北美大停电事故分析

北美大停电事故分析

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崩溃场景，特别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偿装置和制定统一的法规以激励独立发电商向系统提供充足无功功率和无功储备的必要性。

关键词：北美大停电；电力系统；电压崩溃；级联效应；无功储备

0 引言

2003年8月14日下午，美国的中西部和东北部以及加拿大的安大略省经历了一次大停电事故，其影响范围包括美国的俄亥俄州、密西根州、宾夕法尼亚州、纽约州、佛蒙特州、马萨诸塞州、康涅狄格州、新泽西州和加拿大的安大略省，损失负荷达61.8 GW，影响了5千万人口的用电。停电在美国东部时间下午4时06分开始，在美国的一些地区两天内未能恢复供电，加拿大的安大略省甚至一周未能完全恢复供电。这次停电事故引起了全世界的关注。在8.14之后不久我国的一些学者也就这次事故进行过介绍，并提出了各自的看法-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初步的计算分析，并于2003年11月提出了一份报告引起对8.14大停电事故的起因做了系统、详实的报道，其中涉及到了电网方面的事件、计算机方面的事件以及人员方面的事件。参照该报道中电网事件的演变过程，本文着重阐述和分析了其中电压崩溃的场景。

1 事故的起因、发展过程

美加电力系统故障工作组对有关8.4大停电原因的报告以及有关方面的资料清晰地给出了此次事故的起因和发展过程，现简述如下。

从2003年8月14日下午美国东部时间(EDT，本文下述均为此时间)15时06分开始，美国俄亥俄州的主要电力公司--第一能源公司(First EnergyCorp以下简记为FE)的控制区内发生了一系列的突发事件。这些事件的累计效应最终导致了大面积停电。

事故演变过程可分为如下几个阶段：

(1)事故发生前的阶段。由于空调负荷及其他负荷的增长，在8月14日以前的几天以及8月14日中午，俄亥俄州北部许多节点的电压呈下降趋势，如图1所示。这表明8月14日的中午该地区已有无功不足的迹象，而且在中午12时以前系统中已有不寻常的电压波动，尽管此时系统仍然处于正常的运行状态。（图1）

在发生大停电事故前，由于Cleveland有功及无功的重要电源--机组Davis-Besse和机组Eastlake4已经停运，致使在13：31机组Eastlake 5的停运，进一步耗尽了Cleveland-Akron地区的临界电压下的支撑。仿真表明，当Eastlake 5退出运行后，Cleveland地区的FE无功功率的净输入达到了132Mvar。

在第一条线路开断以前的潮流数据表明，此时FE的负荷接近12 080 MW，通过外部输入2 575 MW，占其总输入的21%。在这种外部输入以及伊利湖南岸大都市空调负荷均维持在高水平的情况下，FE的无功需求进一步增加。同时通过俄亥俄州北部到密歇根州及安大略的潮流很大，上述潮流与负荷的共同作用降低了俄亥俄州北部的电压。

(2)短路引起的线路开断阶段。俄亥俄州的一条345 kV(Harding-Chamberlin)输电线

路在15：05触树短路接地后跳闸(线路开断前潮流仅为正常裕量的43.5%)，这条线路的开断增加了相关线路上的潮流，致使由南部向Cleveland送电的3条345 kV线路的负荷加重(其中Hanna-Juniper 345 kV线路上承担的最多)，更多的潮流流经向Cleveland和Akron送电的下一级138 kV系统。15：32第二条345 kV(Hanna-Juniper)线路触树短路接地后跳闸(线路开断前潮流为正常裕量的87.5%)；该线路开断后，有近1 000 MVA的功率不得不寻找新的路径进入Cleveland地区，致使由南部向Cleveland送电的另2条345 kV线路和向Cleveland和Akron送电的下一级138 kV系统的负荷加重，一些线路过载并使Cleveland地区电压进一步下降。15：39为Cleveland和Akron送电的下一级138 kV系统中的一条线路跳闸。上述两条345 kV线路的开断使Star--SouthCanton线路越限，15：42第三条345 kV(Star--SouthCanton)输电线路触树跳闸(线路开断时潮流为紧急裕量的93.2%)。应当一提的是这一阶段的3条345 kV输电线路都是因为导线触树而引发的跳闸。与导线的下垂相比，树木的过度生长是引发导线与树木接触的主要原因。根据调查组事后模拟得出的结论，如果当时前两条开断的345 KV线路能够得到恢复而投入运行，Star-South Canton线路就不会跳开。

