巴西大停电事故分析报告.doc

2009 年年 11 月月 10 日巴西大停电日巴西大停电 事故分析报告事故分析报告 巴西电网大停电事故分析报告 第 I 页 目目 录录 引言引言 1 一一 巴西电网概述巴西电网概述 2 二二 伊泰普电站送出工程简介伊泰普电站送出工程简介 5 三三 巴西电网及伊泰普水电站安稳措施巴西电网及伊泰普水电站安稳措施 6 四四 事故前系统运行状况事故前系统运行状况 8 4 1 事故前系统运行方式安排 8 4 2 事故前天气情况 11 五五 事故发展过程介绍事故发展过程介绍 13 5 1 事故发生阶段 15 5 2 系统振荡 电网结构无序破坏阶段 18 5 3 系统解列及崩溃阶段 19 5 4 系统恢复阶段 21 六六 继电保护装置及稳控系统动作情况分析继电保护装置及稳控系统动作情况分析 21 6 1 765KV ITABER IVAIPOR 送出线路保护动作情况 22 6 2 ITAIPU水电厂安稳系统动作情况 25 6 3 与 765KV 送出线路平行的 525KV 线路保护动作情况 29 6 4 事故发展过程中部分电厂的保护装置和控制系统动作情况 31 6 5 低周减载装置动作情况 31 6 6 ITAIPU水电厂 50HZ系统两回直流线路闭锁情况 32 七七 本次事故对南方电网的启示本次事故对南方电网的启示 32 7 1 继电保护装置 32 巴西电网大停电事故分析报告 第 II 页 7 2 安稳系统设计 33 7 3 失步解列装置 34 7 4 网架结构 35 7 5 事故后电网黑启动和负荷恢复 36 附件附件 1 巴西电网巴西电网 1996 2004 年有关事故资料年有关事故资料 37 附件附件 2 事故中继电保护和安稳系统动作情况事故中继电保护和安稳系统动作情况 39 巴西电网大停电事故分析报告 第 1 页 引言引言 2009 年 11 月 10 日晚 22 点 13 分 北京时间 11 日 8 点 13 分 巴西 电网全国范围内发生大面积停电 引起世界关注 本次大停电影响巨大 受影响人口约 5000 万 损失负荷约 24436MW 约占巴西电网全部负荷 的 40 巴西电网负荷主要集中在圣保罗 里约热内卢等负荷中心 伊泰普 等水电基地通过远距离大容量交直流通道送电至负荷中心 电网结构与 南方电网非常类似 因此 深入分析本次事故对预防南方电网发生大面 积停电事故具有很好的借鉴意义 南网研究中心非常关注此次巴西大停电事故 一直通过网络及新闻 媒体收集资料 与国内同行交流以及与巴西电网的 Cigre 会员取得联系 并获得部分有价值的信息 及时编写了一份事故快报 但在事故后近一 个月的时间里 巴西政府或电力部门忙于事故调查和分析 一直未对停 电原因作正式解释 也未正式发布完整的事故报告 我们只能根据零散 的事故信息 滚动修编事故分析报告 12 月中下旬 巴西电网正式公布了完整的事故报告 我们获得相 关资料后 于第一时间开展工作 重新完善这份事故分析报告 本专题 报告旨在通过介绍本次巴西电网大停电事件 理清事故发展和扩大的脉 络和过程 初步评估事故发展过程中继电保护装置和安稳系统的动作行 为 同时 结合南方电网实际 努力探寻其中可借鉴的经验教训和启示 供有关部门决策参考 巴西电网大停电事故分析报告 第 2 页 一一 巴西电网概述巴西电网概述 巴西位于南美洲东南部 国土面积 851 万平方公里 居世界第 5 位 人口约 2 亿 巴西东濒大西洋 海岸线长 7400 多公里 国土 80 位于 热带地区 巴西境内水系广众 雨水充沛 水力资源极其丰富 居世界 第四位 主要有亚马逊河系 巴拉那河系及圣弗兰西斯科河系 巴西从 1995 年开始对电力部门进行机构改革和私有化 并建立了 电力批发市场 有关资料表明截止 2000 年 10 月 巴西拥有电力公司 62 家 其中 44 家为私人公司 占 71 按业务划分 涉及发电业务的 26 家 私人占 58 涉及输电业务的 16 家 私人占 6 涉及配电和 零售业务的 40 家 私人公司占 70 目前巴西全国已形成南部 东南部 北部和东北部四个大区互联电 网 通过伊泰普水电站的建设 实现了南部和东南部电网的互联 形成 了南部电网 通过 Tucurui 电厂输电系统的建设 实现了北部电网和东 北部电网的互联 形成了北部电网 1999 年底 巴西建设了一条长度 为 1028 公里的 500kV 交流输电线 实现了南部电网和北部电网的互联 形成了覆盖巴西约 60 国土 95 的人口和 98 的装机容量的统一电 网 巴西电网各片区划分见图 1 1 巴西电网大停电事故分析报告 第 3 页 图 1 1 巴西各片区电网分布 巴西电网 2008 年最大负荷约 65218MW 预测 2009 年和 2010 年最 大负荷分别为 67923MW 和 70145MW 巴西东南网的南区包括里约热 内卢和圣保罗等经济中心 是全国电网的负荷中心 其负荷占全网比例 超过 50 各片区电网 2008 年最大负荷及 2009 2010 年预测负荷见下 表所示 表 1 1 巴西电网 2008 2010 年最大负荷 单位 MW 片区负荷 年 份 2008 年比例2009 年比例2010 年比例 北网 42416 5 45486 7 46696 7 东北网 891413 7 952114 0 988814 