低壓減載研究綜述

張志文，謝洪濤

(西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031)

1 引言

20世紀70年代以來，世界上相繼發生了多次電壓崩潰引起的大面積停電事故，比較典型的有:1983年12月27日瑞典電網、1987年1月12日法國電網、1987年7月23日日本東京電網、1996年7月2日美國西部聯合電網(WSCC)等。在我國，1972年7月27日湖北電網和1973年7月12日大連電網也發生了電壓崩潰事故。引起了世界各國電力工業界和學術界對電力系統電壓穩定性的廣泛關注［1－3］。

有關研究電力系統電壓穩定性問題的文章逐漸增多，但從總的情況來看，對電壓穩定問題的研究不如對功角穩定問題的研究那樣廣泛和深入。

電壓穩定研究的最終目的是開發和應用有效的控制策略來防止電壓崩潰［4］。為了防止電壓失穩，維持電壓穩定，有很多控制措施可以采用。這些控制方法一般分為預防控制、緊急控制和校正控制。預防控制主要包括系統規劃方面的如加強輸電網絡，串聯和并聯補償等，也包括系統運行方面的如發電機的線路壓降補償，二級電壓控制等，緊急控制主要包括快速補償裝置投切，有載調壓變壓器緊急控制。而低壓減載則屬于校正控制的一種［5，6］。

2 低壓減載作用機理分析

簡單一回線電力系統示意圖如圖1所示，發電機經一段輸電線路向負荷節點供電，其中發電機和輸電線總阻抗為Z1=|Z1|∠θ，負荷阻抗為ZL=|ZL|∠φ，由圖1可得以下結論:

圖1 簡單單回線電力系統

將式(2)帶入式(1)，可得

當V1、Z1、φ 一定時，V2、P取決于|ZL|。當負荷需求增加的時候，由式(3)、(4)就可以求出負荷節點的電壓V2和負荷有功功率的關系PV曲線，如圖2所示。

圖2 PV關系曲線

當|Z1/ZL|=1時，對應圖中的A點，這點為PV曲線臨界點，臨界功率和臨界電壓為:

2.1 小擾動引起的電壓不穩定

單回線系統負荷有功隨負荷阻抗變化曲線示意圖如圖3所示，在|Z1/ZL|＜1的情況下，只要減小ZL，|Z1/ZL|就會變大，負荷有功P也隨之增大，也即負荷可以從電網得到更多功率。當|Z1/ZL|=1時，負荷節點可以得到最大功率。在|Z1/ZL|＞1之后，若繼續減小負荷阻抗將使得電網輸送功率減小，即負荷得到的功率也減小。這是網絡本身所固有的特性，與負荷的性質無關。

圖3 單回線系統負荷功率隨負荷阻抗變化情況

圖4 單回線系統負荷電壓隨負荷阻抗變化情況

單回線系統負荷電壓幅值隨負荷阻抗變化曲線如圖4所示。當負荷阻抗的減小時，負荷節點電壓也呈下降趨勢，這一特性也是電網固有的。圖3中，P0代表負荷所輸出的其他形式的功率(如對異步電動機來說就為機械功率)，其中B點是電壓穩定點，C點是不穩定點。設負荷節點原來穩定運行在B點，若系統在運行中負荷不斷增加，則運行點不斷向臨界點A靠近，甚至可能到達臨界點，這時若有其他小干擾發生或者新負荷投入，使運行點瞬時處于A點右側，P＜P0。根據負荷的動態效應［7］

其中RE表示負荷動態模型的等效阻抗，即本文中的|Z1/ZL|的倒數，P是動態負荷所消耗的電磁功率，P0則代表動態負荷所輸出的其他形式的功率。TR表示時間常數。

當P＜P0時，P－P0＜0，使得RE變小，這時候|Z1/ZL|會相應|Z1/ZL|的變大，由圖5可知，對應|Z1/ZL|的變大，會導致P的減小和電壓的降低，根據式(9)P的減小又會使RE變小，系統又會重復同樣的過程直至系統崩潰。

