第27卷第9期 电网技术 Vol.27 No.9 2003年9月 Power System Technology Sep.2003 文章编号：1000-3673(2003)09-00T2-05 中图分类号：TM7 文献标识码：A 美加联合电网大面积停电事故的反思和启示 中国电力科学研究院副总工程师 胡学浩 RETHINGKING AND ENLIGHTENMENT OF LARGE SCOPE BLACKOUT IN INTERCONNECTED NORTH AMERICA POWER GRID HU Xue-hao Deputy Chief Engineer,China Electric Power Research Institute 1事故概况 美电力可靠性协会(NERC)公布的有关事故记录 及有关方面的资料报道，大致可以了解到事故的 北京时间2003年8月15日4：11（美国东部EDT 始发点及发展过程： 时间14日16：11)开始，美国东北部和加拿大东 在发生电网大停电事故前1个多小时，即美 部联合电网发生了大面积停电事故。 国东部EDT时间15：06（美国俄亥俄州EST时间 在纽约，停电使整个交通系统陷入全面瘫痪： 14:06),美国俄亥俄州的一条345k输电线 成千上万名乘客被困在漆黑的地铁隧道里：公共 (Chamberlain-一Harding)因过负荷而使导线卜垂 汽车就地停运，造成公路堵塞：许多人被长时间 触树跳线。当时正值下午高温时间，大量的空调 困在电梯里；空调停运，人们只能聚集大街上， 负荷在运行。此前美国俄亥俄州的主要电力公司 或在高温下冒着酷热步行回家。 一一第一能源公司(FirstEnergy Corp.)的一台 此次停电涉及美国俄亥俄州、密歇根州、纽 87OMW核电机组(Davis-Besse)因检修而停运， 约州、马萨诸塞州、康涅狄克州及新泽西州等6 另一台550MW火电机组(Eastlake)也在6min前 个州和加拿大安大略省、魁北克省，共计损失负 停运，因此，该公司的发电备用容量减少，且需 荷61.80Gw,多达5000万的居民瞬间便失去了他 要调整线路潮流（笔者认为很可能是由于运行人 们赖以生存的电力供应。经过电力部门紧急处理 员调整不当而使上述线路过负荷)尽管此时电网 和抢修，在美国东部EDT时间14日19：30恢复了 监控系统运行正常，但据说给运行人员作警示用 1.34Gw负荷，14日23：00恢复了21.30GW负荷， 的报警却未能反应动作。此后，可能由于上述跳 到15日11：00,48.60GW负荷得以恢复。仅美方 线线路的部分输送功率转移到相邻的一条345kV 统计的在此次事故中跳闸的机组就多达20多台， 其中还有9台核电机组，如包括加拿大在内，则 线路(Hanna-一Juniper),又引起该条线路长时间 有多达上百台发电机组及更多核电机组跳闸。核 过热并下垂，从而接触线下树木，致使该条线路 电机组的恢复需要几天时间，因此，全系统恢复 因短路故障而跳线(15：32)。此时俄亥俄州流向密 到正常供电花了好几天时间。据有关媒体报导， 歇根州的潮流仍然维持原先的方向并运行稳定。 此次停电给美加两国造成的损失和影响是巨大 又经过大约10-30min,又有3条345kV线路 的、多方面的，美国经济学家估计美国每天停电 相继跳线(Star-South Canton 15:41,Tidd-Canton 的经济损失高达300亿美元。加拿大安大略省因 Central 15:46,Sammis-Canton16:06),以上故 停电造成的经济损失也达50亿美元。而停电事故 障还主要局限在俄亥俄州。这3条线路中的前两 对社会、政治及人们的心理所造成的影响更难以 条线路跳掉后(15：46)，克利夫兰市(Cleveland) 估计。 附近的线路出现了严重的低电压现象，后一条线 路跳掉后(16：06)发现俄亥俄州流向密歇根州的 2事故的起因及发展过程 潮流开始反向，由原来俄亥俄州流向密歇根州 事故的发生引来众说纷纭。根据权威部门北 200MW变为密歇根州流向俄亥俄州200MW,为 C1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
