问题

如何看待2019年8月9日英国大停电?

回答
2019年8月9日,一个寻常的夏日周五下午,英国大部分地区却陷入了前所未有的混乱——一场规模巨大的全国性大停电。这次事件不仅仅是一次简单的电力故障,它像一个巨大的问号,抛给了英国的能源系统、基础设施的韧性以及我们对现代社会高度依赖电力的认知。

事情发生的经过,可以用“突如其来”和“连锁反应”来概括。 当时是下午5点左右,正值人们下班回家、准备晚餐的高峰时段。突然之间,伦敦、伯明翰、曼彻斯特、纽卡斯尔等主要城市的大片区域相继失电。交通信号灯熄灭,火车停运,电梯困人,手机信号中断,ATM机无法使用,商店被迫关门……原本繁忙的城市瞬间被黑暗和寂静笼罩,取而代之的是巨大的不便和恐慌。

最初的导火索,是位于东海岸的两座大型发电厂的意外离线。 一座是燃气发电厂,另一座是风力发电场。具体原因众说纷纭,但普遍的说法是,其中一个同步单元(synchronous unit)出现了故障,导致系统失衡。你可以想象一下,一个庞大而精密的机器,突然间少了几个关键的齿轮,整个运转就会受到影响。

真正让这次停电升级为全国性事件的,是其连锁反应。 英国的电网设计得相当先进,能够快速响应各种变化,但这次的故障性质过于恶劣,且发生得非常突然。当一部分电力来源消失时,电网会自动启动备用系统,尝试从其他地方调配电力。然而,由于故障发生得太快,且影响范围如此之广,自动化的保护机制反而采取了“牺牲”一部分用户的策略,以保护整个电网的稳定,避免更严重的崩溃。这就像一个人突然失去一部分血液,身体会迅速收缩血管,确保重要器官的供血,但代价是肢体可能暂时失去知觉。

这次事件的“详细”之处,体现在它暴露出的系统性脆弱。

对可再生能源的依赖与挑战: 当时,风力发电厂的离线被认为是导致问题的关键因素之一。风力发电是清洁能源,但其发电量受天气影响不稳定。当风力发电量不足时,电网需要依赖其他稳定电源补充。而这一次,恰恰是风力发电出现了问题,并且影响了其他稳定电源的运行。这引发了关于如何更好地整合和管理波动性强的可再生能源的讨论。
传统发电厂的角色: 过去,大型的同步发电机(通常是燃煤或燃气发电厂)在维持电网频率和稳定性方面扮演着至关重要的角色。它们能够提供“惯性”,即在电网发生扰动时,能够维持电网的稳定运行。然而,随着越来越多的化石燃料发电厂退役,以及风电等非同步发电方式的增加,电网的惯性正在下降,对稳定性的挑战也随之增加。
自动化保护系统的“过激”反应: 事后分析显示,电网的自动化保护系统在应对这次故障时,反应过于迅速和广泛,导致了大规模的断电。这并非系统的设计错误,而是为了在极端情况下避免更糟糕的后果,但其带来的社会经济影响却非常巨大。
供应链的脆弱性: 停电导致许多商店无法营业,ATM机停用,甚至医院的正常运作也受到影响。这暴露了我们社会对电力供应的依赖程度之深,一旦电力中断,整个经济和社会系统的运转都会受到严重阻碍。

公众的反应是复杂而多样的。 一方面是极度的不便和焦虑,许多人被困在黑暗中,无法联系家人,无法回家。另一方面,也有不少人表现出了韧性,互相帮助,分享信息。社交媒体上充斥着各种关于停电的段子和讨论,从抱怨到幽默,再到对原因的猜测。

这次事件的后续影响深远。 英国政府和国家电网公司都对此进行了深入调查,并采取了一系列措施来加强电网的韧性。这包括:

