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
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家园 【原创】电力系统漫谈(五)大停电(2)美西北的森林

乃力:电力系统漫谈(五)大停电(1)一棵树引发的事故

这里说的美西北指的是真正地理意义上的美国西北,包括最北的华盛顿州和紧邻的俄勒冈州。后者是美国森林覆盖率最高的州,前者则号称是常绿之州(Evergreen State)。可以想象,那里是何等的郁郁葱葱。

美西北大部分在哥伦比亚河流域内。哥伦比亚河发源于加拿大境内,先是进入美国华盛顿州东部地区,然后在华盛顿州境内饶了个大弯掉头向西,形成了和俄勒冈州的分界线。最终在俄勒冈的波特兰附近流入太平洋。从20世纪30年代开始,加拿大和美国在流域内陆续修建了39个水电站,其中干流上有14个(3个在加拿大,11个在美国),用于水力发电和灌溉。最著名的就是华盛顿州境内的大苦力水坝(Grand Coulee,曾经的世界NO.1)。根据百度提供的数据,至1991年底,全流域已装机3600万kW,年发电量1606亿千瓦时。在美国境内,这些水电站由邦纳维尔水电管理局(BPA)统一管理。

为了输送这么多电力,BPA在这里修建了非常密集的输电网络,其中包括大量的500kV线路。这些500kV线路基本上从北到南纵向排列,一直延伸到俄勒冈和加利福尼亚边界。再往南就是500kV加州-俄勒冈联络线(COI)。与这些500kV交流线路平行的还有一条500kV的直流线路。哥伦比亚河的电力就是通过这些交直流系统送往加州。如果从大苦力水坝到加州最近的负荷中心(萨克拉门托),GOOGLE上的显示的行车距离是1300公里左右。当然了,不是说一条线从北到南,中间还有好多变电站、开关站。除了向沿途负荷供电外,这些变电站和开关站一般都安装各种无功补偿设备。其中,并联的补偿设备用以维持线路上的电压;串联设备用来补偿线路的电抗,起到减小电气距离的作用,提高系统的稳定性。

1996年的北美西部电网,可以用祸不单行来形容。刚刚发生了 7月2号大停电一个月之后,在8月10号,北美西部电网再次发生大停电,系统再次解裂。事故的起因,倒是和上次一样,还是树。但与上一次的系统电压崩溃不同的是,这一次事故呈现出典型的区域间振荡,由于系统阻尼不够,最终失去稳定。其损失比一个月前更大,经受停电之苦的用户共有七百五十万。

不过,这一次不是一棵树在战斗,至少有四棵树和这起事故直接相关。下图显示了事故开始阶段的5个事件发生的时间和地点。

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图1 事故的初始阶段

前四个事件都是因为线路和树之间发生放电,造成对地短路,导致线路被保护装置断开。其中最重要的是事件3,Allston-Keeker 500kV线路断开。它直接导致了事件4,间接导致了事件5,最终导致了大停电。事件3中的500kV线路和事件4中的115kV和230kV线路是并联的关系,当西侧的500kV线路断开后,原来流经它的1300MW功率被迫转移到东侧的其它500kV线路和并联的低压线路上。这造成了低压线路过负荷,其中一条115kV线路的保护装置被错误触发,直接切除了该线路;另一条230kV线路则因为过热膨胀,和下面的树产生放电,继而被保护装置切除。这一段基本上就是照搬7月2号的剧本。

在一连串的线路故障之后,系统有功和无功潮流分布发生变化,引起了东侧输电走廊上的一个发电厂内13台发电机被切除。随后,自动发电控制系统(AGC)正确响应,增加了华盛顿州北部水电厂的输出功率。但是,AGC是为正常运行状态设计的,此时此刻,这一“正确”动作对系统稳定性却是致命的,好心办了坏事。因为,这相当于增加了从北向南的输电距离,不仅在线路上损失了更多的无功功率(还记得吗,实际上, 无功是不被损耗的,损失的是电压的幅值。这里还是沿用电力系统的老习惯,说损失无功功率),而且使得系统更容易产生振荡。

