主题：【原创】电力系统漫谈（五）大停电（1）一棵树引发的事故 -- 乃力
家园 【原创】电力系统漫谈（五）大停电（1）一棵树引发的事故 美国西部，爱达华（Idaho）州和怀俄明（Wyoming）州的交界处，落矶山脉在这里山形陡降，形成了一个盆地。如果沿30号公路从西向东走，穿过郁郁葱葱的山岭，到这里，会突然觉得周围是如此的空旷而荒凉。旷野里，只有一些铁塔支撑着几条输电线，孤零零地展示着人类活动的足迹。有经验的电力工程师从铁塔上的绝缘子串可以估计出这些线路的电压等级。这是一些345千伏线路，把怀俄明州的电力系统直接或间接地同美国西部各个州以及加拿大西部两省，还有墨西哥北部电网相连。线路的西端是爱达华州内的一个水库，叫美国瀑布水库，附近有些水电站。再往西，就是爱达华州的最大的城市，Boise市。线路的东端已经在怀俄明境内，是一个很大的火力发电厂。
靠近两州边界的地方，有一棵树在那里有些年了，当地电力公司的线路工人们不知道从它身边走过了多少回。它已经长得很高了，但看上去问题不大，离旁边的几条345千伏的线路还有一段距离。树在当地可是稀罕物。沿着输电线前后左右望去，几里地之内也看不到第二棵这样大的树。所以，工人们也乐得让它继续这样生长着。
为了叙述方便，后面的事情将以这棵树为坐标原点。比如说，美国瀑布水库在这棵树以西90英里。怀俄明州的电厂在树的东面150英里左右的地方。时间都是美国山地时间。
转眼到了1996年夏天，天气有些反常地热。整个美国西部都是这样。七月二号的下午，当地气温达到了38度。西面的一个水电站因为什么原因正在进行检修，东面的火电厂则开足了马力发电。在这炎热的天气里，这些线路也显得疲惫不堪，被天气和负荷压弯了腰。这时候整个西部电网的负荷很大，各控制中心的调度员们都紧张地注视着各个关键线路上的功率。还好，几个主要的线路都没有到输电功率极限，应该没有什么问题。
调度室的时钟指向了美国山地时间2:24PM。
爱达华电力公司调度中心的系统监视屏上突然出现了异常，屏幕上一条345千伏线路开始闪烁，其两侧的开关也显示在打开状态。显然是线路保护装置自动把线路断开了，肯定出了什么事故。准确的时间是2:24:37。但那里有几条并行的线路，系统应该还有足够的容量，调度员盘算着。
一个念头还没有转完，也就是刚过了一瞬间（还是一须臾？或是一刹那？反正很快，实际时间是20毫秒），紧邻的另一条345千伏线路也开始闪烁。气氛骤然紧张起来。调度员知道将会发生什么。
这两条线直接连到怀俄明州的那个电厂，系统保护装置在这两条线同时断开的时候会自动把那个电厂中的2台机组隔离。现在，这两台机组正发着1040MW的电力。必须这样做，要不然，那个电厂会发生暂态失稳，导致整个系统垮掉。但是在这样一个炎热的夏日午后，这可是个很大的损失，不知道系统能不能挺住。显示屏上可以看到系统频率开始下降，到了59.9Hz。可以理解，毕竟突然损失了1040MW的发电。一般来说，系统内的其它发电机会自动提高发电输出，逐渐把频率拉回正常水平。而且，59.9Hz还不算太差。
几乎与此同时，邦纳维尔水电局（BPA）的调度员观察到，在俄勒岗州东部的一条230千伏线路突然断开了。准确的时间是2:24:38.99。这条线路在我们的坐标原点西北500英里，爱达华电力公司的调度员并不知道这里发生的事情。随后的20秒内，BPA的调度室里警报大作，显示屏上似乎有无数个母线在闪烁。Anaconda变电站电压下降到219千伏，Lost River69千伏变电站电压下降到63千伏，Spar Canyon到了217千伏…。在一片电压下降的哀鸿中，俄勒岗州南部的Warner变电站不降反升，电压达到了242千伏，太高了。有点儿乱了。
很快，其它地方的调度员也感受到系统的变化。他们看到很多发电机开始增加输出，线路上的有功和无功功率也突然发生了变化。甚至远在千里之外的加利福尼亚的调度员也感觉到了。好象情况不是那么美妙。一些小发电机纷纷自动跳闸，退出系统。
说是迟，那是快。从最开始的345千伏线路被断开算起，过了24秒，从那两个机组被隔离算起，过了23秒钟，美国山地时间2:25:01，蒙大拿和爱达华边界上，在那棵树以北150英里远的地方，因为电压太低，电流太大，一条230千伏线路被保护装置断开。
事后，人们意识到这是那最后一棵稻草。
随即，和这条230千伏线路并联的一条169千伏线路因为过载自动断开，俄勒岗州和爱达华州电网的电压急剧下降，3秒钟后另一条通往爱达华州首府Boise的230千伏线路断开，2秒钟后，连接美国西北和加州的500千伏太平洋联络线被切断。
