大面积连锁故障的缓解和预防――技术研究和管理探讨

1、大面积连锁故障的缓解和预防技术研究和管理探讨清华大学鲁宗相6/29/20220报告内容历史告诉我们什么？近年来重大停电事故回忆及分析现实的问题是什么？电网现状及大面积停电事故的根源分析解决问题的可能途径在哪里？大面积停电事故的缓解和预防方法探讨6/29/20221历史告诉我们什么？第1局部近年来重大停电事故回忆及分析6/29/20222近年来世界范围内的大停电事故2003年8月14日，美国纽约、底特律和克里夫兰以及加拿大的多伦多、渥太华等城市发生停电事故，地铁、机场、电讯等设施和公共交通根本陷入瘫痪，经济损失达每天300亿美元一向以准时著称的瑞士铁路系统2005年6月22日晚间因供电故障，国有

2、铁路运输全面瘫痪，直到23日凌晨5时才全面恢复正常。期间大约十万余名旅客在下班顶峰时间被迫滞留在列车上或火车站里。 2005年5月25日晨，莫斯科突发停电事故，导致莫斯科包括地铁在内的公共交通网络、股票交易所以及移动电信效劳全线瘫痪，25座城市大停电，2万人被困于地铁。2005年9月26日清晨1时左右，第18号台风“达维风力的不断加强对海南电力设施造成了严重破坏，引发了局部电厂连续跳机解列，最终系统全部瓦解，导致罕见的全省范围大面积停电。 6/29/20223近年来世界范围内的大停电事故2005年1月8、9日瑞典西南部2004年11月18日 西班牙首都马德里2004年8月13日 格鲁吉亚首都第

3、比利斯2004年7月12日希腊首都雅典和南部部分地区2003年12月20日美国加州的旧金山市 2003年9月28日 意大利 2003年9月23日 瑞典和丹麦 2003年9月28日 英国首都伦敦和英格兰东南部部分地区 6/29/20224大面积停电事故能不能防止？6/29/20225NERC 19841994停电事故数据统计分析北美地区19841998年大停电事故的缺供电量与发生概率的双对数坐标图 幂指数律源自Ian Dobson6/29/20226NERC 19841994停电事故数据的数学模型分析N-k停电事故的不同概率分布图谱比较 源自ISU Qiming Chen6/29/20227中美

4、电网的小世界拓扑模型比较分析美国西部电网 中国北方电网 电网节点度数分布及累积分布示意图 6/29/20228现实的问题是什么？第2局部电网存在的现实问题及大面积停电事故的根源分析6/29/202292.1 电网的现实问题我们的电网始终处在新旧更替中老化的电网设备及其逐步更新电网总是处在新旧设备更替的过程中电网的老旧设备自然而然成为电网的薄弱环节电网设备、管理的提高，最终在电网可靠性、平安性水平上表达出来6/29/202210我国概率平安性评估的统计分析19701997年中国电力系统稳定破坏事故统计19701997共27年期间，中国发生电力系统稳定破坏事故共320次，平均次/年。1970198

5、0年发生稳定破坏事故219起，平均次/年。19811990年发生稳定破坏事故84次，平均次/年。19911997年发生稳定破坏事故27次，平均次/年。这说明，随着中国电力系统容量的不断扩大，技术水平和管理水平大幅度提高，电力系统稳定破坏事故大幅度减少。 6/29/202211稳定破坏事故起因分析 序号起因1981198719881997198119971自然因素(%)27.331.028.72设备缺陷(%)28.814.323.23人为错误(%)22.728.625.04保护误跳(%)6.14.75.65原因不明或记录不详(%)1001001006/29/202212不同元件引起电力系统稳定破

6、坏事故统计百分比 年代线路（%）母线（%）发电机（%）主变（%）其他（%）合计（%）1981198748.519.721.2010.61001988199754.716.714.34.89.51001981199750.918.518.51.8510.151006/29/2022132.1 电网的现实问题两极化开展趋势特高压工程集中，远距离大容量输电电网的规模有没有开展的极限？联网效益是否有饱和特性？有哪些关键的影响因素？微电网与新能源发电分布，负荷就地平衡微网络如何与大电网互动协调？如何实现能源的双向流动？美国GRID20306/29/202214大电网带来的复杂性现代电网的特征高参数、大机

