主题：【原创】电力系统漫谈（五）大停电（1）一棵树引发的事故 -- 乃力

乃力: 电力系统漫谈（五）大停电（3）1999台湾

2003年这次北美东北部大停电，由于时间近的缘故，非常容易从网找到各种各样的研究报告。而且，wiki上竟然也有关于这次停电的条目，还非常详细。有兴趣看细节的朋友可以过去看。外链出处

这次停电，性质上和 1996年7月2日的北美西部大停电非常相近，起因也差不多。美国体育评论员和教练在输球后常说的一句话是：Same recipe of disaster。用在这里非常形象，一时没想好怎么翻译成中文。容我慢慢想来。

对于这次停电网上和各类媒体说了这么多，而且很多在那一带生活的朋友都有切身体会，我好象也没什么太多好补充的。先简单介绍一下停电的过程，然后说一些大道或小道的消息，对不在电力系统工作的朋友来说，也许还算新鲜。

涉及整个东北部的大停电发生在8月14日下午4点13分，大概有一千万用户供电中断。但在此之前，从4点06分开始，俄亥俄州的克利夫兰-阿克隆地区已经开始有部分用户供电中断。按时间顺序，事件的源头则要追溯到当天下午1点31分，Lake Erie岸边的一个电厂因故障退出运行。整个事件的中心舞台，是在这个电厂附近的克利夫兰-阿克隆负荷中心。舞台的背景则是当日略显炎热的天气（大概31摄氏度左右）。

熟悉1996年7月2日的北美西部大停电的朋友可能会记得，在那次事故开始之前，也是在爱达华州Boise负荷中心附近的一个电厂没有投入运行。一个电厂停运本身，对这么大的系统来说，并没有引起任何问题。但事后证明，在事故发生后，电厂停运使当地电网失去了一个重要的无功功率支持。

回到2003年8月14日的东部。从下午3点05分开始到3点45分，连续有3条345千伏线路因为下垂过大，碰到夏天里疯长的树，造成对地短路，被保护装置切除。这3条高压线路退出运行导致电流涌向并联运行的低压线路，造成阿克隆附近16条138千伏线路严重过载，纷纷被各自的保护装置切断，克利夫兰-阿克隆地区部分停电。

图1 最初的情形

至此，整个系统还是足够的坚强，竟是岿然不动。当地电力公司（First Energy, FE）的调度员也未采取任何措施。大家就这样一直挺到下午4点05分，另外一条345千伏线路因为负荷增加，终于挺不住，被自动保护装置切断。由此触发了长达8分钟之久的雪崩式系统解裂（相比之下，1996年7月西部停电，从初始事件到大停电只有一分钟左右的时间）。大停电发生后，整个东北部共有531个发电机被迫停运。

图2 关键的故障

下面的三幅图显示了停电范围的蔓延过程。实际上，在最右边的图里，并不是所有地区都停电。系统解裂之后，还是有一些局部地区的系统能够维持独立运行。另外，以宾夕法尼亚、马里兰和新泽西三州电网为主的PJM系统因为及时主动地和俄亥俄系统断开连接，最终幸免于难。

图3 停电蔓延

这次停电之后，照例进行了深入的调查。但与西部的两次停电不同的是，这次停电的现场数据记录并不是很完善。1996年的两次西部停电，每次都有详细的故障波形记录，为研究人员提供了绝好的参照。通过不断地调整系统模型参数，最终人们能准确地仿真出故障的全过程。但2003年这次，许多数据没有记录下来，故障过程至今也无法完全通过仿真计算进行重演。但是，根据以往的经验，大体上还是可以断定这是一次由于局部无功不足引起系统电压崩溃导致的大停电。

另外一个与1996年7月西部停电不同的是，这次停电扩散的过程很慢，将近10分钟，如果从最初的一条345千伏线路断开算起，更是有超过一个小时的时间。对训练有素的电力系统调度员来说，应该有足够的时间调整系统运行状态，使大停电得以避免。但各个电力公司明显准备不足，特别是在事件中心的First Energy电力公司，几乎是眼看着系统垮掉了。这一个小时里，First Energy的调度中心到底发生了什么？

调查结果让我们知道了什么叫祸不单行。首先，那些倒霉的巡线工人没有及时修整线路下面的树，这就不用多说了。后来的调查发现，在事故当天，First Energy的电网监控系统（SCADA/EMS）系统的报警程序死机了，而且是在主备服务器上同时死机。SCADA/EMS系统是个非常大的系统，包括数据采集、显示、分析计算和控制。现在的调度员完全依赖SCADA/EMS来运行电力系统，没有它，调度员就成了盲人。所以，实际上，一系列事故刚发生的时候，First Energy的调度员并不知道。不仅如此，SCADA/EMS系统中最核心的电力系统状态估计软件也没有能给出正确的结果，确切地据说，是程序的迭代计算没有收敛。

这样一来，秋后算帐，First Energy电力公司怎么也跑不掉，现在有牵扯进来SCADA/EMS系统的提供商。是哪家公司呢？原来是大名鼎鼎的GE。惩罚是逃不过了。First Energy电力公司因为调度不力，违反了若干安全规定，被罚款不说，名声坏了。GE也几乎一夜之间失去了在美国中西部系统的好几个客户。但GE也不是那么束手就擒，还是拉了几个FE的倒霉蛋电力工程师垫背。GE争辩说，当时的情况下，软件是有问题，但调度人员的操作也有问题。最后争来争去，导致几个工程师丢了工作。有倒霉的，就有获利的。AREVA公司就是这个获利者，他们填补了GE留下的空白，一举获得了几个SCADA/EMS系统的项目，包括First Energy的项目。据说当时AREVA公司的工程师天天加班，甚至每个周末都加班，任务多得干不过来。

实际上，当时First Energy的调度室里，SCADA/EMS系统并不是完全死掉，只是不象以前那么灵敏了。事后调查显示，当克利夫兰-阿克隆发生局部停电的时候，调度员是知道的。但在4点05分最后一个345千伏线路断开之前，系统确实还运行得不错，除了少量的停电。此时，调度员和运行方式工程师应该做些什么呢？

电力系统运行规程规定，在系统发生故障后，调度员应该立刻调整系统运行状态使其能经受住下一个最严重的故障。

他们在那种情况下应该采取的行动大体上有三个，一个是主动甩负荷；一个是调整发电机输出，改变电流分布，避免线路过载；另外一个是立即通知相邻系统提供支持或主动隔离以避免故障扩散。可惜当时他们什么都没做。

后来听说的一个小故事，另外一个电力公司的调度员A和First Energy当时值班的一个调度员B聊天。A问B，你们为什么不甩负荷？B回答说：头可断，用户负荷不能断！

这最后一句是我翻译的，但不是直译。如果直翻的话，大概意思是：我知道甩负荷系统就不会崩溃，不过，一旦我下命令甩负荷了，也许系统保住了，但是我的工作可能就丢了，你说我该怎么办？

注：本文图片摘自PSERC网站 www.pserc.org

乃力:（五）大停电（5）如何避免大停电，兼电力系统展望

• 【原创】电力系统漫谈（五）大停电（1）一棵树引发的事故
• 【原创】（五）大停电（5）如何避免大停电，兼电力系统展望