美加“8.14” 大停电介绍以及启示 硕研10-7 杨洛一： “8.14”大停电概述 2003年8月14日,美国东部时间16:11分(北京时间15日4:11分),美国东北部和加拿大东部联合电网发生了一连串的相继开断事故，最终导致系统失稳，酿成了有史以来最大规模的停电灾难（“8.14”大停电）。 此次停电波及9300km2，受影响的地区包括美国密歇根州 、俄亥俄州 、纽约市、新泽西北部、马萨诸塞州 、康涅狄格州和加拿大安大略省 、魁北克省在内的十多个地区。图1 美加大停电地理区域二：“8.14”大停电的后果1： “8.14”大停电造成美国东北部和加拿大东部机场瘫痪 、公共交通瘫痪 、航班延迟 、成千上万的人被困在地铁 、电梯 、火车和高速公路上，超过5000万人的失去电力供应，停电时间29h后才完全恢复电力 ；2： “8.14”大停电给美国经济带来严重影响 ，据美国经济专家预测 ，此次美国历史规模最大的停电事故，所造成的经济损失可能多达300亿美元/d，而据纽约市政厅估计 ，此次停电造成纽约市财政减收7.5亿美元 ，税收减少4000万美元 ；而加拿大方面，其经济损失也高达23亿加元；3： “8.14”大停电中共损失6180kw负荷，263座电厂531台发电机停运（包括10座核电站19台核电机组），几十条高压输电线停运。三：美国电网的结构及其分布美国拥有世界上最大的电力工业。1991年美国的总发电量为37430kw时，总装机容量为84531.2万kw，在美国境内有三大联合系统，即东部联合电网、西部电网和德克萨斯联合电网。东部联合电力系统是目前世界装机容量最大的同步电网，包括美国的东部、中部和加拿大的五个省，分为ECAR（东中部可靠委员会）、MAAC（大西洋中区委员会）、MAPP（美国中部电力库） 、NPCC（东北电力协调委员会） 、SERC（东南部可靠委员会）、 SPP（西南联合电力系统）六个协作区，覆盖的地理面积约为520万km2，1999年总装机容量达到65851万kw，其中美国部分的230kV电压以上的输电线路长达21.136万公里。西部电网包括美国西部、加拿大的两个省以及墨西哥北部地区，区内是WECC（西部电力协调委员会）协作区。得克萨斯联合电力系统包括ERCOT（德克萨斯电力可靠性委员会）协作区。三大联合电力网非同步运行，相互之间通过背靠背直流系统联络。“8.14”大停电主要发生在北美大联合电力系统，其是世界上最大的联合系统，到2007年总装机容量超过13亿kw，覆盖美国、加拿大和墨西哥的一部分，由4个同步电网组成：东部电网、西部电网、德克萨斯电网和魁北克电网。 美国电网由于历史条件和发展历史不同（以私营为主），其电压标准很不一样： （1）东部输电网500、230、138、69、26kv，配电网13和4kv； （2）中部输电网765、345、138、79、34kv，配电网12和4kv； （3）德克萨斯输电网345、138、69、25kv； （4）765kv的特高压（UHV）输电线是美国的最高电压等级； （5）直流输电多为400和450kv，少部分采用500kv； 这样美国的电网实质上是多级电压和多点联络，电网的保护和控制无法统一配置和整定； 同时，交错的电网会很形成电磁环网，容易使潮流在无任何预警地发生转移，造成连锁性的停电。图2 美国三大电网分布图3 美国电网十大地区性委员会及其所辖范围图4 北美大停电事故中心图5 北美大停电涉及的电网系统图6 俄亥俄州部分地图图7 事故中心潮流的大致分布图8 事故中心潮流的数值及其流向“8.14”大停电的发生过程一：事故累积阶段 电网运行状况逐步恶化的累积效应是大面积停电的前奏，影响电网运行状况的恶化的累积效应的因素主要体现在： 1：环境变化。“8.14”大停电发生的中午，由于天气炎热，激增的空调类负荷导致大量电力的长距离输送。气温从8月11日的26。C升至8月14日的32。C，各个电力公司的预测负荷都低于实际负荷，8月14日实际负荷比预测负荷高出12%。 尽管如此，这仍属于正常的范围，而且调度员已经成功的使系统过渡了几年前和2003年夏季早些时候的更大负荷，所以尽管当天通过FE控制区域的潮流很大，但是并没有超出以前的水平，完全在系统可以承受的范围内。 图9 FE公司负荷预测结果2：机组、线路故障、有功和无功备用容量、主要输电线容量接近极限；3：电网电压、频率逐渐下降，运行在低限值水平。图10 部分地区电压曲线图11 部分地区频率曲线 在电网在运行状况逐步恶化的累积阶段，一般来讲系统都可以继续都可以稳定运行，但是系统已经接近运行在SOC自组织临界状态，很容易发生事故。 累积效应的持续时间与电网逐步恶化的速度和电网运行方式的变化有很大的关系。例如：8月14日中午已经有无功不足的迹象，而且在中午12点以前系统中已经有不寻常的波动。