2003年第9期 华东电力 3(0607) 美加“8·14”大停电教训和启示 兼谈华东电网化解“8·29”和“9·4”重大风险 徐航，张启平，励刚，黄志龙周坚 (国电华东公司.上海200002) 摘要2003年8月14日发生在美国和加拿大东部互联系统的大面积停电事故被认为是有电力系统以来最 严重的电网事故之一。通过对大停电事故发生和发展机理的分析，得出了本次大停电事故是由潮流大范围转 移导致地区电压崩溃所致的结论。并针对电网运行提定了应从美加大停电事故中吸取的教训。在此基础上， 结合华东电网的实际情况，特别是针对华东电网“8.29”"和“)·1”多次故障重大风险的处理，从技术和管理两 个层面提出了美加大停电对华本电网安金生产工作的具体启示，最后给出了加强华东电网安全运行工作的 诸项建议。 关键词：美加大停电，电压测溃，原因分析 中图分类号：TM711文献标识码A文章编号：1001-9529(2003)09-0003-11 Lesson s learned and enlightenment obta mned from blackout occurred on August 14th in U S and Canada XU H ang,ZHAN G Qip ing,L I Gang,HUAN G Zhi-long,ZHOU J ian (State Power East China Company,Shanghai 200002,China) Abstract The blackout,which occurred in the northeast of US and Canada in the East Interconnecton on A ug 14,is one of the most serous outages in history.Through the analysis of the whole process of the out- age,the conclusion was made that large power flow reverse and the voltage collapse followed is the mapr cause of the outage Some lessonsw hich Should be learned from the outage were also discussed Furthemore, some ideas,com bining the situation of East China Grid,especially the so luton process on A ng 29th and Sept 4 power grid emergency events in East China,were presented from the view of technology and m anagem ent re- spectively.In the end,several valuable suggestion on how to ensure the security and mprove the stablility of East China Grid was given Key words blackout ofU.S and Canada;causes analysis voltage collap se 故原因尚未得到官方最终确认，但是研究并吸取 1美加“8·14”大停电事故分析 美加大停电事故教训，对进一步加强华东电网安 美国东部时间8月14日16：10（北京时间15 全运行工作有很大的现实意义。 日凌晨4：10)，美国东北部和加拿大东部互联电 1.1事故中心电网概况 网发生大面积停电事故。事故发生几mn内，数 事故中心区域为美国东部交流互联系统所属 十个电厂机组和大量输电线路相继跳闸退出运 美国东北部和加拿大东部互联电网，事故主要影 行，电网随之全面崩溃瓦解。事故累计损失负荷 响美国PM互联系统、新英格兰SO、纽约ISO、 61800MW,美国密歇根州、俄亥俄州、纽约州、新 中西部电网SO和加拿大的安大略SO。魁北克 泽西州北部、马萨诸塞州、康涅狄格州和加拿大东 水电系统也受到一定影响。事故首先从中西部电 部的安大略省、魁北克省等广大地区受到严重影 网ISO所属的AEP、FEMETC和TC这4个电 响，纽约、底特律等多个大城市大面积停电，造成 网公司所属区域开始。区域系统之间互联关系及 机场和公共交通系统瘫痪，5000万人生活受到 所覆盖的地域如图1所示。 影响，经济损失惨重，社会影响巨大。目前，虽然事1.2事故损失事故 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
美加“8·14”大停电教训和启示 ——兼谈华东电网化解“8·29”和“9·4”重大风险 徐 航, 张启平, 励 刚, 黄志龙, 周 坚 (国电华东公司, 上海 200002) 摘 要: 2003 年 8 月 14 日发生在美国和加拿大东部互联系统的大面积停电事故被认为是有电力系统以来最 严重的电网事故之一。通过对大停电事故发生和发展机理的分析, 得出了本次大停电事故是由潮流大范围转 移导致地区电压崩溃所致的结论。并针对电网运行提出了应从美加大停电事故中吸取的教训。在此基础上, 结合华东电网的实际情况, 特别是针对华东电网“8129”和“9·4”多次故障重大风险的处理, 从技术和管理两 个层面提出了美加大停电对华东电网安全生产工作的具体启示, 最后给出了加强华东电网安全运行工作的 诸项建议。 