圖5 簡單雙回線電力系統

在這種運行情況下，當電壓剛剛失穩負荷節點電壓單調下降時，如果及時切除一部分負荷(大于或等于ΔP)，只要運行點還位于C點的曲線左邊，那么運行點將最終落在B點，實現新的功率平衡。這樣通過低壓減載就阻止了電壓崩潰的發生。從圖5和圖6也可看出，切除時間過長，有可能這時系統的運行點已經在C點的曲線右邊，這時就算是切除ΔP的負荷量，也不能讓運行點重新回到A點左側，電壓依然會發生崩潰。若切除負荷量不足ΔP，那么就算是及時的切掉了負荷，運行點還是處于A點的右側，還是會發生電壓崩潰，所以切除時間過長或者切負荷量不足都不足以阻止電壓崩潰的發生。

2.2 大擾動引起的電壓不穩定

圖5所示中的電源節點和負荷節點間以兩回線路連接。大擾動為其中一條輸電線路發生短路故障后被切除，如圖6所示。其中P1為正常運行時的功率曲線;P2表示故障時的功率曲線;P3表示故障切除后的功率曲線;P0表示故障前負荷輸出的其他形式的功率。故障切除后不存在有功平衡點，即P0與P3無交點。圖6中，故障前系統穩定運行于a點，當發生短路時，系統運行點跳變到b點，這時負荷阻抗減小，繼續運行到c點，短路故障被切除后，系統運行點跳變到d點，而此時d點的功率小于P0，由前面的分析可知，負荷阻抗將繼續減小，最后沿著P3曲線運行直至電壓崩潰。這時若及時切掉一部分負荷，使P3大于P0'，負荷節點電壓將最終穩定在e點。可見，低壓減載要有足夠多的切負荷量和較短的負荷切除時間，保證P3大于P0'，才能有效阻止負荷節點的電壓崩潰［8］。

圖6 雙回線系統負荷功率隨負荷阻抗變化情況

3 低壓減載的地位

低壓減載被認為是防止系統發生電壓崩潰的有效措施，是防止系統大面積停電、維持系統安全穩定運行的第三道防線的重要組成部分?！峨娏ο到y安全穩定導則》也將低壓減載作為防止電力系統崩潰的重要措施，要求“在負荷集中地區，應考慮當運行電壓降低時，自動或手動切除部分負荷，或有計劃解列，以防止發生電壓崩潰”。

對于防止概率很小的極端情況下(包括極端的大負荷、罕見的多重故障等)系統崩潰和大面積停電，保證重要負荷的供電，具有十分重要的意義［3，4］。

4 研究與應用現狀

低壓減載研究的核心問題是如何進行低壓減載的整定，到目前還沒有尋找到一種很好的整定方法，也沒有一套完整的整定原則，這方面的研究還需要廣大學者深入研究。

4.1 整定方法研究現狀

低壓減載作為一項比較新的技術，目前還沒有系統的整定方法。具體的整定方案一般根據實際運行經驗以及不斷的仿真計算得到，更合理的低壓減載裝置整定方案還有待于進一步的研究。

在電網中采取低壓減載措施，實施時需要考慮下面三個主要的問題:①在什么地點安裝低壓減載裝置;②低壓減載裝置動作電壓以及相應延時如何整定;③切除多少負荷［9－14］。

4.1.1 低壓減載裝置的安裝地點選擇

一般情況下，低壓減載裝置應該安裝在系統電壓穩定性薄弱的節點，能夠以比小的負荷切除量有效防止系統電壓崩潰，因此，識別系統電壓穩定性薄弱節點是確定低壓減載裝置安裝位置的第一步工作。其次，在實際的實施過程中，還要考慮選定節點的負荷組成情況，是否有足夠的能切除的負荷。

