益于 三道防线的建设 2006 年 国臣研制的世界上第一套火电 厂辅机变频器低电压穿越系统在中石化扬子石化热电厂投 运 同年又在华电淄博热电厂投运 2006 年国臣 SGS 在 电厂投运 2008 年之后 有专家提出应对大面积停电 光 有电网的几道防线是不够的 必须建立网源协调机制 共 同应对 特别是在大电网高压线路有故障时 电压暂降和 短时中断将会有较大范围的影响 附近的电源辅机应具有 低电压穿越能力 机组能优化控制 强励输出 确保机组 旋转惯性 配合大电网提高抗扰能力 2011 年 1 月 2 日 东北电网 500 千伏伊换 1 号线发生单相 故障时 伊敏发电厂 呼伦贝尔发电厂机组给煤机停止运 行 锅炉灭火 导致发电机组跳闸 由于火电厂辅机不具 备低电压穿越能力 给电网安全稳定运行带来严重影响 2011 年 7 月 25 日 内蒙吉兰太区域中盐变母线发生故 障 乌斯太 华电乌达 君正电厂五台机组大幅降出力或 锅炉灭火 全网负荷不平衡 2012 年 11 月 12 日 包铝整流三所 4 整流变高压侧发生单 向转三相故障 东华 包三电厂共三台机组锅炉跳闸或灭 火 对全网带来严重影响 如今随之网源协调工作和火电厂一类辅机变频器高低电压 穿越工作的贯彻执行 多数电厂关键电压敏感辅机都采用 交直流电源冗余供电 电厂一套直流电源保护全厂 9 炉 6 机重要负载 2013 年 有 HVDC 换流站重要辅机因为高低 电压穿越问题造成换流阀冷却水泵停机 直流闭锁 该重 要电压敏感辅机也采用直流电源供电 多年来 变电站二次设备都采用直流电源供电 既可以满 足中断对二次设备的影响 又可以避免电压暂降造成二次 设备停机 其重要性不言而喻 但仍有吃瓜群众在电源检 修后不恢复电池开关 将电网的 哨兵 悄悄蒙住了双眼 当故障入侵时一级级穿越 将事故扩大 哎 这是搞啥样 吃瓜文艺男哼上了 我悄悄地蒙上你的眼睛 电力系统继电保护典型故障分析 一书中可以看到 在 小于 0 1 保护不正确动作率中 有 50 左右的事件与变电 站直流蓄电池失效 直流回路接地 直流环网 交直流串 线 直流开关越级跳闸等问题相关 变电站直流故障造成的事故照片 1996 年 5 月 28 日 11 时 59 分 京津塘地区某厂高压试验班人员在进行断路器试 验时 错将 220V 交流电源接入站内直流系统 造成 3 条 500KV 线路跳闸 220KV 系统振荡 多个电厂全厂停电 1999 年 7 月 20 日 8 时 54 分 山西太原某变电站变压器 10kV 侧短路 全站停电 主控室着火 烧毁一号主变 全站直流消失 站内保护拒动 事故扩大 1 条 110KV 6 条 220KV 8 台发电机组跳闸 殃及山西电网并波及华北主 网 这样的事故数不胜数 20 年之后的 2016 年 古老的西安城 里又飘来一个声音 那天是你用一块红布 蒙住我双眼也 蒙住了天 秦腔般的嘶吼中夹杂着 哨兵 们对直流失电 的愤怒 终于在国网 2016 年下半年工作重点中看到 第一 条就要坚持安全第一 强化本质安全 本质安全水平提升 需要本质安全化的直流设备 专防吃瓜群众犯错误 电网 运营商能帮助用户解决电压暂降和短时中断带来的影响吗 从可靠性发布会公布的历年情况看 我国 10 千伏用户平均 供电可靠率 RS1 从 2014 年的 99 940 下降到 2015 年的 99 88 平均停电时间从 2014 年的 5 22 小时 户下降到 10 50 小时 户 增长了 102 比 2013 年的 7 47 小时也有 所增加 城市 10 千伏用户平均停电时间从 2014 年的 2 59 小时 户上升到 2015 年的 4 08 小时 户 而农村的从同期的 5 72 小时 户上升到 12 74 