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2003年8月14日断电事件序列
美/加电力中断事件特别调查组
2003年9月12日

  本报告概述了发生于2003年8月14日这一狭窄的时间窗内停电事故发生之前及过程中所发生的重大人为的和电气的事件。报告回顾到事故开始于8月14日那天中午,并以图形提供了一幅事件序列以及电网发展到下午的状况。事件发生的焦点集中在主要的电力输送设施(230千伏或更高)和大型发电厂上。
  本报告并不是试图指出或解释所描述的事件之间的关联。要确定这些事件的关联得需要几周的时间进行额外精细地分析才能实现。在随后的几周里,我们的专家将连续分析下列数据:
 ·在这个电网崩溃前以及期间的几小时内几千个138千伏和低压输电线发生的事件。
 ·在此期间,所发生的与电厂相关的上百个事件以及与电网的相互作用。
 · 在中午前电网的运行状态及其操作状况。中午前许多设备运转良好-包括无功功率和电压以及潮流在几个州之间的流动模式-都可能与断电有因果关系。
 · 由系统操作者预先或断电期间所采取或未采取的任何行动。
美/加电力中断事故特别调查组正在考查上述所有和更多因素,旨在从这些数据中查明和进一步挖掘出停电事件发生的始末及原因。
  这一时间线没有刻意指出,而且也不应当假定和解释这次断电事故发生的原因,只是要提供一幅事件发生的早期图形。也不是想要假定或指出和追究这一事件的错误或责任。对这些事故的特殊原因的判定,需要进行深入而专业的调查,这项工作已由两国组成的调查组承担。上述的关注和解释将由这个调查组在未来准备的报告中陈述并由美加联合特别调查组发布。

注释:这篇报告是基于2003年8月14日断电到2003年9月11日所了解的资料写的。并以对此事件的进一步调查后的变更为准。

2003年8月14日事件序列

  这份报告提供了由于2003年8月14日美国中西部和东北部及加拿大东部发生的电力系统中断而导致的一些重大事件序列。
  其解释的意图是提供对这次断电如何进展的一般性认识;并不包括与停电相关的细节和对此次停电根源的充分理解。这样的细节包含在需要进一步分析的几千个数据记录中。
那些数据记录包括系统断路器的运行状况、电厂开机和停机、电压的变化和潮流变化和负荷缷载。来自美加的联合调查组正在对这次断电进行彻底地调查并将在未来的报告中提供合适的详细资料。
事件时间表
  这份概要中列出的时间派生于每条数据记录的时间标记。无论什么时候一个断路器开启切断输电线或关闭重新联接输电线,或发电机组在线或离线,或电压超出规定界限,事件发生的时间都被记录并精确到秒(有时记录到秒的小数)。
  在某些情况下,调查者们发现这些“时间标记”并不准确,因为记录这些信息的计算机变得滞后,或者派生这些时间标记的时钟没有被校准到国家时间标准。调查员们必须确定这些事件的准确时间标记,并建立从这些事件到交叉检验其它系统事件从多种资源来验证每一事件的精确时间。其中一些事件还不知道其准确时间。
  在这个时间表上的所有时间都是东部白天时间。
电压崩溃
  8月14日断电的特征之一是在俄亥俄州北部和密执安州东部负荷中心周围和内部部分输电系统出现一个明显的“电压崩溃”。
  输电系统的电压是用来把电能从发电厂传送到配电中心,有些相似于主干水的压力的功能。无功功率是总功率的一部分,它有助于维持电力系统的正常电压。
  来自于发电厂和称作电容器的静止装置提供无功功率给输电系统以维持足够的电压。负荷轻的输电线路也能提供无功功率并有助于维持系统电压。相反,用户负荷诸如电动机或其它的电磁装置要消耗无功,就像负载重的输电线一样。
因此,当输电线路的负载变得更大时,它们消耗了更多的无功功率用于维持正常输电电压。
  无功功率不能长距离传送,这是因为输电线路具有相当大的阻抗。因此,无功电源需要接近无功需求的点—例如,靠近负荷(配电)中心。当负荷大的输电线路断开时,仍逗留在供电中的线路自动地从断开的电线中拾取部分电流,这样能增加这些电线消耗的无功。当无功功率的提供被限定时,已增加的负荷将导致沿线路电压的衰减。如果在线路的末端不能提供无功功率,则电压就会急剧降低。那时,输电系统再也无法把电能从远处的发电厂传送到负荷中心的用电户了。在一些情况下,在一定的区域内,无功负载对当地发电设备的要求太大以至于无法满足供应。在此情形下,这些设备能跳闸(自动分离或关闭),原因不是源于无功功率超载,就是因系统电压变得太低以至于不能把电能提供给发电厂自己的辅助设备,如风机、磨煤机和各种水泵。
  对电力系统的设计要保证电网的各种条件(电压的过高或过低,视在阻抗或频率)是否对输电线路或电厂的安全运行构成威胁,受到威胁的设备自动的脱离电网以保护自身免受物理性毁坏。假如允许物理性毁坏发生的话,将会使其恢复变得困难和费用增高。
断电前的各种情况
  在美国东部时区中午到下午4:13这段时间里发生的大多数事件都对此次停电有贡献。在该区域电力系统中发电和输电操作事件加上预定的交互反应可能对当天后来的事件产生影响。调查员们正在研究从8月14日上午8时开始发生的这些事件以求确定这些事件对此次断电是否有重大影响。
图例

