Энергетический кризис в США: работа над ошибками

С момента крупнейшей энергетической аварии в США и Канаде, которая оставила без электричества более 50 миллионов человек, прошло уже около полугода. В свое время эта энергетическая катастрофа породила массу слухов и домыслов. Звучали даже мнения, что это четко спланированный террористический акт с помощью информационных технологий. Тогда четкого объяснения причин произошедшего никто дать не решился.

Эксперты выдвигали несколько версий произошедшего. Первая — критический сбой произошел на Ниагарском энергетическом узле на границе между двумя странами из-за попадания туда молнии или из-за пожара. Следующей версией стали неполадки на АЭС в Пенсильвании. В качестве одной из версий фигурировал компьютерный вирус. Сегодня нет ни домыслов, ни слухов. Cam-bridge Energy Research Associ-ates (CERA), Независимый системный оператор Новой Англии, Независимый системный оператор Нью-Йорка и Эксперт по инженерным вопросам General Electric дали ответ на интересующий всех вопрос: что же все-таки произошло?

Как это было
Напомним, что многие города США и Канады 14 августа 2003 г. остались без электроэнергии в результате мощнейшего сбоя в работе энергосистем. Несмотря на то, что американская энергия самая дешевая в мире (цена на электричество в США на 37% ниже, чем в Европе, и на 73% — чем в Японии), а на долю Америки приходится треть земного энергопотребления, энергосистема США остается самой уязвимой, устаревшей и ненадежной из всех систем жизнеобеспечения страны.
Как считают операторы американской энергетической системы, за последнее десятилетие спрос на электроэнергию увеличился на 30%, в то время как передающие мощности увеличились только на 15%. Система электропередачи с трудом выдерживает непомерные ежедневные нагрузки. Несмотря на огромные финансовые ресурсы, Штаты на протяжении последних лет ничего не инвестируют в свою энергосеть. Тысячи электростанций, вырабатывающих электричество, подключены к единой сети высоковольтных линий электропередачи (ЛЭП). Провода ЛЭП ведут к региональным центрам распределения, распределяющим нагрузку по местным сетям, которые и доставляют электричество в дома.
За бесперебойной работой сетей на всех участках следят автоматические системы безопасности энергосистемы. Их задача — в случае отказа одной из сетей или при перегрузке системы "перекинуть" нагрузку на работающие сети. Как считают некоторые независимые западные энергетики, именно система автоматического перераспределения нагрузок и привела к каскадному отключению электроэнергии, которое произошло в четверг 14 августа.
Когда происходит сильный скачок напряжения или, наоборот, его падение, система начинает перераспределять электроэнергию по другим сетям, чтобы компенсировать нагрузку на поврежденный участок. В данном случае нагрузка на сеть была так велика, что попытка компенсировать ее привела к тому, что включилась другая автоматическая система, которая заблокировала линии и "выключила" электростанции.
Специалисты отмечают, что если бы автоматическая система безопасности не сработала, во тьму погрузились бы все Соединенные Штаты.

Мнение экспертной комиссии
Электростанции и линии электропередачи США строились для снабжения ближайших потребителей — средняя длина ВЛ около 60 км. Надежность энергоснабжения потребителей достигалась простым увеличением количества ВЛ, отходящих от одного источника. Межсистемные линии электропередачи образовывались "сами собой" при географическом сближении региональных ВЛ. Основной класс напряжения региональной распределительной сети — 345 кВ.
Энергосистема Америки спроектирована так, чтобы в случае возникновения неблагоприятных условий в сети (повышенное или низкое напряжение, колебания частоты, перегрузки по току или по мощности), подвергающих опасности надежную работу линий электропередачи или электростанций, оборудование автоматически отключалось от сети. Повреждение сети, если допустить его возникновение, сделает восстановление ее работы более трудным и дорогостоящим.
Все энергосистемы работают параллельно, кроме энергосистем канадской провинции Квебек, которые отделены вставками постоянного тока. Во всех штатах, пострадавших от аварии, проведена рыночная реформа в энергетике. Созданы независимые поставщики электроэнергии, но не предусмотрено обязательное разделение вертикально интегрированных компаний.
Вся энергосистема управляется независимыми системными операторами (18О), которым вертикально интегрированные компании передали в управление сети в соответствующих регионах. Работа энергосистем штата Мичиган и Огайо координируется недавно созданным MISO.

