巴基斯坦电网大面积停电对卡洛特电站影响及应对措施

冯 源，罗 涛，张清波，李 杰，周 平，高 健

（1.中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌 443002；2.三峡国际能源投资集团有限公司，北京 101100）

0 引言

大面积停电事故是指电力系统由于单一或多重故障扰动在特定条件下诱发而造成的波及范围大、停电时间长、后果严重的停电事故。一旦发生，可能导致大范围供水、供电以及通信中断，造成交通、医疗和金融系统等关键基础设施无法正常运行，造成巨大经济损失甚至产生公共安全问题[1]。保证电力系统运行稳定，避免大面积停电发生，研究大面积停电的应对措施以及停电后快速恢复，具有重要意义。

近年来，国际上发生多起大停电事故。2018年巴西大停电[2]，由于保护整定失误和稳控系统拒动，造成巴西北部和东北部14个州受到严重影响。2020年墨西哥大停电[3],由于山火导致同走廊两回线路跳闸，引发连锁故障，事故蔓延扩大，最终导致包括首都墨西哥城在内的12个州受到停电影响。2021年巴基斯坦大停电[4],由于人为误操作，带接地开关合闸断路器并且保护拒动,导致全国电网完全崩溃。2022年中国台湾电网发生大面积停电[5],在未回充断路器气室SF6气体的情况下投入相邻隔离开关,导致绝缘不足闪络放电，台湾地区几乎所有城市都遭受停电影响。

本次巴基斯坦全国大停电，主要原因为风电场增加负荷导致交流输电线路过载，系统振荡，同时中部节点上的无功补偿能力不足，导致线路过载情况进一步加剧，部分交流线路跳闸，南北交流通道中断，直流系统又发生闭锁，最终导致系统频率及电压崩溃。对比2022年“1.9”停电事件，虽然直接原因不尽相同，但造成大面积停电的根本原因均为电网网架薄弱、安全防御体系不完善，未能及时有效隔离故障，防止系统崩溃。

目前针对电网大面积停电的主要研究方向和措施包括在电网规划和设计时应充分考虑电力系统稳定性分析，优化电源布局，加强主网架建设，增强电力系统三道防线[6]，设置电力系统PMU装置，增强电力系统实时监控[7]以及合理规划电网黑启动电源等一系列措施。下面结合巴基斯坦电网特点以及卡洛特电站采取的主要措施进行简要介绍。

1 巴基斯坦电网基本情况

1.1 电网结构

巴基斯坦电网分为国家输配电公司NTDC电网和卡拉奇电力公司KE电网两部分。其中NTDC电网又分为北部电网和南部电网，主要电压等级为500 kV、220 kV及132 kV。卡拉奇电力公司KE是巴基斯坦最大的私营电力公司，在卡拉奇地区享有独立的发电、输变电、配电经营权，主要电压等级包括220 kV及132 kV[4]。电力系统调度运行由NTDC下属部门电力调度中心NPCC负责。巴基斯坦电网输变电情况详见表1。

另外，±660 kV高压直流输电线路（默－拉直流）于2021年9月正式投入商业运行，输送容量4 000 MW。巴基斯坦NTDC电网地理接线参见图1。

图1 巴基斯坦 NTDC 电网地理接线

1.2 电源

截至2022年6月，巴基斯坦电源总装机容量为43 775 MW，火力发电容量26 683 MW(占比60.95%)，水力发电容量10 635 MW（占比24.30%），风电发电容量1 838 MW（占比4.20%），太阳能发电容量630 MW（占比1.44%），生物质发电容量369 MW（占比0.84%），核电发电容量3 620 MW(占比8.27%)。巴基斯坦装机容量情况详见表2。

表2 2022年巴基斯坦装机容量介绍

巴基斯坦水利电力发展署WAPDA负责国有水电的开发和运营，火电主要由巴基斯坦电力公司PEPCO下属发电公司GENCOs负责，巴基斯坦原子能委员会PAEC负责核电开发和运营。此外，在发电侧还有近50个独立发电商（IPPs）以及一些小型发电商（SPPs/CPPs）。

1.3 用电负荷

巴基斯坦用电负荷分布极不均衡,用电负荷主要集中在中东部的旁遮普省以及卡拉奇、伊斯兰堡等大城市，约占60%左右，而南部电网负荷约为北部电网的一半。巴基斯坦电网负荷峰值需求约为30 000 MW，冬季负荷较小，约为夏季高峰需求的一半。

1.4 巴电网存在的主要问题

（1）电网结构薄弱。巴基斯坦电网结构不合理，火电主要集中在旁遮普省和南部地区，水电则主要集中在北部地区，南北电网之间潮流分布存在明显的季节性变化[8]。电网交流联络通道呈薄弱的长链式结构，一旦主要输电通道故障，容易造成潮流大量转移引发连锁故障。

