美加“8·14”大停电事故初步分析以及应吸取的教训印永华，郭剑波，赵建军，卜广全（中国电力科学研究院，北京100085）
摘要：介绍了美加“8•14”大停电事故的发生、发展及恢复过程，从电网结构、设备、调度运行、保护控制、管理体制、厂网协调、系统计算和试验研究等方面分析了事故发生的原因，指出了从美加大停电事故中应吸取的教训，并提出了保证我国电网安全稳定运行应做好的工作。
关键词：美加大停电；电力系统；稳定
1事故概况及背景
美国东部时间（EDT）2003年8月14日16:11（北京时间2003年8月15日4:11），以北美五大湖为中心的地区发生大停电事故，包括美国东部的纽约、密歇根、俄亥俄、马萨诸塞、康涅狄格、新泽西州北部和新英格兰部分地区，以及加拿大的安大略等地区。这是北美有史以来最大规模的停电事故，也是继1965年、1977年以来的第三次大停电。停电涉及美国整个东部互联电网，但南部和西部电网未受影响。事故中至少有21座电厂停运，其中包括位于美国4个州的9座核电厂，约5000万人受到影响，纽约州80供电中断。
北美五大湖区由5家电力公司供电，分别是美国电力（AmericaElectricPower-AEP）、第一能源公司（FirstEnergy-FE）、独立市场运营商（IndependentMarketOperator-IMO）、国际输电公司（InternationalTransmissionCompany-ITC）和密歇根输电公司（MichiganElectricTransmissionCompany-METC），其供电区域以及正常状况下的潮流方向如图1所示。事故前第一能源公司（FE）的戴维斯贝斯（DavisBesse）核电站因检修停运。
2事故的发生及发展情况
北美电力系统可靠性协会（NERC）于2003年8月14日发布了此次大停电事故的情况报告，事故发生过程如下（采用美国东部时间-EDT）：（1）8月14日15:06俄亥俄州Chamberlain–Harding345kV线路跳闸，由此线路供电的克利夫兰地区用电受到影响。在此之前的14:00，位于俄亥俄州北部的第一能源公司Eastlake电厂的550MW发电机组停运。
（2）15:32Hanna–Juniper345kV线路跳闸，克利夫兰失去第二回电源线，电压降低；密歇根州内线路潮流保持稳定。
（3）15:41Star–S.Canton345kV线路跳闸。
（4）15:46Tidd–CantonCtrl345kV线路跳闸。克利夫兰附近电压恶化，密歇根州内线路潮流仍保持稳定。
（5）16:06Sammis–Star345kV线路跳闸，由于此线路向俄亥俄州北部供电，致使俄亥俄州北部供电不足，俄亥俄州与密歇根州间潮流发生逆转，约200MW功率从密歇根州流向俄亥俄州。
（6）16:08加拿大与美国东部发生明显的功率摇摆。又有两回线（E.Lima–Fostoria和Muskingum–OHCentral）跳开，俄亥俄州北部功率严重不足，约2200MW功率从密歇根州流向俄亥俄州。密歇根州至安大略省的潮流发生逆转，约200MW功率从安大略省流向密歇根州。密歇根州电压下降，使密歇根州中部两座电厂共计1800MW机组在15s内相继跳闸，导致密歇根州电压崩溃。
（7）16:10Campbell电厂3号机组跳闸；Hampton–Thetford345kV线路跳闸；Oneida–Majestic345kV线路跳闸；ITC系统电压崩溃，造成密歇根州30条线路跳闸，METC与ITC间的联络线断开，使ITC成为孤岛。此时俄亥俄州仍从密歇根州吸取功率。从安大略省流向密歇根州的功率达到2800MW。
（8）16:11Avon电厂9号机组跳闸；Beaver–DavisBesse线路跳闸；Midway–Lemoyne–Foster138kV线路跳闸；俄亥俄州Perry核电站的1号机组跳闸。
（9）16:17Fermi核电站全部机组跳闸。
（10）16:17~16:21密歇根州许多线路跳闸，并有以下发电机组退出运行：St.Clair7号机组，Judd电站机组，Monroe1、2、3号机组，Greenwood电站机组，St.Clair2、4、6号机组，Trenton7、8、9号机组。
（11）在此后的近2min内，安大略省的系统仍与密歇根州相连，并试图支持密歇根州和俄亥俄州系统，但未成功。
3事故损失负荷及造成的影响
此次事故共计损失负荷61800MW，受停电影响人数5000万。各区域电网损失负荷见表1。4对事故原因的推测
4.1事故起因和发展过程
根据北美电力可靠性协会（NERC）公布的有关事故资料，可看出事故起因和发展过程：
在发生大停电事故前1h，即美国东部时间15:06，美国俄亥俄州的一条345kV输电线路（Camberlain–Harding）跳开，其输送的功率转移到相邻的345kV线路（Hanna–Juniper）上，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。
此后，发生了一系列连锁反应，包括：多回输电线路跳开、潮流大范围转移、系统发生摇摆和振荡、局部系统电压进一步降低，引起发电机组跳闸，使系统功率缺额增大，进一步发生电压崩溃，同时有更多的发电机和输电线路跳开，造成大面积停电的发生。
在首先跳开的5回345kV线路中，除第4回属于AEP公司外，其他4回均属于FE公司。他们认为，虽然有一些线路跳闸，系统也是安全的，因而未与其他相连系统解列，导致事故扩大。
美国电科院（EPRI）专家根据记录到的电压和电流波形，认为在事故过程中呈现出一种暂态电压崩溃（变化过程通常为0~10s）现象。这种情况往往出现在重负荷时，特别是在负荷以电动机为主的情况下（天气炎热，空调负荷增加），当某种原因造成电压很低时，电动机会抽取大量无功功率，导致电压崩溃。
4.2事故原因分析
下面从八方面对事故原因作初步分析。
（1）电网结构方面
美国存在200多个独立的电网。这次发生大面积停电事故的东北部地区同样存在着众多的独立电网，电网之间经多级电压和多点进行联网，增加了电网保护和控制（包括解列）的难度。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[1][2][3]下一页