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前车之鉴!英国大停电事件引发可靠性担忧

昨天的文章中,小编综合了外媒关于此次事故的报道和分析,为大家梳理出了此次停电事故的来龙去脉,以及事故调查争论的焦点问题——电网运营商、电源储备和可再生能源在事故中的角色。根据媒体的最新报道,英国国家电网公司已经排除了可再生能源作为上周断电的原因。英国国家电网首席执行官约翰·佩蒂格鲁(John Pettigrew)对英国天空新闻(Sky News)表示,“没有任何迹象表明,我们向更多的风能或太阳能转型,与停电事实有任何关系。”

这样说来,原因是否真的只剩下另外两个呢?随着谜底即将揭晓,我们还将进一步追踪事故调查进展。那么,英国电网系统在处理类似紧急事件中是如何操作的?暴露出哪些问题?又有哪些经验教训值得我们借鉴呢?今天分享一篇路透社市场分析师约翰·肯普(John Kemp)的专栏文章,或许能给予我们一些启示。

上周五,英国发生大面积停电,导致数十万家庭断电,部分铁路网受损,这让人们对电力系统的可靠性产生了令人不安的质疑。

由此产生的发电不足导致电网频率迅速下降,超出了可接受的下限,并引发英格兰和威尔士的地方配电公司自动甩掉部分负荷。电网控制系统本应能够在大约5分钟内使系统频率恢复正常,并在30分钟内通过调用抽水蓄能和开式循环燃气轮机等备用电源为客户供电。但是,在此期间,没有足够快速灵活或足够大的储备电源来防止触发自动甩负荷系统。

万幸,没有黑启动!

从某种意义上说,在此次事故中,英国输电系统运营商National Grid ESO成功地执行了针对供需失衡以及由此导致的频率偏离规定范围的计划响应。

通过在短时间内对有限数量的客户实施断电,ESO避免了系统失衡的进一步加剧,使事态得到了一定程度上的控制,否则还将导致范围更广、时间更久的断电事故。

最坏的情况下,整个电网系统因为连锁反应变得极不稳定,导致系统整体崩溃。在系统完全关闭后重新恢复供电,也被称为“黑启动”,可能需要几个小时,有时需要一天甚至更长时间。例如,2003年8月美国东北部和加拿大电网崩溃之后,总共花了4天时间才使所有受到影响的用户恢复供电。

因此,在此次事故中,ESO确实有一定的理由辩护称,他们的程序起到了应用的作用,防止一个小问题演变成重大紧急情况。

上一次英国发生类似的大面积停电事件是在2008年,当时也是因为同时发生的发电机故障导致停电,所以这种情况并不常见。

但尽管如此,仍需要吸取教训,此次停电事件给英国的电力监管机构、系统运营商、发电商和配电公司带来许多棘手的问题,应该为其敲响警钟。

后备电源是否充足?

停电发生时,电网负荷为29GW,处在相对较轻的夏季负荷,而去年冬季的峰值负荷为45- 47GW。

关于此次事故的更多指示性数据请点击文末阅读原文

许多发电商利用夏季负荷较轻的时机进行系统维护和升级,因此电力故障引发了人们对英国电力系统是否有足够多可以随时调用的容量储备提出质疑

根据最终提交给监管机构的停运数据,发生故障的CCGT发电机属于中型发电机,容量664MW,而故障的风电机组容量稍大一些,也仅为812MW。这两个发电机单独发生故障本身都不应该引起电网出现紧急情况,但连续两次故障显著增加了整个系统的压力。

监管机构要求系统运营商有一个动态更新的计划,以应对与电网相连的最大发电资产突然发生损失的状况(“最大电力损失”或“n-1”)。电网控制程序必须有足够的快速响应调频储备、短期运行储备以及快速需求管理选项做支撑,以应对n-1的突然损失。在出现任何发电损失后,系统必须尽快恢复到合理可用的平衡状态,此时控制程序也应该做好准备,再次应对n-1的损失。

英国电网目前最大的发电机是Sizewell B核电站,装机容量约为1.2GW。无论是发生故障的CCGT发电厂还是风电场,本身都算不上电网最大的发电资产,但这两个电厂相继停运,使电力损失超过了n-1的限制。

是否是孤立事件?