7、组、大电厂、大电网、高电压、远距离及高度自动化复杂大电网优点：有利于大范围的优化配置资源；大电网可以安装大机组，而大机组效率高；各地区各类电源互为备用，增强了抗事故的能力；利用不同地区的时差，错峰减备用容量；水、火、核电之间的互补调节 缺点：调度复杂；系统稳定角度稳定、频率稳定和电压稳定问题更突出；事故造成的损失巨大6/29/202215环保压力带来对可再生新能源的追求2030年世界预计：化石能源70，水6，核6，可再生能源136/29/202216具有分布式发电的配电系统设想6/29/2022172.2 大面积停电事故反映的技术问题8-14美加大停电第一方面：第一能源公司对电网的充裕度评估有

8、失误，对存在的电压不稳定和克里夫兰地区的薄弱环节没有充分的认识第二方面：第一能源公司对事故状况没有充分的了解 第三方面：第一能源公司没有充分做好其输电走廊内的树木管理第四方面：互联大电网的可靠性标准执行不彻底，没有提供有效的电网诊断支持6/29/202218 事故后果技术层面社会损失受损负荷：约2万人困于莫斯科地铁，约1500人困于电梯.约400万人失去供电，大量工厂和其他重要社会公共设施亦受到影响，停电时间从几个小时到一天 事故原因 2.2 大面积停电事故反映的技术问题5-25莫斯科大停电 莫斯科电网 约2500 MW (占整个区域电网的26%) 图拉电网 900 MW (87%) 卡卢加

9、100 MW (22%)设备老化人员失误 (运行调度人员误操作; 莫斯科电路公司和俄罗斯统一联合电力总公司在战略层面和战术层面上的管理失误) 源自RAO UES总裁邱拜斯的报告6/29/2022192.2 大面积停电事故反映的技术问题思考传统的故障分析为什么对大面积停电事故的预防收效甚微？分析方法有局限电网大面积停电事故的内在规律没有充分揭示连锁故障特性多重事故发生概率小与事故后果严重之间的矛盾6/29/202220系统故障的准那么(1)负荷越界；(2)频率越界；(3)电压超过极限；(4)有功功率缺乏；(5)无功功率缺乏，电压下降；(6)不可控的解列；(7)不稳定；(8)连锁反响；(9)电压崩

10、溃；(10)频率崩溃?平安稳定导那么?6/29/202221事故概率&事故后果的分布图源自EPRI ZhangPei6/29/202222解决问题的可能途径在哪里？第3局部大面积停电事故的缓解和预防方法探讨6/29/2022233.1 解决问题的可能途径在哪里？通用的大面积停电事故调查分析思路技术根源事故事故发展过程事故后果及直接损失管理事故原因分析和责任划分事故的社会经济损失补救措施6/29/202224两个值得讨论的问题对大停电事故的应对措施应侧重于建立平安预案还是事后快速响应机制？如何探究大停电事故的原因，重在找到事故起始根源设备，还是关注事故开展过程？6/29/202225各国应对大停

11、电的措施举例各国应对大面积停电事故的措施菲律宾：竞争提高电力效劳质量；新加坡：制订严格的惩罚制度，催促电力公司加强管理，杜绝停电事故再次发生；日本：加强国民的节能意识，停电事故演练，未雨绸缪；印度：强制用电表，严惩偷电者，过硬的抢修队伍；意大利：推动电力改革，加大电力投资力度，更新和新建电力生产及运输设施；美国：建立国家平安防御体系CIP，电力系统列为关系国家平安的7大根底设施之一；俄罗斯：投资改造电网，建立国家统一电网，电力市场改革。 6/29/2022263.2 解决问题的可能途径在哪里？技术层面认识电网的本质规律电网复杂性的深入研究电网规模与连锁大面积停电的关联连锁故障的开展变化规律提高

12、对电网的控制能力WARMS系统为根底的新型监控体系系统保护储能及限流6/29/2022273.2 解决问题的可能途径在哪里？管理层面可靠性管理的9个根本观点用户观点、系统观点、信息观点、量化观点、反响观点、统计观点、费用观点、素质观点、突破观点即可靠性不要仅仅维持在一个水平上NERC新可靠性标准动态2005-2-8由Council到Organization的变迁概率性可靠性指标及其评估体系的全面推广应用6/29/2022283.2 解决问题的可能途径在哪里？技术与管理的矛盾和关联模型与统计之争大电网、复杂模型与简单分析方法的矛盾一次设备的更新与管理技术的提高对系统可靠性的奉献大小6/29/20

