电力系统稳定与控制

电力系统稳定与控制

廖欢悦电自101 2

电力系统的功能是将能量从一种自然存在的形式转换为电的形式，并将它输送到各个用户。电能的优点是输送和控制相对容易，效率和可靠性高。为了可靠供电，一个大规模电力系统必须保持完整并能承受各种干扰。因此系统的设计和运行应使系统能承受更多可能的故障而不损失负荷（连接到故障元件的负荷除外），能在最不利的可能故障情况些不知产生不可靠的广泛的连锁反应式的停电。

由此，电力系统控制所要实现的目的：

1.运行成本的控制：系统应该以最为经济的方式供电；

2.系统安全稳定运行的控制：系统能够根据不断变化的负荷变化及发电资源变化情况调整功率

分配情况；

3.供电质量的控制：必须满足包括频率、电压以及供电可靠性在内的一系列基本要求；一．电力系统的稳定性设计与基本准则

首先，一个正确设计和运行的电力系统：

1.系统必须能适应不断变化的负荷有功和无功功率需求。与其他形式的能量不同，电能不能方便地以足够数量储存。因而，必须保持适当的有功和无功的旋转备用。

2.系统应以最低成本供电并具有最小的生态影响

3.考虑到如下因素，系统供电质量必须满足一定的最低标准：

a）频率的不变性

b）电压的不变性

c）可靠性水平

对于一个大的互联电力系统，以最低成本保证其稳定性运行的设计是一个非常复杂的问题。通过解决这一问题能得到的经济效益是巨大的。从控制理论的观点来看，电力系统具有非常高阶的多变量过程，运行于不断变化的环境。由于系统的高维数和复杂性，对系统作简化假定并采用恰当详细详细的系统描述来分析特定的问题是非常重要的。

二、电力系统安全性及三道防线可靠性－安全性－稳定性

电力系统可靠性：是在所有可能的运行方式、故障下，供给所有用电点符合质量标准和所需数量的电力的能力。是保证供电的综合特性（安全性和充裕性）。可靠性是通过设备投入、合理结构及全面质量管理保证的。

电力系统安全性：是指电力系统在运行中承受故障扰动的能力。通过两个特征表征（1）电力系统能承受住故障扰动引起的暂态过程并过渡到一个可接受的运行工况，不发生稳定破坏、系统崩溃或连锁反应；（2）在新的运行工况下，各种运行条件得到满足，设备不过负荷、母线电压、系统频率在允许范围内。

电力系统充裕性：是指电力系统在静态条件下，并且系统元件负载不超出定额、电压与频率在允许范围内，考虑元件计划和非计划停运情况下，供给用户要求的总的电力和电量的能力。

电力系统稳定性：是电力系统受到事故扰动（例如功率或阻抗变化）后保持稳定运行的能力。包括功角稳定性、电压稳定性、频率稳定性。

正常运行状态下，通过调度手段让电力系统保持必要的安全稳定裕度以抵御可能遭遇的干扰。要实现预防性控制，首先应掌握当前电力系统运行状态的实时数据和必要的信息，并及时分析电网在发生各种可能故障时的稳定状况，如存在问题，则应提示调度人员立即调整运行方式，例如重新分配电厂有功、无功出力，限制某些用电负荷，改变联络线的送电潮流等，以改善系统的稳定状况。

目前电网运行方式主要靠调度运行方式人员预先安排，一般只能兼顾几种极端运行方式，且往往以牺牲经济性来确保安全性。调度员按照预先的安排和运行经验监视和调整电网的运行状态，但他并不清楚当前实际电网的安全裕度，也就无法通过预防性控制来增强电网抗扰动的能力。因此，实现电力系统在线安全稳定分析和决策，得出当前电网的稳定状况、存在问题、以及相应的处理措

施，明确地提示给调度员或将新的控制策略下发给有关厂站的稳控装置，即实现预防性控制，这对电网的调度运行来说是很迫切很有意义的。

三、电力系统的稳定问题导论

电力系统可以概括的定义为这样一种电力系统的特性，即它能够运行于正常条件下的平衡状态，在遭受干扰后能够恢复到可以容许的平衡状态。在稳定性评价中，所关心的问题是电力系统遭受暂态扰动后的行为。系统还必须有能力在多种严重的扰动下保持运行。系统对扰动的响应设计大量设备，此外，用来保护单个元件的装置对系统变量变化的响应也影响系统特性。然而，在任何给定条件下，只有有限数量设备的相应是至关重要的。因此，通常作出很多假定来简化问题并集中于那些影响某些特定稳定问题的因素。

由此，我们先将稳定性问题简单的分类讨论:

电力系统稳定性分为电压稳定、频率稳定和功角稳定（静态稳定、动态稳定、暂态稳定）三大类。

（一）功角稳定

功角稳定指系统中各发电机之间的相对功角失去稳定性的现象。

正常情况下，系统中各发电机以相同速度旋转，机间相对转子角度维持恒定，即处于同步运行状态，从而保证系统中任何节点的电压幅值和频率以及任何线路的传输功率为恒定值。

如果系统在运行过程中受到某种干扰，干扰的影响将通过互联的电力网络传到各发电机节点，并使发电机的输出电功率相应发生改变，结果是使得在扰动瞬间各发电机的机械输入转矩和输出的电磁转矩失去平衡，出现发电机转子不同程度的加速或减速，并导致各发电机之间转子相对角的变化。

稳定的实质就是恢复能力，表现在多机系统的功角问题上就是当某台电机的功率平衡关系被破坏后，电机转子的运动将使得其转角位置逐渐超前于其它电机，根据功角特性关系，系统负荷将从转子角滞后的电机转移到转子角超前的电机使得其转速下降，和其它电机之间的转角差缩小。

如这种转子角度的变化过程是随时间衰减的，并能最终恢复到扰动出现前的正常值或达到一个新的稳态值，则认为在这种运行方式和扰动形式下系统是功角稳定的。

如果这种转子角度的变化随时间而加剧，并最终导致发电机间失去同步，则认为系统在该运行方式下对这种扰动形式是功角不稳定的。

1.静态稳定

静态稳定研究的是电力系统在某一运行方式下受到微小干扰时的稳定性问题。假设在电力系统中有一个瞬时性小干扰，如果在扰动消失后系统能够恢复到原始的运行状态，则系统在该运行方式下是静态稳定的，否则系统是静态不稳定的。

静态稳定研究的是系统对微小干扰的适应能力，或者说考虑的是系统在运行点处维持同步运行的能力，系统是否能够维持静态稳定主要与系统在扰动发生前的运行方式有关，与小干扰的大小及具体发生地点无关。

通常可以采用在运行点处线性化后的系统模型进行特征根分析来判别系统的静态稳定性。

2.暂态稳定

电力系统静态稳定是指电力系统受到小干扰后，不发生非周期性的失步，自动恢复到起始运行状态的能力。

如果电力系统在某一运行方式下受到某种形式的大扰动，经过一个机电暂态过程后能够恢复到原始的稳态运行方式或过渡到一个新的稳态运行方式，则认为系统在这种情况下是暂态稳定的。

暂态稳定性不仅与系统在扰动前的运行方式有关，而且与扰动的类型、地点及持续时间有关。暂态稳定的判据主要是系统内发电机转子角之差（即功角）超过规定的值（例如180度），所以又称功角稳定。暂态稳定破坏后系统将失去同步。

对于单机无穷大系统发电机组的转子运动方程：

一般采用的是对全系统非线性状态方程的数值积分法进行对系统动态过程的时域仿真，通过对计算得到的系统运行参数(如转子角)的动态过程的分析判别系统的暂态稳定性。

目前采用的主要有切机、切负荷、解列联络线；电气制动、快关气门、直流调制等措施应用较少。

电力系统是一个复杂的非线性的动态大系统，暂态稳定过程由于遭受的是大扰动，系统的电气量变化范围很大、持续时间短，分析计算又十分复杂，这一特点决定了暂稳控制策略一般不可能在事故发生时实时确定，也不可能凭借一个简单判别式进行判断，因此控制策略的分析计算应在事故前进行。实现方法分为两种：一是离线方式，由调度运行方式人员对电网各种运行方式下可能遇到的故障进行稳定计算分析，形成控制策略表；另一是在线方式，由在线决策系统的服务器根据当时电网的实时运行状态，对可能发生的预想故障集进行稳定分析计算，形成当前电网的稳定控制策略表。

稳控装置根据事故前电网运行方式及有关送电断面的功率、发生的故障的元件及故障类型，查找预先存放在装置内的控制策略表，按图索骥采取相应的措施。

3.动态稳定

动态稳定是指电力系统受到小的或大的扰动后，在自动调节和控制装置作用下，保持较长过程的运行稳定性的能力，通常指电力系统受扰动后不发生发散振荡或持续振荡。动态稳定事故国内几乎每年都有发生，值得重视。

扰动后系统在第一或第二振荡周期内不失步(即保持了暂态稳定性)，但可能由于自动调节装置的配置不合适或其他因素，后续的振荡周期幅值不断增大并造成失步。

对小扰动下的动态稳定，可以和对静态稳定问题一样采用线性化的方法进行特征值分析，对大扰动下的动态稳定则通常是采用与暂态稳定分析一样的非线性模型进行数值仿真分析。

由于使用快速励磁系统，系统阻尼恶化或变负引起低频振荡，是典型的动态稳定问题。装设电力系统稳定器PSS能有效避免低频振荡事故；在发生事故时，采用直流调制、送端电厂减出力或切机可以有效平息振荡。

