案例9：电力系统安全分析

案例9：电力系统安全分析

一、案例正文

电力系统运行状态可分为正常和非正常两种运行状态。安全正常状态下等式约束和不等式约束条件都得到满足，具有足够的备用容量和适当的安全裕度，能够承受偶然事故而不超过任何约束条件。对于各种非正常状态，电力系统安全控制可分为预防控制、校正控制、紧急控制和恢复控制。将电力系统运行状态进行分类之后，就能够调度控制电力系统。

电网调度中心的任务就是使系统维持在正常运行状态。对电力系统中每时每刻变化的负荷，调节发电机的出力，使之与负荷的需求相适应，以保证电能的质量。同时，还应在保证安全的条件下，实现电力系统的经济运行。

电力系统安全分析的研究主要集中在网络的简化等值，快速潮流计算方法，以及预想事故的自动筛选。

1.1电力系统运行状态分类

随着电网规模的扩大，电网运行现分为以下几种状态：正常状态、警戒状态、紧急状态（事故状态）、崩溃状态和恢复状态（事故后状态），它们之间的关系如图1所示。

图1 电力系统运行状态

1.1.1正常状态

在正常运行状态下，电网中总有功和无功功率出力能与负荷总的有功和无功功率的需求达到平衡；电网的各母线电压和频率在正常运行的允许偏差范围内；各电源设备和输变电设备均在规定的限额内运行；电力系统有足够的旋转备用和紧急备用以及必要的调节手段，使电网能承受正常的干扰（如无故障断开一台发电机或一条线路），而不会使电网中各设备过载，或电压和频率偏差超出允许范围。

在正常运行状态下，系统不仅能以电压和频率合格的电能质量满足客户的用电需求，而且还有适当的安全储备，电网能承受正常扰动所不断造成的有害的后果（如设备过负荷等），对不大的负荷变化能通过调节手段，可从一个正常运行状态变化到另一个正常运行状态。

此时，电网调度中心的任务是使系统维持在正常运行状态。针对电力系统中每时每刻变化的负荷，调节发电机的出力，使之与负荷的需求相适应，以保证电能的频率质量。同时，还应在保证安全运行的条件下，实现电力系统的经济运行。

1.1.2 警戒状态

电力系统受到灾难性扰动的机会不太多，大量的情况是在正常状态下由于一系列不大的扰动的积累，使电力系统的安全水平逐渐降低，以致进入警戒状态。在警戒状态下，虽然电压、频率等都在容许范围内，但系统的安全储备已经减少，抗外界扰动的能力降低，个别元件或地区的运行参数已临近安全范围的边缘，扰动将使运行进入紧急状态。此时当发生一些不可预测的扰动或负荷增长到一定程度，就可能使电压、频率的偏差超过容许范围，某些设备发生过负荷，使系统的安全运行受到威胁。

对处于警戒状态的电力系统，电网调度自动化系统要随时监测系统的运行情况，并通过静态安全分析、暂态安全分析等应用软件，对系统的安全水平作出评价。当发现系统处于警戒状态时，应及时向调度人员作出报告，调度人员应及时采取预防性控制措施，如增加和调整发电机出力、调整负荷、改变运行方式等，使系统尽快恢复到正常安全状态。

1.1.3紧急状态

若系统处于警戒状态时，调度人员没有及时采取有效的预防性措施，或正常运行状态的电力系统一旦发生一个足够严重的扰动（包括

负荷的剧烈变动和各种严重故障），系统就会从警戒状态进入紧急状态。此时，电源和负荷之间的功率平衡遭到破坏而引起系统频率和节点电压超过了允许的偏差值，或元件的负担超过了安全运行的限制值，系统处于危机中。对处于紧急状态（事故状态）下的电力系统，应该采取各种校正控制和稳定控制措施，使系统尽可能恢复到正常状态。电网的严重故障主要有以下几种：

(1)发、供电设备发生重大事故，如线路、母线、变压器和发电机发生瞬间或永久性单相、两相或三相短路。在实际运行中，单相短路出现的可能性比三相短路多，而三相短路对电网的影响最严重，尤其是三相永久性短路，但这是极其稀少的；同样在雷击等情况下，有可能在电网中若干点同时发生短路，形成多重故障。

(2)突然跳开大容量发电机或大的负荷，引起电网的有功功率和无功功率严重不平衡。

(3)发电机失步，即不能保持同步运行。

电力系统出现紧急状态将危及电网的安全运行，其主要事故有以下几个方面：

(4)频率下降。在紧急状态下，发电机和负荷间的功率严重不平衡，会引起电力系统频率突然大幅度下降，如果不采取措施，使频率迅速恢复，将使整个电厂解列，其恶性循环将会产生频率崩溃，导致全电力系统瓦解。

(5)电压下降。在紧急状态下，无功电源可能被突然切除，引起电压大幅度下降，甚至发生电压崩溃现象。这时，电力系统中大量电

动机停止转动，大量发电机甩掉负荷，导致电力系统解列，甚至使电力系统的一部分或全部瓦解。

(6)线路和变压器过负荷。在紧急状态下，线路过负荷，如不采取相应技术措施，会连锁反应，出现新的故障，导致电力系统运行进一步恶化。

(7) 出现稳定问题。在紧急状态下，如不及时采取相应的控制措施或措施不够有效，则电力系统将失去稳定。所谓电力系统稳定，就是要求保持电力系统中所有同步发电机并列同步运行。电力系统失去稳定就是各发电机不再以同一频率保持固定功角运行，电压和功率大幅度来回摇动。电力系统稳定的破坏会对电力系统安全运行产生最严重后果，将可能导致全系统崩溃，造成大面积停电事故。

电力系统进入紧急状态后，可能造成某些线路的潮流或系统中其他元件的负荷超过极限值，系统的电压或频率超过或低于允许值。在紧急状态下，如果不及时采取适当的控制措施，或者措施不够有效，或者因为扰动及其产生的连锁反应十分严重，则系统可能因失去稳定而解列成几个系统，严重时，甚至会导致全系统瓦解。对处于紧急状态（事故状态）下的电力系统，应该采取各种校正控制和稳定控制措施，如及时依靠继电保护和安全自动装置有选择地快速切除故障，采取提高安全稳定性的措施等，使系统尽可能恢复到正常状态。这时电网调度自动化系统就担负着特别重要的任务，它向调度人员发出一系列的告警信号，此时调度人员应根据CRT或模拟屏的显示，掌握系统的全局运行状态，以便及时地采取正确而有效的紧急控制措施，以免