蔡 洋
（國家電力調(diào)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：根據(jù)美加停電事故中期報告和最終報告，作者分析了美加電網(wǎng)大停電的原因，計有電磁大環(huán)網(wǎng)、有的網(wǎng)無功缺乏、電網(wǎng)自動化出現(xiàn)故障、電網(wǎng)運行信息缺乏共享、在電網(wǎng)發(fā)生緊急情況和事故起始以及發(fā)展時沒有統(tǒng)一指揮等十個問題。在此基礎上，對于我國的電網(wǎng)互聯(lián)提出的建議有：大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)時不宜形成交流大環(huán)、電網(wǎng)間有功互供時無功需分網(wǎng)平衡、電網(wǎng)自動化系統(tǒng)須具有高可靠性、實行“統(tǒng)一調(diào)度、分級管理”是有利于電網(wǎng)安全運行的。
關鍵詞：電力系統(tǒng)；大停電；能量管理系統(tǒng)；電網(wǎng)調(diào)度
我國電網(wǎng)已由跨省聯(lián)網(wǎng)進入大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)，將形成僅次于北美和西歐的世界第三大網(wǎng)。因此，分析北美電網(wǎng)事故，結(jié)合我國電網(wǎng)發(fā)展及調(diào)度管理情況，從中析取經(jīng)驗教訓，將有利于保障大電網(wǎng)的安全運行。根據(jù)美國北美可靠性委員會（NERC）美加停電事故特別工作組公布的中期工作報告和最終報告[1,2]，并結(jié)合我國電網(wǎng)的具體情況，筆者提出以下建議供參考。
（1）電網(wǎng)必須保持電力平衡，有功可遠距離互供，無功需分網(wǎng)平衡
圖1中，屬于事故源頭的第一能源（First Energy，F(xiàn)E）系統(tǒng)因負荷高受入大量有功，系統(tǒng)負荷約為12.635GW，受電約2.575GW（占總負荷的21%），導致大量消耗無功，但無功不足又使系統(tǒng)電壓降低。該系統(tǒng)一臺597MW的發(fā)電機組，因自動增加無功出力導致機組過載而切為手動、減負荷后切回自動時，勵磁系統(tǒng)保護動作跳閘，使系統(tǒng)電壓進一步降低[2]。因系統(tǒng)電壓降低，電網(wǎng)無功負荷增加，使輸電線路無功缺額進一步增大，形成惡性循環(huán)，致使線路跳閘，并逐步發(fā)展為大停電事故。
在我國實行電網(wǎng)互聯(lián)，有利于互通有無和資源優(yōu)化，但無功需在受電側(cè)電網(wǎng)進行平衡。特別是在西電東送情況下，更應如此。同時，還需考慮無功備用和電壓支撐設施，以防止事故時的電壓衰落。
（2）大電網(wǎng)不宜聯(lián)成交流環(huán)網(wǎng)，易導致線路串連跳閘、穩(wěn)定破壞和電網(wǎng)瓦解
美加互聯(lián)大環(huán)網(wǎng)周邊長1000km以上，通過138kV/230kV/345kV輸電線路連接，組成有多級電壓的電磁環(huán)網(wǎng)。 大環(huán)網(wǎng)內(nèi)（見圖1），原由美國電力公司（AEP）等電網(wǎng)北送第一能源（FE）和密執(zhí)安電力網(wǎng)絡（MECS）的負荷，在事故解環(huán)后，系統(tǒng)潮流發(fā)生逆轉(zhuǎn)，原由密執(zhí)安送電安大略方向的潮流變?yōu)榉捶较颍s有3700MW轉(zhuǎn)經(jīng)賓夕法尼亞/新澤西/馬里蘭（PJM）、紐約、安大略等電網(wǎng)送密執(zhí)安東北部和俄亥俄北部，導致系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定破壞。由于出現(xiàn)振蕩，網(wǎng)間聯(lián)絡線過負荷和阻抗保護動作跳閘，F(xiàn)E與AEP解列，紐約與PJM解列，安大略西部亦與密執(zhí)安東部和俄亥俄北部解列。美國東北部和加拿大安大略電網(wǎng)形成大孤島，其他解列成很多小孤島，由于電源不能滿足負荷需要，造成電網(wǎng)運行狀態(tài)更加惡化、發(fā)展成大停電事故[2]。
