電力系統穩定分析及其控制研究

摘要：隨著電網的迅猛發展，電網網架結構日趨復雜，影響因素也越來越多，電網安全穩定運行面臨愈來愈多的考驗和風險。從電力系統的靜態穩定和暫態穩定方面進行了分析，提出了保障提高電力系統靜態穩定的根本措施是縮短“電氣距離”，主要措施包括減小線路電抗、提高電力線路的額定電壓、采用串聯電容器補償、維持和控制母線電壓等。提高暫態穩定性的措施可分成三大類：縮短電氣距離；減小機械與電磁、負荷與電源的功率或能量的差額并使之達到新的平衡；穩定破壞時，采取系統解列等措施。并針對提高商丘電網穩定運行水平，提出了相應安全約束控制措施。

關鍵詞：電力系統；靜態穩定；暫態穩定；約束措施

作者簡介：李孟超（1968-），男，河南商丘人，河南省電力公司商丘供電公司，高級工程師。（河南 商丘 476000）

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）20-0209-02

近年來，隨著我國電力工業步入大電網、大機組、大容量、特高壓、交直流混合、遠距離輸電、智能電網的階段，電力系統的復雜性明顯增加，電網的安全穩定問題日漸突出。當電網結構薄弱、缺少技術防范措施時，則可能因某一電氣設備故障引發大面積停電事故，因此應把電網的穩定問題放在首位，這是眾多事故中得出的客觀規律。對于我國來說，長期以來發輸變配工程落后于負荷的增長，網架相對薄弱，隨著電網的不斷發展，保證電網的穩定、可靠、運行，成了一項艱巨而重要的任務。加強電網穩定、可靠控制技術的研發和利用，已成了電力部門的重要任務。無論什么情況下，電力生產調度部門都要把電網安全穩定運行放在極其重要的位置。

一、保障提高電力系統靜態穩定的措施

從電力系統靜態穩定的本質來看，靜態儲備越大，電網靜態穩定性越高。縮短“電氣距離”是提高靜態穩定的根本措施。主要措施包括以下幾個方面：

1.減小線路電抗

采用分裂導線可以減小架空線路的電抗。對于電壓為220kV及以上的輸電線路，一般均采用分裂導線。這樣既可以減小線路電抗，又加強了系統之間的聯系，從而提高了電力系統的穩定性。

2.提高電力線路的額定電壓

在電力線路始末端電壓相位角保持不變的前提下，沿電力線路傳輸的功率基本上與電力線路額定電壓的平方成正比。換言之，提高電力線路的額定電壓相當于減小電力線路的電抗。因此，提高了電力系統的靜態性。

3.采用串聯電容器補償

電力線路串聯電容器補償除了可以降低電力線路電壓降落并用于調壓外，還可以通過減少電力線路的電抗來提高電力系統的靜態穩定性。但由于這兩種補償的目的不同，使用的場合、考慮問題的角度也就存在很大的不同。

一般情況下，串聯電容器的補償度愈大，愈接近于1，電力線路補償后的總電抗愈小，從而可以提高電力線路的輸送功率極限值，提高電力系統的靜態穩定性。

4.改善電力系統的結構

改善電力系統結構的方法較多，對提高電力系統靜態系統作用較明顯的方法包括：一是加強系統聯系，增加輸電線路回數，減少輸電線路電抗，使電力系統有堅強的網架，從而提高電力系統的靜態穩定性。二是加強電力線路兩端系統各自內部聯系。三是在電力系統中間接入中間調相電力系統。

因此，電力線路經過的地區有地方電力系統或發電廠時，應盡可能地聯合成為較大的聯合電力系統，對于提高整個電力系統的靜態穩定性有一定好處。

5.維持和控制母線電壓

在電力系統正常運行中，維持和控制母線電壓是調度部門保證電力系統穩定運行的主要和日常工作。維持和控制變電站、發電廠高壓母線電壓恒定，特別是樞紐廠（站）高壓母線電壓恒定，相當于輸電系統等值分割為若干段，這樣每段電氣距離將遠小于整個輸電系統的電氣距離，從而保證和提高了電力系統的穩定性。