关键词: 美加大停电; 电压崩溃; 原因分析 中图分类号: TM 711 文献标识码: A 文章编号: 100129529 (2003) 0920003211 L esson s learned and en lightenm en t obta ined from blackout occurred on August 14th in U. S. and Canada X U H ang , ZH A N G Q i2p ing ,L I Gang , H UA N G Z h i2long , ZH OU J ian (State Pow er East Ch ina Company, Shanghai 200002,Ch ina) Abstract: T he blackout, w h ich occurred in the no rtheast of U S. and Canada in the East Interconnection on A ug 14, is one of the mo st serious outages in h isto ry. T h rough the analysis of the w ho le p rocess of the out2 age, the conclusion w as m ade that large pow er flow reverse and the vo ltage co llap se fo llow ed is the m ajo r cause of the outage. Som e lessonsw h ich Should be learned from the outage w ere also discussed. Furthermo re, som e ideas, com bining the situation of East Ch ina Grid, especially the so lution p rocess on A ng 29th and Sep t 4 pow er grid em ergency events in East Ch ina,w ere p resented from the view of techno logy and m anagem ent re2 spectively. In the end, several valuable suggestion on how to ensure the security and imp rove the stablility of East Ch ina Grid w as given. Key words: blackout of U. S. and Canada; causes analysis; vo ltage co llap se 1 美加“8·14”大停电事故分析 美国东部时间 8 月 14 日 16: 10 (北京时间 15 日凌晨 4: 10) , 美国东北部和加拿大东部互联电 网发生大面积停电事故。事故发生几m in 内, 数 十个电厂机组和大量输电线路相继跳闸退出运 行, 电网随之全面崩溃瓦解。事故累计损失负荷 61 800MW , 美国密歇根州、俄亥俄州、纽约州、新 泽西州北部、马萨诸塞州、康涅狄格州和加拿大东 部的安大略省、魁北克省等广大地区受到严重影 响, 纽约、底特律等多个大城市大面积停电, 造成 机场和公共交通系统瘫痪, 5 000 万人生活受到 影响, 经济损失惨重, 社会影响巨大。目前, 虽然事 故原因尚未得到官方最终确认, 但是研究并吸取 美加大停电事故教训, 对进一步加强华东电网安 全运行工作有很大的现实意义。 111 事故中心电网概况 事故中心区域为美国东部交流互联系统所属 美国东北部和加拿大东部互联电网, 事故主要影 响美国 PJM 互联系统、新英格兰 ISO、纽约 ISO、 中西部电网 ISO 和加拿大的安大略 ISO。魁北克 水电系统也受到一定影响。事故首先从中西部电 网 ISO 所属的A EP、FE、M ETC 和 ITC 这 4 个电 网公司所属区域开始。区域系统之间互联关系及 所覆盖的地域如图 1 所示。 112 事故损失事故 2003 年第 9 期 华东电力 3 (0607)
4(0608) 华东电力 2003年第9期 中西部电网 MW机组跳闸。14：02，俄亥俄南北通道线路Stu art-atlanta345kV线路因线路下发生草木起火 底特律地区 QC电网公司 安大略电网 而跳闸； 密根州其他地 (3)15:06,俄亥俄南北联络通道上送克里夫 区E电网 化俄实俄地区 E电网公司 ,纽钓1S0 兰的Cham berlain-Harding线路跳闸，25min后 PM电网 AP电网公过 (15:32),送克里夫兰市的又一条线路Hanna-Ju- nper线路因严重过载导致弧垂过低对树放电而 跳闸，此时克里夫兰地区出现低电压，10min以 图1本次事故中心区域各区域电网互联关系略图 根据来自北美电力可靠性委员会NERC)的 后(15：41)，Star-South Canton线路跳闸，克里夫 消息，本次事故共损失负荷61800MW。各电网 兰出现严重低电压，局部电网电动机停转，部分配 负荷损失数据初步统计结果见表1。 电网负荷损失。由于这几条线路均为俄亥俄南北 表1事故各电网损失负荷极涉统计结果 通道东南部断面上的线路，其相继跳闸，大大削弱 了北俄亥俄地区和俄亥俄其他地区的联络， 区域名称PM 中西部！