美国洛杉矶912大面积停电事故及启示

美国洛杉矶9.12大面积停电事故及对我国大城市电网安全问题的启示刘建明王熙亮宋卫东2005年9月12日中午，美国西部最大城市洛杉矶发生大面积停 电事故，停电范围包括洛杉矶闹市区、洛杉矶西部、圣费尔南多河 流域的部分地区。有200万人口（大约是洛杉矶人口的一半）受到 停电事故影响。停电事故发生在12日中午12时45分，当时洛杉矶 闹市区及附近的一些城镇突然断电。洛杉矶警察局总部和位于市区 的市政大厦也发生了停电。洛杉矶国际机场的至少两个候机大厅也 一度受到影响，但机场的运行和航班没有受到影响。一些医院和学 校都失去了电力，很多人被关在电梯里。许多人因为停电而涌向街 道，交通也因为失去信号灯而发生混乱引起了洛杉矶交通堵塞。由 于许多政府大楼和医院都安装了应急发电机，市区的公共秩序并没 有受到太大的影响，医院的应急发电机也很快启动，病人没有受到 影响。美国西部最大城市洛杉矶的停电事故，暴露出大城市电网环网 结构的安全稳定问题，特别是作为受电端的大城市电网的负荷转移 问题，电压稳定问题以及如何配置必要的安全稳定控制措施的问题，一个230 kV多回路环网。环网上有8个变电站（包括发电厂的升压 站）。与外部系统联系的线路有:Rin-Rsb变电站的两条500 kV线路； RS-E变电站的一条500 kV线路；RS-B变电站的两条287 kV线路。 外部的电力来自这五条线路。事故发生前，整个系统正常稳定运行， 洛杉矶电网只有一条外环线因为维护停止运行。当时，洛杉矶市电 力系统的负荷大约是3733 MW。本地（受事故影响的地区）的发电 容量大约1200 MW，其中664 MW的发电容量来自洛杉矶的南部。 剩余的电力由外部送入。CasticAdelantoNorthVai ley va/eylendaFairfa变电站燃机电厂（柴油、天然气） 水电厂Hyne同时切断一条控制电 缆内的电线，造成该控 制电缆内的3根电线短 路，启动了 RS-E变电变魅ADL-RIN VEC-RIN I500kV 度用站Rin空TAZ-OLY I & 3500kVADL-TOL IVan Xuvs类电站S-E fe-. Burbank，变电站I Toluca变电站C Van Nuvs变电站 Scattergood 燃机电厂、 Haynes燃机电厂 Harbor 燃机电厂 scatte Valley 燃机电厂Scattergoo Castic水电厂#$%/输电线路掣网运营区域南加州爱迪生公司电网（SCE） I I洛杉矶水电局电网（LADWP）洛杉矶市电网图二、事故的原因12点32分，由于工人在RS-E变电站更换硬件设备时，错误地Ilitrbur虹Havnes电Sc alter aaod站 的230 kV母线1和母线2的断路器失灵保护，结果保护动作跳 掉了 RS-E变电站230 kV母线1和母线2的全部断路器（42个）， 这两条母线停电。此前，洛杉矶水电局已更换了22个变电站的硬件 设备，这22个变电站都是在同一个设备盘上有变压器保护和断路器 故障保护。仅仅是RS-E变电站的设备更换不包括断路器故障保护， 由于图纸中出现了错误，造成工人切错了控制电缆，引发了这次事 故。三、事故的发展及恢复过程RS-E变电站230 kV母线1和母线2的停电，断开了洛杉矶市 的环网，同时也停掉了 RS-E变电站的全部负荷及Van Nuys变电 站的负荷（Van Nuys变电站是由RS-E变电站通过放射形线路供 电的）。Burbank变电站也是RS-E变电站的放射形负荷，当时的运 行方式Burbank变电站与RS-E变电站是断开的，它 仅仅与 Glendale相连接。由于向洛杉矶市环网供电的线路只有Rin-Rs变电站的两条500 kV线路、RS-E变电站的一条500 kV线路和RS-B变电站的两条 287 kV线路。环网的东部被打开以后，负荷的转移造成向RS-B变 电站供电的两条287 kV线路过负荷，同时也造成向机场和Harbor 地区供电的两条230 kV线路过负荷。严重的过负荷造成洛杉矶市的 南部和西部电压降低。为了稳定系统并且提供电压支持，调度员立即投入了遥控无功 偿设备（电容器）。