第28卷第21期 电网技术 Vol.28 No.21 2004年11月 Power System Technology Nov.2004 文章编号：1000-3673(2004)21-0001-05 中图分类号：TM711 文献标识码：A 学科代码：4704051 一年以后对美加“8.14”大停电事故的反思 何大愚 (中国电力信息中心，北京市西城区100011) RETHINKING OVER8.14'US-CANADA BLACKOUT AFTER ONE YEAR HE Da-yu (China Electric Power Information Center,Xicheng District,Beijing 100011,China) ABSTRACT:The summary,prospect and proposals on the 先，现有的500kV电网的输电能力不足，已促成南方电网中 preventive measures,which are published in US authoritative “交弱直强”的局面，使本应相互支援的交直流并联方式变 journals and consider the features of power grid,for the blackout 成了强弱同存的现状：其次，平面型大电网将使各地500kV occurred in interconnected North America power grid on August 开关的遮断容量快速增大：最后，电网的安全防卫性能、电 14,last year are briefly introduced.According to these comments 网自动化的配置方式以及电力市场运营的灵活性都将比宝塔 the inherent structural defects in future domestic plane type 型结构的低下。应尽早警惕和防范这些不良影响。还对我国 structure of 500kV nationwide integrated power grid are pointed 研制实时监控系统的高强性能前景、十分困难的途径以及分 out.Firstly,the power transmission capability of existing 500kV 阶段达标提出了建议：并提出引入“电网发展弹性系数”，以 power networks is insufficient,at present in the South China 求与“电力发展弹性系数”一起进行综合分析，才能达到“电 Power grid the parallel AC/DC mode which ought to support 力应适度超前发展、电网要适度超前建设”的目标。 each other becomes the situation of "strong DC network 关键词：美加“8.14”停电事故：电网网架结构：实时安全 coexisting with weak AC network";secondly,the plane type high 监控系统：电网发展弹性系数：电力系统 capacity power grid will make the interrupting capability of 500kV breakers quickly increasing,thirdly,for the plane type of 1引言 nationwide integrated power grid the security defence capability as well as the flexibility of automation system configuration and 震惊世界的2003年美加“8.14”大停电已过去 electricity market operation will meet more difficulties than the 一年。在这一年中各国所召开的研讨会、讨论会上 pagoda type of power grid structure.Therefore,the 以及各种相关报刊上所发表的评论性或展望性文 above-mentioned defects should be vigilant and on guard as early 章的数量之多，可以说是汗牛充栋了：但其中多数 as possible.Some proposals on the magnificent prospect of 讨论性文章都是基于本国的国情和电网情况（网 domestic high performance real-time security control system,the difficulties might be met during the research and the 情)论述普遍原则的。例如德国电力机构按照本国 stage-by-stage purposes of this research are put forward.Besides. 和西欧几国局部平衡的“网眼”式电网结构，论述 it is also pointed out to lead in the coefficient of elasticity for the 了高度安全性能，但这不一定适用于其他国家的多 evaluation of power grid planning to conduct the integrative 地区间资源优化利用及互通有无、互补余缺的联网 analysis with the coefficient of elasticity for power industry 情况：再如俄罗斯电力当局从其己有效运用多年的 development,and in this way the goal of"power industry should 全国统一的安全自动化系统出发，与美国电网分散 be developed appropriately in advance and power system nust be developed appropriately in advance"could be realized. 安装、协调不足的安全自动化系统比较后，总结认 为俄罗斯电网中过去没有、将来也不会发生像 KEY WORDS:Blackout in interconnected North America “8.14”这样的大型停电事故。 power grid on August 14,2003:Power grid structure: Real-time security control system:Coefficient of elasticity for 我国不少电力工作者也根据多年行之有效的 power grid planning:Power system 统一规划和统一调度的成功经验，论述了我国电网 摘要：介绍了计及电网特点的美国权威性刊物对“8.14”事 安全性的基本保证。事实也证明了这一点，2003年 故的简要总结、展望和防范措施建议，基于这些建议指出了 9月4日上海电网所经受的未遂大停电事故，即在 我国未来的全国500kV平面型大电网存在固有结构缺陷：首 比美国第一能源公司(First Energy,FE)的树害引 C1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
