一. 世界电网重大停电事故
为什么中国(除台湾外)从不发生重大停电事故?
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2012年7月30日和31日印度北部共发生两次重大停电，使世界重大停电由23次增加到25次。除1次为日本核电事故，4次为电压/频率崩溃, 20次为系统稳定破坏。
稳定破坏通常经历两个阶段。第一阶段是在庞大、不可控的自由联网结构上一旦单一线路跳闸，即自然造成负荷转移，使不合理设计和整定的线路距离保护不断的‘连锁跳闸’，直到重负荷转移到弱联系的高阻抗回路上，就失稳振荡。第二阶段是受失稳振荡波及的线路和发电机也由不合理设计和整定的线路距离保护和发电机失稳保护‘连锁跳闸’, 使系统瓦解, 最终大停电。
有3次因电压崩溃时保护不合理跳闸造成。欧洲1次频率崩溃见表1。
世界上对系统失稳的处理有两个不同的准则：第一个是北美电力可靠性委员会的1997年《NERC规划准则(NERC PLANNINGSTANDARDS)》规定“当系统发生稳定的摇摆时，发电和输电的继电保护应避免跳闸”;实际上就要在失稳时将发电机和线路都‘连锁跳闸’;结果就是瓦解而大停电。
第二个准则是中国1981年颁发的《电力系统安全稳定导則》,对发电厂和交直流电网结构规定为《分区 - 采取直流将交流电网分若干大区》，《分层 - 高压和低压交流电网采取幅射性联接》;《分散 - 单一发电点直连负荷中心》和为‘保结构完整’的继电保护技术上《避免线路过负荷连锁跳闸》以防止暂态失稳;同时即使失稳时，《避免线路和发电机因失稳连锁跳闸》，系统都会在短时内自动恢复同步运行，从而避免大停电。所以中国(除台湾一次外)完全防止了重大停电。中国的系统结构和继电保护设计是根据周密研究国内外大停电的实践经历，结论是“连锁反应大停电的原因 - 不受控制的电力系统结构和继电保护”。
美国电科院和直流联网(DC Interconnect)公司在2008年1-2月IEEE Power &Energy期刊发表报告[1]，为防止美欧多次重大停电，建议在电网结构上将美国东部网(EI–7.55亿千瓦)应用直流隔离分为四个交流区，同时也适用于美国西部网(WI - 2亿千瓦)和西欧(5.3亿千瓦)电网, 这可以说是美欧在电网结构上解决重大停电的起步策略。2007年国际大电网CIGRE在日本大阪召开会议时，美国电科院Dr.Ram Adaba 听到我国系统发展策略报告[2]后，主动问及我国电网结构经验并得到有关资料，可能对它们有关的分区结构建议有所帮助。他们报告提出美国再分区的建议至今末能执行，但值得注意的近年具备世界上最宠大交流电网的欧洲却接受了改造电力系统结构经验,采用直流分区;目前已应用42套直流作隔离设施，将欧洲分很多“分区”[3]以提高电力系统的可靠性和防止系统大停电。这说明中国电网结构的安全经验已得到世界的重视。
日本面积小，37.8万平方公里,近3亿千瓦负荷，用直流或单(个别双)回交流500kV联网分为9大区,结构安全,就不会发生失稳大停电;1987年东京重大停电是无功不足,电压崩溃造成。世界重大停电中祗有一次是电源结构安全问题，就是2011年3月11日日本福岛第一核电站早期核堆安全水平低，被地震/海嘯摧毁。
二、国内电网重大典型事故
1970至1980年我国共发生210次失稳事故，1981年颁发《电力系统安全稳定导則》后，随着逐步实行分层、分区、分散外接电源时，事故开始减少，1981至1990年发生62次，1991年以后更大幅度减少，下面列出损失最严重的电网重大典型事故。
