2004年3月 电边设n年e@ har.2004 第5卷第3期 Vol.5 No.3 美加“8.14大停电”过程中的电压崩溃 余贻鑫，董存 (天津大学电气与自动化工程学院，300072天津) 摘要：本文基于2003年美加大停电过程中电网事件的演变过程，着重阐述和分析了其中的电压期清场景，特别强 调了事故发生的各个阶段中无功功率的变化与作用，指出了系统中安装充足的无功补偻装置和制定航一的法规以 澈励被立发电商向系毓提供充足无功功率和无功储备的必要性。 关铺调：北美大停电：电力系统：电压拼渍：级联效应：无功储备 中图分类号：TM712 0引言 负荷的增长，在8月14日以前的几天以及8月14 日中4，俄该俄州北部许节点的电压呈下降趋势， 2003年8月14日下午，美国的中西部和东北部 如1所示。这表明8月14日的中午该地区已有 以及加章大的安大略省经历了-一次大停电事故，其 元功不足的迹象，而且在中午12时以前系统中已有 影响范围包括美国的伊哀俄州、西根州、宾夕法尼 不寻常的电压波动，尽管此时系统仍然处于正常的 亚州、纽约州、佛蒙特州、马萨诸塞州、康涅狄格州、 运行状态。 新泽西州和加拿大的安大略省，损失负荷达 30.00 61.8GW,影响了5千万人口的用电。停电在美国 355.00+ 东部时间下午4时06分开始，在美国的一些地区 3000 两天内未能恢复供电，加拿大的安大略省甚至一 34500 周未能完全恢复供电。这次停电事故引起了全世 335.00 界的关注。在8.14之后不久我国的一些学者也就 3J0.00 25.00 这次事故进行过介绍，并提出了各自的看法。 320.004 事故发生后，美国和加拿大联合成立了“美加8.14 大停电事故工作组”，对事故进行了系统的调查和 图18月14日与前几日FE的 初步的计算分析，并于2003年11月提出了一份报 Sar母线电压的比较 告1，对8.14大停电事故的起因做了系统、详实的 在发生大停电事故前，由于Cleveland有功及 报道，其中涉及到了电网方面的事件、计算机方面 无功的重要电源一机组Davis-Besse和机组 的事件以及人员方面的事件。参照该报道中电网 Eastlake4已经停运，致使在13：31机组Eastlake5 事件的演变过程，本文着重阐述和分析了其中电 的停运，进一步耗尽了Cleveland-Akron地区的临界 压崩遗的场景。 电压下的支撑。仿真表明，当Eastlake.5退出运行 1事故的起因、发展过程 后，Cleveland地区的FE无功功率的净输人达到了 132Mvar。 美加电力系统故障工作组对有关8.14大停电 在第一条线路开断以前的潮流数据表明，此 原因的报告以及有关方面的资料)清晰地给出了此 时FE的负荷接近12080MW,通过外部输入 次事故的起因和发展过程，现简述如下。 2575MW,占其总输人的21%。在这种外部输人 从2003年8月14日下午美国东部时间(EDT, 以及伊利湖南岸大都市空调负荷均维持在高水平 本文下述均为此时间)15时06分开始，美国俄亥俄 的情况下，E的无功需求进一步增加。同时通过 州的主要电力公司一一第一能源公司(First Energ 俄亥俄州北部到密歇根州及安大略的潮流很大， Cop.,以下简记为FE)的控制区内发生了一系列的 上述潮流与负荷的共同作用降低了俄亥俄州北部 突发事件。这些事件的累计效应最终导致了大面积 的电压。 停电。 (2)短路引起的线路开断阶段。俄亥俄州的一 事故演变过程可分为如下几个阶段： 条345kV(Harding-Chamberlin)输电线路在15：05触 (1)事故发生前的阶段。由于空调负荷及其他 树短路接地后跳闸（线路开断前潮流仅为正常裕量 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://ww.cnki.net
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电网稳定技术 余始鑫等：美加“8.14大停电”过程中的电压期溃 的43.5%)，这条线路的开断增加了相关线路上的 系统的崩遗使得北俄亥俄的输电通道不存在了，潮 潮流，致使由南部向Cleveland送电的3条345kV线 流只能通过替代的路径到达伊利湖沿岸的负荷中 路的负荷加重（其中Hanna-Juniper345kV线路上承 心。潮流一方面从俄亥俄州西部、印第安纳州、另一 担的最多)，更多的潮流流经向Cleveland和Akron送 方面从宾夕法尼亚州穿过纽约州和安大略涌人伊利 电的下一级138kV系统。15：32第二条345kV 湖的北侧。可是这些区域的输电线路原已处于正常 (Hanna-uniper)线路触树短路接地后跳闸（线路开断 重载，并有一些开始跳闸。