“3·3”中國臺灣電網大停電事故分析及啟示

雷傲宇，周劍，梅勇，涂亮，王宏，李家璐

(1. 中國南方電網電力調度控制中心，廣州 510663；2. 南方電網科學研究院，廣州 510663)

0 引言

大停電是指由于自然災害、電力安全事故和外力破壞等原因造成區域性電網、省級電網或城市電網大量減供負荷和大量供電用戶停電，對人民生活、社會經濟乃至國家安全造成影響和威脅的事件。對于大停電的量化標準，各個國家有所不同，國際上一般把每次電力負荷損失在8 GW以上的停電事故定義為重大停電[1]；《國家大面積停電事件應急預案》對大停電設立了特別重大、重大、較大及一般四級標準[2]。

近年來，國際上陸續發生多起影響深遠的大停電事故。2018年“3·21”巴西大停電[3 - 4]，由于保護整定失誤和穩控系統拒動，損失負荷約21.73 GW，巴西北部和東北部14個州受到嚴重影響。2019年“3·7”委內瑞拉大停電[5 - 7]，疑似遭受網絡攻擊、外部攻擊或廊道失火，全國23個州中一度有21個州失去電力供應，影響接近3 000萬人，占全國總人口95%以上，持續時間4～5 d。2019年“6·16”阿根廷烏拉圭大停電[8]，由于穩控系統拒動，阿根廷、烏拉圭幾乎全國停電，影響約4 800萬人，同時波及與阿根廷相連的巴拉圭、智利、巴西部分地區。2019年“8·9”英國大停電[9 - 11]，由于海上風電、分布式光伏及氣電等多機組連鎖脫網，停電區域涉及英格蘭以及威爾士大部分區域，約有100萬用戶受到停電影響。2020年“12·28”墨西哥大停電[12]，由于山火導致同走廊兩回線路跳閘，引發連鎖故障，事故蔓延擴大，最終導致包括首都墨西哥城在內的12個州1 030萬用戶受到停電影響，損失負荷約8.7 GW。2021年“1·9”巴基斯坦大停電[13]，由于人為誤操作并且出現保護拒動，全國電網完全崩潰，影響約2.2億人口，損失全部負荷約11.27 GW。2021年2月，美國得州經歷了連續極端低溫天氣誘發的大停電事故，停電期間最大切負荷約20 GW，最嚴重時超過480萬用戶遭遇停電[14 - 15]。

大停電事故對于現代經濟社會沖擊巨大，長時間大停電將威脅社會秩序和導致人道主義災難，其損失、后果和影響難以估量。分析國際國內大停電事故的深層次原因，總結經驗教訓，提煉事故啟示，有助于電力領域學者和工程人員加強對電網安全運行認識，提高對電網本質安全的理解，在電網規劃、設計、建設、運行過程中對照查擺類似風險并落實防范，切實提升電網預防和抵御事故風險能力，有效防范大面積停電。

2022年3月3日上午9點16分左右，中國臺灣電網發生大面積停電事故，損失負荷約8.46 GW，停電用戶約549萬戶，涉及臺灣地區幾乎所有城市，成為中國臺灣電網自1999年“9·21”大地震后最嚴重的大停電事故。本文首先介紹了中國臺灣電網的基本概況，然后基于相關報道和調查報告分析了事故過程及原因，進而對比分析近年來4次中國臺灣電網大停電事故，最后總結提出事故啟示。

1 中國臺灣電網基本情況

中國臺灣電網為典型的島嶼型電網，目前還未與其他省級電網聯網，由于人口和經濟活動主要位于西部沿海，電源、網架及負荷主要分布在西部沿海的北、中、南地區[16]。

1.1 電網概況

中國臺灣電網額定頻率為60 Hz，主干輸電網電壓等級為345 kV，電網主要位于西部沿海區域，其中南北6回345 kV輸電線路(三路同塔雙回線)在西部沿海構成了帶狀主網架，并由北至南形成龍潭、中寮、龍崎等北、中、南3個345 kV樞紐變電站，如圖1所示。為控制短路電流和分散風險，正常運行方式下，龍潭、中寮、龍崎等南北路徑上關鍵變電站采用分站運行。截至2021年底，全網共有34座345 kV變電站，345 kV輸電線路長約4 300 km。

