美加“814”大停电介绍以及启示

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37 430kw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。
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27 Sammis-Star 跳闸前潮流分布
图25 Sammis-Star 345kv线路跳闸
图28 俄亥俄州 345kv线路跳闸后潮流分布
图26 俄亥俄州 345kv线路跳闸
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Cl eveland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32 系统分裂前潮流分布
图30 墨西哥和俄亥俄州电网分裂
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
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1）13：31时，由于此前Cleveland有功及无功的重要电源一机 组Davis—Bessel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Cleveland—Akron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。
图23 Sammis-Star 正常时潮流分布
图22 Sammis-Star 345kv线路跳闸
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 345 kv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： <1> 由宾夕法尼亚洲西北沿伊利湖至俄亥俄州北部； <2> 由俄亥俄州西南至俄亥俄州东北； <3> 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。
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。
图14 345kv线路对地短路
图15 不同情况下线路下垂的距离
图 18
South Canton-Star
图 17
Juniper-Hanna
图 16
Harding-Chamberlin
线 路 跳 闸
线 路 跳 闸
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
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。
（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 9 公 司 负 荷 预 测 结 果 FE
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。
• 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。