北美电网停电事件.docx
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北美电网停电事件
北美电网停电事件
第一部分案例描述
摘要：
2003年8月14日下午，美国东北部和加拿大安大略省电网发生大面积停电事故。
事故原因为一系列偶然事件的叠加，该事故是北美历史上最大规模的停电事故，经济损失高达300亿美元，5000万人的生活受到影响，大停电至少造成8人死亡，21座发电站受损。
一、背景信息
在美国东北部地区，这里是美国的心脏，是全美工商业最为发达的地区，拥有世界上最大的都市群——纽约市。
在其北部的加拿大安大略省，这里是加拿大的制造业中心，是加拿大工业的命脉，并且有着渥太华等大都会。
电力能源是21世纪最重要的能源，美国是世界上最大的电力消费国。
在美国，有着不同于中国的电网运营模式，美国没有所谓的公有制的“国家电网”公司，只有2家大型电网和3个小型电网组成，分别是北美东部电网、北美西部电网两大同步电网，德克萨斯州电网、阿拉斯加电网和加拿大魁北克电网三个规模较小的运营公
时间内都无法恢复，根据规程这样的例行检查时间一般都会错开用电高峰期。
此外第一能源公司并未将这一状况告知其他公司或机构，这违背了NERC的规则。
3.意外之事
在8月14日15时05分之前，发生了三起意外事件，分别是13时31分第一能源东湖5号机组停止营运；14时2分代顿光电公司的线路跳闸以及从斯图亚特至亚特兰大的345KV线路俄亥俄段发生跳闸。
4.总结
判断电网是否可靠是一件非常重要的事情，在8月13日15时5分以前，从技术角度来说，整个东北部的电网还是安全的，但是危机正在逐步逼近，电网的储备电力供给已经不是很充分，一些地区已经接近了NERC所制定标准的极限，并且逐步丧失了对意外状况的抵抗力。
三、事件展开
第一阶段午后电压的异常波动
8月14日的午后，并没有发生什么异常情况。
电力供应基本满足了大量使用空调所带来的额外负荷。
此时，克利夫兰的两座重要发电站（戴维贝斯和东湖5号）都已经停止了工作，东湖5号机组退出供电序列使得线路负载显著地增加，但是依然维持在额定值之内（第一能源公司的标准值要低于美国电力公司以及PJM公司）。
15:
05第一能源公司Harding-Chamberlin线路跳闸以后，此时整个线路还没有超过正常值，但是电压已经开始剧烈波动，系统已经没有任何能力应付其他的意外情况。
然而随后发生的计算机故障导致了第一能源公司丧失了感知整个系统状态的能力。
14时2分，代顿光电斯图亚特至亚特兰大345千伏线路发生跳闸，这条线路与第一能源的电力网络并没有直接的联系，但是故障导致这条线路的数据始终无法上载，这使得中西部电网运营管理系统（MISO）无法进行计算评估，影响了它作为可靠性协调者的功能。
因此，当东湖5号机组停运时，MISO无法估算这个事件对于系统的影响，也就无法发出警报。
在8月14日下午的早些时候，第一能源公司报告中西部的电力需求急剧上升。
公司的可靠性操作员注意到了在13时13分开始的电网电压不稳的情况，相关的发电机组启动了自动电压稳定模式。
根据操作流程，可靠性操作人员要求发电站提供更多的电压支持，并且意识到整个电网都处在电压不稳的情况下，有些地方已经处于或者接近了负荷的极限。
这时，可靠性操作员开始给第一电力旗下发电站打电话，要求他们不得降低电力供给，并且试图接入早先因为例行安全检查而退出供电序列的AVON继电器设备，但是这样的设备短时间内难以启动。
随后，在13时31分，东湖5号发电机退出供电序列，第一能源公司的可靠性工作人员注意到电压的情况还在恶化。
在13时43分，操作人员再一次打电话要求发电站提供更多的电压支持，尽管情况严峻，第一能源公司的技术人员仍然认为这只不过是平常所面临的用电高峰状况，而且并不会持续多久。
第二阶段计算机失灵
从大约14时14分开始，第一能源公司控制室里发生一件事情，整个计算机系统的发生故障无法获得任何信息，警报功能也失灵。