關于如何識別系統中電壓穩定性薄弱的節點，已經有很多學者進行了研究，一般情況下，通過靜態分析就可以找出系統中電壓穩定性比較薄弱的節點。下面是一些常用的識別電壓穩定性薄弱節點的方法。(1)利用電壓水平高低識別電壓穩定性薄弱節點;(2)利用參與因子大小識別電壓穩定性薄弱節點;(3)利用奇異向量大小識別電壓穩定性薄弱節點;(4)利用節點負荷裕度識別電壓穩定性薄弱節點;(5)利用潮流計算中功率不匹配量識別電壓穩定性薄弱節點;(6)利用節點評估方法識別電壓穩定性薄弱節點;

對于方法(1)，直接選定系統電壓最低的節點為系統薄弱節點，這種方法簡單直接，而且某些情況下也能夠比較準確的識別出系統中電壓穩定性薄弱的節點。但是，電壓水平的高低并不等價于電壓穩定性的強弱。對于(2)、(3)、(6)這三種方法，都是以雅克比矩陣為研究對象的，參與因子法通過分析雅克比矩陣的特征值與特征向量，奇異值指標法通過分析矩陣的奇異值與奇異向量來研究電壓穩定薄弱節點，而節點評估方法則是將雅克比矩陣進行降階，降到一個二維矩陣，只關注與本節點相關的兩個功率平衡方程。然后求該矩陣的行列式，得到各節點電壓穩定性相對強弱的信息。

系統薄弱節點隨著系統運行方式而發生變化，不同的發電機出力方式，不同的負荷分布，以及不同的檢修方式，都對系統薄弱節點存在一定的影響。因此，為了更好的識別系統的電壓穩定性薄弱節點，需要綜合運用不同的方法，考慮系統各種運行方式，這樣尋找到的薄弱節點才比較準確而且具有普遍意義。

4.1.2 低壓減載裝置動作電壓與延時時間

這是低壓減載整定中比較重要的問題。電壓下降的速率(dU/dt)和電壓水平都可以作為低壓減載的依據，但是常規測試儀器不能夠定量地、準確地對自動裝置中的dU/dt動作值(或閉鎖值)進行測試與校驗，因此現在往往用電壓水平作為低壓減載的依據。

電壓失穩和電壓崩潰的動態過程歷時可以從1s～10min，根據歷時長短將電壓不穩定事故分為短期和長期兩種，這兩種時域過程基本上可以嚴格區別。在防止這兩類電壓不穩定事故時，低壓減載裝置的時間延遲是不同的。因此，在方案設計時必須明確電壓失穩的時域特性。如1981年美國田納西電力局安裝的低壓減載裝置目的在于防止具有大量空調負荷地區發生短期電壓失穩，1991年12月美國太平洋西北系統PugetSound區域安裝的低壓減載裝置用于防止長期電壓失穩。因為該地區的負荷對電壓變化反應靈敏，因此時間延遲不是關鍵問題。

4.1.3 切負荷量的確定

低壓減載措施能否有效阻止電壓崩潰，減載量起著決定性影響。當減載量不夠時，不能阻止電壓崩潰;當減載量過大時，就會出現過電壓。因此，選擇減載量至關重要，在這方面，也有很多學者進行了研究［12，13］，但是到目前為止，還沒有公認的比較合適的方法。

4.1.4 低壓減載指導原則

雖然國內外目前關于低壓減載裝置的整定還沒有系統化的方法，但是，通過計算分析和國內外已安裝低壓減載裝置的運行經驗，仍然可以得到以下的一些指導性原則。

(1)低壓減載裝置動作電壓應該低于正常運行時的最低電壓，低的比例需要根據實際情況確定。

(2)低壓減載裝置動作電壓應該適度的高于臨界PV曲線或VQ曲線的鼻點電壓。否則裝置不能防止負荷持續增長導致的小擾動電壓失穩。

(3)為了防止裝置誤動作，避免裝置在瞬時電壓跌落或者短路故障時誤動，低壓減載裝置動作延時的設定要考慮和線路上其他保護的配合，一般動作延時要長于線路的一段和二段保護，避免短路故障時低壓減載裝置誤動。

