电网安全稳定运行

第三节电网安全稳定运行。

一、概述。电力系统的根本任务，是在国民经济发展计划的统筹规划下，合理开发能源，以最低成本向电力用户提供充足、可靠和质量合格的电能。

电网安全运行的目的，就是电力系统以质量合格的电能（一般指电压、频率在允许的变化范围内）充分地对用户连续供电。

在以前，电网的可靠性往往包含了电网安全性的含义。目前，电网可靠性与电网安全性已逐渐表征为两上不同的概念，前者是一个长时间连续正常供电的概率，属于电网规划的范畴；后者是电网短时间内的抗干扰能力，即在事故情况下电网可持续供电的能力，属于电网实时运行需解决的问题。

保持电网安全稳定运行，是赋予系统规划设计直到电网调度运行的一项重要任务，只有从规划设计到电网调度运行的各个环节，都能对电网安全稳定运行的重要性有统一认识，并在各个阶段都能提供相应的技术保障措施，才能使电网安全稳定运行真正得到保障，进而实现电网安全、优质、经济运行。

保证电网安全、优质、经济运行，必须有相应的现代化技术作保障。根据多年的运行经验并吸取国内外几次重大事故的教训，有关部门提出了保证电网安全稳定运行的三大技术支柱，即继电保护、安全自动装置和安全稳定控制系统，电网调度自动化系统，以及电网专用通信系统。只有切实开发建设好了这三大技术支柱，电网安全稳定运行才能在技术上得到根本的保障。

本节将分别介绍这三大技术支柱对电网安全稳定运行的影响、电网安全稳定运行对三大技术支柱的要求及三大技术支柱的开发建设原则，并重点介绍继电保护、安全自动装置和安全稳定控制系统及其他技术措施对电网安全稳定运行的影响，本节最后还将以一定的篇幅介绍灵活交流输电系统（facts），这一新技术必将成为21世纪电网运行的关键技术。

二、电网安全稳定运行技术及措施。

电网安全稳定运行长久以来就是一个重大的安全问题，尤其是目前电网规模迅速扩大，单机容量越来越大，大容量发电机采用水内冷、增加氢压等新的冷却技术，使发电机惯性常数相对减少，暂态阻抗加大，这些对电网安全稳定带来了新的不利因素。可见，电网安全稳定问题面临着新的挑战。

我国总结分析了电力系统建设和运行的经验，且分析研究了国内外几次重大系统事故的教训，提出了保证电网安全稳定运行的三个基本条件，并将其甚至精神纳入两个导则等技术文件的有关条文中，作为从规划设计到生产运行各部门共同遵照执行、处理有关问题时的指导性原则。三个基本条件是：

1）有一个合理的电网结构。合理的电网结构，是电网安全稳定运行的物质基础。合理的电网结构的基本内容是执行电网分层分区的原则。

2）全面分析电力系统可能发生的各种事故。采取一切可行的调度措施和自动措施，保证在这些事故发生后，系统仍然能够安全稳定地继续运行。

3）建立保证电力系统安全稳定的最后一道防线。一旦系统失去稳定，能有预定措施防止发生恶性连锁反应及事故扩大，尽可能减小事故的损失，并尽可能快速地使系统恢复正常运行。

其中，合理电网结构的要求已在上一节作了介绍，这里将着重介绍电网安全稳定技术和安全稳定措施。

众所周知，在电力系统中，必须同时满足三种稳定要求，即同步运行稳定性、频率稳定性及电压稳定性。以下分别介绍这三种稳定性及提高稳定性的技术措施。

一）同步运行稳定性。

电力系统的同步运行稳定性，是最受关注也得到认真校核的一种稳定性。失去同步运行稳定性的后果，是系统发生振荡，引起系统中枢点电压、发输电设备中的电流及功率大幅度周期性振荡，系统因不能向用户正常供电而不能继续运行，其后果将是大面积停电或瓦解。