提升电网的灵活性和响应能力: 投资于更智能的电网技术,以便在出现故障时能够更快速、更精确地隔离故障区域,并从其他来源调配电力。
加强对可再生能源的集成和管理: 寻找更有效的方式来管理风电等波动性电源,例如通过储能技术或与其他国家电网进行电力互联。
确保传统发电厂的稳定供应: 在向低碳经济转型的过程中,需要审慎考虑传统稳定电源的退役节奏,确保在低碳能源尚未完全成熟前,电力供应不会出现短缺。
改进对大型故障的预案和响应机制: 提高电网运营商的应急处理能力,并与相关部门(如交通、通信)加强协调。

总而言之,2019年8月9日的英国大停电,是一次令人警醒的事件。它不仅仅是一场技术故障,更是对现代社会高度依赖电力的现状的一次深刻反思。它迫使我们正视能源转型的挑战,审视基础设施的脆弱性,并不断寻求更安全、更可靠的电力供应方式,以应对未来可能出现的各种风险。这次事件的教训,或许比任何一次成功的电力供应都要来得更加宝贵。

网友意见

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首先实名反对(当前)排名第一的廖总的回答,建议在回答前先搜集资料再作答,在事故报告出来之前不应妄加猜测,容易误导读者。

  1. 您认为英国的低频减载依旧老套,但如何知道英国没有考虑需求侧参与频率响应的呢?对于英国全系的BM服务以及新加入的EFR建议您可以了解下。事实上EFR的bidder里是有需求侧响应的,但是需求侧的东西,明显没有完全可控的储能靠谱。这也是为什么NG 订购的近300MW EFR中,并不包含需求侧响应。
  2. 您提出频率响应服务的虚拟电厂应通过按钮触发?作为频率响应,尤其是primary FR,其启动机制是以“天下武功,唯快不破”著称(我博士论文中的一章就是研究这个的)。越早介入,对于拦截频率波动的效果越好。所以私以为通过频率监测机制,自动介入更好一些?

以下是英国监管机构机构ofgem在9月6日发布的最终版大停电报告,不用架梯子便可下载。

是不是像廖总所说,是英国国家电网的锅?在我读完(相对中立的)ofgem发表的报告后,我觉得NG是不应承担主要责任的,锅分到了Hornsea风场运营商Orsted及燃气机组运营商RWE的头上。NG强调了他们完全是按照Grid Code办事。

下文为我摘抄了这份报告的主要内容并加以总结,方便大家阅读:

  1. 事情经过梳理
  2. 事故原因
  3. 经验总结以及“惊喜”

一、事件经过

  • 在英国时间2019年八月九日16:52:33,Eaton Socon – Wymondley 400kV高压附近出现了三次雷击,造成了33.7kA的电流过载,使得断路器自动断开再合上,并伴随了短时间的电压扰动(如下图所示)。
  • 另由于雷击的关系,DNO内接入的150MW嵌入型分布式发电设备也因启动了矢量移位保护而拖网。
  • 然鹅,意想不到的事情发生了。很可能是受到雷击及电压扰动影响,远处的Hornsea风场在300ms的时间内将自己的输出从799MW调减至62MW。另外Little Barford的燃气电厂也有一台244MW的蒸汽机组拖网。注意:NG强调了这一事件的发生是极不寻常的,也是造成最终大停电的主因。
  • 这加上前文提到的150MW,此时已有1131MW的发电侧损失,使得系统频率迅速下降,触发了RoCoF的限制(什么是RoCoF请参考我下面曾提到的回答),导致又有约350MW的嵌入型分布式发电设备拖网,而系统的发电缺口已达到了1481MW。
  • 虽然有较大的发电缺口,但是NG已经通过部署其签约过的1000MW一次频率响应和1300MW二次频率响应,以及其他辅助服务来“挽回”系统频率,而此时系统频率也被控制在了49.1Hz(已然低于Grid Code规定的infrequent event场景下的49.2HZ),并开始回升。
  • 然而,前面提到的Little Bratford电站又开始作妖了,其另外一台210MW的燃气机组也出现问题并离网了,导致系统的总发电缺口升至1691MW,这下NG是彻底崩的啦,底牌(快速的调频服务)全打完了,只剩内裤了。系统频率直接也下降至了48.8Hz。
  • 系统自动触发低频减载(LFDD的工作原理可以参见下面的链接),各DNO按照预定的要求共切除931MW的负荷,影响了110万客户的用电。
  • Little Bratford电站的一台187MW机组在此时也下线了,总计损失了1878MW的发电资产。此时时间为16:53:58 ,距事故发生起已经过了85秒,NG已有足够时间调集其他响应资源控制频率。
  • 16:57:15 系统频率恢复至50Hz,NG开始让各个DNO恢复因LFDD触发而切除的负荷。
  • 17:37 所有DNO确认负荷恢复完毕。