北克安火略新英格纽约 水电 MO ISO (4)25min后，16：06，俄亥俄南北通道东南 损失负荷 420013000 100 20000250022000 部断面上的最后一条线路Samm is-Star线路（属 MW FE区域)跳闸，至此，北俄亥俄地区从俄亥俄东部 从损失数据及各区域电网发布的信息可以发 和东南部受电的通道完全断开，从底特律地区向 现，纽约SO、中西部电网和安大略SO损失最惨 北俄亥俄地区断面潮流反向，从北送突变为南送 重，电网基本瓦解，纽约市和加拿大安大略省负荷 200MW,此时印第安那和密歇根断面(AEP一 绝大部分损失，中西部电网SO所属密歇根州、 METC)潮流1900MW,密歇根送底特律地区 俄亥俄州北部和底特律地区负荷绝大部分损失。 METC一TC)2800MW,底特律地区送安大略 受纽约SO电网崩溃所累，PM电网和纽约电网 电网500MW(TC一MO),密歇根州电压也开 相连的新泽西州北部地区以及新英格兰SO电 始下降以维持向北俄亥俄地区送电： 网和纽约电网相连的西南威斯康新州和西马萨诸 (5)3mim后(16：0816：09：06)，俄亥俄南 塞州等地区有部分负荷损失。魁北克电网由于和 北通道西南通道上的最后2条联络线相继跳闸 主系统主要通过直流相联络，因此损失甚微。 M usk inggum OH Central E.L m a- 1.3事故发展进程 Fostoria),至此俄亥俄南北通道所有线路全部断 在NERC资料的基础上，综合事故相关部分 开，潮流发生大范围转移，北俄亥俄和东密歇根负 电网公司的非正式报告，事故过程基本情况可描 荷中心主要由AEP通过印第安那经密歇根东西 述如下。 断面受电，此时，印第安那和密歇根断面(AEP一 (1)事故前，事故中心中西部电网正值高温 METC)潮流突增为3700MW,密歇根东西断面 天气，负荷很大。电网潮流方向为AEP送FE,FE 潮流突增为4800MW,底特律地区送北俄亥俄 送TC,AEP送METC,METC送TC,TC送 地区送电突增为2200MW,即10s内突增2000 MO。即作为负荷中心的密歇根州东部地区（包 MW,密歇根电压严重下降 括底特律)和俄亥俄州北部地区（包括克里夫兰） (6)16:10:04~16:10:45,北俄亥俄和东密 从两个主要通道受电，一个是从AEP电网经印第 歇根负荷中心所属环伊利湖地区大约20个发电 安那州到密歇根州，然后通过密歇根州东西断面 机（当时出力约2174MW)跳闸，MCV电厂1 受电，另一个是从AEP电网经俄亥俄州西南部和 265MW机组跳闸，密歇根东西断面潮流大增，导 东南部，通过俄亥俄州南北通道受电。同时另有从 致16：10：3~16：10：38密歇根东西通道上的线 PM电网沿伊利湖南岸和北俄亥俄地区联络的 路相继跳闸，同时16：10：38，从Perry-A shtabula- 弱联络通道和东密歇根与安大略电网的联络通道 Erie的环伊利湖从PM到北俄亥俄的弱联络线 (正常情况下为送安大略电网)： 路跳闸，至此事故中心地区仅通过和安大略的联 (2)事故发生前，13：3l,EastLake电厂600 络和美加东部主网联络，在地区电网进一步电压 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
图 1 本次事故中心区域各区域电网互联关系略图 根据来自北美电力可靠性委员会(N ERC) 的 消息, 本次事故共损失负荷 61 800 MW。各电网 负荷损失数据初步统计结果见表 1。 表 1 事故各电网损失负荷初步统计结果 区域名称 PJM 中西部 ISO 魁北克 水电 安大略 IM O 新英格 兰 ISO 纽约 ISO 损失负荷 öMW 4 200 13 000 100 20 000 2 500 22 000 从损失数据及各区域电网发布的信息可以发 现, 纽约 ISO、中西部电网和安大略 ISO 损失最惨 重, 电网基本瓦解, 纽约市和加拿大安大略省负荷 绝大部分损失, 中西部电网 ISO 所属密歇根州、 俄亥俄州北部和底特律地区负荷绝大部分损失。 受纽约 ISO 电网崩溃所累, PJM 电网和纽约电网 相连的新泽西州北部地区以及新英格兰 ISO 电 网和纽约电网相连的西南威斯康新州和西马萨诸 塞州等地区有部分负荷损失。魁北克电网由于和 主系统主要通过直流相联络, 因此损失甚微。 113 事故发展进程 在N ERC 资料的基础上, 综合事故相关部分 电网公司的非正式报告, 事故过程基本情况可描 述如下。 ( 1) 事故前, 事故中心中西部电网正值高温 天气, 负荷很大。电网潮流方向为A EP 送 FE, FE 送 ITC, A EP 送M ETC, M ETC 送 ITC, ITC 送 IM O。即作为负荷中心的密歇根州东部地区(包 括底特律) 和俄亥俄州北部地区(包括克里夫兰) 从两个主要通道受电, 一个是从A EP 电网经印第 安那州到密歇根州, 然后通过密歇根州东西断面 受电, 另一个是从A EP 电网经俄亥俄州西南部和 东南部, 通过俄亥俄州南北通道受电。同时另有从 PJM 电网沿伊利湖南岸和北俄亥俄地区联络的 弱联络通道和东密歇根与安大略电网的联络通道 (正常情况下为送安大略电网); ( 2) 事故发生前, 13: 31, EastL ake 电厂 600 MW 机组跳闸。14: 02, 俄亥俄南北通道线路 Stu2 art2atlan ta 345 kV 线路因线路下发生草木起火 而跳闸; (3) 15: 06, 俄亥俄南北联络通道上送克里夫 兰的 Cham berlain2H arding 线路跳闸; 25 m in 后 (15: 32) , 送克里夫兰市的又一条线路 H anna2Ju2 n iper 线路因严重过载导致弧垂过低对树放电而 跳闸, 此时克里夫兰地区出现低电压; 10 m in 以 后(15: 41) , Star2Sou th Can ton 线路跳闸, 克里夫 兰出现严重低电压, 局部电网电动机停转, 部分配 电网负荷损失。