T 2 Power System Technology Vol. 27 No. 9 文章编号：1000-3673（2003）09-00T2-05 中图分类号：TM7 文献标识码：A 美加联合电网大面积停电事故的反思和启示 中国电力科学研究院 副总工程师 胡学浩 RETHINGKING AND ENLIGHTENMENT OF LARGE SCOPE BLACKOUT IN INTERCONNECTED NORTH AMERICA POWER GRID HU Xue-hao Deputy Chief Engineer,China Electric Power Research Institute 第 27 卷 第 9 期 电 网 技 术 Vol. 27 No. 9 2003 年 9 月 Power System Technology Sep. 2003
第27卷第9期 电网技术 T3 支持俄亥俄州北部电网，密歇根州电网出现了电 因有许多，美、加双方的一些专家对此进行了初 压下降的情况。3min后，即16：09，印第安那州 步分析。 的美国AEP公司向俄亥俄州北部电网送电的两回 美国电力研究院(EPRI)的专家对记录到的 线路也先后跳线(Muskingum-OH Central及 电压电流波形进行分析，认为本次事故主要呈现 E.lima一Fostoria).此时，俄亥俄州的FirstEnergy公 出一种快速电压崩溃现象。这种情况往往出现在 司电网向密歇根州电网抽取的功率突然从200MW 重负荷时（这与美国8月份的下午天气炎热、空 跃变至2200MW,这一方面使密歇根州电网的电 调负荷增加的现状相符)，特别是以马达负荷为主 压呈继续快速下降之势并开始崩溃，而低电压又 的情况下，当某种原因造成电压很低时，马达负 使密歇根州电网和俄亥俄州电网内的一些发电厂 荷在低电压时会发生堵转现象而抽取大量无功功 和线路相继跳闸：另一方面使密歇根州电网向加 率，使电压长时间维持在较低水平而难以恢复， 拿大送电反向，从向加拿大送400-500MW到反送 从而造成电压崩溃事故。 200MW,并进而跃变至反送2800MW,由此，加 也有人认为事故是因电网老化陈旧造成的， 拿大与美国东部地区之间出现功率摇摆和振荡， 连美国总统布什也声称“这次停电是一次警告， 进一步影响到加拿大安大略省、美国纽约州和其 这是一个信号，告诉我们应该更新我们的电网”。 他各州。仅仅1-2min,发电机纷纷因保护动作而 甚至有人认为美国的电网是属于第三世界的。这 跳机(Campbell3号机，16：10：Aron9号机，16：I1: 里确有其正确的成分，因美国高压主干电网至少 Pey1号机，核电机组，16：11)，一些线路因连 已有40~50年历史，一些早期建设的线路及设备 锁反应而跳线(Hampton-Thetford345kV线，密歇 比较陈旧也是在所难免的，而更新设备又需要资 根州，16：10：Oneida-Majestic345kV线，16：l0: 金和大量投入。 Beaver-Davis Besse线，16：11)，自16：l1起，故障 有人把此次事故归罪于电力放松管制，认为 已不再局限于俄亥俄州，而发展到其它一些州， 放松管制、打破电力部门垄断后竞争加剧，电网 由于大量线路跳线及发电机组跳闸切机，引起电 设备方面的投资相应减少。