（2）安全防御体系不完善。系统继电保护配置不完善，保护设定值不合理，不能有效的切除故障，甚至越级跳闸，扩大事故范围。电网失步解列装置功能不完善、装置拒动，不能有效的控制系统振荡。电力系统稳定装置PSS配置不完善，不能有效抑制系统低频振荡。系统无功及电压自动控制功能不完善，电压波动范围较大。

（3）网源协调能力不足。巴基斯坦电网侧虽然配置了一定程度解列、低频减载、高频切机等措施，但相关措施不能正确动作，无法有效阻止事故扩大。电源侧保护参数设置不合理，事件发生时，北方电网低频导致机组跳闸，功率缺额加剧，致使电网频率崩溃。南方电网高频过程中大容量火电和核电机组跳闸，系统转入低频后低频减载装置未能平衡发电侧和负荷侧关系，系统失稳[4]。

（4）运维管理水平不足。电网设备设施缺少维护和检查，涉及电力系统稳定的保护及自动装置等功能失效，电网调度人员缺少对高压直流系统的运行维护经验。大多数发电厂不具备黑启动能力，部分电厂缺少针对停电事件的应急预案和恢复送电的作业规程，部分电厂在启动过程中发生故障，不能及时并网，电网故障后恢复能力不足，恢复时间较长。

2 卡洛特电站应对巴电网大面积停电的主要措施

巴基斯坦电网大面积停电造成卡洛特电站全站停电，电力供应中断，厂用电全部失电，水库水位持续上升，严重影响厂房及大坝安全。由于电网恢复供电时间较长，电站必须依靠自身黑启动能力以恢复主辅设备供电。电站针对巴基斯坦电网特点在运行初期就已经提出和实施了一系列有效的措施，因此电站运维管理人员才能在此次电网大面积停电事件中快速响应，正确处置。下面简单介绍和总结电站采取的主要应对措施和经验。

2.1 切实落实柴油发电机作为紧急安保电源的要求

（1）加强柴油发电机检查、试验和维护工作。柴油发电机是电站黑启动的重要应急电源，电站要求定期检查蓄电池状态、储油罐油量以及各部件健康情况，做好柴油发电机及蓄电池维护保养以及储油罐补油工作。严格执行定期工作要求，检查柴油发电运行状态。

（2）提升柴油发电恢复重要负荷供电的应急响应能力。电站组织实施柴油机带负荷运行能力试验，梳理启动柴油发电机恢复重要负荷的优先顺序及注意事项，编制柴油发电机启动并恢复厂用电母线操作指南[9]。落实启动柴油发电机并开启溢洪道闸门的应急演练，全面提升电站运维人员的应急处置能力。

（3）研究柴油发电机自启动和“一键恢复供电”的控制流程。柴油发电机自启动关键在于理清厂用电全停判断条件以及柴油发电机开关与厂用电母线电源开关之间的备自投动作逻辑。巴方员工事故处置经验较为缺乏，能力尚待提高，该功能的开发将大大减少巴方员工的现地操作过程，提高应急响应的自动化程度。

2.2 加强机组黑启动功能研究，优化其流程

（1）组织机组黑启动条件研究

水电站黑启动是否成功取决于厂用电消失时调速器液压系统压力需满足导叶开启操作，调速器油气比合理，满足压油罐低油压、低油位事故停机等不利因素[10]。还应考虑调速器控制系统、电磁阀、接力器锁定等在交流电源消失情况能够正常控制和操作。卡洛特电站调速系统具备A类和B类黑启动的条件。

电站励磁系统功率柜风机在交流电源消失时机组不能自动启励，但风机继电器可以手动切换至强启模式，厂用电恢复后应及时恢复励磁风机交流电源。机组起励电源取至直流系统，但GCB合闸状态下励磁系统无法起励，需要人为闭锁GCB合闸信号。励磁系统满足A类和B类黑启动要求，但需一定的人为干预。

电站机组三部轴承均为内循环冷却方式，无需循环油泵。技术供水阀门为交流电动阀，无交流电源时需人为操作开启阀门。机组制动风闸、蠕动探测装置在交流电源消失时可以正常投退。顶盖水位上升率以及顶盖自流排水系统能够满足机组黑启动要求。机组辅助设备及自动化元件能够满足B类黑启动要求，人为干预后一定程度上也能够满足A类黑启动条件，后期需要进行一定的技术改造。