实际上,在长距离输电系统中,系统振荡总是个隐患。这有点儿象孩子们玩的跳绳,两个人各拿一端,把绳子荡起来,其他人进来跳。如果绳子长的话,就很容易荡起来;要是绳子只有一米长,就没办法荡了。不过,玩跳绳是越容易荡越好,电力系统就反过来,不荡最好。

调度自动化系统记录下了当时500kV系统的电压和功率振荡。

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图2 事故中某500kV母线的电压振荡

从图中可以看到振荡幅度越来越大,是一个典型的小扰动失稳现象。当振幅达到一定程度后,保护装置自动断开了加州-俄勒冈联络线,随后,系统解裂成4个孤岛。我曾在一次会议上,碰到一个老调度员,在事故发生的时候他正在加州某调度中心值班。他告诉我,当时,几乎所有发电机输出功率都在晃来晃去,几条联络线也在晃,调度室的灯也在闪。因为他所在的区域没有听到任何事故报告,就赶紧打电话提醒其他调度中心的同行,费了好大劲联系上了,结果发现人家也正准备提醒他呢。刚打完一个电话,还没弄明白怎么回事,加州-俄勒冈联络线已经被保护装置断开了。

事故过后,自然少不了一番会战。各路好手纷纷登台,对事故的起因、机理进行了深入透彻的分析。并提出了各种提高稳定性的方案。这次大范围的振荡主要是南北两群发电机之间的振荡,有点象日常生活中常常遇到的共振。首先想到的方案自然是修改发电机的控制参数,一方面是避免共振,另一方面,也可以增加阻尼。

另一个实用的方案是在从北到南输电线路的中间增加无功补偿,实际上是增加电压支撑点。再用一下跳绳的例子。一条很长的跳绳,很容易荡起来,但如果你在中间踩住,就不好玩了。这个电压支撑点就好比是在中间一点踩住绳子。

还有一个措施是针对自动发电控制系统(AGC)的。当系统出现多条线路跳闸的情况下,AGC系统将自动闭锁。大概相当于国家的紧急状态法。电力系统中,在发生严重故障,系统有可能失去稳定的情况下,类似的处理方式还有很多。稳态时的控制方式在事故中不能再用了,要暂时停止。

没有听说如何处理引发这次事故的那些树,也许都被砍倒了吧。

如果有机会经过那片美西北的森林,你不妨留意一下旁边的高压线。虽然在树的上方穿过,但这些电力线和树之间的距离实际上非常大。这些在系统规划里面都有相关的规定。有时侯,我就想,正常情况下线和树的距离这么大,应该足够容忍线路膨胀下垂了,怎么就能够放电呢?我也从来没有亲眼看到过这种事,真是想象不出来。但是,电力系统就是这样,什么都可能发生。1996年8月10号这一天,不同地点,短时间内连续四次,电弧击穿了线路和树之间的空气。

关于电力线和树,曾听说过一个有趣的事情(不一定准确,但基本真实)。美国的一个电力公司,在建一些输电线路时,为了缩短长度节省投资,把一段线路建在了印第安人保留地上。该电力公司对线路通过的地段有使用权,但是没有所有权,具体的合同条款我就不清楚了。反正,到了后来,线路下面慢慢地长了很多树,越长越高,离电力线越来越近。电力公司就跟印第安部落商量,能不能把树修理一下,或砍掉,或移植?面对各种威逼利诱,印第安人就是一个字,不行!电力公司没办法,只能每年修改线路的最大允许输送功率,防止线路过热膨胀,别碰到底下的树。也不知道把树烧了是不是还要赔钱给印第安人。这样一来,线路的容量就浪费了很多,而且,长此以往也不是办法。出路不外乎两条,要么,电力公司另起炉灶,把线路移走;要么,再抬高出价,把那些树的移植权买下来。事情如何解决,现在还没有听到下文。似乎要另外找个输电走廊,把那些在印第安保留地内的电力线移出来。

乃力:电力系统漫谈(五)大停电(3)1999台湾

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