到连锁停电时刻16：00，该地区的电压已经降至最低下限运行（95%），如果从第一条380KV输电线跳闸到第四条输电线跳闸为止，其累计时间至少为1小时。2：事故连锁效应阶段 从8月14日下午12：15开始，FE（第一能源公司）和AEP（美国电力公司）的控制区内发生了一系列的突发事件，这些时间最终导致了东北部电网的大停电，按照一些重要事件的发生顺序，事故的演变过程可以分成以下几个阶段。 （1）第一阶段；12：05到14：04，其间有两个重要事件发生 1）13：31时，由于此前Cleveland有功及无功的重要电源一机组DavisBessel和机组Eastlake 4已经停运，致使机组Eastlake 5号680KW的燃煤机跳闸的停运 ，进一步耗尽了ClevelandAkron地区的临界电压下的支撑。当 Eastlake 5退出运行后，Cleveland地区的FE无功功率的净输入达到132Mvar这样使系统失去重要的无功电源，不仅如此，这台机组跳闸要求FE从相邻电网输入额外的电力以弥补机组跳闸所引起的功率缺额，这就使俄亥俄州北部电网的电压调整更加困难，难以维持较高的水平，也使FE电网在调整运行方式时缺乏灵活性。图12 Eastlake 5机组图13 Eastlake 5电压、有功以及无功曲线 2）14：02时345KV Stuart-Atlanta由于对地短路跳闸，而且这条线路并不是系统重点监控的对象，这就导致MISO（FE的上级调度中心）的状态估计软件因不能得到实时的数据而进行了错误的状态估计。 13：07的时候MISO的工作人员解决了这一问题，但同时却又忘记恢复程序的自启动功能，14：40的时候调度员才发现状态估计软件没有运行，而且程序启动后没有将Stuart-Atlanta跳闸线路的影响考虑到MISO的状态估计模型中，因此程序运行仍有问题，直到系统崩溃前2min才解决了这个问题。（2）第二阶段：14：14至15：59 FE的自动化系统故障 1）FE的警告系统失效。FE的SCADA系统中的警告和记录软件在14：14时收到最后一个有效警告信号后不久就出现故障，之后，FE的控制台上再没有收到任何的警告信号。 2）EMS远方终端的损失。在14：20到14：25之前，FE的一些安装在变电站的远方控制终端停止了运行，直到14：36FE的调度员才发现这个问题。 3）EMS服务器故障。14：41负责EMS告警处理功能的主服务器当机，备用服务器在13分钟后即14：54也发生当机，于是这两台服务器上的所有EMS程序都停止了运行。（3）第三阶段:15:05到15：57 FE的三条345kv输电线跳闸。 从15：05：41至15：41：35，风速减小，线路散热减慢，线路走廊的植物生长超过预计，线路重载（但未过载）导线下垂加剧，于是FE的三条345kv重要线路在低于输电线事故运行极限的情况下跳闸。每条线路跳闸停电后，都增加了剩余线路的负荷，造成FE控制地区电压的进一步降低。 此时如果减载1500 2500MW，系统还能继续稳定运行，但是由于FE的EMS系统的故障，没有意识到事件的严重性，也就不能正确的做出决策；同时由于缺乏FE的数据支撑，PJM和AEP也没有正确的认识到系统的危险程度。 图14 345kv线路对地短路图15 不同情况下线路下垂的距离 图16 Harding-Chamberlin线路跳闸图17 Juniper-Hanna线路跳闸图18 South Canton-Star线路跳闸图19 FE地区345kv潮流变化曲线图20 FE地区345kv电压变化曲线图21 FE地区138kv电压变化曲线（4）第四阶段：15：39到16：08俄亥俄州北部138输电线系统崩溃 在Cleveland地区的345kv的345主干线路跳闸后，供给Cleveland和Akron的138kv系统立即过载并且电压降低，16条138kv线路先后相继跳闸，由于电压严重降低，导致Akron地区大批工业负荷的电压敏感设备跳开，损失负荷600MW。 15：45：33，Canton-Tidd 345kv线路跳闸，16：05：57 Sammis-Star（345kv）线路由于距离三段保护感受低阻抗,并误认为是短路故障而跳闸（这时并不是由于线路的树闪接地引起的）。这条线路断开后，从俄亥俄州东南至俄亥俄州北部的345kv线路完全断开，只留下三条路径输电至俄亥俄州西部： 由宾夕法尼亚洲西北沿伊利湖至俄亥俄州北部； 由俄亥俄州西南至俄亥俄州东北； 由密歇根东部和安大略。 此时，ITC-FE的洲际线路潮流反向，由密歇根东部输入俄亥俄州北部200MW。图22 Sammis-Star 345kv线路跳闸图23 Sammis-Star 正常时潮流分布图24 Sammis-Star 345kv线路跳闸后潮流分布 （5）第五阶段：系统的崩溃的扩展和停止 FE Sammis-Star线路跳闸，触发了345kv高压系统的崩溃（“雪崩阶段”）。 