第 28 卷 第 21 期 电 网 技 术 Vol. 28 No.21 2004 年 11 月 Power System Technology Nov. 2004 文章编号：1000-3673（2004）21-0001-05 中图分类号：TM711 文献标识码：A 学科代码：470·4051 一年以后对美加“8.14”大停电事故的反思 何大愚 （中国电力信息中心，北京市 西城区 100011） RETHINKING OVER ‘8.14’ US-CANADA BLACKOUT AFTER ONE YEAR HE Da-yu （China Electric Power Information Center，Xicheng District，Beijing 100011，China） ABSTRACT：The summary, prospect and proposals on the preventive measures, which are published in US authoritative journals and consider the features of power grid, for the blackout occurred in interconnected North America power grid on August 14, last year are briefly introduced. According to these comments the inherent structural defects in future domestic plane type structure of 500kV nationwide integrated power grid are pointed out. Firstly, the power transmission capability of existing 500kV power networks is insufficient, at present in the South China Power grid the parallel AC/DC mode which ought to support each other becomes the situation of “strong DC network coexisting with weak AC network”; secondly, the plane type high capacity power grid will make the interrupting capability of 500kV breakers quickly increasing; thirdly, for the plane type of nationwide integrated power grid the security defence capability as well as the flexibility of automation system configuration and electricity market operation will meet more difficulties than the pagoda type of power grid structure. Therefore, the above-mentioned defects should be vigilant and on guard as early as possible. Some proposals on the magnificent prospect of domestic high performance real-time security control system, the difficulties might be met during the research and the stage-by-stage purposes of this research are put forward. Besides, it is also pointed out to lead in the coefficient of elasticity for the evaluation of power grid planning to conduct the integrative analysis with the coefficient of elasticity for power industry development, and in this way the goal of “power industry should be developed appropriately in advance and power system nust be developed appropriately in advance” could be realized. KEY WORDS：Blackout in interconnected North America power grid on August 14, 2003；Power grid structure； Real-time security control system；Coefficient of elasticity for power grid planning；Power system 摘要：介绍了计及电网特点的美国权威性刊物对“8.14”事 故的简要总结、展望和防范措施建议，基于这些建议指出了 我国未来的全国 500kV 平面型大电网存在固有结构缺陷：首 先，现有的 500kV 电网的输电能力不足，已促成南方电网中 “交弱直强”的局面，使本应相互支援的交直流并联方式变 成了强弱同存的现状；其次，平面型大电网将使各地 500kV 开关的遮断容量快速增大；最后，电网的安全防卫性能、电 网自动化的配置方式以及电力市场运营的灵活性都将比宝塔 型结构的低下。应尽早警惕和防范这些不良影响。还对我国 研制实时监控系统的高强性能前景、十分困难的途径以及分 阶段达标提出了建议；并提出引入“电网发展弹性系数”，以 求与“电力发展弹性系数”一起进行综合分析，才能达到“电 力应适度超前发展、电网要适度超前建设”的目标。 关键词：美加“8.14”停电事故；电网网架结构；实时安全 监控系统；电网发展弹性系数；电力系统 1 引言 震惊世界的 2003 年美加“8.14”大停电已过去 一年。在这一年中各国所召开的研讨会、讨论会上 以及各种相关报刊上所发表的评论性或展望性文 章的数量之多，可以说是汗牛充栋了；但其中多数 讨论性文章都是基于本国的国情和电网情况（网 情）论述普遍原则的。例如德国电力机构按照本国 和西欧几国局部平衡的“网眼”式电网结构，论述 了高度安全性能，但这不一定适用于其他国家的多 地区间资源优化利用及互通有无、互补余缺的联网 情况；再如俄罗斯电力当局从其已有效运用多年的 全国统一的安全自动化系统出发，与美国电网分散 安装、协调不足的安全自动化系统比较后，总结认 为俄罗斯电网中过去没有、将来也不会发生像 “8.14”这样的大型停电事故。 我国不少电力工作者也根据多年行之有效的 统一规划和统一调度的成功经验，论述了我国电网 安全性的基本保证。事实也证明了这一点，2003 年 9 月 4 日上海电网所经受的未遂大停电事故，即在 比美国第一能源公司（First Energy，FE）的树害引