快速连续的故障意味着在第一次故障和第二次故障之间没有时间去恢复储备,所以这两次故障实际上构成了一次破坏n-1的事件。对于监管者和系统运营商ESO来说,问题是是否有足够的电源储备来维持系统可靠性,还是应该增加。

英国的电网同步频率为50赫兹,系统运营商有责任将频率控制在目标频率的±1%以内。周五的停电事件中,当系统频率降到49赫兹以下,比目标低了2%以上时,自动化设备开始切断与消费者的连接,以阻止频率的进一步下降,保护电网设备不受损害。

单个发电机也有监测电网频率的设备,当电网频率偏离目标时,这些设备会自动断开。但是这些设备必须小心设置。发电机在重大的频率偏移事件中本就应当自动切断,而在微小的频率变化时则应当自动穿越。如果发电机过早断开连接,则会使频率下降至更糟,并造成一连串故障。

在应对紧急情况时,重要的不仅仅是频率下降了多少,而是变化发生多快,以及电网控制器和发电机是否有足够的时间做出响应。无论是输电运营商还是发电商必须能够以一种稳健的方式来应对较高的频率变化(RoCoF)。

调查人员面临的一个关键问题是,CCGT和风电场的两起故障是否真的是偶然发生在几分钟内的孤立事件,还是CCGT的故障导致频率下降,进而导致风电场断开连接。

强制断开是否合理?

电网系统一般有多层级的保护系统,以处理发电和用电需求之间的不平衡,并避免发生级联故障。

首先,控制系统一方面可以调用能够快速响应的调频储备、短期运行储备、抽水蓄能、开式循环燃气轮机以及与邻近电网的互连来增加电力供应。而另一方面,它还可以调用与工业客户(包括主要制冷设施的运营商)的需求响应合同,以实现快速和短期的负荷削减。如果所有这些都失败了,电网可以向当地的配电公司发出减少需求的指令,命令他们降低电压,在最坏的情况下,开始强行切断客户的连接。

然而,在8月9日,电网紧急情况冲破了所有这些中间防护层,直接导致了强制断开。电网失衡的程度之大、变化速度之快,以至于电网无法以可控的方式部署足够的储备容量或削减需求。

但强制甩负荷应当只是最后一道防线,绝不应被视为需求管理的日常选择。

8月9日的事件表明,中间防护层可能没有达到应有的坚固程度,需要进一步加强。

在紧急情况下,地方电力分销商应该优先选择为关键和脆弱的客户供电,同时先切断其他客户的电力供应。

然而,8月9日,一些关键客户的电力被切断,包括部分国家铁路网、部分高速公路系统和至少一家医院。

到底该如何削减负荷?

关键的问题是,为什么没有优先考虑这些问题,如果采用手工减少需求而不是自动断开,这些问题是否会得到保护?

电网已经成为现代经济和社会的核心,随着交通系统电气化成为应对气候变化努力的一部分,电网在未来将变得更加重要。但随着可调度的、具有大量旋转备用容量且有助于稳定频率的化石燃料发电机被间歇性的风能和太阳能发电机所取代,控制电网频率的挑战正变得越来越复杂。

像8月9日这样的停电事故在过去并不常见,但必须尽快吸取教训,以确保它们在未来不会变得更加普遍和严重。监管机构、系统运营商和发电商需要考虑,短期储备和需求管理的保护层是否足够,还是需要进一步加强。

更多的容量储备和更多的需求管理必将增加运营成本,但会降低停电的可能性,因此政策制定者和电力行业必须权衡利弊,并清楚地传达他们的决定。

监管机构、系统运营商和电力零售商还需要考虑,目前用于自动甩负的系统是否足以保障关键和脆弱客户的供电,保障机制是否需要革新。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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