圖1 中國臺灣電網結構圖Fig.1 Diagram of Chinese Taiwan Power Grid

1.2 電源情況

截至2021年底，中國臺灣電網總裝機規模51 155 MW，其中火電占比達67.7%(包括燃氣35.9%、燃煤28.7%、燃油3.1%)，水風光等可再生能源占21.6%，核電占5.6%，抽水蓄能占5.1%。2021年，全網發電量為248.8 TWh，其中火電占比達79.6%(包括燃氣42.5%、燃煤35.5%、燃油1.6%)，可再生能源占6.3%，核電占10.8%，熱電聯產占2.0%，抽水蓄能占1.3%。

1.3 負荷概況

中國臺灣電網北部以臺北、新北、新竹為負荷中心，中部以臺中為負荷中心，南部以高雄、臺南為負荷中心，其中高雄市和屏東縣位于345 kV龍崎站以南的供電區域。2021年，全網最大負荷為38.84 GW，歷年最大負荷一般出現在炎熱的7月。

2 大停電事故過程及影響

本文根據本次大停電事故調查報告[17]，結合電網運行實際規律，梳理本次大停電事故過程。

2.1 事故前運行方式

3月3日事故發生前，中國臺灣電網負荷達到28.5 GW，系統旋轉備用約7 GW。

作為中國臺灣電網第三大發電廠，興達電廠位于電網南部，裝機容量4 325 MW，包括2個開關場共4臺燃煤機組(裝機2×500 MW+2×550 MW)、5臺燃氣聯合循環機組(裝機5×445 MW)。興達電廠分廠運行，興達南、北開關場均采用3/2接線方式，開關場之間有聯絡線，正常運行方式下不投入，開關場設備為GIS，具體接線方式如圖2所示。事故前，興達電廠2號煤機根據環保要求，停機開展年度檢修，為配合2號煤機檢修，興達北開關場3540斷路器、3541隔離開關轉檢修開展維護保養工作。

圖2 興達電廠開關場單線圖Fig.2 Single line diagram of switch yard in Xingda Power Plant

中國臺灣電網在龍崎站北面構成6回345 kV線路的南北大斷面：南科-龍崎北雙線、嘉民-龍崎南線、中寮南-彌力線、天輪-龍崎北線、天輪-龍崎南線。因天輪-龍崎北線、天輪-龍崎南線、龍崎南-仁武線、興達南-龍崎南線停電檢修，為確保系統可靠性，龍崎南、北開關場聯絡線投入。因興達南-龍崎南線路停電檢修，興達南開關場僅剩興達南-路北線送出，為避免線路故障導致興達南開關場的燃機全失，興達南、北開關場聯絡線投入。事故前龍崎站近區電網結構如圖3所示。

圖3 事故前龍崎站近區345 kV電網結構圖Fig.3 Diagram of 345 kV power grid in the vicinity of Longqi substation before the blackout

2.2 事故過程

1)興達北開關場中，1號母線與3541隔離開關共用GIS氣室，3540斷路器為單獨GIS氣室。2月28日興達電廠現場人員檢查發現3540斷路器某相GIS氣室內部顯示有水汽，3月2日將內部六氟化硫(SF6)絕緣氣體抽出進行水分去除處理，且在故障發生前還未回充SF6，因此3540斷路器某相GIS氣室絕緣能力沒有達到正常狀況。

2)3540斷路器1號母線側的3541隔離開關在2號煤機年度檢修期間更換控制元件，3月3日事故當天，興達電廠現場人員根據工作安排開展3541隔離開關的投切測試。操作投入3541隔離開關前，沒有確認3540斷路器GIS氣室的SF6壓力和狀態。

3)09：16，3541隔離開關投入，由于相鄰的3540斷路器某相氣室內部未回充SF6氣體(斷路器導體與GIS殼體電氣距離不足)，經初步分析，1號母線可能通過3541隔離開關合閘間隙和3540斷路器導體與殼體間隙等2個串聯間隙閃絡放電，形成“3541隔離開關合閘弧道”和“3540斷路器沿面閃絡弧道”雙弧道串聯導致的單相短路故障。故障形成過程如圖4所示。

圖4 故障形成過程示意圖Fig.4 Diagram of the fault formation process

4)故障應由1號母線的母差保護動作切除，但3541隔離開關由開啟至完全閉合約需7 s，初始閃絡短路電流較小且持續一段時間，未達到母差保護動作定值，但達到CT斷線定值(一般整定為母差電流小于CT額定電流，持續5 s)，報CT斷線告警并閉鎖母差保護。隨著后續閃絡短路電流逐漸增長，由于母差保護已經閉鎖而無法動作，導致故障蔓延、范圍擴大。

