美加814大停电原因、过程、危害、启示

美加8.14大停电

电力实09马剑

2003年8月14日，美国中西部、东北部及加拿大安大略省遭受了大面积停电事件。事故开始于美国东部时间16时左右，在美国部分地区，电力供应在4日后仍未恢复，而在全部电力供应恢复之前，安大略省部分地区的停电持续了一个多星期。

一、事件全过程

1、事故的发展过程[1]：

事件发生前，停电地区中西部正值高温天气，电网负荷很大。潮流方向是从印第安纳州和俄亥俄州南部通过密歇根州和俄亥俄州北部向底特律地区送电，并通过底特律地区送往加拿大的安达略省。

14时左右,俄亥俄北部属FE电网公司的Eastlake5号机组（597MW）跳闸。

15时05分，俄亥俄南北联络断面上送克里夫兰的一条345千伏线路跳闸，其输送的功率转移到相邻的345kV线路（Hanna–Juniper）上。

15时32分，俄亥俄另一条南北联络线Ohio Hanna—Juniper345千伏线路因对树放电跳闸，这是因为上一事件引起该线路长时间过热并下垂，从而接触线下树木。当时由于警报系统失灵没能及时报警并通知运行人员，15:32该线路因短路故障而跳闸，使得克利夫兰失去第二回电源线，系统电压降低。[2] 15时41分，俄亥俄又有两条南北联络线相继跳闸，克里夫兰地区出现严重低电压。

16时06分，俄亥俄南北联络断面又有一条345千伏线路跳闸。此时潮流反向从底特律地区向俄亥俄州北部送电。

16时09分，俄亥俄南北联络最后两条345千伏联络线跳闸。俄亥俄州南北联络断面全部断开，潮流发生大范围转移，通过印第安纳州经密歇根州与底特律地区向俄亥俄州北部送电。

大约30-45秒后，因电压下降，密歇根州中部电网大约180万千瓦机组相继跳闸，密歇根州中部电网电压开始崩溃。

16时10分，底特律地区电压全面快速崩溃，在8秒钟之内约30条密歇根

州和底特律间的联络线跳闸，潮流再次发生大范围转移，从俄亥俄州南部经宾西法尼亚、纽约州、安达略、底特律向克里夫兰送电。

16时10分，底特律和安达略交界地区大量机组和线路跳闸，安达略电网和底特律电网解列，底特律和俄亥俄州北部地区系统全部崩溃，系统瓦解，所有负荷损失。同时，安达略省和纽约电网开始崩溃，负荷几乎完全或大部分损失。

2、供电恢复过程：

截止到8月14日19:30，共恢复负荷1340MW，其中PJM电网800MW、魁北克水电局40MW、新英格兰500MW。

截止到8月14日23:00，共恢复负荷21300MW，其中PJM电网1400MW、魁北克水电局100MW、新英格兰1200MW、纽约13600MW、安大略5000MW。

截止到8月15日5:00，共恢复负荷41100MW，其中PJM电网4000MW、魁北克水电局100MW、新英格兰2400MW、纽约18400MW、安大略8500MW、其他地区7700MW。

截止到8月15日11:00，共恢复负荷48600MW。大部分跳闸线路和停运机组都恢复了运行，绝大部分受影响的居民恢复了正常用电。

2003年8月17日17:00，除了密歇根至安大略的线路外，所有在大停电中停运的线路都投入了运行。

需要指出的是：退出运行的核电站需要几天时间才能逐步并网运行，其它一些退出运行的火电机组在几个小时内就可以并网运行。

二、事故原因

直接原因：

14时左右的俄亥俄北部属FE电网公司的Eastlake5号机组（597MW）过载跳闸[3]。

还有一种说法是由软件错误所导致[4]。著名安全机构security Focus的调查数据表明，位于美国俄亥俄州的第一能源(First Energy)公司下属的电力监测与控制管理系统“XA／21”出现软件错误，是北美大停电的罪魁祸首。专家对这套广泛分布的系统进行了持续数周的极为细致的代码检查，以便找出导致错误的程序所在。根据第一能源公司发言人提供的数据，由于系统中重要的预警部分出现严重故障，负责预警服务的主服务器与备份服务器接连失控，使得错误没有得到及时通报和处理，最终多个重要设备出现故障导致大规模停电。

深层原因：

（1）电网结构方面

北美电网包括三个独立电网：

①东部互联电网,包括美国东部的地区和加拿大从萨斯喀彻温省向东延伸至沿海省份的地区

②西部互联电网,包括美国西部的地区不含阿拉斯加州和加拿大阿尔伯达省、不列颠哥伦比亚省以及墨西哥的一小部分

③相对较小的德克萨斯州电网。

这三个互联系统在电气上相互独立,通过少数几条输送容量较小的直流联络线相连。这次发生大面积停电事故在东部地区。被认为造成大停电的主要导火线是包括底特律、多伦多和克利夫兰地区的Erie湖大环网，沿该环网流动的潮流经常无任何预警地发生转向，造成下方城市负荷加重。此次系统潮流突然发生转向时，控制室的调度员面对这一情况束手无策。

（2）电网设备方面

美国高压主干电网至少已有四五十年的历史，一些早期建设的线路及设备比较陈旧，而更新设备又需要大量资金投入。投资电网建设的资金回报周期长、回报率低。例如在20世纪90年代，投资发电厂资金回报率常常在12%~15%，而投资输电线路只有8%左右。因此，只有当供电可靠性问题非常严重，或是供电要求迫切时，电力公司才会考虑投资修建输电线路。另外，环保方面的限制也增加了输电线路建设的难度。

（3）电网调度方面

由于没有统一调度的机制，各地区电网之间缺乏及时有效的信息交换，因此在事故发展过程中，无法做到对事故处理的统一指挥，导致了事故蔓延扩大。国际电网公司（ITC）追踪到大停电以前1h5min的数据，认为如果能够早一点得到系统发生事故的一些异常信号，就可能及时采取应急措施，制止大停电事故的发生。

（4）保护控制技术方面

美国电网结构复杂，容易造成运行潮流相互窜动，增加了电网保护、控制以及解列的难度。这次停电事件中，在事故发生初期FE与AEP公司的多条联络线跳闸（有些在紧急额定容量以下），对事故扩大起到推波助澜的作用。NERC在对事故记录的调查中发现许多“时标”不准确，原因是记录信息的计算机发生信息积压，或者是时钟没有与国家标准时间校准。

（5）电力市场化体制方面

电力市场化也存在一些负面影响，例如电力放松管制后，电网设备方面的投资相应减少。据美国有关方面的统计资料显示，在过去10年内，美国负荷需求增加了30%，但输电能力仅增加了15%，由此使高压线路的功率输送裕度减少，电网常常工作在危险区或边缘区。

此外，在现有电网条件下虽可以采用一些新技术来提高电网输送容量，以防止事故扩展到全网，但这种投资回报率低，难以吸引足够的投资。

（6）厂网协调方面

由于未建立起厂网协调的继电保护和安全稳定控制系统，使得在系统电压下降时，许多发电机组很快退出运行，加剧了电压崩溃的发生。

（7）系统计算分析和仿真试验方面

此次事故从第一回线路跳开至系统崩溃历时1个多小时，由于未及时采取措施而导致了事故扩大。如果事先对这类运行方式作好充分的系统计算分析或仿真试验，采取相应的防范措施，是可以防止事故扩大的。但由于计算分析和仿真试验方面存在不足，未能作好充分的反事故预案准备。