1 东南网 4068262 4 4196861 8 4321961 6 南网 1138017 4 1188517 5 1236917 6 全网负荷 65218100 0 67923100 0 70145100 0 巴西电网的交流电压等级繁多 主要的电压系列有 765kV 525kV 440kV 345kV 230kV 以及 138kV 巴西电网地理 巴西电网大停电事故分析报告 第 4 页 接线示意图如 图 1 2 所示 2780 公里 图 1 2 巴西电网地理接线示意图 巴西电力以水电为主 2008 年巴西电网装机容量约 89000MW 其 中水电装机约 77430MW 占装机总量的 87 分布在 12 个流域 100 多 个水电站 其他核电 天然气 火电 油电装机总量约 11570MW 占 装机容量的 13 巴西电网是一个事故频发的电网 附件 1 所示为 1996 2004 年巴 西电网事故资料 虽有自然环境因素 但仍可见其装备水平和管理水 平一般 本次事故影响较小的区域本次事故影响较小的区域 3450 公里 巴西电网大停电事故分析报告 第 5 页 二二 伊泰普电站送出工程简介伊泰普电站送出工程简介 伊泰普水电站 Itaipu 位于南美洲巴西与巴拉圭两国的边界巴拉那河 中游河段 水电站于 1991 年建成 安装 18 台 70 万 kW 机组 总装机 容量 1260 万 kW 平均年发电量 750 亿 kW h 是世界上 20 世纪建成 的最大水电站 1998 年续建扩机 2 台 70 万 kW 机组 2002 年投入 总 装机容量达到 1400 万 kW 仅次于我国三峡电站 该电站由巴西和巴 拉圭两国共建 共管 所发电力由两国平分 巴拉圭近期多余的电量出 售给巴西 以偿还巴西所垫付的建设资金 伊泰普电站发电机分为 2 组 每组 10 台 700MW 18kV 机组 一组 发电机以巴拉圭电网的额定频率 50Hz 运行 另一组发电机以巴西电网 额定频率 60Hz 运行 60Hz 的一组发电机在 Foz do Iguassu 变电站升压 至 765kV 通过 3 回 765kV 线路 非同杆并架线路 途经 Ivaipora 和 Itabera 变电站 输送到东南电网的 San Paulo 圣保罗 地区 全线长约 900km 750kV Ivaipora 站有 500kV 出线接入东南部电网 存在电磁环 网 50Hz 的另一组发电机通过 4 回 500kV 线路送到 Foz Do Iguacu 换流 站 再经两回 600kV 直流输送约 7000MW 电力至 Sao Paulo 地区 同 时 50Hz 部分系统通过 500 220kV 联络变降压为 220kV 与巴拉圭电网相 连 巴拉圭全网平均负荷约 350MW 几乎全部由 Itaipu 电站供电 Itaipu 送出工程具体接线示意图见下图 2 1 图 2 2 为 Itaipu 输电工程接 入圣保罗地区的示意图 巴西电网大停电事故分析报告 第 6 页 巴西中部500kV电网 再 联入巴西东南圣保罗地区 电网 图 2 1 伊泰普电站输电网络示意图 黑粗线为 ITAIPU 750KV线路 黄粗线为 ITAIPU 600KV直流 线路 图 2 2 伊泰普电站送出工程接入圣保罗地区电网示意图 三三 巴西电网及伊泰普水电站安稳措施巴西电网及伊泰普水电站安稳措施 巴西电网配置有一定量的低频减载装置 分 5 轮 负荷减载总量约 巴西电网大停电事故分析报告 第 7 页 7000MW 同时配有大量原理较为简单的线路过负荷连切装置 还有一 定量的防止系统暂态失稳的切机 切负荷装置 区域间联络断面上一般 配有失步解列装置 但总体装备水平和技术水平不高 很多稳控措施是 通过保护装置来实现 而且部分通道还采用载波方式通信 可靠性不够 其中 Itaipu 电站送出工程也配置了较多的稳定控制措施 功能描述如下 对于 60Hz 运行的系统 实现的主要功能有 1 765kV 线路故障切 机 维持系统暂态稳定 2 防止机组自励磁效应损坏机组 3 系 统高周切机保护并防止南部火电厂跳机 4 防止 765 500kV 系统电 磁环网中的主变过载切机 5 防止 765kV 系统电压崩溃 6 当 电厂只同南部电网相连 系统动态阻尼比不足时 切机确保系统动态稳 定 对于 50Hz 运行的系统 实现的主要功能有 1 巴拉圭电网高周 切机保护 2 防止 Ande 变电站过电压 3 减少 500kV 传输线路 过负荷 Itaipu 水电站的安稳装置在电网异常或事故中大多数情况下均能正 确动作 为避免或减少电网事故带来的损失发挥了重要作用 但也发生 过安稳装置误动和拒动的情景 总体上安稳装置的技术和管理水平还有 待提高 据 CIGRE 2006 年有关资料统计 60Hz 运行的系统正确动作 159 次 但不正确动作和拒动也有 13 次 给电网运行带来了一定的安 全隐患 50Hz 运行的系统 安稳装置正确动作 2 次 不正确动作 1 次 表现一般 巴西电网大停电事故分析报告 第 8 页 四四 事故前系统运行状况事故前系统运行状况 4 1 事故前系统运行方式安排事故前系统运行方式安排 巴西位于南半球 其冬夏季节特性与北半球正好相反 每年 12 月 底到 3 月底为夏季 6 月底到 9 月底为冬季 11 月份的巴西正处于春季 