如圖1所示，該互聯(lián)環(huán)網(wǎng)中，安大略與密執(zhí)安都是受電網(wǎng)，不宜互供負荷，連接點輸電電壓為345kV和230kV、比較薄弱，如果在運行方式上將該點解環(huán)運行，或設事故解列點，有可能縮小該次大停電事故的范圍，有可能避免或減輕紐約電網(wǎng)的大停電事故。因此，我國的省網(wǎng)互聯(lián)和大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)時，不宜采用交流大環(huán)網(wǎng)運行方式。
（3）加強對輸電線路的巡視和維護
因FE的一臺發(fā)電機跳閘而使得線路的輸電負荷增加，又因三條345kV線路（未過負荷）相繼發(fā)生對樹放電而跳閘，致使一連串輸電線路相繼因過負荷而跳閘[2]。由于輸電線路覆蓋整個電網(wǎng)，受自然條件影響大，故輸電線路的維護難度比發(fā)電廠的維護難度高，而線路跳閘的后果往往要比電廠停機更嚴重。國內(nèi)外很多大停電事故都是由輸電線路跳閘引起的，因此必須對輸電線路的維護和巡視加以重視，并落實有關保障電網(wǎng)安全運行的措施。
（4）電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)需具有高度可靠性
在北美東北電網(wǎng)線路開始跳閘過程中，F(xiàn)E系統(tǒng)控制中心曾失去信息一個多小時[2]，致使電網(wǎng)調(diào)度員不知系統(tǒng)正在惡化和大事故即將來臨。14:14左右警報功能失效，部分遠動裝置因死機而不更新信息，14:54主機停運切換備用時發(fā)生全停[2]。由于失去區(qū)域控制誤差（Area Control Error，ACE）數(shù)據(jù)，自動發(fā)電控制（Automatic Generation Control，AGC）功能失效，電網(wǎng)間聯(lián)絡線負荷失控。在此情況下，F(xiàn)E系統(tǒng)調(diào)度員沒有感覺到EMS系統(tǒng)已出現(xiàn)故障，仍以調(diào)度臺顯示器上的不正確數(shù)據(jù)進行監(jiān)視。因未出現(xiàn)告警，調(diào)度員也未發(fā)現(xiàn)有關自動化功能失效，因此也未采取其他調(diào)度工具、以及通過相鄰電網(wǎng)控制中心的信息來了解電網(wǎng)情況[2]。
電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)是保障電網(wǎng)安全運行的重要工具，必須具有高度的可靠性。FE系統(tǒng)的EMS在1995年投入運行，以前曾發(fā)生過類似故障，已經(jīng)準備更新[1]。因此，調(diào)度自動化系統(tǒng)必須采用可靠實用的裝備，還要有一個可行的備用方式和配置不停電電源。
（5）電網(wǎng)調(diào)度控制中心需共享相關信息
FE和AEP分別屬中西部獨立系統(tǒng)調(diào)度（Midwest Independent System Operator，MISO）和PJM進行可靠性協(xié)調(diào)。AEP的一條345kV送向FE的干線在14:02跳閘，雖不在MISO協(xié)調(diào)的系統(tǒng)范圍內(nèi)，由于該線路的跳閘影響FE系統(tǒng)的可靠性要求，故屬于MISO的安全分析范圍，但沒有實時信息，需分析員手動輸入，但因此時分析員正在進餐，故在15:29才發(fā)現(xiàn)、確認和修正了跳閘信息，直到16:02才作出有效的安全分析，此時距連續(xù)事故發(fā)生只剩2分鐘[1]。
另外，F(xiàn)E應由MISO進行可靠性協(xié)調(diào)，但MISO只有FE口子的信息，沒有345kV線路跳閘的信息，等到發(fā)現(xiàn)口子負荷有問題時，已喪失處理空間[1]。