按照两个导则的规定，电力系统的同步运行稳定性可分为三种：静态稳定、暂态稳定和动态稳定。

现以单机向无穷大系统送电的简单运行方式为例，定性说明电力同步运行稳定性的概念。简单系统如图5-1所示的单机无穷大系统，发电机端电压为，内电势为，受端无穷大系统等值电势为，线路输送功率为，和的功角差为δ，则pe可由下式表示。

式中 —发电机同步电抗；

—线路电抗；

—变压器电抗。

图5-2是单机无穷大系统的功角曲线，纵坐标为，横坐标为δ。根据图5-2和式（5-1），可全面揭示单机无穷大系统有功功率传输的基本关系，可定性说明有关的稳定性问题，并可探索提高稳定性的措施和方法。

正常运**况下，原动机输出的机构功率，当发电机电磁功率时，和处于平衡状态，此时。当原动机机械功率增大时，δ也相应增大，增加电磁功率，以使和达到新的平衡状态。在δ＝90°时，达极限，此时再使δ进一步增大时，非便不增大反而会减小，和无法平衡（＞发电机与系统的功角差会不断增大，最终导致发电机与系统失去同步，进入不稳定状态。

此失步过程又叫稳定性破坏，因此，δ＜90°的区域属于稳定运行区域，称为自然稳定区。

可见，单机无穷大系统中发电机可能达到的稳定运行最大功角 °，由式（5-1）可知，此时，发电机的电磁功率也达根限值。

需要强调的是，以上分析是基于最基本情况作出的，即在电磁功率增加时，发电机电势eq保持不变，就是说发电机没有考虑装设电压调节器（**r）。

1．静态稳定。

静态稳定是指电力系统受到小干扰后，不发生自发性振荡和非同期性的失步，可自动恢复到起始运行状态的能力。

静态稳定要求，为了系统的正常运行，系统中任一输电线路在正常情况和事故后传输的功率，必须低于稳定运行所允许传输功率极限，并随时保留合理的裕度，不因传输功率或系统电压等的正常波动使任一功角差非周期性地无限增大，导致同步运行稳定性破坏。

现仍以图5-1所示的单机无穷大系统来说明静态稳定的概念。前面分析中是未考虑发电机装设电压调节器的情况，而在实际系统中，发电机均装设电压调节器。当发电机输出功率增大，δ增大时，发电机的机端电压u要随之下降，此时，电压调节器会增加励磁，以提高发电机电eq。

由式（5-1）也可知，当eq增大时，图5-2所示的功角曲线的幅值将会随之增加，如eq从eq1增加到eq4，功角曲线将是一组幅值递增的曲线簇，如图5-3所示。

假定开始时发电机工作在eq1的曲线上，对应于pe0和δ0的交点（点1），随着输出功率即为功角的增加，发电机机端电压下降，由于**r的作用，电势将由eq1增至eq2，运行点就由曲线eq1移至曲线eq2上。因此，当发电机装设**r后，实际功角曲线将由穿过一系列不同曲线上的点形成，如图5-3中的eq变化曲线（由点组成）。当δ＞90°时，由式（5-1）可知，功角特性呈下降趋势，当考虑**r后，如能做到**r的强作用，使eq随δ增大的趋势大于sinδ随δ减小的趋势，则eq变化的功角曲线在δ＞90°时，仍可保持上升趋势，并在δ＝110°～120°时达到顶值，然后才开始下降。

因此，有了**r后，发电机可运行于δ＞90°的区域，δ由90°至110°～120°的区域称为人工稳定区。

电压调节器不仅可使发电机稳定工作在人工稳定区，而且可大大提高静态稳定极限。发电机的输出功率以、和表示时，为。

以后电势及的功角差δ′表示时，为。

也可以以机端电压及与的功角差δ"来表示，即。

上述三种情况，在**r作用下，若考虑、及恒定，且δ＝δ90°时，因为＞而且eq、、及u相差不大，所以，pe＜p′e＜p"e，即**r维持机端电压不变时，功率极限最高，此时决定静态稳定极限的只剩下的，此功率极限称为线路功率极限。以后讨论的提高稳定性的措施大都是从降低线路阻抗出发的。