5)隨后，興達北-龍崎北線、興達北-路北線后備保護動作跳閘，但興達開關場聯絡線、興達南-路北線、路北-龍崎南線后備保護未動作隔離故障，導致故障仍然蔓延至臨近的路北、龍崎、嘉民、南科、仁武、中寮等變電站，相關345 kV線路后備保護在沒有逐級配合的情況下動作跳閘，龍崎站以北線路全部跳閘，龍崎站以南部電網與中北部電網解列。線路跳閘時序情況見圖5和表1所示。

圖5 龍崎站近區線路跳閘圖Fig.5 Transmission lines tripping diagram in the vicinity of Longqi substation

表1 線路跳閘時序表Tab.1 Transmission lines tripping sequence

6)故障蔓延期間及電網解列前后，龍崎站以南的興達、南部、大林火電廠以及核能三廠，龍崎站以北的麥寮、嘉惠、森霸火電廠由于低壓、過速、低頻等原因，機組保護動作全部跳閘，損失電源約10.5 GW。

7)電網解列前，龍崎站近區南北6線斷面(其中4回線運行，2回線檢修)潮流方向由南至北，發生解列后，龍崎站以南電網(主要供電高雄、屏東)系統頻率上升至61.2 Hz，隨著南部機組陸續跳閘，在損失大量電源后，南部電網頻率崩潰，系統全失。龍崎站以北的中北部電網由于損失電源，頻率最低降至58.79 Hz，觸發低頻減載切除負荷約4.35 GW。電網解列后的南部和中北部電網的系統頻率曲線如圖6所示。根據初步統計，全網負荷共計損失約8.46 GW。

圖6 故障期間中國臺灣電網頻率曲線Fig.6 Frequency curve of Chinese Taiwan Power Grid during the fault

2.3 恢復過程

1)大停電事故發生后，電網調度機構指揮相關水電廠、抽蓄啟動發電。

2)隨著水電增出力支援和嘉惠燃機重新并網，截至當日11：27，中北部電網低頻減載的約400萬用戶全部復電。

3)南部電網由于區域內各大電廠全停，重新啟動花費較長時間，至21：31，南部電網約149萬用戶才全部復電，整個大停電事故持續時間約12 h。

2.4 事故影響

本次大停電事故是中國臺灣電網自從1999年“9·21”大地震以來最嚴重的停電事故，損失負荷超過2017年的“8·15”大停電和去年“5·13”大停電，也是興達電廠近一年內引起的第三起大規模事故(2021年“5·13”和“5·17”)，停電用戶約549萬戶，停電造成約134萬戶一度停水，給民眾生活造成嚴重混亂。同時，62處高技術產業園區中48處受到停電影響，造成巨大經濟損失。

3 大停電事故原因

本次大停電事故由興達電廠內部開關場故障為開端，蔓延至多回主網線路跳閘、多個大容量電廠跳閘，最終導致南部電網解列并崩潰、中北部電網低頻減載，引發大面積停電。事故原因是多方面的，其中直接原因是人為誤操作，根本原因是保護防線不完善，深層次原因是網架結構存在缺陷。

3.1 直接原因

本次事故的直接原因是興達電廠開展斷路器檢修，現場工作人員在未回充斷路器GIS氣室SF6氣體的情況下，錯誤投入相鄰隔離開關，導致絕緣不足閃絡放電，可能發生特殊形態的復雜發展性短路故障。根據興達電廠本次操作的檢修單，廠內設備檢修時主要評估和關注可能直接影響機組跳機的風險因素，對于操作隔離開關導致斷路器帶電的風險缺乏評估，操作前也未核實斷路器GIS氣室的SF6壓力，最終導致本次誤操作。

3.2 根本原因

本次事故的根本原因是保護防線不完善，存在電廠側保護拒動和電網側保護拒動、時序不匹配等問題。

電廠側，短路故障呈現復雜發展性特征，母差保護動作邏輯不合理或者母線保護定值整定存在問題，導致母差保護被閉鎖，最終出現主保護拒動的嚴重故障，同時興達電廠內兩個開關場之間聯絡線未配置合理的后備保護，導致故障由北開關場蔓延至南開關場，并通過兩個開關場的3回出線蔓延至電網側。

