本次大斷電事故雖然只切除了英格蘭及威爾士區(qū)域約5%負(fù)荷，體現(xiàn)出已有技術(shù)管理措施對(duì)防控大電網(wǎng)連鎖故障的有效性，但仍暴露出高比例可再生能源電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行面臨的多方面隱患。兩位作者在英國(guó)電力界工作多年，結(jié)合觀測(cè)到的有限數(shù)據(jù)和相關(guān)信息，提出相關(guān)推測(cè)。

英國(guó)2019.8.9大斷電事故全析

 圖1：英國(guó)大斷電造成的交通癱瘓

英國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間2019年8月9日16時(shí)54分左右，英格蘭及威爾士地區(qū)發(fā)生大規(guī)模停電事故，波及范圍達(dá)一百萬(wàn)人以上。停電事故造成部分鐵路和公路設(shè)施癱瘓，對(duì)居民生活、工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)活動(dòng)產(chǎn)生極其嚴(yán)重的影響。作為不列顛島唯一的調(diào)度中心，英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司當(dāng)晚聲明：“今晚我們?cè)馐芰朔浅Ｒ馔獾暮筒怀Ｒ姷臄嚯娛录�，兩座發(fā)電站同時(shí)跳閘，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率大幅下跌。”“雖然跳閘事件我們無(wú)法控制，但通過(guò)切除一部分用電負(fù)荷措施，我們保障了大電網(wǎng)的運(yùn)行。”電力供應(yīng)在事件發(fā)生一個(gè)半小時(shí)之后全部恢復(fù)。此次停電，與2008年英國(guó)發(fā)生的大斷電極其相似：2008年5月27日，4臺(tái)發(fā)電機(jī)恰巧同時(shí)跳閘，損失出力共計(jì)1993MW，致使大量電力用戶受到影響，系統(tǒng)的低頻自動(dòng)卸荷系統(tǒng)切除了部分負(fù)載，使電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性逐漸恢復(fù)，全過(guò)程共持續(xù)三分半鐘。

 圖2：英國(guó)電力系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)中樞-英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)電力調(diào)度中心

一、英國(guó)電力系統(tǒng)概況

截止2018年底，英國(guó)的發(fā)電總裝機(jī)容量約為80GW。燃煤發(fā)電在政府的高二氧化碳排放稅限制下逐漸關(guān)停，以風(fēng)電為首的新能源發(fā)電在Renewable Obligation 和Contract for Difference等新能源鼓勵(lì)政策的驅(qū)動(dòng)下發(fā)展迅速。2017年4月21日英國(guó)首次實(shí)現(xiàn)了工業(yè)革命以來(lái)的24小時(shí)零煤炭發(fā)電，這標(biāo)志著英國(guó)在新能源發(fā)展和降低工業(yè)二氧化碳排放方面邁入了嶄新的領(lǐng)域。英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司也在今年四月提出在2025年實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)"零碳"運(yùn)行的目標(biāo)。然而，新能源快速發(fā)展所帶來(lái)的系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題，也為電網(wǎng)安穩(wěn)運(yùn)行埋下了潛在的隱患。

英國(guó)的輸電網(wǎng)電壓等級(jí)為400 kV和275 kV（蘇格蘭地區(qū)132 kV也屬于輸電網(wǎng)），擁有超過(guò)23000 km的架空線和1500 km的電纜，變電站700余座，主變壓器1200余臺(tái)。配電網(wǎng)主要電壓等級(jí)為132 kV（英格蘭及威爾士），66 kV，33 kV，11 kV和400 V，城市配電線路以電纜為主。英國(guó)不列顛島目前有4條國(guó)際直流互聯(lián)網(wǎng)線路和1條嵌入式高壓直流線路。2條國(guó)際直流線路分別連接愛(ài)爾蘭（EWIC, 容量500 MW）和北愛(ài)爾蘭（Moyle，容量500 MW），1條連接法國(guó)（IFA，容量2000 MW），其余1條連接荷蘭（BritNed，容量1000 MW）。2017年投運(yùn)的嵌入式高壓直流線路（Western Link，容量2400 MW）連接蘇格蘭西部海岸與英格蘭西北部海岸，保障了蘇格蘭大量風(fēng)力發(fā)電向英格蘭用電中心的饋入。

二、停電事故相關(guān)的小巴福天然氣電站與霍恩熙風(fēng)電場(chǎng)

