巴西大停电的思考

周博文，陈麒宇，杨东升

（1．东北大学信息科学与工程学院，辽宁省 沈阳市 110819；2．中国电力科学研究院有限公司，北京市 海淀区 100192）

0 引言

2018年3月21日15∶48，巴西再次发生大停电事故，导致巴西北部和东北部电力系统与主网解列，北部和东北部 14个州2049个城市受到严重影响，占比达到 93%(共2204个城市)[1]。巴西南部、东南部和中西部受到一定影响，共计9个州。巴西全国共26个州和1个联邦区，此次事故影响的州/区占比 85%。此次大停电共计切负荷19 760 MW，相当于全国骨干电网当时负荷总量的25%。事故造成中西部、南部以及东南部地区与东北部地区的联络断开，北部和东北部地区的电力系统崩溃，南部、东南部和中西部地区受到干扰。此次事故受影响较大的州有：阿拉戈斯、阿马帕、亚马孙、巴伊亚、塞阿拉、马拉尼、帕拉、帕拉伊巴、皮奥伊、伯南布哥、北里奥格兰德、隆多尼亚、塞尔希培和托坎廷斯等，如图 1所示。

初步调查显示，事故起因为±800 kV美丽山直流输电一期工程的送端Xingu换流站内500 kV交流母线断路器，因整定值为出厂设置，当日负荷增加时线路负载电流超过预设值引起过载跳闸，使得处于试运营阶段的Xingu换流站失去仅有的一条500 kV交流母线电源，引发双极闭锁。同时，由于试运营阶段的安稳装置未考虑单母线运行失压情况，导致直流安稳系统判断切除6台机组的信号为错误信号而未发出切机指令，导致正在运行的美丽山水电站7台机组继续运行，最终因自身保护而全部切除，加剧了故障。初步判断，巴西电网结构不合理、控制保护的设置不统一是造成此次大面积停电的主要原因，但巴西国家电力调度中心(ONS)认为丢失 4 000 MW 不会对巴西电网造成影响，具体事故原因仍在调查中。

回顾历史上重大的停电事故，网架结构不合理、运行方式不合理、保护控制系统故障等一直是引发大电网停电的主要因素。文中首先回顾全球历史上重大的停电事故，介绍了历次大停电事故的主要过程。其次分析了大停电事故的主要原因并提出了相应的改进对策。最后，结合当前电网发展和研究的热点，提出了应对大停电事故的主要研究方向。

图1 巴西大停电受影响的区域Fig. 1 Impacted area of the blackout

1 全球大停电事故回顾

有史以来，全球共发生比较严重的大停电事故51次，1965—2009年之间国外发生20起大停电事故，事故时间、地点及原因见表1；2010年至今国外发生大停电事故22次，见表2。可见，大停电发生的频率比以前高得多。表3列出了我国大停电事故。

全球大停电事故集中出现在2个阶段。第1阶段是2003—2006年，全球范围内电力市场逐步发展，电力交易、设备检修等加重了电网的潮流负担，此时的继电保护或安全自动装置误动或因过载动作极易引发潮流大规模转移造成原本已经重载的线路或变压器出现进一步过载，最终导致连锁事故和大停电。

第2阶段是2010年至今，虽然因保护控制系统引发连锁事故的大停电也时有发生，但更多的初始故障起因为自然灾害，如雷电、大风、地震、海啸、雨雪冰冻等。随着电网信息化水平和新能源接入的不断提高，新型故障开始产生。如2015年12月23日，乌克兰电网因受到“黑暗力量”(BlackEnergy)恶意软件攻击引发大停电。这是全球首次人为故意使用恶意软件或网络病毒攻击电力系统保护控制设备引发的电网大停电事故。2016年9月28日，台风和暴雨等极端天气袭击新能源装机比例非常高的澳大利亚南部地区，引发新能源大规模脱网。这是首次新能源大规模脱网导致的电网停电事故。

2 大停电事故的主要原因及改进对策

2.1 自然灾害

雷电、大风、地震、海啸、森林火灾、雨雪冰冻等自然灾害十分普遍，极易造成短时间内输配电线路跳闸，引发切机切负荷，从而造成大停电。从历史上主要大停电来看，此类事故引发的大停电占比高达 1/3。自然因素造成的停电一般发展速度比较快，影响范围广，故障恢复比较慢且故障反复频繁。自然因素导致的设备物理损伤一般难以短时间恢复，而极端气候条件一般还易引起负荷激增进一步缩小故障电网的安全稳定裕度。如2008年中国南方雨雪冰冻天气，湖南电网多条重要输电线路发生倒塌断线，电网重要线路、节点出现物理损伤破坏网架结构。1999年土耳其8.17大地震、1999年台湾省 9.21大地震、2008

年中国汶川5.12大地震和2011年日本3.11大地震，均对当地的供电基础设施造成严重破坏，造成电力供应中断。2007和2015年辽宁电网受极端气候影响，多个电压等级的多座变电站及多条线路发生多次跳闸事故，电网结构反复变化，最终导致电网大规模停电。