(3)过负荷引起的线路开断阶段(电压崩溃阶段)。每一条345 kV线路的开断都会使为Cleveland和Akron送电的138 kV系统的载荷增加，电压下降，并使线路过载。随着更多的138 kV线路退出运行，仍然运行的138 kV线路和345 kV线路上承担了越来越多的载荷。Star-South Canton线路开断后，为Cleveland供电的138 kV系统的潮流显著增加，138 kV系统电压水平进一步下降。从15：39至16：05期间共有12条138 kV线路相继开断。上述最后一条138 kV线路开断后，更多的功率转移至仍在运行的345 kV线路上，使Sammis--Star线路载荷达到了额定值的120%，两秒钟后该线路跳闸。与上述三条因为与树接触发生短路而跳闸的线路不同，Sammis--star线路是因为阻抗保护的动作而被切除。此时系统发生了电压崩溃。尽管该线路开断后，又有3条138 kV线路相继开断，但Sammis--Star线路的开断才是俄亥俄州东北部的系统问题引发美加东北部级联大停电

这一事件的转折点。此时后续的大规模级联崩溃已经不可避免。

(4)事故后的级联崩溃(Cascade)阶段。这一阶段实际上又可以细分为三个阶段。第一阶段为潮流的浪涌阶段：FE输电系统的崩溃引发了规划中未预计到的潮流浪涌。崩溃前夕大量潮流从南方(田纳西、肯塔基和密苏里)的发电机跨过FE系统流到北方(北俄亥俄、东密西根和安达略)。由于FE输电系统的崩溃使得北俄亥俄的输电通道不存在了，潮流只能通过替代的路径到达伊利湖沿岸的负荷中心。潮流一方面从俄亥俄州西部、印第安纳州、另一方面从宾夕法尼亚州穿过纽约州和安大略涌人伊利湖的北侧。可是这些区域的输电线路原已处于正常重载，并有一些开始跳闸。第二阶段为美国东北部和加拿大的安大略形成了一个巨大的电气孤岛阶段：额外的潮流浪涌一方面使东北部与东部的互联电网隔离开来，另一方面引发了覆盖俄亥俄州西部的线路跳闸的狂潮。线路的跳闸向北延伸到密歇根州，把该州的西部与东部分离开来。最终，整个的美国东北部和加拿大的安大略变成了一个巨大的电气孤岛。由于没有充足的发电满足负荷，这个巨大的孤岛变得不稳定，但与该孤岛分隔的其他系统则保持了稳定。第三阶段为大面积停电发生阶段：由于该巨大的孤岛变得不稳定，而使美国东北部和加拿大的安大略又被分成几个小的孤岛。功率不足的电力系统频率急剧下降，甩负荷装置切掉负荷，导致崩溃；功率多余的电力系统频率急剧上升，发电机保护自动切机，也导致系统崩溃。此时发生了大面积的停电。当然，也有的孤岛中发电机和负荷达到了平衡从而能够稳定运行。

2 电压稳定与电压崩溃

近年来，电压不稳定性问题[7]已成为一个独立的研究课题，在已经出现的许多\"电压不稳定\"的研究示例中全然没有\"角度不稳定\"即将来临的迹象。它们开始是局部现象，但是能够发展成为波及到广阔地域的电压崩溃。然而在电压稳定和功角稳定之间的区分并不总是清晰的，\"是电压崩溃造成失步还是失步会造成电压崩溃?\"只有对事故录波进行仔细的分

析之后才能回答。

所谓电压崩溃，通常是指由于电压不稳定而导致系统内出现一系列元件停运，从而造成大面积、大幅度的电压下降和供电中断的过程。

尽管8.14大停电已经被认定为电压崩溃[5]，但它并非是电力工程师们认定的传统意义上那种电压崩溃。典型的电压崩溃发生在重载荷、故障(减少了潮流到达负荷的可用路径的数目)或者无功短缺的电力系统中。当无功的发生与传送不能满足负荷的无功需求时，就会引发这种崩溃。当电力系统中发生的扰动引起电压渐进地并且不可控地下降时，经典的电压崩溃就会发生。如果这种崩溃持续，电压就会继续下降并引起其他设备的开断，从而导致电压的进一步下降并失去负荷。在一些地点，电压也可能会稳定在一个颇低的水平上。通常发生在夏季的电压崩溃过程中，系统开始发生故障是由于不充足的无功供应，而不是由于设备的过负荷。