1. 2006年7月1日华中电网失稳事故 - 中国有史以来最严重事故，负荷损失379.4万千瓦(远小於每次损失超过800万千瓦的25次世界重大停电)
事故始发是20:48河南省嵩山至郑州500kV双回线进口的保护误动跳闸，分解成南北两个500kV网，因其500和220kV电磁环网，跳闸后178.4万千瓦负荷转移到南北相联的6回220kV线路，其中3回过负荷跳闸后即失稳振荡。
由於华中和华北两大分区以单回交流线联网，振荡不旦波及华北电网，而且从录波证明20:48时此联网线北送50万千瓦，20:59：44开始振荡时此联网线南送117万千瓦, 可见它是促进华中失稳，而且延长振荡恢复同步的时间。
华中电网由於违反《电力系统安全稳定导则》而存在不安全的500/220kV电磁环网结构，造成全网失稳振荡。此次振荡不能波及西北、华南和华东是因按《稳定导则》分区原则实现了直流联网;但短时波及了华北，而由其单回联络线解列而终止。这次事故末造成全网大停电，因为《稳定导则》的第三道防线 – 失稳的线路和发电机都不跳闸，从而失稳后6分5秒恢复同步正常运行。但发电厂未贯彻好《稳定导则》，仍有16台机组跳闸、共26台机组停运，结果频率降到49.1Hz，负荷损失379.4万千瓦，(相当原负荷的6.3%)。
由图1可见，由於河南违反《导则》保持500/220kV电磁环网。所以在500kV嵩郑双回线跳闸后，华中500kV电网被分割成南北两部分，而中间由复杂结构中6回220kV线路相连。原嵩郑双回的178万千瓦潮流全部转移到220kV线上，首先引起一回过负荷跳闸，继而负荷转移，相继引起第二和第三回220kV过负荷跳闸，结果是重负荷叠加在联系阻抗增大的回路上, 从第一回线过负荷跳闸到发展为华中500/220/500kV串联弱电网失稳振荡经历了5分44秒，造成失稳振荡。
2. 1994年5月25日南方电网失稳瓦解事故
广东大亚湾1号机试验时意外跳闸，贵州送出电力上升失稳，天平线装设美国GE的距离保护不能如国产能防止失稳跳闸而跳闸，结果系统瓦解损失173万千瓦。
3. 1996年5月26日华北电网失稳振荡事故
因继电保护误动作使图3内三组500kV断路器跳闸, 由於500kV/220kV电磁环网,沙岭子电厂4台机组出力全部转移到220kV环网, 造成失稳振荡, 经1分41秒恢复同步运行。此次事故和上述2006年7月1日华中电网失稳事故一样, 反映电磁环网是造成失稳振荡的关键问题。
4. 1999年7月29日台湾大停电事故
台湾电网是以345kV同杆双回线为输电的链形系统。事故前南电北送潮流如图所示，由於山体滑波而倒塔, 负荷转移至相邻线路造成失稳振荡, 同样由易於误动的美国式距离保护动作跳闸,使南部原340万千瓦不能向北送电。缺电的中北部频率下降, 低频保护动作跳闸造成全停, 负荷损失1550万千瓦。一是在电网结构上南电北送没有分散外接电源，两回线跳闸后负荷转移到并列的两回线造成失稳振荡;二是不合理的保护因失稳而此两回线跳闸;三是低频减载不足，更与大机组低频保护不配合，使所有机组先跳闸造成全停。
图4 台湾电网失稳事故
三.国外电网重大典型事故
表1已列出有史以来的25次世界重大停电(每次损失≥ 800 万千瓦)，其中23次都是交流电网过大又自由联网，一旦故障连锁反应跳闸直至失稳波及整个交流电网和机组跳闸全停。日本面积小，主要用直流分为9大区, 就不发生失稳;两次重大停电一是无功不足,电压崩溃造成;另一次是福岛第一核电站早期核堆安全水平低，被地震/海嘯摧毁。
1.2003年8月14日美国/加拿大大停电 - 世界损失最严重7000万千瓦