事故发生时圣保罗地区温度约 27 所以当时并不是巴西电网全年负 荷最高时期 大停电发生在晚上 10 点的腰荷时段 此时总负荷 60775MW 其中东南部电网和南部电网负荷分别为 34426MW 和 9656MW 事故前负荷见如表 4 1 所示 表 4 1 巴西各地区电网负荷 地区负荷 MW 东南地区 34426 南部地区 9656 中西地区 3221 北部地区 2901 东北地区 10571 巴西全网 60775 事故发生前 11 月 10 日 22 12 分 伊泰普水电站 60Hz 系统开 机 9 台 1 台机组检修 出力为 5564MW 通过 3 回 765kV Foz do Iguacu Ivaipora 外送 在 750kV Ivaipora 变电站接纳 3 台主变上网潮流 1063MW 后 通过 3 回 750kV Ivaipora Itabera 线路送东南电网电力约 6545MW 伊泰普水电站 50Hz 系统开 9 台机 通过直流送东南电网 5329MW 直流一个阀组检修 故开 9 台机 东南部电网负荷约 34426MW 765kV 交流通道和伊泰普直流送电与其负荷的比例分别为 19 和 15 5 单一通道送电规模相对偏大 巴西电网大停电事故分析报告 第 9 页 东南部电网与南部电网通过多回 500kV 230kV 和 138kV 线路相联 其中 Ibiuna 至 Bateias 2 回 500kV 线路潮流 1285MW Londrina 至 Assisi 500V 线路潮流 662MW 圣保罗地区 440kV 电网发电 7301MW 故障前 Ibiuna 变电站一台 330 220Mvar 的调相机检修 其动态无功 支撑能力有所下降 主要断面潮流如图 4 1 所示 系统各断面潮流满足安全稳定准则 电压水平合理 750kV Foz do Iguacu Ivaipora 外送通道 N 1 外送极限为 6300MW N 2 外送极限约 5800MW 故障前该通道能够承受失去双回 路的故障扰动 巴西互联电网系统系统运行状态如下表所示 图 4 2 事故前东南部和南部电网主要断面潮流 表 4 2 事故前主要电厂及系统发电情况 序号发电系统发电 MW 注释 1 伊泰普 60Hz 机组 5564 9 台机组 外送 5466MW 外送 5329MW Ibiuna 送 Bateias 潮流 1285MW Londrina 送 Assisi 潮流 662MW 巴西电网大停电事故分析报告 第 10 页 2 伊泰普 50Hz 机组 5329 9 台机组 3UTN Angra I553 4UTN Angra II1084 5 接入 440kV 系统发电 7301 6 巴拉圭系统 3071 表 4 3 事故前主要断面潮流情况 序号主要断面潮流 MW 1 东南电网接受外区电力 8512 2 南部电网外送电力 2950 3 伊泰普直流送东南电网潮流 5329 4 伊泰普 60Hz 系统送 Foz do Iguacu 潮流 5492 5 Ibiuna 至 Bateias 2 回 500kV 线路潮流 1285 6 Londrina 至 Assisi500V 线路潮流 662 7 Foz do Iguacu 至 Ivaipora 3 回 750kV 线路潮流 5466 8 Ivaipora 至 Itabera 3 回 750kV 线路潮流 6545 9 Ivaipora 750kV 变电站 3 台主变上网潮流 1063 表 4 4 事故前主要设备检修情况 序号主要设备检修情况 1 伊泰普水电站 60Hz 系统 11 号机组检修 2 Tijuco Black 变电站 1 台 765 345kV 主变检修 3 345kV Itapeti Mogi das Cruzes 线路 C2 检修 4 Ibiuna 变电站一台 330 220Mvar 的调相机检修 5 伊泰普电站外送直流标号为 7 的阀组检修 表 4 5 事故前主要母线电压 Instalacao 765 kV 500 kV 440 kV 345 kV 230 kV Foz do Igua u 753 540 Ivaipora 779 535 Itabera 776 Tijuco Preto 719 525 356 Ibi na 534 354 Londrina 233 Londrina 542 237 Assis 540 449 238 Bauru 453 Taquaru u 446 Jupia 448 Ilha Solteira 448 巴西电网大停电事故分析报告 第 11 页 Agua Vermelha 534 450 Cachoeira Paulista 527 Adrian polis 531 346 4 2 事故前天气情况事故前天气情况 Foz do Iguacu Ivaipora Ivaipora Itabera765kV 主网架所在的 Santa Catarina 和 Parana 地区当日 14 00 开始有暴雨和大风天气 Duke Energy 公司运营的 Farm Agrolim 变电站 在 Itabera 市附近 在故 障发生前后短时间内降雨 24mm 图 4 3 和 4 4 分别给出 2009 年 11 月 10 日 13 00 14 00 和 22 10 22 20 