Хроника событий
16:10:45 — отключилась Branchburg-Ramapo 500 кВ. С этого момента Восточная энергосистема разделилась на две части.
16:10:55 — Нью-Йорк разделился в сечении восток-запад, Новая Англия (за исключением юго-запада Коннектикута) и Меритайм отделились от Нью-Йорка и остались неповрежденными.
В западной части Нью-Йорка остался в работе крупный остров с нагрузкой потребления около 5700 МВт. Его работа обеспечивалась электростанциями на юге озера Онтарио (генераторами на Ниагаре и реке св. Лаврентия, а также по постоянному току с Квебеком. От этого острова восстанавливался как Нью-Йорк, так и Онтарио.

Цифрами указана последовательность отключения линий электропередачи и электростанций:
1. 14:00 — отключается угольная электростанция компании FirstEnergy в Истлэйк (680 МВт).
2. 15:06-15:41 — отключаются три линии электропередачи 345 кB, принадлежащие компании FirstEnergy.
3. 15:46 — отключается линия электропередачи компании АЕР (345 кB), соединенная с линиями FirstEnergy.
4. 16:09 — отключаются потребители компании Cleveland Public Power.
5. 16:10 — отключается угольная электростанция около Grand Heaven.
6. 16:11 — отключается 9-й блок угольной электростанции Orion Avon Lake в Avon Lake.
7, 8. 16:11 — отключаются атомные реакторы в Perry и Oswego.
9, 10, 11. 16:12 — отключаются атомные электростанции Bruce Nuclear Station, Ginna nuclear plant, Nine mile point.
12. 16:16 — отключается атомная станция Oyster Creek.
13. 16:17 — отключается атомная станция Enrico Fermi Nuclear Plant.
14. 16:25 — отключаются атомные станции Indian Point 2 и 3.

Авария характерна для "плотных" электрических сетей и могла быть предотвращена лишь на начальной стадии, до выхода ее из одной зоны оперативно-диспетчерского управления. Энергетическая катастрофа свелась к каскадному отключению ряда линий из-за последовательно развивающейся их перегрузки. Она сопровождалась лавиной напряжения, которая возникала вокруг и внутри центров нагрузки северного Огайо и восточного Мичигана и привела к снижению напряжения и останову по этой причине электростанций в аварийном регионе. Все это сопровождалось колебаниями частоты и мощности, ликвидацией асинхронных ходов на первом цикле дистанционными защитами.

Основная причина этого — отключение линий электропередачи в штате Огайо вследствие перегрузки, последовавшей за аварийным отключением электростанции и плановым отключением генераторов на другой электростанции. Среди других причин называются:
1. Отсутствие централизованной системы оперативно-диспетчерского управления.
2. Отсутствие противоаварийной автоматики, предотвращающей нарушение устойчивости.
3. Недостаточная эффективность автоматической частотной разгрузки (АЧР).
4. Отсутствие автоматики, обеспечивающей живучесть электростанций при значительных дефицитах мощности.

В то же время оперативно-диспетчерская система управления не соответствует сложившейся системе рыночных взаимоотношений между субъектами рынка. Отсутствует идеология построения системообразующей сети линий электропередачи. Стандарты надежности американских соединенных энергосистем не являются обязательными для исполнения.
Действующие в Америке стандарты надежности не могут отменять рыночные решения для достижения надежности, то есть рыночные решения имеют приоритет перед надежностью. Не обеспечен приоритет надежности перед коммерцией.
Создание рынков электроэнергии порождает конфликт между стремлением к достижению максимальной эффективности рынка и ограничениями, налагаемыми необходимостью сохранения надежности режима работы энергообъединения. В Америке внедрение рынка значительно опередило законодательную и технологическую подготовку методов управления энергосистемами к работе в рыночных условиях.

Вертикально интегрированным компаниям проще обеспечить приоритет общей надежности перед коммерческой выгодой отдельных электростанций (за счет административного ресурса). Однако практика показывает, что в вертикально интегрированных компаниях системные аварии с самыми тяжелыми последствиями возникали и возникают. Специфика рынков не влияет на распространение аварии, если технологическое управление соответствует специфике рынков.
Всего массовыми отключениями электроэнергии были охвачены крупнейшие города в северо-восточной части США (в штатах Нью-Йорк, Огайо, Мичиган, Пенсильвания, Коннектикут, Нью Джерси) и Канады (Торонто, Оттава). Общая потеря нагрузки составила 61.800 МВт. В течение трех минут — с 16:10 до 16:13 — отключилась 21 электростанция включая 10 АЭС.
Авария в системе электроснабжения является самой крупной по количеству лишенных электричества людей за всю историю США. Без электроснабжения остались 50 миллионов человек, проживающих на территории около 24 тысяч квадратных километров.
Сразу после аварии, в том числе в ночное время, была организована интенсивная работа по восстановлению питания потребителей. Энергоснабжение Нью-Йорка было восстановлено за 24 часа, а в течение 44 часов было подано энергопитание всем потребителям.