  右侧的图例解释了所描述事件中使用的图中的那些线段和符号的意义。开放的路线或开放直线意思是一个或更多个输电线路再也不能在两地之间传送电;发电机跳闸的意思是发电机从电网中脱离并停止发电。

导致断电的各事件
  12:05:44 – 1:31:34 PM –发电机跳闸
  1. 12:05:44 –康乃斯威尔(Conesville)#5发电机(额定:375MW)
  2. 1:14:04 – 格林武德(Greenwood)#1发电机(额定:785MW)
  3. 1:31:34 – 东湖(Eastlake)#5发电机(额定:597MW)
  康乃斯威尔发电厂在俄亥俄州中部,格林武德发电厂在底特律地区。格林武德#1发电机组在1:14:04跳闸,在1:57恢复正常。
  东湖#5发电机组位于俄亥俄北部伊利湖南部沿岸,与345千伏输电系统相联接。这些发电机跳闸引起了输电系统潮流的改变。

  2:02 PM – 俄亥俄西南部输电线路中断
  4. 斯图尔特-亚特兰大(Stuart – Atlanta)345 kV
  这条线路是从俄亥俄西南部到北部输电途径的一部分。其从系统中断开是由于在一部分线路之下的灌木着火。火焰升腾的烟气将输电线上方的空气电离,造成空气导电以致导体的短路。
  3:05:41 – 3:41:33 PM – 俄亥俄东部和北部输电线路断开
  5. 3:05:41 –哈丁-塞姆伯雷(Harding-Chamberlain) 345 kV
  6. 3:32:03 –汉娜-侏尼普(Hanna-Juniper) 345 kV
  7. 3:41:33 – Star-South Canton 345 kV
  这三条输电线路是俄亥俄北部到东部输电线路的一部分。在此刻,哈丁-塞姆伯雷输电线路断开的原因还不知晓。汉娜-侏尼普 (Hanna-juniper)输电线路通过树木造成接地短路导致了该线路跳开。Star-south Canton 线路在当天早些时候发生两次断开和再投入,但这些事件的重要性还不甚明了。
  由于这些线路的断开,造成俄亥俄东部到北部地区输电能力降低。一直在这些线路中流动的电流瞬间开始在其它的输电线路中流动,包括138千伏以下连接到俄亥俄北部电网的系统。然而,这种新的潮流模式引起其它的线路超载。当电压在一直降低时,在北部俄亥俄地区的工业用户(他们的电动机由于电压过低而跳闸)自动地从138kV和69kV输电系统中断电,从而有大约600MW的负荷被卸载。