电站发电机出口开关GCB具备无压合功能，满足机组带主变压器零起升压操作。主变压器冷却方式为强迫油循环风冷，在进行A类黑启动时需要考虑主变冷却器全停跳闸的影响。

值得注意的是，在选择黑启动机组时还应考虑快速门未因事故停机而落门，同时在进行A类黑启动时发电机出口刀闸应在合闸位置[11]。

（2）组织黑启动试验，优化机组黑启动流程。电站分别进行了B类和A类机组黑启动试验。分别梳理和记录影响B类黑启动的自动开机流程的限制因素，检验了机组A类黑启动的纯手动操作流程和技术限制条件。进一步完善了机组黑启动的应急响应操作流程，组织编制了机组黑启动标准操作指南，优化了《卡洛特电厂厂用电全停及黑启动应急预案》。

（3）推进“一键机组黑启动”功能研究。通过前期研究和试验，卡洛特电站机组具备一键机组黑启动条件，但因部分设备及控制流程还存在一定的限制因素，黑启动过程中还需要人为干预配合，下一阶段电站将完善控制程序和回路改造，实现监控系统“一键机组黑启动”功能。

2.3 开展机组孤网运行研究

电站重点组织分析了孤网运行状态下机组振动区问题，厂用电负载变化情况；分析了励磁系统运行情况，以避免机组发生过电压保护或主变过激磁保护动作跳闸情况。重点分析了水轮机调速器系统，通过分析和计算孤网情况下机组频率偏移量以及有功负载变化量，选择优化调速器孤网PID参数以及合理的永态转差系数Bp，确定进入孤网的判断条件，保证机组孤网运行稳定。

目前电站对调速器系统孤网参数进行了初步选择和确定，期间经历了数次孤网考验，机组切换至孤网运行正常。由于电站无安稳切机装置，电站进入孤网运行时，还要考虑更合理的控制策略，避免多台机组同时进入孤网模式造成机组间振荡。

2.4 强化保护及安全自动防控体系

（1）完善保护定值管理。电厂先后组织多次事故分析，对主变过激磁保护、线路过电压保护定值以及保护装置安装调试中的遗留隐患进行了整改。机组投产后先后组织多次保护定值核，并同相关单位就保护定值计算书、保护定值单等内容进行讨论和沟通，有效保证了保护装置的可靠性。

（2）线路过负荷切机功能实施和试验。由于卡洛特电站送出线路为“T”方式接入原NJ电站送出线路，电站商业运行后，在巴基斯坦电网公司的要求下实施了线路过载切机方案，电站具备500 kV一回线路过载时切除部分机组的功能。

（3）电力系统稳定器PSS功能投入研究。巴基斯坦电网1.23大面积停电事件后，巴基斯坦电网公司要求各电站投入PSS装置。电站正积极同相关单位以及电网方的沟通协调，推进完成PSS相关试验，确定PSS参数。

（4）开展安全稳性研究。由于巴基斯坦电网结构和设备水平等因素，安全稳定控制装置在巴基斯坦电网中并没有得到应用。卡洛特电厂除了配置线路过载切机策略外，没有配备安稳切机或失步解列等电力系统稳定装置，当电网发生稳定性破坏事故时，卡洛特电站将难以快速从系统中隔离出来。当前电站正组织开展系统稳定性研究工作，同时加强同电网方沟通协作，旨在制定更加合理的安全稳定控制方案。

3 结语

卡洛特水电站是巴基斯坦电网中的重要电源，电站的安全稳定运行对电网有着重要影响。一方面电站要积极做好应对措施，防止电网停电事件对电站产生不利影响。另一方面，也要保证电站稳定运行，杜绝因电厂本身故障影响电网系统的稳定运行，避免造成不利影响。电站在实施黑启动、孤网运行和电力系统三道防线等相关措施以及具体实践过程中总结了相关经验和注意事项以供借鉴和参考：

（1）大面积停电后应密切关注水库水位变化情况，第一时间恢复溢洪道闸门供电。

（2）水电站厂用电设计时，应考虑设计重要负荷母线，方便柴油发电机快速恢复重要负荷供电。

（3）电站机组主设备及辅助设备设计选型是应考虑机组B类黑启动能力,进行电站“一键黑启动”功能设计时，应充分分析厂用电全停的判断逻辑以及机组具备升压条件。

（4）黑启动机组带主变零启升压，需要考虑机组出口开关具备无压合闸功能，零启升压后应安排专人监视励磁电流，防止机组过电压或主变过励磁。

（4）机组孤网运行期，应密切监视机组运行工况，尽快恢复厂站重要负荷，防止二次全停并做好二次全停应急处置准备。

（5）机组恢复并网时，建议隔离1台机组孤网运行带厂用电，待其它机组并网正常后再恢复厂用电正常运行方式。