13、2229资讯介绍1从NERC到ERO美国电力可靠性管理改革面面观6/29/202230术语NERCNorth American Electric Reliability Council北美电力可靠性协会在美国新泽西州注册的一个非赢利性团体，其成员包括10个地区可靠性协会，协会成员来自电力公司各个部门、投资人、各级供电公司、独立发电商、电力用户等，构成了一个虚拟的电力供给和消费的社区，涵盖美国、加拿大和墨西哥下加利福尼亚半岛的局部地区，是一个自发的平等互惠的行业组织1968年成立了美国电力可靠性协会National Electric Reliability council1981年加拿大和墨西哥

14、的一些电力系统参加美国电力可靠性协会，改名为北美电力可靠性协会North American Electric ReliabilityCouncil，英文缩写仍为NERC6/29/2022316/29/202232术语EROElectric Reliability Organization电力可靠性组织在政府支持下依法成立的国际性的自律性机构，受FERC委托，实施大电网监管职能，保证电网的可靠性、充裕度和平安性2005年8月8日布什总统签署2005年美国能源法令中明确了ERO的建立，经180天公示期后即成为法律，正式执行6/29/2022332005能源法案FERC 制定规程ERO规程最终定稿E

15、RO法规的程序ERO认证NERC提出草案公众讨论ERO实施各个地区提出草案地区法规的程序ERO申请授权协议资产股东的意见从NERC到ERO的转制方案6/29/2022348/31/059/1/059/30/0510/7/0511/30/0512/051/063/068/0610/0612/31/06启动方案，搭建机构公布NOPR规程提案公告草拟关键事项的原那么NOPR的意见反响草拟转制程序的规那么公布FERC的规程FERC复审并确定最终的规程ERO及各个地区提出申请ERO认证核定ERO 2007年的预算转制结束ERO转制方案的时间进度表6/29/202235NERC已经实施的几项改革NERC修

16、改了其管理模式，成立了独立的理事会，以到达可靠性立法要求的独立性NERC制定了基金模式来确保有充足的资源来制定和实施可靠性规程NERC贯彻美国国家标准机构认证的标准制定程序，确保新制定的可靠性规程是公平、公开、均衡和宽泛的NERC对其可靠性标准进行了充分的讨论、修订和补充，并建立了监控和执行该标准的方案6/29/202236后立法期指导委员会直接向理事会报告工作协调股东和地区可靠性机构的关系具体职能的工作组成员资格审定小组基金筹措小组地区授权管理小组批示及违规处分小组常设委员会NERC股东参与部门及职能6/29/202237CanadaAlberta, British Columbia, Ma

17、nitoba, Ontario, New Brunswick, Nova Scotia, Quebec, and Saskatchewan United StatesFederal Energy Regulatory CommissionMexicoComision Reguladorade EnergiaElectric ReliabilityOrganizationRegionalEntitiesOther ERO Members Bulk Electric System Owners, Operators, UsersReliabilityStandardsComplianceEnfor

18、cementERO的组织构架设想6/29/202238NERC向ERO转制的缘起1997年NERC成立了一个高级专家组，同时美国能源部成立了一个电力系统可靠性工作组，分别独立地提出论断：随之北美电力市场的竞争加剧，大电网可靠性规程必须是强制实施的。并建议成立一个独立的、自律性的电力可靠性机构ERO，来制定并执行强制的可靠性法规，并建议由FERC来实施这一方案为满足电力工业的这一需求，NERC广泛联合企业、政府和电力用户，提议开展可靠性立法工作，成立ERO，在FERC的监管下制定并实施强制性的可靠性规程，并在2005年8月8日布什总统签署的2005年能源法案中获准实施6/29/202239制定强

19、制性可靠性规程的必要性电力市场下，竞争和开放式准入给电网带来巨大的冲击，需要通过类似“交通法规的电网可靠性规程来约束市场参与者的行为，来确保大电网的可靠、平安和充裕度强制性是一种政府行为，因此必须由FERC来牵头；同时，NERC具备制定和实施可靠性规程的技术条件和管理渠道，负责具体的规程制定和实施工作6/29/202240从NERC到ERO的变化NERCERO行业人员的自发性组织政府授权的自律性机构可靠性标准的强制性不强可靠性标准成为国家法令，强制执行机构基于平等、互惠的目标建立机构依托国家政府支持，在FERC的监管下实施电网的可靠性管理职能组成人员涵盖范围广强调机构的独立性6/29/2022

