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1、电力系统灾变防治基础理论 摘要：电力系统灾变的特点、灾变原因及灾变防治策略。 关键词：电力系统 灾变特点 灾变原因 防治策略 一电力系统灾变概况电力是国家的支柱能源和经济命脉。目前我国电网装机容量2.5亿千瓦，居世界第二位。随着三峡等大型电厂建成，必将出现超大规模的联合电力系统。我国计划在20102020年间建成安全可靠、满足电能传输和市场化运作的全国范围联合大电网。如何保证其安全、稳定和经济运行，是一个及其重大和迫切的研究课题。而自60年代以来，在世界范围内已发生了多起灾变性的重大电力系统事故，造成了巨大的经济损失和社会影响。如美国1965.11的东北停电事故，停电2100千瓦，停电面积达2
2、0万平方公里；1977.7美国东北停电25h；1978.12法国停电75，时间7h；1982.12加拿大魁北克州全停；1983.12瑞典停电67，时间67h；1987.8东京大停电，时间6h；1996.9马来西亚全国大停电；1996.8美国西部大停电，损失3200万千瓦负荷，停电时间7h。这些事故的起因均为某一局部故障，但由于控制措施采取不当或不及时、电网结构的不合理、继电保护装置的误动或拒动，或者是上述多种因素的综合作用，最终导致了系统的连锁性故障以致于大面积停电，即所谓灾变的发生。大区电网的互联和电力市场机制的引进在给人们带来巨大利益的同时，也带来了潜在的威胁，电网的运行增加了更多的不可预
3、知性，电网运行在稳定极限边缘的可能性也大为增加。这些事实告诉我们，只按现有的可靠性准则来保证电力系统的安全是不够的。应建立电力系统的第三道安全稳定防线，即必须对系统中可能出现的最坏情况做好准备。尽早开展电力系统灾变防治系统的研究，避免灾难的重演已成为目前电力系统研究的当务之急。二电力系统灾变的特点现实的电力系统同复杂的甚至是不可预测的环境相联系，它随时都可能受到来自自然或人为因素的干扰，要完全防止事故的发生是不可能的。电力系统灾变是指电力系统主要由连锁性事故导致的电力系统稳定破坏而发生的大面积停电。电力系统事故可分为两大类：一是可逆性事故，即电力系统受干扰后，能从一种正常工作状态走向另一种或回
4、到原来的工作状态。二是不可逆事故。即电力系统受干扰后，电力系统功角稳定破坏，或电压稳定破坏即电压崩溃，或频率稳定破坏即频率崩溃，或三者中的任意二者或全部破坏，电力系统瓦解，大量损失负荷。下面例举了电力系统的一类灾变的发生发展过程。图1为一个三机四母线的电力系统。1假设l 事故前潮流如图1所示，且节点2、节点3联络开关通过功率很大；线路12，14接近稳定限制功率运行。l 线路配置较完整的继电保护和重合闸，且线路12，14跳闸可联切电源1号机组和分别联切节点2、4部分负荷，但事故当时联切装置停运检修中。l 变压器配有常规保护；发电厂配有常规保护和自动控制装置。l 电源节点2与系统联络开关有振荡解列
5、、低电压解列联系；节点3与系统联络开关有振荡解列、低频率解列联系。2灾变发生和发展过程（1）线路14永久故障，两侧保护正确动作掉闸。1号电源因离故障点近，冲击较大。（2）线路14负荷转移至线路12，13，线路43潮流反向。（3）电源1，3间功角稳定破坏，系统振荡，1号电源侧频率大幅上升，3号电源侧频率大幅下降；电源1，3之间联络阻抗二分之一处（电源2附近）为振荡中心，电压稳定破坏。（4）1号电源部分发电机过速解列停机。2号电源与系统联络开关振荡解列、低电压解列供电地区，但因事故前该地区受进功率很大，事故时电压很低，低频切负荷装置启动功率不足，大都未动，故解列以后，频率陡降，最终该地区所有发电厂