小时 户 2012 年 2015 年我国 10 千伏用户平均停电时间 小时 户 我国 DL T836 2003 供电系统用户供电可靠性评价规程 中还没把短时停电纳入可靠性统计中 在 2012 版的规程中 短时停电的定义为持续停电时间小于等于 3 分钟的停电 并将 MAIFI 指标纳入可靠性统计中 而引起短时停电现象的原因中 馈线重合闸会造成用户 1 0 2 5S 的短时停电 变电站备自投会造成用户 3 0 3 5S 的短时 停电 配网开闭所则要 5 6S 馈线自动化会造成用户数秒 至 1 分钟的短时停电 寻找单相接地故障而试拉合馈线 会造成用户 20S 1 5 分钟的短时停电 刚刚看到南方电网 2016 年年中会议 提出到 2020 年确保 完成 185611 目标 广州 深圳等 10 个主要城市客户 平均停电时间低于 1 小时 也就是 4 个 9 左右的 RS1 指标 其实 电力运营商很多时候还肩负社会责任 EPRI 曾对未 来 20 30 年用户对可靠性需求做过预测 6 个 9 的需求从目 前 10 会增至 60 9 个 9 的需求从目前 0 6 会增至 10 可以预见电力运营商供电可靠性在不远的未来会从 4 个 9 提升到 6 个 9 这意味着满足大多数用户可靠性需求 并维持全社会用电成本相对最低 电压等级越高的配网 自动化程度和保护也越完善 供电 可靠性也一定越高 现阶段 重要用户往往会被推荐接入 更高电压等级的 110KV 220KV 网络以确保获得相对较高 的供电可靠性 如果让供电可靠性水平不到 4 个 9 的电网 运营商给用户解决供电可靠性需求为 9 个 9 的电压敏感负 荷停机问题 这 5 个 9 的差距意味着巨大的投资 电网运营商能帮助用户解决电压暂降和短时中断带来的影 响吗 答案是 你不光想得多 还想得美 理论上 钱不 是问题的时候 技术都不是问题 问题是谁出钱 得出多 少钱 杨绛先生说过一位读者的痛苦来自书读得不多而想 得太多 其实想得多是人类大脑进化的结果 和读书多少 无关 而想得美才是痛苦的根源 这是个大脑硬伤 需要 多读书啊 国际上还真有一些配电公司做了一些尝试 比如新加坡 日本 韩国 法国等国家 通过成倍加大投资提升配网自 动化水平 有效提高供电可靠性 RS1 指标达到 5 个 9 至 6 个 9 SAIFI SAIDI 指标也明显下降 但令人沮丧的是 MAIFI 指标几乎没有变化 这意味着通过这一手段降低电 压暂降和短时中断的可能性几乎为零 芬兰各种停电损失 费用计算公式及指标 欧洲国家如芬兰甚至将电压暂降次数也列入 MAIFI 统计对 配网公司进行考核 去年在法国里昂 CIRED 会议上见到了 两位在芬兰 Elenia Oy 供职的中国留学生 聊到这个考核指 标她们也直摇头 年景不好时 MAIFI 指标肯定超标 只有 听天由命接受处罚 当电网的预防性措施做到一定程度 天气原因成了 MAIFI 指标的决定因素 当然 面对客户的 投诉 她们也只能给出推荐性解决方案 地主家也没有余 粮啊 当用户无法从大电网上获得自己想要的供电可靠性 和优质电能质量时 微电网的概念就应运而生了 2001 年 美国威斯康星大学麦迪逊分校 University of Wisconsin Madison 的 Robert H Lasseter 教授根据 CERTS 微电网概念提出微电网的定义 PQR 的区别是大电网和微 电网之间差别的本质 微电网算是业界给电压暂降和短时 中断治理指出的唯一明路了 其实 在电网覆盖的世界上任一角落 都会有暂降和中断 人力成本越低的地方 可靠性也越低 暂降和中断一定也 越多 很多资本主义没有实现的东东 咱社会主义很多都 实现了 虽然在考核指标上中国还没有欧美的严谨和