保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要意義

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(gòu)成的有機(jī)整體，也包括相應(yīng)的通信、繼電保護(hù)（含安全自動裝置）、調(diào)度自動化等設(shè)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(wǎng)，簡稱電網(wǎng)。對電網(wǎng)來說，安全和穩(wěn)定是電網(wǎng)正常運(yùn)行所灑中缺少的最基本條件。電網(wǎng)安全，是指運(yùn)行中所有電力設(shè)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(nèi)運(yùn)行，不安全的后果可能導(dǎo)致電力設(shè)備的損壞。電網(wǎng)穩(wěn)定，是電網(wǎng)可經(jīng)連續(xù)地向負(fù)荷正常供電的狀態(tài)，穩(wěn)定的破壞，將導(dǎo)致電網(wǎng)的瓦解和大面積停電事故。電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有特別重要的意義，這是由電力生產(chǎn)的特點(diǎn)和電網(wǎng)事故的嚴(yán)重后果所決定的。
　　
　　一、電網(wǎng)發(fā)展的趨勢和電力生產(chǎn)的特點(diǎn)
　　
　　（一）電網(wǎng)發(fā)展的趨勢
　　
　　電力系統(tǒng)是在單臺機(jī)組或發(fā)電廠對用戶供電所形成的簡單弧立電網(wǎng)的基礎(chǔ)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(xiàn)在1891年，經(jīng)德國的勞奮—明興河畔的法蘭克福線路（總長175km）投入運(yùn)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(jī)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(jī)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(shù)的關(guān)鍵問題已經(jīng)解決。
　　
　　社會生產(chǎn)的發(fā)展，對電能需求的日益增長，促使發(fā)電設(shè)備的容量不斷增大，同時也擴(kuò)大了供電的范圍。為了充分利用發(fā)電設(shè)備的容量，提高供電的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，逐漸形成了由幾個相鄰發(fā)電廠并列運(yùn)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(wǎng)已被國內(nèi)外公認(rèn)是一個客觀規(guī)律。
　　
　　在國際上，工業(yè)發(fā)達(dá)的國家對于發(fā)展大電網(wǎng)一直是堅(jiān)定不移的，他們從發(fā)展大電網(wǎng)中取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。目前，世界上已有50多個國家實(shí)現(xiàn)了全國聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，比較著名的有前蘇聯(lián)的統(tǒng)一電網(wǎng)、北美聯(lián)合電網(wǎng)、西歐電網(wǎng)和日本電網(wǎng)。成立于1982的，總部設(shè)在美國圣地亞哥的國際性全球電力網(wǎng)組織（簡稱GENI），專門組織研究國際電網(wǎng)的發(fā)展，提出“電力為全人類服務(wù)”的口號，并提出了全球聯(lián)網(wǎng)的設(shè)想。GENI認(rèn)為，各國相對獨(dú)立的電網(wǎng)決定和了本國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。建立全球電網(wǎng)的目的，在于把各國分散的電力資源匯集起來，進(jìn)行宏觀調(diào)節(jié)，這樣可以充分利用世界各地間的時差效應(yīng)和溫差效應(yīng)，從而節(jié)約大量的電能和投資。
　　
　　隨著輸電新技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)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(wǎng)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(lián)和美國跨白令海峽（兩側(cè)最近距離約200km）的電網(wǎng)工程。該項(xiàng)目如果成功的話，全球電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)就為期不遠(yuǎn)了。
　　
　　目前，我國已形成了華東、華中、北、東北、西北、南方互聯(lián)等六大跨省電網(wǎng)，以及山東、四川、福建等幾個獨(dú)立省網(wǎng)。至1996年底，全國發(fā)電總裝機(jī)容量已達(dá)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(wǎng)的裝機(jī)容量均已超過2000萬kW。根據(jù)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(jī)容量將達(dá)到3億kW，年發(fā)電師資地增至1.4萬億kWh。電網(wǎng)方面，1989年9月17日，葛洲壩至上海±500kV直流輸電第一期工程投運(yùn)后，已將華中、華東兩大電網(wǎng)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(lián)合電網(wǎng)。正在建設(shè)中的三峽電站是目前世界上規(guī)模最大的水電站，計(jì)劃裝機(jī)容量18200MW，單機(jī)容量700MW，共裝26臺機(jī)組，年發(fā)電量將達(dá)847億kWh。隨著三峽工程的建設(shè)，我國將首先實(shí)現(xiàn)華中、華東和四川電網(wǎng)的連接，最終實(shí)現(xiàn)全國聯(lián)網(wǎng)。