20、41ERO延续NERC的特点国际性ERO由美国、加拿大、墨西哥共同参与地区可靠性机构及其现有技术效劳职能不变，只是新增和加强一些强制监管职能，但仍然通过各个地区可靠性机构来实现对地区差异的协调ERO仍然扮演政府、企业之间的纽带角色，提供可靠性技术效劳6/29/202242我国电网可靠性评估的实践概况中电联统计数据口径13类输变电设施：架空线路、变压器、断路器、电抗器、电流互感器、电压互感器、隔离开关、避雷器、耦合电容器、阻波器、全封闭组合电器、电缆线路、母线 已经开展关于设施部件和生产厂家的分类统计分析工作整个输电系统的可靠性水平怎么样呢？建议：从设备级统计走向系统级统计分析！6/29/202

21、243我国电网可靠性评估研究的现状已有的成果：众多科研院所都在电网可靠性方面曾经或正在开展大量的根底研究工作，从指标体系、评估方法、实践应用等各方面都取得了进展各个电网公司都开展了大量的输电网可靠性数据收集和分析工作缺乏：没有公认的、可实用化的指标体系和评估方法从实验室走向实际电网电网从业人员对可靠性的认识深度不够，没有深入广泛开展输电可靠性数据的反响应用开环式数据上报闭环式数据循环流6/29/202244电网可靠性评估研究的瓶颈对电网可靠性评估研究工作的理论价值的认识、关注程度统一的、可推广的电网可靠性指标体系蒙特卡罗法的“计算灾难问题评估算法的计算结果与统计数据结果的比较分析6/29/20

22、2245电网可靠性评估应用的瓶颈可靠性数据统计工作处于整个企业工作的弱势地位长期采用设施统计模式，对系统可靠性没有可借鉴的经验可靠性从业人员的力量有限，同时没有可借助的信息化工具，导致对电网可靠性的认识缺乏6/29/202246对我国电力可靠性管理的建议可靠性规程的修订及贯彻实施现有规程合理性、可操作性的探讨新能源发电的评价规程强化技术效劳职能提供各个地区电网可靠性评估、比照分析落实可靠性监管职能根底数据统计工作的持续开展维持电网可靠、平安的措施特别是预防大面积停电事故的制定和实施6/29/202247资讯介绍2 NERC的新可靠性标准介绍6/29/202248概况1997年9月，NERC发布

23、规划标准1998年7月14日，NERC发布规划标准的一致性模板2005年2月8日，NERC发布北美电力系统可靠性标准2001年NERC获准制订新的可靠性标准2002年和2003年讨论标准制订进程2003年3月ANSI批准NERC的标准研制进程2005年2月8日，新标准制订完成，并于4月1日生效执行现在各个具体标准仍然在继续修订过程中6/29/202249NERC新标准的相关信息NERC可靠性标准定义了北美大电力系统规划和运行的可靠性要求NERC制订的新标准得到了ANSI的认可，其标准研制进程得到ANSI的批准，整个制订过程以“可靠性与市场接口原理为指导 “可靠性功能模型定义了确保大电网运行可靠

24、性的功能，是可靠性标准的根底6/29/202250可靠性与市场的接口原理6/29/202251可靠性与市场的接口原理6/29/202252新电力结构下的功能模块GeneratorsPurchasing-Selling EntitiesTransmission Service ProvidersReliability AuthoritiesTransmission OwnersPlanning AuthoritiesTransmission OperatorsBalancing AuthoritiesDistribution ProvidersInterchange AuthoritiesLoa

25、d Serving Entitiesthe Compliance Monitor6/29/202253功能模块关系图6/29/202254功能模块与市场的接口6/29/202255新可靠性标准的内容纲要第一局部：Balance Resources and Demand资源与需求的平衡BAL-001-0Real Power Balancing Control PerformanceBAL-002-0Disturbance Control PerformanceBAL-003-0Frequency Response and BiasBAL-004-0Time Error CorrectionBAL

26、-005-0Automatic Generation ControlBAL-006-0Inadvertent Interchange6/29/202256新可靠性标准的内容纲要(续)第二局部：Critical Infrastructure Protection关键根底设施保护CIP-001-0Sabotage Reporting1200Urgent Action Standard - Cyber Security6/29/202257新可靠性标准的内容纲要(续)第三局部：Communications通信COM-001-0TelecommunicationsCOM-002-0Communicat

27、ions and Coordination6/29/202258新可靠性标准的内容纲要(续)第四局部：Emergency Preparedness and Operations 紧急预案和运行EOP-001-0Emergency Operations PlanningEOP-002-0Capacity and Energy EmergenciesEOP-003-0Load Shedding PlansEOP-004-0Disturbance ReportingEOP-005-0System Restoration PlansEOP-006-0Reliability Coordination -