当时没有工作人员注意到这一情况，紧随其后，电子监控系统发生故障，无法远程操控设备，主服务器断线。
主服务器控制着警报功能，备用系统于14时54分介入，然而在这将近一个小时的时间里，整个第一能源公司控制室里的操作人员都没能注意到计算机的故障。
尽管公司的IT人员已经知道了系统故障，并且试图修复它们，但是由于警报功能失灵，再加上其他的状况，此时第一能源公司控制室里的操作人员并没有意识到整个电网正在酝酿着崩溃，他们没有获得情况变化的最新数据，也无从做出反应。
第三阶段三起345千伏变电站跳闸事故
从15时5分41秒到15时41分35秒，三条345千伏线路发生跳闸，与此同时，电力已经处于变电线路所能承受的最低水平。
一条线路所在的地区树木生长的过于高大，侵占了送电线路所必须的空间，在风的作用下拉断了两座铁塔之间的电线，进而发生线路跳闸，一起跳闸发生了连锁反应，高压电不得不经由其他线路输送，对本已经脆弱的线路来说，更是雪上加霜，本已不稳定的电压开始逐渐失控。
第四阶段俄亥俄州北部138千伏线路全面崩溃
随着克利夫兰地区三起345千伏线路跳闸，急剧升高的负荷与急剧降低的电压使得克利夫兰与阿克伦地区的138千伏线路过载。
15时39分，16条138千伏线路开始逐渐崩溃，继电器的数据显示所有的线路都发生了接地故障。
随着这些线路的崩溃，电压急剧降低，在工业用电端，大量的电压敏感设备自动切断电源，以防止设备被伤害。
随后138千伏电网被切断，位于阿克伦以及西部和南部的城市失去了电力支持，这么做虽然使得线路状况有所缓解，但是在随后发生的大崩溃面前，还是无能为力。
第五阶段俄亥俄州北部、密歇根州中南部345千伏变电站崩溃
自从第一能源公司的Sammis-Star345千伏线路与其所辐射的138千伏线路全线故障之后，俄亥俄州北部巨大的用电负荷彻底缺乏了电网支持。
密歇根州西部与西北部的线路过载导致了一连串的发电站线路故障。
第六阶段全面崩溃
8月14日16时10分36秒至16时13分，整个电网因为过载发生了数千起事故。
自动程序暂时将事故平息下来，但是此时，美国东北部与加拿大渥太华省的大部分地区陷入了黑暗。
第七阶段电力“孤岛”形成
在短短的3秒钟之内，因为东部地区内部电网的自动断开，一些地区所有的接入电源被切断，彻底的失去了电力，最终形成了电力“孤岛”。
断电引发了一系列的次生事件：
14日纽约市发生60起严重火灾，电梯救援行动多达800次，紧急求救电话接近8万次，急诊医疗服务求助电话也创纪录达到了5000次。
15日早上，尽管电力供应部分得以恢复，但由于地铁停开，交通信号灯仍没有恢复正常，成千上万的纽约市民一大早起来显得有些手足无措，街头景象忙乱不堪。
15日，美国密歇根州和俄亥俄州部分地区又开始面临缺水威胁，密歇根州东南部的5个县进入紧急状态，俄亥俄州的克利夫兰市，100多万居民14日晚靠国民警卫队运来的水度过了一个夜晚。
重要时点事件一览:
1.12:
15-16:
04MISO的实时状态监控系统故障、无法提供可靠性评估。
2.13:
31:
34俄亥俄州北部的东湖5号发电机组退出供电序列。
3.14:
02斯图亚特至亚特兰大345千伏线路俄亥俄州南段发生跳闸。
4.14:
14第一能源公司报警系统发生故障，并且电子系统与控制室的操作人员都未发现报警系统的故障。
5.14:
20多组第一能源公司的远程监控系统故障，第一能源公司的IT工程师试图解决问题。
6.14:
27:
16Star-SouthCanton345千伏变电站发生跳闸，并且很快修复。
7.14:
32美国电力公司向第一能源公司控制室核对Star-SouthCanton345千伏变电站跳闸事件，而第一能源的控制室对此事一无所知。
8.14:
41第一能源的主控计算机故障，这台计算机负责所有的警报功能，其所有的职能被移交给备用计算机。
第一能源的IT工程师尝试对计算机故障进行修复。
9.15:
05:
41Harding-Chamberlin345千伏线路跳闸。
10.15:
31-33MISO向PJM公司核实是否发生斯图亚特至亚特兰大345千伏线路俄亥俄州南段跳闸，PJM公司证实此事。
11.15:
32:
03Hanna-Juniper345千伏线路发生跳闸。
12.美国电力公司通知PJM公司开始向Star-SouthCanton线路提供额外的电力支援以减轻过载，此时美国电力公司并不知道Hanna-Juniper345千伏线路发生跳闸。
13.15:
36MISO通知第一能源公司注意star-Juniper345千伏线路的安全性，而MISO并不知道Hanna-Juniper345千伏线路已经发生跳闸。
14.15:
41:
33-41Star-SouthCanton线路跳闸被修复，但是在15:
41:
35再次发生跳闸。
美国电力公司开始与PJM公司讨论备用电力方案。
15.15:
39:
17欢乐谷至西阿克伦138千伏线路发生跳闸，但是很快被恢复。
15:
42:
05欢乐谷至西阿克伦138千伏线路发生跳闸，并再度被恢复。
15:
44:
40欢乐谷至西阿克伦138千伏线路第三次发生跳闸，并被锁死。
16.15:
42:
49CantonCentral-Cloverdale138千伏线路发生跳闸，并且故障，但是很快被修复。
15:
45:
39CantonCentral-Cloverdale138千伏线路再度跳闸，并被锁死。
17.Cloverdale-Torrey138千伏线路发生跳闸。
18.15:
44:
12EastLima-NewLiberty138千伏线路发生跳闸。
19.15:
44:
32Babb-WestAkron138千伏线路发生跳闸，并且发生接地故障，被锁死。
20.15:
45:
40卡顿中心345/138千伏变电站因断路器被多次人工操作发生跳闸并被锁死，该变电站直接与第一能源公司的Cloverdale发电站相连接。
21.15:
51:
41EastLima-N.Findlay138千伏线路跳闸，并且仅恢复了EastLima端。
22.15:
58:
47Chamberlin-WestAkron138千伏线路跳闸，15:
51:
41FostoriaCentral-N.
Findlay138千伏线路跳闸并被恢复，而且没有被锁死，15:
59:
00WestAkron因断路器故障造成母线跳闸，并引起其他5条138千伏线路跳闸。
23.15:
59:
00WestAkron138跳闸。
24.15:
59:
00WestAkron-Aetna138千伏线路接通。
25.Barberton138千伏线路WestAkron端恢复，WestAkron-B18138千伏线路连接中断器打开，导致WestAkron138/12千伏变电站3、4、5端口故障。
26.15:
59:
00WestAkron-Granger-Stoney-Brunswick-WestMedina线路接通。
27.15:
59:
00WestAkron-PleasantValley138千伏东段线路接通。
28.15:
59:
00WestAkron-Rosemont-Pine-Wadsworth138-千伏线路接通，从16:
00至16:
08:
59四条138千伏线路跳闸，Sammis-Star345千伏线路因为高电流与低电压而跳闸。
29.16:
05:
55Dale-WestCanton138千伏线路因为树木的原因跳闸，随后，仅在WestCanton端恢复。
30.16:
05:
57Sammis-Star345千伏线路跳闸。
31.16:
06:
02Star-Urban138千伏线路跳闸。
32.16:
06:
09Richland-Ridgeville-Napoleon-Stryker138千伏线路因为过载而跳闸，并且全线路锁死。
33.16:
08:
58俄亥俄州Central-Wooster138千伏线路跳闸，EastWooster-SouthCanton138线路被自动程序修复接通。
34.16:
05:
57Sammis-Star345千伏线路因3区的继电器故障发生跳闸。
35.16:
08:
59Galion-OhioCentral-Muskingum345千伏线路因3区的继电器故障发生跳闸，这直接导致了纽约州、渥太华地区与密歇根州的大部分地区电压出现大幅波动。
36.自16:
09:
08至16:
10:
27，几座重要的发电站发生故障，退出供电序列，总共损失93.7万千瓦。
37.16:
10:
36至16:
10:
37，密歇根州的变电站与发电站发生跳闸：
16:
10:
36Argenta-BattleCreek345千伏线路跳闸；16:
10:
36.3Argenta-Tompkins345千伏线路跳闸；16:
10:
36.8BattleCreek-Oneida千伏线路跳闸；16:
10:
37Sumpter第1、2、3、4、发电机组发生故障，底特律损失了30万千伏的电力供给；MCV发电站因线路过载保护，96.3万千瓦下降到10.9万千瓦。
38.16:
10:
37至16:
10:
38密歇根州西部和东部开始分流，16:
10:
38.2Hampton-Pontiac345千伏线路跳闸。
16:
10:
38.4Thetford-Jewell345千伏线路跳闸。
39.16:
10:
38克利夫兰市全面停电，16:
10:
38.6巨大的线路负荷席卷了宾夕法尼亚州、新泽西州、纽约州、渥太华地区以及密歇根州。
40.俄亥俄州北部与密歇根州东部的电压进一步下降，在16:
10:
39至16:
10:
46，更多的变电站，发电站发生故障。
16:
10:
39.5俄亥俄州与密歇根州东部线路全线故障。
俄亥俄州发生欠频与负荷限制。
第一能源公司紧急提供175.4万千瓦电力，美国电力公司提供13.3万千瓦电力。
俄亥俄州七座电站共计329.4万千瓦电力供给丧失。
底特律附近四座共计175.9万千瓦电力供给损失。
41.16:
10:
39HomerCity-WatercureRoad345千伏线路跳闸，16:
10:
39HomerCity-StolleRoad345千伏线路跳闸，16:
10:
44SouthRipley-ErieEast230千伏线路以及SouthRipley-Dunkirk230kV千伏线路跳闸，16:
10:
44EastTowanda-Hillside230千伏线路跳闸。
42.16:
10:
43至16:
10:
45新泽西州与渥太华地区北部的变电线路断联，东北部的一些地区电力输送切断。
43.16:
10:
46至16:
10:
47纽约州至新英格兰地区的线路断联。
44.16:
10:
49纽约州来自东部的电力全部断联。
45.16:
10:
50渥太华地区尼亚加拉大瀑布与圣劳伦斯河西部地区电力中断，这些地区都与纽约州电网直接相连。
46.16:
11:
22康涅狄格州西南部全部断电，这些地区都与纽约州电网相连接。
47.16:
11:
57渥太华地区与密歇根州东部的还在支撑的变电线路全部瘫痪。
四、尾声
8月14日发生大停电本质上来说是一场在电力供给与电力需求之间的竞赛，大停电最肤浅的原因就是电力需求大于电力供给。
8月14日当天，当电压不足的情况传到中西部电网时，所有位于受影响地区的发电站都开始将发电能力提高到最高水平。
在东部，特别是PJM电力公司、纽约电力公司、新英格兰地区的电力公司预知到了将会在下午出现用电高峰，所以积极调配了电力供给储备，在需要时及时将储备电力并网，没有使他们所处的区域发生更大范围的跳闸与停电。
第一能源公司启动“黑启动”预案，逐步恢复了发电站供电能力，并且抢修跳闸的线路。
自14日21时开始，纽约市开始恢复电力，并且采用轮流停电的策略，尽可能地降低停电对市民生活造成的不便，经过29小时的抢修，绝大部分地区电力完全恢复。