表1 1965—2009国外大停电事故Tab. 1 Large-scale blackouts outside China from 1965 to 2009

表2 2010 年至今国外主要大停电事故Tab. 2 Large-scale blackouts outside China since 2010

表3 我国大停电事故Tab. 3 Large-scale blackouts in China

针对自然因素引发的停电事故，电网应积极利用气象大数据和天气预报信息，将气象预测与负荷预测、发电计划相结合。同时，针对极端天气条件，进一步提高预警和防范措施，完善安稳控制策略，保证电网有充足可用的备用容量。如2016年澳大利亚南部大停电，传统发电容量不足，无法满足新能源大规模脱网后的发电缺额，导致了大停电事故。

2.2 设备故障

输电线路和变电站设备故障也是造成大停电的另一重要因素，导致的大停电事故超过60%。其中，输电线路故障造成的停电略高于变电站故障。设备故障引发的停电由于暂态过程快，其发展和演化速度较快，故障影响范围也较大。一般事故的起因除自然因素外，多为设备老化、质量问题、保护控制误动等。如2005年莫斯科大停电中起火爆炸的电流互感器，已使用超过40年，远远高于设备正常使用年限。而随着电力市场的发展和电力公司的市场属性驱使，世界各国电力公司均面临设备老化的风险。因此合理的资产管理、设备巡检、质量检验非常重要。

历史上非常著名的几次大停电事故几乎都与保护控制系统有着密不可分的联系，如1965美加大停电、2003美加大停电、2006西欧大停电、2006华中电网停电、2012印度大停电等。此类事故的诱因有多个方面。一是电网相对薄弱，多条重要线路或备用电源处于检修或长期停运状态，系统缺少必要的调控潜力；二是负载较重，大停电几乎都发生在每年的大负荷日季节或日负荷曲线的尖峰时段，潮流过载引发线路下垂而造成接地短路从而导致事故的发生；三是保护误动，转移的潮流加重了其他线路的潮流负担从而引发连锁事故；四是感知能力和在线安稳计算能力不足，紧急预案不充分，当电网处于紧急状态运行时，或连锁事故发生第二故障时，往往还在沿用正常状态下的安稳控制策略，缺少迅速可靠的电网感知能力和在线安稳计算能力。

针对设备故障引发的停电事故，电网主要从技术手段加以完善。如建设交直流特高压骨干网架，提高电网的网架强度；保证系统的备用容量，采用FACTS装置或HVDC等，灵活调控电网潮流；提高继电保护和安全自动装置的可靠性，加强N-1、N-2、N-1-1、N-m等多种安稳校核；基于能量管理系统/监测控制与数据采集系统/广域量测系统(EMS/SCADA/WAMS)，在电力公司调度中建立在线安全稳定控制系统，提高调度员的电网感知能力和处理连锁事故的决策支持。

当然，购买合格产品，保证设备质量是安全运行、避免事故的根本。

2.3 操作失误

电网运行属于高危工作，虽然电力系统的操作有着严格的操作规程和安全规范，但操作失误仍在大停电中扮演了一定角色。针对此类事故，应加强运检管理及操作人员的安全生产责任意识，加大技术培训力度，确保相关人员熟知运行操作风险及相关应对措施。

2.4 策略失误

策略失误一般指针对某一特定事故或某一系列连锁故障，电网缺少相应的安全稳定控制策略。此种情况在2010年前发生较多，但随着N-1安全校核等安稳措施的逐步完善，近年来，此类事故仅有两次，情况均较为特殊。一是2011年韩国大停电。电网负荷预测出现严重负偏差，全国备用容量最低时仅为31 MW，严重威胁全网安全。此时，为避免全国性大停电，以负荷损失最小为顺序，采取临时性的30 min轮流停电。此策略虽然避免了全国大停电，但全国约162万户居民在高温中遭遇停电。二是2018年巴西停电。美丽山直流一期工程属于试运营阶段，试运营期的安稳控制策略未计及单母线临时运营的失压情况，安稳策略考虑不全，导致直流双极闭锁，失去大电源。

可以预见，在负荷预测较准、发电计划安排合理、安稳措施完善的情况下，策略失误导致的大停电基本可以避免。

2.5 网络攻击

计算机信息通信技术(ICT)提高了电网设备和保护控制装置的功能，同时，也埋下了受到网络攻击的隐患。随着电网信息化水平的提高，这种隐患也越来越大；必须引起足够的重视，加强信息系统的防护。乌克兰电网受到“黑暗力量”恶意软件攻击引发大停电，只是个开始，这是首次使用恶意软件或网络病毒攻击电力系统保护控制设备引发的电网大停电事故。

2.6 新能源脱网

随着新能源装机比例的提高，新能源大规模脱网对电网产生了重要影响，也易造成大停电。首次新能源大规模脱网导致的电网大停电事故发生在2016年的澳大利亚南部地区。由于过去风电机组没有低电压穿越功能，电压低时直接脱网。新的风电机组都应该有低电压穿越功能。