由于这几条线路均为俄亥俄南北 通道东南部断面上的线路, 其相继跳闸, 大大削弱 了北俄亥俄地区和俄亥俄其他地区的联络; (4) 25 m in 后, 16: 06, 俄亥俄南北通道东南 部断面上的最后一条线路 Samm is2Star 线路 (属 FE 区域) 跳闸, 至此, 北俄亥俄地区从俄亥俄东部 和东南部受电的通道完全断开, 从底特律地区向 北俄亥俄地区断面潮流反向, 从北送突变为南送 200MW , 此时印第安那和密歇根断面 (A EP— M ETC) 潮流 1 900 MW , 密歇根送底特律地区 (M ETC—ITC) 2 800 MW , 底特律地区送安大略 电网 500 MW ( ITC—IM O ) , 密歇根州电压也开 始下降以维持向北俄亥俄地区送电; ( 5) 3 m in 后(16: 08～ 16: 09: 06) , 俄亥俄南 北通道西南通道上的最后 2 条联络线相继跳闸 ( M u sk inggum 2OH Cen tral 和 E1L im a2 Fo sto ria) , 至此俄亥俄南北通道所有线路全部断 开, 潮流发生大范围转移, 北俄亥俄和东密歇根负 荷中心主要由A EP 通过印第安那经密歇根东西 断面受电, 此时, 印第安那和密歇根断面(A EP— M ETC) 潮流突增为 3 700 MW , 密歇根东西断面 潮流突增为 4 800 MW , 底特律地区送北俄亥俄 地区送电突增为 2 200MW , 即 10 s 内突增 2 000 MW , 密歇根电压严重下降; (6) 16: 10: 04～ 16: 10: 45, 北俄亥俄和东密 歇根负荷中心所属环伊利湖地区大约 20 个发电 机 (当时出力约 2 174 MW ) 跳闸, M CV 电厂 1 265 MW 机组跳闸, 密歇根东西断面潮流大增, 导 致 16: 10: 37～ 16: 10: 38 密歇根东西通道上的线 路相继跳闸, 同时 16: 10: 38, 从 Perry2A sh tabu la2 E rie 的环伊利湖从 PJM 到北俄亥俄的弱联络线 路跳闸, 至此事故中心地区仅通过和安大略的联 络和美加东部主网联络, 在地区电网进一步电压 4 (0608) 华东电力 2003 年第 9 期
2003年第9期 华东电力 5(0609) 崩溃的同时，潮流再次发生大范围转移，潮流从俄 是因为这个小系统保持有足够的出力，同时有 亥俄南部经宾西法尼亚、纽约州、安大略、底特律 765kV联络线和来自魁北克的直流。 逆时针大环最终向北俄亥俄和东密歇根地区送 1.4事故原因分析 电，安大略和底特律间潮流断面骤然反向，且 1.4.1初步定性分析 PM和纽约州电网断面的潮流极大。 综合收集到的资料，特别是事故过程中的事 (7)16:10:40~16:10:44,由于断面潮流太 件发生顺序和过程中潮流的变化，基本可以判断 大，PM和纽约州电网断面上的4条线路相继跳 本次大停电对全网而言属于潮流大范围转移导致 闸，断开了PM和纽约州电网，此时整个美国东 的快速电压崩溃。同时伴有潮流大范围转移和窜 北部电网，即安大略电网、纽约州电网以及正在电 动导致的断面线路相继跳闸和系统解列后的频率 压崩溃的北俄亥俄和东密歇根电网仅通过新泽西 崩溃。 和纽约的联络线和与加拿大西部M anitoba等地 潮流大范围转移结合快速电压崩溃的一般过 区的联络线和美加主网联络。 程首先是关键输电通道线路同时或相继发生跳 (8)同时，16：10：41，由于北俄亥我地区大量 闸，潮流发生大范围转移或在同一大断面的不同 机组和线路跳闸，特别是在Beaver-Davis Besse 小断面之间窜动，导致通道上部分断面（一般是通 345kV线路跳闸后，克里夫兰地区解列为孤立系 道中潮流最大的一段)线路电压降提高，这一通道 统，于是在低频减载动作和大量线路跳闸的共同 附近局部地区以及相关受端系统电压下降明显， 作用下，系统崩溃，全部负荷损失， 恢复十分缓慢或基本不恢复。此时由于系统中存 (9)16:10:4216:10:45,一方面，随着安大 在大量的感应电动机和空调等恒功率负荷，这些 略和M anitoba通道的最后一条联络线Wawa- 负荷在地区电压下降后，电动机减速，在维持有功 M arathon230kV线路的跳闸，和M anitoba相连 的同时吸收大量的无功功率，导致系统电压的进 的安大略北部地区和安大略其他地区解，另一 一步下降。随着系统电压的进一步下降，或者由于 方面，由B ranchburg-Ram apo500kV和众多230 发电机机端低电压延续几s或几十s迟迟得不到 kV、138kV线路组成的PM和新泽西北部间的 恢复，机组无法保持同步，或者由于发电机辅机在 断面解开，至此美国东北部电网（包括安大略电 低电压下跳闸，导致机组失去动力电源，低电压周 网、东密歇根、纽约州电网和新英格兰电网等)彻 边地区机组将相继跳闸。而这将进一步导致系统 底和美国东部电网解列： 中无功电源的缺乏，电压下降加速，最终导致电压 (10)16:10:46~16:10:55,被解出主网的美 崩溃，大量机组进一步跳闸，大量电动机负荷停转 国东北部电网再次解为两片，纽约电网和新英格 跳闸或地区低电压切负荷装置动作实施低电压释 兰电网断面线路全部跳闸，新英格兰电网（除西南 放，大量负荷损失。 康涅狄格)成为孤立电网运行，所幸孤立电网发用 另外，潮流大范围转移往往还伴有同一断面 电基本平衡，地区电网得以保持： 多条线路的相继跳闸。