据美国有关方面的资 网频率下降，电网的低周波减负荷保护动作，大 料统计显示，在过去10年内负荷需求增加了30%， 量负荷被切除，形成了大面积停电事故。 但输电能力仅增加了15%，由此使高压线路的功 由上述可见，停电事故的起因和发展过程大 率输送裕度减少，常常工作在危险区或边缘。 致是比较清楚的，故障发展的部分原因也是清楚 还有人认为，负荷模型的模拟不准确及模拟 的，当然目前并非所有原因都很清楚。在首先跳 工具、手段缺乏也是造成停电事故的原因之一， 掉的5回345kV线中，除第4回属美国AEP电力 因为未能事先提示此次事故发生的可能性。 公司(American Electric Power)外，其它4▣均 以上看法均有一定道理，如此后果严重的大 属于美国俄亥俄州FirstEnergy公司。他们认为， 面积停电事故在世界电力工业史上也是少见的。 虽然有一些线路跳闸，但并不影响也并未中断对 据我们分析，还可能会有其它一些因素，例如体 用户的供电，系统也是安全的，因而未将其系统 制方面的问题。美国互联电力系统是由许多电力 与其它相连之系统用解列的方法隔离开，但事件 公司所属的电网互联而成的，并无统一的规划、 的发展并不在他们的估计之中。笔者认为第一能 设计及调度，因此在如何处理局部与整体的关系 源公司(FirstEnergy Corp.)对事故反应缓慢和处理不 方面可能会出现一些问题。 当可能是此次事故扩大的主要原因之一。虽然受 目前停电事故的调查和分析还刚刚开始，事 大面积停电影响的州多达8个，但由于一些自动 故的确切原因尚不很清楚，以上粗浅的分析和推 装置动作将故障区与正常运行区解列及直流联网 论可能会有片面性甚至还可能有误。对于如何防 的隔离作用，美国南部电网及西部电网依然完好。 止这种极为严重的事故发生，美国国内也有多种 不同的建议。除了采用加快电网更新和建设、改 3事故原因分析 进电网分析计算的模拟手段等外，有人建议用类 在长达一个多小时的过程中事故未能得到有 似德克萨斯州的方法，采用高压直流方式将本州 效控制，并进而蔓延发展造成大面积停电，其原 电网与其他大区电网互联，这样中于直流具有隔 C1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
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T4 Power System Technology Vol.27 No.9 离功能，故障就不易传到相近区域。还有人建议 教训，供我们借鉴，以避免今后我国互联大电网 采用超导设备，如D-VAR、D-SMES(超导储能) 出现类似的连锁反应式故障和大面积停电是极为 来抑制振荡等。也有人提出采用分布式电源的方 重要的。特别地从这次美加联合电网大面积停电 法供电，可提高系统的可靠性及事故后快速恢复 事故的初步分析中，可以获得许多启示： 的能力。当然，还有其他许多建议和想法。 (1)应加强三道防线建设 4防止我国互联大电网发生大面积停电事 电网互联可使资源获得优化配置，具有巨大 故的紧迫性 技术经济效益，这一点勿庸置疑。但当电网越联 越大时，避免电网因故障的相互影响而扩展成大 美因东北部和加拿大东部部分地区发生的大 面积停电显得格外重要。我国电网在20世纪60 面积停电事故，引起了我国政府部门、电力行业 至70年代也曾发生过多起大面积停电事故，但自 有关单位和企业的高度关注。我国电网目前正进 80年代初期按照《电力系统稳定导则》的要求， 入全国电网互联的关键阶段，全国电网互联的格 实施三道防线的措施以来，大停电事故明显减少。 局即将形成，联网可以带来巨大的技术经济效益， 但联网后也可能使故障时影响范围扩大，尤其是 近年来，随着电网互联规模的扩大和电力体制改 革的不断深化等，有必要强调三道防线特别是第 连锁反应式故障可能导致大面积停电或全系统的 崩溃。 