电力系统功角失稳——失步的发生过程

一台或若干台同步发电机转子旋转速度高于或低于同步转速，导致定子旋转磁场和转子旋转磁场间存在相对速度，使得电机的功率输出、电流电压产生很大的波动，系统的保护装置动作将之切除。

失去同步可以发生在机群之间，此时将它们解列，单独的机群内部还可以保持同步。

为保证电力系统承受第III类大扰动时的安全要求，应配备防止事故扩大避免系统崩溃的紧急控制，如系统失步解列(或有条件时实现再同步）、频率和电压紧急控制等，同时应避免线路和机组保护在系统振荡时误动作，防止线路及机组的连锁跳闸，以实现保证电力系统安全稳定的第三道防线。失步解列装置按设定的振荡周期次数动作，500kV失步解列装置一般1～2个振荡周期动作；解决电压稳定与频率稳定的紧急控制装置的动作延时为0.1～0.5s（一般整定延时为0.2s）。

（二）频率稳定

指系统遭受到严重的故障造成出力与负荷出现较大的不平衡时，维持频率在可接受的范围内的能力。它取决于系统在切除最大可能切除的负荷之后，是否能够恢复出力与负荷之间的平衡。

频率发生不稳定时，潮流、电压及其它变量都会出现大的波动，引起系统中的控制及保护装置

发生动作，造成更多的机组或负荷切除。一般而言，这种现象发生在大系统因为失去同步而解列成若干孤立系统之后，在这些系统中，发电机之间一般都可以保持稳定。

频率不稳定的过渡过程可能从若干秒到若干分钟，取决于何种控制或保护装置在起作用，在前一种情况中，起作用的主要是低压及低频减载，发电机的保护及控制；在后一种情况中，起作用的主要是原动机能源供应系统，机组的过速保护及负荷的调压系统（OLTC ）等。

因此，频率稳定的研究也分为短期稳定性和长期稳定性。

（三）电压稳定

定义：电力系统受扰后所有母线保持可接受电压的能力。

电力系统电压失稳的主要原因在于系统无功供求关系的失衡。

问题的核心在于功率在网络内流动导致的无功损失。

稳定判据： 渐进式的母线电压降落也可与转子角趋向失步的过程相关。例如，当两组电机之间的转子角逼近或超过180。而逐渐失步时．网络的中点会出现很低的电压。

电压不稳定本质上是一种局部现象，然而它的后果却会给系统带来广泛影响。电压崩溃则比简单的电压不稳定更复杂，通常是伴随电压不稳定而导致系统中相当大部分地区低电压的．一系列事件的结果。

当线路电压降的幅值等于V R 即Z LN / Z LD =1时，

传输的功率达到最大值。随着Z LD 逐渐减小，I 增大，

V R 减小。开始时当Z LD 为高值时，I 的增大超过V R

的减小，因此P R 随Z LD 的减小而急剧增大。当Z LD

接近Z LN 时，I 增大的影响仅稍大于V R 减小的影响。

而当Z LD 比Z LN 小时，V R 减小的影响超过I 增大的

影响，相抵后使P R 减小

相应于最大功率的临界运行条件代表满足运行

的极限。在较高负荷时，通过改变负荷来控制功率

将是不稳定的，即负荷阻抗的减小将使功率减小。电压是否会逐渐降低、系统是否会变得不稳定取决于负荷特性。若是恒阻抗静态负荷特性，系统的功率和电压水平将在低于期望值的情况下保持稳定。而对于恒功率负荷特性，则系统由于负荷母线电压的崩溃而变为不稳定。在其他种负荷情况下，由输电线和负荷的组合情况确定电压值。如果负荷由具有自动带负荷调节抽头的变压器( ULTC)供电，则抽头调节的作用是试图升高负荷电压。其作用从系统看过去是减小有效的Z LD 。这将反过来进一步降低V R 直至导致逐渐的电压降低。这是一种简单而纯粹的电压不稳定形式。

在复杂的实际电力系统中，很多因素对电压稳定造成的系统崩溃有影响：输电系统的强度；功率传输水平；负荷特性；发电机无功功率容量限制；无功功率补偿装置的特性。在一些情况下，问题是由未经协调的各种控制作用和保护系统综合的结果。

电压稳定问题又可以分为如下两个子类： 大扰动电压稳定是指大扰动如系统故障、失去发电机或同路的事故之后系统控制电压的能力。0j dQ dV I ，VR ，PR 对 ZLN/ZLD 的关系 鼻形曲线 VQ 特性曲线（不同）