但是，由于电压的恶化已经造成洛杉矶市南部的 Haynes和Scattergood两个发电厂的664 MW发电容量不能稳定运 行。在12点34分到12点38分之间，这664 MW的本地发电容量 全部因为保护动作与系统解列。由于失去了关键的本地发电容量的 支持，电压问题进一步恶化，也加剧了以上提到的那4条线路的过 负荷程度，洛杉矶市的电网更加接近电压崩溃。解决电压崩溃问题， 一是本地电源提供支持（已经不可能了）二是切除负荷。结果调度 员开始手动切除Century RS-B变电站、Velasco RS-F变电站和Fairfax RS-D变电站的负荷。选择切除这些负荷的原因是为了减轻过负荷， 而且这些负荷主要是居民用户。手动切除了395 MW负荷后，电压问题减轻了一些，但是过负荷问题仍然越来越严重。12点47分，RS-E变电站的运行人员向调度员汇报了所发生的 情况并且告诉调度员可以开始恢复。12点47分至13点02分，在调 度员的指导下，RS-E变电站的运行人员开始合闸断路器，恢复了洛 杉矶的环网。13点02分，由于严重过负荷，Tarzana-Olypic 3号线路的导线 幅垂了 25英尺与树接触发生短路，保护切除了这条线路。结果使支 撑洛杉矶西部和南部的剩余3条线路（Tarzana-Olypic 1号线路以及 Victorville-Century 1号和2号线路）进一步过负荷，电压降低也更 加严重。13点02分至13点06分，为了挽救系统，开始了第二轮手 动切除负荷，在RS-D、RS-F、RS-K三个变电站又切除了 249 MW 负荷。ADL-RD： Idi LlC-RJNlBurbank吏电站Harbor Ikvnes电厂 一电厂13点07分，又有6条输 电线路被保护切除，Glendale 与系统解列。切除的线路包括 Tarzana-Olypic 1号线路以及ADL-RL： & UC-RJN 1RS-U500kVl |500kV 变电 Mkh-RS JJ _Victorville-Century 1号和2号线路。这3条线路切除后，洛杉矶的 西部和南部完全与系统分离。系统的负荷马上从2787 MW掉到了 966 MW，负荷损失了 1821 MW。城市的南部和西部失去供电后，受影响地区的低频自动减负荷 装置动作，很多负荷变电站的断路器跳闸。约30秒后（13点08分）， 当该地区恢复供电后，这 些负荷变电站的用户依 旧没有恢复供电。13时 08分，调度员重新投入 了 Tarzana-Olympic 3 号线路，恢复该输电走廊 后，恢复了 607MW负 荷。系统负荷达到1573 MW。13时09分，为了便于快速恢复，调度员要求RS-E变电站的运 行人员改为远动控制。13时13分Victorville-Century 1号线路恢复 运行。13时14分，Victorville-Century 2号线路恢复运行，13时15 分Tarzana-Olympic 1号线路重新投入运行。随着这三条线路的恢复， 南部地区关键的输电支撑得以恢复。13时18分到13 时27分，其余的输电 线路得以恢复。13时 41分到Burbank的输 电线路恢复供电，到13变悬207kV变电雷VIC-CEN2IhrborHaynes电 电厂时45分Glendale变电站与系统同步并网。到13时56分，所有的变电站恢复供电，恢复了所有能通过远 动恢复供电的用户的供电。四、事故暴露出的问题以及对我们的启示事故的起因是在更换了 22个变电站的设备后的做最后一个变电 站的设备时发生的，而这最后一个变电站又正好与前22个不同，切 了不该切的电缆。为了防止短路，多芯电缆不应该同时切，应该一 根一根地切。两个错误同时发生引起了事故。可见现场作业是不规 范的。事故初期仅仅是一个变电站全部停电，如果预先有针对这类事 故的事故预案和安控装置，安控装置就可以切除一部分负荷防止负 荷转移造成的线路过负荷，防止电压降低。这次事故与美国8.14大 面积停电事故类似的地方是，在系统需要电源支持的关键时刻，发 电机反而退出运行，使电网雪上加霜。如果洛杉矶南部的664 MW发 电容量不退出运行，事故就不会扩大，停电范围就大大缩小。