6、被迫解列，部分停机，局部系统瓦解。3号电源与系统联络开关振荡解列、低频解列动作供电地区，但因事故前所在局部系统功率外送较大，加之在系统振荡过程中部分低频减载动作，解列后功率过剩，频率上升，部分发电机组被迫减出力或解列停机。负荷节点4，因在振荡过程中频率很低，低频减载动作，大部分负荷损失。灾变最终结局是：2、3号电源解列，系统损失大量负荷，全网和局部系统2均瓦解，局部系统3解列后也几近瓦解。由上述简单系统灾变的示例以及结合多次实际电力系统灾变事故经验，可将电力系统灾变的主要特点总结如下：1.具有极强的综合性。电力系统灾变几乎涉及到电力系统中的所有重要问题，几乎每一起电力系统灾变事故均与系统失去稳
7、定有关，灾变是系统失去稳定并导致大面积停电的结果。因此在研究中必然会遇到电力系统原有的众多难题，如系统的动态等值与简化、稳定判据的选择、负荷的动态模型难以获得、控制方法的适应性以及系统的强非线性和时变性等问题。2.连锁性故障是导致电力系统灾变发生的主要原因，它表现为一系列线路和电源的连锁反应跳闸，并最终发展为系统的解列、频率或电压崩溃。连锁性故障往往由极其罕见的严重事故造成，具有偶然性和不可预测性。典型的严重事故包括同一走廊的输电线路全部同时断开、枢纽变电所全停或占系统容量较大的一个发电厂全停等。目前人们对连锁性故障发生的机理只有一些定性的认识，对连锁性故障发生机理的系统性研究仍不多见。3.连
8、锁性故障发生时的控制方式及策略与常规情形不同，要求在灾变研究中应考虑罕见严重故障发生时的控制方式和策略，这与以往的基于个别故障发生后采用的控制方式和策略明显不同，目前这方面的研究还很少见诸于文献。三电力系统灾变原因仔细考察过去发生的多起重大电力系统灾变事故，可知导致事故扩大的原因大体可分为以下几种：a)输电线路过负荷或故障跳闸，引起大量负荷转移，最终造成一系列线路和电源的连锁反应跳闸。1961年英国东北部、1965年美国东北部和1967年美国东部的大停电等事故均是由上述原因引起。b)负荷增长过快，系统无功不足而导致电压崩溃。1978年法国和1987年日本大停电事故便是由这一原因造成的。c)系统
9、元件的保护或自动装置拒动或误动。d)线路多重多次故障，导致一系列跳闸，最终发展成稳定破坏事故。e)大机组跳闸，引起连锁反应，最终发展成稳定破坏事故。f)不可抗拒的自然灾害或人为因素(如地震、战争等)。灾变是系统稳定破坏的结果，根据系统失稳的特征不同，稳定问题包括功角稳定、电压稳定、频率稳定以及电力系统非管制后所呈现的电力市场稳定问题。l 电力系统功角稳定所谓电力系统功角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。交流电力系统的正常运行条件是各发电机按同一供电频率同步运行以保证为用户提供统一频率的电能。电力系统失去功角稳定的原因是在运行中不断受到内部和外界的干扰，使电气连接在一起的各同
10、步发电机的机械输入转矩于电磁转矩失去平衡，出现各发电机转子不同程度的加速和减速，以及各发电机转子相对功率角的变化，如果这种变化随时间增大，则最后将使发电机失去同步运行。由于各发电机的频率不相同，电力系统中的电流和电压将发生很大幅度的振荡，用户得不到正常供电，保护装置动作，一般要断开受影响的发电机、线路等元件，有可能使系统解列为几个子系统并不得不切除负荷及发电机，从而导致全系统的崩溃。失去稳定的现象可能是发生一台发电机与其余发电机间，或者发生在几群发电机间，每群发电机内还是同步运行的。l 电力系统电压稳定电力系统的电压稳定性是电力系统维持负荷电压于某一规定的运行极限之内的能力，它与电力系统中的电
11、源配置，网络结构及运行方式、负荷特性等因素有关。在电力需求不断增加，受端系统不断扩大，负荷容量不断集中，而电源又是远离负荷中心的情况下，以及输电系统带重负荷时，会出现电压不可控制连续下降的电压不稳定现象，即电压崩溃。它往往由于电力系统电压的扰动（如发生短路，大容量电动机的启动，冲击负荷等）、线路阻抗突然增大（断开线路或变压器）、无功功率减小（断开发电机或无功补偿装置）或节点负荷的增大而诱发，使大量用户断开和大面积停电。l 电力系统频率稳定在电力系统稳态运行情况下，全系统的发电机出力和负荷（包括线损）是平衡的，电力系统频率是一个全系统一致的运行参数。在实际运行时，当电力系统出现干扰使发电机的总出
