第1章　绪论
　　随着能源的互联加强，电力系统越来越庞大，一旦系统出现不可预期的扰动，将不可避免地导致大停电事故，对工业生产和人民生活带来巨大负面影响。本章从近些年世界范围内出现的大停电事故分析入手，阐述大停电事故诱因，并总结大停电事故发展过程中存在的问题，进一步引发思考。本章基于智能变电站技术和广域通信技术的发展，分析测量数字化、通信标准化关键技术，并结合信息共享与智能化，从电力系统一次设备和二次技术对继电保护的相互影响，提出继电保护变革及其意义。
　　1.1　现代电网大停电事故分析及其引发的继电保护思考
　　电力行业是国家经济的命脉，电力系统的合理建设具有优化能源资源配置，确保能源安全的重要作用，当前我国电力工业的发展体现了我国的基本国情。截至2020年底，全国电力生产供应能力稳步提升，供需总体平衡，结构进一步优化。中国电力企业联合会发布的数据显示，截至2020年底，全国全口径发电装机容量为22亿kW，同比增长9.5%。根据国家统计局发布的国民经济和社会发展统计公报，2011～2020年全国发电量及增速情况如图1.1所示。
　　2020年全国发电量为77 790.60亿kW h，其中火电发电量为53302.5亿kW h，水电发电量为13552.1亿kW h，核电发电量为3662.5亿kW h，风电、太阳能发电量分别为4665亿kW h、2611亿kW h，生物质发电量为1326亿kW h。由此可以看到，可再生能源发电量约达到22000亿kW h，占全社会用电量的比重达到28.28%。2021全国“两会”上，“碳达峰、碳中和”被首次写入政府工作报告，可以预期，可再生能源发电与利用将达到一个新的高度。
　　新能源革命已经兴起，电力发展面临转型和挑战。当前我国电网建设正处于快速发展的过渡期，主网拓扑结构变化日趋增大，运行呈复杂多变特性，高比例新能源发电的集中接入、常规电源与新能源共用外送通道、交直流混联输电形成大电网强电磁耦合互联，加之新能源运行特性与用电负荷特性不一致的特点，都决定了电力系统运行控制和消纳难度将进一步加大，电网安全稳定运行承受越来越大的压力。截至2020年底，国家电网公司“十三交十一直”，南方电网公司“八交十一直”工程建成投产，跨区跨省电网联系更加紧密，系统之间相互影响和制约进一步增强，大电网一体化特征明显，单一扰动影响范围扩大。任一条输电走廊故障将对送受端电网造成较大的有功、无功冲击，互联系统下的大范围功率转移也是近些年大停电事故的根源之一。
　　根据电力系统长期运行经验，以及多次严重事故的教训，我国总结出一套系统性安全防御措施配置的原则，即电力系统安全稳定的“三道防线”，为保障我国电力系统安全稳定作出了巨大的贡献。“三道防线”及其功能如图1.2所示。
　　电力系统根据“三道防线”来抵御系统发生的相应扰动，每道防线的状态特征和抗扰动对策也相互适应，这些年，我国各系统严格贯彻“三道防线”，执行相关规定，尽管尚有不足之处，但系统性大事故很少，多年未出现大面积系统停电的系统崩溃事故。现在世界各国电力系统也普遍建立了自己的安全稳定准则，但随着现代工业的快速发展和对于电力需求的快速增长，电力系统面临很多新的挑战，如果电网安全措施不当，很可能导致电网失稳或者大面积停电事故。下面就2011～2020年国外几次大停电事故进行简单的分析。
　　1.2011年2月4日，巴西东北部电网大停电
　　2011年2月4日00:08，Luiz Gonzaga变电站Luiz Gonzaga-Sobradinho 1号线路保护装置故障，启动开关失灵保护动作，跳开1号母线。此时，除了1号线路被跳开，系统结构并没有出现较大的改变。
　　至00:21，变电站运行人员手动试送1号线路，启动失灵保护的信号仍然存在，导致2号母线跳闸。此时相当于该变电站退出电网，整个东北部电网结构发生重大变化，电网稳定性严重恶化。