第二阶段为美国东北部 前潮流为正常裕量的87.5%)：该线路开断后，有近 和加拿大的安大略形成了一个巨大的电气孤岛阶 1OO0MVA的功率不得不寻找新的路径进人 段：额外的潮流浪涌一方面使东北部与东部的互联 Cleveland地区，致使由南部向Cleveland送电的另2 电网隔离开来，另一方面引发了厦盖俄亥俄州西部 条345kV线路和向Cleveland和Akron送电的下一 的线路跳闸的狂潮。线路的跳闸向北延伸到密欧根 级138kV系统的负荷加重，一些线路过载并使 州，把该州的西部与东部分离开来。最终，整个的美 Cleveland地区电压进一步下降。l5:39为Cleveland 国东北部和加拿大的安大略变成了一个巨大的电气 和Akon送电的下一级138kV系统中的一条线路 孤岛。由于没有充足的发电满足负荷，这个巨大的 跳闸。上述两条345kV线路的开断使Star-Sout山h 孤岛变得不稳定，但与该孤岛分隔的其他系统则保 Canton线路越限，l5:42第三条345kV(Star-South 持了稳定。第三阶段为大面积停电发生阶段：由于 Canton)输电线路触树跳闸（线路开断时潮流为紧急 该巨大的弧岛变得卧稳定，美国东北部和加拿 裕量的93.2%)。应当一提的是这一阶段的3杂 大的大略又被分成几个小的孤岛。功率不足的电 345kV输电线路都是因为导线滋树而引发的跳闸。 力系统频率急剧下降，甩负荷装置切掉负荷，导致崩 与导线的下垂相比，树木的过生长是引发导线与 遗：功率多余的电力系统频率急剧上升，发电机保护 树木接触的主要原因。根话调查组事后模拟得出的 自动切机，也导致系统崩遗。此时发生了大面积的 结论，如果当时前两条开断的345kV线路能够得到 停电。当然，也有的孤岛中发电机和负荷达到了平 恢复而投人运行，Star-Sout山h Canton线路就不会跳 衡从而能够稳定运行。 开。 2电压稳定与电压崩渍 (3)过负荷引起的线路开断阶段（电压崩遗阶 段)。每一条345kV线路的开断都会使为Cleveland 近年来，电压不稳定性问题已成为一个独立 和Akon送电的138kV系统的载荷增加，电压下 的研究课题，在已经出现的许多“电压不稳定”的研 降，并使线路过载。随着更多的138kV线路退出运 究示例中全然没有“角度不稳定”即将来临的迹象。 行，仍然运行的138kV线路和345kV线路上承担 它们开始是局部现象，但是能够发展成为波及到广 了越来越多的载荷。Sar-South Canton线路开断后， 阔地域的电压崩遗。然而在电压稳定和功角稳定之 为Cleveland供电的138kV系统的潮流显著增加， 间的区分并不总是清晰的，“是电压崩溃造成失步还 138kV系统电压水平进一步下降。从15：39至 是失步会造成电压崩遗？”只有对事故录波进行仔细 16:05期间共有12条138kV线路相继开断。上述 的分析之后才能回答。 最后一条138kV线路开断后，更多的功率转移至仍 所调电压崩遗，通常是指由于电压不稳定而导 在运行的345kV线路上，使Sammis-Star线路载荷达 致系统内出现一系列元件停运，从而造成大面积、大 到了额定值的120%，两秒钟后该线路跳闸。与上 幅度的电压下降和供电中断的过程。 述三条因为与树接触发生短路而跳闸的线路不同， 尽管8.14大停电已经被认定为电压崩遗)，但 Sammis-Sar线路是因为阻抗保护的动作而被切除。 它并非是电力工程师们认定的传统意义上那种电 此时系统发生了电压崩遗。尽管该线路开断后，又 压崩遗。典型的电压崩渍发生在重载荷、故章（减 有3条138kV线路相继开断，但Sammis-Star线路的 少了潮流到达负荷的可用路径的数目)或者无功 开断才是俄亥俄州东北部的系统问题引发美加东北 短缺的电力系统中。当无功的发生与传送不能满 部级联大停电这一事件的转折点。此时后续的大规 足负荷的无功靨求时，就会引发这种崩遗。当电 模级联崩溃已经不可避免。 力系统中发生的扰动引起电压渐进地并且不可控 (4)事故后的级联崩遗(Cascade)阶段。这一阶 地下降时，经典的电压崩遗就会发生。如果这种 段实际上又可以细分为三个阶段。第一阶段为潮流 崩遗持续，电压就会继续下降并引起其他设备的 的浪涌阶段：E输电系统的崩溃引发了规划中未预 开断，从而导致电压的进一步下降并失去负荷。 计到的潮流浪涌。崩溃前夕大量潮流从南方（田纳 在一些地点，电压也可能会稳定在一个颇低的水 西、肯塔基和密苏里)的发电机跨过E系统流到北 平上。通常发生在夏季的电压崩遗过程中，系统 方（北俄亥俄、东密西根和安达略）。由于E输电 开始发生故障是由于不充足的无功供应，而不是 1994-2008 China Academic .Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://ww.cnki.net
