英國國家電網電力調度中心針對英國突發性大停電事件，提出嵌入式發電修正計畫，以降低無預警跳電機率
摘要
今(2019)年8月9日下午4:52，英國境內包括東南部、中部、西南部、東北部以及威爾斯等區域發生大規模停電。計約有110萬用戶面臨15-45分鐘的供電中斷。[1]
部份鐵路系統，自法靈頓(Farrington)、國王十字路(Kings Cross)等車站出發之路線因此次停電致使列車班次取消或嚴重誤點。據了解，此次大停電使得前述路線上行駛中約60列火車供電線路頻率驟降至49Hz，因而中斷行駛。[2]
其他受影響之關鍵設施包括：位於英國東部沙福郡伊普斯威奇的伊普斯威奇醫院因其保護系統運作而跳電，所幸對於醫院內患者並無嚴重影響。按其緊急應變程序在約15分鐘內回復設備供電；另外位於英格蘭東北部的泰恩-威爾郡的紐卡索機場則因低頻卸載保護電驛(Low Frequency Demand Disconnection, LFDD)而跳電，但透過其不斷電系統(Uninterruptable Power Supply, UPS)以及備用發電設備的順利啟動，機場的基本服務運作並未受重大影響，在18分鐘內回復供電。[3][4]
英國天然氣與電力市場管制局(Office of Gas and Electricity Markets, Ofgem)則於9月6日針對此次事件提出技術報告，其中並建議後續精進作為包括：重新檢視第一時間通訊程序與標準流程、重新檢視LFDD機制中關鍵設施清單，俾使關鍵基礎設施於類似事故中能持續運作；列車車廂內的電力防護系統亦應檢視，以確保在干擾發生時仍可運作。[4]
該報告亦針對相關政策、措施及流程提出相關建議：對供電之安全與品質標準 (Security and Quality of Supply Standards, SQSS)應重新進行系統性檢視以提升供電系統韌性，俾利於風險與成本之間取得平衡；供電系統之設計應重新評估，針對關鍵基礎建設與服務(如：醫院、運輸設施、緊急救援服務)所可能發生之事件、情況而設計；針對Accelerated Loss Of Main Change Program重新檢視、以降低英國未來因無預警跳電與擴大再生能源而暴露之斷電風險。[4]
評析
事發經過：
事前背景資訊簡述：
在8月9日16:52以前，根據英國國家電網(National Grid)資料顯示，電網上共維持32GW之裝置容量，其中30%係來自風力發電(預期尖峰發電達10GW)，其中50%則是來自傳統設施，來自平衡機制[1](Balanced Mechanism Unit) 與非平衡機制(Non-Balanced Unit)之業者。當日的預測負載約是29GW，當日預測之備轉容量按往常夏日期間屬於正常。按照英國氣象局所釋出之氣象資料，當日西南英格蘭區(South West England)與南威爾斯區(South Wales)發布低度風力警戒，並對除了西北英格蘭(North West England)、東南英格蘭區(South East England)以外的英格蘭與威爾斯區域發布低度雨量警戒。[4]
8月9日16:52:33事件發生：
一條連接著伊頓索肯-維門雷(Eaton Socon-Wymondley)之間的400k輸電線路於8月9日16:52遭雷擊中，造成該線路嚴重毀損(如圖1黃色處)。保護系統因此啟動，使約150MW的分三式供電跳脫。然而，發電量達737MW的霍恩西離岸風電場(如圖一黃色框內)以及244MW的小巴福德燃氣電廠(如圖一藍色框內)卻出乎意料之外地同時因雷擊而跳脫。此次雷擊所造成的饋電損失已經超過安全標準所規範之1,000MW，且因此損失而造成的系統頻率驟降，更進一步引起變頻保護措施(Rate of Change of Frequency, RoCoF) protection)機制的啟動，致使額外350MW的跳脫。此外，小巴福德燃氣電廠又因蒸氣旁通系統(Steam Bypass System)壓力過高而再次跳脫，使系統頻率進一步驟降低至48.8Hz而觸發低頻需求斷電機制(Low Frequency Demand Disconnection, LFDD)，造成前述地區110萬戶面臨斷電。該日系統頻率驟降之情況詳見下圖2。[4]
圖1、8月9日受雷擊影響之供電系統示意圖[4]
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圖2、8月9日電網頻率趨勢圖[4]
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事發後處理：
電網控制中心(Electricity Network Control Centre, ENCC)在LFDD機制啟動後，即時回應調度，於5分鐘內將電網頻率調回50Hz；並在40分鐘內，透過電網營運業者的努力調度，使電網回復正常。
