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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。

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。

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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