蔡 洋
（國家電力調度通信中心，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：根據美加停電事故中期報告和最終報告，作者分析了美加電網大停電的原因，計有電磁大環網、有的網無功缺乏、電網自動化出現故障、電網運行信息缺乏共享、在電網發生緊急情況和事故起始以及發展時沒有統一指揮等十個問題。在此基礎上，對于我國的電網互聯提出的建議有：大區電網互聯時不宜形成交流大環、電網間有功互供時無功需分網平衡、電網自動化系統須具有高可靠性、實行“統一調度、分級管理”是有利于電網安全運行的。
關鍵詞：電力系統；大停電；能量管理系統；電網調度
我國電網已由跨省聯網進入大區電網互聯，將形成僅次于北美和西歐的世界第三大網。因此，分析北美電網事故，結合我國電網發展及調度管理情況，從中析取經驗教訓，將有利于保障大電網的安全運行。根據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]，并結合我國電網的具體情況，筆者提出以下建議供參考。
（1）電網必須保持電力平衡，有功可遠距離互供，無功需分網平衡
圖1中，屬于事故源頭的第一能源（First Energy，FE）系統因負荷高受入大量有功，系統負荷約為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電壓降低。該系統一臺597MW的發電機組，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，勵磁系統保護動作跳閘，使系統電壓進一步降低[2]。因系統電壓降低，電網無功負荷增加，使輸電線路無功缺額進一步增大，形成惡性循環，致使線路跳閘，并逐步發展為大停電事故。
在我國實行電網互聯，有利于互通有無和資源優化，但無功需在受電側電網進行平衡。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）大電網不宜聯成交流環網，易導致線路串連跳閘、穩定破壞和電網瓦解
美加互聯大環網周邊長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網。 大環網內（見圖1），原由美國電力公司（AEP）等電網北送第一能源（FE）和密執安電力網絡（MECS）的負荷，在事故解環后，系統潮流發生逆轉，原由密執安送電安大略方向的潮流變為反方向，約有3700MW轉經賓夕法尼亞/新澤西/馬里蘭（PJM）、紐約、安大略等電網送密執安東北部和俄亥俄北部，導致系統暫態穩定破壞。由于出現振蕩，網間聯絡線過負荷和阻抗保護動作跳閘，FE與AEP解列，紐約與PJM解列，安大略西部亦與密執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，造成電網運行狀態更加惡化、發展成大停電事故[2]。
如圖1所示，該互聯環網中，安大略與密執安都是受電網，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的大停電事故。因此，我國的省網互聯和大區電網互聯時，不宜采用交流大環網運行方式。
（3）加強對輸電線路的巡視和維護
因FE的一臺發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，受自然條件影響大，故輸電線路的維護難度比發電廠的維護難度高，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安全運行的措施。
（4）電網調度自動化系統需具有高度可靠性
在北美東北電網線路開始跳閘過程中，FE系統控制中心曾失去信息一個多小時[2]，致使電網調度員不知系統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生全停[2]。由于失去區域控制誤差（Area Control Error，ACE）數據，自動發電控制（Automatic Generation Control，AGC）功能失效，電網間聯絡線負荷失控。在此情況下，FE系統調度員沒有感覺到EMS系統已出現故障，仍以調度臺顯示器上的不正確數據進行監視。因未出現告警，調度員也未發現有關自動化功能失效，因此也未采取其他調度工具、以及通過相鄰電網控制中心的信息來了解電網情況[2]。
電網調度自動化系統是保障電網安全運行的重要工具，必須具有高度的可靠性。FE系統的EMS在1995年投入運行，以前曾發生過類似故障，已經準備更新[1]。因此，調度自動化系統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）電網調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調度（Midwest Independent System Operator，MISO）和PJM進行可靠性協調。AEP的一條345kV送向FE的干線在14:02跳閘，雖不在MISO協調的系統范圍內，由于該線路的跳閘影響FE系統的可靠性要求，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才發現、確認和修正了跳閘信息，直到16:02才作出有效的安全分析，此時距連續事故發生只剩2分鐘[1]。
另外，FE應由MISO進行可靠性協調，但MISO只有FE口子的信息，沒有345kV線路跳閘的信息，等到發現口子負荷有問題時，已喪失處理空間[1]。