電網側，根據保護的選擇性，在興達電廠母差保護未動作的情況下，應該由電廠出線對端的345 kV路北站、龍崎站后備保護動作將故障隔離，但興達南-路北線后備保護未動作，導致故障未隔離在興達電廠內部；同時，興達電廠近區5個345 kV變電站的線路后備保護缺乏逐級配合，存在無序動作跳閘問題，導致南部地區主網架遭到巨大破壞。

3.3 深層次原因

中國臺灣電網由于自然條件原因，輸電走廊、電源選址匱乏，發展過程中形成電源大型化和電網集中化的特點，南北三路6回345 kV主干線路承擔電力輸送，形成由北至南的龍潭、中寮和龍崎3個樞紐變電站，北、中、南部地區主要負荷和主要電源均通過3個樞紐變電站運轉，過度集中導致樞紐站一旦發生故障將可能引發電網大面積停電事故。本次事故中，興達電廠故障未切除，故障蔓延至龍崎站，最終導致電網解列、大面積停電的嚴重后果，暴露出電網網架結構方面的問題。

4 近5年大停電事故對比分析

近5年來，中國臺灣電網共發生了4次大停電事故，其中近一年已接連發生3次，充分暴露出網架規劃和運行管理方面的深層次問題。

2021年5月17日，由于興達電廠1號煤機控制系統故障，跳閘損失500 MW電源，疊加當日負荷創5月份歷史新高，系統備用不足，電網發生低頻減載，電網調度機構執行1輪緊急分區輪流停電，共計損失負荷1. 53 GW，影響約104萬用戶。

2021年5月13日，由于電網南部345 kV路北站發生帶接地開關合隔離開關的惡性誤操作，興達電廠4臺機組跳閘，損失電源2.3 GW，電網低頻減載動作切除910 MW負荷，隨后系統備用不足，由電網調度機構執行6輪分區輪流停電措施，最大限電約3.5 GW。本次大停電事故合計造成約462萬用戶停電。

2017年8月15日，電網北部大潭電廠由于現場違規作業，天然氣供氣突然中斷，導致該電廠6臺機組停機，損失電源4.16 GW，電網低頻減載動作切除3. 36 GW負荷，晚高峰時系統備用不足，電網調度機構執行4輪緊急分區輪流停電措施，最大限電3.29 GW。本次大停電事故合計造成約592萬用戶停電。

近5年中國臺灣電網4次大停電事故對比分析如表2所示，大停電發生原因雖各不相同，但仍反映出了人為誤操作、系統運行備用不足、電廠現場管理缺陷等共性問題。4次大停電均與大容量電廠直接相關，其中3次涉及興達電廠，暴露出運行控制、保護管理、機組涉網性能、檢修作業等多方面頑固性問題，同時凸顯了電源過渡集中于少數幾個大電廠的問題。

表2 中國臺灣電網4次大停電事故比較Tab.2 Comparison of four blackouts in Chinese Taiwan Power Grid

5 事故啟示

隨著我國電網規模持續擴大，新能源滲透率不斷提升，系統結構愈加復雜，系統特性逐漸改變且日趨復雜[18 - 20]，各種可以預料和難以預料的風險挑戰明顯增多，傳統與非傳統風險交織，增量與存量風險并存，大面積停電風險在當前和今后一段時期將長期存在?！?·3”中國臺灣電網大停電事故反映出多方面問題，對于大電網防范大面積停電具有重要的啟示和借鑒作用。

1)堅強合理的主網架是避免大停電事故的根本保障

中國臺灣電網在發展過程中形成了電源大型化和電網集中化的特點，雖采取了分廠、分站等分散風險的措施，但在檢修方式下需通過聯絡線合廠、合站，運行方式復雜多變，系統性風險始終存在，電網結構性矛盾問題突出，大電廠、樞紐站近區故障極易造成嚴重后果，導致大面積停電?，F代大電網中，直流輸電技術已成為大規模遠距離輸電的主要選項之一[21 - 22]，大容量直流閉鎖、密集輸電通道或交直流交叉跨越點故障等重大風險點對電網的威脅巨大。因此，電力發展應堅持統一規劃原則，統籌電源和電網的規劃建設，優化電源布局和電網結構，加強輸電通道中間支撐和受端系統的主網架建設；同時電網建設應做到合理的分層分區、結構清晰，加強區域電網網架和區域聯絡線的建設，合理應用電網柔性互聯新技術并考慮交直流通道優化布局，建設堅強可靠的主網架。