三道防线的作用，需注意保持电网互联时的简洁 性、研究故障时的振荡中心位置、配置功能合理 中国的电力体制改革正在进行，电力市场化 且快速动作的解列装置。 运行机制正在逐步建立，由此可以打破垄断，引 入竞争，提高电网运行的效率。但由于电能具有 主要由于体制上的原因，美国的电网结构比 较复杂、互联方式也不够简洁，导致故障时解列 难以储存的特点，使电力交易不同于一般商品。 比较困难。 也即在追求经济性的同时，可能在技术性方面会 有一些损失或影响。如输电的裕度更小了，控制 (2)加强电网的总体规划，确保网络结构的 合理性 和调节更倾向于局部化。 此外，西电东送需要大量线路走廊，但环保 坚持“统一规划、统一建设、统一管理、统 对输电系统提出了很高的要求，为节省线路走廊， 一调度”，加强我国电网总体规划，建设坚强而结 有必要采用更高一级电压等级输电或直流输电， 构合理的网架是我们一贯的策略和方针，否则电 或采用一些如可控串补(TCSC)、移相器、统一 网将难以运行。一个脆弱和不合理的网络，将会 潮流控制器(UPFC)等新的设备和技术。 事故频出，并难以将故障局限在一定范围内。 凡此种种，均对我国电力系统的安全性和可 (3)应注重联网方式 靠性提出了巨大的挑战，我国互联电网同样也存 我国大区电网互联时，往往采用交流或直流 在并且面临着与北美大面积停电事故相似的威胁 联网这两种方式，常常要基于实际电网对两种联 和可能。因此，如何及时地加强对我因互联电网 网方式进行技术、经济性能比较。由于高压直流 进行全方位的深入研究，吸取这次北美大面积停 换流站设备价格较高，从经济性考虑往往首选交 电事故的经验教训，引以为鉴，并采取必要的措 流联网方式。笔者认为，经济性能比较确实是需 施，防患于未然，确保我国大互联电网的安全稳 要的，但不能仅局限在联网设备的价格比较上， 定运行，保证国民经济的正常运转和人民正常的 还应考虑因这种联网方式而引起的各网内网络加 生活，是摆在我们每个电力工作者面前的重要任 强和设备改造的那部分费用。如东北、华北电网 务。 采用交流联网会引起两大区网内一些主干线送电 功率极限的下降，为此各网均采取了一定的措施， 5美加联合电网大面积停电事故的启示 如华北电网为解决大房线的送电能力下降问题增 近一、：十年来，国内外因连锁式反应故障 设了串补设备。此外，某一电网故障引起其他相 而造成的大面积停电事故屡有发生，对这些事故 联电网因连锁反应而造成的损失，也有必要予以 的起因、动态发展过程进行了解，分析其原因， 适当的考虑。直流联网可以隔离故障，使事故损 并从对这些事故的分析处理及解决中吸取经验和 失减少是不言而喻的，这次美加大停电事故中， C1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
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第27卷第9期 电网技术 T5 加拿大安大略省损失了20GW负荷，而魁北克省 率下降，此时，最重要的是如何维持全网的稳定 仅损失100MW负荷，这与魁北克省与纽约州采用 运行。而当时马来西亚的独立发电商PP所占的 直流联网有直接关系。故障后因失去负荷而减少 比例已经很大，某PP发电厂为保护其发电机组 的收入及给用户的补偿费用将远远超过直流联网 设置的低周保护自动动作，先于电网切负荷而切 比交流联网多支出的费用。笔者认为交流联网的 机，致使电网频率急剧恶化，直线下降，而导致 规模和范围原则上并无限制，但当交流联网达到 了全网频率崩溃。 一定规模时，其获益将达到饱和，而弊病则明显 其实这种事故是较易避免的，只要事先按特 增加，此时宜考虑采用直流联网方式。正是由于 定运行方式进行一些系统分析计算，协调好低周 美国东部电网与西部电网之间用多回直流相联（纯 保护的动作整定值（包括延迟时间），并严格按此 直流而无交流)，此次美加大停电事故并未影响美 进行运行和调度，一般不会发生此类事故。