　　由于事故前东北部电网的输入功率较大，电网出现失步振荡。失步解列装置动作，跳开了连接北部电网与东北部电网、东南部电网与东北部电网的500kV线路。进而出现潮流转移到220kV线路，线路电压急剧下降，距离一段保护动作跳闸。至此东北部电网和巴西国家互联电网解列。
　　东北部电网功率出现大量缺额，频率下降，低频减载动作，损失负荷5754MW。潮流变轻，电网内部出现了过电压，又导致电网内部线路、电容器相继跳闸。在该过程中，部分机组由于过电压保护以及其他如设置不合理等，大量机组跳闸脱网。
　　电源缺失，系统再次出现低压、低频问题，低频减载、低压减载和保护动作，系统仅维持7 min 20 s左右，至00:29，系统完全崩溃[1]。
　　2.2012年7月30～31日，印度电网大停电
　　2012年7月30日2时32分，一条220 kV线路故障跳闸，加重了西部与北部电网间联络线潮流。2时33分11秒，Bina-Gwalior的400kV线路Ⅰ距离三段保护跳闸，2s后，电网功角摆开导致北部与西部断面间的220kV线路全部跳闸。至此，北部与西部电网解网运行。
　　西部电力通过东部电网转送北部电网，加重了东部电网内部断面潮流。2时33分13秒，东部电网Jamshedpur-Rourkela的400kV双线又因距离三段保护动作跳闸。北部电网和主网发生振荡，振荡中心位于东部与北部电网联络线上，北部电网与主网解列。
　　解列后20 s内，北部和东部电网又有20余条线路相继跳闸。北部电网解列后约5 800 MW的功率缺额，由于紧急控制措施切负荷量不足，北部电网崩溃。
　　东部与东北部电网频率突升至50.92Hz，通过切机措施切除3340MW机组，最终频率稳定在50.6 Hz。从西部电网和北部电网解列到北部电网崩溃，仅用了25s。直至下午4时，电网才得以恢复。
　　2012年7月31日12时50分，北部电网Rajasthan的一台250MW机组跳闸，加重了西部-北部断面潮流；58分，西部与北部2条220kV联络线因过负荷动作跳闸，加重了Bina-Gwalior电磁环网潮流。
　　下午1时0分13秒，西部电网与北部电网间Bina-Gwalior的400kV线路因距离三段保护动作跳闸；与之并联的3条220kV线路及1条132kV线路因过载被切除，导致Gwalior站并入北部电网。至此，北部电网与西部电网间所有联络线均断开。
　　西部电力通过东部电网转送北部电网。下午1时0分15秒，东部电网Jamshedpur-Rourkela的Ⅰ回400kV线路距离三段保护动作跳闸，Ⅱ回运行，东部电网内部开始振荡。下午1时0分19秒，大量线路因潮流转移与系统振荡相继跳闸。至此，西部电网与北部电网解列。
　　西部电网解列后频率突升至51.4Hz，切除部分机组直流线路后频率维持在51Hz左右。随后的1min内，北部、东部及东北电网又有40多条线路相继跳闸。由于损失西部3000 MW功率，电网频率跌至48.12 Hz，切负荷量不足及低频切机使情况进一步恶化，最终导致北部、东部及东北三网崩溃。直至晚上7时30分电网才得以恢复[2，3]。
　　3.2015年3月31日，土耳其电网大停电
　　2015年3月31日9时36分9秒，由重负荷导致东西部400 kV联络线路过流保护动作而跳闸。进而，受潮流转移与系统的功角失稳影响，1.9s时间，并列运行的七回交流线路因为距离继电器失步功能动作，相继快速跳闸。至此，东部系统和西部系统解列。
　　9时36分12秒，土耳其与希腊间的400kV联络线路因电压相角差过大保护动作跳闸。与此同时，土耳其与保加利亚间的400kV联络线路Ⅰ保护误动跳A相开关，进而两者失步，最终导致土耳其与保加利亚间的400 kV联络线路Ⅱ、Ⅰ保护相继跳开。至此，土耳其电网失去全部三回与欧洲大陆同步联络线，与欧洲互联电网解列。