其他受影響之關鍵設施：
伊普斯威奇醫院
位於英國東部沙福郡伊普斯威奇的伊普斯威奇醫院因其保護系統運作而跳電。按照英國電網公司(UKPN)的資料顯示，該醫院在事故發生後14秒內，其電力負載降至原本一半。所幸對於醫院內患者並無嚴重影響，按其緊急應變程序在約15分鐘內回復設備供電
紐卡索機場
另外位於英格蘭東北部的泰恩-威爾郡的紐卡索機場，其電力供應係透過北方電網公司(NPD)電網，該公司證實紐卡索機場因低頻卸載保護電驛(Low Frequency Demand Disconnection, LFDD)而跳電，但透過其不斷電系統(Uninterruptable Power Supply, UPS)以及備用發電設備的順利啟動，機場的基本服務運作並未受重大影響，在18分鐘內回復供電。並於事發後3日，由紐卡索機場向北方電網公司要求，將其註冊為受供電緊急法規(Electricity Supply Emergency Code, ESEC)保護之場所，不再受LFDD機制影響。[3][4]
Ofgem報告中精進建議：
Ofgem針對此次事件辨析出成因後，亦提出後續精進作為：
系統韌性標準(System Resilience Standards)
如前段所述，此次事故因不同發電機組設施(霍恩西離岸風電場、小巴福德燃氣電廠)同時遭雷擊而跳脫，致使電網損失電量超過安全標準，進而啟動保護機制，將達1GW的用戶需求暫時斷網，以保護對於電網上約28GW的用戶需求供給之維持。此機制雖然按其設計順遂啟動，卻也引發對於關鍵基礎設施的連鎖反應。該報告建議對於供電系統的供電之安全與品質標準 (Security and Quality of Supply Standards, SQSS)重新檢視。所謂SQSS，即為對於英國供輸電系統所定義出一系列協調的標準與步驟(包括成本-效益措施、氣候相關運作)，作為系統內業者在規劃以及營運時之參考標準。由於SQSS僅預期單一事故發生(N-1事故)後維持安全運轉，並未假設同時發生多起事故。故Ofgem於報告中建議，應對SQSS重新進行系統性檢視，參考本次事件中所同時發生多起獨立事故，提升供電系統韌性，俾利於風險與成本之間取得平衡。[4][5]
鐵路服務以及關鍵基礎建設
本次事故中鐵路所受到之影響係來自個別的列車車廂內的電力保護系統，因斷電而啟動，惟此系統之重新啟動程序緩慢，致使鐵路誤點、堵塞嚴重。Ofgem報告中建議關鍵基礎設施/服務之相關單位、營運業者應評估建立標準，定義出各類風險事件類型，並將其內部電力保護系統按此事件類型調整系統設計。
嵌入式發電(embedded generation)[1]
此次事故中約有500MW的嵌入式發電因主電網主電源喪失保護電驛(Loss Of Main Protection, LOM)[2]以向量相位移保護(vector shift protection)[3]以及頻率變率(rate of change of frequency)[4]等方式啟動後形成跳電。英國國家電網電力調度中心(Electricity System Operator, ESO)已針對LOM措施提出三年期的修正計畫，針對電網上數千個嵌入式發電設施之此類保護措施進行調整，以免後續再因此類事件而跳電。Ofgem在報告中建議，隨著英國規劃擴大嵌入式發電，應加速該LOM修正計畫之進行，以降低嵌入式發電設施爾後無預警跳電機率。[6][7]
低頻卸載電驛(Low Frequency Demand Disconnection)
根據英國電網法規(Grid Code)，系統頻率若驟降至觸發水準，則將自動卸載部分用電，以阻止系統頻率繼續下降，此作法被稱為低頻卸載電驛機制。共分9個階段，隨著系統頻率降至不同觸發水準，依序從48.8Hz向下移動到47.8Hz，並降低系統上相應之需求負載量比例，見下表1。
表1、LFDD機制9階段卸載觸發頻率與比例[7]
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此次事故中亦引發了LFDD機制第一階段，按照英國電網法規應卸載英格蘭與威爾斯之電力系統負載5%。下表2中彙整了LFDD機制啟動後，電力業者卸載量以及對用戶之影響。
表2、LFDD機制啟動後影響情形[4]
|
通報之配電業者 |
卸載量(MW) |
受影響用戶數 |
|
|
蘇格蘭電力(SP) |
22 |
23,117 |
|
|
北方電網(NPG) |
東北 |
76 |
93,081 |
|
約克夏 |
14 |
10,571 |
|
|
北電配電公司(ENW) |
|
52 |
56,613 |
|
蘇格蘭電力(MANweb) |
|
130 |
74,938 |
|
西方配電公司(WPD) |