虽然 美国自己评价这次事故的处理是正确的，但还是充分暴露出切负荷 不及时、不到位，对洛杉矶这样的环网，在事故情况下的负荷转移 问题没有预案，没有有效的安全控制装置。我国大城市电网也存在大量的环网结构，也是受端电网。由于 电力的供需矛盾，受端的备用容量不足，线路也处于大负荷运行， 对类似事故的负荷转移问题和电压支持问题应该引起高度重视，特 别是要考虑各种事故预案，配备考虑整个大城市电网安全问题的安 控装置。附件1:事故详细过程12时32分，RS-E变电站230-kV母线1和2的继电保护动作， 变电站的所有线路跳闸，RS-E和RS-S变电站失去全部负荷；12时34分，加州和墨西哥可靠性协会得知了洛杉矶水电局的扰 动；12时34分到12时38分，Haynes电厂1号和8号及10号机组 及Scattergood电厂的2号和3号机组跳闸；12时35分到12时37分，Harbor电厂的联合循环及燃气轮机接 到命令后投入运行；12时38分到12时39分，为了减少过负荷和恢复电压，手动切 除了 RS-B、F和D的负荷；12时41分到12时45分，Castaic电厂1、3、4和5号机组投 入运行；12时47分，开始恢复输电线路，但受到了低电压和同步角度过 大的限制；12时53分到13时02分，由于过负荷，其它输电线路发生跳闸；13时02分，由于线路跳闸，Power Plants电厂1和2与系统 分离；13时03分到13时06分，为减少过负荷和恢复电压，在RS-D、 RS-F和RS-K变电站进行了手动减负荷；13时04分，Valley电厂5号机组投入运行；13时06分，Harbor电厂1号机组投入运行，但一分钟后跳闸；13时07分，由于过负荷，与通向洛杉矶南部地区全部输电线路 跳闸，使 RS-A、RS-C、RS-D、RS-F、RS-G、RS-H、RS-K、RS-L、 RS-N、RS-P、RS-Q及HAL-RS失去所有剩余负荷。Glendale也与洛杉 矶水电局解列；13时08分，随着第一条线路的恢复，恢复了洛杉矶南部地区的 部分负荷；13 时 09 分，Harbor-Wilmington A 和 B 保护；13时09分，随着系统条件的改善，负荷开始恢复；13时13分到13时27分，主要输电线路恢复运行；13时29分，Valley电厂5号机组跳闸；13时30分到14时13分，Harbor电厂10到14号机组投入运行；13时41分，到Burbank的联络线恢复运行；13时45分，到Glendale的联络线恢复运行；13时56分，所有负荷变电站的负荷恢复；14时07分，输电全部恢复；14时16分，Valley电厂5号机组重新同步并网；14时23分到15时40分，Harbor电厂1、2和5号机组并网。表1:用户停电和恢复过程时间损失的 用户数恢复的 用户数累计停电 用户数原因12时32分203,290203,290RS-E和RS-S变电站失去负荷12时39分151,690354,980第一轮手动切负荷13时06分88,550443,530第二轮手动切负荷13时07分454,462897,992由于电力供应而损失负荷13时08分141,341756,651由于第一条线路恢复13时10分24,840731,811开始恢复负荷13时20分83,930647,881继续恢复负荷13时30分93,271554,610继续恢复负荷13时40分294,910259,700继续恢复负荷13时50分190,39069,310继续恢复负荷13时56分69,3100主要负荷全部恢复表2：事故损失的电厂机组容量电厂机组损失容量（MW）原因Haynes 1100发电机失磁Haynes 88410号机组跳闸以及电压/频率保护动作Haynes10156电压/频率保护动作Scattergood 270事故应急方案Scattergood 3254逆功率保护动作事故开始损失发电容量合计664PP1 Unit 1A21从系统分离PP1 Unit 5A21从系统分离PP2 Unit 314从系统分离损失发电容量总计720表3：负荷损失原因原因损失负荷（MW）用户数失去RS-E/RS-S变电站392203,290手动切负荷644240,240失去电源1821454,462总计2857897,992