美国以直流隔离分三个区，南部ERCOT区域很小、很安全。东区和西区都是大面积，复杂又不可控的系统结构，相当世界上最大的电力容量。由于不同电网和电源都是自由联接，全部电网结构在系统故障时都处於失控局面。结果东部和西部大区各发生三次重大停电，造成世界上最严重的重大停电。
图5表示世界上最严重2003年美加大停电为什么失稳?因为它们系统是一个不可控的负荷转移结构，而且采用不适当的继电保护原理/整定，线路故障后连锁反应地一条条‘连锁跳闸’14次，在安全分析相当经历N-14，直到重负荷叠加在长距离/高阻抗的345/230/345kV串联环路上失稳。这次大停电还反映了大系统不分区而用交流自由联网的严重性，从图5可见美国和加拿大Ontario通过各级交流电压线联在一起，构成这次失稳环路,是促成这次失稳的结构性原因;如果它们是直流联网，可能可以避免这次失稳;如它们是单回交流联网, 一旦失稳立刻解列, 也停止失稳。由於它们是多回交流紧密相联，构成长距离弱联系环网而失稳，Ontario也遭重大损失：事故前受北美电130万千瓦,占5.6%，事故损失2250万千瓦，占97%，几乎全停[1]。但加拿大魁北克和北美是直流联网，不旦不受影响，反而该直流联到纽约长岛而使当地大停电后很快恢复用电。
2. 严重的印度重大停电
第一次2001年1月2日损失1273万千瓦，第二、三次2012年7月30、31日损失3600、4800千瓦。为什么印度发生了三次重大停电?
(1)印度全国交流联网，破坏了直流联网的安全作用
图6可见印度虽然划分了5个电网, 但北部三个(北网、东网、东北网)和西网都直接以多回交流40/22万伏线路联在一起，祗有一回直流，可称强交弱直，基本合成为一个宠大交流同步网。任一处发生故障或失稳振荡，就会连锁反应波及交流相联的全部电网。印度以交流将所有的发电厂/线路联接一起即会造成大停电的危险。图6所示电力是由聚集的交、直流线路和聚集的电厂输送。当一回线路因过负荷或故障跳闸时，将因负荷转移造成多回线路步步连锁反应跳闸，直至全网失稳而结果大停电。
(2) 由於距离保护Z3不合理的设计和整定，使负荷转移线路连锁反应跳闸是造成系统失稳的原因
印度近两次重大停电皆不是由故障引起，都是由相同的400kV Bina-Gwalior-1线路距离三段过负荷误动引起。在2012年7月30/31日跳闸前, Bina-1 线电压为374/362kV, 传送负荷为145/125.4万千瓦。此线路并不因负荷过热，却因Z3的不合理设计原理和整定跳闸。然后同样的过负荷跳闸连锁反应逐一发生在不合理的电网结构，直至系统失稳。系统失稳时有关的所有线路和发电机的不合理跳闸造成整个交流系统大停电。
上述三个不合理问题在中国早在1981年已从技术上解决。线路距离保护第三段容易因过负荷动作跳闸的原因，一是输电线输送重负荷、特别是在低电压下输送大量无功电力;二是此保护的设计原理和整定方法皆容易在上述情况下误动作。建议采用中国的距离继电器和整定方法就具备防止负荷转移时的连锁误动作。
(3)系统失稳振荡时造成线路和发电机连锁跳闸是印度大停电原因
失稳振荡不可能绝对避免。多年实践证明，美国和印度的大停电都是由於线路和发电机在系统失稳振荡时连锁跳闸造成。这就是2001年1月2日印度北部电网大停电的原因，2012年负荷大增，同样的电网结构的故障时负荷转移、连锁反应更为严重。建议从系统结构和继电保护采用中国《稳定导则》, 线路距离保护和改进发电机失稳保护的整定方法。
3.1965年11月9日北美大停电 - 损失2100万千瓦
这是世界上第一次发生的损失超过800万千瓦的重大停电。
事故始发於美对加拿大5回线路距离保护过负荷连续跳闸，负荷转移造成北美失步振荡，从而使有关线路和发电机跳闸大停电。
图7 北美大停电