这主要因为潮流大范围转 (11)16:10:50~16:11:57,事故中心电网再 移导致了局部输电通道的严重过载，由于恒功率 次解为纽约州和安大略电网两片，而这次解列使 负荷试图维持有功不变，导致重载通道上的无功 电网的大量出力均留在解开后的纽约片电网，因 潮流骤增，线路过载更趋严重，最终重载通道上的 此安大略电网低频减载连续动作以试图维持运 线路将因为后备保护动作、过流保护动作或弧垂 行，但终无法奏效，纽约和安大略电网的几条联络 对地放电而跳闸，而这进一步导致了断面其他线 线也几次重合以期联络，但终于还是均在5s内 路的过载和电压的进一步下降，最终导致潮流断 相继跳闸，终于安大略电网全部崩溃， 面上所有线路的跳闸。 (12)安大略电网崩溃前夕，16：11：57，安大 最后，当由于大量的线路跳闸导致电网解列 略和东密歇根地区联络线全部跳闸，东密歇根地 后，局部电网即会由于地区发用电不平衡，终于发 区（含底特律地区）全部崩溃， 生电压崩溃和频率崩溃。 (13)至此整个东北部电网仅有新英格兰和 对比8·14大停电过程和以上机理分析可以 纽约州西部电网剩余，纽约州西部电网得以保存 发现，该大停电过程和潮流大范围转移导致的电 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
崩溃的同时, 潮流再次发生大范围转移, 潮流从俄 亥俄南部经宾西法尼亚、纽约州、安大略、底特律 逆时针大环最终向北俄亥俄和东密歇根地区送 电, 安大略和底特律间潮流断面骤然反向, 且 PJM 和纽约州电网断面的潮流极大。 (7) 16: 10: 40～ 16: 10: 44, 由于断面潮流太 大, PJM 和纽约州电网断面上的 4 条线路相继跳 闸, 断开了 PJM 和纽约州电网, 此时整个美国东 北部电网, 即安大略电网、纽约州电网以及正在电 压崩溃的北俄亥俄和东密歇根电网仅通过新泽西 和纽约的联络线和与加拿大西部M an itoba 等地 区的联络线和美加主网联络。 (8) 同时, 16: 10: 41, 由于北俄亥俄地区大量 机组和线路跳闸, 特别是在 Beaver2D avis Besse 345 kV 线路跳闸后, 克里夫兰地区解列为孤立系 统, 于是在低频减载动作和大量线路跳闸的共同 作用下, 系统崩溃, 全部负荷损失; (9) 16: 10: 42～ 16: 10: 45, 一方面, 随着安大 略和M an itoba 通道的最后一条联络线W aw a2 M arathon 230 kV 线路的跳闸, 和M an itoba 相连 的安大略北部地区和安大略其他地区解开; 另一 方面, 由B ranchbu rg2R am apo 500 kV 和众多 230 kV、138 kV 线路组成的 PJM 和新泽西北部间的 断面解开; 至此美国东北部电网 (包括安大略电 网、东密歇根、纽约州电网和新英格兰电网等) 彻 底和美国东部电网解列; (10) 16: 10: 46～ 16: 10: 55, 被解出主网的美 国东北部电网再次解为两片, 纽约电网和新英格 兰电网断面线路全部跳闸, 新英格兰电网(除西南 康涅狄格) 成为孤立电网运行, 所幸孤立电网发用 电基本平衡, 地区电网得以保持; (11) 16: 10: 50～ 16: 11: 57, 事故中心电网再 次解为纽约州和安大略电网两片, 而这次解列使 电网的大量出力均留在解开后的纽约片电网, 因 此安大略电网低频减载连续动作以试图维持运 行, 但终无法奏效, 纽约和安大略电网的几条联络 线也几次重合以期联络, 但终于还是均在 5 s 内 相继跳闸, 终于安大略电网全部崩溃; (12) 安大略电网崩溃前夕, 16: 11: 57, 安大 略和东密歇根地区联络线全部跳闸, 东密歇根地 区(含底特律地区) 全部崩溃; ( 13) 至此整个东北部电网仅有新英格兰和 纽约州西部电网剩余, 纽约州西部电网得以保存 是因为这个小系统保持有足够的出力, 同时有 765 kV 联络线和来自魁北克的直流。 114 事故原因分析 11411 初步定性分析 综合收集到的资料, 特别是事故过程中的事 件发生顺序和过程中潮流的变化, 基本可以判断 本次大停电对全网而言属于潮流大范围转移导致 的快速电压崩溃。同时伴有潮流大范围转移和窜 动导致的断面线路相继跳闸和系统解列后的频率 崩溃。 潮流大范围转移结合快速电压崩溃的一般过 程首先是关键输电通道线路同时或相继发生跳 闸, 潮流发生大范围转移或在同一大断面的不同 小断面之间窜动, 导致通道上部分断面(一般是通 道中潮流最大的一段) 线路电压降提高, 这一通道 附近局部地区以及相关受端系统电压下降明显, 恢复十分缓慢或基本不恢复。此时由于系统中存 在大量的感应电动机和空调等恒功率负荷, 这些 负荷在地区电压下降后, 电动机减速, 在维持有功 的同时吸收大量的无功功率, 导致系统电压的进 一步下降。随着系统电压的进一步下降, 或者由于 发电机机端低电压延续几 s 或几十 s 迟迟得不到 恢复, 机组无法保持同步, 或者由于发电机辅机在 低电压下跳闸, 导致机组失去动力电源, 低电压周 边地区机组将相继跳闸。而这将进一步导致系统 中无功电源的缺乏, 电压下降加速, 最终导致电压 崩溃, 大量机组进一步跳闸, 大量电动机负荷停转 跳闸或地区低电压切负荷装置动作实施低电压释 放, 大量负荷损失。 另外, 潮流大范围转移往往还伴有同一断面 多条线路的相继跳闸。这主要因为潮流大范围转 移导致了局部输电通道的严重过载, 由于恒功率 负荷试图维持有功不变, 导致重载通道上的无功 潮流骤增, 线路过载更趋严重, 最终重载通道上的 线路将因为后备保护动作、过流保护动作或弧垂 对地放电而跳闸, 而这进一步导致了断面其他线 路的过载和电压的进一步下降, 最终导致潮流断 面上所有线路的跳闸。 最后, 当由于大量的线路跳闸导致电网解列 后, 局部电网即会由于地区发用电不平衡, 终于发 生电压崩溃和频率崩溃。 对比 8·14 大停电过程和以上机理分析可以 发现, 该大停电过程和潮流大范围转移导致的电 2003 年第 9 期 华东电力 5 (0609)