分雷电情况 可看出 13 00 14 00 期间伊泰普电站近区电网雷电非常频繁 而 Itabera 变 电站近区雷电情况不太严重 22 10 22 20 期间 Itabera 变电站近区 雷电频繁 而伊泰普电站雷电情况有所好转 虽然 750kV 主干网架具有较高的稳定裕度 因天气恶劣 为保证 系统安全 调度部门在 14 00 降低 765kV 主干网输送潮流到 4000MW 左右 如图 4 5 所示 20 00 左右因天气造成的严重放电情况有所好转 伊泰普 60Hz 系统外送电力恢复到 5500MW 距离系统 N 2 稳定极限还 有 240MW 的裕度 巴西电网大停电事故分析报告 第 12 页 图 4 3 2009 年 11 月 10 日 13 00 14 00 期间雷电记录 图 4 4 2009 年 11 月 10 日 22 10 22 20 期间雷电记录 巴西电网大停电事故分析报告 第 13 页 图 4 5 2009 年 11 月 10 日伊泰普电站 60Hz 系统计划发电及实际发电曲线 五五 事故发展过程介绍事故发展过程介绍 巴西夏季时间 11 月 10 日晚 22 点 13 分 北京时间 11 日 8 点 13 分 巴西全国范围内发生大面积停电 本次大停电影响范围广阔 波及里约 热内卢州 RIO DE JANEIRO 圣保罗州 SAO PAULO 戈亚斯州 GOIAS 巴拉纳州 PARANA 米纳斯吉拉斯州 MINAS GERAIS 圣埃斯皮里图州 ESPIRITO SANTO 南马托格罗索州 MATO GROSSO DO SUL 马托格罗索州 MATO GROSSO 等巴西东南部 和南部地区以及邻国巴拉圭 PARAGUAY 损失负荷 24436MW 约占 巴西国家电网 40 负荷 巴西全国 26 个州中的 18 个州约 5 千万人 巴西电网大停电事故分析报告 第 14 页 巴西总人口 1 9 亿 受到影响 大致分布如下图所示 本次事故中巴 西北部和东北部电网受事故影响较小 图 5 1 巴西大停电影响范围示意图 深橙色为受影响区域 受大面积停电影响 巴西圣保罗和里约热内卢两地的地铁系统因停 电而停运 数以万计民众被困 路面交通系统处于瘫痪状态 所有交通 灯因没有电源而失效 在航空方面 因为跑道部分路灯熄灭 影响到飞 机起飞和降落 许多航班延误 值得注意的是 在通信系统方面 有线 电话系统因停电而全面瘫痪 但无线移动通信网络却未受本次停电影响 本次事故造成 3 回 765kV 线路停运 损失负荷情况与 1999 2002 年停电事故相当 其中南部电网大部分负荷 Brasilia 地区全部负荷均 得以幸存 Minas Gerais Goias 和 Mato Grosso 州仅损失少量负荷 截止 当地时间 11 月 11 日早晨 巴拉圭方面在事故后 15 分钟 巴拉圭电力 由 Itaipu 水电厂 后已逐步恢复供电 而巴西多个城市在经历 4 个小 时的断电后也已陆续恢复供电 巴西电网大停电事故分析报告 第 15 页 主要事故过程见下文所述 为叙述清楚 各种短路故障发生时间及 保护动作时间均采用相对事故发生时刻 10 23 分 的时间 5 1 事故发生阶段 事故发生阶段 0 500ms 巴西夏季时间 22 13 分 Itabera Ivaipora 的 765kV 线路 C1 回路 Itabera 侧阻波器底座 B 相对地闪络 如图 5 2 所示 在这个故障消失 之前 又发生了如下 2 个故障 1 事故后大约 13 5ms 765 kV Itabera Ivaipora 线路 C2 回路 Itabera 侧 A 相发生接地短路故障 如图 5 3 所示 2 事故后大约 17ms 765 kV Itabera 站母线 C 相发生接地短路故障 如图 5 4 所示 这些故障按照如下顺序清除 1 765 kV Itabera Ivaipora 线路 C1 回路的基于载波的主 后备距离 保护 RALZA ABB 在事故后 48ms 跳开线路 清除故障 2 765 kV Itabera Ivaipora 线路 C2 回路非对称故障的主 后备方向 过流保护 MOD III GE 在事故后 62 3ms 跳开 C2 回路 故障持续时 间 48 8ms 3 765 kV Itabera 变电站母差保护 7SS52 SIEMENS 在事故后 58 9ms 跳开母线 故障持续时间 41 9ms 因主接线为 3 2 接线方式 故没有 切除变电站出线 Itabera Ivaipora 线路 C1 回路 B 相 C2 回路 A 相 Itabera 变电站 母线 C 相在 Itabera 站侧先后发生单相对地短路 形成三相短路回路 巴西电网大停电事故分析报告 第 16 页 Itabera Ivaipora 线路 C3 回路 Ivaipora 侧高压电抗器中性点电流达到 1500A 中性点小电抗器的瞬时过流保护动作 在事故后 100ms 左右跳 开 C3 回路 Itabera Ivaipora Tijuco Preto 765kV 线路与电网联系简图 以及故障发生及继电保护装置动作时序分别如图 5 5 5 6 所示 安稳系统检测到 Itabera Ivaipora 线路 2 回跳开后 在事故开始后 251ms 时切除伊泰普电站 60Hz 系统编号为 10 