从这次事故证实我们中国为贯彻《稳定导则》所采取的决策完全可以避免此次事故的发生，一是将距离保护的原理，由方向阻抗园改为四边形即可以防止过负荷误动;二是线路和发电机的保护不应因失稳而误动，即使失稳时系统不瓦解都将在短时(约1秒)内恢复同步运行，防止这类世界重大停电事故的发生。
4. 1982年12月14日加拿大魁北克大停电
从这事故说明两个问题，一是在电网结构上没有分散外接电源，当一个变电所故障全停时，原5回送900万千瓦转移到2回线上而造成失稳;二是继电保护在失稳时(按中国技术规定不跳闸)跳闸，相当两套北电南送回路全停而造成重大停电。
中国《稳定导则》规定《分散外接电源》，即使失去任一组电源，负荷损失不应超过10%，不会造成事故。而且继电保护不应因失稳误动，即促使失稳也将短时恢复同步运行，避免大停电。
5. 1982年12月27日瑞典电压崩溃大停电
这事故同样反映两个问题，一是北电660万千瓦南送全部通过7回并列的线路，一旦母线故障，相当断开3回，负荷转移到4回线，二是受端电压下降使其距离保护三段过负荷跳闸，南部电压崩溃，损失1140万千瓦负荷。 事故经验一是北电南送应分散外接电源;二是电压下降至95%应停止有载调压;三是距离保护采用方向阻抗原理难以防止过负荷误动跳闸，采用中国的四边形阻抗原理就防止过负荷跳闸。
6. 1996年7月2日/1996年8月10日美国西部WSCC系统大停电
图10 美国西部WSCC系统大停电
首先线路碰树跳闸，自由并列的相邻线路易误动的距离三段因过负荷不断连锁跳闸, 继而失稳, 失稳使更多线路和机组跳闸, 造成系统瓦解。问题一是分区不足,
多回线路自由并列联网, 任一线路跳闸后, 负荷转移并列线路;二是线路距离三段(原理问题)不断因过负荷连锁跳闸，造成系统失稳;三是线路和发电机组保护(原理问题)不断因失稳跳闸，直至全系统瓦解全停。我国合理分区, 而且所有保护都不会因过负荷或失稳误动跳闸;即使失稳, 也可短时恢复同步运行。
7. 2006年11月4日欧洲380kV交流庞大电网大停电
欧洲380kV交流庞大电网通过多回线路西电东送926万千瓦。当其中双回操作断开时，负荷转移使并列的其
他线路因距离保护过负荷误动跳闸,使西部缺电,频率降到49Hz,低频减载1700万千瓦负荷。
事故证明交流电网越庞大越不安全,尤其通过交流庞大电网大规模远送;因欧美距离保护皆采用易误动的方向阻抗原理,而我国距离保护四统一皆采用长方形原理又合理整定则完全避免误动。
8. 2003年9月28日意大利大停电
意大利和相邻国380kV线路联结复杂, 其中一回跳闸，负荷转移并列线路使易误动的距离保护相继跳闸, 直至发生失稳又不合理跳闸，造成1421万千瓦损失大停电。
一是电网结构不合理，二是方向阻抗原理的距离保护不可靠的在过负荷和振荡时跳闸, 结果造成大停电。
9. 1987年7月23日日本东京电压崩溃大停电
日本主要以直流隔离分9个区, 所以不会发生失稳。但东京电力无功补偿不足, 又没有[低电压减载]设施。当负荷快速上升，500kV电压迅速下降到74%,造成多处因不可靠的方向阻抗原理的距离保护动作跳闸。三个变电所全停, 损失817万千瓦负荷。
问题一是无功补偿不足, 又没有[低电压减载]设施。二是方向阻抗原理的距离保护不可靠, 易因过负荷误动。
10.1978年12月19日法国400kV电网电压崩溃继而失稳跳闸
法国电网负荷猛增,因缺无功补偿,又无低压减载设施,电压崩溃,继而多回线路因不可靠的方向阻抗原理的距离保护动作跳闸, 4台发电机也跳闸,造成全网失稳。继而多回线路距离保护因不合理的方向阻抗原理跳闸,全网解列为四个区, 损失2900万千瓦负荷。