6(0610) 华东电力 2003年第9期 压快速崩溃过程十分吻合。 2条线路的断开，潮流大范围转移，密歇根州电网 (1)首先潮流大范围转移的迹象十分明显， 由于处于潮流转移到的通道中潮流最重的区域， 从事故进程看，北俄亥俄和底特律地区本有2个 线路相继跳闸，地区电网电压率先崩溃。从此，事 路径受电，即从印第安那到密歇根到底特律和从 故加速，仅2s,密歇根和底特律解列，潮流再次大 俄亥俄南部到俄亥俄北部和底特律，同时，系统存 范围转移，转移到的通道上的安大略和纽约电网 在一个大环网，即从俄亥俄南部经宾西法尼亚到 开始全面崩溃，16：10：40~16：10：57内大批线路 纽约州到加拿大安大略省到底特律。由于俄亥俄 跳闸，系统无序解为若干片，这种时间过程和电压 南部向俄亥俄北部送电通道线路相继跳闸，导致 崩溃十分相似 潮流首先转移到从印第安那到底特律的通道，导 1.4.2事故原因分析结论 致通道中段，即密歇根到底特律通道严重过载，局 (1)事故的最主要原因是潮流大范围转移导 部电压崩溃，密歇根和底特律解列，于是潮流再次 致的快速电压崩溃。 大范围转移到大环网，终于导致了大不网上的纽 (2)俄亥俄南北通道上的多条线路相继跳 约州和安大略省电网全面崩溃，而最终安大略和 闸，最终导致的潮流大转移是引发电压崩溃最终 底特律间解列，底特律和北俄亥俄受电的最后通 导致大停电发生的直接诱因。 道失去，局部电网全部崩溃。 (3)系统中大量机组的相继跳闸虽然起到了 (2)看系统电压变化情况，从大纽约区录到 加速电压崩溃的作用，但从总体上而言是电压快 的低压侧电压Ums(有效值)波形(13kV~480V 速崩溃的结果，而非直接原因。 的变压器上录取，如图2)，可见电压崩溃和低电 (4)系统中大量线路跳闸主要因潮流大范围 压延时切负荷动作迹象明显。 转移导致断面潮流在线路间窜动，局部线路严重 1207 ￥100 B相 4相 过载，同时由于电压的下降，恒功率负荷大量吸取 C相 40- 无功，导致线路电流很大，最终导致过电流保护、 0 4 10 08/14/200310:10:43.38 后备保护动作或弧垂对地放电，线路相继跳闸。 (5)底特律和北俄亥俄地区电网全部崩溃主 图2纽约附近低压电网电压录波情况 要由于其和主网的几个受电断面线路全部解开， (3)从发电机跳闸情况来看，虽然系统中有 局部电网电源严重缺乏，且电压崩溃己经发生，最 大量的发电机相继跳闸，但是其跳闸均是在周边 终该孤立系统发生频率和电压崩溃全部瓦解。 局部系统的电压大幅降低以后，且其中大部分机 (6)密歇根州电网首先发生电压崩溃是由于 组，特别是很多核电站大多是由于低电压导致失 去动力电源，最终跳闸的。因此可以认为低电压和 潮流大范围转移前，其初始电压己经由于重载向 后续电压崩溃是导致系统中大量机组跳闸的原 北俄亥俄和底特律地区供电较低，俄亥俄南北断 因，当然机组的相继跳闸也导致系统中无功电源 面解开后，潮流发生大范围转移，从密歇根到底特 的进一步缺乏，加剧了电压崩溃。 律断面潮流增加了2000MW,是整个通道中潮 (4)潮流大范围窜动导致断面线路相继跳闸 流最重的，因此率先崩溃。 现象明显。事故发生之初，即在15：06至16：09， (7)安大略电网全面崩溃的原因是底特律电 俄亥俄南北通道的多条联络线相继跳闸，且原因 压崩溃后安大略未和底特律解开，潮流大范围转 均为过载或弧垂跳闸，16：10左右，因密歇根和底 移导致安大略和底特律间的潮流突然反向，导致 特律间的潮流达到4800MW,发生电压崩溃和 其和纽约州电网等电网解开，成为孤立系统，终于 潮流大范围窜动，密歇根和底特律断面的大量线 因为发用电不平衡，发生频率崩溃和电压崩溃，系 路在2s内相继跳闸PM和纽约州联络线也在 统瓦解。 4s内跳闸。 (8)纽约州电网大部分崩溃的原因是潮流大 (5)从崩溃的时间序列来看，俄亥俄南北通 范围转移导致纽约州电网和其他地区解列，成为 道的断开是相继的，基本每隔~10mn发生一 孤立系统，除西部地区因出力充足得以保存外，其 个事件，到16：06开始，由于俄亥俄南北通道最后 他地区电网崩溃。 1994-2008 China Academie Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
压快速崩溃过程十分吻合。 ( 1) 首先潮流大范围转移的迹象十分明显, 从事故进程看, 北俄亥俄和底特律地区本有 2 个 路径受电, 即从印第安那到密歇根到底特律和从 俄亥俄南部到俄亥俄北部和底特律, 同时, 系统存 在一个大环网, 即从俄亥俄南部经宾西法尼亚到 纽约州到加拿大安大略省到底特律。由于俄亥俄 南部向俄亥俄北部送电通道线路相继跳闸, 导致 潮流首先转移到从印第安那到底特律的通道, 导 致通道中段, 即密歇根到底特律通道严重过载, 局 部电压崩溃, 密歇根和底特律解列, 于是潮流再次 大范围转移到大环网, 终于导致了大环网上的纽 约州和安大略省电网全面崩溃, 而最终安大略和 底特律间解列, 底特律和北俄亥俄受电的最后通 道失去, 局部电网全部崩溃。 ( 2) 看系统电压变化情况, 从大纽约区录到 的低压侧电压U rm s (有效值) 波形(13 kV～ 480 V 的变压器上录取, 如图 2) , 可见电压崩溃和低电 压延时切负荷动作迹象明显。 图 2 纽约附近低压电网电压录波情况 (3) 从发电机跳闸情况来看, 虽然系统中有 大量的发电机相继跳闸, 但是其跳闸均是在周边 局部系统的电压大幅降低以后, 且其中大部分机 组, 特别是很多核电站大多是由于低电压导致失 去动力电源, 最终跳闸的。