簡介
2016年9月28日，颱風和暴雨等極端天氣襲擊了新能源發電占比高達48.36%的澳大利亞南部地區電網，最終導致50 h後恢復供電的全南澳大利亞州大停電。這是世界上第一次由極端天氣誘發新能源大規模脫網導致的局部電網大停電事件。文中從事故前電源比例、事故演變順序、事故後黑啟動運行闡述“9" 28”事故全過程。重點從災害預警線上計算輔助決策系統、系統轉動慣量、低電壓穿越要求、低頻減載、黑啟動預案等多維度討論該事件對中國電網安全運行的啟示 。
近年來世界範圍內發生了數起大停電，但類似南澳電網這種由於極端天氣和新能源大規模脫網引發的停電事故沒有先例。從印度電網“7 " 30”停電事故原因及對中國啟示，與功率一負荷不平衡的印度電網不同，南澳電網電源相對富裕負荷較輕。頻率變化速率過快導致土耳其電網低頻減載失效，與南澳低頻特性相同，但土耳其電網主要電源為水電和火電，轉動慣量充足;南澳電網為新能源及燃氣機組，轉動慣量較小。從極端天氣、聯絡線跳閘等方面描述巴西電網“11 " 10”停電原因，並提出黑啟動演練的重要性。與巴西類似，南澳也歷經了暴風雨極端天氣、聯絡線跳閘、第三道防線措施不足等停電過程。但與巴西電網停電4h後恢復供電相比，南澳停電50 h後恢復供電的歷程更加艱難，事前黑啟動實驗成功與事後黑啟動失敗的強烈反差更值得中國研究和借鑑。
南澳大停電發生過程
南澳電網概況
南澳大利亞州位於澳大利亞中南部，總面積983 482 km}，略大於中國東北三省與河北省面積之和。南澳總人日170萬人，約70.3%的居民居住在環繞首府阿德萊德的沿海衛星城市中，負荷相對集中。民營輸電公司ElectraNet是南澳電網唯一的運營商。圖1為澳大利亞能源系統管理局(AEM())提供的南澳電網275 kV電氣接線圖。
事故前電源比例
南澳電力用戶85萬戶，事故前總發電電力1 826 MW，風力及太陽能發電電力883 M W占比48.36 0 o ;燃氣輪機發電電力330 MW占比18.07 0 o ;Heywood聯絡線輸電有功功率613 M W占比33.57%且事故前常年處於重載。"9·28”事故前沒有燃煤機組線上運行Wl。附錄A表A1為16:16:46(大停電前90 s)和16:18:15(大停電時刻)南澳電網電源出力情況對比。由附錄A表A1可知，大停電前90 s有14個風電場和5台燃氣機組併網，大停電時刻9個風場脫網，5台燃機均未切機。
停電事故過程
2016年9月28日極端天氣共造成6次線路故障。
1)當地時l司16: 16: 46,暴風雨造成66 kV Northfield至Harrow線路故障。
2)16:17:33，275 kV Brinkworth至TemptersWest線路兩相接地，1條275 kV線路退出運行。
3)16;17;59,275 kV Davenport至Belalie線路單相接地，I S後重合閘成功。
4)16;18;08,275 kV Davenport至Belalie線路單相接地，重合閘失敗。2條275 kV線路退出運行。
5)16:18:13,275 kV Davenport至Mt Lock線路單相接地。
6)16:18:14,275 kV Davenport至Mt Lock線路單相接地後重合閘失敗，導致線路三相跳開。第5,6次故障共造成3條275 kV線路退出運行。
