蔡　 洋

（国家电力调度通信中心，北京 100031）

POWER SYSTEM OPERATION CONTROL SHOULD BE IN STEP WITH ITS EXPANSION
—A BRIEF ANALYSIS OF LARGE SCOPE BLACKOUT IN INTERCONNECTED 
NORTHEAST AMERICA POWER GRID

CAI Yang

（National Power Dispatch & Communication Centre，Beijing 100031，China）

　　ABSTRACT: According to the interim report and final report of the large scope blackout occurred on Aug. 14, 2003 in Interconnected Northeast America Power Grid, the reasons of this blackout, such as unbefitting interconnection among different voltage grades, the shortage of reactive power in some power networks in the grid, failures of power system automation devices, deficient sharing of power system operation information, lacking unified command under emergency or at the beginning and extension of the faults etc., are analyzed. Hence, some suggestions on the power grids interconnection in China, which is available for reference, e.g., proper interconnection among power gird with same voltage grade, the reactive power should be balanced at local power network while the active power is supplied from other power networks, power system automation should be high-reliable, to carry out unified dispatching and hierarchical control to improve the power system security, etc., are proposed.
　　KEY WORDS: Power system；Blackout；EMS；Power dispatching


　　摘　要：根据美加停电事故中期报告和最终报告，作者分析了美加电网大停电的原因，计有电磁大环网、有的网无功缺乏、电网自动化出现故障、电网运行信息缺乏共享、在电网发生紧急情况和事故起始以及发展时没有统一指挥等十个问题。在此基础上，对于我国的电网互联提出的建议有：大区电网互联时不宜形成交流大环、电网间有功互供时无功需分网平衡、电网自动化系统须具有高可靠性、实行“统一调度、分级管理”是有利于电网安全运行的。
　　关键词：电力系统；大停电；能量管理系统；电网调度

　　我国电网已由跨省联网进入大区电网互联，将形成仅次于北美和西欧的世界第三大网。因此，分析北美电网事故，结合我国电网发展及调度管理情况，从中析取经验教训，将有利于保障大电网的安全运行。根据美国北美可靠性委员会（NERC）美加停电事故特别工作组公布的中期工作报告和最终报告[1,2]，并结合我国电网的具体情况，笔者提出以下建议供参考。
　　（1）电网必须保持电力平衡，有功可远距离互供，无功需分网平衡
　　图1中，属于事故源头的第一能源（First Energy，FE）系统因负荷高受入大量有功，系统负荷约为12.635GW，受电约2.575GW（占总负荷的21%），导致大量消耗无功，但无功不足又使系统电压降低。该系统一台597MW的发电机组，因自动增加无功出力导致机组过载而切为手动、减负荷后切回自动时，励磁系统保护动作跳闸，使系统电压进一步降低[2]。因系统电压降低，电网无功负荷增加，使输电线路无功缺额进一步增大，形成恶性循环，致使线路跳闸，并逐步发展为大停电事故。
　　在我国实行电网互联，有利于互通有无和资源优化，但无功需在受电侧电网进行平衡。特别是在西电东送情况下，更应如此。同时，还需考虑无功备用和电压支撑设施，以防止事故时的电压衰落。