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6 电力设备 第5卷第3期 由于设备的过负荷。 8月14日，俄亥俄州北部并没有发生经典的 么 (经由电压失稳)电压崩遗。早期发生的3条345kV 50 输电线路（因与树接触造成接地短路）跳闸，以及 40 Sammis- 一条138kV输电线路（因过载）跳闸虽然致使电压 30 使略跳榈 水平下降，但并没有发生崩遗。仅当俄亥俄州北 都 20 熊电保护 部的Sammis-Star345kV线路因阻抗保护动作而跳 10 晚闸设定 开后，才最终导致了电压崩遗，此时后续的大规模 正常运 -10000200和000 行点 级联崩溃已经不可避免。但在Sammis-Star线路跳 电阻？ 开之前，FE138kV系统的电压仍稳定在118kV, 仅下降了15%，在可接受的范围内。电压崩遗是 图2 Sammis-Sar345kV 由线路相继开断造成的，而线路相继开断是由线 线路阻抗保护启动分析 路负荷的转移和过载造成的，不是由不可控的电 这一问题，应该制定统一的法规以激励独立发电商 压下降造成的。 从维护整个系统安全的角度出发，在出现预想事故 3 线路相继开断过程中的无功变化与作用 时，不仅向系统捉供必婴的有功支持，也要向系统提 供必职的元功支持。 事故的种种迹象表明，在8.14大停电惠故发生 前，虽然运行人员已经采取了塔加发电厂的无功输 4结论 出、进行发电重新疯度、周整有规压变压器的分接 这次美加“8.14大停电”呈现了一种全新的电 头和增加补偿电容的重等措施，但系统还是在一 压期溃场景，它明显地不同于传统电压崩遗概念中 种无功相对缺乏的状态下运行，表明无功出力和储 的场景。在这一场景中无功短缺本身并设有引起电 备不足。尽管这不是导致事故发生的根本原因，但 压失稳进而造成电压期渍。直至最终引起电压期遗 如果俄亥俄州当地拥有充足的无功储备，那么在短 的一条345kV输电线路开断前，受扰动地区的电压 路引起的前几条线路开断后，仍然有可能借助充足 水平仍然维持在一个可接受的范围内。电压崩遗是 的无功储备，维持俄亥俄州北部的电压，从而避免电 由线路相继开断造成的，而线路相继开断又是由线 压崩溃的发生。 路过负荷后保护动作造成的，不是由低电压造成的。 事实上，俄亥俄州北部无功的短缺是不断驱使 但是特别要强调的是，受端无功的短缺以及在线路 线路相继开断的一个很重要的原因。因为在系统传 相继开断过程中仍在运行的线路上无功电流的大幅 输功率的某个断面上，一条线路的开断不仅使其余 度上升是出现保护动作、线路跳闸的一个重要的原 线路的有功潮流加重，而且由于输电线路上有功电 因。 流的增加会更显著地增加输电线路上无功功率的损 这次事故提醒我们，电网运行要有足够的无功 耗和线路上的无功潮流（特别是线路送端的无功潮 备用容量。在电力市场环境下，必须制定统一的 流)，也使受端电压进一步下降（见附录1）。与此同 法规以激励独立发电商从维护整个系统安全性的 时，当重载线路受端的俄亥俄州北部的电压下降需 角度考虑发送无功功率并为系统提供充足的无功 要线路提供无功支持时，重载线路送端的无功功率 备用。 可能是受端所收到无功功率的许多倍（见附录2）。 而且上述这两种增大输电线路无功潮流的效应呈恶 5参考文献 性交互作用，在事故中促进了线路的相继开断。臂 【1】周孝信，郑健超，沈国荣，薛禹胜.从美加东北部电网大面积停 如，在Sammis-Star345kV线路开断之前，沿该线路 电事故中吸取教训.电网技术，2003,27(9)：T1 的无功电流几乎是当天早些时候电流的10倍，正是 [2】薛禹胜，综合防每由偶然故障演化为电力灾难一北美8.14大 由于这一原因，启动了Sammis-Star345kV线路的阻 停电的警示.电力系统自动化.2003,27(18)：1-5. 抗保护，如图2所示)。 [3]郭永基，加强电力系统可靠性的研究与应用一北美东部大停 上述分析表明，俄亥俄州北部无功储备的缺乏 电的思考，电力系统自动化，2000,27(19)：1-5. 是这次大停电事故的重要因素，所以人们应该进一 [4]胡学浩，美加联合电网大面积停电事故的反思和启示电网技 步加强对无功储备重要性的认识。尤其在辅助服务 术.2003,27(9)：T2-T6. 不健全的电力市场环境下，发电商为了追求经济利 [5]U.S.-Canada Power System Outage Task Force Interim Report:Caus- 益，在以最大容量发出有功功率的同时，不愿意发无 es of the August 14th Blackout in the United States and Canada. 功功率，这对系统的安全稳定运行很不利。为解决 [6]Augst 14.003 Outage Sequence of Events,U.S./Canada Power Out 1994-2008 China Academic .Journal Electronic Publishing House.All righis reserved.http://ww.cnki.net