　　西部系统分别与东部系统和欧洲大陆同步电网解列后，电力缺额达到5200MW，系统频率以0.5Hz/s的速度迅速下降至48.4Hz，低频减载装置动作切除约4800MW负荷，欧洲-土耳其联络断面特殊保护系统补充切掉377 MW负荷。但是，几台发电机相继拖尾，系统频率在经过几秒的短暂稳定后继续下降，最终导致西部系统在土耳其电网解列后约10 s崩溃。
　　东部系统在解列后，频率以1 Hz/s的速度开始升高至52.3 Hz，几台发电机组因过频保护动作跳闸，导致东部系统在9时36分23秒最终因为频率过低而崩溃。整个电网在下午4时12分恢复[4]。
　　4.2018年3月21日，巴西电网大停电
　　2018年3月21日下午3时48分3秒，欣古站500kV分段断路器过流保护动作跳闸，造成美丽山直流系统接入的A2段交流母线失压，直流双极停运；美丽山水电站发电机组继续运行，潮流转移导致系统出现振荡。
　　888ms内，北部电网与东南部电网三条联络线路分别因失步保护解列、距离一段保护动作跳闸，距离Ⅱ段保护跳闸，最终导致北部电网与东南部电网解列。
　　984ms，北部与东北部电网500kV联络线三回线路失步解列装置动作。进而发生大范围潮流转移与系统振荡，最后两回500kV联络线因距离保护误动断开。1134ms，北部与东北部电网220kV联络线由于距离保护三段动作断开，至此北部地区形成孤网。
　　与此同时，东北电网与南部电网断面的500kV联络线和220kV联络线也因距离保护误动作断开，东北地区形成孤网，至此，巴西电网解列成三片。
　　北部电网孤立后，功率严重盈余，频率大幅升高至70Hz，高频切除部分机组、部分线路过压跳闸，引起系统振荡，85s后电网基本全停。东北部电网孤立后，功率严重的缺额，通过低频减载，频率基本恢复，然而两台水电站机组因涉网保护不恰当动作跳闸，电网频率再次下降，引发一系列设备保护动作，最终东北部电网基本全停。南部电网孤立后，功率出现非常严重的缺额，频率降低，低频减载装置动作切除约5%负荷后，系统恢复稳定运行[5]。
　　5.2019年6月16日，阿根廷电网大停电
　　2019年6月16日7时6分24秒，东北部一条500kV交流线路单相短路故障跳闸，加上先前另一回线路检修停运，东北部电网南送功率通道中断。潮流通过东北部电网与阿根廷主网的联络线向西转移。
　　7时6分26秒，东北部机组退出，损失发电3200MW，东北部电网与主网解列，主网损失了主要的功率来源，频率大幅下降。
　　7时6分26秒至36秒，主网部分火电厂与核电厂脱网，导致系统又损失发电1500MW。其间，低频减载动作仅达到预期的75%，频率继续下降至48.2Hz。
　　7时6分45秒，根据阿根廷设备耐异常运行时间20 s的系统规定，各类设备脱网，系统崩溃，阿根廷电网失去全部负荷约13 200 MW[6]。
　　6.2019年8月9日，英国电网大停电
　　2019年8月9日下午4时52分33秒490毫秒，线路Eaton Socon-Wymondley因出现雷击发生单相接地短路故障，故障相的电压降约为50%。70ms后W侧跳闸，74ms后E侧跳闸。各节点电压在故障清除后的100ms内均恢复正常。分布式电源检测到相移超过6°，移相保护动作，导致分布式电源第一次脱网，损失150MW。
　　线路故障后238ms，霍恩风电场无功、电压出现振荡现象，电压跌落，霍恩风场大部分机组因过电流全部脱网，风电场出力由799MW大幅降低为62MW。
　　下午4时52分34秒，小巴福德电站蒸汽机意外停机，导致频率下降，系统频率变化率大于分布式电源保护启动阈值，又导致350 MW分布式电源脱网，这是本次事故中分布式电源第二次脱网，系统损失功率累计达到1481MW。与此同时，频率响应措施启动，增加650 MW出力以稳定频率。
　　52分53秒，故障线路重合成功。频率响应措施继续出力900MW，系统频率停止下跌开始回升，恢复到49.2Hz。
　　53分31秒，小巴福德电站一台燃气机因蒸汽压力过大而停机，损失功率210MW，此时所有的频率响应措施都已启动完毕，系统频率再次下降。