因此可以认为低电压和 后续电压崩溃是导致系统中大量机组跳闸的原 因, 当然机组的相继跳闸也导致系统中无功电源 的进一步缺乏, 加剧了电压崩溃。 (4) 潮流大范围窜动导致断面线路相继跳闸 现象明显。事故发生之初, 即在 15: 06 至 16: 09, 俄亥俄南北通道的多条联络线相继跳闸, 且原因 均为过载或弧垂跳闸, 16: 10 左右, 因密歇根和底 特律间的潮流达到 4 800 MW , 发生电压崩溃和 潮流大范围窜动, 密歇根和底特律断面的大量线 路在 2 s 内相继跳闸; PJM 和纽约州联络线也在 4 s 内跳闸。 ( 5) 从崩溃的时间序列来看, 俄亥俄南北通 道的断开是相继的, 基本每隔 5～ 10 m in 发生一 个事件, 到 16: 06 开始, 由于俄亥俄南北通道最后 2 条线路的断开, 潮流大范围转移, 密歇根州电网 由于处于潮流转移到的通道中潮流最重的区域, 线路相继跳闸, 地区电网电压率先崩溃。从此, 事 故加速, 仅 2 s, 密歇根和底特律解列, 潮流再次大 范围转移, 转移到的通道上的安大略和纽约电网 开始全面崩溃, 16: 10: 40～ 16: 10: 57 内大批线路 跳闸, 系统无序解为若干片, 这种时间过程和电压 崩溃十分相似。 11412 事故原因分析结论 (1) 事故的最主要原因是潮流大范围转移导 致的快速电压崩溃。 ( 2) 俄亥俄南北通道上的多条线路相继跳 闸, 最终导致的潮流大转移是引发电压崩溃最终 导致大停电发生的直接诱因。 (3) 系统中大量机组的相继跳闸虽然起到了 加速电压崩溃的作用, 但从总体上而言是电压快 速崩溃的结果, 而非直接原因。 (4) 系统中大量线路跳闸主要因潮流大范围 转移导致断面潮流在线路间窜动, 局部线路严重 过载, 同时由于电压的下降, 恒功率负荷大量吸取 无功, 导致线路电流很大, 最终导致过电流保护、 后备保护动作或弧垂对地放电, 线路相继跳闸。 (5) 底特律和北俄亥俄地区电网全部崩溃主 要由于其和主网的几个受电断面线路全部解开, 局部电网电源严重缺乏, 且电压崩溃已经发生, 最 终该孤立系统发生频率和电压崩溃全部瓦解。 (6) 密歇根州电网首先发生电压崩溃是由于 潮流大范围转移前, 其初始电压已经由于重载向 北俄亥俄和底特律地区供电较低, 俄亥俄南北断 面解开后, 潮流发生大范围转移, 从密歇根到底特 律断面潮流增加了 2 000 MW , 是整个通道中潮 流最重的, 因此率先崩溃。 (7) 安大略电网全面崩溃的原因是底特律电 压崩溃后安大略未和底特律解开, 潮流大范围转 移导致安大略和底特律间的潮流突然反向, 导致 其和纽约州电网等电网解开, 成为孤立系统, 终于 因为发用电不平衡, 发生频率崩溃和电压崩溃, 系 统瓦解。 (8) 纽约州电网大部分崩溃的原因是潮流大 范围转移导致纽约州电网和其他地区解列, 成为 孤立系统, 除西部地区因出力充足得以保存外, 其 他地区电网崩溃。 6 (0610) 华东电力 2003 年第 9 期
2003年第9期 华东电力 7(0611) 的实时安全稳定控制没有最高的控制中心，没有 2 美加大停电的教训 一个机构考虑全网运行方式对全网的安全稳定进 (1)没有注意加强电网建设和改善电网结构 行校核并负责，事故发生时，各SO不能相互协 美加电网虽然规模巨大，但是由于负荷增长 调；电网事故恢复时，电网各自为政，延缓了恢复： 缓慢、缺乏统一规划和电力市场对电网建设的刺 电网建设和规划各自为政，345kV、500kV、765 激不足等因素，近年来电网建设发展缓慢，电网结 kV电网结构十分复杂，电网薄弱且老化严重。因 构严重滞后。事故发生的中心区域中西部电网网 此对于一个交流互联系统，应有一个管理机构掌 架尤其薄弱，设备老化严重，不排除事故有设备老 握实时运行方式，对实时的安全稳定进行校核并 化导致事故扩大的可能性。因此必须建设和负荷 负责，负责电网的规划建设和电网技术专业的指 水平相匹配的网架，只有有了能够安全可靠送电 导，保证电网建设和技术标准的统一有序，实现统 的网架，电源建设才有意义，用户需要才可能满 一调度，统一规划。 足。 (5)没有加强机网协调，不重视机组保护定 (2)没有重视电网动态稳定包括电压稳定动 值和电网安全稳定控制的协调 态问题，分析控制不力 事故过程中有大量的机组相继跳闸，这从客 美加电网结构十分紧密，系统容量很大，但最 观上严重加剧了电压崩溃。从厂网分开的角度，电 终无法避免电压崩溃导致系统全面崩溃和大范围 厂由于对电网情况不甚了解，因此保护的设置往 停电事故。这说明，随着电网的加强，负荷的加重 往无法考虑到系统的需要，无法发挥励磁调节器、 和跨区远距离送电的出现，虽然系统频率稳定和 PSS、低励和过励限制等保护的作用，因此必须加 暂态稳定抗冲击能力均有了很大的提高，但是由 强机网协调，重视机组保护定值和电网安全稳定 于空调负荷、感应电动机等负荷比重的增加和受 控制的协调。 端电网对外来电力依赖的提高，电压稳定矛盾将 (6)没有从系统防线高度重视低电压切负荷 日益突出，一旦电网发生重大事故，潮流大范围转 装置的配置 移，极易引发电压崩溃事故后果将十分严重。因 空调、感应电动机等负荷在电压降低时无功 此必须加强对电压稳定问题的重视，重视系统分 消耗增加，将进一步导致电压的下降，阻碍电压的 析模型特别是负荷模型的选取，提高对系统静态、 恢复，因此在电压降低后延时切除负荷将大大优 暂态和动态稳定问题分析的准确性。 于当感应电动机在电压进一步下降时自行停转， (3)没有掌握电网薄弱环节，未能及时做好 有利于电压崩溃的防范。因此有必要将低电压切 网架发生重特大事故的预案 负荷装置的安装放在建立系统防线的高度进行研 从事故处理角度看，这是一次调度失败事故， 究，扩大安装的范围。 