至此，局面已经无法挽回。又过了5秒钟左右的时间，整个北美西部电网已经被分解为5个互不相连的孤岛。超过200万用户供电中断，占全网总用户数的十分之一。
感谢这些训练有素的调度员们，在30分钟内，大部分地区就逐步恢复了供电。当然，一些Colorado的居民要等待6个小时才得以恢复供电，Nevada一些地区因为电力供应不足，也经历了3个小时的等待。不管怎样，一场危机过去了，电力工程师和调度员们迫不及待地开始总结经验教训。可以想象当时，各种会议，电话会议在整个西部各个调度中心不间断地进行着。其实，发生这种大事故，对于电力工程师来说，就好象是战争对于军人。可能丢掉饭碗（军人更严峻些，可能牺牲），也可能立功受奖。
事故的起因也好确定，肯定和那两条被首先断开的345千伏线路有关。但到现在为止，还没有人关注我们的主角，爱达华和怀俄明州边界附近的那棵树。
第二天，1996年七月三号，线路工人准备去巡线检查。与此同时，在调度中心和变电站，系统工程师们进行着各种分析计算，保护工程师们也忙着检查各种保护装置。事故的原因还没有查明，调度员们还都心有余悸，小心翼翼地把几个关键线路上的功率降到较低的水平。一上午相安无事。
很快，时间到了下午，山地时间2:03。这是一个值得电力工程师纪念的时刻。在这一刻，北美西部电网似乎要蹋进同一条河流。前一天发生的事情，仿佛录像重放一样出现在爱达华电力公司调度中心的显示屏上。一条345千伏线路断开，第二条345千伏线路断开，2台发电机组切除，系统频率开始下降，系统电压开始下降。Oh My Goodness!
关键时刻，方显英雄本色。更何况昨天刚刚实战过。是谁下的命令已经不可考证，反正是一声令下，甩负荷！终于，在牺牲了Boise地区的600MW负荷之后，Boise附近的电压恢复到正常水平，前一天系统崩溃的局面没有再次出现。第二天这次戏剧性的事故重演，给电力工程师提供了一个千载难逢的机会，来实际检验一下防止系统崩溃的措施是否有效。
没多久，事情的起因就弄清楚了，其实很简单，大家可能都猜到了。正常情况下，相邻杆塔间的导线都会在重力作用下自然下垂。如果气温高，电网负荷增加，线路上输送的功率一般也会增加，这种情况下线路的温度会比正常的高。热膨胀会使导线下垂增大。这次事故的起因就是第一条345千伏线路下垂增加，对那个美化当地环境的树的距离减小，两者之间的空气无法承受两者电压差（即无法保持绝缘），导致线树空气间隙被高压电击穿，形成了线路--电弧—树木—大地的通路，造成了一个对地短路故障。这条线路立刻被保护装置断开。虽然没有人目击到放电的过程，但现场的证据还是很明显的。
如果事情到此为止，系统不会有任何问题。系统的规划设计保证其有足够的稳定裕度，经受这样的冲击。旁边另一条线路的保护装置的误动作才是问题的关键。第二天发生的事情和第一天的一样，放电，短路，切除，误动。按理说，系统也能经受住第二条线路断开，以及随后的1040MW发电功率损失。但是当时负荷大，这些连续的事件导致系统潮流变化，特别是无功潮流变化，导致电压下降，触发了其它的保护装置，切除更多的线路和发电机。同时，负荷侧的一些电压控制设备为维持负荷侧电压，强制性地从系统吸收更多的无功，形成了无功潮流增加、电压下降、增加无功负荷、无功潮流增加、电压进一步下降的正反馈。除了这些后来分析得到的结论以外，这次事故里面，还有很多偶然因素。比如，大范围的高温，一些保护装置的误动作，一些发电机当时因为种种原因没有投入在线运行，无法提供及时的电压支持，等等。
不管怎样，那棵刚刚经历磨难的树，终于还是被砍倒了。从此以后，那里再也见不到树。
一场输电线与树的恋爱，造成了整个电网的崩溃。如果，他们懂得“发乎情，止乎理”的道理，不拉那一下手，或者如果不是旁边那条线路嫉妒捣乱，也许他们还会象原来那样厮守下去。当然，也有树自己的问题，长那么高，那么帅，有什么用？最重要的还是线路工人们，如果要求严格一些，及时把树枝剪短，就好了。教育最重要。
写到此处，突然发了几句感慨，算是缅怀一下那棵为电力系统电压稳定分析作出重要贡献的树。下面帖几张跟这次故障有关的图。
图1 初始故障
图2 最初的五个事件
图3 系统解裂
注：本文的技术信息，包括故障地点、时间，设备名称， 和图片全部来自互联网上公开的英文资料。原来的图片中有一些和资料不一致的地方，被我改过来了，中文说明也是后加的。
乃力:电力系统漫谈（五）大停电（4）2003北美东北部大停电
乃力:电力系统漫谈（五）大停电（5）如何避免大停电，兼电力系统展望
本帖一共被 5 帖 引用 (帖内工具实现)家园 【原创】（五）大停电（5）如何避免大停电，兼电力系统展望 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。