　　（2）大电网不宜联成交流环网，易导致线路串连跳闸、稳定破坏和电网瓦解
　　美加互联大环网周边长1000km以上，通过138kV/230kV/345kV输电线路连接，组成有多级电压的电磁环网。 大环网内（见图1），原由美国电力公司（AEP）等电网北送第一能源（FE）和密执安电力网络（MECS）的负荷，在事故解环后，系统潮流发生逆转，原由密执安送电安大略方向的潮流变为反方向，约有3700MW转经宾夕法尼亚/新泽西/马里兰（PJM）、纽约、安大略等电网送密执安东北部和俄亥俄北部，导致系统暂态稳定破坏。由于出现振荡，网间联络线过负荷和阻抗保护动作跳闸，FE与AEP解列，纽约与PJM解列，安大略西部亦与密执安东部和俄亥俄北部解列。美国东北部和加拿大安大略电网形成大孤岛，其他解列成很多小孤岛，由于电源不能满足负荷需要，造成电网运行状态更加恶化、发展成大停电事故[2]。
　　如图1所示，该互联环网中，安大略与密执安都是受电网，不宜互供负荷，连接点输电电压为345kV和230kV、比较薄弱，如果在运行方式上将该点解环运行，或设事故解列点，有可能缩小该次大停电事故的范围，有可能避免或减轻纽约电网的大停电事故。因此，我国的省网互联和大区电网互联时，不宜采用交流大环网运行方式。
　　（3）加强对输电线路的巡视和维护
　　因FE的一台发电机跳闸而使得线路的输电负荷增加，又因三条345kV线路（未过负荷）相继发生对树放电而跳闸，致使一连串输电线路相继因过负荷而跳闸[2]。由于输电线路覆盖整个电网，受自然条件影响大，故输电线路的维护难度比发电厂的维护难度高，而线路跳闸的后果往往要比电厂停机更严重。国内外很多大停电事故都是由输电线路跳闸引起的，因此必须对输电线路的维护和巡视加以重视，并落实有关保障电网安全运行的措施。
　　（4）电网调度自动化系统需具有高度可靠性
　　在北美东北电网线路开始跳闸过程中，FE系统控制中心曾失去信息一个多小时[2]，致使电网调度员不知系统正在恶化和大事故即将来临。14:14左右警报功能失效，部分远动装置因死机而不更新信息，14:54主机停运切换备用时发生全停[2]。由于失去区域控制误差（Area Control Error，ACE）数据，自动发电控制（Automatic Generation Control，AGC）功能失效，电网间联络线负荷失控。在此情况下，FE系统调度员没有感觉到EMS系统已出现故障，仍以调度台显示器上的不正确数据进行监视。因未出现告警，调度员也未发现有关自动化功能失效，因此也未采取其他调度工具、以及通过相邻电网控制中心的信息来了解电网情况[2]。
　　电网调度自动化系统是保障电网安全运行的重要工具，必须具有高度的可靠性。FE系统的EMS在1995年投入运行，以前曾发生过类似故障，已经准备更新[1]。因此，调度自动化系统必须采用可靠实用的装备，还要有一个可行的备用方式和配置不停电电源。
　　（5）电网调度控制中心需共享相关信息
　　FE和AEP分别属中西部独立系统调度（Midwest Independent System Operator，MISO）和PJM进行可靠性协调。AEP的一条345kV送向FE的干线在14:02跳闸，虽不在MISO协调的系统范围内，由于该线路的跳闸影响FE系统的可靠性要求，故属于MISO的安全分析范围，但没有实时信息，需分析员手动输入，但因此时分析员正在进餐，故在15:29才发现、确认和修正了跳闸信息，直到16:02才作出有效的安全分析，此时距连续事故发生只剩2分钟[1]。
　　另外，FE应由MISO进行可靠性协调，但MISO只有FE口子的信息，没有345kV线路跳闸的信息，等到发现口子负荷有问题时，已丧失处理空间[1]。
　　大电网实现分层控制，上一级调度要掌握下一级电网的联络线口子，但不等于不需要其他的信息。为了互联电网的安全运行，需有各个网的有功、电压、重要线路、以及大电厂的有关信息，以便进行互联电网的安全分析，及时发现问题和采取相应的措施。各电网间的相关信息不应互相封锁、而应彼此交换。这样才能有利于电网安全经济运行和共同的利益。
　　（6）电网需有足够的快速的事故减负荷措施
　　在北美事故发展过程中，由于缺电以及频率和电压的摆动，使很多线路和发电机跳闸，电网分成几个孤岛[2]。此类独立的小电网中，电源与负荷的更加不平衡必然造成线路和发电机的再跳闸，以求达到新的平衡[2]。所以，电网需有足够的快速的事故减负荷措施，避免发电厂因低频、低压纷纷解列，导致电网瓦解。
　　北美东北电网停电事故导致的电网瓦解过程中，最少有263个电厂和531台发电机在事故中停运。原因如下^[2]：
　　1）因电压过低发生励磁系统故障；
　　2）电厂的热力/机械系统受干扰使电厂控制系统动作；
　　3）由于系统解列或瓦解而跳闸。 
　　大电网瓦解时，经常伴随着电网频率、电压的大幅度急剧下降，在自动减负荷的同时，发电厂解列，造成大面积停电。因此，大电网需有快速足够的低频、低压、振荡减负荷措施，并需与电网和电厂的解列整定相配合，避免电厂快一步解列。
　　（7）大电网互联的格局需考虑系统事故的相互影响，防止事故扩大