Power System Technology Vol.28 No.21 发线路跳闸更为严重的早高峰期中，吴径电厂一台 性标准： 600MW的大机组发生突然跳闸：但调度人员运用 (2)应审慎核清所有费用支出和投资项目： 统一调度手段，紧急调动各种紧急支持手段，包括 (3)FERC应不再批准任何新的区域输电管理 新安江水电快速增负荷、天荒坪抽水蓄能立即转入 (Regional Transmission Organization,RTO) 发电运行方式、福建一上海的联络线紧急加大输送 或独立系统运行机构(Independent System 功率、上海地区需求侧管理技术(Demand Side Operator,ISO)的运作，直至他们确已达到最低功 Management,.DSM)中商定的上千家用户实行短时 能的要求： 断电或减电等措施。终于大约在30min内，逐步化 (4)应保护那些按照审定职责或防范准则切 险为夷，使大停电的灾难擦身而过，也树立了一次 除负荷的调度人员： 以统一紧急调度应对事故、克服危难的范例：但目 (5)应建立在线路路径区内维护电气间距的 前在美国实行这样的调度仍有一定困难。 强制标准： 局部经验体现出的普遍原则是根据具体的国 (6)应加强NERC的强制执行纲要(Compliance 情和网情条件总结出来的：反过来说，任何普遍原 Enforcement Program,CEP); 则要应用于某一具体电网，也必须与该电网的各种 (7)应改进近期和长期培训工作，提高对调度 具体特点相结合，才能行得通。通过大量讨论可知， 员、可靠性协调员以及调度支持人员的资格要求： 美国电网具有许多独特的、尚未被全面了解的一系 (8)应对正常、预警和紧急运行状况的系统 列特点。例如：己有50多年运行经验的美国电网 条件建立明确的规定和定义： 是由初期的自由竞争发展之后，国家才介入了（尤 (9)应为调度员和可靠性协调员的评估工作 其是20世纪60年代成立的北美电力可靠性协会 提供更为优良的各种实时手段： North America Electric Reliability Council, (10)应加强所有NERC地区内无功功率和电 NERC))电网建设、规划和运行，经有组织的协调 压控制的措施： 管理后发展成目前的（尤其是在供、配电网中）电 (11)应拟定输电线路各种额定值的强制遵从 压等级杂乱、电网结构强弱不一的电网：美国各州、 标准： 各大区的电力公司对联邦能源管理委员会(Federal (12)应要求采用时间同步的数据记录装置。 Energy Regulatory Commission,FERC)NERC 由上述加强电网安全的措施可见，政府调查组 的规定和导则基本上处于自愿执行、而不是强制执 对许多方面的基础性工作并不满意，也可以大致看 行的状态：甚至于在危急状态下按规定和导则执行 出美加电网中一些独具特色的网情甚至是国情：明 了切负荷措施的调度人员，反而可能在事故后受到 显涉及价值观、民主集中制，甚至是伦理观念。这 责难或质询，甚至有被控告到法院、受到传讯的可 在下文的论述中也可看出。 能等。这些特点可以从下文的事故一年后的一些权 另一份更具权威性的展望性评论是“8.14”一 威性评论中窥知一斑。 周年时EEE总会会刊中的刊首社论文章)，该文 2美加“8.14”停电事故一年后美国的一些权 虽然在角注中注明“本社论不代表EEE学会的正 式立场，欢迎在会刊论坛中提出短评或意见”，但 威刊物的评论 并不影响其固有的权威性和客观性，十分值得阅读 美加政府在“8.14”事故后立即成立了政府调 和理解，现对其分段介绍如下： 查组，经过7个半月的全面调查和紧张工作后，于 (1)“8.14”事故造成破记录的61.8GW负荷 2004年3月31日出台了最终调查报告0。其篇幅 损失：在216个电厂中切除了531台发电机：给 不小，不计附录在内，就有140页。内容包括事故 用户造成了约70亿美元的损失。这是继1999年大 起因和过程、责任分析、可采取的措施方案以及相 停电事故和1996年西部两次大停电事故之后的更 关的建议等方面。现将Transmission&Distribution 大的一次灾难。 杂志的主编Rick Bush针对最终调查报告中涉及电 (2)据美国能源部的统计，仅自1999年算起 网建设、运行和维护方面所总结的重要改进建议的 就已发生过130次重大停电事故，其中尚未计入 摘要介绍如下： 2000~2001年期间加州电力市场造成的事故。 (1)应建立必须遵从并强制执行的各种可靠 (3)从原则上讲，应对引起事故负有责任的 C1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
2 Power System Technology Vol.28 No.21 发线路跳闸更为严重的早高峰期中，吴径电厂一台 600MW 的大机组发生突然跳闸；但调度人员运用 统一调度手段，紧急调动各种紧急支持手段，包括 新安江水电快速增负荷、天荒坪抽水蓄能立即转入 发电运行方式、福建—上海的联络线紧急加大输送 功率、上海地区需求侧管理技术（Demand Side Management，DSM）中商定的上千家用户实行短时 断电或减电等措施。终于大约在 30min 内，逐步化 险为夷，使大停电的灾难擦身而过，也树立了一次 以统一紧急调度应对事故、克服危难的范例；但目 前在美国实行这样的调度仍有一定困难。 局部经验体现出的普遍原则是根据具体的国 情和网情条件总结出来的；反过来说，任何普遍原 则要应用于某一具体电网，也必须与该电网的各种 具体特点相结合，才能行得通。通过大量讨论可知， 美国电网具有许多独特的、尚未被全面了解的一系 列特点。例如：已有 50 多年运行经验的美国电网 是由初期的自由竞争发展之后，国家才介入了（尤 其是 20 世纪 60 年代成立的北美电力可靠性协会 （ North America Electric Reliability Council ， NERC））电网建设、规划和运行，经有组织的协调 管理后发展成目前的（尤其是在供、配电网中）电 压等级杂乱、电网结构强弱不一的电网；美国各州、 各大区的电力公司对联邦能源管理委员会（Federal Energy Regulatory Commission，FERC）和 NERC 的规定和导则基本上处于自愿执行、而不是强制执 行的状态；甚至于在危急状态下按规定和导则执行 了切负荷措施的调度人员，反而可能在事故后受到 责难或质询，甚至有被控告到法院、受到传讯的可 能等。这些特点可以从下文的事故一年后的一些权 威性评论中窥知一斑。 2 美加“8.14”停电事故一年后美国的一些权 威刊物的评论 美加政府在“8.14”事故后立即成立了政府调 查组，经过 7 个半月的全面调查和紧张工作后，于 2004 年 3 月 31 日出台了最终调查报告[1]。其篇幅 不小，不计附录在内，就有 140 页。内容包括事故 起因和过程、责任分析、可采取的措施方案以及相 关的建议等方面。