12 14 和 18 号的机组 随后检测到 Itabera Ivaipora 线路 C3 回路跳开 在 476ms 时追切编号 为 18A 的机组 共切机 3100MW 图 5 2 765kV Itabera 站回路 1 B 相伞群底部 巴西电网大停电事故分析报告 第 17 页 图 5 3 SE Itabera 765 kV 站回路 2 A 相绝缘柱 图 5 4 SE Itabera 765 kV 站母线 C 相绝缘柱 巴西电网大停电事故分析报告 第 18 页 图 5 5 Itabera Ivaipora Tijuco Preto 765kV 线路结构图 图 5 6 765kV 主干网线路故障发生及保护动作时序 5 2 系统振荡 电网结构无序破坏阶段 系统振荡 电网结构无序破坏阶段 500ms 2000ms 在 Itabera Ivaipora 3 回 750kV 联络线断开之后 南部和东南部电 网之间的 Bateias Ibiuna 500kV 联络线及其他 230kV 联络线过载 主 后备距离保护在事故后 1 秒内先后跳开这些联络线 此时 南部和东南 巴西电网大停电事故分析报告 第 19 页 部电网仅通过 Londrina Assisi Araraquara 500kV 线路联络 系统开始 振荡 事故后 1 秒和 2 秒期间 功率振荡导致圣保罗地区 440kV 电网如 下线路因距离保护动作先后跳开 表 5 1 事故后圣保罗地区 440kV 线路跳闸情况 序号圣保罗 440kV 电网跳闸线路 1 230 kV Edgard de Souza Botucatu 2 440 kV Oeste Embugua u 3 440 kV Bauru Cabre va C2 4 440 kV Bauru Cabre va C1 5 440 kV Araraquara Santa B rbara D Oeste 6 440 kV Araraquara Mogi Mirim 3 7 440 kV Sumar Assis 8 440 kV gua Vermelha Araraquara 9 440 kV aquaru u Assis 10 440 kV Assis Bauru 11 440 kV Araraquara Bauru 12 440 kV Araraquara Bauru 圣保罗地区 440kV 系统内电厂相对 Paranaiba 电厂 北部和东北部 系统机组失步 Agua Vermelha Sao Simao 500kV 线路在 1 3 秒跳开 AguaVermelha Marimbondo 500kV 线路在 1 8 秒跳开 将 440kV 电网 与 Minas Gerais 地区 500kV 电网解列 5 3 系统解列及崩溃阶段系统解列及崩溃阶段 事故后约 2 秒至 5 秒 230kV Dourados Guaira Nova Porto Primavera Imbirussu Nova Porto Primavera Dourados 相继跳开 将 Mato Gross do Sul 省从南部和东南部电网解列 Mato Gross do Sul 省电 网供需不平衡 切除负荷 588MW 事故后 2 秒左右 南部电网频率达到 63 5Hz 频率上升速度为 巴西电网大停电事故分析报告 第 20 页 1 4Hz 秒 伊泰普 60Hz 系统安稳系统动作 在事故后约 2 秒切除 Foz do Igua u Ivaipor 3 回 765kV 线路 随着南部系统与东南部电网联系 线逐步减少 Areia Governador Bento Munhoz 线路 C1 和 C2 Areia Segredo 线路 C1 Areia Curitiba 线路 C1 Areia Ivaipor 线路 C1 Ivaipor Londrina 线路 C1 因过电压跳开 南部系统因电压波动损 失负荷 104MW 圣保罗地区 440kV 解列后 Ibiuna 站 345kV 母线显著降低 Foz do Iguacu 换流站最小直流电压保护动作 电压低于额定电压 40 时动作 将伊泰普直流闭锁 直流各极闭锁情况见下表 表 5 2 伊泰普直流闭锁情况 极名称闭锁时间 秒 直流运行电压 kV pole 32 5300 pole 44 2600 pole 27600 pole 18 5600 随后 东南地区电网电压普遍降低 许多线路相继因过流或过电压 保护动作跳闸 其中 345kV Itutinga Adrian polis 线路 2 8 秒跳闸 500kV Itajub 3 Cachoeira Paulista 线路 11 秒跳闸 525kV Assis Araraquara 在 1 分 20 秒跳闸 上述线路相继跳闸后导致 Sao Paulo Rio de Janeiro Espirito Santo 及 Mato Grosso 南部地区电网几乎全部崩溃 Sao Paulo 大都市地区仅 通过 500kV Marimbondo Araraquara Campinas Cachoeira Paulista 变 电站 Sao Paulo Rio de Janeiro Espirito Santo 省损失负荷约 21363MW Acre 和 Rondonia 