当然， 国西部地区就是一个很好的例证。 留有足够的系统发电备用容量，以备事故时紧急 (4)调整保护和控制策略，以适应互联大电 调用也是防止系统频率崩溃的重要手段和措施。 网的运行要求 我国电网也处于步入大电网互联和电力市场化的 电网的各种控制保护系统大多是基于原有独 时期，必须强调局部和整体的关系，“统一管理、 立系统设计的，当这些电网互联时，原有的一些 统一调度”。 控制系统就可能不再适应互联大电网的运行要 (6)加强全网的监控 求，须进行适当的调整。 电网的互联增大了对其监控的难度。这次美 笔者曾对我国云南省电网进行过计算分析： 加大电停电事故中就出现了线路故障信号因报警 当云南省电网未与广西、广东电网相联时，本网 失灵而未能给运行调度人员以警示的情况。设想 内的低周减载方案配置良好，但一旦联网后，如 如果最初故障时能及时报警，在事故发生的初期 果云南电网发生失去大电源的故障，从有功功率 问题比较单纯就相对容易处理和解决，也许就不 角度考虑，由于相联电网的紧急功率支援，频率 至于发生后来的大停电事故，因此，加强对全网 下降减少，从而未达到低周减载的整定值，不会 的监控显得格外重要。目前可以利用全球定位系 发生因低周而切负荷的情况。但从无功功率角度 统(GPS)来确保大电网中各关键部分的信号同步， 考虑则不然，由于未能切除部分负荷，局部地区 但必须加强对信号的获取和全系统的控制策略的 (例如昆明草铺变电站)可能因无功不平衡而出 研究。 现电压大大下降，并进而造成电压不稳定问题。 (7)注重对负荷模型的研究 此时必须对控制保护系统进行适当调整，如增加 在这次美加大面积停电的分析中，美国专家 必要的低电压切负荷或切机切线路时连切负荷的 也提出加强计算模型和计算手段开发的建议。笔 措施，这种措施是很有效的。 者认为在这方面我们同样必须给予特别的关注。 此外，电网互联还可能造成系统阻尼下降， 我国在进行电力系统分析计算时，常常采用传统 易引起低频振荡事故，往往须增配一些电力系统 的方式来模拟负荷，即采用恒功率、恒电流、恒 稳定器(PSS),并对原有的配置整定参数重新进 阻抗，以一定比例组合（如30%，30%，40%）， 行调整和协调。 并考虑频率因子的方式，或采用马达和恒定阻抗 (5)加强控制的协调，解决好整体与局部的 按一定比例组合（如60%，40%）的模式。计算 关系 中这种比例相对来说较为固定而沿用了多年。但 电力市场化以后，往往产生一种控制保护局 近年来随着城市用电中空调负荷的增长（如北京 部化的倾向，即设备业主和利益有关方特别关注 和上海在夏季高峰负荷时，空调负荷可达城市峰 对自己设备的保护问题，此时，如何处理并解决 荷的40%)，特别是我国要建设全面小康社会，城 好控制和保护的整体与局部的关系尤为重要。 镇化在未来若干年中会呈加快的趋势。不对负荷 马来西亚1996年8月发生的全国大停电不能 进行深入研究和进行全国范围的调查，计算结果 不认为与此密切相关。当时电网中因一开关故障 必定与实际情况不符，自然也无法预示运行危险 而导致某发电厂功率无法送出而切机，使电网频 状态的出现，增加了事故出现的概率。 C1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