现将 Transmission & Distribution 杂志的主编 Rick Bush 针对最终调查报告中涉及电 网建设、运行和维护方面所总结的重要改进建议的 摘要[2]介绍如下： （1）应建立必须遵从并强制执行的各种可靠 性标准； （2）应审慎核清所有费用支出和投资项目； （3）FERC 应不再批准任何新的区域输电管理 机构（Regional Transmission Organization，RTO） 或独立系统运行机构（ Independent System Operator，ISO）的运作，直至他们确已达到最低功 能的要求； （4）应保护那些按照审定职责或防范准则切 除负荷的调度人员； （5）应建立在线路路径区内维护电气间距的 强制标准； （6）应加强 NERC 的强制执行纲要（Compliance Enforcement Program，CEP）； （7）应改进近期和长期培训工作，提高对调度 员、可靠性协调员以及调度支持人员的资格要求； （8）应对正常、预警和紧急运行状况的系统 条件建立明确的规定和定义； （9）应为调度员和可靠性协调员的评估工作 提供更为优良的各种实时手段； （10）应加强所有 NERC 地区内无功功率和电 压控制的措施； （11）应拟定输电线路各种额定值的强制遵从 标准； （12）应要求采用时间同步的数据记录装置。 由上述加强电网安全的措施可见，政府调查组 对许多方面的基础性工作并不满意，也可以大致看 出美加电网中一些独具特色的网情甚至是国情：明 显涉及价值观、民主集中制，甚至是伦理观念。这 在下文的论述中也可看出。 另一份更具权威性的展望性评论是“8.14”一 周年时 IEEE 总会会刊中的刊首社论文章[3]，该文 虽然在角注中注明“本社论不代表 IEEE 学会的正 式立场，欢迎在会刊论坛中提出短评或意见”，但 并不影响其固有的权威性和客观性，十分值得阅读 和理解，现对其分段介绍如下： （1）“8.14”事故造成破记录的 61.8GW 负荷 损失；在 216 个电厂中切除了 531 台发电机[4]；给 用户造成了约 70 亿美元的损失。这是继 1999 年大 停电事故和 1996 年西部两次大停电事故之后的更 大的一次灾难。 （2）据美国能源部的统计，仅自 1999 年算起 就已发生过 130 次重大停电事故，其中尚未计入 2000~2001 年期间加州电力市场造成的事故。 （3）从原则上讲，应对引起事故负有责任的
第28卷第21期 电网技术 单位予以纪律处分，以便为其他电力公司敲响警 系统：③至于建立我国众多专家所推荐的紧急情况 钟。美加最终调查报告指出的四个主要事故起因中 下的统一调度机制也是困难重重：④关于美国能源 的前三个完全与FE公司有关，第四个起因属于俄 部已筹划多年、“8.14”事故之后又重新强调、并融 亥俄州(Ohio)阿克朗市(Akron)的电力公司， 合各种新技术的“Gid2030”(建立跨接美加所有 它应对所有引起更大麻烦的发电机和输电线负责。 电网的双回±500kV高压直流输电线路构成的主 (4)FE公司的事故责任是：①降低了事故的 干环网及其联接支路)的宏大计划，确是从根本 严重性顺序，错误评估和理解了自己系统内电力的 结构上可改进现有电网，并增强其安全性能，但目 不充裕状况：②缺少有效应对紧急情况的方案设 前己出现了各种疑虑和反对意见：如初始投资的几 计；③基本上忽略了输电走廊中的树枝修剪工作。 百亿美元无处筹措：全部计划的实现要通过多少个 最终调查报告明确指出：“E失误于对其系统进行 议会的讨论批准，可能使计划成为遥遥无期的事。 严格的长期规划研究，而且忽略了对可能出现的多 因此，美国电网的改进和发展尚待注目观察。 重紧急状况或极端运行条件的预期评估”。 3美加“8.14”停电事故激发的对我国电网 (5)最终调查报告认为：“这次大停电事故是完 安全性的反思 全可以防止的”。2003年9月份在达拉斯(Dallas) 由EEE Power Engineering Society召开的事故讨论会 在美加“8.14”停电事故过去的一年中，我国 上，NERC主席Michael R.Gent就讲过：“如果我们 的专家学者除认为应加强统一规划和统一调度外， 具有应坚决执行的规定，且能保证遵循这些规则行 还建议加强基本网架结构、加强电网反事故的安全 事，这次大停电就不会发生”。其根本依据就是NERC 自动化防御能力，以及保证电网与电源协调发展， 的各种规定和导则都是由北美各电力公司在“自愿” 避免其落后脱节以致影响电网安全性等。现针对这 的原则下执行。但NERC想强制执行其规定的努力， 三方面提出如下建议： 却在2004年的前期就遭到阻拦和千扰，这就是已长 (1)我国将形成的平面型500V大网在基本 期停用的能源法规所激发出的同行争论。 结构上不利于安全性 (6)2003年其他国家（意大利、英国、丹麦、 具体理解如下：①电压等级在中低压供配级 瑞典等)的电网也发生过事故。但美国电网却是独一 电压之上可再划分为三段：即高压(35kV=HV= 无二的、既不是完全市场化也不是仍被完全管制的一 220kV)、超高压(220kV<EHV<1000kV)和特高压 个电网。在此过渡状态中，虽然已有许多新技术可使 (UHV=100OkV):②实践证明：EHV段的电压等级 电网更安全可靠，但没有人知道谁最后对什么拥有所 是大型电力系统中最常用的输电和联网电压：③国际 有权，因此流行着一句话：“只有傻瓜才给电网的改 上大、中型互联电网都在应用EHV段中的二级或三 进革新投资”。美国电力工业就这样“玻脚”前行， 级电压向，才能适应发展要求，例如美国用315(345) 对其开发研究的投资比宠物食品制造商的还少。 kV、500kV、765kV,俄国采用330kV、500kV、750kV, (7)本文虽具有一定的挑剔性，但一次新的 日本采用275kV、500kV,西欧则采用400kV,待用 系统分析却雄辩地表明：“一些更大的停电事故将 765kV等，只有我国（西北电网除外）和极少数国外 难以应付地接连发生”。因此每个人都应为意外停 地区电网仅采用单级500kV电压：④从“大机组、超 电做好准备。也许最大型停电事故的可能性会小 高压、大电网”三者之间的协调关系出发，电网最好 些，由于像E这种地方的调度员会快速拉闸停电， 能形成“宝塔式结构”（如图l(a)所示），而我国全国 以便在自己的行踪中切断连锁反应。但至今甚至仍 电网（西北除外）将成为一个几乎独一无二的“500kV 没有用于协调对待大电网事故的简单战备号召，要 平面型大网（如图1(b)所示）：⑤平面型大网意味着： 不人们认为最好的办法就是准备好一些手电筒，储 在我国广大地区（西北除外）将形成三级大电网（省、 备些现金，并在地下室找回那些老式发条式钟表。 大区、全国)共用单一的500kV网架：并在适应四级 EEE总会的会刊社论似尖刻却爽直言实的上 大机组(200或300MW、500或600MW、800和 述论述表明了美国在“8.14”事故一年后的现状和 1000MW)供电的大范围内只采用单级500kV输电的 心态：①美国无法将电网改造成德国、比利时、奥 不利局面。其实质是将运行能力强的宝塔型立体结构 地利等国的“网眼式”结构电网：②也难于在短时 矮化为单一平面型结构。 期内建成类似俄罗斯式的全国统一的安全自动化 平面型大网形成的后果之一是输送能力长期 C1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