3 大停电事故主要研究方向

结合新能源接入、交直流混合电力系统、能源互联网、信息物理电力系统、人工智能等当前电网发展和研究的热点[40-42]，探讨电网大停电事故的主要研究方向。

3.1 大规模新能源接入后的交直流混合电力系统

随着全球范围内的能源转型和环境保护压力增加，电力系统中的新能源装机比例和发电比例逐步提高。大规模远距离的新能源发电基地，往往通过大容量高电压远距离的交流特高压或直流特高压将电能输送到负荷中心。大规模新能源接入后的交直流混合电力系统与传统电力系统存在较大区别，这给电网大停电的防范带来新的挑战。

考虑极端气候条件或天气条件的新能源发电预测与负荷预测技术亟待发展，应解决因预测误差或风速过大导致风机闭锁等新能源波动性、间歇性和不确定性等情况下的系统备用容量问题和调峰调频问题。

大规模新能源接入电力系统及直流输电技术的发展使得电力系统电力电子化趋势日益明显，系统惯性显著下降，系统的动态稳定裕度减少。因此，亟需研究电力电子化电力系统的稳定性问题，避免因新能源波动或直流闭锁导致频率、电压发生严重波动，引发系统稳定性问题。

加强分布式新能源接入后的分布式电源本地消纳研究，即分布式电源分布式消纳。从负荷侧增强可控负荷或柔性负荷的调控能力和调控潜力，采用“源-网-荷-储”协同优化调控消纳新能源电量，在一定区域内实现电能的自产自销，减小骨干网架或区域骨干网架的潮流压力，提高骨干网架的输电能力，避免因大规模潮流转移引发连锁事故。

3.2 能源互联网和信息物理电力系统

随着新一代通信技术的发展，尤其是无线通信技术的迅猛发展，当前电网与信息技术、网络技术、通信技术等融合形成的能源互联网及信息物理电力系统逐渐成为研究热点。通过能源枢纽等实现的冷、热、电、气、油等多能源互联系统的经济效益和环境效益更为可观。同时，多能互联条件下的系统安全问题也应引起注意。传统电网的安全性仅对电网自身造成影响，引发停电事故。多能源互联情况下，多种形式能源间对安全性要求各不相同。如天然气和汽油等，一旦电气设备发生故障形成电弧、电火花、漏电，安全性威胁十分严重且难以用停电损失衡量。制冷和制热系统中常用的冷媒如液氨也存在爆燃危险，氟利昂存在泄漏后的环境威胁。同时，由于电能的便捷性与高效性，其他形式能源系统一般都与电力系统相连。一旦其他能源需求过盛，电网潮流负担重，也易造成停电事故。目前对多能互联系统或能源互联网的安全性研究仍较少，因此，能源互联网安全性研究亟待开展。

现有的电网可控负荷或柔性负荷一般多为电热类负荷(电热锅炉、蓄热电锅炉、电热烘干机等)、电制冷负荷(空调、冷库等)、电动汽车、储能等。此类负荷参与分布式电源分布式消纳既是能源互联网的发展，也是“源-网-荷-储”智慧用能的发展，同样可以降低骨干网架的潮流输送压力，避免连锁事故发生。

信息技术的进步在一定程度上提高了电网调度人员对电网整体运行状态的感知。尤其是基于互联网+、物联网、大数据、云计算、分布式计算等的电网运行、检修、调度等的决策支持系统研发，大大加强了电网运行人员对系统运行数据的有效利用。然而，此类信息技术严重依赖于安全可靠的通信网络，尤其是无线通信网络，也给网络攻击或病毒攻击创造了条件。因此，加强信息物理电力系统信息安全是保障现代电网安全运行的必要条件，也是避免大停电的重要方面。

3.3 人工智能在预防大停电事故中的应用

人工智能技术依托先进传感器、物联网、大数据、云计算、深度学习等信息通信和互联网技术，在电力系统设备管理、运行调度、市场交易等方面均有应用前景。目前对连锁故障、潮流转移、保护控制装置的误动等引发的大停电演化机理仍未形成较好的研究理论，主要原因是故障期间电网信息不足，在线安稳控制策略计算较慢，故障分析仅能通过事后仿真。因此，利用人工智能技术，在线学习系统的运行方式，采集设备的运行状态，对电网紧急运行状态提出在线安全预警，建立基于人工智能的大电网安全防御体系十分重要。

4 结论

1）大停电是可能再次发生的。从全球历史上比较重大的51次大停电事故的起因及结果来看，并没有十足的把握避免大停电。大停电的起因主要有自然因素、设备故障、操作失误、策略失误、网络攻击和新能源脱网等。

2）结合电网及事故的历史及当前电网的发展，预防大停电的策略及措施可以从大规模新能源接入后的交直流混合电力系统、能源互联网和信息物理电力系统、人工智能应用等方面进行探讨。

3）现代电力系统与传统电力系统已存在较大区别，传统大停电分析、预警、防御措施难以适用于现在的复杂电力系统或能源系统，电网大停电的威胁来源更广更复杂，应该加强复杂电力系统条件下的大停电研究。同时，新兴理论技术如信息通信技术、人工智能技术等的发展也为大停电分析、预警、防御带来了新的手段。

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