(4)低壓減載整定方案的最終效果要通過時域仿真來驗證，要仿真不同類型的電壓失穩情況，則應該采取不同的系統模型，短期電壓失穩主要考慮快動態的元件模型，長期電壓失穩時要考慮各種慢動態的元件。

實際工程使用中，選擇切除負荷應考慮以下因素:①切除負荷的類型。恒功率負荷如感應電動機對電壓穩定性危害最大，應作為切負荷首選，但同步電動機的無功輸出能力對保持電壓穩定性有幫助，工業負荷中自帶發電機對維持系統電壓也有幫助;②首先切除與用戶有特別協議允許斷開的次要負荷，以及功率因數較低的負荷;③選擇不破壞系統整體性的線路，如輻射型線路。

4.1.5 目前應用現狀

目前世界上有許多國家在使用低壓減載裝置，如美國、加拿大、比利時、瑞典、愛爾蘭、西班牙、葡萄牙、沙特阿拉伯及以色列等。

而在國內，某些電網已經實施了具體的低壓減載方案，比如山西的運城電網。有的電網進行了低壓減載方案的研究與探討，比如山西的大同電網和長治電網。但是這些都只是針對具體的電網進行研究的，更具普遍性的整定方法還有待進一步研究。

5 結論與展望

低壓減載是一種比較有效和經濟的防止電壓崩潰的方法。對低壓減載的研究主要集中在低壓減載的整定上，本文分析了低壓減載防止電壓崩潰的機理，對低壓減載的整定中所涉及的減載地點、動作判據、切負荷延時時間以及切負荷量等關鍵問題進行了概括。但是到目前為止，由于電壓穩定問題研究不夠成熟，電壓失穩機理還沒有達成統一的認識，低壓減載還沒有一套公認的比較合適的整定方法，有待進一步研究。未來的研究中，隨著科技的進步，將提高電壓穩定在線監測的水平，并結合現有的廣域量測系統，可以提出新型的低壓減載方案。

［1］苑畫舫.北京電網低壓減載方案研究［D］.河北:華北電力大學，2008.

［2］馬世英，易俊，孫華東，等.電力系統低壓減載配置原則及方案［J］.電力系統自動化，2009(5).

［3］TAYLOR，W C.Concepts of undervoltage load shedding for voltage stability［J］.Power Delivery，IEEE Transactions on，1992，7(2):480 －488.

［4］王永輝.電力系統低壓減載的整定方式研究［D］.重慶大學，2007.

［5］孫光輝，沈國榮.加強三道防線建設確保電網的安全穩定運行(摘要)［J］.電力安全技術，2004(7).

［6］薛禹勝.時空協調的大停電防御框架 (一)從孤立防線到綜合防御［J］.電力系統自動化，2006(1).

［7］段獻忠，何仰贊，陳德樹.電壓崩潰機理探討［J］.電力系統及其自動化學報，1991(2).

［8］米增強，田建設，劉力豐.低壓減載對電壓穩定作用機理的探討［J］.華北電力大學學報，1999(1).

［9］馬平，蔡興國，于繼來，等.基于最小不匹配函數的低壓減載算法研究［J］.中國電機工程學報，2005(1).

［10］BALANATHAN，R.Undervoltage load shedding to avoid voltage instability［J］，0，145(2):175 －181.

［11］劉斌，陳磊，閔勇.考慮暫態電壓穩定的低壓減載地點選擇［J］.電力系統自動化，2008(5).

［12］戴劍鋒，朱凌志，周雙喜，等.基于風險的低壓減載策略問題研究［J］.中國電機工程學報，2006(19).

［13］黃鑌，趙良，馬世英，等.基于PV曲線的低壓減載配置方法［J］.電網技術，2008(23).

［14］袁宇春，張保會.最佳切負荷時刻的計算［J］.繼電器，1999(6).