第 28 卷 第 21 期 电 网 技 术 3 单位予以纪律处分，以便为其他电力公司敲响警 钟。美加最终调查报告指出的四个主要事故起因中 的前三个完全与 FE 公司有关，第四个起因属于俄 亥俄州（Ohio）阿克朗市（Akron）的电力公司， 它应对所有引起更大麻烦的发电机和输电线负责。 （4）FE 公司的事故责任是：①降低了事故的 严重性顺序，错误评估和理解了自己系统内电力的 不充裕状况；②缺少有效应对紧急情况的方案设 计；③基本上忽略了输电走廊中的树枝修剪工作。 最终调查报告明确指出：“FE 失误于对其系统进行 严格的长期规划研究，而且忽略了对可能出现的多 重紧急状况或极端运行条件的预期评估”。 （5）最终调查报告认为：“这次大停电事故是完 全可以防止的”。2003 年 9 月份在达拉斯（Dallas） 由 IEEE Power Engineering Society召开的事故讨论会 上，NERC 主席 Michael R.Gent 就讲过：“如果我们 具有应坚决执行的规定，且能保证遵循这些规则行 事，这次大停电就不会发生”。其根本依据就是 NERC 的各种规定和导则都是由北美各电力公司在“自愿” 的原则下执行。但 NERC 想强制执行其规定的努力， 却在 2004 年的前期就遭到阻拦和干扰，这就是已长 期停用的能源法规所激发出的同行争论。 （6）2003 年其他国家（意大利、英国、丹麦、 瑞典等）的电网也发生过事故。但美国电网却是独一 无二的、既不是完全市场化也不是仍被完全管制的一 个电网。在此过渡状态中，虽然已有许多新技术可使 电网更安全可靠，但没有人知道谁最后对什么拥有所 有权，因此流行着一句话：“只有傻瓜才给电网的改 进革新投资”。美国电力工业就这样“跛脚”前行， 对其开发研究的投资比宠物食品制造商的还少。 （7）本文虽具有一定的挑剔性，但一次新的 系统分析却雄辩地表明：“一些更大的停电事故将 难以应付地接连发生”。因此每个人都应为意外停 电做好准备。也许最大型停电事故的可能性会小 些，由于像 FE 这种地方的调度员会快速拉闸停电， 以便在自己的行踪中切断连锁反应。但至今甚至仍 没有用于协调对待大电网事故的简单战备号召，要 不人们认为最好的办法就是准备好一些手电筒，储 备些现金，并在地下室找回那些老式发条式钟表。 IEEE 总会的会刊社论似尖刻却爽直言实的上 述论述表明了美国在“8.14”事故一年后的现状和 心态：①美国无法将电网改造成德国、比利时、奥 地利等国的“网眼式”结构电网；②也难于在短时 期内建成类似俄罗斯式的全国统一的安全自动化 系统；③至于建立我国众多专家所推荐的紧急情况 下的统一调度机制也是困难重重；④关于美国能源 部已筹划多年、“8.14”事故之后又重新强调、并融 合各种新技术的“Grid 2030”（建立跨接美加所有 电网的双回±500kV 高压直流输电线路构成的主 干环网及其联接支路[5]）的宏大计划，确是从根本 结构上可改进现有电网，并增强其安全性能，但目 前已出现了各种疑虑和反对意见：如初始投资的几 百亿美元无处筹措；全部计划的实现要通过多少个 议会的讨论批准，可能使计划成为遥遥无期的事。 因此，美国电网的改进和发展尚待注目观察。 3 美加“8.14”停电事故激发的对我国电网 安全性的反思 在美加“8.14”停电事故过去的一年中，我国 的专家学者除认为应加强统一规划和统一调度外， 还建议加强基本网架结构、加强电网反事故的安全 自动化防御能力，以及保证电网与电源协调发展， 避免其落后脱节以致影响电网安全性等。现针对这 三方面提出如下建议： （1）我国将形成的平面型 500kV 大网在基本 结构上不利于安全性 具体理解如下：①电压等级在中低压供配级 电压之上可再划分为三段：即高压（35kV=HV= 220kV）、超高压（220kV<EHV <1000kV）和特高压 （UHV=1000kV）；②实践证明：EHV 段的电压等级 是大型电力系统中最常用的输电和联网电压；③国际 上大、中型互联电网都在应用 EHV 段中的二级或三 级电压[6]，才能适应发展要求，例如美国用 315（345） kV、500kV、765kV，俄国采用 330kV、500kV、750kV， 日本采用 275kV、500kV，西欧则采用 400kV，待用 765kV 等，只有我国（西北电网除外）和极少数国外 地区电网仅采用单级 500kV 电压；④从“大机组、超 高压、大电网”三者之间的协调关系出发，电网最好 能形成“宝塔式结构”（如图 1(a)所示），而我国全国 电网（西北除外）将成为一个几乎独一无二的“500kV 平面型大网[7]（如图 1(b)所示）；⑤平面型大网意味着： 在我国广大地区（西北除外）将形成三级大电网（省、 大区、全国）共用单一的 500kV 网架；并在适应四级 大机组（200 或 300MW、500 或 600MW、800 和 1000MW）供电的大范围内只采用单级 500kV 输电的 不利局面。其实质是将运行能力强的宝塔型立体结构 矮化为单一平面型结构。 平面型大网形成的后果之一是输送能力长期
Power System Technology Vol.28 No.21 750kV全国电网 制的目标尚需完成大量的开发研究工作。例如，法 国电力公司EDF投资5000万美元在其东南部电网 400kV大区电网 400kV大区电网 中建成的基于此原理的“协调防卫系统”，原预计 220kV省电网 220kV省电网 220kV省电网 次年即投入运行，但后来发现，仅在大范围内实现 (a)宝塔型全国电网结构 防止失步的目的仍需继续研究。又例如：经过约20 复合的500V省电网、大区电网和全国电网 年的努力，已多处在美加各大网中建成一定规模的 (b)平面型全国电网结构 WAMS系统，20世纪90年代才实现了使加州的 图1不同网架电压和单一网架电压下的全国电网示意图 WAMS可控制启动太平洋联络线的直流调制功能， Fig.1 The sketch map of state power grid for single or a 近期又实现了使其直接控制静止无功补偿器(Static few voltage grades of grid frame-work Var Compensator,.SVC)的操作io,其控制能力的 不足，并因本身的工艺特点形成南方电网已普遍出 现的“交弱直强”的局面，使本来相互扶持的交直 发展相当缓慢。再例如大停电事故后，美国对新型 WAMS的研究已前进了一大步（见图2）四，不仅 流并联变为强弱并存的后果：后果之二是虽然全国 电网才初具规模，但已在华东、南方等地出现了开 针对复杂多层系统，而且考虑了与“系统保护终端 (System Protection Terminal,,SPT)”的联接，以及 关遮断容量将过限的警号：后果之三是抗御事故的 安全性能比宝塔式结构的远为低下：后果之四是给 与“当地防护中心(Local Protection Center,LPC)” 的接口，再与用于协调的“系统防护中心(System 调度运行及电网自动化系统的配置增加一些困难， 还会影响多级电力市场运营中应有的灵活性。这些 Protection Center,SPC)”互联，以确定控制决策。 皆应及早预见，以避免不应有的困难。 但文献[11]的作者还是强调首先应建立以改进事故 (2)建立实时安全监测和控制自动化系统 后分析、调度员所需信息和状态估计为目标的 WAMS系统，然后再研制其控制功能。最终调查报 2003年多国发生大停电事故以后，建立电网的 告在防卫建议四中也只提到“评估手段”和“实时记 实时安全监控系统的必要性和急迫性已进一步突 录”等要求，也未涉及防卫控制。 现出来。我国也开展了专项重点科研工作。其技术 路线有多种可能，但前景最看好的是应用全球定位 GPS卫星 系统(Global Position System,GPS)及其相量测量 SPT 单元(Phase Measurement Unit,PMU)形成的广域 监测系统(Wide Area Measurement System, WAMS),再向具有实时控制功能的系统发展。 