探討電力系統運行可靠性

郭胤

摘要：隨著電網規模日益擴大、互聯程度不斷提高，電力系統的運行可靠性問題日益突出，迫切需要研究電力系統運行可靠性的動態識別和安全風險預警.以保證電力系統安全和穩定。本文結合筆者工作經驗分析了破壞電力系統運行的因素，并從如何促進其穩定性運行提出了相對的建議。

關鍵詞：電力系統；穩定性

前言

電力行業作為一個重要的基礎產業和公用事業，對于國家經濟和民生穩定起著促進和發展作用，在國家經濟和社會安全中發揮著不可替代的作用。電氣能源從發電廠、變電站傳輸和分配給電源用戶，這個過程經過了數以千計的設備控制和保護裝置。這些裝置分布在各種不同的環境和地區，會產生不同類型的故障，影響電力系統的正常運行和用戶的正常用電。電力供應過程中的各種故障和意外事故造成的停電，會給工業和農業生產及人們的生活造成不同程度的損失，并導致工業產品的產量下降、質量降低，嚴重的會造成設備損壞。停電也將威脅到人身安全，給社會和人們造成經濟損失，供電可靠性不僅涉及到了供電企業的生存和發展，更直接關系到地區用戶的用電安全性和可靠性，甚至關系到該地區的發展，因此，如何保障電力網絡的安全和可靠運行，一直是各供電企業研究的一個重要問題。

1電力系統失穩的原因

（1）突然大負荷轉移引起連鎖反應。由于電網結構的不完善，當某一回線路發生跳閘時，該線路所帶的負荷轉移疊加到臨近的線路上，容易造成電力系統振蕩，甚至線路連鎖跳閘，從而不穩定性擴大到整個電網。

（2）系統故障切除速度較慢。當電力系統中出現局部故障時，如果由于保護動作不迅速，此故障線路或設備對其他設備的運行造成了影響，此時電力系統運行的狀態發生較大改變，出現不穩定性現象。

（3）發電設備功角穩定性。電力系統正常運行的重要間運行不同步，則電力系統的電壓、電流和功率都會出現周期性的大幅度振蕩，導致電力系統不能向用戶正常供電。

2繼電保護和自動裝置對電力系統穩定的作用

在電力系統中，安全自動裝置的使用，可以提高供電的可靠性和穩定性，防止事故擴大和對重要地區的破壞性停電，并在故障切除后能夠快速恢復供電，從而保證電力系統的安全運行。繼電保護也是一種自動裝置，它通過反映電力系統中電氣設備故障或不正常的工作狀況而作用于斷路器跳閘或發出信號，它是保證電力系統安全運行的重要措施之一。當電力系統發生短路故障時，繼電保護裝置應能自動控制地、快速地、有選擇性地將故障設備從電力系統中切除，減輕故障設備的損壞程度和對鄰近地區供電的影響，從而維護電力系統運行的穩定性和安全性。

2.1快速遮斷

在電力系統中發生故障等擾動時，快速開關在1～2個周期內把故障點快速斷開，可以抑制發電機的加速，從而提高電力系統的暫態穩定性。

2.2快速切機及解列

由于短路故障或輸電線路斷開而使送端發電機的電磁功率突然減少時，為了不使發電機加速而失去暫態穩定性，可以迅速切除部分送端發電機組，通常采用在輸電線路斷路器斷開時連鎖切機的辦法，使其余機組坳機輸入功率和輸出功率盡可能平衡，以抑制發電機轉子的加速，使暫態穩定性得以提高。

2.3自動重合閘

由于電力系統的故障，特別是高電壓等級的輸電線路，絕大多數是瞬時性的故障，采用自動重合閘裝置，在故障發生后，由繼電保護裝置啟動斷路器，將故障線路切除，待故障消除后，又自動將線路投入運行，以提高供電的可靠性。

2.4采用制動裝置

（1）電氣制動。所謂電氣制動，就是當系統發生故障、發電機的輸出功率急劇減小、發電機因功率過剩而加速時，迅速投入自動電阻，額外消耗發電機的有功功率，以抑制發電機組加速，提高電力系統的暫態穩定。

（2）機械制動。電氣制動是增大發電機的電磁功率、間接地實現制動來提高電力系統的暫態穩定性。而機械制動則是直接在發電機組的轉軸上施加制動力矩、抵消機組的機械功率來提高系統的暫態穩定性。

2.5快速關閉主汽門

現在大容量汽輪發電機組都是高溫、高壓、具有中間再熱的機組，而且都配置了反應較快的閥門控制系統。因此，這種機組能夠方便地做到快速調節汽輪機對發電機的輸入功率，以適應系統發生故障時發電機輸出功率的降低，從而減緩了發電機組在故障期間的加速，達到提高系統穩定性的目的。采用這種措施，可以在故障后不切機的情況下，抑制發電機的加速，使系統保持第一振蕩周期的穩定，同時，在故障排除后能很快地恢復到原來的出力。

2.6自動調節勵磁控制

在系統發生故障或干擾時，快速勵磁控制系統迅速捕捉到發電機端電壓等的變化信息，并對之加以控制，這樣來抑制發電機相位角的搖擺，提高系統穩定性。自動調節勵磁裝置的投資在整個系統投資中占的比重極小。