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T6 Power System Technology Vol.27 No.9 (8)对核电机组应给予特殊的关注 节性能良好的无功补偿设备，以对该电网的电压 核电机组是具有一定特殊性的。核电机组对 给以坚强的支持。 外部电网的要求比常规火电机组要严格一些。例 (9)加强对无功补偿及其方式的研究 如，笔者在对我国大亚湾核电机组接入系统进行 电网稳定破坏可分为三类，即功角不稳定、 可靠性计算时曾采用以下准则：核电厂接入50OkV 频率不稳定（崩溃）和电压不稳定（崩溃）。目前 母线的电压标么值低达0.75且持续0.8s时，就可 电网越联越大，任何单一事故如跳一条线路或切 判断为电网失效事故。根据事故的电压波型记录， 除一台大机组，甚至是切除一个电厂，在继电保 此次美加停电事故中电压最低达0.6标么值左右， 护及时快速动作的前提下，都不足以使一个联系 并持续3~5s,这对核电机组的威胁是很大的。当 紧密的电网因功角摆开而失稳（长链型电网除 母线电压较低并持续一定时间时，接在其上的马 外)。而以往稳定导则中比较注意的是用切一台大 达的低电压保护就可能动作，这一方面是为了保 机组来检查频率下降的情况。由于系统总容量的 护马达本身因低电压而产生的过流及发热等问 增加，大多不会出现频率崩溃的现象，因此电压 题，另一方面也为了防止因马达出力降低而导致 不稳定可能成为今后电网稳定破坏的元凶。由以 冷却剂泵的出力、流量减少，使堆芯过热等问题。 上对事故发展过程的回顾和分析中也可以看出， 根据记录，这次美加大停电事故中美国侧的9 电压不稳定是造成此次大停电事故的主要原因之 台核电机组中有8台是由于失去外部电网电源造 一。为此，加强对无功补偿及其方式的研究极为 成紧急停堆而跳机的。由于这种事故已达四级事 重要。 故，尽管是轻微的事故，但按规程规定，核电站 西电东送、远距离大容量交直流输电将是我 保护系统已自动启动，紧急停堆而将核电机组切 国电网未来多年内电力输送的特点，加强对无功 除。具体的停堆原因目前尚不十分清楚，但其中 补偿特别是受端系统无功补偿的研究尤为重要。 有一台被切除的核电机组记录中显示是由于发电 在输电系统中，调节性能较好的无功补偿设备如 机受负荷摇摆的影响，过热整定值越限而造成切 静止无功补偿器SVC、STATCOM等以往应用较 机的。另外还有一台核电机组，虽然并未跳机， 少，这对电网的安全运行是极为不利的。象珠江 但在大停电前的4min时曾经受到电网的大扰动而 三角洲、长江三角洲这种负荷密集地区，受环保 导致其厂用电母线电压瞬时性下降，由于低电压 和土地资源的约束，当地不可能大量建厂，即使 同时出现在其2400V交流安全母线上，使事故备 建厂也可能要建一些自身保护要求较高的核电机 用柴油发电机自动启动，但尚未带负荷。这次停 组，因此安装充足且调节性能良好的无功补偿设 电事故中美国电网中切除的9台核电机组中有6 备是防止电压不稳定的重要措施之一。 台是位于纽约州的，新泽西州、俄亥俄州、密歇 根州均分别只有1台核电机组跳掉，笔者认为大 6结语 量的核电机组被切除正是纽约州失去22GW负荷 我国电网目前正处于发展的关键时期，我们 的主要原因之一，其损失也较其他州为重。而加 要充分吸取这次北美大面积停电事故的经验教 拿大安大略省的核电站容量占其系统总容量一半左 训，引以为戒，并进一步加强对我国互联电网的 右，也损失了20GW负荷，不仅损失是惨重的，还 全方位深入研究，采取必要的措施，以确保全国 由于核电机组恢复较慢，须几天时间，从而使加拿 互联大电网的安全稳定运行。 大的电网恢复比美国要慢。 目前我国的核电机组比例不大，只有1%多一 收稿日期：2003-09-01. 些，而且仅局限在广东、浙江和江苏等省，但今 后核电机组会大量增加，且可能遍布全国，因此， (编辑宋书芳) 务必对核电机组给予特殊的关注。笔者认为，核 电机组的安装地点附近一定要安装容量足够且调 C1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
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