虽然事故后期蔓延极为迅猛，非人力所能控制。但 (7)有效解列点的设置和动作策略不能奏 是事故早期，即便从第4条线路跳闸到开始全面 效，未能有效防止事故扩大 崩溃仍有20mn,因此若中西部电网调度预案详 事故缘自中西部电网，但最终导致包括安大 细，处理果断，在俄亥俄南北断面线路相继断开之 略和纽约在内的大范围电网崩溃，若安大略和纽 际，迅速对断面潮流进行控制，事故仍有被避免的 约电网能通过安控装置和事故区域解列，即事先 可能性。因此加强对电网薄弱环节的研究，充分研 解开安大略和TC的通道，事故范围可能可以限 究电网多个元件相继停役或枢纽变电站全停的调 制在中西部电网，损失必将得以大大缩小。因此必 度预案，并在事故发生时做好下一步的事故预案， 须充分重视系统解列点的设置，同时应研究电压 提高事故处理能力，加快事故处理速度十分必要。 崩溃的特点，使解列装置不光能在系统失步或振 (4)交流互联系统没有统一的实时调度和规 荡时解列，而且能判断电压崩溃解列，防止电压崩 划机构 溃事故的扩大。 从管理的角度看，本次事故的发生和美国东 (8)没有系统紧急控制设置，未能控制事故 北部电网没有一个统一的电网实时调度和管理中 波及范围 心有着重要干系。没有统一实时调度，导致了电网 从紧急控制角度看，从事故前夕电网振荡开 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
2 美加大停电的教训 (1) 没有注意加强电网建设和改善电网结构 美加电网虽然规模巨大, 但是由于负荷增长 缓慢、缺乏统一规划和电力市场对电网建设的刺 激不足等因素, 近年来电网建设发展缓慢, 电网结 构严重滞后。事故发生的中心区域中西部电网网 架尤其薄弱, 设备老化严重, 不排除事故有设备老 化导致事故扩大的可能性。因此必须建设和负荷 水平相匹配的网架, 只有有了能够安全可靠送电 的网架, 电源建设才有意义, 用户需要才可能满 足。 (2) 没有重视电网动态稳定包括电压稳定动 态问题, 分析控制不力 美加电网结构十分紧密, 系统容量很大, 但最 终无法避免电压崩溃导致系统全面崩溃和大范围 停电事故。这说明, 随着电网的加强, 负荷的加重 和跨区远距离送电的出现, 虽然系统频率稳定和 暂态稳定抗冲击能力均有了很大的提高, 但是由 于空调负荷、感应电动机等负荷比重的增加和受 端电网对外来电力依赖的提高, 电压稳定矛盾将 日益突出, 一旦电网发生重大事故, 潮流大范围转 移, 极易引发电压崩溃事故, 后果将十分严重。因 此必须加强对电压稳定问题的重视, 重视系统分 析模型特别是负荷模型的选取, 提高对系统静态、 暂态和动态稳定问题分析的准确性。 ( 3) 没有掌握电网薄弱环节, 未能及时做好 网架发生重特大事故的预案 从事故处理角度看, 这是一次调度失败事故, 虽然事故后期蔓延极为迅猛, 非人力所能控制。但 是事故早期, 即便从第 4 条线路跳闸到开始全面 崩溃仍有 20 m in, 因此若中西部电网调度预案详 细, 处理果断, 在俄亥俄南北断面线路相继断开之 际, 迅速对断面潮流进行控制, 事故仍有被避免的 可能性。因此加强对电网薄弱环节的研究, 充分研 究电网多个元件相继停役或枢纽变电站全停的调 度预案, 并在事故发生时做好下一步的事故预案, 提高事故处理能力, 加快事故处理速度十分必要。 (4) 交流互联系统没有统一的实时调度和规 划机构 从管理的角度看, 本次事故的发生和美国东 北部电网没有一个统一的电网实时调度和管理中 心有着重要干系。没有统一实时调度, 导致了电网 的实时安全稳定控制没有最高的控制中心, 没有 一个机构考虑全网运行方式对全网的安全稳定进 行校核并负责; 事故发生时, 各 ISO 不能相互协 调; 电网事故恢复时, 电网各自为政, 延缓了恢复; 电网建设和规划各自为政, 345 kV、500 kV、765 kV 电网结构十分复杂, 电网薄弱且老化严重。因 此对于一个交流互联系统, 应有一个管理机构掌 握实时运行方式, 对实时的安全稳定进行校核并 负责; 负责电网的规划建设和电网技术专业的指 导, 保证电网建设和技术标准的统一有序, 实现统 一调度, 统一规划。 ( 5) 没有加强机网协调, 不重视机组保护定 值和电网安全稳定控制的协调 事故过程中有大量的机组相继跳闸, 这从客 观上严重加剧了电压崩溃。从厂网分开的角度, 电 厂由于对电网情况不甚了解, 因此保护的设置往 往无法考虑到系统的需要, 无法发挥励磁调节器、 PSS、低励和过励限制等保护的作用, 因此必须加 强机网协调, 重视机组保护定值和电网安全稳定 控制的协调。 (6) 没有从系统防线高度重视低电压切负荷 装置的配置 空调、感应电动机等负荷在电压降低时无功 消耗增加, 将进一步导致电压的下降, 阻碍电压的 恢复, 因此在电压降低后延时切除负荷将大大优 于当感应电动机在电压进一步下降时自行停转, 有利于电压崩溃的防范。因此有必要将低电压切 负荷装置的安装放在建立系统防线的高度进行研 究, 扩大安装的范围。 ( 7) 有效解列点的设置和动作策略不能奏 效, 未能有效防止事故扩大 事故缘自中西部电网, 但最终导致包括安大 略和纽约在内的大范围电网崩溃, 若安大略和纽 约电网能通过安控装置和事故区域解列, 即事先 解开安大略和 ITC 的通道, 事故范围可能可以限 制在中西部电网, 损失必将得以大大缩小。因此必 须充分重视系统解列点的设置, 同时应研究电压 崩溃的特点, 使解列装置不光能在系统失步或振 荡时解列, 而且能判断电压崩溃解列, 防止电压崩 溃事故的扩大。 ( 8) 没有系统紧急控制设置, 未能控制事故 波及范围 从紧急控制角度看, 从事故前夕电网振荡开 2003 年第 9 期 华东电力 7 (0611)