　　
　　（二）電力生產(chǎn)的特點(diǎn)
　　
　　電力系統(tǒng)從不到大，雖然經(jīng)過了一百多年的發(fā)展，出現(xiàn)了裝機(jī)容量達(dá)幾億千瓦，供電范圍縱橫幾千公里的巨大電網(wǎng)，但電力生產(chǎn)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(chǎn)的特點(diǎn)也沒有改變。電力生產(chǎn)有三個特點(diǎn)：
　　
　　（1）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(xiàn)在電網(wǎng)的頻率上，發(fā)電大于用電，則電網(wǎng)頻率升高，反之，則頻率下降，而電網(wǎng)頻率的升高或下降均會對電網(wǎng)設(shè)備、用電設(shè)備和電網(wǎng)本身的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅，還會影響電力用戶的產(chǎn)品質(zhì)量。
　　
　　（2）瞬時性。開關(guān)一合，電就以30萬km/s的速度送往用戶。電力生產(chǎn)的瞬時性，決定了電網(wǎng)狀態(tài)變化的快速性，往往在一個瞬間，電網(wǎng)已經(jīng)結(jié)束了從一種狀態(tài)向另一種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，這就要求電網(wǎng)的安全運(yùn)行控制須在一個很短的時間內(nèi)，完成判斷、決策、控制等一系列過程。
　　
　　（3）電力系統(tǒng)所特有的無功功率。在電力系統(tǒng)的運(yùn)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(wǎng)的電壓上，電網(wǎng)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(shè)施和用戶設(shè)備的損壞；偏低則會影響電力用戶的供電質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量，還會降低電網(wǎng)的穩(wěn)定水平。
　　
　　正是電力生產(chǎn)的災(zāi)三個特點(diǎn)，才使得電力系統(tǒng)成為世界上最復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)之一，才在電力系統(tǒng)這個領(lǐng)域產(chǎn)生了許多非常復(fù)雜的技術(shù)問題。可以這樣說，我們經(jīng)歷的電力系統(tǒng)中的一切技術(shù)問題、運(yùn)行問題和管理問題，實(shí)質(zhì)上都是圍繞著電力生產(chǎn)的這三個特點(diǎn)進(jìn)行的。
　　
　　二、大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行方面存在的問題
　　
　　現(xiàn)代大電網(wǎng)雖然具有無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，但隨著聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和供電區(qū)域的擴(kuò)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(wǎng)具有經(jīng)濟(jì)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(yīng)。對大電網(wǎng)而言，最突出的問題是保證大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。現(xiàn)代大電網(wǎng)存在四個安全穩(wěn)定問題：大電網(wǎng)瓦解、穩(wěn)定破壞、電壓崩潰和頻率崩潰事故。
　　
　　（一）大電網(wǎng)瓦解事故
　　
　　大電網(wǎng)瓦解事故是指聯(lián)網(wǎng)運(yùn)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(wǎng)。引起大電網(wǎng)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(yīng)等。由于分裂后的孤立電網(wǎng)往往做不到區(qū)域內(nèi)的發(fā)電、用電平衡，因此，大電網(wǎng)瓦解常來大面積停電的嚴(yán)重后果。
　　
　　（二）穩(wěn)定破壞事故
　　
　　穩(wěn)定破壞事故是指并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組之間失去同步運(yùn)行的情況。失去同步運(yùn)行穩(wěn)定性的后果是系統(tǒng)發(fā)生振蕩，引起電網(wǎng)中樞點(diǎn)電壓、發(fā)輸電設(shè)備的電流大幅度地周期振蕩。電網(wǎng)因不能連續(xù)向負(fù)荷政黨供電而不能持續(xù)運(yùn)行，如果處理不當(dāng)，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(wǎng)因?yàn)閲?yán)重缺乏無功功率而失去電壓穩(wěn)定性的情況。電網(wǎng)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(fù)荷持續(xù)增長，電網(wǎng)電壓逐漸下降，最后發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的崩潰現(xiàn)象，這種形式稱為靜態(tài)電壓穩(wěn)定性破壞；二是由于主設(shè)備故障，如一臺大機(jī)組或主聯(lián)絡(luò)線跳閘，使受端出現(xiàn)較大無功缺額，電壓突然嚴(yán)重下降且不能恢復(fù)，導(dǎo)致電壓崩潰，這種形式稱為動態(tài)電壓穩(wěn)定性破壞。
　　
　　（四）頻率崩潰事故
　　