这种能力由系统、负荷特性、连续与离散的控制和保护的相互作用所决定。大扰动稳定性的确定需要在足够长时间内观察系统的非线性动态特性以便获取如ULTC和发电机励磁电流限制器等一些装置的相互作用情况。所感兴趣的研究时段可从几秒延长到数十分钟。因此需要通过长期动态仿真进行分析。大扰动电压稳定的判据，是在给定的扰动及随后的系统控制作用下，所有母线电压都达到可按受的稳态水平。

小扰动电压稳定是指小扰动如系统负荷逐渐增长的变化之下系统控制电压的能力。这种形式的稳定性由负荷特性、连续作用的控制及给定瞬间的离散控制作用所确定。小扰动电压稳定的基本过程本质上是属于稳态的性质。因此，静态分析可有效地用于确定稳定裕度，识别影响稳定的因素以及检验广泛的系统条件和大量的故障后方式。

四．安稳控制系统的构成及可靠性

安稳控制系统构成：安稳控制系统由控制主站、子站、执行站及站间通道组成；一般在调度中心还设有稳控管理系统，对安稳控制系统进行监视。

稳定控制有关判据

1 线路、主变及机组的投停状态判别：

（1）采用有功功率值(P＞PT)，判别线路、主变、机组的投/停运行状态

投运状态：P>PT或I>IT （PT为投运的功率门槛值、IT为投运的电流门槛值）；

停运状态：P

（2）对某些联络线正常潮流可能为零的线路，应采用断路器位置信号（HWJ）进行判断投运状态：HWJ为闭合；

停运状态：HWJ为断开；

不对应状态：HWJ为断开，但P>PT或I>IT ，判为投运状态，发告警信号。

2 交流系统故障类型判据：

1）依靠电气量的设备跳闸判据：

突变量启动；P-0.2S≥P S1 （事故前有功功率应大于定值P S1）；Pt ≤P S2（事故后有功功率应小于定值P S2）；两相电流I ≤I S1（电流应小于投运电流，躲过充电电流）；电流变化量满足t≥t S1（确认满足上述判据的延时）

式中：P S1应小于对稳定有影响的输送功率值；P S2应稍大于0，且大于零功率时的最大漂移值；投运电流I S1应略大于空载线路的充电电流；延时是为了防止在潮流转移过程中引起误判为设备跳闸；|ΔI|dt为浮动门槛；α、β为系数。

2）单相瞬时接地故障

突变量启动；有一相电流增加；有一相电压降低；查到有一相跳闸信号，且在5ms之内查不到其它相跳闸信号。

同时满足上述条件则判为单相瞬时接地故障。

3）单相永久故障

突变量启动；已判出单相瞬时故障或有一相电流增加、一相电压降低；在大于重合闸时间后查到有两相跳闸信号。

满足以上条件即判为单相永久故障。

4）相间故障

突变量启动；至少有两相电流增加；至少有两相电压降低；查到有两相跳闸信号，且两相跳闸信号间隔小于5ms。

满足以上条件则判为相间故障。

5）单相转相间故障

突变量启动；已判出单相瞬时故障或有一相电流增加、一相电压降低；在小于重合闸时间内查到有两相跳闸信号。

满足以上条件则判为单相转相间故障。

我国电力系统的发展及安全稳定方面存在的问题

近年来，我国电力系统迅猛发展，目前正在实施“西电东送、南北互济、大区联网”的战略方针。由于电力部门贯彻《电力系统安全稳定导则》、配置了多种安全自动装置，使我国自1997年至今没有发生大范围的停电事故。但由于电网的建设滞后于电源的建设，输电能力不足的问题日益突出，加剧了电网与电源发展不协调的矛盾，对照“814”等国外大停电事故，应该看到我国电网还比较薄弱，也存在国外电网类似问题，甚至更加严峻：

（1）我国大区电网之间采用弱联网，某些电网存在结构上的不合理；电网的枢纽点及负荷中心电压支撑不足；一些电网的500kV与220kV高低压电磁环网仍在运行；电网负荷越来越重，大城市空调负荷比重已占高峰负荷30%～40%，高峰备用严重不足（尤其无功更不足）。

（2）某些电网的规划设计中过于依赖二次系统，一些工程把稳控装置作为正常方式送电的基本措施。

（3）近年来高压微机保护装置动作可靠性有了显著提高，但还存在一些问题，例如，保护级差时间过长、保护的距离三段定值的配合问题（有的躲不过严重过载）、某些进口保护振荡闭锁不完善等。

为保证电力系统的安全稳定运行，首先应建立合理的电网结构、具有预防性控制的调度手段，配备性能完善的继电保护系统、并根据电网具体情况设置安全稳定控制装置和相应的失步解列、频率与电压紧急控制装置，组成一个完备的电网安全防御体系，保持电网运行中必要的安全稳定裕度，抵御各种扰动事故，确保电网的安全稳定运行。