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电网稳定技术 余贻鑫等：美加“8.14大停电”过程中的电压崩遗 7 age Task Force 2003.9 的无功功率的许多倍。在附图2所示的例子中，受 [7]余贻鑫.电压稳定研究述评.电力系统自动化.1999,23(21)：1 端电压降低8%时，送端系统向受端多提供24Mvar -8. 的无功时，就要求送端多送226Mvar。这种级联效 附录1 应可能会造成两个结果，一个是使线路上的复功率 载荷急剧增加，使输电线路容易过载跳闸，另一方面 当附图1所示系统中，发生长距离EV线路停 使输电线路从送端系统吸取的无功功率大量增加， 运时，输电断面上的无功损耗将大幅度增加。 造成无功电源紧张和受端电压的进一步下降，甚至 当传输自然传 可能由于定子或转子的过电流保护动作而使发电机 输功率时，事故前每 退出运行。 条线上流过的电流 梅 为1=1000A,此 区城 1500MW 时整个断面上的无 322km 功损耗△Q=5线× 3相×(1000A)2× 附图15条500kV线路 75n=1125Mvar。 241.35km,X=0.31D/km 当停运一条线时，另四条线上的电流分别为山，= 1公6 1250A,此时整个断面上的无功损耗增加为，△Q'= 250 4线×3相×(1250A)2×75=1406ivr。无功 24MVar 功率的损耗增加了281Mvar。 140 若线路充分利用，事放前每条线上流过的电流 0 -366-348342 为1，=1500A,此时整个断面上的无功损耗△Q=5 O.MVAr 线×3相×(1500A)2×750=2531Mvar,当停运 一条线时，另四条线上的电流分别为11=1875A, 附图2当受端系统无功增加时，送端 此时整个断面上的无功损耗增加为△Q'=4线×3 无功Q与受端无功Q的关系 相×(1875A)2×75=3164Mvar。无功功率的损 耗增加了633Mvar。 当第二回甚至第三回线路停运时，无功损耗的 收稿日期：2004-02-10 增加将更为可观，何况上述计算并未计及在线路无 作者简介： 功损耗增加的同时，线路电容和并联电容所产生无 余贻鑫(136)，男，教授，博士生导师，主要从事电力系 功将因电压下跌而减小的部分。 统的安全性和稳定性、配电规划和配电自动化、电力市场等 附录2 方面的研究： 董存(1973)，男，博士研究生，主要从事电力系统的 如附图2所示线路，为了支撑受端电压而经线 安全性和稳定性的研究。 路从送端系统多吸收的无功功率可能是受端所收到 (责任编辑孙瑜) Voltage Collapse During the US-Canada 8.14 Blackout YU Yi-xin,DONG Cun (Tianjin University,Tianjin 300072,China) Abstrct:On 14 August 2003,Northeast United States and Ontario,Canada,experienced an electric power blackout conidered one of the worst blackoutsin the history of these,which Basedon the system,this paper de- ibe voltage during the US-Canada8.14 Blackout,which differfrom the clasical volage collapee.How the re- in the power univer legal obigation should be made independent power plants to provide tive power and reerves. :North American blackout;power system:voltage copecascading:reactive powerrv 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
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