发电站是电网中非常重要的环节，当电网的电流变得不稳定时，发电站的保护装置会主动切断电源以保护发电机组免受伤害，部分核电站出于安全考虑会主动降低反应堆堆芯温度，这些做法虽然对安全来说很有必要，但是对于电网电力恢复来说，却是一个不利因素。
重启核电站需要一个较长的时间过程。
在一些电力“孤岛”地区，电力恢复时间较长主要是因为以上的原因。
随后从16:
10:
39开始，俄亥俄州增加了188.3万千瓦的电力供给，密歇根州提供了总计283.5万千瓦的电力供给，纽约州通过采取若干措施，总计提供了1064.8万千瓦的电力供给，PJM自16:
10:
48开始公司分三个阶段为新泽西州北部提供了132.4万千万的电力供给，渥太华省自16:
10:
04开始分两个阶段提供了总计180万千万的电力供给，新英格兰州提供了总计109.8万千瓦的电力供给。
以上措施使得大部分地区的电力得到恢复。
本次停电影响了超过5000万人以及618,000万千瓦的电力负载，涉及地区包括俄亥俄州、密歇根州、宾夕法尼亚州、纽约州、佛蒙德州、马萨诸塞州、康涅狄格州、新泽西州以及加拿大的渥太华省。
根据估算，本次事故在美国造成30亿美元的损失，在加拿大造成不少于23亿加元的损失。
第二部分经验教训分析
一、预防准备
●根据美国电网行业的组织架构，由各地区的可靠性协调员来负责估算电网系统的可靠性。
8月14日，俄亥俄州的可靠性协调员为MISO。
●由北美电力可靠性委员会（NERC）制定相关的电压电力执行标准。
●第一电力公司制定了相关的“黑启动”预案
●美国境内的发电站都建立了完善的自我保护装置，在线路电压不稳或者不安全的情况下会自动跳闸，切断与电网的联系保护昂贵的发电站。
在核电站，其保护措施更为严格，会降低核反应，防止发生核灾难。
二、形势研判
●警报故障
在8月14日14时14分，第一能源公司控制室报警系统发生故障，并且电子系统与控制室的操作人员都未发现报警系统的故障，此时数据已经不能更新。
在日常的操作中，管理人员高度依赖警报系统做出判断，此时，管理人员完全不知道危机正在逼近。
●MISO系统故障
在8月14日，作为系统可靠性协调员的MISO因为Cinergy’sBloomington-DenoisCreek线路故障，无法上载数据，导致MISO的RTCA软件无法计算评估整个系统的可靠性。
丧失了对整个时态的感知能力。
●修复未成功
第一能源公司的IT部们意识到主计算机故障，开始试图修复。
此时的第一能源的操作人员可以绕过远程监控系统直接对获得网络信息，并实施控制，但是并没有这么做。
现代电网的运行高度依赖计算机的帮助，在8月14日大停电事故的萌芽阶段，一系列的计算机故障，使得第一能源公司，MISO，美国电力公司等部门丧失了对时态的感知能力，尤其是第一能源公司，当天全天都无法感知系统的情况。
相关的部们也没有及时修复这一故障。
五、协调协同
●沟通不利
13:
31:
34第一能源公司旗下的东湖5号发电站应为例行检查，退出了电网供电序列，这个重要的信息并没有使得第一能源公司以外的机构获知，这么做违背了NERC所制定的规则。
这也是造成当天大停电的重要原因之一，至少可以说，如果这个信息被及时发布，当天的大停电就不会发生。
●电话沟通
8月14日当天下午，加拿大收到了来自MISO,AEP,PJM电话，但是没有意识到危机正在发展。
2:
32美国电力公司告知第一电力公司检查Star-S.Canton的状况。
3:
36MISO告知第一电力公司Hanna-Juniper线路因过载而发生故障（实际上是因为树挂断了线路）。
3:
45园林队伍电话告知第一能源公司Hanna-Juniper线路被树木损坏，在3:
48分与3:
56分PJM公司告知第一能源公司与MISO，注意第一能源公司的电网状况。
●发电站的自我保护机制
发电站有一整套完善的自我保护程序，当电网电压发生波动，或者线路负荷过大时，出于安全考虑，发电站会自动切断与电网的链接。