澳大利亞"9·28"大停電事故南澳電網“9" 28”大停電示意圖見附錄A
圖A1，由圖A1可見1至6次故障位置，阿德雷德地區電網設備由數字標註。
附錄A圖A2為Davenport至()lympic Dam275 kV線路Davenport側觀測到的9月28日16:16:40至16:18:20期間6次電壓跌落的電壓曲線，紅色、綠色、藍色分別代表A,B,C'三相電壓。由圖A2可見，由5次線路故障產生的6次電壓跌落深度逐次遞增，最後一次跌落導致電壓反覆振盪最終歸零。16:18:15，即第6次跌落髮生瞬間約445 M W風機脫網。前5次跌落並未誘發風電場大規模脫網，6次電壓跌落期間風機累計脫網約505 MWoHeywood聯絡線最大容量為600 MW，線路故障前潮流有525 M W，風機脫網後潮流瞬間增大至850900 MW，聯絡線跳開，系統成孤網，隨即崩潰。
黑啟動預案啟動失敗
2016年9月28日16 : 37 , AEM()要求1號黑啟動方案機組Quarantine發電站(QPS)提供黑啟動服務。QPS隨即啟動站內小型發電機，將斷路器合閘並啟動QPS 5號機組時，斷路器跳開，跳開信號來自發電機變壓器及廠用變壓器的尖峰涌流。連續5次合閘嘗試未能將斷路器合閘，導致斷路器電池電量耗盡，人工現場確認線路無法繼續連線，1號黑啟動預案初次啟動失敗.習。
16: 18，停電事故發生後2號黑啟動方案Mintaro發電站的應急柴油發電機自啟動，進而啟動Mintaro發電站主機。柴油發電機啟動5 s後發電機發生定子側接地短路，柴油發電機損壞，2號方案初次啟動失敗。
停電事故原因分析
未啟動自然災害預警
9月28日13:19-15:30天氣預報預測最大風速均未超出相應地區線路及塔桿可承受的最大風速。譬如，Brinkworth至Davenport 275 kV線路及塔桿設計可承受最大風速106 km/h，僅比預測區風速104 km/h多2 km/h，風速安全裕度極低。此外雖然有風電機組切出風速為90 km/h的規定，AEM()也沒有對南澳風電場發出任何預警或進行任何減出力調整，事故發生前沒有進行緊急情況下的電網事故演習 。
系統轉動慣量不足
在高度市場化的南澳電網，近年來呈現風電場排擠熱電機組的趨勢。AEM()規定發電機需投標以滿足實時負荷需求，捨棄出清後剩餘的發電機組，因此投標價格越低的發電廠中標機率越大仁13〕，電力現貨價格越低風電占比越大。極端情況如2014年12月 29日13:20時刻，南澳電網風電發電量滿足當時負荷。
2014至2015年期間，154個價格區間內出現了負值現貨電價。
南澳也是澳大利亞光伏發電占比最高的地區。截至2014年南澳有565 MW光伏裝機容量，占全國光伏裝機容量1500，發電量704 GW "h，占全國光伏發電量1800。個人及工商業用戶大量安裝的屋頂光伏降低了夏季白天高峰負荷，導致2015年多次出現5 min內光伏發電滿足南澳100%負荷需求的情況，加劇了南澳用電負荷下降趨勢。
由於澳大利亞國內天然氣需求偏低，大型液化天然氣生產廠家和地方天然氣廠家競爭用戶。2015年，維多利亞州可繞過南澳首府阿德雷德，通過SEA-Moomba管道從北部昆士‑_州直接購買天然氣。直接導致了南澳燃氣發電站Pelican Point部分機組2015年退出運行.