大電網實現分層控制，上一級調度要掌握下一級電網的聯絡線口子，但不等于不需要其他的信息。為了互聯電網的安全運行，需有各個網的有功、電壓、重要線路、以及大電廠的有關信息，以便進行互聯電網的安全分析，及時發現問題和采取相應的措施。各電網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安全經濟運行和共同的利益。
（6）電網需有足夠的快速的事故減負荷措施
在北美事故發展過程中，由于缺電以及頻率和電壓的擺動，使很多線路和發電機跳閘，電網分成幾個孤島[2]。此類獨立的小電網中，電源與負荷的更加不平衡必然造成線路和發電機的再跳閘，以求達到新的平衡[2]。所以，電網需有足夠的快速的事故減負荷措施，避免發電廠因低頻、低壓紛紛解列，導致電網瓦解。
北美東北電網停電事故導致的電網瓦解過程中，最少有263個電廠和531臺發電機在事故中停運。原因如下[2]：
1）因電壓過低發生勵磁系統故障；
2）電廠的熱力/機械系統受干擾使電廠控制系統動作；
3）由于系統解列或瓦解而跳閘。
大電網瓦解時，經常伴隨著電網頻率、電壓的大幅度急劇下降，在自動減負荷的同時，發電廠解列，造成大面積停電。因此，大電網需有快速足夠的低頻、低壓、振蕩減負荷措施，并需與電網和電廠的解列整定相配合，避免電廠快一步解列。
（7）大電網互聯的格局需考慮系統事故的相互影響，防止事故擴大
北美電網由各個配電網互聯為140多個控制區，進而互聯成容量為950GW的大電網[1]。過去，每個控制區都獨立實現電力平衡，各電網就近與鄰網互聯，以提高運行可靠性和減少停電概率。但是，目前的電網運行情況有很大變化，各電網間交換電力增多，如FE系統受入電力很大，而且聯絡點多，并且是高低電壓的電磁環網，這種聯網格局下，一旦發生事故就很容易擴大到其他電網。
當電網容量較小、機組容量較大時，電網互聯有利于提高系統的安全可靠性。但大電網互聯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，反而會出現一些新的系統穩定問題。因此，大區電網間（包括大區電網內的省網互聯）需采用超高壓（例如500kV或更高）或高壓直流進行互聯，不宜將多種電壓線路就近連接成環，特別是將幾個大電網互聯成交流大環運行。
此外，PJM的500kV系統和AEP的765 kV系統抵御了電壓、電流擺動，防止了事故的擴散[2]。
加拿大魁北克電網采用了高壓直流和750kV交流線路與北美東北電網互聯，不僅在該次停電事故中受到的影響很小，并且為北美電網恢復供電提供了電源[1]。由此可見，電網電壓和聯網格局是一個非常重要的課題。
（8）電力系統運行人員需加強培訓、學習新技術、作好事故預想和進行反事故演習
從北美東北電網停電事故中可以看到，因電廠運行和電網調度人員沒有完全掌握自動化系統，以致出現處理不當和盲目運行，從而造成事故不斷擴大[2]。
隨著電網的發展，可靠性在提高，系統事故在減少，但電力系統在不斷變化，高新技術的發展日新月異，電網調度員（發電廠運行人員）的水平亟須繼續提高，故應特別注重提高事故處理能力。電網調度工作人員應時時居安思危，利用先進的技術支持手段，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。各電網進行的反事故演習是一種有效措施，需要經常化和制度化。通過反事故演習不僅能提高調度人員事故處理能力，還可從中發現電網存在的薄弱環節和在安全措施方面存在的問題。
（9）電網需充分發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的765kV聯絡線仍繼續供電，保持了紐約西部大部分地區約5.7GW負荷，形成一個相對大的孤島，并成為電網恢復供電的基礎。因為，水電具有優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，以保證發揮水電廠作為在電網運行中的安全電源的作用。
（10）電網調度管理須與電網發展俱進
北美電網約有140個控制區，設有調度中心監控系統。在一個控制區內，由獨立的系統調度（Independent System Operator，ISO）或區域輸電機構（ Regional Transmission Organization，RTO）進行發電和負荷的實時平衡，控制區電網間通過聯絡線互聯。傳統上，控制區按公用事業管轄范圍劃定，擁有集發電、輸電和配電于一體的產權，并實行電網運行的直接控制，現有些地區仍依舊如此。但由于工業重組，發電、輸電、配電的產權分開，有些地區改變了傳統管理方式，其運行任務由多個ISO（ISOs）和多個RTO（RTOs）執行[2]。但是在這次系統事故中所涉及的ISOs和RTOs，相互之間缺乏協調配合，又無統一的指揮機構，各級調度面對事故的發展無能為力，最終造成電網瓦解。
我國電網由小到大，由配電網、地區網、全省聯網、跨省聯網直至發展到大區聯網。隨著電網的發展，電網調度體制及其管理工作也在發展，因此，實行“統一調度、分級管理”，建立五級調度，對電網進行分層控制，是有利于保證電網事故的統一指揮和電網的安全運行的。
（11）結語
中國電力工業的從業人員應吸取北美東北電網停電事故的教訓，必須堅持以統一調度、分級管理的原則來科學地管理電網，同時應加強電網建設，加快技術進步，提高電網的裝備水平和科技含量；此外還應注重人才培養和實現互聯電網的信息共享，以確保電網的安全、經濟、優質運行。
參考文獻
[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日美加停電事故特別工作組中期工作報告）[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（美加停電事故特別工作組2003年8月14日美加大停電最終報告）[DB/OL]．http://www.nerc.com/，April 5，2004．