大電網(wǎng)實現(xiàn)分層控制，上一級調(diào)度要掌握下一級電網(wǎng)的聯(lián)絡線口子，但不等于不需要其他的信息。為了互聯(lián)電網(wǎng)的安全運行，需有各個網(wǎng)的有功、電壓、重要線路、以及大電廠的有關信息，以便進行互聯(lián)電網(wǎng)的安全分析，及時發(fā)現(xiàn)問題和采取相應的措施。各電網(wǎng)間的相關信息不應互相封鎖、而應彼此交換。這樣才能有利于電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行和共同的利益。
（6）電網(wǎng)需有足夠的快速的事故減負荷措施
在北美事故發(fā)展過程中，由于缺電以及頻率和電壓的擺動，使很多線路和發(fā)電機跳閘，電網(wǎng)分成幾個孤島[2]。此類獨立的小電網(wǎng)中，電源與負荷的更加不平衡必然造成線路和發(fā)電機的再跳閘，以求達到新的平衡[2]。所以，電網(wǎng)需有足夠的快速的事故減負荷措施，避免發(fā)電廠因低頻、低壓紛紛解列，導致電網(wǎng)瓦解。
北美東北電網(wǎng)停電事故導致的電網(wǎng)瓦解過程中，最少有263個電廠和531臺發(fā)電機在事故中停運。原因如下[2]：
1）因電壓過低發(fā)生勵磁系統(tǒng)故障；
2）電廠的熱力/機械系統(tǒng)受干擾使電廠控制系統(tǒng)動作；
3）由于系統(tǒng)解列或瓦解而跳閘。
大電網(wǎng)瓦解時，經(jīng)常伴隨著電網(wǎng)頻率、電壓的大幅度急劇下降，在自動減負荷的同時，發(fā)電廠解列，造成大面積停電。因此，大電網(wǎng)需有快速足夠的低頻、低壓、振蕩減負荷措施，并需與電網(wǎng)和電廠的解列整定相配合，避免電廠快一步解列。
（7）大電網(wǎng)互聯(lián)的格局需考慮系統(tǒng)事故的相互影響，防止事故擴大
北美電網(wǎng)由各個配電網(wǎng)互聯(lián)為140多個控制區(qū)，進而互聯(lián)成容量為950GW的大電網(wǎng)[1]。過去，每個控制區(qū)都獨立實現(xiàn)電力平衡，各電網(wǎng)就近與鄰網(wǎng)互聯(lián)，以提高運行可靠性和減少停電概率。但是，目前的電網(wǎng)運行情況有很大變化，各電網(wǎng)間交換電力增多，如FE系統(tǒng)受入電力很大，而且聯(lián)絡點多，并且是高低電壓的電磁環(huán)網(wǎng)，這種聯(lián)網(wǎng)格局下，一旦發(fā)生事故就很容易擴大到其他電網(wǎng)。
當電網(wǎng)容量較小、機組容量較大時，電網(wǎng)互聯(lián)有利于提高系統(tǒng)的安全可靠性。但大電網(wǎng)互聯(lián)的目標是輸送和交換電力電量、互通有無；而可靠性有時不僅沒有提高，反而會出現(xiàn)一些新的系統(tǒng)穩(wěn)定問題。因此，大區(qū)電網(wǎng)間（包括大區(qū)電網(wǎng)內(nèi)的省網(wǎng)互聯(lián)）需采用超高壓（例如500kV或更高）或高壓直流進行互聯(lián)，不宜將多種電壓線路就近連接成環(huán)，特別是將幾個大電網(wǎng)互聯(lián)成交流大環(huán)運行。
此外，PJM的500kV系統(tǒng)和AEP的765 kV系統(tǒng)抵御了電壓、電流擺動，防止了事故的擴散[2]。
加拿大魁北克電網(wǎng)采用了高壓直流和750kV交流線路與北美東北電網(wǎng)互聯(lián)，不僅在該次停電事故中受到的影響很小，并且為北美電網(wǎng)恢復供電提供了電源[1]。由此可見，電網(wǎng)電壓和聯(lián)網(wǎng)格局是一個非常重要的課題。
（8）電力系統(tǒng)運行人員需加強培訓、學習新技術(shù)、作好事故預想和進行反事故演習
從北美東北電網(wǎng)停電事故中可以看到，因電廠運行和電網(wǎng)調(diào)度人員沒有完全掌握自動化系統(tǒng)，以致出現(xiàn)處理不當和盲目運行，從而造成事故不斷擴大[2]。