電力市場環境下低出價風電侵占高出價燃氣機組發電空間、大規模安裝光伏自發電系統導致用電負荷減少、天然氣市場波動及輸送管道地緣格局不利等因素導致南澳電網燃煤機組及燃氣機組大量退出運行。截至2017年，約1505 MW火電及燃氣機組退出運行。
隨著燃煤燃氣機組數量減少，南澳電網的系統轉動慣量逐年減少。表1對比了歷史上南澳電網發生過的由於發電機脫網造成Heywood聯絡線斷開的事件。由表1可見，“9" 28”事故當日南澳系統慣量呈現歷史最低，頻率震盪時間最短、切機容量最大。
多數風電機組連續低電壓穿越失敗
南澳所有風電機組控制程式中都預設了120 s內最多的低電壓穿越次數，如果實際電壓跌落超過了次數限制，則自動切機、停止運行或減出力。由附錄A表A1可見，"9 " 28”事故當天6次電壓跌落情況下，風機軟體內預設穿越次數5至9次的14個風場中的Canunda,Lake Bonney1,2,3和Waterloo 5個風電場僅進行了減負荷運行。其餘9個風場風機由於預設穿越次數少於等於5次，均發生了脫網或減出力後脫網.習。
網結構易形成大機小網的等效特徵
南澳電網為受電網，由於民營輸配電企業投資成本有限，網架結構薄弱。由附錄A圖A1可見，與中國主網呈環狀網路，配網呈樹狀結構不同，南澳電網275 kV主網呈樹狀結構，僅負荷中心形成部分環網。
南澳僅有兩條聯絡線，即交流的Heywood和直流的Murraylink與東側維多利亞州連線，事故前聯絡線輸電電力613 M W占比33.5700，占比超過1/3。雖然南澳風電場地理位置分散，但大多沿海而建，區域內海洋氣候的一致性使風電出力在時間軸上趨同。可將占全網發電量接近50%的風電趨同於一台機組。因此南澳具備“大機小網”特徵。由於被等效的這台機組跳閘或主要送電斷面斷開造成功率缺額較大，系統頻率下降率較一般電網大得多，暫態穩定問題突出。
低頻減載失效
2007年之後，澳大利亞的發電機低頻保護規程規定發電機組在1 Hz/s持續1 S至4 Hz/s持續0.2 s的頻率變化範圍內，並在47 Hz以上必須能夠保持線上不脫網。而南澳電網低頻減載標準為頻率滑差在。高於 3 Hz/s情況下進行低頻減載滑差閉鎖，防止非系統故障情況下的低頻減載誤動 .
黑啟動預案實施失敗
第一套黑啟動方案
澳大利亞"9·28"大停電事故圖2為QPS黑啟動方案簡圖。
9月28日實際黑啟動順序為逐段啟動:
1)黑啟動前Torrens Island變電站內的66 kV開關站的斷路器3,4,5斷開;斷路器1,2,6,7,8
合閘。
2)小型發電機自啟動成功，即通過斷路器2為Torrens Island變電站單側母線充電。
3)斷路器3,4,5合閘，為另一側母線充電。當3,4,5全部合閘後，連線大型發電機和廠用電的斷路器6跳開。跳開信號來自發電機、變壓器及廠用變壓器的勵磁尖峰涌流。
"9 28”大停電發生前4個月，即2016年5月21日，進行過一次黑啟動實驗並獲得成功。實驗原則為軟起動的零起升壓:即之前斷路器3,4,5已經合閘，小型發電機在自啟動前已經與大型發電機連線，電流逐級上升，避免了發電機產生自勵磁和過電壓，斷路器並未出現跳閘情況。筆者推測黑啟動實驗方案與實施方案之間偏差的產生原因在於時間倉促使QPS來不及準備，未按預案方式實施。
第二套黑啟動方案
第二套黑啟動方案的Mintaro柴油發電機定子側損壞，由圖上可見定子側上出現灼燒跡象。初步判斷短路原因為事故當天暴風雨中的雲地閃電造成。事故發生前Mintaro發電站並未安裝避雷器或其他防雷設施也並未進行防雷測試。
假設事故前南澳電網啟動了自然災害預警，主動將風速較大地區風電場減出力或者停機運行並同時增加燃機出力，可降低風機脫網率。如果重新設定低頻減載滑差保護定值，啟動低頻減載甩200一300 MW負荷，風電脫網後系統頻率可恢復至48.8 Hz。若有幾條聯絡線互為主備且占比較小，事故中一條聯絡線跳開也不會使系統成孤網。假設黑啟動嚴格按照預案進行，預計停電時間可縮減至1~3h 。
南澳停電對中國電網安全穩定運行的啟示