1)具有控制功能的WAMS系统具有优越的前 景：它有可能使预防、紧急和恢复性控制“合三为 一”；也可能使三道防线“合三为一”：虽然完全合 SPT SPT SPT 并继电保护系统是十分困难的（假如不是不可能）， 图2多层广域防卫系统的结构设计 但可以包容它（交换信息、协调作用等）。最后可 Fig.2 Multilayered wide-area protection architecture 能形成T.E.Dy-Liacco博士设想过的“自动化调度 综上所述，实现控制功能的主要困难可能仍在 员”⑧，或可能形成最有效的调度工具，即“调度 法国专家的预计之中：即必须考虑各种反应时间、 机器人”。 各种目标之间的相关性，以及适应系统中各种变化 2)建立具有控制功能的WAMS系统是一个十 的能力，对此必须有充分的构想和对策。 分困难的过程：建成WAMS系统相对较易，它已是 3)鉴于上述原因，开发研制这个功能强大的 对安全调度十分有助的措施。但进一步使其功能扩 实时控制系统不能要求一蹴而就或一劳永逸，而应 展到切机、切负荷、解列以及阻尼控制等系统的安 逐步逼近或循序渐进。例如建成一定规模的WAMS 全控制上，则需要开发十分先进、快速的方法和算 后，先研究其与己有各处局部安全稳定装置的协调 法，而且必须正确计入设备延时和控制实施条件及 共控，或与准实时系统的能量管理系统(Energy 后果的系统反应，否则会造成不良后果。这方面虽 Management System,EMS)中的动态安全评估 然已有一些成功的探索，但距实现全面实时安全控 (Dynamic Security Assessment,DSA)等功能的协 C1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
4 Power System Technology Vol.28 No.21 750kV 全国电网 400kV 大区电网 400kV 大区电网 220kV 省电网 220kV 省电网 220kV 省电网 (a) 宝塔型全国电网结构 (b) 平面型全国电网结构 图 1 不同网架电压和单一网架电压下的全国电网示意图 Fig. 1 The sketch map of state power grid for single or a few voltage grades of grid frame-work 不足，并因本身的工艺特点形成南方电网已普遍出 现的“交弱直强”的局面，使本来相互扶持的交直 流并联变为强弱并存的后果；后果之二是虽然全国 电网才初具规模，但已在华东、南方等地出现了开 关遮断容量将过限的警号；后果之三是抗御事故的 安全性能比宝塔式结构的远为低下；后果之四是给 调度运行及电网自动化系统的配置增加一些困难， 还会影响多级电力市场运营中应有的灵活性。这些 皆应及早预见，以避免不应有的困难。 （2）建立实时安全监测和控制自动化系统 2003 年多国发生大停电事故以后，建立电网的 实时安全监控系统的必要性和急迫性已进一步突 现出来。我国也开展了专项重点科研工作。其技术 路线有多种可能，但前景最看好的是应用全球定位 系统（Global Position System，GPS）及其相量测量 单元（Phase Measurement Unit，PMU）形成的广域 监测系统（ Wide Area Measurement System， WAMS），再向具有实时控制功能的系统发展。 1）具有控制功能的 WAMS 系统具有优越的前 景：它有可能使预防、紧急和恢复性控制“合三为 一”；也可能使三道防线“合三为一”；虽然完全合 并继电保护系统是十分困难的（假如不是不可能）， 但可以包容它（交换信息、协调作用等）。最后可 能形成 T.E.Dy-Liacco 博士设想过的“自动化调度 员”[8]，或可能形成最有效的调度工具，即“调度 机器人”。 2）建立具有控制功能的 WAMS 系统是一个十 分困难的过程：建成 WAMS 系统相对较易，它已是 对安全调度十分有助的措施。但进一步使其功能扩 展到切机、切负荷、解列以及阻尼控制等系统的安 全控制上，则需要开发十分先进、快速的方法和算 法，而且必须正确计入设备延时和控制实施条件及 后果的系统反应，否则会造成不良后果。这方面虽 然已有一些成功的探索，但距实现全面实时安全控 制的目标尚需完成大量的开发研究工作。例如，法 国电力公司 EDF 投资 5000 万美元在其东南部电网 中建成的基于此原理的“协调防卫系统”[9]，原预计 次年即投入运行，但后来发现，仅在大范围内实现 防止失步的目的仍需继续研究。又例如：经过约 20 年的努力，已多处在美加各大网中建成一定规模的 WAMS 系统，20 世纪 90 年代才实现了使加州的 WAMS 可控制启动太平洋联络线的直流调制功能， 近期又实现了使其直接控制静止无功补偿器（Static Var Compensator，SVC）的操作[10]，其控制能力的 发展相当缓慢。再例如大停电事故后，美国对新型 WAMS 的研究已前进了一大步（见图 2）[11]，不仅 针对复杂多层系统，而且考虑了与“系统保护终端 （System Protection Terminal，SPT）”的联接，以及 与“当地防护中心（Local Protection Center，LPC）” 的接口，再与用于协调的“系统防护中心（System Protection Center，SPC）”互联，以确定控制决策。 但文献[11]的作者还是强调首先应建立以改进事故 后分析、调度员所需信息和状态估计为目标的 WAMS 系统，然后再研制其控制功能。最终调查报 告在防卫建议[2]中也只提到“评估手段”和“实时记 录”等要求，也未涉及防卫控制。 SPC SPT LPC SPT SPT SPT SPT GPS 卫星 输电网 图 2 多层广域防卫系统的结构设计 Fig. 2 Multilayered wide- area protection architecture 综上所述，实现控制功能的主要困难可能仍在 法国专家的预计之中[9]：即必须考虑各种反应时间、 各种目标之间的相关性，以及适应系统中各种变化 的能力，对此必须有充分的构想和对策。 3）鉴于上述原因，开发研制这个功能强大的 实时控制系统不能要求一蹴而就或一劳永逸，而应 逐步逼近或循序渐进。例如建成一定规模的 WAMS 后，先研究其与已有各处局部安全稳定装置的协调 共控，或与准实时系统的能量管理系统（Energy Management System，EMS）中的动态安全评估 （Dynamic Security Assessment，DSA）等功能的协 复合的 500kV 省电网、大区电网和全国电网