  3:45:33–4:08:58 PM –剩余的输电线路从俄亥俄的东部到北部断开
  8. 3:45:33 –坎顿中心-泰德(Canton Central-Tidd )345 kV
  9. 4:06:03 – Sammis-Star 345 kV
  坎顿中心-泰德线于3:45:33断开,58秒后又连接上。然而,Canton Central的 345/138KV变压器跳闸而且没有再投入,把孤立的138Kv系统从坎顿中心变电站的345KV系统中隔离开来。
  Sammis-Star345kV线路在4:06:03也断开,这下完全阻隔了345KV从俄亥俄东部输送北部的途径。
  这只剩下三条路径供输电到俄亥俄北部:1)俄亥俄北部和宾西法尼亚环伊利湖南部沿岸,2)从俄亥俄南部(重申,不过,那条服务于斯图尔特-亚特兰大线路的一部分在2:02时跳闸),3)从密执安东部。
  这也大大削弱了俄亥俄北部作为密执安东部电源的地位,使得底特律地区更加依赖于密执安东西部输电线路和俄亥俄南部及西部的输电线路。
在3:42:49-4:08:58这段时间,穿过俄州的多条138KV线路自己跳开,造成阿克伦城及其西部和南部地区一片漆黑。

  4:08:58 – 4:10:27 PM –进入俄州西北部的输电线路跳开,并且密执安州中部发电机跳闸
  10. 4:08:58 – Galion-Ohio Central-Muskingum 345kV
  11. 4:09:06 – East Lima-Fostoria Central 345 kV
  12. 4:09:23-4:10:27 – Kinder Morgan (额定500MW,加载到200MW)
  当Galion-Ohio Central-Muskingum 和 East Lima-Fostoria Central输电线路断开时,阻住了从俄州西部向北部和密执安东部输送的通道。
  因而,俄州北部和密执安东部的负荷中心仅仅与下面的输电线路连接:1)东北部的俄州和伊利湖南部沿岸的宾西法尼亚;2)密执安西部经由穿越该州的东西线路;3)安大略,密执安东部与俄州北部的连接仅仅由靠近伊利湖西南弯曲带的3条345KV的输电线路。
位于密执安中部的Kinder Morgan发电设备跳闸(关机)(负荷到200MW)。
从印第安那州到密执安州东部和俄州北部供应负荷的密执安东西输电线路中,潮流变得很大。
  当负载超过快速降低的输电能力时,服务于俄州北部负荷中心的输电能力的削减导致那一地区输电电压变低。
  大约在4:09,东部的互联网频率上升0.020 ~ 0.027 Hz,其说明负荷损失的范围是700~950MW。

  4:10:00 – 4:10:38 PM-穿越密执安和俄州北部的输电线路断开,密执安北部和俄州北部发电机跳闸,俄州北部与宾西法尼亚断开。
  13. 4:10 – Harding-Fox 345 kV
  14. 4:10:04 – 4:10:45 –俄州北部伊利湖沿岸20台发电机组加载,总计2174MW
  15. 4:10:37 – West-East Michigan 345 kV
  16. 4:10:38 – Midland Cogeneration Venture (loaded to 1265 MW)
  17. 4:10:38 –底特律西北部输电系统断开
  18. 4:10:38 – Perry-Ashtabula-Erie West 345 kV
  伊利湖沿线20台发电机组(加载到2174MW)在4:10:04–4:10:45这段时间跳闸,发电量的损失增加了潮流向俄州北部和密执安州东部负荷中心剩余线路上的流动,其中包括贯穿密执安的东西输电线路。
  在4:10:37,密执安东西线345KV线路断开,剩下密执安东部仅靠环密执安北部的迂回线路连接(而其在一秒钟后也断开),还有连接到安大略与北俄亥俄。调查员们仍在研究电力潮流所导致的结果。
  在4:10:38,中部热电联产企业跳闸,1265MW负荷离线。
  中部热电联产企业的发电机跳闸,加重了剩余的输电系统的电流,剩下的密执安东部和俄州北部的电压很低。余下的进入到底特律地区的输电线路与西北部脱离。
  在4:10:38,佩里-阿什塔布勒-伊利西部345KV输电线路跳闸,这条线路从伊利湖南部沿岸的宾西法尼亚进入到俄州北部。
  4:10:38 情况概要
  当佩里-阿什塔布勒-伊利西部345KV输电线路于4:10:38断开时,整个密执安东部和俄州北部负荷中心几乎没有在线的发电机供这些地区使用,并且电压一直在下降。那些负荷中心与东部互联的其余部分之间的唯一的连接是在密执安与安大略系统之间的接口。而且,在俄州北部在那些与互联网脱离的地区,频率正在下降。
  当伊利湖南部沿岸的输电线路断开时,一直沿那条线路流动的电流立即掉转方向并开始在一个巨大的回路中逆时针方向从宾西法尼亚向纽约向安大略流动并流入密执安。我们现在把注意力转向宾西法尼亚,纽约,安大略,魁北克和海上地区。
  4:10:40 – 4:10:44 PM –联结宾州和纽约的四条输电线路断开
  19. 4:10:40 – Homer City-Watercure Roa d 345 kV
  20. 4:10:40 – Homer City-Stolle Road 345 kV
  21. 4:10:41 – South Ripley-Dunkirk 230 kV
  22. 4:10:44 – East Towanda-Hillside 230 kV