省因解列装置动作跳开 230kV Vihena Pepper 巴西电网大停电事故分析报告 第 21 页 Bueno 线路成为孤岛系统 低频减载动作五轮甩负荷 199MW 北部和东北部电网 Minas Goias Brasilia Mato Grosso 电网孤岛 幸存 低频减载分别动作两轮 其中东北电网切除负荷 802MW 中西 电网切负荷 279MW Mine 地区切负荷 667MW 整个事故发展过程中关键事件及其时间序列见图 5 7 所示 详细的继 电保护装置及安稳系统动作情况如附录 2 所示 T5 T1T4 0105 单位 毫秒 251 T2T3 690 706985 1883 T7 19262102 T8T9 246542434919 7052 T10 8514 T11 476 T6 时间事件 T1 3 回 765kV Itabera Ivaipora 线路因故障相继被切除 T2 安稳系统切伊泰普 60Hz 系统 4 台机组 T3 安稳系统切伊泰普 60Hz 系统编号 18A 的机组 T4 Bateias Ibiuna 500kV 线路 C1 和 C2 相继跳开 T5 功率振荡导致圣保罗地区 440kV 电网许多线路跳开 T6 Mato Gross do Sul 与南部 东南部电网 230kV 联络线相继跳开 成为孤网 T7 安稳系统动作相继跳开 Foz do Igua u Ivaipor 3 回 765kV 线路 T8 伊泰普直流极 闭锁 T9 伊泰普直流极 4 闭锁 T10 伊泰普直流极 2 闭锁 T11 伊泰普直流极 1 闭锁 图 5 7 事故发展过程中关键事件及其时间序列 5 4 系统恢复阶段系统恢复阶段 巴西东北电网负荷大约 20 分钟后恢复 巴西国家电网负荷平均恢 复时间为 222 分钟 较 1999 年和 2002 年大停电事故恢复时间慢 90 多 巴西电网大停电事故分析报告 第 22 页 分钟 1999 年和 2002 年大停电恢复时间分别为 111 分钟和 106 分钟 六六 继电保护装置及稳控系统动作情况分析继电保护装置及稳控系统动作情况分析 在本次事故发展过程中 大量的继电保护 安全自动装置 解列装 置 低周减载装置等先后动作 特别是系统振荡失步和暂态稳定破坏后 很多装置无序动作 本节主要分析和初步评价事故刚发生的较短时间内 在一些重要时间节点影响事故发展和演变过程的装置动作情况 6 1 765kV Itaber Ivaipor 送出线路保护动作情况送出线路保护动作情况 本次事故的源头是765kV Itaber Ivaipor 送出线路C1首先发 生单相短路 后来Itaber Ivaipor 送出线路C2 Itaber 765 kV站 母线相继发生单相故障 故障发生的时序和继电保护保护动作情况如图 5 6所示 Itaber Ivaipor 送出线路C1 C2 C3故障录波波形分别如下图所 示 巴西电网大停电事故分析报告 第 23 页 图6 1 765 kV Itaber Ivaipor C1线路故障录波图 图6 2 765 kV Itaber Ivaipor C2线路故障录波图 巴西电网大停电事故分析报告 第 24 页 图6 3 765 kV Itaber Ivaipor C3线路故障录波图 图6 4 765 kV Itaber Ivaipor C3线路中性点小电抗残留电流波形 巴西电网大停电事故分析报告 第 25 页 从上面故障录波可以看出 765 kV Itaber Ivaipor 线路C1在 B相单相故障后48ms被直接切除 没有显示线路重合闸过程 初步分析 可能是由于C1线路在重合闸等待过程中 C2碰巧又发生了A相单相短路 故障 C1保护装置判定为发展性相间故障 因而中止重合闸过程 立即 切除本线路 C2单相故障后因为同样原因 也立即切除本线路 765 kV Itaber Ivaipor 线路C3靠近SE vaipor 变电站侧的 中性点电抗 在C1 C2相继发生单相接地故障过程中 已开始出现不平 衡电流 由于发生了三相不对称故障 而在线路C1 C2被切除后电压 恢复过程中 线路C3的对地分布式电容与高抗及中性点小电抗之间产生 较长时间的暂态过程 电容 电抗之间的充放电过程 导致流过C3线 路并联高抗的三相电流不平衡继续存在 最大1500A 从而造成中性点 小电抗上过流保护动作 注 中性点电抗不平衡电流保护装置的延时定 值没有躲过上述暂态过程 南方电网该类型保护的典型定值是5s 一般 能躲过上述暂态过程 造成线路C3在故障发生104 5ms被切除 这样 765 kV Itaber 变电站送出的三回线路全部失去 电网拓扑结构发生重 大改变 对电网的冲击较为严重 6 2 Itaipu 水电厂安稳系统动作情况水电厂安稳系统动作情况 Itaipu水电厂配置了互为热备用的双套安稳系统 控制功能由 PLC 可编程控制器 实现 其中的15 8号控制逻辑就是当Itaber Ivaipor 双回 三回线失去后 切除送端 Itaipu水电厂部分机组 以 维持系统稳定 巴西电网大停电事故分析报告 第 26 页 当Itaipu水电厂60Hz运行系统的765kV Itaber Ivaipor 两回 送出线路故障跳开后 Itaipu水电厂安稳系统的逻辑15满足动作要求 在第二条线路跳开后大约190ms 切除编号为10 