1.建立基於災害預警的線上計算輔助決策系統
將廣域信息的採集範圍從電力系統內部擴大到自然環境和社會環境，將有效預警時間尺度從分鐘級擴大到小時級。針對系統設備和外部環境多元風險的風險識別技術。這些想法現已通過考慮運行方式安排的大電網線上趨勢分析技術實現，已經在全國省調系統得到套用，可對電網未來運行狀態變化趨勢進行評估，提出輔助服務決策。但目前省調線上計算對氣象災害、設備缺陷、外力破壞等因素考慮不充分，故障集設定針對性不足。可搭建自然災害預警與輸配線路聯動資料庫，形成基於運行及檢修方式的輔助決策。將有效預警時間尺度從小時級擴大到天級。
2．保障適應新能源發展的合理系統轉動慣量
為應對中國未來高比例新能源接人的發展趨勢，保障中國電網安全，以南澳電網過於激進的新能源滲透率給電網安全帶來威脅為戒，中國應從能源系統整體規劃上給子以同步發電機形式運行的火電、水電及尚未大規模開發的燃氣機組足夠空間。通過保留一定數量的火電機同步機組、風電場虛擬同步機技術、儲能技術、虛擬電廠等技術，保障合理的系統轉動慣量。"9· 28”事故後，2016年10月3日起南澳電網修改了技術規程，重新規定無論何時電源中必須有超過3台不小於100 M W的燃氣同步機組線上運行，以保證系統最低轉動慣量。
根據各省級電網大比例新能源接人後保障電網安全穩定運行的要求，建議制定與其相適的最低轉動慣量占比標準。同時在未來的電力市場競價上網環節限制新能源併網引起的超低電價，避免與南澳類似的大範圍同步機組被淘汰退市的現象發生。
3．提高個別地區風機連續低電壓穿越能力要求
針對個別風速過大地區風電場的新投運風電機組，可適當調整現行的單次低壓穿越成功即通過測試的併網測試標準要求，提出短時間內進行多次低電壓穿越的新要求，比如設定120 s內連續低電壓穿越5至10次的測試新標準，以應對實際運行中的極端情況。
4．發揮線上預警優勢防控系統頻率波動
利用系統頻率變化率進行判據的自適應低頻減載策略雖有預切負荷的優點，但不易實施。中國低頻減載加速切負荷方案工作原理簡單，具有明顯的優越性。新形勢下，中國特高壓大功率運行時可能面臨直流雙極閉鎖、交流雙回線跳閘以及同一輸電通道多回線路故障後大受端或大送端受擾動等問題，需實時分析故障後送受端潮流和頻率跌落情況。可發揮線上安全計算優勢，利用省調線上實用化算法，30 s周期計算最低頻率，1min周期滾動分析頻率變化，及時向國分省調發布預警。在新能源比例較高的地區，可考慮採用直流調製提高互聯電網頻率穩定性，儘可能避免電網高頻切機和低頻減載動作 。
5．做實黑啟動預案
黑啟動是電網停電事故後電力恢復的重要措施，而中國在模擬真實環境下進行過的黑啟動實驗很少。因此需實施更加貼近實戰的黑啟動實驗考核機制，強制地方電網嚴格模擬實際情況進行黑啟動試驗，避免南澳電網出現的在實際黑啟動過程中未按預案規定步驟進行操作的情況發生。應著力提升中國現有電網黑啟動預案的時效性、落實黑啟動實驗的常態化、維持參與黑啟動預案電廠的設備管理及運維的長效性。
同時，開發儲能電池、抽蓄電站、儲能型風電場};o等新型黑啟動電源，通過技術與經濟手段鼓勵具備黑啟動能力的發電廠積極參與黑啟動輔助服務，建立一種停電情況下無法有效進行黑啟動的機組必須事後補償有能力立即進行黑啟動的機組的經濟獎罰機制，形成一方有難八方支援的黑啟動聯動體系。
總結
南澳電網大停電事故是由一起非常罕見的極端天氣引發的意外事件，但該事件偶然中存在必然。過於激進的新能源滲透率給電網帶來安全威脅的同時，電力市場運行機制也為提供系統轉動慣量的燃煤燃氣機組的退出推波助瀾。而以傳統火電機組為代表的同步發電機退網進一步迫使南澳通過聯絡線尋求有功及無功支撐，更增大了脆弱的聯絡線過載導致系統孤網的可能 。
中國電網在特高壓化、新能源化、電力市場化等新形勢的改革進程中需完善目前的電網安全穩定整體戰略，提升災害預警線上計算輔助決策水平，保障系統轉動慣量，在技術上提高系統抗擾動能力，重視黑啟動實驗，未來鼓勵更多具備黑啟動能力的機組參與黑啟動輔助服。