　　北美电网由各个配电网互联为140多个控制区，进而互联成容量为950GW的大电网[1]。过去，每个控制区都独立实现电力平衡，各电网就近与邻网互联，以提高运行可靠性和减少停电概率。但是，目前的电网运行情况有很大变化，各电网间交换电力增多，如FE系统受入电力很大，而且联络点多，并且是高低电压的电磁环网，这种联网格局下，一旦发生事故就很容易扩大到其他电网。
　　当电网容量较小、机组容量较大时，电网互联有利于提高系统的安全可靠性。但大电网互联的目标是输送和交换电力电量、互通有无；而可靠性有时不仅没有提高，反而会出现一些新的系统稳定问题。因此，大区电网间（包括大区电网内的省网互联）需采用超高压（例如500kV或更高）或高压直流进行互联，不宜将多种电压线路就近连接成环，特别是将几个大电网互联成交流大环运行。
　　此外，PJM的500kV系统和AEP的765 kV系统抵御了电压、电流摆动，防止了事故的扩散^[2]。
　　加拿大魁北克电网采用了高压直流和750kV交流线路与北美东北电网互联，不仅在该次停电事故中受到的影响很小，并且为北美电网恢复供电提供了电源[1]。由此可见，电网电压和联网格局是一个非常重要的课题。
　　（8）电力系统运行人员需加强培训、学习新技术、作好事故预想和进行反事故演习
　　从北美东北电网停电事故中可以看到，因电厂运行和电网调度人员没有完全掌握自动化系统，以致出现处理不当和盲目运行，从而造成事故不断扩大^[2]。
　　随着电网的发展，可靠性在提高，系统事故在减少，但电力系统在不断变化，高新技术的发展日新月异，电网调度员（发电厂运行人员）的水平亟须继续提高，故应特别注重提高事故处理能力。电网调度工作人员应时时居安思危，利用先进的技术支持手段，开展事故预想、进行安全分析外，还需进行加强型（重大事故）的安全分析。各电网进行的反事故演习是一种有效措施，需要经常化和制度化。通过反事故演习不仅能提高调度人员事故处理能力，还可从中发现电网存在的薄弱环节和在安全措施方面存在的问题。
　　（9）电网需充分发挥水电厂的事故备用和黑启动电源的作用
　　在这次北美电网瓦解事故中，安大略和纽约电力局各有两个水电厂、以及连接魁北克与纽约电网的765kV联络线仍继续供电，保持了纽约西部大部分地区约5.7GW负荷，形成一个相对大的孤岛，并成为电网恢复供电的基础。因为，水电具有优于其他类型电厂的特殊性能，其抗事故能力强，能在较大频率、电压变动中运行。因此，对水电厂的运行要科学合理，不能随意超用、降低水位，以保证发挥水电厂作为在电网运行中的安全电源的作用。
　　（10）电网调度管理须与电网发展俱进
　　北美电网约有140个控制区，设有调度中心监控系统。在一个控制区内，由独立的系统调度（Independent System Operator，ISO）或区域输电机构（ Regional Transmission Organization，RTO）进行发电和负荷的实时平衡，控制区电网间通过联络线互联。传统上，控制区按公用事业管辖范围划定，拥有集发电、输电和配电于一体的产权，并实行电网运行的直接控制，现有些地区仍依旧如此。但由于工业重组，发电、输电、配电的产权分开，有些地区改变了传统管理方式，其运行任务由多个ISO（ISOs）和多个RTO（RTOs）执行^[2]。但是在这次系统事故中所涉及的ISOs和RTOs，相互之间缺乏协调配合，又无统一的指挥机构，各级调度面对事故的发展无能为力，最终造成电网瓦解。
　　我国电网由小到大，由配电网、地区网、全省联网、跨省联网直至发展到大区联网。随着电网的发展，电网调度体制及其管理工作也在发展，因此，实行“统一调度、分级管理”，建立五级调度，对电网进行分层控制，是有利于保证电网事故的统一指挥和电网的安全运行的。
　　（11）结语
　　中国电力工业的从业人员应吸取北美东北电网停电事故的教训，必须坚持以统一调度、分级管理的原则来科学地管理电网，同时应加强电网建设，加快技术进步，提高电网的装备水平和科技含量；此外还应注重人才培养和实现互联电网的信息共享，以确保电网的安全、经济、优质运行。

参考文献

[1] U.S.-Canada power system outage task force. interim report：causes of the August 14 th. blackout in the United States and Canada（2003年8月14日美加停电事故特别工作组中期工作报告）[DB/OL]．http://www. nerc.com/，November 19，2003．
[2] U.S.-Canada power system outage task force final report on the August 14，2003 blackout in the United States and Canada：causes and recommendations（美加停电事故特别工作组2003年8月14日美加大停电最终报告）[DB/OL]．http://www.nerc.com/，April 5，2004．