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%負荷，體現(xiàn)出已有技術管理措施對防控大電網(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)定運行面臨的多方面隱患。兩位作者在英國電力界工作多年，結合觀測到的有限數(shù)據(jù)和相關信息，提出相關推測。

英國2019.8.9大斷電事故全析

 圖1：英國大斷電造成的交通癱瘓

英國當?shù)貢r間2019年8月9日16時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，波及范圍達一百萬人以上。停電事故造成部分鐵路和公路設施癱瘓，對居民生活、工業(yè)生產(chǎn)和社會活動產(chǎn)生極其嚴重的影響。作為不列顛島唯一的調(diào)度中心，英國國家電網(wǎng)公司當晚聲明：“今晚我們遭受了非常意外的和不常見的斷電事件，兩座發(fā)電站同時跳閘，導致系統(tǒng)頻率大幅下跌�！薄半m然跳閘事件我們無法控制，但通過切除一部分用電負荷措施，我們保障了大電網(wǎng)的運行。”電力供應在事件發(fā)生一個半小時之后全部恢復。此次停電，與2008年英國發(fā)生的大斷電極其相似：2008年5月27日，4臺發(fā)電機恰巧同時跳閘，損失出力共計1993MW，致使大量電力用戶受到影響，系統(tǒng)的低頻自動卸荷系統(tǒng)切除了部分負載，使電網(wǎng)運行穩(wěn)定性逐漸恢復，全過程共持續(xù)三分半鐘。

 圖2：英國電力系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)中樞-英國國家電網(wǎng)電力調(diào)度中心

一、英國電力系統(tǒng)概況

截止2018年底，英國的發(fā)電總裝機容量約為80GW。燃煤發(fā)電在政府的高二氧化碳排放稅限制下逐漸關停，以風電為首的新能源發(fā)電在Renewable Obligation 和Contract for Difference等新能源鼓勵政策的驅(qū)動下發(fā)展迅速。2017年4月21日英國首次實現(xiàn)了工業(yè)革命以來的24小時零煤炭發(fā)電，這標志著英國在新能源發(fā)展和降低工業(yè)二氧化碳排放方面邁入了嶄新的領域。英國國家電網(wǎng)公司也在今年四月提出在2025年實現(xiàn)電網(wǎng)"零碳"運行的目標。然而，新能源快速發(fā)展所帶來的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，也為電網(wǎng)安穩(wěn)運行埋下了潛在的隱患。

英國的輸電網(wǎng)電壓等級為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。配電網(wǎng)主要電壓等級為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。英國不列顛島目前有4條國際直流互聯(lián)網(wǎng)線路和1條嵌入式高壓直流線路。2條國際直流線路分別連接愛爾蘭（EWIC, 容量500 MW）和北愛爾蘭（Moyle，容量500 MW），1條連接法國（IFA，容量2000 MW），其余1條連接荷蘭（BritNed，容量1000 MW）。2017年投運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力發(fā)電向英格蘭用電中心的饋入。

二、停電事故相關的小巴福天然氣電站與霍恩熙風電場

本次大停電，主要與兩個大型發(fā)電廠相關：Little Barford小巴福天然氣發(fā)電站和Horsea Offshore霍恩熙離岸風電場。小巴福電站采用聯(lián)合燃氣輪機發(fā)電技術，裝機容量為724MW，由2臺通用電氣制造的220MW燃氣輪發(fā)電機組和1臺前阿爾斯通公司制造的265MW汽輪發(fā)電機組成，并網(wǎng)點為倫敦北部劍橋郡額定電壓400kV的EstonSocon變電站。霍恩熙風電場位于北海近不列顛島海域，目前裝機容量為1200MW，由174臺西門子制造的7WM Gamesa風電機構成，通過額定電壓為220kV的120km海底交流電纜并網(wǎng)，并網(wǎng)點為林肯郡額定電壓400kV的Killingholme變電站�；舳魑躏L電場的建設分期進行，預計2020年完全建成后最大容量達6GW，將成為世界上最大的離岸風電場。

蘇格蘭地區(qū)負荷少而風電水電豐富，為了滿足主要負荷中心倫敦的電力需求，蘇格蘭過剩的發(fā)電經(jīng)自北向南的輸電網(wǎng)走廊輸送至倫敦，這決定了英國為應對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電場和下游的小巴福發(fā)電站僅通過一條雙回路400kV高架線互聯(lián)，沒有其他電網(wǎng)參與互聯(lián)，二者電氣距離并不遠。進而造成二者間同步耦合強度較大，易產(chǎn)生相互作用。

 圖3：英國電網(wǎng)發(fā)生故障的小巴福燃氣電站與霍恩熙風電場的電氣位

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)的總負荷約為33GW，發(fā)電即時出力占比為：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%來自歐洲的高壓直流送電（2.3GW），27%風力發(fā)電（8.9GW），13%分布式風電和光伏發(fā)電（4.4GW）。值得注意的是，因缺乏旋轉(zhuǎn)機械慣量和無功輸出能力而對系統(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)電相較同步電機存在無功能力弱、故障電流小、機械慣量缺乏等缺點，事件發(fā)生時的英國電網(wǎng)應被認為是一個穩(wěn)定性較弱的電力系統(tǒng)。

 圖4：2018年8月9日英國全網(wǎng)負荷與發(fā)電類型

本次事故發(fā)生于當?shù)貢r間16時54分，小巴福燃氣電站（約660MW）與霍恩熙風電場（約700MW）在短時間內(nèi)先后突然跳閘，導致超過1.3GW的發(fā)電饋入損失。實際測量到的系統(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)度中心預先部署的一次頻率響應服務所牽制，暫時穩(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)公司啟動自動低頻減載的閾值，配電網(wǎng)公司中約5%的負荷被自動切除后，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)度操作員啟動了更多的發(fā)電機組，頻率在相當長一段時間內(nèi)運行在50.2Hz左右。

 圖5：事故前后系統(tǒng)實際頻率測量曲線