不可否认这一机制是非常有效的，在14日当天，受影响地区当天有263座发电站，531组发电机组从电网断联，并以无一受到损害。
核电站的保护措施更加严格，所有的核电站都降低了堆芯温度，部分核电站的反应完全关闭，这也造成了一些严重依赖核电站的地区电力恢复比较慢。
但是保护机制也有弊端，突然间失去大量电力是造成大停电的直接原因之一。
在14:
14-14:
48这一段时间内，因第一能源公司的计算机系统发生故障，信息的交流只能够通过电话进行交流，客观地说，尽管第一电网最开始没有按照NERC的规则，但是整个后续的沟通还是有效的，但是因为许多意外事件的累积叠加，此时事故已经不可以免地发生了。
发电站的自动断电机制有利有弊，利好是保证了发电站的安全，避免发生更大的事故，而且为恢复阶段提供了电力。
不利的方面是大面积的自动断电导致了电网更加不稳定，最终导致崩溃，有效地沟通为后来的快速恢复奠定了基础，各公司共享了信息，调集了各自管辖的资源避免了更严重的后果。
六、危机沟通
电力供应对于美国这样的发达国家的重要性不言而喻，在停电事故发生后，引发了积极严重的次生问题，超市所储备的果蔬肉类腐烂、因电网跳闸或者采用蜡烛等明火照明所引发的火灾、因交通信号灯断电无法正常工作而引发的交通大混乱、因机场设施停电导致超过400架航班取消，大量旅客滞留机场，纽约市地铁停运，乘客不得不在黑暗的车厢里等待，尽管有备用电源，但是纽交所以及一些银行还是停止营业，ATM机也无法使用，北美防空司令部也受到影响。
因为缺少食物、警力不足、陷入黑暗等原因，一些地区的犯罪率上升，不少超市遭到抢劫，至少8人在暴力犯罪中伤亡。
●联邦政府
8月14日晚些时候，时任美国总统布什在加利福尼亚州发表电视讲话，他说，“受大面积停电影响的那些人的生活不会马上恢复正常，但我们正在处理这起重大的、全国性的问题。
”他在电视上看到大家对这一事件反应平静，真令人高兴，“跟两年前相比，我们现在处理紧急事件更加组织有序了。
”他强调了“虽然事故原因还未查明，但是本次事件绝不是恐怖袭击。
”。
由于纽约市曾受到9.11恐怖袭击的影响，公众普遍存在恐惧心理，布什总统的讲话对于稳定公众情绪具有重要的作用。
●纽约州政府
纽约州宣布一些地区进入紧急状态，国民警卫队上街维持治安并且帮助运输食品、饮用水以及备用发电机所使用的燃油。
州政府非常及时的公布了相关电力信息，且信息透明，对稳定民心起到了重要的作用。
民防部门迅速启动了相关应急预案。
在14日晚，纽约州处于治安考虑宣布宵禁。
●纽约市政府
作为在紧急状态下民众和政府联系的纽带，纽约市911紧急事务电话系统和311便民电话系统在救援行动过程中始终保持畅通，纽约市警察、消防和卫生部门在14日和15日两天的时间里对15万个求救电话做出了回应。
纽约市警察局启动了灾难应急计划，向全市增派了成百上千名警员。
警察们来到重要路口指挥混乱的交通，将道路上拥挤不堪的人群分散以防发生意外，并要求警员严密关注证券交易所、桥梁、大厦等敏感地点。
七、危机终止
●第一能源公司
一方面组织人员进行抢修线路，积极与美国电力公司、PJM协调，修复一条线路，通电一条。
并采用轮流停电的策略尽可能地降低停电对生活的影响。
除此之外采用“黑启动”预案，发电站发电能力逐步恢复。
●其他公司
配合抢修线路，确保自身的发电站运行正常，向第一能源公司所辖网络提供电力支援。
通过电力公司的抢修，最快的地区大停电只发生了12秒，而加拿大的部分地区因为电网相对封闭的原因，以及核电站慢速启动的原因则经过了4天才完全恢复。
最关键的纽约地区在14日当晚21时已经开始陆续通电，整个城区在15日21时之前全部供电。
但是地铁恢复运营则是在15日中午。
总体来说，面临如此规模的停电事故，美国的应急能力是合格的。
八、事后学习
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