第28卷第21期 电网技术 调作用等。 国家或地区电网的改进也具有警惕和促进作用，但 (3)建议引入电网发展弹性系数 改进的措施和方法必须紧密结合本国的国情和网 供宏观分析国民经济发展与电力发展关系的 情方能有效实施。 “电力发展弹性系数”已得到了广泛应用，它用以 (4)对我国即将形成“平面型500kV全国电 分析和决策电力生产的宏观发展。“8.14”事故后， 网”（西北除外）的可能缺陷必须及早解决和防范： 美国给出了其前后10年中电网和电源投资的不合适 引进“电网发展弹性系数”的概念将有助于宏观分 比例2-14数值（列于表1），它曾反复被国内外引用， 析电力工业的发展。 作为美国电网建设落后于电源建设的证明。 参考文献 表1美国前后10年中对电源和电网投资的增加比值 Tab.1 The increase of grid and generation investments [1]U.S.-Canada Power system outage task force.Final report over past future ten years in USA [EB/OL].https://reports.energy.gov/,March 31,2003. 项目 过去10年 未来10年 [2]Bush R.The blackout:from speculation opportunism to 电源 电网 电源 电网 reality[J].Transmission &Distribution,2004,56(5):6. 增大比值% 30 15 20 6 [3]Spectral Lines.The unruly grid:one year latter[J].IEEE Spectrum, 比值（电网弹性系数） 2004,41(8)(NT):5. 0.5 0.3 [4]Pereira L.Cascade to black[J].IEEE Power Energy Magazine, 文献[13]还给出了美国1925~2020年的发、输、 2004,2(3:54-57. 配电投资比以及1990~1998年的新输电投资与用电 [)张文涛.美国电网发展设想一Gid2030[A.电力系统安全及其战 略防御高级学术研讨会专家报告文集[C],北京，2004. 关系的变化。表1表明了美国前后10年中平均的 [6]何大愚。超高压段内采用两个电压等级才能适应电网发展的实际 电网发展弹性系数（即在一个时段中电网总投资的 需求U.电网技术，2002,26(3)：1-4. 增量与电源总投资增量的比值)分别只有0.5和0.3 He Dayu.Using two voltage grades of EHV range to suit practical needs of power grid development[J].Power System Technology. (即未来10年反而更低)。美国多位专家认为其电 2002,26(3):1-4. 网发展远远落后于电源发展，这不仅孕育了“8.14” [⑦何大愚.“大机组、超高压、大电网”之间的协调配合对选用单级 超高压500kV合理性的置疑.电网技术，2004,28(2)：10-13. 危机，而且是以后可能再发生停电事故的根本原 He Dayu.Query of rationality of only selecting 500kV in EHV range 因。事实上在宏观评估中引入“电网发展弹性系数” with regard to analysis on matching coordination between "high power generators,extra-high voltages and large power grids" 已成为客观存在的必要。 [J].Power System Technology,2004,28(2):10-13. 将一段时期中的电力发展弹性系数与电网发 [8]Dy-Liacco TE.Enhancing power system security control[J].IEEE 展弹性系数进行综合对比分析，可以宏观地观察国 Computer Applications in Power,1997,10(3):38-41. [9]Faucon O,Dousset L.Coordinated defence plan protects against 民经济增长与电源建设及电网建设之间的关联，从 transient instabilities[J].IEEE Computer Applications in Power, 而宏观判断是否符合“电力应适度超前发展，电网 1997,10(3):22-26. [10]Horowits S H,Phade A G.Boosting immunity to blackout[J].IEEE 要适度超前建设”这一正确结论。 Power Energy Magazine,2003,1(5):47-53. [11]Novosel D,Begovic MM,Madani V.Shedding light on 4结束语 blackouts[J].IEEE Power Energy Magazine,2004,2(3):32-43. [12]赵希正.强化电网安全，保证可靠供电.电网技术，2003,27(10)： (1)美加2003年“8.14”大停电事故是一次 1-7. “完全可以防止的大事故”，而2003年“9.4”我国 Zhao Xizheng.Strengthen power system security to ensure reliable 华东电网的吴径电厂在高峰期突跳一台600MW的 power delivery[J].Power System Technology,2003,27(10):1-7. [13]Shahidehpour M.Investing in expansion (the many issues that cloud 大机组，因调度员处乱不惊，紧急调动各种安全支 transmission planning)[J].IEEE Power Energy Magazine,2004, 持措施，从而使严重事故擦身而过，成为应用统一 2(1):14-18. [14]Crow M.Infrastructure roots(evolution of electric power in the US) 调度化险为夷的一次成功范例。 [J].IEEE Power &Energy Magazine,2003,1(2):20-21. (2)对大电网事故原因的分析，应按照表层原 [15】何大愚.对美国西部系统1996年两次大事故的后续认识（分层 分析)).中国电力，1998,31(5)：37-40,43. 因（应立即改进的树害、信号等）、内层原因（应专 He Dayu.The successive ponderation (layers-built analysis)over US WSCC 门立项研究的调度机制、人员素质或信息系统可靠 two outages in 1996[J].Electric Power,1998,31(5):37-40,43. 性等)以及深层原因（应设立长期计划的新技术和 收稿日期：2004-10-11。 新设备需求、电网网架基本结构的改进等)三个层 作者简介： 次进行分层分析，并相应地分别制定改进措施。 何大愚(1931-)，教授级高级工程师，顾问，国家电网公司电网建 设专家委员会委员，CEEE和IEEE高级会员，现从事电力系统及其自 (3)美加“814”大停电的经验和教训对其他 动化的信息调研和分析工作。 C1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