12 14 18的四台运行 机组 当第三回线路跳开380ms后 逻辑8满足动作要求 追切编号为 18A的运行机组 安稳系统总计切除了5台机组 总容量为3100MW 令人遗憾的是 Itaipu水电厂的安稳装置动作切除5台机组后 系 统仍未能保持稳定 南部系统与东南部 中西部系统之间发生剧烈振荡 有关线路的故障录波波形记录如下 这是本次事故发展过程中的重要转 折点和关键节点 导致了后面一系列不希望发生的保护装置和控制系统 动作 图6 5 525kV Ibi na Bateias C1线路故障录波图 巴西电网大停电事故分析报告 第 27 页 图6 6 525kV Assis Araraquara 线路故障录波图 事故后 巴西电网有关部门基于事故前的运行方式 按照故障发生 和控制系统动作时序 考虑765kV Itaber Ivaipor 线路分别失去 三回 两回 对应切除Itaipu水电厂5台机组 4台机组 重演事故切机 过程 有关仿真波形如下所示 case1 失去三回765 kV Itaber Ivaipor 线路 切除5台机组 图6 7 失去三三回线 切除5台机组后 发电机功角曲线 巴西电网大停电事故分析报告 第 28 页 图6 8 失去三回线 切除5台机组后 发电机转速曲线 Case2 失去两回765 kV Itaber Ivaipor 线路 切除4台机组 图6 9 失去两回线 切除4台机组后 发电机功角曲线 巴西电网大停电事故分析报告 第 29 页 图6 10 失去两回线 切除4台机组后 发电机转速曲线 由上述仿真曲线可看出 当失去两回765 kV Itaber Ivaipor 线路 切除Itaipu水电厂4台机组后 系统能够保持暂态稳定 当失去 三回765kV Itaber Ivaipor 线路 切除Itaipu水电厂5台机组 系 统仍然不能保持稳定 东南部电网与东北部电网之间的机组功角首先相 对摆开 上述仿真所得结论与事故开始阶段的发展过程基本吻合 但值得探 讨的一个问题是 既然既然ItaipuItaipu电厂安稳系统的控制策略里已经考虑了失电厂安稳系统的控制策略里已经考虑了失 去三回去三回765kV765kV送出线路的情况 且事故发生时 安稳装置也按照事先设送出线路的情况 且事故发生时 安稳装置也按照事先设 计的控制策略切除了计的控制策略切除了5 5台机组 系统为什么仍然失去稳定 出现剧烈振台机组 系统为什么仍然失去稳定 出现剧烈振 荡 而且在离线仿真中也能重现同样的结论荡 而且在离线仿真中也能重现同样的结论 目前 Itaipu水电厂安稳系统8号控制逻辑具体如何实现以及有关 定值如何整定的详细资料无法获知 我们初步估计可能的原因是 三回 线路相继跳开的时间间隔太短 属于发生概率较小的极其严重故障 安 巴西电网大停电事故分析报告 第 30 页 稳系统没有按照最严厉的情况考虑 整定的切机量不足或只依靠切机措 施难以保持系统稳定 受端必须配合切除部分负荷 当然 进一步的解 释还需等获得相关详细资料后 才能定论 6 3 与与 765kV 送出线路平行的送出线路平行的 525kV 线路保护动作情况线路保护动作情况 Itaipu水电厂送出线路在765kV Itaber 变电站配有三台主变 形 成765 525kV电磁环网结构 与之平行的525kV线路主要有Ibi na Bateias 两回线以及Ivaipor Londrina Assis Araraquara线路 Itaipu水电厂安稳系统切除5台机组后 系统仍然不能保持稳定 南部系统与东南部系统之间发生剧烈振荡 振荡中心大概落在与之平行 的525kV线路及断面上 从前面图6 5 6 6 500kV Ibi na Bateias以及Assis Araraquara线路的故障录波也可看出 系统振荡后线路电压降低 电流 迅速增加 导致过负荷保护在故障后700ms后跳开C1 C2两回线路 大 概在Itaipu水电厂18A号机组被切除后220ms 而525kV Assis Araraquara等线路的保护设有振荡闭锁逻辑 因而没有很快跳开 在事 故后大约1分20秒因电压崩溃才动作跳开 通过该地区事故前负荷和有关断面潮流的初步估算 三回765kV线 路跳开及切除5台Itaipu机组后 765kV Itaber 变电站主变下送潮流大 约为2400MW Itaipu水电厂60Hz运行系统出力5500MW减去安稳系统切除 的容量3100MW 而且525kV Ibi na Bateias事故前潮流是由东向西 反方向汇集至Itaber 变电站再由主变上送 可见事故后经过电磁环网 巴西电网大停电事故分析报告 第 31 页 转移到525kV平行线路的潮流较少 正常情况下525kV线路不会因为过载 而跳开 问题的关键是安稳系统切机后 系统仍然出现了剧烈振荡 而 振荡中心几乎就落在上述平行断面上 导致线路电流很大 距离保护动 作跳开了525kV Ibi na Bateias两回线路 Ibi na Bateias两回线路跳开后 对系统来说是雪上加霜 加 快了电网崩溃进程 在南部和东南部电网相连的230kV和138kV系统因振 荡被解列后 高电压等级之间的联络线只剩下了525 kV Londrina Assis Araraquara线路 系统振荡更加剧烈 大量的440kV线路因振荡 被继电保护装置动作开 