  对从宾西法尼亚流出向北穿过纽约和安大略进入到密执安的电流涌动的回应,这四条输电线路相互在四秒钟内断开并将宾西法尼亚与纽约分离开。在这一点上,东部互联网的北部部分(其仍包括密执安东部和俄亥俄北部迅速减少的负载)仅靠两个位置与互联的其余部分保持连接:1)位于纽约与新泽西之间东部整个连结带,2)位于安大略、马尼托巴湖和明尼苏达州之间西部230Kv输电线路上。
  大量的电流向北流动于纽约与新泽西的连结带。

  4:10:41 PM –俄州北部输电线路断开,发电机跳闸
  23. Fostoria Central-Galion 345 kV
  24. Perry #1 核电机组 (额定 1252 MW)
  25. 雅芳湖 #9 机组 (额定 616 MW)
  26. Beaver-Davis Besse 345 kV
  Fostoria Central-Galion输电线构成从俄州中部到北部路径的一部分。这条路径已经被Galion-Muskingum-Ohio Central(伽莱昂-穆斯金姆-俄亥俄中部)的联合线路于    4:08:58时的断开和东莱玛-福斯特利亚中部输电线路于4:09:06的断开而堵死。Perry #1核电站,位于伊利湖南岸靠近宾西法尼亚边界,还有雅芳湖(Avon lake)#9机,位于Cleveland附近,实际上在同一时间离线。
  当Beaver-Davis Besse 345KV输电线路(其与Cleveland 和Toledo地区相连接)断开时,使得Clwveland地区与东部互联网隔离。Cleveland地区负载的断开开始是由于频率过低而自动离线,到后来是由于输电线路的断开。