本次大停電，主要與兩個(gè)大型發(fā)電廠相關(guān)：Little Barford小巴福天然氣發(fā)電站和Horsea Offshore霍恩熙離岸風(fēng)電場(chǎng)。小巴福電站采用聯(lián)合燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)，裝機(jī)容量為724MW，由2臺(tái)通用電氣制造的220MW燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組和1臺(tái)前阿爾斯通公司制造的265MW汽輪發(fā)電機(jī)組成，并網(wǎng)點(diǎn)為倫敦北部劍橋郡額定電壓400kV的EstonSocon變電站�；舳魑躏L(fēng)電場(chǎng)位于北海近不列顛島海域，目前裝機(jī)容量為1200MW，由174臺(tái)西門子制造的7WM Gamesa風(fēng)電機(jī)構(gòu)成，通過(guò)額定電壓為220kV的120km海底交流電纜并網(wǎng)，并網(wǎng)點(diǎn)為林肯郡額定電壓400kV的Killingholme變電站�；舳魑躏L(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)分期進(jìn)行，預(yù)計(jì)2020年完全建成后最大容量達(dá)6GW，將成為世界上最大的離岸風(fēng)電場(chǎng)。

蘇格蘭地區(qū)負(fù)荷少而風(fēng)電水電豐富，為了滿足主要負(fù)荷中心倫敦的電力需求，蘇格蘭過(guò)剩的發(fā)電經(jīng)自北向南的輸電網(wǎng)走廊輸送至倫敦，這決定了英國(guó)為應(yīng)對(duì)由北向南主要潮流走向的電網(wǎng)規(guī)劃格局。從下圖所示兩個(gè)跳閘發(fā)電廠的并網(wǎng)變電站位置可以看出，位于上游的霍恩熙風(fēng)電場(chǎng)和下游的小巴福發(fā)電站僅通過(guò)一條雙回路400kV高架線互聯(lián)，沒(méi)有其他電網(wǎng)參與互聯(lián)，二者電氣距離并不遠(yuǎn)。進(jìn)而造成二者間同步耦合強(qiáng)度較大，易產(chǎn)生相互作用。

 圖3：英國(guó)電網(wǎng)發(fā)生故障的小巴福燃?xì)怆娬九c霍恩熙風(fēng)電場(chǎng)的電氣位

三、2019.8.9大斷電事故始末

如下圖所示，事故發(fā)生前，英不列顛島電力系統(tǒng)的總負(fù)荷約為33GW，發(fā)電即時(shí)出力占比為：25%天然氣發(fā)電（8.4GW），19%核能發(fā)電（6.2GW），5%生物質(zhì)發(fā)電（1.6GW），2%燃煤發(fā)電（0.5GW），7%來(lái)自歐洲的高壓直流送電（2.3GW），27%風(fēng)力發(fā)電（8.9GW），13%分布式風(fēng)電和光伏發(fā)電（4.4GW）。值得注意的是，因缺乏旋轉(zhuǎn)機(jī)械慣量和無(wú)功輸出能力而對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性支持較弱的電力電子并網(wǎng)型非同步電源（包括高壓直流送電、風(fēng)電和光伏）占比為47%，接近系統(tǒng)發(fā)電出力的一半。由于非同步發(fā)電相較同步電機(jī)存在無(wú)功能力弱、故障電流小、機(jī)械慣量缺乏等缺點(diǎn)，事件發(fā)生時(shí)的英國(guó)電網(wǎng)應(yīng)被認(rèn)為是一個(gè)穩(wěn)定性較弱的電力系統(tǒng)。

 圖4：2018年8月9日英國(guó)全網(wǎng)負(fù)荷與發(fā)電類型

本次事故發(fā)生于當(dāng)?shù)貢r(shí)間16時(shí)54分，小巴福燃?xì)怆娬荆�約660MW）與霍恩熙風(fēng)電場(chǎng)（約700MW）在短時(shí)間內(nèi)先后突然跳閘，導(dǎo)致超過(guò)1.3GW的發(fā)電饋入損失。實(shí)際測(cè)量到的系統(tǒng)頻率變化如圖5所示。系統(tǒng)頻率以接近0.2Hz/s的RoCoF（Rate of Change of Frequency）變化速率陡然下跌，28秒后被調(diào)度中心預(yù)先部署的一次頻率響應(yīng)服務(wù)所牽制，暫時(shí)穩(wěn)定在49.1Hz，隨即又下降至48.8Hz。48.8Hz是英格蘭及威爾士6大配電網(wǎng)公司啟動(dòng)自動(dòng)低頻減載的閾值，配電網(wǎng)公司中約5%的負(fù)荷被自動(dòng)切除后，系統(tǒng)用電和發(fā)電趨于平衡，頻率開始回升，4分45秒后頻率首次恢復(fù)至額定值50Hz。出于后續(xù)供電安全的考慮，調(diào)度操作員啟動(dòng)了更多的發(fā)電機(jī)組，頻率在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)運(yùn)行在50.2Hz左右。

 圖5：事故前后系統(tǒng)實(shí)際頻率測(cè)量曲線