История энергетических аварий
Вторая половина августа 2003 г. побила все рекорды по крупным авариям в системах энергоснабжения разных стран мира. Ниже следует хроника крупнейших отключений электричества.

14 августа 2003 г. в ряде крупнейших городов восточного побережья США и Канады произошла техногенная катастрофа, получившая название "Блэкаут 2003". Восстановление энергоснабжения заняло до 30 часов. Финансовый ущерб, нанесенный США в результате масштабного отключения электроэнергии в восьми северо-восточных штатах страны, составляет не менее шести миллиардов долларов.

18 августа 2003 г. из-за аварийного отключения энергосистемы Грузии была прекращена подача электричества по всей стране включая объекты жизнеобеспечения. Десятки тысяч пассажиров застряли в вагонах поездов метро и на станциях Тбилисской подземки. В большинстве городов Грузии не подавалась вода, так как отключилось электричество на водонапорных станциях. По предварительным данным, этот сбой стал результатом диверсии, которая отключила ИнгуриГЭС — крупнейшую в стране.

Вечером 27 августа 2003 г. свыше 200 тыс. жителей американской столицы — Вашингтона — и его пригородов остались без света из-за сильной грозы с градом и порывами ветра, превышающими 100 км в час. Вызванное попаданиями молнии и обрывами проводов отключение электроэнергии привело к сбою в работе Вашингтонского метро и отказу нескольких сотен светофоров на улицах города и в пригородах.

28 августа 2003 г. сбой в энергоснабжении затронул центральные и юго-восточные районы Лондона. Встали поезда на центральных линиях Лондонской подземки, пассажиров эвакуировали из остановившихся между этажами лифтов. Нарушилось движение пригородных поездов, и в самый час пик погасли светофоры на 270 лондонских перекрестках. Сбой в энергоснабжении британской столицы продолжался около 34 минут. По данным энергоснабжающей компании, авария "стала результатом нелепой случайности".

Август 2003 года стал, безусловно, рекордным по авариям в энергоснабжении, но отключения, в том числе и крупномасштабные, были и раньше.

Ноябрь 1965 г. — в результате отключения электроэнергии без света остались 30 миллионов человек в семи штатах США и двух провинциях Канады.

Июль 1977 г. — из-за попадания молнии в линию электропередач на 25 часов была прервана подача электричества в Нью-Йорк.

4 мая 1993 г. — вся Грузия осталась без электричества. Причину аварии установить не удалось. Через 38 минут после отключения электричество с резервных генераторов стало поступать в Тбилисский метрополитен и на объекты жизнеобеспечения.

15 ноября 1994 г. Грузия практически прекратила выработку электроэнергии в результате аварий на двух электростанциях: Ингурской ГЭС и Тбилисской ГРЭС. Из-за острейшего дефицита электроэнергии практически остановилась промышленность, сложилось тяжелое положение с хлебом, который распределялся среди населения.

18 января 1995 г. Тбилиси и вся Восточная Грузия остались без электроэнергии в результате аварии на Тбилисской ГРЭС. Были отключены практически все телефоны.

Апрель 1996 г. — из-за аварии на электростанции, снабжающей электроэнергией Лондонский метрополитен, была парализована работа подземки, в тоннелях остановились поезда, заполненные пассажирами.

Апрель 1996 г. — перерыв в энергоснабжении лондонского метро привел к остановке поездов. Около 30 пассажиров, застрявших на станции "Эрлз Корт", были госпитализированы с поражением верхних дыхательных путей;

22 ноября 1996 г. из-за аварии на электростанции, снабжающей электричеством Лондонский метрополитен, была парализована работа подземки, в тоннелях остановились поезда. Авария произошла в 21:45, а подача электричества возобновилась после полуночи. Поезда доходили до ближайшей станции и высаживали людей. Обошлось без пострадавших.

Октябрь 1997 г. — неустановленные злоумышленники отключили электроэнергию в Сан-Франциско.

Декабрь 1998 г. — в Сан-Франциско не было электричества на протяжении семи часов.

Июль 1999 г. — в Нью-Йорке не было электричества 19 часов.

Подготовил Александр ПАНИЧ