因此，为了提高系统运行稳定性，发电机在运行时必须同时投入电压调节器，否则在有功功率变动时，极易产生静态稳定破坏。

2．暂态稳定。

暂态稳定是指电力系统受到大干扰后，各同步电机保持同步运行并过渡到新的恢复到原来稳态运行方式的能力，通常指保持第一或第二个振荡周期不失步。

暂态稳定性要求，在系统发生故障或断开线路等引起大干扰的操作时，保持干扰后系统的稳定性。例如，线路故障时，近处的发电机因输出的电样功率小于其输入的机械而加速，同时受端发电机有可能因负荷功率大于输出的电磁功率而减速，于是导致两侧发电机电势角差增大。故障切除后，由于机组惯性，使加速机组与系统机组间的功角发生摇摆，从而产生暂态稳定问题。

一般而言，系统的暂态稳定水平低于静态稳定水平，即如果满足大干扰后的系统稳定性，就可同时满足系统正常运行时的静态稳定要求。反之，保持一定的静态稳定水平，又是取昨系统暂态稳定性的基础和前提。具备了一定的静态稳定裕度后，就有可能在严重的故障情况下，采取一些简单的技术措施争取保持系统的暂态稳定性。

不保持静态稳定性，系统就无法正常运行，而在一些特殊情况下，如水电厂发生事故及事故后的特殊运行方式下，需要也降低规定故障条件下的系统暂态稳定水平而短期地运行，但此时需采取某些预定的特殊措施（如切机、切负荷），以防止事故扩大。

从本质上说，电力系统发生故障，相当于发电机与系统间的联系阻抗增大了，由式（5-1）可知，功角曲线的幅值将降低，且降低幅度随故障的严重程度而增加。图5-4为系统发生各类故障功角曲线。

图5-5表示电厂经两回线向系统送电的情况，设其中一回线发生故障，短时延时后继电保护动作，跳开故障线路两端的开关切除故障。故障发生至故障切除这一过程的功角曲线如图5-6所示。

我们可以借助等面积准则来分析上述故障过程的暂态稳定情况。未发生故障时，发电机运行在曲线1人，且δ＝δ0，pe＝pe0＝pm0；其中一回线故障时，发电机运行在曲线2上，由于输出功率pe将减小，输入功率则仍为pm0，发电机转子将受过剩功率的影响而加速，并沿曲线2向功角增大的方向运行；如果在δ＝δ1时故障切除，发电机将运行在曲线3上，输入功率仍为pm0，而输出功率pe将沿曲线3增大，由于过δ′0 后pe＞pm0，发电机将受制动而减速，但由于惯性的原因，功角仍在增大，当δ＝δ2时，发电机在加速过程中储存的能量（如图5-6中面积a）将在减速时消耗完（即面积a＝面积b），发电机功角δ逐为最大功角，然后开始减小，并反**生加速和减速的摇摆。如果系统保持稳定，最终将运行于δ′0点。

而如果δ＞δ3时（δ3称不稳定平衡点），输出功率pe小于输入功率pm0，发电机加速，δ不断增大，过剩功率更大，发电机又要加速，直至δ＞180°，发电机将失去同步。在此过程中，功角单调增加而失步的称爬行失步，功角经摆动而失步的称振荡失步。

上述例子的原理具有普遍意义。但需要注意的是，上述的功角曲线及式（5-1）～式（5-5）只适用于单机无穷大，繁能将具体的数值扩大用于多机复杂系统。例如，以为任意两个发电厂间的功角差超过了180°就一定表征为系统不稳定的结论就是不正确的。

因为在一个复杂的系统中，在特定的电网结构和运行方式下，不同益的两个电厂间的功角差可以具有任意的数值，如前苏联统一电力系统在2023年曾出现过某两个电厂的运行功角达260°的运行方式。对于复杂系统，若要直接应用上述例子，需要将外接的系统其余的全部作为一个等价电源来考虑，这时作出的和判断才是正确的。

电网安全稳定运行

电网的安全稳定控制

安全稳定运行措施

电网安全稳定分析和措施

其他用户还读了