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乃力:电力系统漫谈（五）大停电（4）2003北美东北部大停电

前面介绍了几个典型的大停电，下面说一说如何避免大停电。

实际上，这是一个概率的问题。大停电是个小概率事件，但总是有可能发生。电力系统规划设计要求系统能经受住最多到3重（N-3）故障。一般认为超过N-3的故障发生的概率就很小了，由此可能引发的大停电自然也就是小概率事件。

很多电力系统的日常工作都是为了进一步降低这个小概率。从前面几个例子，可以马上想到的一点是要管理好树，该剪枝的剪枝，该砍倒的砍倒。同属于这类的工作还包括线路绝缘设备的清洗、电力杆塔的加固和维修等等。另外，还有加强电力安全的监管。自从2003年美加大停电之后，北美的电网安全运行规范有了很大的更改。NERC也进行了重组并被赋予了更大的权力。

在交流电力系统早期，由于系统规模不大，暂态稳定是一个主要问题。那时候，系统的势能很小，稍微一个大点的扰动给系统注入的动能就有可能造成暂态失稳。随着大系统互联时代的到来，暂态失稳逐渐不成为问题了。即使是在很大的核电站出口短路故障，只要这个电厂切除就行了，系统内的其它发电机自然能平衡负荷。

但随之而来的是输电距离越来越远，电力系统成了大脑袋小细脖的样子，小干扰稳定的问题有出现了。表现为两个区域之间的振荡。在历史上，这类振荡发生过多次，虽然不是每次都导致大停电，但还是引起了电力工程师的重视。研究来研究去，在发电机上普遍增加了稳定控制器，来增加阻尼。但最管用的办法还是减少输电距离，多建线路。

这样的结果就是系统规模越来越大，系统的暂态稳定性和小干扰稳定性越来越好。但是，这个“好”是建立在那些线路都正常运行的基础上的。一旦有若干线路被切除，系统的稳定性就不那么好了。而且，大家都连在一起了，一条绳子上的蚂蚱，一出事，谁也跑不了。即使某些区域电网反应快，断开和故障区域的连接，如果本来的交换功率大的话，还是会造成本区域的振荡。这有点儿象现在的经济全球化。

为了避免发生波及全系统的大停电，各个互联电网都有很多应急措施。最主要的是三点：切除发电机、甩负荷、系统联络线自动隔离。这些控制策略都是通过大量的离线计算事先定好的，并且基本上是直接通过硬件实现，没太多的智能化设计。近年来，随着基于GPS的电力系统同步测量装置（PMU）的普及，开始出现了很多在线稳定监视和控制的应用，也许不久的将来，会真的实现自适应的电力系统广域实时闭环控制。那将是现代电力系统的一次革命性变化。间接地，因为系统稳定性提高，可用输电容量也会提高很多，电价可能会下降很多。

值得一提的是，在当代发生的大停电绝大多数都可以归结到电压稳定的范畴。一方面可以说系统很稳定了，暂态失稳和小扰动失稳越来越不容易发生。另一方面，现在电力系统可能是越来越容易发生电压失稳了。为什么这么说呢？电压失稳表现为某局部区域电压突然下降引起的系统崩溃。数值上可以理解为系统方程没有解了，物理上看呢，可以说是系统局部无功功率供应不够，被迫从系统吸取无功，导致电压进一步下降，无功负荷和损耗进一步加大，形成正反馈，最后崩溃。这种现象和系统中的电动机负荷越来越多是直接相关的，这是由电动机的负荷特性决定的。空调就是很典型的电动机负荷。在炎热的夏天，当所有公司、商店和居民住宅一起猛开空调的时候，也是电网最危险的时候。

另外一个现象是，现在电力系统电压失稳有越来越隐蔽的趋势。一般地说，在电压失稳之前，能看到一个渐进的电压下降过程。现在，系统中安装了越来越多的并联无功补偿，使系统电压维持在很高的水平。但是，这些并联设备的特点是关键时刻掉链子。一旦系统电压下降，它们提供的无功也下降，然后电压就更下降，又是一个正反馈。如果说以前电压失稳是滚下山坡的话，现在可能就是直接跳悬崖了。我们说这样的系统是刚性的。

随着风能和太阳能的推广，这个问题可能会更严重。因为很多风力和太阳能发电需要通过电力电子设备和电网相连，这些逆变装置一般来说是个很大的无功负荷，需要在其终端人为地提供并联无功补偿。现在新一代的逆变设备已经可以提供无功输出，虽然其无功功率调节范围仍然有限，但还是能缓解系统刚性的问题。另外，大型的风力发电场和太阳能电池发电场总是把这些发电设备散布在很广阔的区域内，这样就需要用线路把他们连起来，连到一个地方统一接入电网。这个连接系统（英文叫Collector System）电压较低，会损耗很多无功功率，一般需要提供专门的并联无功补偿。在研究可再生能源（主要是风和太阳能电池）接入的时候，无功和电压稳定是个很重要的内容。

对付电压失稳，不能指望并联的静止无功设备（就是电容器，可以是固定的，也可以是机械投切的）。一方面，还是要多架线，从系统获取无功支持，同时降低线路上的无功损耗；另一方面，在负荷侧安装足够的发电机、调相机和SVC等动态无功设备，这些设备的无功输出不随电压下降而减少，关键时刻靠得住。

电力系统发展了上百年，从小系统到发展到大系统，集中发电，依托密集电网的远距离输电，使可靠性和经济性都得到极大的提高。但现有的运行方式和技术水平决定了一旦出事，就是大事，而且有可能变得越来越不可预测。真要想避免这类大停电，最终的办法可能还是化整为零，保证每个局部负荷区域都有足够的发电容量和动态无功支持，尽量减少区域间的电力输送。这在现有的发电技术下肯定是不可能的。也许要等到以新能源为基础的高效可靠的分布式发电、以及高效便捷的电能存储技术成熟起来，这个设想才有可能实现。到那个时候，高压网络就不再是电力系统的主角了，除了提供远距离的水电以外，更主要地作为系统备用而存在。整个电力工业的面貌也都会彻底改变。现在很多国家实行的电力市场体制也将不复存在，但也只有在这种条件下，电力系统才有可能发展出真正意义的市场。

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