2)合理、可靠的三道防線是大電網安全穩定運行的重要保障

本次大停電事故中興達電廠母線差動保護拒動，同時相鄰站點后備保護出現拒動和缺乏逐級配合的問題，南部電網解列后第二、三道防線未能充分發揮作用防止系統崩潰，再次表明第一道防線快速切除故障，第二、三道防線保證系統穩定、防止系統崩潰的極端重要性。主保護拒動將導致故障蔓延，穩控系統拒動將導致穩定問題擴散，均可能產生連鎖故障、系統振蕩等大電網全局性失穩，是威脅大電網安全運行的主要基準風險[23]，自從2016年以來一直被中國南方電網列為首要基準風險。保障大電網安全應持續加強三道防線建設，技術上，應加強特殊形態的復雜故障研究，特別是高阻性和發展性故障，分析保護動作邏輯和定值的適應性；結合網架結構變化和保護裝置性能，持續研究完善后備保護優化配合原則；加強含高比例新能源的交直流混聯大電網的穩定特性研究，應用機電、電磁暫態等多種仿真工具充分揭示系統安全風險，對三道防線的配置進行優化調整。管理上，應強化設備分級和動態管控，定期開展重點廠站的保護及穩控傳動試驗；加強保護、穩控裝置全生命周期管理，按照使用年限一般12 a的要求[24]，及時更新改造，提高保護、穩控裝置可靠性；加強電網第三道防線低頻低壓減載、高頻切機容量的運行監視，確保實時運行中可切容量滿足要求。

3)源網協同風險管控是保障大電網安全的重要基礎

本次大停電由電源側的興達電廠蔓延至電網側的龍崎站，2021年“5·13”大停電由電網側的路北站蔓延至電源側的興達電廠，最終電源和電網故障共同作用導致了大面積停電的后果，暴露出源網協同風險管控不到位的問題。隨著電網規模持續擴大、主力機組容量逐漸增加，大規模電力系統中大機組和大電網互為一體，源網相互作用及影響，源網之間需要廣泛的協調和正確的互動，才能共同保障大電網的安全穩定[25 - 26]。因此，技術上，應加強源網協調配置技術和安全控制技術研究，特別是針對未來大規模新能源并網的現實需求，應盡快開展不同規模新能源滲透的系統特性研究，深入研究新能源機組并網試驗技術以及涉網控制技術，進一步完善、提升新能源涉網性能。管理上，應加強發電機組涉網性能和涉網參數管理，嚴格落實新并網機組入網檢測要求，開展型式試驗和現場涉網性能試驗；大方式下系統運行裕度更小、風險更大，應定期在負荷高峰來臨前，開展大容量電廠和新能源場站風險隱患排查。

4)電氣誤操作人因風險防控需引起高度重視

本次事故的起因是興達電廠人為誤操作，暴露出興達電廠現場作業防誤管理存在重大缺失。人為誤操作常見于電網檢修方式下，可能會導致站內三相短路等嚴重故障，在系統聯系已被削弱的情況下，對系統沖擊大，一旦發生將嚴重威脅電網安全穩定運行。近年來，人為因素導致的電氣誤操作已經成為大停電事故的主要誘因之一，因此降低電氣誤操作人因風險是提高系統運行可靠性、保障大電網安全的重要方面。技術上，目前電力領域人因可靠性研究較少、尚未形成系統的理論和分析方法[27]，應盡快開展電氣誤操作人因可靠性理論研究，分析人為失誤機理和行為影響因素，建立人因失效模型，量化人為誤操作概率，為電氣誤操作人因風險防控提供理論依據和模型支撐。管理上，應重點抓好重要廠站、復雜操作的風險管控，在關鍵輸變電設備檢修時落實掛牌監督制度，嚴格做好檢修及工作票安全監督管理，持續完善電氣五防技術裝備，將防誤閉鎖裝置納入電氣設備管理。

6 結語

“3·3”大停電事故是中國臺灣電網近年來損失負荷最多、停電時間最長、最嚴重的大停電事故，事故直接原因為人為誤操作，但短路故障的形態和發展過程較為復雜，具有重要研究意義。本文初步梳理了事故過程，分析了保護配置、源網協調、網架結構等方面的問題，在對比分析近年來的大停電事故基礎上，總結提煉了事故啟示，對大電網持續加強風險管控、提升電網本質安全具有重要的借鑒意義。