16：08：59，Galion-Ohio Central-Muskingum 345kv线路接地故障跳闸，随后16：09：06，East Lima-Fostoria 345kv由于大电流和极低的电压引起距离继电器3段跳闸，导致从宾夕法尼亚洲和纽约通过安大略至密歇根的系统振荡，从16：09：08至16：10：27，一些机组跳闸，共损失容量937MW。 16：10：36，横跨密西根与俄亥俄北部的三条345kv线路接着出现跳闸，导致密歇根中南部至底特律地区的西至东输电线路径中断。 图25 Sammis-Star 345kv线路跳闸图26 俄亥俄州 345kv线路跳闸图27 Sammis-Star 跳闸前潮流分布图28 俄亥俄州 345kv线路跳闸后潮流分布图29 系统初始的潮流轨迹 16：10：38.6，从Perry-Ashtabula-Erie 伊利湖东南到北俄亥俄的弱联络线跳闸，至此事故中心（密歇根东部与俄亥俄北部，包括底特律、 Cleveland和Akron地区）仅通过和安大略的联络线和美加东部主网联络，通过断面负荷由300MW（16：10：09）形成冲击峰值3700MW（16：10：39），此时Cleveland地区的频率降低很快，即使低频切负荷1750MW后，仍不能使发电和负荷平衡。 在事故中心电网电压进一步下降崩溃的同时，潮流再次发生大范围转移，从俄亥俄南部经宾夕法尼亚、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和纽约电网断面潮流极大。 图30 墨西哥和俄亥俄州电网分裂图32 系统分裂前潮流分布图31 系统分裂后潮流分布图33 安大略至底特律电压、有功和无功振荡曲线 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，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能通过新泽西和纽约的联络线与加拿大西部地区的联络线和美加主网联络。 16：10:41,由于北俄亥俄地区大量机组和线路跳闸，特别是Beaver-Davis Besse 345kv线路跳闸后，Cleveland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。图34 PJM-纽约州4条线路跳闸图35 PJM-纽约州4条线路跳闸前潮流分布图36 PJM-纽约州2条线路跳闸前潮流分布图37 PJM-纽约州另外2条线路跳闸前潮流分布16：10：42-16：10：15，北安大略和新泽西跳线，使美加东部电网被一条东西线分成两部分，纽约市和纽约州、新泽西北部、新英格兰、东部沿海城市、密歇根东部、安大略主要地区和魁北克地区，受大停电影响严重，而西部未受影响。图38 美加东部电网分离 16：10：42-16:10:45,一方面，随着安大略和加拿大西部地区通道的最后一条230kv联络线跳闸，这样和加拿大相连的安大略北部地区和其他地区解开；另一方面，由Branchburg-Ramapo众多的500kv、230kv以及138kv组成的PJM和新泽西西北部的断面解开，这样美国东北部电网（安大略电网、纽约州电网、东密歇根电网、新英格兰电网）彻底和美国东部电网解列。图39 美加东部电网分离图40 美加东部电网分离前潮流分布 图41 美加东部电网分离后潮流分布 16：10：46-16：10：55，纽约州与新英格兰、纽约州东西部断开。图42 纽约电网的解列 16：10：57-16：10：57，安大略和纽约州两次断开大停电，2400KW符合损失2250，纽约州东部大停电，纽约州西部大停电近50%，康涅狄格州西部全停电。图43 纽约州的进一步解列图44 纽约、新英格兰系统解列，多个孤岛形成图45 纽约、新英格兰系统解列前潮流分布图46 纽约、新英格兰系统后解列潮流分布图47 大停电前系统潮流曲线图48 大停电系统潮流曲线图49 大停电系统频率曲线 美加东部互联电网北部大停电范围（区内纽约州西部孤岛保留了570KW的负荷）。图50 停电波及的地区示意图图51 系统完全崩溃后停止运行的机组图52 大停电中跳闸的线路图53 纽约停电前和停电后美加大停电的启示一：电力系统理论方面： 1：基于还原论的经典电网研究方法如何应对新的安全性挑战？ 2：巨维非线性微分-代数方程(NLDAE)的相关问题(电力系统建模、控制方面；电力系统电压、频率失稳的动力学机理）？二：电网方面： 1：电网结构方面？ 2：电网规划和调度方面？ 3：电网保护控制方面？ 4：电力市场方面？ 5：厂网协调方面？ 6：电力人员的管理？ 谢谢大家！