二、影響電力系統暫態穩定的主要原因

（1）負荷的突然變化。如切除或投入大容量的用戶引起較大的擾動。

（2）切除或投入系統的主要元件。如切除或投入較大容量的發電機、變壓器和較重要的線路等引起了大的擾動。

（3）電力系統的短路故障。它對電力系統的擾動最為嚴重。

三、提高電力系統暫態穩定性的措施

提高電力系統暫態穩定性的措施和提高靜態穩定性的措施有所不同。其不是首先考慮縮短電氣距離，而是首先考慮減少能量差額或功率的臨時性措施。具體措施如下：

1.快速切除故障和自動重合裝置的應用

這是兩種常常配合在一起使用的借減少功率或能量的差額提高暫態穩定性的措施，經濟有效，應首先考慮。

（1）快速切除故障。快速切除故障對提高電網暫態穩定有著決定性作用。其大大提高了發電廠之間的穩定性，減少了電動機失速的危險。

（2）自動重合閘。由于電力系統中的故障，特別是高壓電力線路的故障，大多是瞬時性短路故障。采用自動重合閘裝置可以大大提高電網的可靠性和穩定性。因重合成功會使系統電源充足，易滿足負荷的要求，從而保證了負荷運行的穩定性。

2.電氣制動和變壓器中性點經小電阻接地

（1）電氣制動。當電力系統故障時，電機輸出的功率急劇減少，發電機功率因功率過剩而加速，如能迅速投入制動電阻，消耗發電機的有功功率以制動發電機，使發電機不失步，仍能同步運行，可提高電力系統的暫態穩定性。

（2）變壓器中性點經小電阻接地。變壓器中性點經小電阻接地就是對接地性短路故障的電氣制動。在短路靠近送電端時，它主要由送端發電廠供給；靠近受電端時，主要由受端系統供給。送電端發電機由于要供給這部分功率，短路時它們的加速就要放緩，或者說這些電阻中的功率損耗起了制動作用，從而提高了系統能的暫態穩定性。

3.長線路中間設置開關站

在線路較長時，可以在線路中間設置一個或多個開關站，這樣相當于縮短了線路，因而可以提高系統的暫態穩定性。

4.采用單元接線方式

這是不增加設備投資以提高電力系統暫態穩定性的措施。采用單元接線基本上防止了發電廠之間并列運行暫態穩定的破壞。

5.連鎖切機和切除部分負荷

連鎖切機是由單元接線方式派生的，是介于并聯接線和單元接線之間的一種提高暫態穩定的措施，它可以提高電力系統的暫態穩定性。當電力系統中備用容量不足，難以采用單元接線方式而必須采用并聯接線方式時，為了提高系統暫態穩定性，可以采用連鎖切機。

四、商丘電網安全穩定水平現狀

通過對2013年夏季大負荷、冬季大負荷進行全接線及N-1暫穩分析，商丘電網無暫穩問題。

由N-1靜態安全分析，在主要發、輸、變電設備檢修情況下，商丘電網存在500千伏聯變下網負荷超穩定極限、重要斷面過極限及220千伏電壓水平偏低問題。

2013年商丘電網穩定約束的重點在于配合各種設備檢修時，控制電網負荷使商丘電網電壓滿足運行要求，各重要斷面不過載或不超穩定極限。

五、對商丘電網穩定運行采取的約束措施

（1）電壓控制：電壓控制是以下各項控制的前提。控制商丘電網220千伏電壓不低于220千伏。

（2）開封地區與商丘地區500千伏主變。

1）汴西變投運前：開封地區與商丘地區500千伏主變由祥符兩臺主變、莊周兩臺主變共四臺主變構成，主變下網極限要求如表1所示。

2）汴西變投運后：開封地區與商丘地區500千伏主變由祥符兩臺主變、莊周兩臺主變、汴西一臺主變共五臺主變構成，主變下網極限要求如表2所示。

（3）張閣莊周西送斷面。該斷面由220kV健張線、ⅠⅡ華莊線三個元件組成，控制限額如表3所示。

（4）商丘東部受電斷面。該斷面由220kV張梁線、ⅠⅡ莊陸線、ⅠⅡ裕梁線五個元件組成，控制限額如表4所示。

六、結論

電網的穩定運行對電力系統的安全十分重要。運行經驗表明，重大電網事故的發生幾乎都是由于電網穩定破壞而擴大，因缺乏事故預案，而后擴大至災害性后果。因此，一個較弱而有措施準備的電網，將比一個強而無措施準備的電網會有更好的運行效果。本文希望通過對一些對策的研究，提高電網的安全穩定運行及經濟效益和社會效益。

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（責任編輯：孫晴）