8月14日，俄亥俄州北部并没有发生经典的(经由电压失稳)电压崩溃。早期发生的3条345 kV输电线路(因与树接触造成接地短路)跳闸，以及一条138 kV输电线路(因过载)跳闸虽然致使电压：，(平下降，但并没有发生崩溃。仅当俄亥俄州北部的Sammis-Star 345 kV线路因阻抗保护动作而跳开后，才最终导致了电压崩溃，此时后续的大规模级联崩溃已经不可避免。但在Sammis-Star线路跳开之前，FE 138 kV系统的电压仍稳定在118 kV，仅下降了15%，在可接受的范围内。电压崩溃是由线路相继开断造成的，而线路相继开断是由线路负荷的转移和过载造成的，不是由不可控的电压下降造成的。

3 线路相继开断过程中的无功变化与作用

事故的种种迹象表明，在8.14大停电事故发生前，虽然运行人员已经采取了增加发电厂的无功输出、进行发电重新调度、调整有载调压变压器的分接头和增加补偿电容的容量等措施，但系统还是在一种无功相对缺乏的状态下运行，表明无功出力和储备不足。尽管这不是导致事故发生的根本原因，但如果俄亥俄州当地拥有充足的无功储备，那么在短路引起的前几条线路开断后，仍然有可能借助充足的无功储备，维持俄亥俄州北部的电压，从而避免电压崩溃的发生。

事实上，俄亥俄州北部无功的短缺是不断驱使线路相继开断的一个很重要的原因。因为在系统传输功率的某个断面上，一条线路的开断不仅使其余线路的有功潮流加重，而且由于输电线路上有功电流的增加会更显著地增加输电线路上无功功率的损耗和线路上的无功潮流(特别是线路送端的无功潮流)，也使受端电压进一步下降。与此同时，当重载线路受端的俄亥俄州北部的电压下降需要线路提供无功支持时，重载线路送端的无功功率可能是受端所收到无功功率的许多倍.而且上述这两种增大输电线路无功潮流的效应呈恶性交互作用，在事故中促进了线路的相继开断。譬如，在Sammis-Star 345 kV线路开断之前，沿该线路的无功电流几乎是当天早些时候电流的10倍，正是由于这一原因，启动了Sammis-Star 345 kV线路的阻抗保护，如图2所示。

上述分析表明，俄亥俄州北部无功储备的缺乏是这次大停电事故的重要因素，所以人们应该进一步加强对无功储备重要性的认识。尤其在辅助服务不健全的电力市场环境下，发电商为了追求经济利益，在以最大容量发出有功功率的同时，不愿意发无功功率，这对系统的安全稳定运行很不利。为解决这一问题，应该制定统一的法规以激励独立发电商从维护整个系统安全的角度出发，在出现预想事故时，不仅向系统提供必要的有功支持，也要向系统提供必要的无功支持。（图2）

4 结论

这次美加\"8.14大停电\"呈现了一种全新的电压崩溃场景，它明显地不同于传统电压崩溃概念中的场景。在这一场景中无功短缺本身并没有引起电压失稳进而造成电压崩溃。直至最终引起电压崩溃的一条345 kV输电线路开断前，受扰动地区的电压水平仍然维持在一个可接受的范围内。电压崩溃是由线路相继开断造成的，而线路相继开断又是由线路过负荷后保护动作造成的，不是由低电压造成的。但是特别要强调的是，受端无功的短缺以及在线相继开断过程中仍在运行的线路上无功电流的大幅度上升是出现保护动作、线路跳闸的一个重要的原因。

这次事故提醒我们，电网运行要有足够的无功备用容量。在电力市场环境下，必须制定统一的法规以激励独立发电商从维护整个系统安全性的角度考虑发送无功功率并为系统提供充足的无功备用。