第 28 卷 第 21 期 电 网 技 术 5 调作用等。 （3）建议引入电网发展弹性系数 供宏观分析国民经济发展与电力发展关系的 “电力发展弹性系数”已得到了广泛应用，它用以 分析和决策电力生产的宏观发展。“8.14”事故后， 美国给出了其前后10年中电网和电源投资的不合适 比例[12-14]数值（列于表 1），它曾反复被国内外引用， 作为美国电网建设落后于电源建设的证明。 表 1 美国前后 10 年中对电源和电网投资的增加比值 Tab. 1 The increase of grid and generation investments over past & future ten years in USA 过去 10 年 未来 10 年 项 目 电源 电网 电源 电网 增大比值/% 30 15 20 6 比值（电网弹性系数） 0.5 0.3 文献[13]还给出了美国 1925~2020 年的发、输、 配电投资比以及 1990~1998 年的新输电投资与用电 关系的变化。表 1 表明了美国前后 10 年中平均的 电网发展弹性系数（即在一个时段中电网总投资的 增量与电源总投资增量的比值）分别只有 0.5 和 0.3 （即未来 10 年反而更低）。美国多位专家认为其电 网发展远远落后于电源发展，这不仅孕育了“8.14” 危机，而且是以后可能再发生停电事故的根本原 因。事实上在宏观评估中引入“电网发展弹性系数” 已成为客观存在的必要。 将一段时期中的电力发展弹性系数与电网发 展弹性系数进行综合对比分析，可以宏观地观察国 民经济增长与电源建设及电网建设之间的关联，从 而宏观判断是否符合“电力应适度超前发展，电网 要适度超前建设”[12]这一正确结论。 4 结束语 （1）美加 2003 年“8.14”大停电事故是一次 “完全可以防止的大事故”，而 2003 年“9.4”我国 华东电网的吴径电厂在高峰期突跳一台 600MW 的 大机组，因调度员处乱不惊，紧急调动各种安全支 持措施，从而使严重事故擦身而过，成为应用统一 调度化险为夷的一次成功范例。 （2）对大电网事故原因的分析，应按照表层原 因（应立即改进的树害、信号等）、内层原因（应专 门立项研究的调度机制、人员素质或信息系统可靠 性等）以及深层原因（应设立长期计划的新技术和 新设备需求、电网网架基本结构的改进等）三个层 次进行分层分析，并相应地分别制定改进措施[15]。 （3）美加“8.14”大停电的经验和教训对其他 国家或地区电网的改进也具有警惕和促进作用，但 改进的措施和方法必须紧密结合本国的国情和网 情方能有效实施。 （4）对我国即将形成“平面型 500kV 全国电 网”（西北除外）的可能缺陷必须及早解决和防范； 引进“电网发展弹性系数”的概念将有助于宏观分 析电力工业的发展。 参考文献 [1] U.S.-Canada Power system outage task force ． Final report [EB/OL]．https://reports.energy.gov/，March 31，2003． [2] Bush R ． The blackout ： from speculation & opportunism to reality[J]．Transmission &Distribution，2004，56(5)：6． [3] Spectral Lines．The unruly grid：one year latter[J]．IEEE Spectrum， 2004，41(8) (INT)：5． [4] Pereira L．Cascade to black[J]．IEEE Power & Energy Magazine， 2004，2(3)：54-57． [5] 张文涛．美国电网发展设想－Grid 2030[A]．电力系统安全及其战 略防御高级学术研讨会专家报告文集[C]，北京，2004． [6] 何大愚．超高压段内采用两个电压等级才能适应电网发展的实际 需求[J]．电网技术，2002，26(3)：1-4． He Dayu．Using two voltage grades of EHV range to suit practical needs of power grid development[J]．Power System Technology， 2002，26(3)：1-4． [7] 何大愚．“大机组、超高压、大电网”之间的协调配合对选用单级 超高压 500kV 合理性的置疑[J]．电网技术，2004，28(2)：10-13． He Dayu．Query of rationality of only selecting 500kV in EHV range with regard to analysis on matching coordination between “high power generators ， extra-high voltages and large power grids” [J]．Power System Technology，2004，28(2)：10-13． [8] Dy-Liacco T E．Enhancing power system security control[J]．IEEE Computer Applications in Power，1997，10(3)：38-41． [9] Faucon O，Dousset L．Coordinated defence plan protects against transient instabilities[J]．IEEE Computer Applications in Power， 1997，10(3)：22-26． [10] Horowits S H，Phade A G．Boosting immunity to blackout[J]．IEEE Power & Energy Magazine，2003，1(5)：47-53． [11] Novosel D ， Begovic M M ， Madani V ． Shedding light on blackouts[J]．IEEE Power & Energy Magazine，2004，2(3)：32-43． [12] 赵希正．强化电网安全，保证可靠供电[J]．电网技术，2003，27(10)： 1-7． Zhao Xizheng．Strengthen power system security to ensure reliable power delivery[J]．Power System Technology，2003，27(10)：1-7． [13] Shahidehpour M．Investing in expansion (the many issues that cloud transmission planning) [J]．IEEE Power & Energy Magazine，2004， 2(1)：14-18． [14] Crow M．Infrastructure roots (evolution of electric power in the US) [J]．IEEE Power &Energy Magazine，2003，1(2)：20-21． [15] 何大愚．对美国西部系统 1996 年两次大事故的后续认识（分层 分析）[J]．中国电力，1998，31(5)：37-40，43． He Dayu．The successive ponderation (layers-built analysis) over US WSCC two outages in 1996[J]．Electric Power，1998，31(5)：37-40，43． 收稿日期：2004-10-11。 作者简介： 何大愚（1931-），教授级高级工程师，顾问，国家电网公司电网建 设专家委员会委员，CEEE 和 IEEE 高级会员，现从事电力系统及其自 动化的信息调研和分析工作