2.7切負荷

在受端系統發生功率虧缺時，切除部分負荷是維持系統穩定、防止頻率崩潰的重要措施。一般采用按頻率減負荷裝置（低頻減載）。

3提高電力系統運行穩定性的措施

3.1快速切除故障及重合閘裝置的利用

開關設備和繼電保護設備的動作特性對電力系統故障的快速切除、提高電力系統運行穩定性具有至關重要的作用。

保護設備切除故障的時間是保護動作時間和從接到跳閘命令開始到繼電器觸頭斷開后電弧熄滅的時間的總和。加快故障切除速度一方面是為了防止同步發電機越過運行穩定區（運行功角小于），另一方面，由于電力系統中發生故障后一些設備由于承受過大電流容易發生過熱甚至起火、爆炸，引發更加嚴重的事故，若故障切除時間加快，減少過電流時間，可減少電力系統設備損壞，防止事故擴大，提高電力系統穩定性。為了減少保護的動作時間應該從提高繼電保護設備的性能上著手。相關研究表明，對于某一雙回線路，當線路一段發生故障時，故障切除速度從0.2s提高到0.1s，此時，三相短路故障情況下，系統的暫態穩定臨界值從45%提高到82%，單相短路故障時，系統的暫態穩定臨界值從94%提高到98%。

根據實際運行經驗可知，電力系統中的故障多數是短路故障，并且這些故障多數是暫時性的，若采用自動重合閘裝置可以再發生故障的線路上斷路器跳開之后經過一定的時間合上斷路器，如果此時故障消失，那么重合成功，在采用了自動重合閘的線路上，重合的成功率能夠達到90%以上，因此該項措施對于提高電力系統穩定性也具有重要的意義。

3.2動態無功補償技術

無功不足會導致系統的電壓跌落，甚至發生電壓崩潰，無功調節對電力系統電壓的穩定性具有關鍵的作用，無功調節不能發揮作用時，電力系統母線電壓會隨著運行方式的變化而發生較大的變化，導致網損增加，電壓不合格率提高。為了提高電力系統穩定性，需要通過一定的技術手段向電力系統補償一定的無功。

主要的無功補償設備有：調相機、靜止無功補償器（SVC）、統一潮流控制器、可控硅串聯補償器等設備。由于調相機是旋轉設備，維護困難，現在一般不再安裝新的調相機。靈活交流輸電技術是現在的一項新技術，由于電力電子元器件的發展，無功補償器能夠實現調節的快速性和平滑性。由于電力系統的運行狀態是時刻改變的，因此需要針對不同的時刻的具體情況對電力系統的無功進行補償，動態補償是一個較好的解決方案，控制理論的發展可以對無功補償設備進行適應性控制，實現電力系統無功的動態補償。

3.3統一潮流控制器的在電力系統穩定性中的作用

統一潮流控制器也是電力電子技術發展的產物，它具有多種補償功能，串聯補償、并聯補償、端電壓調節等基本功能，并且這些功能可以綜合起來應用，實現更加復雜的調節功能。統一潮流控制器本質是背靠背變流器（back-to-back converlor），原理如圖1所示。

變流器1和變流器2分別通過變壓器T1和12接人系統，其中變流器1可以等值為兩個并聯電流源，分別向系統注入無功功率和有功功率，從而可以通過調節無功控制變流器接人點的電壓，也可以通過調節有功功率電流源使得系統與裝置所交換的有功功率為零，從而保持變流器直流部分電容的電壓恒定。變流器2則負責向電力系統提供一個幅值和相位均可變的串聯電壓源，通過該電壓源控制流過線路的復功率。由于直流部分的存在，變流器1和變流器2可以獨立地控制，因此可以獨立地發出或者吸收無功功率，起到調節電力系統無功的作用。

統一潮流控制器和動態無功補償技術對提高電力系統的的機理是相同的，都是通過向電力系統補償無功，提高對系統母線電壓的調節能力而實現，在實際中，無功補償并不是越多越好，過度的欠補償和過補償都不合適，補償無功恰好等于系統的無功缺額則容易使系統產生諧振，因此在變電站中常常采用的辦法是適當的過補償，這主要是因為若采用欠補償，電力系統中的產生的感性無功增加，還是很容易導致諧振問題。

3.4變壓器中性點經小電阻接地

變壓器中性點接地提高電力系統穩定性的原理在于，由于故障多為不對稱故障，在電力系統中發生故障時，變壓器中性點的接地電阻向故障后的電網絡增加了電阻，起到消耗發電機發出有功功率的作用，減少功率差額，減少電力系統不穩定性的因素。

變壓器中性點接地的運行方式，實質是一種電氣制動提高電力系統運行穩定性的措施，電氣制動即采用向電力系統中增加制動電阻，消耗電機發出有功功率，同樣的原理，也可以通過向發生故障后的電力系統投入較大的電阻（例如旁路電阻的接入），增加故障時候功率的消耗，提高電力系統運行穩定性。

4結語

總之，作為一個重要的服務行業——電力行業，與國家經濟和民生息息相關。必須建立一個完善的供電系統，努力提高供電可靠率，增加電力供應能力，使故障的發生率控制在最低點，從而使得客戶的滿意度逐漸提升。