28、 System RestorationEOP-007-0Establish, Maintain, and Document a Regional Blackstart Capability PlanEOP-008-0Plans for Loss of Control Center FunctionalityEOP-009-0Documentation of Blackstart Generating Unit Test Results6/29/202259新可靠性标准的内容纲要(续)第五局部：Facilities Design, Connections and Maintenance设备设计、

29、连接和维修FAC-001-0Facility Connection RequirementsFAC-002-0Coordination of Plans for New FacilitiesFAC-003-0Vegetation Management ProgramFAC-004-0Methodologies for Determining Electrical Facility RatingsFAC-005-0Electrical Facility Ratings for System Modeling6/29/202260新可靠性标准的内容纲要(续)第六局部：Interchange Sch

30、eduling and Coordination区域交换方案及协调INT-001-0Interchange Transaction TaggingINT-002-0Interchange Transaction Tag Communication and AssessmentINT-003-0Interchange Transaction ImplementationINT-004-0Interchange Transaction Modifications6/29/202261新可靠性标准的内容纲要(续)第七局部：Interconnection Reliability Operations

31、and Coordination互联可靠性运行及协调IRO-001-0Reliability Coordination Responsibilities and AuthoritiesIRO-002-0Reliability Coordination FacilitiesIRO-003-0Reliability Coordination Wide Area ViewIRO-004-0Reliability Coordination Operations PlanningIRO-005-0Reliability Coordination Current Day OperationsIRO-006

32、-0Reliability Coordination Transmission Loading Relief6/29/202262新可靠性标准的内容纲要(续)第八局部：Modeling, Data, and Analysis模型、数据及分析MOD-001-0 Documentation of TTC and ATC Calculation MethodologiesMOD-002-0 Review of TTC and ATC Calculations and ResultsMOD-003-0 Procedure for Input on TTC and ATC Methodologies a

33、nd ValuesMOD-004-0 Documentation of Regional CBM MethodologiesMOD-005-0 Procedure for Verifying CBM ValuesMOD-006-0 Procedures for Use of CBM ValuesMOD-007-0 Documentation of the Use of CBMMOD-008-0 Documentation and Content of Each Regional TRM MethodologyMOD-009-0 Procedure for Verifying TRM Value

34、sMOD-010-0 Steady-State Data for Transmission System Modeling and Simulation6/29/202263新可靠性标准的内容纲要(续)第八局部：Modeling, Data, and Analysis模型、数据及分析MOD-011-0 Regional Steady-State Data Requirements and Reporting ProceduresMOD-012-0 Dynamics Data for Transmission System Modeling and SimulationMOD-013-0 RRO

35、 Dynamics Data Requirements and Reporting ProceduresMOD-014-0 Development of Interconnection-Specific Steady State System ModelsMOD-015-0 Development of Interconnection-Specific Dynamics System ModelsMOD-016-0 Actual and Forecast Demands, Net Energy for Load, Controllable DSMMOD-017-0 Aggregated Act

36、ual and Forecast Demands and Net Energy for LoadMOD-018-0 Reports of Actual and Forecast Demand DataMOD-019-0 Forecasts of Interruptible Demands and DCLM DataMOD-020-0 Providing Interruptible Demands and DCLM DataMOD-021-0 Accounting Methodology for Effects of Controllable DSM in Forecasts6/29/20226

37、4新可靠性标准的内容纲要(续)第九局部：Personnel Performance, Training, and Qualifications人员职能、培训及资质PER-001-0Operating Personnel Responsibility and AuthorityPER-002-0Operating Personnel TrainingPER-003-0Operating Personnel CredentialsPER-004-0Reliability Coordination Staffing6/29/202265新可靠性标准的内容纲要(续)第十局部：Protection an

38、d Control保护及控制PRC-001-0System Protection CoordinationPRC-002-0Define and Document Disturbance Monitoring Equipment RequirementsPRC-003-0Regional Procedure for Transmission Protection System MisoperationsPRC-004-0Analysis and Reporting of Transmission Protection System MisoperationsPRC-005-0Transmiss

39、ion Protection System Maintenance and TestingPRC-006-0Development and Documentation of Regional UFLS ProgramsPRC-007-0Assuring Consistency with Regional UFLS Programs6/29/202266新可靠性标准的内容纲要(续)第十局部：Protection and Control保护及控制PRC-008-0Underfrequency Load Shedding Equipment Maintenance ProgramsPRC-009-0UFLS Performance Following an Underfrequency EventPRC-010-0Assessment of the Design and Effectiveness of UVLS