Sao Paulo电网的局部地区大约故障后1s开始 出现电压崩溃 整个局面已难以控制 6 4 事故发展过程中部分电厂的保护装置和控制系统动作情况事故发展过程中部分电厂的保护装置和控制系统动作情况 Governor Ney Braga 核电厂 Governor Ney Braga位于受端负荷 中心位置 故障后大约1088ms G1 G3两台机组因高周切机装置误动被 跳开 进一步恶化了受端电网的运行工况 Itaipu水电厂60Hz运行系统在安稳系统切除5台机组后 还有4台 机组运行 在事故发生后大约1597ms 765kV Itaber 变电站主变因过 电压保护动作跳开 电源无法送出 事故后大约2050ms电厂三回出线被 Itaipu水电厂安稳装置发送远方命令跳开 60Hz运行系统的Itaipu水电 厂机组被迫停机 6 5 低周减载装置动作情况低周减载装置动作情况 北部和东北部电网 Minas Goias Brasilia Mato Grosso 电网解列 巴西电网大停电事故分析报告 第 32 页 成为孤岛后 低频减载装置正确动作 为确保孤网系统稳定运行起到了 至关重要的作用 总体来说 本次事故中低周减载装置动作情况基本正常 大都符合 设计的动作轮次和减载量 但由于本次事故的起因不是有功缺额引起的 频率问题 只是在事故发展过程中 部分电厂电源失去或者部分地区电 网被解列成孤网后 有功不足 地区电网低周减载装置被动动作 低周 减载装置装置动作后 会对系统的稳定水平有所提高 但无法影响本次 事故的发展和扩大趋势 6 6 Itaipu 水电厂水电厂 50Hz 系统两回直流线路闭锁情况系统两回直流线路闭锁情况 在事故发展初期 由于故障发生在60Hz运行系统 虽然电网出现了 振荡失稳 但短时间内还没有殃及到50Hz运行系统 Foz do Igua u S o Roque直流系统处于正常运行状态 但随着事故的进一步发展和扩大 受端电网运行工况严重异常 开 始出现大范围的暂态电压失稳 逆变侧交流系统电压无法支撑直流的稳 定运行 直流电压持续低于0 4p u 满足直流控制和保护系统的直流低 电压持续低于0 48p u 的动作逻辑 Foz do Igua u S o Roque两回直 流中的极3 极4 极2 极1分别在故障后 2465ms 4243ms 7052ms 8514ms闭锁 最终整个电网完全崩溃瓦解 巴西电网大停电事故分析报告 第 33 页 七七 本次事故对南方电网的启示本次事故对南方电网的启示 7 1 继电保护装置继电保护装置 本次事故的直接起因是受恶劣雷雨天气影响 一方面是打雷 另一 方面暴雨降低了绝缘子绝缘强度 Itaipu电厂750kV送出通道的 Ivapora Itabera2条线路以及Itabera站750kV母线相继发生单相短路故障 线路保护装置先后跳开3条送出线路 C1 C2两回线路相继发生单相接地故障 线路保护装置不具备复 杂故障情况下的选相功能 导致线路单相故障后没有自动重合闸就直接 跳开 而C3回路自身没有发生故障 由于中性点小电抗不平衡电流过大 保护装置的延时没有躲过暂态过程中的不平衡电流 导致C3回路也被切 除 综合上述保护动作的过程和逻辑 可见巴西电网整体保护的技术和 运行管理水平还有较大的提升空间 就南方电网来说 保护专业较早就考虑了同杆并架双回线发生复杂 故障后继电保护装置正确选相的问题 对于同杆并架双回线路 要求配 置差动保护 分相式通道保护或者六相式保护 可以较好地解决上述问 题 对于线路的中性点小电抗不平衡电流保护 动作延时典型定值设定 为5s 一般都设定在秒级 可以较好地躲过暂态恢复过程中不平衡电 流的影响而避免误切线路 从这次事故也可以看出 继电保护装置作为电力系统的第一道防线 它的正确动作对电网的安全稳定运行仍然起到至关重要的作用 虽然南 方电网继电保护专业整体的技术水平和运行管理水平较高 但仍然不能 巴西电网大停电事故分析报告 第 34 页 掉以轻心 需定期校核有关保护定值 重视保护装置和电网特性的相互 协调与配合 做到举一反三 防止保护装置拒动和误动 7 2 安稳系统设计安稳系统设计 Itaipu电厂安稳系统的控制策略里考虑了失去三回765kV送出的情 况 本次事故中 安稳装置也按照事先设计的控制策略切除了5台机组 但系统仍然振荡失稳 以致系统运行工况逐渐恶化直至系统崩溃 从 Itaipu安稳装置的动作过程和后果来看 安稳系统设计的控制策略和定 值整定可能还有值得商榷的地方 巴西电网的安全稳定运行对稳控措施依存度很高 南方电网目前也 面临着这样的问题 特别是云广直流工程投产后 双极闭锁一旦安稳装 置不能正确动作 很可能引发暂态稳定破坏事故 安稳系统作为电力系 统的第二道防线 我们也要有足够的重视 就云广直流的安稳系统来说 控制策略中要多考虑一些复杂工况 同时 在正式投运前 进行RTDS试 验 现场传动试验和系统试验 确保其可靠性 7 3 失步解列装置失步解列装置 1999年大停电事故后 巴西电网加强了失步解列装置的配置 2002 年大停电事故中 北部电网和东北部电网就成功解列得以幸存 本次事 故中部分解列装置再次正确动作 北部 东北部电网与南部 东南部电网 解开而得以挽救 当然由于其特定的网络结构 使振荡中心远离北部电 网 东北部电网的负荷中心 也是一个重要因素 值得注意的是 本次 事