隨著電網(wǎng)的發(fā)展，可靠性在提高，系統(tǒng)事故在減少，但電力系統(tǒng)在不斷變化，高新技術(shù)的發(fā)展日新月異，電網(wǎng)調(diào)度員（發(fā)電廠運行人員）的水平亟須繼續(xù)提高，故應特別注重提高事故處理能力。電網(wǎng)調(diào)度工作人員應時時居安思危，利用先進的技術(shù)支持手段，開展事故預想、進行安全分析外，還需進行加強型（重大事故）的安全分析。各電網(wǎng)進行的反事故演習是一種有效措施，需要經(jīng)常化和制度化。通過反事故演習不僅能提高調(diào)度人員事故處理能力，還可從中發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)存在的薄弱環(huán)節(jié)和在安全措施方面存在的問題。
（9）電網(wǎng)需充分發(fā)揮水電廠的事故備用和黑啟動電源的作用
在這次北美電網(wǎng)瓦解事故中，安大略和紐約電力局各有兩個水電廠、以及連接魁北克與紐約電網(wǎng)的765kV聯(lián)絡線仍繼續(xù)供電，保持了紐約西部大部分地區(qū)約5.7GW負荷，形成一個相對大的孤島，并成為電網(wǎng)恢復供電的基礎。因為，水電具有優(yōu)于其他類型電廠的特殊性能，其抗事故能力強，能在較大頻率、電壓變動中運行。因此，對水電廠的運行要科學合理，不能隨意超用、降低水位，以保證發(fā)揮水電廠作為在電網(wǎng)運行中的安全電源的作用。
（10）電網(wǎng)調(diào)度管理須與電網(wǎng)發(fā)展俱進
北美電網(wǎng)約有140個控制區(qū)，設有調(diào)度中心監(jiān)控系統(tǒng)。在一個控制區(qū)內(nèi)，由獨立的系統(tǒng)調(diào)度（Independent System Operator，ISO）或區(qū)域輸電機構(gòu)（ Regional Transmission Organization，RTO）進行發(fā)電和負荷的實時平衡，控制區(qū)電網(wǎng)間通過聯(lián)絡線互聯(lián)。傳統(tǒng)上，控制區(qū)按公用事業(yè)管轄范圍劃定，擁有集發(fā)電、輸電和配電于一體的產(chǎn)權(quán)，并實行電網(wǎng)運行的直接控制，現(xiàn)有些地區(qū)仍依舊如此。但由于工業(yè)重組，發(fā)電、輸電、配電的產(chǎn)權(quán)分開，有些地區(qū)改變了傳統(tǒng)管理方式，其運行任務由多個ISO（ISOs）和多個RTO（RTOs）執(zhí)行[2]。但是在這次系統(tǒng)事故中所涉及的ISOs和RTOs，相互之間缺乏協(xié)調(diào)配合，又無統(tǒng)一的指揮機構(gòu)，各級調(diào)度面對事故的發(fā)展無能為力，最終造成電網(wǎng)瓦解。
我國電網(wǎng)由小到大，由配電網(wǎng)、地區(qū)網(wǎng)、全省聯(lián)網(wǎng)、跨省聯(lián)網(wǎng)直至發(fā)展到大區(qū)聯(lián)網(wǎng)。隨著電網(wǎng)的發(fā)展，電網(wǎng)調(diào)度體制及其管理工作也在發(fā)展，因此，實行“統(tǒng)一調(diào)度、分級管理”，建立五級調(diào)度，對電網(wǎng)進行分層控制，是有利于保證電網(wǎng)事故的統(tǒng)一指揮和電網(wǎng)的安全運行的。
（11）結(jié)語
中國電力工業(yè)的從業(yè)人員應吸取北美東北電網(wǎng)停電事故的教訓，必須堅持以統(tǒng)一調(diào)度、分級管理的原則來科學地管理電網(wǎng)，同時應加強電網(wǎng)建設，加快技術(shù)進步，提高電網(wǎng)的裝備水平和科技含量；此外還應注重人才培養(yǎng)和實現(xiàn)互聯(lián)電網(wǎng)的信息共享，以確保電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟、優(yōu)質(zhì)運行。
參考文獻
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