图14演示电压崩溃过程,电压降到93%即迅速下降, 所以系统低压减载保护整定低於85%就不起作用。本事故也反映一是不用直流分区,一旦系统异常必波及全网;二是采用不可靠的方向阻抗原理的距离保护既易过负荷误动, 又易失稳误动。
11. 巴西大停电
巴西共发生5次重大停电，共损失9687万千瓦，列世界重大停电最严重的第二位。关键是全国电网不分区，比美国还大，东西、南北长达3200公里，以复杂电压级230、345、440、500、750kV 自由联网，更易故障连锁反应，不仅易失稳振荡，又易电压崩溃使直流输电全停，如下面论述的2009年11月10日巴西电力系统大停电。
图15 巴西全国电网不分区,列世界重大停电第二位不分区又不分散外接电源、交直流线路捆绑在一起的自由联网结构，冒全停风险。巴西伊泰普水电站投运时是当时世界最大的水电站，不分散电源，而集中以三回交流765kV线和两回直流±600kV线长达900公里併列送出。这次事故中，两回交流765kV线路由於暴风雨发生故障跳闸，负荷转移到第三回765kV线跳闸，造成受端失稳、电压崩溃，使2回直流整定不当的低电压保护动作跳闸，结果全停。
四、国内外电网重大典型事故研究结论
1. 世界上为什么发生重大停电?
最严重的20次系统稳定破坏重大停电的关键, 一是交流电网过於庞大, 自由联网, 又不分散外接电源, 一旦一回线路因故障或保护误动断开, 即使其负荷转移到并列的相邻线路上, 又因其线路应用不当的继电保护因过负荷误动跳闸, 连锁反应同样使更多相邻线路跳闸, 直至全部负荷转移到个别线路上(相当大增系统的综合联系阻抗)而发生失稳振荡。二是当系统发生失稳振荡时，陆续涉及振荡的线路也因应用不当的距离保护原理误动跳闸,同时发电机的失步保护也因整定不当(振荡中心落在线路上不应跳闸)也大量跳闸,结果系统瓦解大停电。
法国、瑞典、日本发生的3次电压崩溃造成重大停电, 主要是无功补偿不足, 没有配备应有的低压减载设施, 在负荷突增时, 电压突降, 距离保护三段低压过负荷跳闸而大停电。2006年欧洲重大停电关键是交流远距离东电西送, 一旦过负荷又由易误动的继电保护跳闸瓦解, 造成受电的频率突降大停电。
2. 中国除台湾外为什么不发生重大停电
1970至1980年中国电网发生210次稳定破坏事故,其中因高低压<电磁环网>40次,1981年颁发<电力系统安全稳定导则>,由於逐步贯彻,1981至1990年则降低到62次,而因电磁环网15次。以后稳定破坏事故则大幅度下降。
我们在编制<稳定导则>时除研究国内210次稳定事故外,更研究世界重大停电事故都发生在庞大又自由相联的交流电网,所以必须以直流隔离实行<分区> ,祗要缩短交流系统的范围, 将彻底解决交流远距离输电的固有缺陷;而且<分区>后, 任一区故障或失稳都不会影响邻区。规定<分层>就是防止过去频发的电磁环网事故;规定<分散外接电源>就是避免多个电源因故障时连锁反应而全停。又规定无功补偿应以分层分区和就地平衡,使电网特别是发电机组储存大量无功,避免电压崩溃。特别针对世界所有重大停电都和不合理的继电保护误动造成, 所以协同全国继电保护制造部门实行<四统一>,采取有效措施防止过负荷误动和失稳误动,保持系统结构完整, 即使发生失稳振荡, 实践证明也将在短时恢复同步运行,防止了大停电。
我国最严重的2006年华中电网事故(包括1996年华北电网事故)主要是<电磁环网>造成。此次华中事故和1994年南网事故都是引进国外的继电保护设备引起，因此过去根据世界大停电经验和全国继电保护制造部门确定<四统一>，制定了全世界最安全又动作快速的设备，对保证安全起重要作用。
3.南网和国网是否接受国内外重大停电的经验教训?