12、力和负荷的总功率出现不平衡时，相应地将导致各发电机转速和频率的变化。在频率变化的第一阶段调速器和调频系统还没有动作，系统的平均频率将下降或增大，各发电机间将产生振荡；第二阶段发电机的调频系统以及负荷的频率调节效应，导致发电机有功出力以及负荷的变化，随着电力系统容量的增大，频率的微小偏移均将发生很大的有功潮流波动和调整，如果电力系统频率进行的监视和调节不够，就会导致系统频率的进一步恶化，这又将导致系统电厂中锅炉出力的变化，以及电动机负荷的变化，使得电力系统的出力和频率进一步变化，最终使系统走向频率崩溃，一致全系统大面积停电。l 电力市场稳定性当前电力市场化浪潮席卷诸多国家，我国也在积极推行市场化
13、改革。先进国家电力工业走向市场的经验表明：电力系统的市场化运作由于打破了垄断，引入了有序竞争机制一般将使发电成本降低30，电价降低26左右，这对降低产品成本，提高产品竞争力具有特别重要的意义。但是电力市场的发展在带来明显经济效益的同时，也对电力系统的安全稳定性提出了新的课题，即电力市场经济稳定性。从而电力系统的稳定性将由两部分组成，即前述的电力系统物理稳定性和电力市场经济稳定性，而且两种稳定性紧密交织在一起，灾变发生的可能性将大为增加。比如1996年发生的两次美国西部大停电以及马来西亚大停电就是市场化改革带来的惨痛教训。电力市场稳定性指电力市场必须保证其经济活动的稳定性。政府部门和电力市场的各
14、参与方都希望评估影响电力市场稳定性的各种因素，了解电力市场在受到预想扰动时的动态行为和稳定程度，并希望可靠的算法支持其决策，防止市场的崩溃。影响电力市场稳定的因素有：1） 市场经济下的系统运行工况将由市场需求来决定，系统间大量的电能交换和交易、不可预测的潮流和线损等因素都增加了运行调度的不确定因素，更容易遇到离线分析未考虑的工况。2） 电力市场下，发电、输电、供电将各自成为独立的经济实体，电网公司将不再具有在传统垂直一体化电力结构下的调度能力，网络的安全问题将更为突出。3） 在宏观经济方面，能源政策、环境法规和国民经济发展态势的调整4） 在微观经济方面电力市场规则的修改，各参与者的博弈5） 在
15、技术方面，电力系统的物理特性、安全稳定导则、稳定传输极限引起的阻塞、分析技术和控制技术电力市场稳定性的研究内容是：1） 在市场均衡价格下，研究市场价格微小偏离市场均衡价格时的市场稳定性2） 研究市场在大扰动情况下，系统是否能够保持足够多的发电公司、充裕的可发电容量及可输电容量，也即电力市场的大扰动稳定性问题。美国加州电力市场崩溃时发电成本上涨和发电容量不足，造成加州批发电力市场价格飞速上涨，而当时的用电端是按照冻结电价售电的，这样就失去了电价调节的杠杆作用，用户的用电弹性作用完全丧失，市场价格失衡3） 研究电力市场的动态品质问题，如电价的渐进性、对振荡的阻尼等。 四电力系统灾变防治策略电力系统
16、灾变防治研究是一项复杂的综合性工作，涉及到电力系统的方方面面，尤其是在连锁性故障的机理及其发生时的控制方式和策略、电力系统隐患的探测和预防、决策准确性与快速性的兼顾以及完善预警系统的建立等方面存在的诸多问题。电力系统灾变防治系统（Power System Collapse Prevention System，缩写为PSCPS）研究的目标1)准确地进行判断并给出正确的控制措施是对PSCPS的基本要求。电力系统扰动发生后，要求PSCPS能在尽可能短的时间内完成对系统的有效控制。在紧急情况下，只有准确的决策和快速的执行才能有助于电力系统状态或性能的改善，否则会加剧系统的崩溃。然而，目前研究中采用的算法和方法多数仍难以满足PSCPS的实时性要求。快速性和准确性要求一直是电力系统研究中的一对矛盾，同时满足快速性和可靠性要求的安全及稳定控制算法才具有实用价值，机理可行而缺少实时性的算法虽具有研究价值，但却不宜采用。2)PSCPS应具有鲁棒性和适应性，不应受到某些虚假现象的影响而产生误判。电力系统的时变性要求采用的控制方法和策略具有适应性和