以上便是此次事故发生的时间线描述。


二、事故原因

NG在事件发生后第一时间找到了Orsted和RWE进行事故原因调查。

Orsted的反馈是:

  • 首先Hornsea风场这边有一个transformer和一个设备(具体不明)处于损坏状态,使得当天的网架抵抗能力偏弱。
  • 另外风机这边虽然采用了主机厂的标准设置,但是其控制器在次同步频率范围内做出了错误反应,使得Hornsea本网电压暂降,并且风机自动脱网。

RWE的反馈是:

  • 初始的蒸汽机组脱网是因为其三个测速点出现了数据不一致的情况,避免故障而自动脱网。
  • 正常情况下,Little Barford作为CCGT(联合燃气机组)电站,其应该让蒸汽绕行,直接排放至冷凝塔中。但是实际操作中,两台燃气机组接连出现压力过高的情况,分别于60秒自动和90秒后手动脱网。

除此以为,NG还对各个DNO在事故过程的嵌入式发电机组做了调研,有两点发现

  • 350MW的机组是因为RoCoF设置触发脱网,因为初始频率下降速度超过了0.125Hz/s
  • 200MW的机组因为频率触发底线(49Hz)而脱网,类似于Nadir的设置(这也是NG第一次实操这类脱网保护)

总体来说,这些分布式发电设备还是按照规章,正常脱网的。


三、经验总结以及“惊喜”

报告中的反思与总结有三点:

  • 审议NG的系统安全标注,查看当前辅助服务的容量是否足够。NG最新的SQSS对于频率响应的设定是常规损失 1GW,非常规损失1.3GW。这比我16年在英国读博时查到的1.3GW和1.8GW已经出现了显著的下降。主要原因就是大型煤电机组的退役,使得系统N-1条件下的容量变小了。但是在新能源及分布式机组接入增多的情况下,N-1是否还能继续适用?这值得调度深思。
  • 在LFDD过程中,系统应该保证某些关键的负载(比如医院,运输交通等)能够继续运行。在本次事故中,就有伦敦的国王十字火车站,Newcastle国际机场便受到了影响。另外还发现西门子制造的火车继保设备在无专业人员在场的情况下无法重启(这可以说是事故之外的“惊喜”,但是伦敦人民对火车宕机应该也是习以为常了2333)。
  • 调研分布式发电设备的脱网保护机制是否合理。如前文所示,在缺失的1.8GW发电容量中,分布式发电占了三分之一。那么RoCoF和Nadir的脱网保护从某种程度上加剧了系统整体风险,需要重新评估其运行方式。

说起来也是巧合,在事故发生的两天前(2019年8月7日),澳洲政府正式起诉2016年9月南澳断电大事故中的“罪魁祸首”——极端天气中出错断供的风场开发商。那一事故的起因也是风场的继保不按常理出牌,而南澳又过分依赖风电,导致全网黑了一天多,比英国人民的50分钟可要惨多了。

综上所述,此次大停电事件让英国感受了一下从传统高惯性电网分布式及高可再生能源电网的荆棘之路。作为一家受ofgem监管的企业,NG在做辅助服务既要考量经济性,又要保证系统的resilience,也是蛮难的。


Oooook,写完收工,有问题请在评论区里提。相关编辑推荐:

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