東密德蘭 |
122 |
150,445 |
|
西密德蘭 |
160 |
187,427 |
|
|
南威爾斯 |
36 |
29,060 |
|
|
西南 |
110,273 |
||
|
英國電網公司(UKPN) |
東方 |
69 |
79,390 |
|
倫敦 |
174 |
239,861 |
|
|
南方 |
69 |
81,358 |
|
|
蘇格蘭配電(SEPD) |
|
7 |
16,744 |
|
總計 |
|
931 |
1,152,878 |
其中，前述紐卡索機場之供電係連接到表2中所列北方電網(NPG)，北方電網亦證實紐卡索機場停電亦屬於LFDD機制啟動後所影響之結果。爰此，Ofgem亦於報告中建議，各業者應再檢視LFDD機制下所影響之關鍵設施(如醫院、運輸港埠、車站等)，避免因此擴大此類事故造成無預警斷電對於民眾的影響。
對我國供電穩定與韌性之啟示
我國刻正推動高占比再生能源發電轉型，其於電網內之分布可能類似英國所採用之嵌入式發電。故此次停電事故值得我國在擴大再生能源併網同時，做為維持供電穩定與韌性之借鏡。尤其是此類發電設施之保護電驛系統與控制系統更需嚴加把關。同時，英國此次低頻卸載機制影響關鍵公共設施斷電，事後針對受影響之關鍵公共設施清單再次檢討，亦可作為我國後續強化供電韌性措施之參考。[1] 嵌入式發電即為發電設施與配電系統連接，而非連接至高電壓的國家電網上。通常屬於相對小型的發電設施，如汽電共生、或小型水力、風電、太陽光電等再生能源。
[2] 主電源喪失保護電驛 (Loss Of Main Protection)係一種電力系統保護措施，當監測出主設施供電驟降時即能啟動，以避免孤島運轉(power islanding)
[3] 向量相位移保護(vector shift protection)可監測到主電壓相位角因發電設施或需求端突發狀況而驟變，並可即時反應如孤島運轉時所產生的系統阻抗變化。
[4] 頻率變率(rate of change of frequency)係檢測電力系統負載端電壓的頻率變化率，若變化超過一定程度則表示可能發生孤島運轉。
[5] 平衡機制係指在每個平衡週期內（如每 5 分鐘）TSO 應當以各發電及售電每小時前排定之預定電量為基礎，維持系統供需平衡。
參考資料
[1]Bird, S. (2019). Lightning strike to blame for blackout affecting more than one million people. https://www.telegraph.co.uk/news/2019/08/20/lightning-strike-blame-blackout-affecting-11-million-customers/
[2]Rawlinson, K. and Ambrose, J. (2019). Transport chaos across England and Wales after major power cuts. [online] the Guardian. https://www.theguardian.com/business/2019/aug/09/power-cut-hits-london-and-south-east-england
[3]BBC News. (2019). Probe after hospital power failure. https://www.bbc.com/news/uk-england-suffolk-49304697
[4]Ofgem (2019). Technical Report on the events of 9 August 2019. https://www.ofgem.gov.uk/system/files/docs/2019/09/eso_technical_report_-_final.pdf
[5]National Grid(2012) National Electricity Transmission System Security and Quality of Supply Standard
[6]Ofgem (2001). Embedded Generation Summary. https://www.ofgem.gov.uk/ofgem-publications/43840/44-27sep01pub.pdf
[7]Wester Power Distribution(2018) Loss of Mains Protection.
[8]鄭金龍(2019)英國電力系統發電機跳脫及頻率下降後低頻卸載(LFDD)事故期中報告。.
[9]鄭金龍(2019) 2019/8/9英國大停電事故最終詳細技術報告。