南方电网认真接受国内外大停电的经验，贯彻为防止大停电的《稳定导则》。云南以直流输电东送外，所有500kV交流也通过直流背靠背东送,采用直流隔离分[云南] [贵州/广西][广东]三个大区,彻底解决交直流併列远送的风险,将原近2000公里输电的500kV交流线路经直流隔离，缩短为中、短距离线路，也彻底解决原有的稳定和低频振荡问题。计划用直流背靠背再将[广东分东西两个小区]，直流分别馈入各小区，既能控制短路容量增长，又适合於多回直流安全馈入，还将解决将来更多直流馈入和装设更多电厂等一系列安全和短路电流问题。
国网公司根本不重视国内外大停电的经验并严重违反现行《稳定导则》。要将早已按《稳定导则》实行的5个安全大区，首先违反<分区>以特别浪费的交流特高压联成一个特别宠大不安全电网;又不得不违反<分层>，每隔约300公里的线路必须装设1000/500kV变电站才能每线送出300万千瓦电力;又违反<分散外接电源>而要所有发电厂都联在宠大电网。
目前国网公司已走出华东交流特高压联网的第一步。从将来华东各省市负荷需要和电源规划证明，包括安徽省都缺电，怎样合理解决呢?一是继续靠远方直流输电，二是在各城镇负荷中心附近建新清洁电源，各自作到电源/负荷基本平衡，互相之间不需要大规模输电，现有500kV电网已满足要求，根本不需要交流特高压联网。还是贯彻《稳定导则》釆用直流逐步将〈华东分四大区域电网〉，总投资不超过62亿元，为华东交流特高压联网静态投资(744亿元)的十二分之一(8.3%)，才是长远在安全经济上最合理的办法。
4.从电网重大事故研究电网发展的技术决策
(1)输电电压和交直流方式的采用超过600公里输电应用直流;600公里以内输电的最高一级交流电压应用目前的500kV和750kV, 永远不需要再升级。
(2) 坚持<分区>, 各大区应按电源/负荷发展再按南方电网以直流再分多个区,上述如华东再以直流分四个区将更安全,更经济。
(3) 坚持<分层>, 坚决解除电磁环网。
(4) 坚持<分散外接电源>的点对网输电原则。
(5) 坚持<近输电、远输煤> 并大力减低煤电。
(6) 坚持无功功率分层分区就地平衡。
参考文献：BIBLIOGRAPHY
[1]Harrison Clark (DCInterconnect), Abdel-Aty Edris (EPRI),“ Softening the Blow of Disturbances”，January/February2008, IEEE Power & Energys
[2]MENG, Ding Zhong,“Development Strategies of Reliable Power Systems”312 – November 2007 CIGREOsaka Symposium in Japan
[3]SCIENTIFICPAPER“On The Development Trend of SubmarineCable
Projects for Achieving Optimal Allocation of EnergyUsing International
Power Grid Interconnection”, ELECTRA No.273 April 2014
(文章仅代表作者本人观点)
注：本文仅代表作者个人观点,不代表北极星电力网的立场和观点！
延伸阅读：
原标题：《国内外电网重大典型事故分析研究》