　　頻率崩潰事故是指電網(wǎng)由于有功功率缺乏而導(dǎo)致系統(tǒng)頻率下降，最后失去頻率穩(wěn)定性的現(xiàn)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(jī)組跳閘（或全廠停電）、重要送、受電聯(lián)絡(luò)線跳閘，使電網(wǎng)突然出現(xiàn)大量的有功功率缺額。
　　
　　三、電網(wǎng)事故情況回顧
　　
　　隨著電力系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式變得越來越復(fù)雜多變，在電力系統(tǒng)中任一地點(diǎn)發(fā)生故障，均將在不同程度上影響電網(wǎng)的正常運(yùn)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(kuò)大，波及電網(wǎng)的其他正常運(yùn)行部分，以至造成大面積停電甚至電網(wǎng)瓦解的后果。
　　
　　國內(nèi)外電力系統(tǒng)曾發(fā)生過多次大面積停電和電網(wǎng)瓦解事故。如1977年7月13日，美國紐約電網(wǎng)，由于雷擊，保護(hù)裝置不正確動作，調(diào)度中心掌握系統(tǒng)實(shí)時信息不足，以及通信困難等，造成事故連鎖發(fā)展和擴(kuò)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(jù)最保守的估計(jì)，這次停電所帶來的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失3.5億美元，相當(dāng)于紐約市電力系統(tǒng)發(fā)電和輸電設(shè)備價值的20％。再加1978年12月19日，法國電網(wǎng)因輸電線過載裝置動作跳閘，電網(wǎng)失步，頻率下降，電網(wǎng)瓦解，造成法國本土四分之三的地區(qū)停電，損失負(fù)荷2900萬kW，最長停電時間達(dá)8h30min，其經(jīng)濟(jì)小的損失估計(jì)至少與50年經(jīng)濟(jì)調(diào)度工作所取得的經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)。在我國國內(nèi)，1972年7月27日，在××電網(wǎng)，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(jīng)濟(jì)上的損失就約2700萬元。
　　
　　近年來，國內(nèi)外又發(fā)生了幾起重大的電網(wǎng)事故。1996年7月2日，美國西部電網(wǎng)發(fā)生大停電事故，起因是JimBridger電廠的一條345kV出線對樹閃絡(luò)，引起跳閘，而該廠的另一回345kV線路由于保護(hù)的不正確動作而被切除，從而觸發(fā)了一系列的連鎖反應(yīng)，最后導(dǎo)致電壓崩潰，西部電網(wǎng)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(rèn)為，僅僅一條345kV線路跳閘并不會造成整個電網(wǎng)的瓦解，此次大停電事故是由于事故前電網(wǎng)的異常運(yùn)行條件，加上保護(hù)的不正確動作而擴(kuò)大事故所導(dǎo)致的。事隔僅一個月，1996年8月10日，美國西部電網(wǎng)再次發(fā)生大面積停電事故。當(dāng)時，橫貫美國西部的炎熱天氣使用電負(fù)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(lián)絡(luò)線和±500kV直流聯(lián)絡(luò)線以及其他地區(qū)的一些500kV線路和發(fā)電機(jī)跳閘。事故導(dǎo)致西部電網(wǎng)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(jìn)一步分析調(diào)查之中。在我國國內(nèi)，1995年10月29日，××供電局見習(xí)值班人員違反勞動紀(jì)律，在變電所內(nèi)學(xué)習(xí)駕駛汽車，撞裂220kV母線刀閘支架，刀閘支柱瓷瓶斷裂，導(dǎo)致母線短路。由于9套保護(hù)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(guān)等重要用戶停電，共損失負(fù)荷80萬kW。1996年1月19日，由于××實(shí)習(xí)吊車司機(jī)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(yán)重的一次，特別是造成許多重要負(fù)荷的長時間停電。事故中損失負(fù)荷31萬kW（約占北京地區(qū)負(fù)荷的8％），直接經(jīng)濟(jì)損失約335萬元。
　　
　　四、電網(wǎng)事故的影響
　　
　　由于現(xiàn)代社會與電能的關(guān)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(wǎng)事故導(dǎo)致用戶的停電，在經(jīng)濟(jì)上、政治上的影響是十分巨大的。正因?yàn)槿绱耍覈娏Σ块T將“電網(wǎng)瓦解”和“大面積停電”列入七種必須嚴(yán)格杜絕的重大事故中。
　　
　　國內(nèi)外電網(wǎng)事故的教訓(xùn)說明，事故停電會造成巨大的經(jīng)濟(jì)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(yán)格的分析和計(jì)算準(zhǔn)則。例如，根據(jù)美國IEEE的估計(jì)，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(jì)數(shù)字均表明，由于停電所帶來的直接和間接的經(jīng)濟(jì)損失是實(shí)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(guān)。
　　
　　電網(wǎng)事故還會造成巨大的政治影響，嚴(yán)重干擾社會生活的正常進(jìn)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(wǎng)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(nèi)提交詳細(xì)的事故分析報(bào)告，并提出防范措施。