  4:10:42 – 4:10:45 PM –安大略北部和新泽西输电线路中断,隔离了东部互联的东北部。
  27. 4:10:42 – Campbell #3机 (额定 820 MW) 跳闸
  28. 4:10:43 – Keith-Waterman 230 kV
  29. 4:10:45 – Wawa-Marathon 230 kV
  30. 4:10:45 – Branchburg-Ramapo 500 kV
  在4:10:43,密执安东部仍然与安大略连接,不过Keith-Waterman230Kv输电线中断,这条线是那个接口的一部分。在4:10:45,安大略系统分离,当Wawa-Mrthon(洼洼-马拉松)230Kv线路中断。与此同时Branchburg-ramapo500kV输电线现在还保持东部互联网与完全受到断电影响的地区的联系,而且那条线路于4:10:45与新泽西联结带处的230kV和138kV输电线一起中断。
  留下新泽西北部与纽约相连接。宾西法尼亚及新泽西的余下地区与东部互联网保持连接。在此刻,东部互联网被分成两部分,并由东-西线路隔开。位于那条线路的北部是纽约市、新泽西北部、纽约、新英格兰。海上各省,密执安东部,安大略主要地区,加上魁北克系统,向此线南部是东部互联网的其余地区,没有受到断电影响。
  4:10:46 – 4:10:55 PM-纽约沿东-西线分裂。新英格兰(康涅狄格除外)和海上地区与纽约分离,并保持原样。
  在随后的9秒钟,在东部互联网的北部发生了几次分离。
  31. 4:10:46-4:10:55—纽约-英格兰输电线中断
  在这段时间,纽约和新英格兰之间的纽带中断,并且新英格兰的大多数地区变成一个孤岛,有足够的能量保持供需平衡。然而,康涅狄格的西南部从新英格兰脱离,并将与纽约系统的联系保持了大约一分钟。
  32. 4:10:48—纽约输电线路沿东西分裂
  纽约输电系统沿东西线分裂,在新泽西北部和康涅狄格西南部到纽约系统的东部,安大略和密执安东部与西部连接。在随后的一秒钟安大略和纽约会分离。有15%的负荷在纽约州自动断开,当安大略试图重新平衡它的系统时,大约25MW的安大略负荷自动中断。
4:10:50-4:11:57 PM—安大略与尼加拉瓜瀑布的西部和圣劳伦斯西部分离。康涅狄格西南部与纽约分离,并断电。
  33. 4:10:50–安大略系统、尼加拉瓜瀑布的西部和圣劳伦斯西部与纽约分离。
  34. 4:11:22—长山―洋李树345Kv
  35. 4:11:57 –位于安大略和密执安东部的剩余输电线路分离
  安大略-纽约在4:10:50的分离,尼加拉瓜和圣劳伦斯的纽约与安大略大型水力和火力发电机组以及765KV直流电网与魁北克相互连接,与纽约系统连接,支持纽约北部安大略南部的需求。靠近尼加拉瓜的三条输电线路在4:10:56时自动恢复了安大略与纽约的连接,另一个4500MV的安大略需求自动中断。在4:11:10尼加拉瓜线路再一次断开,并且纽约和安大略再次分离。安大略大部分地区在这一分离后断电。在全部大约24000MW电力需求中,有22500MW的电力缺口。纽约岛东部断电的只是零散分布的一些小用户。纽约岛西部继续向该岛地区提供50%的电力需求。
  当长山-洋李树(与纽约的快乐山谷分站连接)断开时,只剩下西南的康涅狄格与纽约通过138KV电缆相连,这条电缆跨越了长岛声(Long Island Sound)。康涅狄格西南部大约500MW的需求被电网操作自动的中断。22秒钟后,长岛声电缆断开,把康涅狄格的西南部孤立成岛并断电。

  4:13 PM―级联序列基本完成
  东部互联网的北部大部分地区(上述地图中画点状线的地区)断电。一些独立发电的地区保持在线几分钟。在一些发电需求平衡联系紧密并能维持的地区仍维持运行供电。其它发电机最终跳闸,那些由它们供电的地区也断了电。在纽约西部一个对大岛维持运行供电大约需5700MW的电力。这一供电由安大略湖南部位于尼加拉瓜和圣劳伦斯发电站的安大略发电机维持。同样也提供了765KV直流电给魁北克省。这个岛成为纽约和安大略省电力恢复的基础。
结束语
  2003年8月14日发生的断电事件序列总结出了发生于这场广泛而又复杂的系统事故之前和期间的许多重大事件。这些问题都在2003年9月10日的调查中被反映出来,并得到鉴别和验证。在美国与加拿大断电事件特别联合调查组确切地并令人信服地陈述发生了什么并为何发生之前,必须要完成大量数据资料的收集、分析和研究工作。我们对所描述事件的理解,还包括那些没完全列举出来的事件,都将随着调查的深入而发生变化。联合调查组未来的报告将包括一个更详细的时间表,并给出这些事件的因果关系。

 

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