本帖一共被 2 帖 引用 (帖内工具实现)家园 如何提高供电的可靠性 谈点自己的认识：
提高运行可靠性，减少甚至是避免停电事故的发生，是全世界电力工业者奋斗了几十年的目标。
那么都有什么方法可以使用呢？我来罗列一下大家可能想到的答案：
1）选用高质量设备，并且小心使用、勤于检查维护，从不过负荷、超能力运行。
2）提高人员素质，并配以缜密的操作规程和有效的管理措施。
但是上述两个途径对运行可靠性的提高是有限的。因为受各种因素影响，设备故障和人为事故总是不可避免的。
那么大电网是如何向它的用户可靠供电的呢？尤其是对那些不能承受停电事故影响的用户，比如开国大典时升国旗的遥控电动装置。
49年北京电力公司的解决办法，是派一忠实可靠的党员师傅受在旗杆下面，如果城楼上按下电钮而国旗却没有动，就有他来手动把国旗升上去。也许有人看到这里会笑，说tg真土如何如何，但其实这是系统工程最朴素的体现。工程师们很早就认识到提高电网供电可靠性最简单的办法就是增加备用（备份）供电能力，从备用的电源、备用的线路和变压器到备用的控制系统、保护装置、备用的运行人员，发挥系统优势，将供电能力提高到可以抵御想定事故冲击以上的水平，比如乃力提到的N-1。
以A-10攻击机为例：
外链图片需谨慎，可能会被源头改A-10设计执行的任务是密集防空火力的高度威胁下对装甲集群进行低空掠飞式攻击，对A-10来说挨打几乎是必然的，所以它的发动机、垂直尾翼、控制系统都是双份的，一个被打坏了或者故障了，靠另外一个仍然能保持一定的飞行能力，总之对A-10这个系统的运行可靠性有关键性影响的，能备份的都给备份上了（飞行员备份的话代价太大，所以没有搞两个）。后来军用飞机的发展，能双发的尽量双发，备份能力好增加的飞控系统干脆余度提高到三甚至四，飞行员备份的问题，在UAV上两到三个则是肯定的。
这种思想反映到电力系统上，就是多个电厂、网状的输电线路、双套的控制、保护、通信设备、双路甚至多路电源供电、双座的“飞行员”（CAISO的两个“飞行员”还岔开了不在同一地震带上，911以后这种事情更加得到重视）。但是对电网而言真正能大幅度提高运行可靠性的，还是增加输变电设备的布设，关键位置上N-3都有嫌不够的。而美国几次大停电都有关键断面电网薄弱、线路设备重载运行的问题，究其原因，还是和美国电力公司供区小而家数多的特点有直接关系。供区小，电网建设上条块分割缺乏通盘考虑，而且供区小意味着公司实力不强，建设线路、变电站的能力有限（想想消息传开那一大堆shareholder就让人头疼）。反倒是中国这样的大电力公司，一方面供区大、必需通盘考虑，一方面实力强、能用的社会资源多、比如支持搞工业化的政府，电网建设能够上层次、上水平。坚强的电网是保障可靠供电的物质基础，绝非虚言。
关键位置上N-3都有嫌不够的
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外链图片需谨慎，可能会被源头改家园 说到加强电网，我想起一个故事来 我父亲讲的他自己的事。
我父亲是学石油化工的。若干年前，还是文革时期，他在一个为电影胶片提供原料的小化工厂工作。因为扩大生产，厂里要新建一个厂房。不巧，厂里没有搞土木工程的。怎么办？我父亲作为当时厂里的最高学历拥有者，硬着头皮接了这个政治任务。一帮外行，看着以前厂房的图纸，心里没底呀。为了避免出现工程问题，他们决定把所有的承重部分都加倍用料。具体怎么做的，因为年代久远，我记不清了。反正用我父亲的话说，在上面开坦克都没问题。文革结束几年以后，那个工厂在这个本来是一层的厂房上又加了三层，当办公楼了。
又过了没几年，工厂倒闭了，厂区全拆了。
联想到现在电网建设，很多新线路的经济使用年限能达到60年，甚至80年以上。但是，不知道那时我们还需不需要这些线路。
当然，作为一个电力工程师，这么想是不对地。。我们还是要立足眼前，努力加强电网建设，保证供电可靠性。胡思乱想的事情交给科学家去做吧。
长街看海最后这几张图，很有气势，把电老虎比下去了。
家园 hua.
家园 送花3朵。电力系统是否是反恐战争中的弱点？只要对系统有一定 了解，荒山野岭放几包炸药就能造成很大损失？
家园 现在电脑电源的PFC就是为了降低无功功率吧 好像国内和欧盟都是强制执行了，欧盟好像还要求active PFC?但是美国还没有要求，我手头的几个电源功率因数只有0.6
家园 停电与自动控制系统有没有关系？ 咱们这儿有段时间老停电，几秒钟，马上又回来，搞得很多电器要重新设定，也搅俺网上打桥牌的局。不过现在好多了。